1.- Procedimiento para el diseño eléctrico
de una Planta Industrial
La
rentabilidad de una instalación industrial está directamente ligada a la
disponibilidad de sus herramientas de
producción.
Las
redes eléctricas distribuyen la energía necesaria para el funcionamiento de las
herramientas de producción. Por lo tanto, la continuidad de suministro de los
receptores se estudia desde el diseño de la instalación y, en particular,
durante las etapas preliminares a la elaboración del esquema unifilar.
El
propósito de diseñar una red eléctrica es determinar la instalación eléctrica
que cumpla con los requisitos del proceso industrial al menor coste de
inversión, de explotación y de fallos.
La
metodología de diseño de una instalación comprende seis grandes etapas.
•
1ª Etapa: Recopilación de datos
En
esta etapa se trata de:
-
identificar los problemas,
-
cumplir las necesidades y limitaciones impuestas
-
recoger los elementos necesarios para el diseño y la definición de los materiales
de la instalación.
• 2ª Etapa: Elaboración del primer
esquema unifilar
El
objetivo de esta etapa es desarrollar un esquema unifilar preliminar que
satisfaga las necesidades y limitaciones, y tenga en cuenta todos los datos.
•
3ª Etapa: Estudios técnicos y validación del esquema unifilar
Esta
etapa comprende un estudio de validación y optimización técnico-económica de la
arquitectura propuesta teniendo en cuenta todos los datos e hipótesis. Requiere
la realización de cálculos de la instalación (corrientes de cortocircuito,
flujos de potencia, etc.).
•
4ª Etapa: Elección de los equipos
El
esquema unifilar está siendo validado, en esta etapa se trata de elegir y
dimensionar los equipos con los resultados de los cálculos realizados en la
etapa anterior y los datos recopilados en la etapa 1ª.
• 5ª Etapa: Selección y ajuste de los
dispositivos de protección
En
esta etapa se trata de definir los dispositivos de protección que permitan
detectar y eliminar los defectos en la instalación y determinar sus ajustes.
• 6ª Etapa: Elección e implantación
de un sistema de control y mando
Se
trata de elegir la arquitectura del sistema de control y mando que permita a
los operadores manipular y monitorizar la red en la que se implantarán los
automatismos que optimizarán el coste y la disponibilidad de la energía:
-
transferencias de fuentes de energía
-
Deslastre de cargas
-
reconfiguraciones automáticas de bucles de distribución
-
….
1.1.- 1ª
Etapa: Recopilación de datos
Es
necesario reunir el máximo de datos que permitirán crear la instalación y
definir los materiales.
1.1.1.- Condiciones ambientales
Las
características de los equipos y materiales se dan para las condiciones
ambientales estándar. El conocimiento de los parámetros relacionados con las
condiciones reales del lugar de la instalación permite al diseñador introducir
factores de corrección o desclasificación de los materiales.
Entre
las condiciones ambientales, el diseñador se interesará en:
-
los riesgos de explosión en presencia de gases o productos inflamables en la
atmósfera, que determinará el grado de protección de los equipos.
-
los riesgos de seísmos
-
la altitud
- las temperaturas medias y máximas
-
la resistividad del suelo
-
la presencia de escarcha, viento y nieve
-
el nivel ceraúnico de la región para la protección de la instalación contra los
peligros de rayo
-
la contaminación atmosférica (polvo, corrosión, humedad)
-
los reglamentos del lugar de la instalación (locales de pública concurrencia, grandes
edificios, ....
1.1.2.- Clasificación de receptores
Se
trata de enumerar los receptores de la instalación clasificándolos por tipo:
-
motores
-
iluminación
-
calefacción
-
...
por
lo que se deben conocer:
-
las potencias nominales (activas, reactivas y aparentes)
-
las potencias realmente consumidas
-
el cos
-
el rendimiento
-
los transitorios de funcionamiento (arranque de los motores, ...)
-
los niveles de perturbación emitidos y tolerados (armónicos, desequilibrios,
flicker, cortes de suministro eléctrico, ...).
1.1.3. - instalación geográfica o funcional
de los receptores
Será
necesario identificar los receptores de acuerdo con los planos de la planta y de
sus respectivos roles en el proceso industrial.
De
hecho, debido a su posición geográfica en la planta, o de su ubicación en la
unidad funcional, los receptores engloban un primer nivel en la agrupación
natural de las cargas.
Como
ejemplo, se citan:
-
industria química
-
papelera
-
siderurgica
-
estaciones de bombeo
-
...
En
estas agrupaciones, es necesario determinar las condiciones medioambientales
relacionadas con el funcionamiento de estos equipos.
Nota:
Se suelen agrupar los receptores por zonas con objeto de realizar recuentos
parciales de energía.
1.1.4.- Condiciones de
funcionamiento de los receptores
Para
realizar un balance de potencia, es necesario especificar las condiciones de
funcionamiento de los diferentes receptores.
Se
distinguen tres casos de funcionamiento principalmente:
-
receptores cuyo funcionamiento es permanente durante toda la vida útil de la
explotación.
-
receptores cuyo funcionamiento es intermitente con respecto a la duración de la
explotación.
- receptores que no funcionan normalmente y forman parte de los sistemas de
emergencia de los receptores cuya operación es vital para la seguridad del
proceso industrial.
1.1.5.- Perturbaciones generadas y
toleradas por los receptores
Algunos
receptores causan disturbios en la red interna, o incluso en la red del
distribuidor.
Por
lo tanto, el diseñador debe registrar el nivel de perturbaciones causadas por
cada receptor para proporcionar los medios para reducirlos a un nivel aceptable
en toda la instalación eléctrica.
Por
lo tanto, es necesario identificar el nivel de perturbación tolerado por el
equipo eléctrico.
Estos niveles no siempre son conocidos o
proporcionados por los constructores de los equipos. Por el contrario, la norma
IEC 1000-2-4 define el nivel de compatibilidad electromagnética en redes
industriales y proporciona el nivel de perturbaciones generalmente aceptable
para equipos de media y baja tensión.
1.1.6.- Ampliaciones futuras
El
conocimiento exacto de las posibilidades de ampliaciones de la totalidad o
parte de la instalación permite al diseñador tener en cuenta en particular:
-
el dimensionamiento de las conexiones, transformadores, disyuntores ...
-
la elección de la estructura de la red de distribución
-
la estimación del espacio que se debe disponer.
1.1.7.- Clasificación de receptores por
importancia
Las
consecuencias de un corte de energía para la seguridad de las personas, los
bienes y la producción pueden ser muy graves.
Por
lo tanto, es importante definir para cada categoría de receptores el tiempo de
corte máximo y elegir el modo de realimentación apropiado.
Podemos
clasificar a los receptores en tres grandes familias:
-
los receptores que no toleran ningún corte de suministro eléctrico.
-
los receptores que requieren tiempos de reacción incompatibles con la
intervención humana.
-
los receptores que requieren tiempos de reacción compatibles con la
intervención humana.
Para
la primera categoría de receptores, es necesario contar con una fuente autónoma
de energía eléctrica muy segura:
-
un Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI)
- grupos de respaldo
Este
es el caso para receptores tales como:
-
automatismos del control de procesos
-
sistemas informáticos.
Para
la segunda categoría, el tiempo máximo de corte puede variar desde algunas
décimas de segundo hasta algunas decenas de segundos. Bajo esta categoría,
distinguimos:
- receptores que toleran los cortes breves y la
conmutación rápida con otra fuente de energía eléctrica; que corresponde al
tiempo requerido para cambiar a un cable de reserva o a una fuente de energía
eléctrica independiente y permanente (t <1 s)
- receptores que toleran cortes compatibles con la
reconexión lenta o el arranque automático con una fuente de seguridad (sistema
de deslastre de cargas - reconexión
automática: t <20 s).
Para la tercera categoría, el tiempo de corte
generalmente es superior a un minuto, que es compatible con una intervención
manual para reconfigurar la red o arrancar una fuente de auxiliar (grupo
electrógeno…).
1.1.8.-
Perturbaciones de la red pública
En el punto de conexión, la red pública impone
ciertas restricciones que pueden ser decisivas para la elección preliminar de
la estructura de la red interna de la planta.
• Potencia de
cortocircuito y tensión de alimentación disponibles del distribuidor
La potencia de cortocircuito requerida en el punto
de conexión depende de la potencia de la instalación, la potencia de los grandes
receptores y las perturbaciones generadas y toleradas por la instalación.
La potencia del cortocircuito depende en gran medida
del nivel de la tensión en el punto de conexión.
Es, por lo tanto, un elemento determinante en la
elección de la estructura de la red eléctrica interna de la planta.
• Características
de la tensión de alimentación del distribuidor
Las principales características de la tensión
suministrada por una red pública de distribución de media y baja tensión en
condiciones normales de operación están definidas en la norma EN 50160, aprobada
por CENELEC en 1.994. Tiene por título “Características de la tensión
suministrada por las redes generales de distribución”, y define las
características principales que debe tener la tensión suministrada por una red
general de distribución en baja y media tensión, en condiciones normales de
explotación, en el punto de entrega al cliente, tales como:
- la frecuencia
- la amplitud
- la forma de onda
- la simetría de las tensiones trifásicas.
Las características de la tensión suministrada por
las redes públicas de distribución en Alta y Media Tensión se definen en el
contrato que vincula a la Compañía de Suministro Eléctrico con los usuarios.
Este contrato estipula los compromisos de la Distribuidora sobre la calidad de la energía y los compromisos de los usuarios sobre las perturbaciones emitidas (armónicos - flicker, desequilibrios,…).
Este contrato estipula los compromisos de la Distribuidora sobre la calidad de la energía y los compromisos de los usuarios sobre las perturbaciones emitidas (armónicos - flicker, desequilibrios,…).
Ver
post: “Características de la alimentación suministrada por las redes de
distribución pública” en el siguiente link:
1.2.- 2ª Etapa: Elaboración de un primer esquema
unifilar
A partir de la recopilación de datos, se puede
establecer un primer esquema de distribución unifilar.
1.2.1. Balance de
potencias
Esta es la primera etapa esencial en la realización
del diseño de una instalación eléctrica. Se deben determinar y ubicar geográficamente
los valores de las potencias activas y reactivas.
Dependiendo de la extensión de la planta, las
potencias instaladas y su distribución, se dividirán en varias zonas
geográficas (de 3 a 8 zonas).
El equilibrio de las potencias activa y reactiva se
realizará para cada zona aplicando, a las potencias instaladas, los factores de
uso propios de cada receptor el factor de simultaneidad para la agrupación de
varios receptores o circuitos.
1.2.2.- Elección
de los niveles de tensión
• Elección de la tensión de alimentación del
distribuidor
La elección de la tensión de suministro depende de:
- la potencia de la instalación
- la potencia de cortocircuito mínima requerida
- las perturbaciones generadas y toleradas por la
instalación
- los niveles de tensión disponibles cercanos a la
planta.
• Elección de las
tensiones
La elección de las tensiones dentro de la planta
depende de:
- la extensión de la planta y la distribución de las
potencias
- la existencia o no de receptores de MT como
motores, hornos ...
La elección de dos o tres niveles de tensión resulta
de un estudio de optimización técnico-económico que tendrá en cuenta las
ventajas e inconvenientes de cada variante.
En general, la experiencia muestra que:
- para potencias de hasta 10 MVA, se seleccionan dos
niveles de tensión (MT, BT)
- Para potencias de más de 10 MVA, la elección de
tres niveles de tensión puede ser más económica (AT, MT, BT).
1.2.3.- Fuentes
de energía
La principal fuente de energía suele ser la red de
distribución pública.
Por razones de seguridad o continuidad de servicio,
la fuente principal de una instalación industrial a menudo va acompañada de una
fuente auxiliar.
Las diferentes fuentes alternativas que se pueden
prever se detallan a continuación.
• Suministro de
un segundo distribuidor
Esta solución encuentra su interés cuando esta
segunda alimentación proviene de una Estación de Distribución distinta de la
que alimenta a la primera.
Sin embargo, puede seguir siendo interesante en el
caso en que las dos fuentes de alimentación provengan de la misma Estación de
Distribución si las salidas se asignan a diferentes barras colectoras o
transformadores.
• Fuente autónoma
permanente
Esta solución puede ser necesaria por razones de
seguridad o continuidad de servicio dependiendo del nivel de calidad disponible
en la red de distribución pública. También se puede justificar económicamente,
cuando:
- la planta tiene combustible residual a costo
marginal (planta de incineración, fábrica de papel, industria siderúrgica,
industria petroquímica)
- la planta produce vapor para el proceso industrial
que se puede recuperar para producir energía eléctrica (calefacción urbana).
En general, las fuentes autónomas permanentes se
operan junto con la red de distribución pública. Sin embargo, el esquema de
conexión debe permitir un desacoplamiento rápido de las fuentes y un equilibrio
de las cargas respectivas asignadas a cada una de ellas.
La conexión se puede realizar en cualquier nivel de
la estructura de la red de distribución, según los siguientes criterios:
- potencia de la fuente autónoma con relación a la
potencia total
- presencia de esta fuente relacionada con las necesidades
específicas localizadas o no
- concentración o dispersión de los receptores a salvaguardar,
...
Los generadores de estas fuentes autónomas pueden
ser impulsados por:
- turbinas de gas con o sin caldera de recuperación
- turbinas de vapor presurizado
- turbina de vapor con condensación
- motores diésel
- …
• Fuentes de
respaldo
Estos equipos se utilizan para auxiliar las partes
vitales de la instalación en caso de fallo del distribuidor. También se utilizan
para reducir la facturación de energía al usarla durante períodos en los que el
costo del kWh es elevado.
En general, estas fuentes no funcionan acopladas a
la red del "distribuidor".
Dependiendo de la extensión de las instalaciones y
la potencia requerida, pueden instalarse localmente cerca de los receptores o
centralizarse de tal forma que se evite la multiplicación de las fuentes. En
este último caso, estas fuentes están conectadas al nivel de MT, o incluso AT,
de la distribución. Los alternadores de estas fuentes de respaldo pueden ser
impulsados por motores diésel o por turbinas de gas.
• Fuentes de
alimentación de los elementos auxiliares de la Subestación
Estos son los equipos auxiliares relacionados con la
distribución eléctrica, tales como:
- relés de protección
- dispositivos que realizan operaciones de apertura
y cierre de los interruptores automáticos, interruptores y seccionadores
- bobinas de los contactores
- aparatos relacionados con el control y mando de la
Subestación
- unidades de aire acondicionado o placas y
resistencias anticondensación
- ventiladores de las salas eléctricas
- iluminación de las salas eléctricas
- Ventiladores y cambiadores de tomas de los
transformadores.
Estos equipos deben ser alimentados por fuentes
específicas cuyo nivel de fiabilidad debe ser alto.
En caso de avería de estas fuentes, se utilizan dos
principios de funcionamiento:
- con desconexión del CT, este principio hace que la
seguridad de los bienes y las personas sea una prioridad
- sin desconexión del CT; este principio hace que la
continuidad del servicio sea una prioridad.
La vigilancia del estado de estas fuentes es
esencial.
Estas provienen generalmente:
- de un transformador auxiliar específico en la
Subestación
- de acumuladores
- de una fuente de alimentación ininterrumpida (SAI).
1.2.4.- Elección
de los regímenes de neutro
• Elección del
régimen de neutro en las redes de MT
La elección del régimen de neutro en media tensión
es un compromiso entre los siguientes parámetros:
- de la continuidad del servicio
- del nivel de sobretensiones generado
- del nivel de aislamiento fase-tierra de los
equipos
- las limitaciones térmicas relacionadas con el
valor de la corriente de defecto a tierra
- la complejidad de las protecciones
- las limitaciones de explotación y de mantenimiento
- la extensión de la red.
Ver
post: “Comparación de los diferentes regímenes de neutro en media tensión” en
el siguiente link:
• Elección del régimen
de neutro en las redes de BT
La elección del esquema de conexión a tierra de baja
tensión es un compromiso entre los siguientes parámetros:
- de la continuidad del servicio
- del nivel de sobretensiones generado
- del riesgo de incendio de origen eléctrico
- del nivel de las perturbaciones electromagnéticas
- de las limitaciones del proyecto y la explotación.
El número de redes de baja tensión puede ser grande
(varias decenas); es necesario para cada una de ellas determinar el régimen de
neutro más apropiado.
Ver
los siguientes post: “Elección del régimen de neutro en baja tensión”
Importancia
de los regímenes de neutro en las redes eléctrica
1.2.5.- Elección
de la estructura de la red
La elección de una estructura de red es una etapa
decisiva para la disponibilidad de energía.
Entre las diversas estructuras posibles, es
importante basar esta elección en los requisitos de continuidad del servicio,
en la limitación de las perturbaciones (caídas de tensión, desequilibrios,
armónicos, flicker) y en las limitaciones de explotación y mantenimiento.
Ver
post: “Estructura de una red de distribución eléctrica industrial” en el
siguiente link:
• Estructura
de la Subestación de AT / MT
Dependiendo de la importancia de la instalación y la
continuidad del servicio requerido, se utilizan los siguientes esquemas:
- simple antena
- doble antena
- doble antena – doble juego de barras
• Estructura de
la red de MT
La distribución en MT dentro de la planta se realiza
de acuerdo con la continuidad del servicio deseado para cada zona.
Por lo tanto, distinguimos:
- Alimentación en simple antena. Se utiliza cuando
la continuidad de servicio requerida es baja. A menudo se utiliza en redes de industrias
cementeras.
- Alimentación en doble antena (con o sin
acoplamiento). Es a menudo utilizada (con acoplamiento) en la industria
siderúrgica y petroquímica por su buena continuidad de servicio.
- Alimentación en bucle (abierto o cerrado). Es
adecuada para redes extensas y con posibilidad de importantes ampliaciones futuras. El bucle
cerrado es más eficaz que el bucle abierto. En cambio, es más caro.
- Alimentación en doble by-pass. Es adecuada para
redes extensas con posibilidad de ampliaciones futuras limitadas que requieran muy buena
continuidad de servicio.
Ver
post: “Estructura de los juegos de barras en redes de distribución de MT” en el
siguiente link:
• Estructura de
las redes de BT
Dependiendo del nivel de seguridad operacional
requerido, los cuadros de BT pueden ser alimentados por varias fuentes, un
grupo electrógeno o una fuente de alimentación ininterrumpida.
Las partes de la instalación alimentadas con un
régimen de neutro particular deben ser alimentadas a través de un transformador
específico. Los equipos sensibles o altamente perturbadores pueden necesitar un
transformador apropiado para alimentarlos.
Ver
post: “Alimentación de cuadros de BT en redes eléctricas industriales” en el
siguiente link:
1.2.6.- Gestión de
la energía: elección de la tarifa óptima
Los distribuidores de energía eléctrica ofrecen tarifas
adaptadas a los costos de producción y las características específicas de sus
usuarios.
El usuario a menudo no conoce sus necesidades
energéticas reales y su contrato con el distribuidor a veces no está bien
adaptado a sus necesidades.
Un estudio de optimización de tarifas siempre es
rentable y puede ahorrar entre el 10 y
el 20% de la factura de energía si se implementa una "gestión de
energía" real, con la ayuda de sistemas de control específicos.
• Componentes de
la tarificación
Los distribuidores de energía eléctrica ofrecen a
sus clientes contratos de suministro cuyas características generales se basan
en principios idénticos-
El coste de la energía se compone:
- de una prima fija que depende de la potencia del
contrato (potencia que no debe ser sobrepasada). Cuanto menor sea la potencia contratada,
menor será la prima fija.
- del consumo de energía activa en kWh.
- de eventuales penalizaciones cuando la potencia
consumida sea mayor que la potencia contratada.
- del consumo de energía reactiva en kVArh, si
excede el nivel de consumo no facturado por el distribuidor durante ciertos
períodos tarifarios.
Los diferentes elementos del coste de la energía
varían de acuerdo con el mes del año, el día de la semana y las horas del día,
estos son los períodos tarifarios.
Para eludir los costes asociados al consumo excesivo
de energía reactiva, el proyectista debe determinar las compensaciones que se
implementarán a la instalación.
Ver
post: “Corrección de la energía reactiva” en el siguiente link:
• Curvas de carga
Las curvas de carga diarias y estacionales que
representan las variaciones de potencia activa y reactiva de la instalación
permiten:
- optimizar la tarificación y la compensación de la
energía reactiva
- decidir si poner o no en servicio la fuente de
alimentación de respaldo, especialmente durante los períodos pico.
- determinar las potencias a deslastrar y los
períodos de deslastre en función del período tarifario.
• Identificación
de las cargas deslastrables
El objetivo es identificar los equipos que se pueden
deslastrar sin ninguna consecuencia para el proceso industrial y la posible
duración de este deslastre de cargas.
• Interés en
establecer grupos de respaldo
El análisis de las curvas de carga y las
posibilidades de deslastre de cargas permiten determinar el interés o no de
instalar grupos de respaldo.
Para ello se tiene que simular el coste de la
energía y comparar:
- Una tarificación convencional sin los grupos de respaldo
- Una tarificación haciendo funcionar los grupos de respaldo durante los períodos en que los costes de energía son más elevados.
La relación de los costes de energía determinarán si
se invierte o no en la compra de grupos de respaldo.
El diseñador deberá integrar los costes del
mantenimiento de estos grupos.
Es necesario añadir que los grupos de respaldo también pueden, en algunos casos, proporcionar una función de auxiliar para la
instalación. En tal caso, la inversión será aún más interesante.
• Interés en
instalar una planta de cogeneración
En instalaciones que consumen simultáneamente
energía eléctrica y térmica, una planta de cogeneración puede ser muy rentable.
De hecho, la recuperación de la energía térmica producida por un grupo diésel
mejora en gran medida la eficiencia energética. Puede llegar a ser del 80 al
90% en lugar del 35 al 40% sin un sistema de recuperación.
En algunos casos, parte de la energía eléctrica se
revende al distribuidor.
Se debe llevar a cabo un estudio técnico-económico, que
debe tener en cuenta, en particular:
- costes de compra y venta al distribuidor de energía
eléctrica
- costes de inversión y mantenimiento de la planta
de cogeneración
- ganancias obtenidas por la recuperación de la
energía térmica
- el interés de beneficiarse de una fuente de emergencia.
Las plantas de cogeneración están en pleno desarrollo
de las grandes industrias del sector terciario, como hospitales, aeropuertos,
hoteles, ...
Nota: Existe otro tipo de cogeneración, se trata de
las plantas de incineración y plantas de calefacción urbana. Estas utilizan energía
térmica barata que puede reutilizarse para producir energía eléctrica.
Continua en: Procedimiento para el diseño
eléctrico de una Planta Industrial (y Parte 2ª)
http://imseingenieria.blogspot.com/2018/09/procedimiento-para-el-diseno-electrico_14.html
http://imseingenieria.blogspot.com/2018/09/procedimiento-para-el-diseno-electrico_14.html
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