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ABB mejora la eficiencia energética de una planta suministradora de agua en Nueva Gales del Sur - Australia

10/05/2021

ABB mejora la eficiencia energética de una planta suministradora de agua en Nueva Gales del Sur - Australia

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El paquete de motor y convertidor de ABB mejora la eficiencia energética de la planta abastecedora de agua de Albury y elimina molestias en viviendas. El consistorio no solo ha conseguido resolver el problema de las molestias que generaba el alumbrado eléctrico en las viviendas cercanas, sino que también ha logrado modernizar sus envejecidas infraestructuras para que su red de abastecimiento de agua potable funcione de forma más eficiente y rentable.
 


El ayuntamiento de Albury, en Nueva Gales del Sur (Australia), emplea dos redes de abastecimiento para gestionar y tratar el agua bruta con el fin de suministrar agua limpia y potable. 

 
El sistema de agua bruta usa tres estaciones de bombeo para llevar el agua a la planta de purificación, donde es tratada y convertida en agua potable segura para los 55.000 residentes de Albury y la región circundante. 
 
El consistorio gestiona y suministra un sistema de agua bruta independiente que suministra agua no tratada a varias grandes empresas de la zona, entre las que se encuentran una fábrica de papel, un club de golf y un centro hípico.
 
Una de las secciones del sistema de reticulación de aguas claras cuenta con una estación de refuerzo que se encarga de bombear agua a los depósitos de almacenamiento situados en una colina cercana.  
 
Desde ahí, el sistema se sirve de la gravedad para distribuir el agua tratada a las comunidades cercanas. El sistema se mantiene siempre en estado de espera, 24 horas al día 7 días a la semana, con operaciones de bombeo reales que oscilan desde las 6 horas diarias durante los meses de invierno hasta las 16 horas diarias durante el verano.
 
En la actualidad, debido a varias décadas de constante desarrollo urbanístico, la estación de bombeo se halla ahora en una zona con varios edificios, incluida una escuela pública a apenas 20 metros.
 


Cuando los equipos provocan perturbaciones eléctricas

 
Cada vez que se ponían en marcha las bombas de la estación, se detectaba un problema en la red eléctrica. Se producían graves molestias y perturbaciones eléctricas, ya que las luces de los edificios cercanos se atenuaban cada vez que las bombas arrancaban o se paraban.
 
El ayuntamiento de Albury reaccionó contratando a Remtron, un socio de canal de ABB, para que analizara el problema y propusiera una solución a largo plazo.
 
Remtron determinó que la perturbación en la calidad del suministro eléctrico la causaba el controlador del motor con arrancador suave que había instalado. Los modernos equipos de conversión de potencia (PCE) de estado sólido, como los arrancadores suaves, son eficaces para arrancar un motor con suavidad, pero tienen un efecto secundario: la distorsión armónica que se introduce en la red eléctrica durante el arranque y la parada del motor.
 
«Cuando se activaba el dispositivo, la acción de arranque suave asociada generaba una distorsión no deseada en la red eléctrica», explica Anthony Merrett, ingeniero de asistencia técnica de automatización en el departamento de Calidad de potencia y convertidores de Remtron.
 
El esfuerzo eléctrico causado por los armónicos y las elevadas corrientes de arranque contaminan las redes eléctricas con energía con espurios que puede hacer que los equipos conectados se comporten erráticamente.
 
En casos extremos, pueden dañar dispositivos electrónicos sensibles, producir interferencias en equipos de comunicaciones y provocar lecturas falsas en aparatos de medida. En el caso de las viviendas cercanas, fueron estos armónicos los causantes de las interferencias en sus sistemas de alumbrado eléctrico. En los meses de verano, cuando aumenta el consumo de agua tratada y se lleva al límite la demanda de la red, el impacto en esta era aún mayor.
 
El objetivo de Remtron era no solo resolver las perturbaciones de la red, sino también ayudar al ayuntamiento a optimizar la infraestructura general de su red para reducir el riesgo de fallos operativos, prolongar la vida útil de los equipos, aumentar la eficiencia energética, reducir las emisiones de carbono y, por ende, los costes de electricidad.
 


Ineficiencias identificadas en el sistema de bombeo existente

 
Al analizar el sistema de bombeo existente con motor y arrancador suave, resultó que se podía mejorar la eficiencia usando un control de convertidor de frecuencia.
 
 
Interfaz del sistema de bombeo del ayuntamiento de Albury, con indicadores de presión y de caudal
 

 
Un método más eficiente para bombear agua es usar un control de flujo variable y funcionar con la bomba a su punto de máximo rendimiento (BEP, por sus siglas en inglés). El BEP se halla a lo largo de la curva de bombeo al medir el caudal y la presión del agua.
 
Tras instalar un convertidor de frecuencia, se observó que, cuando funcionaba con una frecuencia de motor de 45 Hz, el agua se bombeaba a 176 litros por segundo. A modo de comparación, cuando se subía a 50 Hz la frecuencia del motor, se bombeaba agua a un caudal mayor de 210 litros por segundo. Remtron determinó que, aunque esos 50 Hz dan un caudal mayor, al no estar en el punto de máximo rendimiento, el bombeo cuesta bastante más.
 
La figura B demuestra que, al disminuir de 50 a 45 Hz la frecuencia de velocidad del motor, se logra una mayor eficiencia energética de bombeo por litro de agua bombeada.
 
 
El gráfico de bombeo muestra el caudal a 45 Hz y 50 Hz y la energía relativa consumida en amperios (A)
 
 

Tecnologías para resolver el problema fácilmente

 
La mejor solución que se encontró para el ayuntamiento de Albury fue un paquete de motor y convertidor.
 
La máquina contaba con los convertidores de frecuencia ACQ580 de armónicos ultrabajos (ULH) de ABB y un motor M2BAX de eficiencia premium IE3, también de ABB.
 
 
 

Anthony Merrett, de Remtron, y Mitchell Palmer, del ayuntamiento de Albury, 

junto a un motor M2BAX de alta eficiencia IE3 de ABB.


 
Los convertidores ACQ580 para agua están diseñados para reducir los armónicos en la red eléctrica. Pueden integrarse fácilmente en el sistema existente del municipio sin que causen mayor perturbación. 
 
Gracias a ello, no hizo falta sobredimensionar la red eléctrica ni destinar una mayor inversión a infraestructuras adicionales. Además, al utilizar esta tecnología limpia, desaparece la necesidad de filtros adicionales o equipos para mantener la calidad de la potencia.
 
Los convertidores de 6 pulsos alternativos emiten entre un 30 y un 45 % de distorsión armónica total (THDi) en comparación con los convertidores ULH, que suelen emitir menos del 3 %. A diferencia de otras tecnologías para mitigar armónicos que emplean filtros externos, los convertidores ULH ACQ580 también son mucho más fáciles de instalar, con un cableado mínimo, gracias a su diseño y reducido tamaño.
 
 
 
Segundo variador ABB ACQ580 ULH instalado en la sala de bombas en el sitio, utilizado para optimizar la aplicación existente como un enfoque personalizado por Remtron para brindar al consistorio de AlburyCity el mejor resultado. El sistema de control también cuenta con equipos de automatización de ABB que incluyen un PLC ABB AC500 y una unidad de visualización de pantalla táctil HMI ABB CP610 para una monitorización precisa y digitalizada.
 

«Sabíamos que ahorraríamos energía bajando un par de hercios la velocidad de un motor si poníamos un convertidor, pero, gracias a este proyecto, ahora entendemos cómo elegir la mejor velocidad del motor y, lo que es más importante, todas las demás ventajas que se consiguen al instalar un convertidor».
 
 
 
Se instaló el variador de velocidad ABB ACQ580 ULH en el sitio de la estación de bombeo
de agua operada por el ayuntamiento de Albury.
 
 
Los convertidores ACQ580 mejoraron la calidad de la red eléctrica y permitieron que el sistema pasara de ser una aplicación de velocidad fija a una de velocidad variable. El convertidor ULH garantizaba que la THDi fuera inferior al 3 %, aunque se variase la velocidad de la motobomba.
 
«Sabíamos que ahorraríamos energía bajando un par de hercios la velocidad de un motor si poníamos un convertidor, pero, gracias a este proyecto, ahora entendemos cómo elegir la mejor velocidad del motor y, lo que es más importante, todas las demás ventajas que se consiguen al instalar un convertidor», confiesa Mitch Palmer, supervisor electrotécnico de Construcción y mantenimiento de Albury.
 
El ayuntamiento de Albury se beneficia ahora de la eficiencia que confiere el control de un motor de velocidad variable (figura B).  Se comprobó que, funcionando a la máxima velocidad de 50 Hz, se consigue un bombeo de 1,03 litros por segundo y por amperio; sin embargo, esto resultaba menos eficiente que si lo hacía a 45 Hz, cuando mejora la eficiencia del bombeo a 1,22 litros por segundo y por amperio consumido.
 
Al reducir la velocidad de la bomba, el ayuntamiento se beneficia de un mejor rendimiento general y reduce el consumo de energía. «Básicamente, se trata de optimizar lo que demanda el proceso con un menor desgaste, una menor cavitación de la bomba y un menor esfuerzo hidráulico a través de las cañerías solo con reducir un 10 % la velocidad del motor mediante el convertidor», explica Anthony. «Pero, ante todo, resuelve el problema original: ya no hay parpadeos de luz en ningún edificio de la zona».
 
En la estación de bombeo también se instalaron los motores M2BAX de baja tensión y eficiencia premium IE3 de ABB. Los motores, suministrados por el socio de canal de ABB A1 Electric Motors, son motores de hierro fundido especialmente diseñados para aplicaciones como el bombeo, porque son robustos y fiables incluso en condiciones ambientales difíciles.
 
Hace tiempo que se sabe que la electricidad necesaria para alimentar equipos como los motores es la culpable de los elevados costes de funcionamiento.  Los motores premium de alta eficiencia proporcionan a los usuarios un mayor ahorro de costes en general gracias a sus bajas necesidades energéticas para funcionar y a un ciclo de vida del producto de larga duración. Esto también contribuye a reducir el impacto ambiental durante toda la vida útil del motor.
 


Resultados que superan las expectativas

 
El nuevo equipo de la red mejorada ha permitido al consistorio hacer funcionar su bomba al punto de máximo rendimiento. Ya han conseguido entre un 20 y un 30 % de ahorro energético, lo que se ha traducido en una disminución de los gastos corrientes de la electricidad. Durante el arranque de la bomba no se han producido perturbaciones en la red eléctrica.
 
Los armónicos se mantienen bajos durante el funcionamiento, superando las directrices de la norma australiana AS61000, y ahora puede ajustarse la eficiencia de la bomba a la eficiencia de la red, bajando la frecuencia de la bomba a 45 Hz, para lograr una mayor eficiencia energética general.
 
Mitch, al reflexionar sobre los trabajos del proyecto que emprendió junto con Remtron y A1 Electric Motors, socios de canal de ABB, comenta: «Creía conocer bastante bien el tema de los motores y convertidores y, aunque sabía que siempre hay cosas que aprender, estos chicos me dejaron alucinado. Disfruté mucho trabajando con Remtron y A1 Motors. No solo compartieron sus conocimientos sobre soluciones, equipos y todo lo relacionado con la electricidad, sino que su comprensión de los aspectos mecánicos fue impagable. Los efectos que los componentes mecánicos y eléctricos pueden tener entre sí cuando surge un problema son profundos, pero también cuando se tienen en cuenta y alinean todos los factores.  Los resultados son verdaderamente impresionantes».
 
Y Mitch agrega: «El uso de motores energéticamente eficientes y de convertidores de armónicos ultrabajos, con la ventaja añadida del factor de potencia unitario, nos ha permitido ahorrar costes en el consumo total de energía».
 


Sobre ABB

 
ABB (ABBN: SIX Swiss Ex) es una empresa líder global de ingeniería que estimula la transformación de la sociedad y la industria para lograr un futuro más productivo y sostenible. Conectando software a su cartera de electrificación, robótica, automatización y tecnologías de movimiento industrial, ABB fuerza los límites de la tecnología para alcanzar nuevos niveles de rendimiento. Con una historia de excelencia que se remonta a más de 130 años, el éxito de ABB está impulsado por el talento de sus 110.000 empleados en más de 100 países.

 
 

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