Calculo de flujos por gravedad

CONTRATO N: 4501443718

INGENIERA SISTEMA ELECTRICO DAND 2014

Descripcin: AMPLIACIN GENERACIN DE EMERGENCIA

MEMORIA DE CLCULO HIDRULICA SISTEMA COMBUSTIBLE

N API A13M106

Nombre API Ampliacin Generacin de Emergencia

Cdigo DAND A13M106-CAL-6230-ME-002-B

Cdigo Proingesa 13402.13-C-MEC-MCA-002

CONTROL DE CAMBIOS PROINGESA DAND

REV FECHA DESCRIPCIN PRE REV APR REV APR

A 16/12/2014 Emitido para revisin interna PVV PTB GCG

B 17/12/2014 Emisin para comentarios DAND PVV PTB GCG V.V.M. C.C.R.

0 11/02/2015 Cierre de Ingeniera Bsica PVV PTB GCG V.V.M. C.C.R.

1 26/03/2015 Agrega calculo por gravedad PTB PTB GCG V.V.M. C.C.R.

MEMORIA DE CLCULO A13M106-CAL-6230-ME-002 MEMORIA DE CLCULO HIDRULICA

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PROINGESA INGENIERA FONO: (32) 248 8841 FAX: (32) 296 1297, CASA MATRIZ CONCN V REGIN CHILE. FONO: (034) 2402550, SUCURSAL LOS ANDES V REGION CHILE. WWW.PROINGESA.CL

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INDICE. 1. INTRODUCCIN .............................................................................................................. 3

2. ALCANCE .......................................................................................................................... 3

3. ANTECEDENTES ............................................................................................................ 4

4. METODOLOGA ............................................................................................................... 4

5. DESARROLLO CLCULO HIDRULICO .................................................................. 5

5.1. Calculo de flujo con bomba en el grupo electrgeno ....................................... 5

5.2. Calculo de Flujo por Gravedad ................................................................................ 7

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 17

6.1. Conclusiones para sistema con bomba en grupos electrgenos. .............. 17

6.2. Conclusiones para flujo por gravedad hacia grupos electrgenos. ........... 17

6.3. Recomendaciones ..................................................................................................... 17


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1. INTRODUCCIN La Divisin Andina de Codelco, en adelante DAND, en el sector Saladillo, cuenta actualmente con una planta de generacin elctrica, basada en moto generadores a combustible disel, que entregan 6 MW continuos como potencia mxima total. Sin embargo, la generacin actual opera en calidad de arriendo, y adems, no tiene capacidad de suministrar la potencia que requerir el crecimiento futuro de la Divisin. As, se opta por disear una ampliacin de la planta de generacin, que en varias etapas llegar hasta un total entre 16,5 a 18 MW continuos, con una configuracin de 9 a 10 equipos, cada uno de ellos con potencia unitaria entre 1,8 a 2 MW de entrega continua, lo cual depender del equipamiento estndar que ofrezca el mercado. Se considera todo el conjunto como generacin propia. La implementacin ser en 2 a 3 etapas, por lo cual el diseo debe contemplar este aspecto. La planta suministrar energa al sistema de distribucin primaria de Saladillo, en 13.2 kV, tanto en condicin de aporte sincronizada a la red, o como funcionamiento en isla, respaldando cargas crticas ante condiciones de blackout, disminucin de energa, o en horas punta o peak. 2. ALCANCE El presente documento entrega el balance hidrulico del sistema de combustible que interviene y son parte del proyecto Ingeniera Bsica Ampliacin Generacin, especficamente en dos opciones. La primera consiste en el clculo del NPSH disponible para las bombas de llenado de los estanques diarios de los grupos electrgenos mediante la bomba que incluyen los grupos electrgenos y la segunda, consiste en el llenado de los estanques diarios de los grupos electrgenos mediante flujo por gravedad (sin necesidad de bombas incluidas en los grupos electrogenos). El alcance de este informe es efectuar los clculos hidrulicos y anlisis de flujos necesarios, para asegurar un correcto llenado de los estanques diarios incluidos dentro de las ofertas de los grupos electrgenos.


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3. ANTECEDENTES Para el desarrollo del clculo, se utilizaron los siguientes planos y documentos: A13M106-PL-6230-PR-004 : P&ID General A13M106-PL-6230-ME-006 : Plano Caeras Planta A13M106-SPC-6230-ME-001 : Especificacin Tcnica Trasvasije Combustible 4. METODOLOGA

En el caso que los grupos electrgenos tengan incorporada una bomba, estas tienen la capacidad de enviar al estanque diario a razn de 1 m3/h de diesel. Para que se cumpla esta condicin y correcto funcionamiento de la misma, es necesario, comparar el NPSHd del sistema con el NPSHr de la bomba. En el caso de flujo por gravedad, se comparar distintos escenarios de consumo de grupos electrgenos adems de distintas alturas de diesel en el estanque, siempre tomando en consideracin que el flujo de llegada de los estanques diarios debe ser mayor al flujo de consumo de cada grupo electrgeno. Para el clculo de las prdidas de carga, en el caso de existir bomba, se emplea el programa Instrucalc 5.1, y en el caso de flujo por gravedad se utiliza el software hidrulico PipeFlow Expert 2010, utilizando para ambas opciones los siguientes datos de entrada necesarios.

Flujo msico. Temperatura: Densidad. Viscosidad. Longitud y dimetro interior de lnea. Especificacin de materiales. Altura del lquido sobre/bajo respecto al eje de bomba en la succin. Material de la caera : acero carbono Sch 40


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5. DESARROLLO CLCULO HIDRULICO

5.1. Calculo de flujo con bomba en el grupo electrgeno

Para el clculo de NSPH disponible se considera el caso ms desfavorable, que correspondera a la bomba de llenado del moto generador M-06 (Ver plano A13M106-PL-6230-ME-006). Para dicho motor se ha considerado que por la matriz est pasando la cantidad mxima por diseo de diesel funcionando todos a la vez , es decir, 10 m3/h , para luego ir derivando en 5 m3/h y finalmente el consumo individual de 1 m3/h.

Tramo1 Caudal diesel: 10 m3/h

Largo caera 28,1 m ACCIDENTES-ACCESORIOS

D interior (2 Sch Std) 62,7 mm 2 Vlvulas compuerta

Flujo msico diesel 8.390 kg/h 6 Codos 90

Densidad diesel 839 kg/m3 Viscosidad diesel 5,2 cp


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Temperatura 20 C PERDIDA CARGA 0,072 bar Tramo2 Caudal diesel: 5 m3/h


D interior (2 Sch Std) 62,7 mm 1 Vlvula compuerta

Flujo msico diesel 4.195 kg/h 1 Codo 90

Densidad diesel 839 kg/m3 Viscosidad diesel 5,2 cp Temperatura 20 C PERDIDA CARGA 0,03 bar Tramo3 Caudal diesel: 1 m3/h


D interior (3/4 Sch Std) 20,9 mm 1 Vlvula compuerta

Flujo msico diesel 839 kg/h 2 Codos 90

Densidad diesel 839 kg/m3 Viscosidad diesel 5,2 cp Temperatura 20 C PERDIDA CARGA 0,017 bar

Luego prdidas totales por friccin es : 0.119 bar Psuccin = Pestanque + gh prdidas carga NPSHdisponible = Psuccin Pvapor Consideraciones

Altura flange salida de diesel desde nivel suelo: 0,8 m

Altura lquido mnimo sobre flange salida: 0,5 m

Altura eje bomba desde nivel suelo: 0,39 m

Altura liquido sobre eje bomba: 0.91 m Presin en T-001 / T-002 : 0,839 bara (@ 1.600 m) Presin vapor diesel a 20C : 0,0001bar


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5.2. Calculo de Flujo por Gravedad Los parmetros de diseo y clculo son los siguientes

Consumo de un grupo electrgeno: 436 l/h

Altura mxima de diesel en el estanque: 6 m

Altura mnima de diesel sobre la boquilla de salida del estanque: 0.6 m

Altura de la boquilla de salida de diesel del estanque: 0.4 m

Altura mnima de diesel en el estanque: 1 m

Presin en el estanque de almacenamiento : atmosfrica

Presin en el estanque diario atmosfrica

Altura estimada entrada de liquido a estanque diario del grupo: 0.6 m

Longitud caera 2-1/2 al grupo ms alejado : 117 m Longitud caera para cada grupo: 4 metros

Para la simulacin se han agregado codos, tees y vlvulas de acuerdo a lo proyectado en el plano de planta y elevaciones.


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A continuacin se presenta el esquema simulado en el software

ESQUEMA COMPLETO DE 10 GRUPOS ELECTROGENOS PARA ANALISIS


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La primera simulacin se ha efectuado con tan solo 1 grupo electrgeno en funcionamiento (el ms alejado) y con los dos niveles de lquido estipulados para poder acotar cmo se comporta el flujo en dicha condicin. Para obtener resultados se cierran las caeras a los grupos que estaran sin funcionar como muestra el esquema. Se ha destacado en amarillo hacia dnde va dirigido el flujo.

ESQUEMA POR GRAVEDAD PARA EL GRUPO ELECTROGENOS MS ALEJADO


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Resultados para 6 metros de altura de lquido: Se obtuvo que el flujo hacia el grupo electrgeno es de: 5.05 m3/h Por lo tanto, al comparar el consumo de un grupo 0.436 m3/h con el flujo de diesel hacia el grupo electrgeno se tiene que el estanque diario si estuviese vacio, se llenara en el siguiente tiempo: (5.05-0.436)m3/h = 4.614 m3/h. El estanque diario tiene una capacidad de 0.5 m3 por lo tanto: 0.5 (m3) /4.614(m3/h) = 0.1 h = 6 minutos

Resultados para 1 metros de altura de lquido: Se obtuvo que el flujo hacia el grupo electrgeno es de: 1.366 m3/h Por lo tanto, al comparar el consumo de un grupo 0.436 m3/h con el flujo de diesel hacia el grupo electrgeno se tiene que el estanque diario si estuviese vacio, se llenara en el siguiente tiempo: (1.366-0.436)m3/h = 0.93 m3/h. El estanque diario tiene una capacidad de 0.5 m3 por lo tanto: 0.5 (m3) /0.93(m3/h) = 0.53 h = 33 minutos


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Lo que indica software se puede corroborar para entendimiento mediante una grafica de la curva de sistema de los dimetros involucrados de caera Los siguientes datos se incluyen para obtener resultados grficos y comprender el comportamiento del sistema:

ANALISIS DE FLUJO POR GRAVEDAD CON 6 METROS DE LIQUIDO

DATOS DE ENTRADA

Caudal 1 2-1/2" 5 m3/h

Caudal 2 3/4" 5 m3/h

Perdidas friccion 1 0,052 bar


Delta H entre TKs -5,455 mca

PARAMETROS PARA CURVAS DE SISTEMA SINGULARES Y GLOBAL PARA 1 GRUPO ELECTROGENO MAS ALEJADO

CURVA DEL SISTEMA (1 linea 2-1/2" y 1 linea

3/4") CURVA FRICCIONAL 2-

1/2" CURVA FRICCIONAL

3/4" Q (m3/h) Delta h (mca) Q (m3/h) Delta h mca

Q (m3/h) Delta h mca

0,0 -5,46 0,0 0,00 0,0 0,00

2,0 -4,58 2,0 0,08 2,0 0,79

4,0 -1,97 4,0 0,33 4,0 3,16

5,1 0,29 5,1 0,55 5,1 5,19

6,0 2,40 6,0 0,75 6,0 7,10

8,0 8,50 8,0 1,33 8,0 12,63

10,0 16,36 10,0 2,08 10,0 19,73

12,0 25,95 12,0 3,00 12,0 28,41

14,0 37,30 14,0 4,08 14,0 38,67

CONSTANTES 2-1/2" CONSTANTES 3/4"

"K1" friccion: 21,9 "K2" friccion: 7,1


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CURVAS DE SISTEMA PARA ALTURA DE LIQUIDO DE 6 METROS Y UN GRUPO ELECTROGENO FUNCIONANDO MAS ALEJADO


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ANALISIS DE FLUJO POR GRAVEDAD CON 1 METRO DE LIQUIDO

DATOS DE ENTRADA

Caudal 1 2-1/2" 5 m3/h

Caudal 2 3/4" 5 m3/h



Delta H entre TKs -0,455 mca

PARAMETROS PARA CURVAS DE SISTEMA SINGULARES Y GLOBAL PARA 1 GRUPO ELECTROGENO MAS ALEJADO

CURVA DEL SISTEMA (1 linea 2-1/2" y 1 linea 3/4")

CURVA FRICCIONAL 2-1/2" CURVA FRICCIONAL 3/4"

Q (m3/h) Delta h (mca) Q (m3/h) Delta h mca Q (m3/h) Delta h mca

0,0 -0,46 0,0 0,00 0,0 0,00

2,0 0,42 2,0 0,08 2,0 0,79

4,0 3,03 4,0 0,33 4,0 3,16

5,1 5,29 5,1 0,55 5,1 5,19

6,0 7,40 6,0 0,75 6,0 7,10

8,0 13,50 8,0 1,33 8,0 12,63

10,0 21,36 10,0 2,08 10,0 19,73

12,0 30,95 12,0 3,00 12,0 28,41

14,0 42,30 14,0 4,08 14,0 38,67

CONSTANTES 2-1/2" CONSTANTES 3/4"

"K1" friccion: 21,9 "K2" friccion: 7,1


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CURVAS DE SISTEMA PARA ALTURA DE LIQUIDO DE 6 METROS Y UN GRUPO ELECTROGENO FUNCIONANDO MAS ALEJADO Como conclusin parcial al anlisis de los grficos se puede indicar que efectivamente el comportamiento de las curvas de sistema indican los cortes en el eje del caudal en los valores arrojados por el software. Esto quiere decir que toda la energa potencial se ha transformado en energa cintica (friccin). Grficamente se puede visualizar que la curva de sistema individual de 2-1/2 genera bastante menos perdidas de carga que la lnea de . Con esto, se puede intuir que la acometida a cada uno de los grupos electrgenos es necesario hacerlos en dimetro menor a la matriz ya que si no fuese as, los caudales y velocidades se descontrolaran, sobre todo cuando el estanque est lleno, lo que implicara instalar vlvulas de control de flujo en cada uno de ellos o algn sistema extra de control o disipacin de energa como un plato orificio.


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Dado el anlisis de comportamiento del sistema, a continuacin se entrega la simulacin para la condicin de diseo de 10 grupos electrgenos funcionando a la vez. La segunda simulacin ser con los 10 grupos electrgenos funcionando y nuevamente con alturas de lquido de 6 y 1 metro de diesel. Para ello, en el software, se habilitan todas las caeras para que circule diesel como muestra la figura.

ESQUEMA POR GRAVEDAD PARA 10 GRUPOS ELECTROGENOS FUNCIONANDO


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Resultados para 6 metros de altura de lquido: Se obtuvo lo siguiente:

- Flujo hacia por boquilla de salida del estanque: 20.46 m3/h - Flujo hacia el grupo electrgeno ms alejado: 2.18 m3/h

Por lo tanto, al comparar el consumo de un grupo 0.436 m3/h con el flujo de diesel hacia el grupo electrgeno se tiene que el estanque diario si estuviese vacio, se llenara en el siguiente tiempo: (2.18-0.436)m3/h = 1.744 m3/h . El estanque diario tiene una capacidad de 0.5 m3 por lo tanto: 0.5 (m3) /1.744(m3/h) = 0.29 h = 17 minutos

Resultados para 1 metros de altura de lquido: Se obtuvo lo siguiente:

- Flujo hacia por boquilla de salida del estanque: 5.39 m3/h - Flujo hacia el grupo electrgeno ms alejado: 0.484 m3/h

Por lo tanto, al comparar el consumo de un grupo 0.436 m3/h con el flujo de diesel hacia el grupo electrgeno se tiene que el estanque diario si estuviese vacio, se llenara en el siguiente tiempo: (0.484-0.436)m3/h = 0.048 m3/h. El estanque diario tiene una capacidad de 0.5 m3 por lo tanto: 0.5 (m3) /0.048(m3/h) = 10.42 h = 625 minutos


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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones para sistema con bomba en grupos electrgenos. NPSH disponible bombas de llenado = 0,795 bar (8,1 mca). Por lo tanto se necesita lo siguiente para que la bomba que incluya el grupo electrgeno cumpla con la siguiente condicin de diseo NPSHd > NPSHr + 0.5 m Luego el NPSHr de la bomba que venga dentro del grupo electrgeno debe tener, para 1 m3/h, 7.6 mca como mximo para asegurar que la bomba no Cavite. 6.2. Conclusiones para flujo por gravedad hacia grupos electrgenos. Se tiene que el sistema funciona de buena manera cuando el estanque est lleno , es decir por sobre los 6 metros de altura de diesel. En el caso que el diesel empieza a disminuir se genera una condicin crtica en la cual cuando se requiera un mximo de consumo (10 grupos funcionando) el sistema por gravedad tiene un punto crtico de consumo o llegada de flujo a razn de 0.484 m3/h para los 3 grupos electrgenos ms alejados. Se cataloga de critico ya que los valores de llegada de diesel vs consumo por motor estn demasiado cercanos y no se tiene certeza de que efectivamente el consumo sea de 436 l/h, ya que posiblemente en alguna condicin supere este valor. La cota necesaria para que exista una holgura de flujo hacia dichos 3 grupos electrgenos debe ser de 1.5 metros de altura de liquido lo que repercute tener un aprovechamiento del estanque de del 75% del volumen total. 6.3. Recomendaciones Dadas las conclusiones anteriores y el consumo de los grupos electrgenos, sumando a la demanda de energa requerida por diseo de Codelco Andina, se recomienda no depender de las condiciones de flujo por gravedad (diferentes niveles de diesel en el estanque) y solicitar que los grupos electrgenos incorporen dentro de sus sistema una bomba con un caudal nominal de 1 m3/h.

Documents

Calculo de flujos por gravedad