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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN
VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADODECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
PROGRAMA: MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
PLANTA PARA LA CONVERSION DE ENERGIA ELECTRICA A TRAVES DE LA OSMOTICA
Trabajo presentado como requisito final para optar al Grado de Magíster Scientiarum en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos
Autor: Ing. Augusto Rodríguez C.I.: 20.863.646
Email: [email protected]
Tutor: M.Sc. Geryk NúñezC.I.: 15.068.210
E-mail: [email protected]
Maracaibo, Mayo del 2018
PLANTA PARA LA CONVERSION DE ENERGIA ELECTRICA A TRAVES DE LA OSMOTICA
ii
VEREDICTO
iii
DEDICATORIA
A Dios, por darme el regalo de la vida, y por acompañarme siempre
brindándome la paciencia y sabiduría necesaria para superar cada etapa de
mi vida con salud, fortaleza y optimismo.
A mis familiares y amigos por ser personas tan únicas, entregadas y
abnegadas de cariño en este transcurrir de mi existencia.
A mis padres Ricardo Rodriguez y Jessy Linares, por su esfuerzo, apoyo,
amor, guía y valores inculcados.
A mi mamá Margaret, por su paciencia, optimismo, apoyo, buenos
consejos que me han ayudado seguir adelante y a decidir con firmeza.
A mis hermanos Andres y Mariana por motivarme, siempre brindándome
su apoyo y amor.
iv
AGRADECIMIENTOS
A Dios, porque cada día de vida que me permite es una fuente de
oportunidades.
A los Profesores Geryk Núñez, mi tutor, Bárbara Ordoñez y Kenneth
Rosillón por su orientación, paciencia y por todas las oportunidades que
permitieron el desarrollo de esta investigación.
A mi equipo de Tiendas Montanas por toda la paciencia, la
colaboración y el apoyo que me otorgaron, en especial durante esos
momentos inesperados.
A mis compañeros de estudios, por el compartir del día a día, por la
confianza, por el apoyo. Gracias al “Futuro de Venezuela” por compartir
estos últimos peldaños conmigo.
v
CARTA DE ORIGINALIDAD DE LA PRODUCCIÓN CIENTÍFICA
M.Sc. Kenneth RosillónCoordinador del Programa de PostgradoMaestría en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos Y demás miembros del Comité AcadémicoUniversidad Privada Dr. Rafael Belloso ChacínMaracaibo, Estado Zulia. República Bolivariana de Venezuela
Cumpliendo con los requisitos exigidos en el Manual de Trabajo Especial de Grado, Trabajo de Grado y Tesis Doctoral de la Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín, Trabajo de Grado establecidos en el Manual que al efecto ha institucionalizado la universidad, consigno ante ustedes la investigación titulada: PLANTA PARA LA CONVERSION DE ENERGIA ELECTRICA A TRAVES DE LA OSMOTICA para que se considere el nombramiento del jurado y presentación pública, señalando lo siguiente:
1. El Trabajo de Grado es una investigación original, con temas de investigación enmarcados en las áreas del conocimiento de Venezuela y cumple con el Manual de Trabajo Especial de Grado, Trabajo de Grado y Tesis Doctoral de la Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín.
2. Es un Trabajo de Grado inédito, que no ha sido enviado a revisión y no se encuentra publicado, parcial ni totalmente, en ninguna otra institución científica, nacional o extranjera.
3. No existen compromisos ni obligaciones financieras con organismos estatales ni privados que puedan afectar el contenido, resultados o conclusiones de este Trabajo de Grado.A continuación presento los nombres y firmas del autor y tutor, que certifican la aprobación, conformidad y originalidad del Trabajo de Grado.
_________________________________Autor: Ing. Augusto RodriguezC.I.: 20.863.646Email: [email protected]
_______________________________________Tutor: M.Sc. Geryk Núñez
C.I.: 15.068.210E-mail: [email protected]
vi
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi carácter de tutor del Trabajo de Grado presentado por el
ingeniero Augusto Rodriguez, identificado con Cédula de Identidad N° V-
20.863.646, para optar al título de Magíster Scientarium en Ingeniería de
Control y Automatización de Procesos, considero que dicho trabajo reúne los
requisitos y méritos suficientes para ser sometido a consideración,
presentación pública y evaluación por parte del jurado examinador que se
designe.
En la ciudad de Maracaibo, a los xx días del mes de xxx de 2018
_________________________________
Tutor: M.Sc. Geryk Núñez
C.I.: 15.068.210
E-mail: [email protected]
vii
ÍNDICE GENERAL
PLANTA PARA LA CONVERSION DE ENERGIA ELECTRICA A TRAVES DE LA OSMOTICA iiVEREDICTO iiiDEDICATORIA ivAGRADECIMIENTOS vCARTA DE ORIGINALIDAD DE LA PRODUCCIÓN CIENTÍFICA viAPROBACIÓN DEL TUTOR viiÍNDICE GENERAL viiiLISTA DE FIGURAS xiiLISTA DE CUADROS xivLISTA DE TABLAS xvRESUMEN xviABSTRACT xviiINTRODUCCIÓN 1CAPÍTULO I 3EL PROBLEMA 31. Planteamiento del problema 32. Formulación del problema 83. Objetivos de la investigación 83.1 Objetivo general 93.2 Objetivos específicos 94. Justificación de la investigación 95. Delimitación del estudio 11CAPÍTULO II 12MARCO TEÓRICO 121 Antecedentes de la investigación 122. Bases teóricas 192.1 Planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 192.1.1. Clasificación de los procesos osmóticos 202.1.2 Energía osmótica 232.1.2.1 Principios básicos 242.1.2.2 Procesos básicos 252.1.2.2.1 Proceso básico de energía osmótica 25
viii
2.1.2.2.2 Proceso de presión de osmosis de retraso (PRO) 272.1.3 Membranas 282.1.3.1 Módulos de membranas en espiral 292.1.3.2 Módulos de membranas de fibras huecas 292.1.3.4 Determinación de parámetros de membranas para producción de energía a base de PRO 312.1.3.5 Permeabilidad de sal en las membranas 342.1.4 Pretratamiento de agua 362.1.4.1 Filtro de sedimentos 362.1.4.2 Filtro de arena 362.1.4.3 Filtro de carbón activado 372.1.4.4 Filtro suavizador 372.1.5 Turbinas 382.1.5.1 Turbina Pelton 392.1.5.3 Características del Rodete 412.1.5.4 Diseño de una Turbina Pelton 422.1.6 Intercambiadores de presión 452.1.6.1 Sistema de funcionamiento 452.2. Parámetros y criterios para la planta. 502.2.1. Condiciones del agua 502.2.1.1 Agua de mar 502.2.1.2 Características del agua de mar 512.2.2 Equipos de bombeo 522.2.2.1 Funcionamiento de bombas centrifugas 522.3 Diseño de la planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 542.3.1 Parámetros y Criterios de la Planta 542.3.1.1Diagramas de flujo de proceso (PFD) y P&ID 542.3.1.2 Módulo de control. 552.3.1.3 Automatización. 552.3.1.4 Descripción del módulo de control. 562.3.1.5 Controlador lógico programable (PLC). 572.3.1.6 Lenguaje de programación. 572.4. Instrumentos de la Planta 582.4.1 Controladores. 582.4.2 Medidores de presión. 592.4.3 Medidores de flujo. 592.4.4 Pulsadores 612.4.5 Conectores 61
ix
2.4.6 Sensores 622.4.7 Actuadores 622.4.8 PLC 633 Sistema de variables 633.1 Definición nominal 643.2 Definición conceptual 643.3 Definición operacional 653.4 Operacionalización de la variable 66CAPÍTULO III 67MARCO METODOLÓGICO 671. Tipo de investigación 672. Diseño de la investigación 683. Población, muestra y unidad de análisis 694. Técnicas e instrumentos para la recolección de datos 705. Procedimientos de la investigación 71Fase I: Describir el proceso de conversión de energía a partir de la osmótica 72Fase II: Determinar los parámetros y requerimientos en el diseño de una planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 72Fase III: Diseñar una planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica. 73Fase IV: Seleccionar los equipos de una planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 73Fase V: Validación del funcionamiento de la planta 74CAPÍTULO IV 75ANÁLISIS DE RESULTADOS 754.1 Fase I: Describir el proceso de conversión de energía a partir de la osmótica 754.1.1 Análisis de los fluidos en el sistema 814.1.2 Análisis de las presiones en el sistema 824.1.3 Potencia hidráulica obtenible del sistema 834.2 Fase II: Determinar los parámetros y requerimientos en el diseño de una planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 844.3 Fase III: Diseñar una planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica. 924.4Fase IV: Seleccionar los equipos e instrumentos de una planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 1044.5 Fase V: Validación del funcionamiento de la planta 1154.5.1 Simulación del proceso de pretratamiento 116
x
4.5.2 Simulación del proceso de Generación 119CONCLUSIONES 123RECOMENDACIONES 125REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 126ANEXOS 130
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Proceso básico de energía osmótica. (Osmotic Power, 2009) 26Figura 2 Diagrama esquemático de la instalación del primer prototipo PRO, inaugurado en Noruega el 24 de Noviembre de 2009, diseñado y operado por Statkraft. (Achilli & Childress, 2010) 27Figura 3 Membrana en Espiral. 29Figura 4 . Membranas de Fibra hueca. 30Figura 5 Transporte de agua y sal a través de la membrana osmótica, Jw, Js, s. (Achilli, Cath, & Childress, 2009) 32Figura 6 . Representación del flujo en FO, PRO, y RO. La orientación de la membrana se indica en cada sistema por la línea gruesa negra en representación de la capa densa de la membrana. 32Figura 7 Magnitud y dirección de Jw para FO, PRO, y RO y la magnitud de W para PRO. 33Figura 8 Valores ideales para la permeabilidad Ay B en una buena membrana PRO, fibra o plana. 35Figura 9 Turbina tipo Pelton. 39Figura 10 . a) Esquema de inyector. b) Esquema de inyector con regulador de flujo. 41Figura 11 a) Esquema de rodete. b) Vista frontal, sección lateral y sección inferior de una cuchara. 42Figura 12 Esquema de la conexión de un intercambiador de presión. 46Figura 13 Alimentación con agua de mar. 46Figura 14 Transferencia de la presión existente en la salmuera de rechazo 47Figura 15 Esquema del desfase que debe existir entre ambos cilindros. 48Figura 16 Esquema de la recuperación de energía con intercambiadores de presión. 49Figura 17 Tipos de carcasa de bombas centrifugas. 53Figura 18 Componentes y Conexionado del Sistema 76Figura 19 Diseño esquemático de la planta prototipo construida en Tofte. 77Figura 20 Esquema del módulo de pretratamiento y desalinización 78Figura 21 A) Pre-tratamiento de agua dulce, B) Pre-tratamiento de agua salada, C) Membranas, D) Tuberías y válvulas, E) Intercambiadores de presión y F) Turbina 80Figura 22 Diagrama de bloques de los flujos del sistema 82Figura 23 Diagrama de bloques de las presiones del sistema 83
Figura 24 Distribución de las principales cuencas hidrográficas y los principales ríos del lago de Maracaibo 86Figura 25 Mapa de distribución de líneas de transmisión en Venezuela 88Figura 26 Conexión en paralelo de módulos de membrana. 90Figura 27 Diagrama de flujo de procesos para la planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica. 93Figura 28 Diagrama lógico para el Pretratamiento de agua de la planta para conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 95Figura 29 Diagrama de Tubería e Instrumentos para el Pretratamiento de agua de la planta para conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 96Figura 30 Diagrama lógico para la planta para conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 98Figura 31 Diagrama de Tubería e Instrumentos para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica 99Figura 32 Arquitectura de control para el proceso de Generacion de energía eléctrica atreves de la osmotica 101Figura 33 Red Profibus propuesta. 102Figura 34 HMI de la parte B de la Planta. 104Figura 35 Rosemount 5400 Level Transmitter. 106Figura 36 Rosemount 5400 Level Transmitter 108Figura 37 . Transmisor de flujo Rosemount 8732EM 109Figura 38 Modelo y diseño de los Módulos de membrana 111Figura 39 Filtros para la etapa de Pretratamiento 112Figura 40 Hidroturbina Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG) 113Figura 41 Intercambiador de presión PX-300 114Figura 42 Bomba booster BT4 115Figura 43 Simulación del proceso de Pretratamiento 116Figura 44 Programación de la Simulación del Inicio del proceso de Pretratamiento (Seccion del Tanque) 117Figura 45 Programación de la Simulación del Inicio del proceso de Pretratamiento (Arranque de cada uno de los Filtros) 118Figura 46 Programación de la Simulación Proceso de Pretratamiento (Control de Retrolavado de los Filtros) 119Figura 47 Simulación del proceso de Generación 120Figura 48 Programación de la Simulación del inicio del proceso de Generación 121Figura 49 Programación de la Simulación del Control del proceso de Generación 122
LISTA DE CUADROS
Cuadro 1 Operacionalizacion de la variable 66
Cuadro 2 Características que debe tener la ubicación de la Planta 86
Cuadro 3 Parámetros de la capacidad de generación de la planta 89
Cuadro 4 Matriz de selección del Controlador 110
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Comparación entre de los procesos osmóticos RO, FO y PRO. 22
Tabla 2 Constituyentes principales del agua de mar. 50
Tabla 3 Salinidad del agua de mar a diferentes temperaturas. 51
Tabla 4 Clasificación del agua según su nivel de salinidad 84
Tabla 5 Composición química de agua altamente salada 85
Tabla 6 Características del Módulo de Membrana 90
Tabla 7 Características del Intercambiador presión 91
Tabla 8 Características de la Turbina 92
Tabla 9 Matriz de comparación de transmisores de nivel. 105
Tabla 10 Matriz de comparación de transmisores de nivel. 107
Tabla 11 Matriz de comparación de transmisores de nivel 109
RODRIGUEZ LINARES, AUGUSTO JESUS Y GERYK NÚÑEZ PLANTA
PARA LA CONVERSION DE ENERGIA ELECTRICA A TRAVES DE LA
OSMOTICA Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Maestría en
Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Maracaibo, 2018.
RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo principal proponer planta para la conversión de energía eléctrica a través de la osmótica para generar energía alternativa. La delimitación de la investigación, se realizó en la Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. La misma estuvo sustentada teóricamente por Creus (2011), Moro (2010), Battro (2010) y Ogata (2003). La metodología empleada en la investigación fue descriptiva, no experimental, teniendo como población una unidad de análisis conformada por la planta a diseñar. Metodológicamente se establecieron cinco fases en función del cumplimiento de los objetivos planteados. Inicialmente la descripción seguidamente el establecimiento de los parámetros del sistema, luego el diseño del sistema automatizado seguido de la selección de equipos necesarios para ello y finalmente mediante simulaciones la validación del sistema del proceso de generación de energía eléctrica mediante la osmosis, Como resultado se obtuvo el diseño de una planta caracterizada por el proceso de osmosis por presión retardada o mejor conocida como sistema PRO por sus siglas en ingles así como tener en cuenta los parámetros más importantes como la concentración flujo y presión en cada etapa del proceso. Adicionalmente se pudo programar lógicamente un conjunto de acciones a través de un diagrama de flujo para poder obtener un esquema automatizado que dio respuesta a las necesidades presente en la planta, se llevó a cabo la selección de los equipos que la conforman así como el dimensionamiento de la misma. Esto permitió la validación del funcionamiento de la planta utilizando el software LabView en su versión 2011 donde se observa la interacción de los equipos cuyo fin generar energía eléctrica a través de las osmosis.es el mediante un proceso totalmente automatizado.
Palabras Claves: Automatización, Energía alternativa, Osmosis Generacion de energía electrica
RODRIGUEZ LINARES, AUGUSTO JESUS AND GERYK NÚÑEZ PLANT
FOR THE CONVERSION OF ELECTRIC POWER THROUGH THE
OSMOTICA Private Dr. Rafael Belloso Chacín. Master's Degree in Control
Engineering and Process Automation. Maracaibo, 2018
ABSTRACT
The main objective of the present investigation was to propose a plant for the conversion of electrical energy through the osmotic to generate alternative energy. The delimitation of the research was carried out at the Private Dr. Rafael Belloso Chacín University. It was supported theoretically by Creus (2011), Moro (2010), Battro (2010) and Ogata (2003). The methodology used in the research was descriptive, not experimental, having as a population a unit of analysis formed by the plant to be designed. Methodologically, five phases were established according to the fulfillment of the proposed objectives. Initially the description followed by the establishment of the parameters of the system, then the design of the automated system followed by the selection of equipment necessary for this and finally by means of simulations the validation of the system of the electric power generation process through osmosis. the design of a plant characterized by the process of delayed pressure osmosis or better known as PRO system for its acronym in English as well as taking into account the most important parameters such as concentration flow and pressure in each stage of the process. Additionally, a set of actions could be logically programmed through a flow chart in order to obtain an automated scheme that responded to the needs present in the plant. The selection of equipment was carried out as well as the sizing of the equipment. the same. This allowed the validation of the operation of the plant using LabView software in its 2011 version where the interaction of the equipment whose purpose is to generate electric power through the osmosis.es is observed through a fully automated process.
Key Words:. Automation, Alternative energy, Osmosis Electric power
generation
INTRODUCCIÓN
La generación por medio de la osmosis ha sido estudiada durante años,
pero hoy en día recobra más fuerza ante la creciente demanda energética en
contraste con las bajas reservas de fuentes fósiles. Otro factor importante que ha
contribuido a fomentar las investigaciones en torno a esta energía alternativa es la
situación global referente al efecto invernadero, por lo que con el desarrollo de
tecnologías alrededor del bioetanol prometen buscar soluciones a problemáticas a
nivel mundial.
Ahora bien, según el Banco interamericano de desarrollo (2015) la energía
hidroeléctrica proporciona un 50% del total de electricidad generada en América
Latina. En comparación, la media mundial es de solo el 16%. El porcentaje es aún
mayor en Brasil con el segundo mayor complejo hidroeléctrico en el mundo, el de,
Colombia, Costa Rica, Paraguay y Venezuela. La fuente energética que reina en
América Latina es la impulsada por la fuerza hidráulica, la térmica que incluye el
uso del gas natural, fuel y carbón acapara el 47%, Las fuentes alternativas
suponen el 3%.
En contraposición, Venezuela se ha mantenido al margen de las energías
alternativas enfocándose exclusivamente en la economía petrolera, a pesar de
que cuenta con recursos, materiales y talentos como para desarrollar tecnologías
eficientes que permitan impulsar pequeños proyectos a mayor escala. Por esta
razón ha surgido la iniciativa de desarrollar el presente trabajo de investigación
basado en una propuesta de una planta para la generación de energía eléctrica
atreves de la osmosis, la cual se desarrolló en diferentes etapas.
La investigación está desglosada en 4 capítulos. Inicialmente introduce el tema
a desarrollar exponiendo el planteamiento del problema, los objetivos planteados,
y la justificación de la misma de modo que pueda sustentarse desde diversos
2puntos de vista. Sigue el capítulo 2 correspondiente a la documentación
consultada y/o recopilada para desarrollar el proyecto y obtener resultados; aquí
se presentan los antecedentes. A continuación, en el capítulo 3 se hace mención
de la metodología empleada para conseguir alcanzar los objetivos, aquí también
se define el tipo de la investigación. Y finalmente, en el capítulo 4 se explica en
detalle todos los procedimientos y actividades ejecutadas para alcanzar cada
objetivo específico planteado en el capítulo 1 que permite llegar a las conclusiones
finales
