PRINCIPIOS Y DATOS BASICOS PARA EL DISEÑO

Principios técnicos de una planta de producción:

A título de ejemplos, pasamos a dar los parámetros y valores que se podrían considerar en las fases iniciales (ver punto 4.1) de planificación estratégica e ingeniería conceptual de un proyecto, así como en la caracterización genérica de los diferentes tipos de plantas de producción. Es decir, sirve para que se puedan comparar homogéneamente alternativas, al estar concebidas todas con los mismos criterios generales de diseño, y para establecer el Manual de Criterios de Diseño de una nueva planta, de acuerdo con lo que se considera buena práctica:

3.1.1.-Tipos de funcionamiento:

  • Plantas conectadas a redes (gas, electricidad, etc.):

CURVA DIARIA, MES DE ABRIL, DEMANDADA POR LA RED Y CURVA DE REPARTO ENTRE PLANTAS BASES, INTERMEDIAS Y PUNTAS

Las plantas que funcionan en base suponen un factor de capacidad anual del orden del 65% (5694 horas equivalentes a plena carga), tienen un alto coste de capital, un bajo coste de materias primas y se diseñan para operar con alta disponibilidad y eficiencia. Un ejemplo podría ser una planta nuclear funcionando en un sistema eléctrico.

Las plantas que funcionan en régimen intermedio suponen un factor de capacidad anual del orden del 30% (2628 hora equivalentes a plena carga), tienen costes intermedios en materias primas y capital y se diseñan para operar de forma flexible.

Las plantas que funcionan en régimen punta suponen un factor de capacidad anual del orden del 10% (876 horas equivalentes a plena carga), tienen altos costes de materias primas y bajos costes de capital y tienen un corto plazo de construcción y mucha flexibilidad operativa.

  • Plantas con capacidad almacenamiento (refinerías, químicas, etc.):

Suponen un factor de capacidad anual del orden del 95%.

Estas cifras citadas pueden variar, ampliamente, dependiendo, en las plantas conectadas a redes de consumo, del ratio de parada, cargas del sistema y requerimientos del despacho central de distribución de las cargas demandadas (“dispatching”).

3.1.2.- Tamaño de la Planta:

DIFERENTES UNIDADES IGUALES DE UNA PLANTA

La economía de escala empuja hacia el empleo de plantas de producción de la mayor capacidad posible. No obstante, esta tendencia natural viene anulada por otros dos hechos de sentido opuesto: por un lado está la facultad que tiene la demanda de admitir esta capacidad, que puede ser demasiada elevada, y, por otro lado, la poca fiabilidad que puede tener una planta de tamaño grande y poco experimentado.

Puede que una mejor solución que la de una planta comercial demasiado grande sean dos más pequeñas, de probado comportamiento, que, además de poderse instalar secuencialmente, reducen el coste unitario al poder utilizar los mismos servicios generales, que serían de uso común. De cualquier manera, en el caso de utilizar tamaños comerciales demasiado grandes, conviene considerar, en los estudios conceptuales, un 10%-20% menos de capacidad nominal.

 3.1.3.-Localización y límites de la planta:

A no ser que, en los estudios conceptuales o de planificación estratégica, se comparen alternativas que son dependientes del emplazamiento, se deben considerar plantas normalizadas en cuanto a sus condicionantes. Por ejemplo, zonas con baja sismicidad, a nivel del mar, con agua cruda y abundante en un radio de menos de 4 kilómetros y con terreno que solo exige fundaciones sencillas.

En cuanto a los costes a valorar se debe incluir todas las instalaciones auxiliares necesarias para operarla (taller, oficinas, descargas y almacenamiento de materias primas y combustibles, instalaciones de tratamiento de agua, disposición y almacenamiento final de residuos industriales, alimentación y evacuación del producto final, etc.).

3.1.4.- Condiciones ambientales:

ESTACION METEOROLOGICA INSTALADA EN EL EMPLAZAMIENTO

Aunque las condiciones ambientales cambian de lugar a lugar, por consistencia y homogeinización, en la fase conceptual se deben usar las condiciones siguientes:

  • Para la operación promedio (usado para la optimización del proceso, balances de materia, cálculos de eficiencia, etc.):
        • Para las plantas en general y las conectadas a redes que funcionan en base, la temperatura seca, la temperatura húmeda y la presión atmosférica deben fijarse como la media anual máxima diaria de una zona representativa.
        • Para las plantas de red que funcionan en punta e intermedia, al funcionar normalmente de día, los datos de temperatura y presión se deben referir a las máximas diarias normales en el periodo junio-agosto de una zona representativa.
  • Para las máximas condiciones de temperatura (verano) las plantas deben de dar la máxima capacidad, aunque no se consiga la máxima eficiencia. También se puede seleccionar una temperatura menor que la máxima posible y la pérdida de capacidad incluirla como coste en el momento de comparar alternativas. Los requerimientos para el agua de refrigeración de equipos se deben de determinar para esta temperatura
  • A efectos de protección contra la congelación y efectos invernales se debe de considerar la temperatura mínima de la zona.

Los valores de clima se deben de fijar a través de estadísticas. En España esto se puede conseguir con los datos disponibles en la web de la Agencia Española de Meteorología, que suministra los históricos de las estaciones meteorológicas del país. Si en la fase conceptual se utilizan las tecnologías con caracterización genérica, estas deben de estar referenciadas a unas mismas y características condiciones climáticas de un lugar representativo. Si de lo que se trata, en la fase conceptual, es comparar diversos emplazamientos, se deberá utilizar las características de cada tecnología referida a cada condición climática específica del lugar. No obstante, las temperaturas definidas en las fases de planificación estratégica y conceptual puede que no sean las que apliquen en fases posteriores del proyecto ya que, a veces, en la fase de ingeniería de proceso, se realiza, para este punto, un estudio particular de optimización. Un ejemplo es el de optimizar la temperatura de bulbo húmedo de diseño para una planta cuyo foco frío de refrigeración es la atmosfera. En cuanto más alta sea la temperatura citada, mayor capacidad de refrigeración se necesita, para poder dar una capacidad de producción determinada y, por tanto, mayores costes de inversión resultan. Si, por el contrario, se elige un menor coste de inversión y, como consecuencia, una menor temperatura de bulbo húmedo de diseño, la capacidad de producción será menor y mermaran los ingresos por este concepto. Habrá una temperatura de diseño que optimizará la producción y el coste de inversión, algo que se haría, como hemos dicho, en la fase de ingeniería de proceso.

CARACTERISTICAS CLIMATICAS DE REFERENCIA DE LA COSTA MEDITERRANEA ESPAÑOLA: Ver Anejo[1] nº 7

3.1.5.- Sistemas de Combustibles y Materias primas:

  • Suministro:

En las plantas conectadas a redes, con funcionamiento en base o en intermedio, o en las plantas de producción sin restricciones en la salida del producto, la llegada de la materia prima se debe diseñar con suministro por tren y descarga de vagones automática (volcadores), a un ritmo de 100 vagones cada cuatro horas. En el resto de casos, se debe diseñar con llegada por camión, con un tiempo de descarga unitario de 15 minutos.

  • Capacidad de almacenamiento:

PARQUE DE ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLE

La capacidad de almacenamiento de los combustibles, consumibles necesarios y materias primas debe estar en consonancia con la capacidad de producción máxima según los criterios de mínimos siguientes:

  1. Plantas en general y conectadas a redes con funcionamiento en base: 90 días al 100% de capacidad.
  2. Plantas conectadas a red con funcionamiento en intermedio: 60 días al 100% de capacidad.
  3. Plantas conectadas a red con funcionamiento en punta: 10 días al 100% de capacidad.

La cantidad real de materia prima almacenada, de promedio, debe ajustarse a las premisas de coste que más adelante describiremos.

El agua bruta normalmente no precisa almacenamiento, en caso de necesitarlo, se debe de prever aquellas correspondientes a 60 días al 100 % de capacidad.

3.1.6.- Combustibles, materias primas y consumibles empleados:

  • Combustibles:
  • Carbón:

PLANTA CON CARBON COMO COMBUSTIBLE

Si se emplea este combustible, para definir plantas en la fase de planificación estratégica y conceptual, se escogerá uno de las características que se indican. Si de lo que se trata es de comparar alternativas con diferentes carbones se evaluará, cada planta, con su carbón particular. Para plantas ubicadas en la costa, se puede escoger un carbón de importación del mercado internacional, de entre los que caracterizamos (valores promedio) los que aparecen  en el Anejo[2] nº 8:

Para plantas situadas en el interior de España, lejos de la costa, se podría seleccionar alguno de estos carbones que se caracterizan según los análisis indicados en el Anejo[3] nº 9:

  • Combustibles líquidos destilados del petróleo y Gas Natural:

Para una planta que usa como combustible gas-oil (grado nº 2), se puede considerar como referencia el  análisis dado en el Anejo[4] n10:

Para una planta que usa como combustible fuel-oil (grado nº 5), se puede considerar como referencia el  análisis dado en el Anejo nº 10:

BUQUE METANERO

Para una planta que use como combustible gas natural, se puede considerar como referencia el análisis dado en el Anejo nº 10:

  • Variabilidad en las características de las materias primas:

Las plantas se diseñaran para funcionar dentro del rango de variabilidad de las características de las materias primas y combustibles empleados. No obstante, el balance de materia y la eficiencia se darán para el promedio esperado de sus características.

  • Características del agua:

PLANTA UBICADA EN LA ORILLA DE UN RIO

Si de la que se trata es de comparar alternativas dependientes de emplazamientos distintos, las características del agua a emplear se corresponderán con los análisis de cada lugar. Si de lo que se trata es tener una planta de referencia para comparar tecnologías, se recomienda emplear el análisis del agua del río Ebro o  el del mar Mediterráneo. Los datos de análisis de las aguas superficiales se pueden obtener a través de las webs de las diferentes Confederaciones Hidrográficas españolas. No obstante, en el Anejo[5] nº 11 damos, como referencia, las características del agua de mar del Mediterráneo:

3.1.7.-Características de la planta a carga parcial:

BALANCE DE UNA PLANTA ELECTRICA

El balance y eficiencia de la planta debe de darse al 100%, 50% y carga mínima. Conviene dar una estimación de la planta a carga parcial baja (25% de la carga). Si las características de una planta modular, a carga parcial, se deben dar con varios módulos en esas condiciones de carga, y, en el caso de parada de un módulo y si éste no arranca en menos de 30 minutos, las características de la planta, en esas condiciones, no se deben de considerar.

3.1.8.- Capacidad de seguimiento de la demanda de carga en plantas conectada a una red:

Las plantas que funcionan en base, la capacidad de ajuste de carga debe ser, al menos, de 1% de la carga nominal/minuto. Las plantas funcionando en régimen de pico, deben poder arrancar en frío en 30 minutos y las que funcionan en situación de reserva de emergencia, deben poder dar la plena carga en 10 minutos.

3.1.9.- Pérdidas de características con el envejecimiento:

Si ciertos componentes de una planta se deterioran con el paso del tiempo, el diseño debe de contemplar reserva suficiente para contra-restar esa situación.

3.1.10.- Sistemas auxiliares para arrancar la planta:

Estos sistemas auxiliares deben de estar incluidos en el diseño, incluyendo los auxiliares eléctricos necesarios. Debe de integrarse estos sistemas de arranque con el diseño, a veces complejo, de ciertos componentes, previstos para condiciones de funcionamiento normales.

3.1.11.- Redundancia de equipos y filosofía de diseño:

DOS BOMBAS DEL 100% UNA REDUNDANTE DE LA OTRA

Los equipos de reserva (redundantes) se definirán de tal modo que se consiga una disponibilidad en la planta del 90%. De todas maneras, se debe hacer un estudio económico entre costes de inversión y costes de operación considerando la vida prevista de la planta. Solo se deben definir equipos de carácter comercial. En el caso de incluir tecnología avanzada, el grado de extrapolación debe estar expresamente cuantificado.

Suele ser una buena práctica el definir, para calibración, una planta de referencia para el diseño, que tenga los mismos condicionantes de mismo tipo de combustible o materia prima, los mismos condicionantes de emplazamiento, los mismos costes de mano de obra, etc.

3.1.12.- Emisiones medioambientales:

Los límites de emisiones (SO2, NOx, Partículas, etc.), en España, cubren un amplio espectro, dependiendo del tipo de instalación, su antigüedad, su capacidad,  el tipo de combustible, en fin, de un cúmulo de condicionantes tan amplio que, la mejor forma de comunicar esta información, es haciendo referencia a la normativa vigente: Real Decreto 815/2013, de 18 de octubre. Reglamento de Emisiones Industriales. En España la normativa  aplicable es una trasposición de la comunitaria europea.

Respecto al coste de la tonelada de emisiones de gases contaminantes, constituye un tributo, a pagar a la administración regional, en donde se ubica la planta, que, en algunas regiones, no existen y, en otras (Galicia), depende de la cantidad total emitida, llegando hasta los 200 €/Tm para valores superiores a 80.000 Tm/año.

ANEJO Nº 7:     CARACTERISTICAS CLIMATICAS DE REFERENCIA DE LA COSTA MEDITERRANEA.

Temperatura del agua de mar

-Temperatura máxima……………………………………………..                  29  °C

-Temperatura mínima ……………………………………………..                  13  °C

-Temperatura promedio de las máximas ……………………                 21,3°C

-Temperatura promedio de las mínimas …………………….                  17  °C

-Temperatura media ……………………………………………….                 19,1°C

3.4.2. Presión atmosférica

La presión atmosférica media es de 1.019 mb

3.4.3. Temperaturas ambientales

-Temperatura media de las máximas anuales……………..                  40  °C

-Temperatura media de las mínimas anuales………………                     1  °C

-Temperatura media anual……………………………………….                 20,5°C

3.4.4. Humedad relativa del aire

El valor medio de la humedad relativa anual es del 68%.

3.4.5. Viento

La velocidad del viento máxima a considerar es de 144 km/h, a la que corresponde una presión dinámica de 100 Kp/m2.

ANEJO Nº 8: CARACTERIZACION DE CARBONES TIPICOS DEL MERCADO INTERNACIONAL

P.C.S.  = Poder calorífico superior.

S = Contenido en Azufre en % en peso.

  • Sudáfrica:

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 6139

S: 0, 56%.

Humedad: 7,8%.

Materias. Volátiles. : 23,9%.

Cenizas: 14%.

  • USA

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 6389

S: 1%

Humedad: 9%

  1. Volátiles. : 32%

Cenizas: 14%

  • Australia

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 6500

S: 0,5%

Humedad: 9%

  1. Volátiles. : 32%

Cenizas: 13%

  • Colombia

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 6500

S: 0, 5%

Humedad: 10%

  1. Volátiles. : 33, 2%

Cenizas: 9, 6%

  • Rusia

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 6100

S: 0, 42 %

Humedad: 10%

  1. Volátiles. : 31%

Cenizas: 15%

  • Indonesia

Tipo: hulla sub-bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 5600

S: 0, 09 %

Humedad: 23%

  1. Volat. : 36,5%

Cenizas: 0,9%

  • R.B. (USA) Powder River Basin

Tipo: hulla sub-bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 4862

S: 0, 29 %

Humedad: 26, 23 %

  1. Volat. : 31, 41 %

Cenizas: 5, 12 %

ANEJO Nº 9 CARACTERIZACION DE LOS CARBONES TIPICOS ESPAÑOLES

  • Asturias

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 5045

S: 1-3%

Humedad: 15, 26 %

  1. Volátiles. : 23, 88 %

Cenizas: 28 %

  • Real(Puertollano)

Tipo: hulla bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 4885

S: 0, 85 %

Humedad: 8,65%

  1. Volat. : 26,94%

Cenizas: 28,72 %

  • Teruel

Tipo: hulla sub-bituminosa.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 4051

S: 6, 8 %

Humedad: 19,88%

  1. Volat. : 29,87%

Cenizas: 28,78%

  • León (Bierzo)

Tipo: Antracita.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 5177

S: 1 – 2, 5%

Humedad: 9, 23%

  1. Volat. : 11, 61%

Cenizas: 31, 04%

  • León (La Robla)

Tipo: Antracita.

P.C.S. (Kcal/Kg.): 5892

S: 1, 5-2, 5%

Humedad: 12, 43%

  1. Volat. : 10, 85 %

Cenizas: 20, 74%

ANEJO Nº 10: CARACTERISTICAS TIPICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS (GAS-OIL Y FUEL-OIL) Y GASEOSOS (GAS NATURAL).

Para una planta que usa como combustible gas-oil (grado nº 2), se puede considerar como referencia el  análisis dado seguidamente:

Azufre: 0,1 %

Hidrogeno: 12,5%

Carbono: 87,38%

Nitrógeno: 0,02%

P.C.S. (Kcal/Kg): 10786

Para una planta que usa como combustible fuel-oil (grado nº 5), se puede considerar como referencia el  análisis dado seguidamente:

Azufre: 1 %

Hidrogeno: 9,7%

Carbono: 85,6%

Nitrógeno: 2%

P.C.S. (Kcal/Kg): 10450

Para una planta que use como combustible gas natural, se puede considerar como referencia el análisis dado seguidamente:

CH4: 99, 2 %

N2: 0, 6  %

P.C.S. (Kcal/Kg): 12460

 

ANEJO Nº 11: CARACTERISTICAS AGUA DE MAR DEL MEDITERRANEO ESPAÑOL.

-pH          8,4

-Resistividad a 20°C (Ω cm/cm2) ……………………….        227

-Cationes (ppm):

Ca++                                                                            430

Mg++                                                                        1.510

-Aniones (ppm)

Cl                                                            34.791 (Cl Na)

SO4=                                                                         1.873

CO3H                                                                                         134,2

CO3=                                                                               18

PO4=                                                                              1,5

-SiO2  (ppm) …………………………………………………..        0,02

-Dureza total (ppm) CO3Ca………………………………        7.296,2

-Dureza permanente (ppm) CO3Ca……………………        7.156,2

-Dureza cálcica (ppm) CO3Ca…………………………..        1.075

-Dureza magnética (ppm) CO3Ca………………………        6.221,2

-Dureza no carbonatada (ppm) CO3Ca………………        7.156,2

-Alcalinidad TAC (ppm) CO3Ca………………………….        140

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