La importancia de los elementos de automatización para la gestión eficiente del agua M.G. González González 1 y A. Ruiz-Canales 1 1 Departamento de Ingeniería, Escuela Politécnica Superior de Orihuela (EPSO-UMH), Ctra. de Beniel, km 3,2 03312, Orihuela (Alicante), gyomar.glez@gmail.com Resumen Esta comunicación expone distintos elementos de automatización, englobando tanto instrumentación como sistemas de control, presentes en una planta de tratamiento de aguas mediante ósmosis inversa para mejorar la gestión eficiente del agua y con ello promover la eficiencia energética y el ahorro, tanto energético como económico, en estaciones de tratamiento de aguas mediante ósmosis inversa. De este modo tras la realización previa de un trabajo de investigación y haciendo estudio de los resultados obtenidos tras la implementación de los diversos componentes de automatización en un caso de estudio concreto se puede determinar la relevancia de la presencia de estos elementos en plantas de tratamiento de aguas. La implantación de estos instrumentos y sistemas supone una clara visión de modernización en el sector del agua. Palabras clave: automatización, desalinizadora, ósmosis inversa, ahorro de agua, ahorro de energía, optimización. INTRODUCCIÓN La desalación es una alternativa viable y competitiva en determinadas condiciones, por lo que su aprovechamiento se ha extendido en los últimos años, tanto para usos domésticos como industriales y agrícolas. Decenas de países emergentes cuentan con problemas de agua que deberán ser resueltos en un futuro próximo. Esta escasez de agua en el norte de África, Oriente Próximo, India o Australia, unida al crecimiento de la población, el desarrollo industrial, la polución de los recursos hídricos y el cambio climático, exigirán soluciones [1]. Según Global Water Intelligence, el actual 1% de la población del mundo que depende de agua desalada subirá hasta el 25% en 2025. Se espera, pues, que las 7.000 desaladoras que hay en el mundo (en 150 países) se multipliquen. En la figura 1 se muestra a modo de ejemplo el esquema de una planta desalinizadora de agua de mar donde se aprecian los distintos procesos. 1
Figura 1. Esquema de una planta desalinizadora de agua de mar [2]. Necesidades al margen, no hubiera habido sector de no ser por el notable avance de las tecnologías, especialmente la mejora de eficiencia de las membranas y el menor consumo de energía requerido y los diversos procedimientos de recuperación de energía en el bombeo de alta presión. Mientras que hace cuatro décadas hacían falta 22 kw para producir un metro cúbico de agua, ahora bastan 3,5 [3]. En las plantas desalinizadoras los factores como la mejora en la calidad del agua producto y la disminución de costes en la producción del efluente son los condicionantes fundamentales, y en este sentido la automatización industrial contribuye decisivamente. Esta automatización es esencial para la gestión eficiente de las modernas plantas de tratamiento de aguas, en general. Los costes de operación de las plantas de tratamiento de aguas mediante ósmosis inversa corresponden a más del 50% del consumo de energía [4] de la planta por lo que la optimización para gestionar convenientemente dicho consumo y lograr una alta eficiencia energética supone un factor clave. AUTOMATIZACIÓN DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA La automatización del proceso industrial llevado a cabo en una planta desalinizadora abarca, entre otros, la instrumentación industrial, que incluye los sensores, los transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones en planta [5]. Dicha automatización conlleva innumerables ventajas en la producción. Un proceso automatizado en la industria actual repercute en un producto final de mayor calidad y más competitivo debido a factores tales como la normalización de procesos y productos, la velocidad de producción, programación de la producción, la reducción continua de los residuos y menor probabilidad de error. Sin 2
embargo, cabe citar que el operador no debe ser reemplazado pues a pesar de que el grado de automatización en esta industria en concreto es elevado, siempre se deja algún grado de libertad para que el operador dé la orden de inicio de algunas operaciones o la introducción de consignas manuales, por ejemplo. El proceso de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa es un sistema con cierto grado de complejidad que necesita de la utilización de los medios más modernos de automatismos y control para poder operar con garantías de fiabilidad y seguridad, esto es, automatizar el proceso al máximo nivel viable. En esta comunicación se exponen de manera general la instrumentación y los sistemas de control presentes actualmente en una planta de tratamiento de aguas mediante ósmosis inversa para mejorar la gestión eficiente del agua. INSTRUMENTACIÓN Un sistema de instrumentación es una estructura compleja que agrupa un conjunto de instrumentos, esto es dispositivos o sistemas que realizan las mediciones, unos transmisores o indicadores de la medida, unos elementos de regulación y unas conexiones entre estos elementos y los programas encargados de automatizar el proceso y de garantizar la repetitividad de las medidas. Esta comunicación se centra en los instrumentos de medición y control y los elementos de regulación. - Instrumentos de medición y control En una planta de desalinización por proceso de ósmosis inversa, bien sea de agua de mar o salobre, hay que instalar una serie de instrumentos que midan y transmitan las variables del proceso, para poder actuar sobre el mismo de manera automática o semiautomática. Para visualizar la posición de algunos de los instrumentos que a continuación se exponen se muestra en la figura 2 un ejemplo de sinóptico general de proceso. 3
Figura 2. Ejemplo de sinóptico general del proceso [6]. Tomando como ejemplo una planta de desalinización de agua de mar, se detallan a continuación de forma tabulada los diversos instrumentos presentes según proceso de la planta. 1. Captación de agua de mar En la captación de agua de mar por toma abierta se suelen utilizar prácticamente los mismos instrumentos que en la captación mediante pozos profundos. Cambia, normalmente, la tipología de los instrumentos de medición de nivel y la presencia en algunas ocasiones de analizadores de hidrocarburos en lugar de analizadores de turbidez. Los instrumentos más usuales según el tipo de captación figuran en la tabla 1. Tabla 1. Instrumentación en captación de agua de mar. INSTRUMENTACIÓN EN CAPTACIÓN DE AGUA DE MAR MEDIANTE POZOS PROFUNDOS MEDIANTE TOMA ABIERTA - Medidores de nivel ultrasónicos - Medidores de nivel hidrostáticos - Interruptores de nivel - Manómetros - Manómetros - Presostatos - Presostatos - Transmisores de temperatura en - Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes arrollamientos de motor y cojinetes - Caudalímetros electromagnéticos - Caudalímetros electromagnéticos - Analizadores de turbidez - Analizadores de hidrocarburos 2. Pretratamientos Pretratamiento físico El tipo de pretratamiento físico que se le puede aplicar al agua a desalar es muy variado y 4
depende de multitud de variables. Como ejemplo, se trata a continuación la instrumentación a instalar en procesos de filtración sobre arena y microfiltración con cartuchos que son las más habituales. Tabla 2. Instrumentación en pretratamiento físico. INSTRUMENTACIÓN EN PRETRATAMIENTO FÍSICO FILTRACIÓN POR ARENA FILTRACIÓN POR CARTUCHOS - Manómetros - Manómetros - Manómetros diferenciales - Manómetros diferenciales - Transmisores de presión - Transmisores de presión - Transmisores de presión diferencial - Transmisores de presión diferencial - Caudalímetros electromagnéticos - Caudalímetros electromagnéticos Pretratamiento químico En esta sección se suele controlar el estado de los depósitos donde se encuentran los elementos químicos a añadir al agua de mar. Tabla 3. Instrumentación en pretratamiento químico. INSTRUMENTACIÓN EN PRETRATAMIENTO QUÍMICO - Medidores de nivel en depósitos - Interruptores de nivel - Manómetros - Rotámetros Panel de agua pretratada En este panel se suelen instalar en derivación al proceso, aquellos analizadores que indican que la calidad del agua pretratada es adecuada para ser alimentada al proceso de desalinización. Tabla 4. Instrumentación en panel del agua pretratada. INSTRUMENTACIÓN EN PANEL DEL AGUA PRETRATADA - Analizador de turbidez - Analizador de ph - Analizador de redox - Analizador de conductividad - Analizador de cloro residual - Transmisor de temperatura - Transmisor de presión - Medidor de SDI 3. Bombeo de alta presión y recuperación de energía En este proceso, independientemente del tipo o sistema de recuperación de energía utilizado, lo que se suele medir es: presión, caudal y temperatura de los rodamientos de las máquinas. Como se ha explicado anteriormente, en este proceso es donde se produce un gran incremento de presión en las bombas de alta presión. Estas bombas suelen tener un valor elevado de NPSH requerido, por lo tanto hay que garantizar que en la aspiración de las mismas exista una presión adecuada. Para proteger a las bombas, el elemento principal de protección es el presostato. A partir de una cierta presión de tarado (± 1 bar) 5
se produce el disparo del bombeo de alta presión. Tabla 5. Instrumentación en bombeo de alta presión y recuperación de energía. INSTRUMENTACIÓN EN BOMBEO DE ALTA PRESIÓN INSTRUMENTACIÓN EN RECUPERACIÓN DE ENERGÍA - Manómetros - Manómetros - Presostatos en aspiración e impulsión - Presostatos en aspiración e impulsión - Transmisores de temperatura en - Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes arrollamientos de motor y cojinetes - Caudalímetros electromagnéticos - Caudalímetros electromagnéticos - Transmisores de presión - Transmisores de presión 4. Tratamiento del agua mediante ósmosis inversa En los bastidores de ósmosis se coloca instrumentación tanto en la alimentación como en la salida de agua producto y la salida de concentrado (salmuera) y entre la alimentación y la salida de salmuera. Tabla 6. Instrumentación en tratamiento mediante ósmosis inversa. INSTRUMENTACIÓN EN TRATAMIENTO MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA ALIMENTACIÓN PRODUCTO CONCENTRADO -Transmisores de presión -Presostatos -Caudalímetros -Transmisores de conductividad -Presostatos -Caudalímetros -Manómetros -Toma de muestras -Transmisores de conductividad -Presostatos -Caudalímetros -Manómetros ENTRE ALIMENTACIÓN Y CONCENTRADO -Transmisores de presión diferencial 5. Postratamientos El agua producto se suele remineralizar mediante sistemas que aportan hidróxido cálcico junto con anhídrido carbónico o carbonato cálcico junto con anhídrido carbónico. Otro producto químico que se añade es hipoclorito sódico como preservador de desinfección. La instrumentación básica que se usa en estos procesos queda reflejada en la tabla 7. Tabla 7. Instrumentación en postratamientos. INSTRUMENTACIÓN EN POSTRATAMIENTOS REMINERALIZACIÓN - Medidores de ph - Caudalímetros electromagnéticos - Analizadores de turbidez - Reguladores de nivel - Manómetros DESINFECCIÓN - Medidores de cloro residual 6
6. Almacenamiento e impulsión del permeado En ciertas plantas donde existe una distancia importante (distancia de más de un km) entre la zona de recepción del agua producto y la propia planta se suele proyectar un depósito de almacenamiento de agua ya desalinizada dentro de la propia desalinizadora. En este caso la instrumentación que se instala es la mencionada en la tabla 8. Tabla 8. Instrumentación en almacenamiento e impulsión del permeado. INSTRUMENTACIÓN EN ALMACENAMIENTO E IMPULSIÓN DEL PERMEADO - Medidores de nivel ultrasónicos - Interruptores de nivel - Manómetros - Presostatos en aspiración e impulsión - Transmisores de temperatura en arrollamientos de motor y cojinetes - Caudalímetros electromagnéticos 7. Instalaciones auxiliares Para los servicios auxiliares en una instalación desaladora (aire de servicio, aire de instrumentos, red de agua industrial, ventilación, climatización, etc.) se suelen instalar los instrumentos que aparecen en la tabla 9. Tabla 9. Instrumentación en instalaciones auxiliares. INSTRUMENTACIÓN EN INSTALACIONES AUXILIARES - Instrumentos de medición de presión - Manómetros - Instrumentos de medición de temperatura - Termostatos - Medidores de caudal - Elementos de regulación En cualquier proceso de desalinización, bien sea por ósmosis inversa, procesos térmicos, procesos de intercambio iónico etc., se necesita controlar y regular el proceso. La regulación se hace modificando las condiciones físicas, químicas y las variables de caudal y presión. Las condiciones físicas o químicas se modifican mediante los tratamientos físicos o mediante la adición de reactivos para modificar las condiciones químicas. Las variables de presión, caudal o en procesos térmicos la temperatura, se modifican o adecúan mediante la utilización de elementos de regulación tales como válvulas de control, variadores de frecuencia regulando la velocidad de bombas y servoposicionadores de bombas dosificadoras. En la figura 3 se aprecia la localización de los diferentes elementos de regulación en el proceso de desalinización. 7
Figura 3. Ejemplo de posicionamiento de los elementos de regulación en una planta desalinizadora [7]. Se observa como en la fase de captación, con las bombas y válvulas regulables, se controlan en todo momento, mediante un lazo de control, tanto el caudal como la presión del agua impulsada a la planta por cada grupo. En el siguiente punto, tanto los filtros de arena como los de cartuchos, cuentan con sus correspondientes válvulas de apertura y cierre para así poder aislar algún filtro en caso de limpieza del mismo o por avería de éste. Seguidamente se encuentran las bombas de alta presión que cuentan con válvulas de regulación, en caso de avería, y con variadores de frecuencia para evitar el golpe de ariete y poder regular su funcionamiento según necesidades. El uso de servoposicionadores, o en algunos casos válvulas de regulación, se hace frecuentemente en la dosificación de los reactivos. Finalmente, para la impulsión de permeado se utilizan válvulas reguladoras en dichas bombas. SISTEMAS DE CONTROL Los programas de supervisión y control de las instalaciones, denominados SCADA (Supervisory, Control And Data Adquisition), tienen como cometido la monitorización y control de máquinas y procesos, realizar aplicaciones de automatización a medida de las necesidades fiables y seguras con disposición de todo tipo de pantallas y diagramas de bloques gráficos y soportar una arquitectura distribuida a lo largo de múltiples servidores. Integran un software que permite disponer de librerías y drivers para la integración de aplicaciones gráficas. El SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software con acceso a planta, mediante comunicación digital con los instrumentos y actuadores, que permite ver en una pantalla el esquema de una instalación controlada por autómatas y sobre ésta se reflejan los valores clave y se pueden variar las consignas. 8
Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones: - Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. - Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. - Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones. - Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador. Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco e impresora, etc. Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general que permiten personalizar de manera muy amplia la aplicación que desee realizarse con dicho SCADA. Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: - Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la planta. - Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de instalaciones (redes locales y de gestión). - Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario. A continuación se enumeran algunos de los sistemas que con mayor frecuencia se emplean en el sector de la desalación de aguas. - SIMATIC PCS 7 de SIEMENS. - Control Builder AC500 de ABB. - SCADA RSView de Rockwell. - InTouch 10.0 de Wonderware. REFERENCIAS [1] Barciela, F., Campeonas mundiales de la desalación (2013). [2] Spain Business. www.spainbusiness.com [3] Zuñiga, J.F., Oviedo, I., Cancio, E., La desalinización de agua de mar y su tendencia actual (2012). [4] Iñiguez, A., La situación actual de las desaladoras en el sudeste mediterráneo una alternativa a los trasvases? (2012). [5] González, M.G., Sistema descriptivo de la automatización de una planta de tratamiento de aguas mediante ósmosis inversa (2015). 9
[6] Manual de Usuario del Centro de Control de la Planta de Tratamiento de Aguas. Universidad de Alicante (UA). [7] IDAM Adeje-Arona. www.gobiernodecanarias.org 10