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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO ELÉCTRICO

DISEÑO E INSTALACIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO PARA UNA PLANTA

DE CICLO COMBINADO

Autor: José Zaforteza Fuster Director: Javier de Frutos Mínguez

Madrid Mayo 2013

DISEÑO E INSTALACIÓN DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO PARA UNA PLANTA DE

CICLO COMBINADO

Autor: Zaforteza Fuster, José

Director: de Frutos Mínguez, Javier.

Entidad Colaboradora: Ingersoll Rand.

RESUMEN DEL PROYECTO

Introducción

El aire comprimido juega un papel clave en la industria actual, como se ve reflejado en el alto

porcentaje del total del consumo eléctrico industrial, que se sitúa en torno al 10% en los principales

países europeos (Lab). Esto se explica por la facilidad de producción, la flexibilidad de distribución y

la versatilidad de usos que se le puede dar; haciendo del aire comprimido la primera opción por

delante de la electricidad para aplicaciones varias. Estos usos comprenden: labores de

posicionamiento (pistones, motores neumáticos, válvulas), de proyección (pinturas), soplado de

plásticos, herramientas neumáticas (percutoras, tachonadoras), transporte neumático (de materiales

como grava) o incluso el almacenaje de energía (Gies, 2012).

Este extendido uso de la tecnología de aire comprimido incluye las centrales de producción

de energía, siendo de gran importancia que éstas cuenten con un suministro fiable y seguro de cara a

poder operar con normalidad. El presente proyecto pretende diseñar una instalación de un sistema

completo de producción de aire comprimido destinado a una central energética de ciclo combinado

de nueva construcción en Alemania. El proyecto es del tipo “llave en mano”, es decir, el cliente

desea obtener el sistema de aire comprimido proyectado, instalado y en funcionamiento; sin que deba

preocuparse de ninguna actividad previa a la conexión de su sistema de distribución del aire al de

producción objeto de este proyecto.

El proyecto engloba, por tanto, todas aquellas actividades necesarias para el diseño del

sistema y su futura instalación, con el objetivo de obtener un sistema que satisfaga las necesidades

que nos han sido trasladadas por el cliente, así como la exigente normativa alemana, prestando

especial atención al coste (de inversión y operación) que requiere el mencionado sistema de

producción de aire comprimido.

Metodología

Para la realización del presente proyecto se han seguido los pasos habituales en proyectos de

este tipo. En primer lugar se realiza un estudio intenso de las especificaciones del cliente así como de

la normativa aplicable. Después se realiza un estudio de los posibles proveedores para los equipos

principales, pues éstos marcaran sustancialmente el desarrollo del resto del proyecto. A continuación

se desarrolla la fase de ingeniería del proyecto, que es donde se llevan a cabo las tareas con mayor

carga de diseño. Para terminar con el sistema de aire comprimido se selecciona un instalador, y se

planifican la puesta en marcha y el plan de mantenimiento del sistema. Por último, una vez la

instalación ya está completamente proyectada, se realiza un análisis del impacto medioambiental y

de las posibles mejoras.

El estudio de las especificaciones nos clarifica las necesidades que el cliente ha percibido y

que debemos cubrir. Las especificaciones nos aportan el punto de partida para acometer el diseño

general, pero a su vez son suficientemente profundas como para establecer al detalle características

que deben cumplir los equipos o la instalación. Además el cliente muestra gran celo en el

cumplimento de las normativas europeas y alemanas aplicables, lo que nos lleva a hacer un intenso

estudio de las mismas con el objetivo de aplicarlas. La siguiente tabla muestra las principales

condiciones a tener en cuenta para el dimensionamiento del sistema:

Presión ambiental 1,015 bar

Temperatura (max/min) 35/5 ºC

Humedad relativa (max/min/media) 95 / 30 / 80 %

Flujo a la salida 650 Nm3/h

Presión de operación 10 bar(g)

Calidad del aire de servicios 1/2/1 Partículas/Agua/Aceite,

según ISO 8573-1:2001 Calidad del aire de instrumentos 3/4/3

Tabla 1. Condiciones generales de diseño

La selección de proveedores para los equipos principales comienza con un estudio de los

distintos fabricantes disponibles en el mercado, con la capacidad de adaptar sus equipos estándar a

las necesidades particulares que le transmitamos. Una vez tengamos una lista consistente de

candidatos, se les realiza una petición de oferta. En esta fase de oferta se establece el precio que

pagaremos por el suministro, pero también es el momento de discutir su alcance y asegurarnos que

los equipos suministrados cumplirán con todos los requisitos.

En la selección (se elige únicamente entre aquellos suministradores que cumplan con todos

los requisitos técnicos) se tienen en cuenta los costes de inversión, pero también aquellos derivados

de la operación del sistema, como los costes eléctricos o de mantenimiento. Por último, se estudian

otros factores que puedan resultar relevantes a la hora de seleccionar al que será el suministrador

definitivo, factores principalmente relacionados con la calidad del servicio post-venta que pueda

ofrecer.

El desarrollo de la ingeniería de detalle comienza con la elaboración de una programación

para el proyecto, con el objetivo de conocer el tiempo que llevará realizarlo así como las tareas

críticas para cumplir esa planificación, es decir, aquellas en las que una variación en la duración se

traduce directamente a la misma variación en la duración del proyecto.

El diseño de la instalación mecánica comprende principalmente el dimensionamiento de las

tuberías, el diseño de su disposición y los accesorios necesarios para el correcto funcionamiento de la

instalación (como válvulas para by-pass, de seguridad o para realizar las pruebas a la instalación), asi

como el de la red de tuberías para la colección de condensados.

Por otro lado, el diseño de la instalación eléctrica se centra principalmente en el sistema de

control, ya que no hay cargas eléctricas importantes más allá de los compresores, y es el cliente

quien se encargará de suministrar la potencia. El control comprende las comunicaciones con el DCS

del cliente y la regulación automática del sistema de aire comprimido.

Por último, se elaboran los documentos necesarios para la comprensión del funcionamiento

del sistema de aire comprimido: el plano de implantación, el diagrama de tuberías e instrumentación,

(P&ID) o el diseño de las placas identificativas que se situarán en los equipos.

Una vez definido el diseño de la instalación, estamos en condiciones de solicitar oferta a los

instaladores para que nos provean de montaje y de los materiales necesarios para ellos. Para cerrar

nuestro proyecto de cara al cliente, debemos entregarle una previsión de actividades de puesta en

marcha, un plan de mantenimiento preventivo que debe seguir para evitar paradas innecesarias en la

producción de aire comprimido (que podrían derivar en paradas en la producción de la planta), así

como un presupuesto detallado del coste que supondría la realización del proyecto.

El proyecto incluye también un análisis del impacto ambiental derivado de la operación del sistema,

así como una serie de posibles mejoras sobre la instalación diseñada, que no fueron incluidas por no

ajustarse a las demandas del cliente.

Resultados y conclusiones

El principal resultado del proyecto es toda la documentación que se ha obtenido que recoge el

diseño propuesto que satisface las necesidades del cliente. Este diseño incluye tres compresores de

tornillo lubricado que funcionan a velocidad fija (dos operando y uno de reserva), dos secadores de

adsorción sin aporte de calor (uno en reserva), dos secadores de refrigeración (uno en reserva) y tres

depósitos para almacenar el aire comprimido, como equipos principales que serán suministrados por

Ingersoll Rand. El tiempo que tomaría la realización del diseño proyectado es de 6 meses naturales.

Por otro lado, el estudio del impacto ambiental nos muestra los siguientes impactos derivados

del consumo eléctrico de la instalación durante un año:

Impact category Unit Total 1.662,23 GJ

Abiotic depletion kg Sb eq 2.480,17

Acidification kg SO2 eq 425,91

Eutrophication kg PO4--- eq 1.348,34

Global warming (GWP100) kg CO2 eq 337.345,86

Ozone layer depletion (ODP) kg CFC-11 eq 0,01265

Human toxicity kg 1,4-DB eq 139.050,36

Fresh water aquatic ecotox. kg 1,4-DB eq 208.741,72

Marine aquatic ecotoxicity kg 1,4-DB eq 436.652.293

Terrestrial ecotoxicity kg 1,4-DB eq 421,45

Photochemical oxidation kg C2H4 eq 20,21

Tabla 2. Impacto ambiental anual por consumo de electricidad

En cuanto a las tres variantes que se propusieron como mejoras, el análisis realizado de cada

una de ellas muestra que:

La sustitución de uno de los compresores por uno de velocidad variable no está

justificada para este proyecto, debido al volumen de los depósitos y al amplio margen

entre la presión de compresión y la de trabajo a la salida de la instalación.

La introducción desecadores de adsorción con aporte de calor resulta bastante

interesante, tanto en términos económicos (la inversión extra se recupera en unos 20

años, aun habiendo aplicado criterios desfavorables a la alternativa) como ambientales

(se reduce el consumo de electricidad en 14,92 kW).

La opción de rebajar la presión de compresión, aunque a priori parecía la menos

atractiva, resulta que por las características de demanda de este proyecto resulta la

más atractiva. Bajar la presión a 8,5 bar(g) nos permite seleccionar el modelo de

compresor inferior de la gama (con una Pnom de 37 kW en lugar de 35 kW)

manteniendo el flujo requerido. Esto reduce tanto la inversión inicial como el

consumo eléctrico, resultando en unos ahorros previstos durante la vida útil del

sistema de 56.809 u.m. (algo más que el coste de los dos secadores de adsorción).

El coste total previsto para llevar a cabo la instalación proyectada es de 482.987 u.m.

(Cuatrocientas ochenta y dos mil novecientas ochenta y siete unidades monetarias).

Referencias

Gies, E. (2012). A storage solution is in the air. The new york times. Lab, E. (s.f.). Eficiencia Energética en sistemas de aire comprimido. (Dirección Gral. de Trabajo, Industria y

Comercio, Gobierno de La Rioja) Obtenido de http://www.energylab.es/fotos/100426094141_DwEn.pdf

DESIGN AND INSTALLATION OF A COMPRESSED AIR SYSTEM FOR A COMBINED CYCLE

POWER PLANT

Author: Zaforteza Fuster, José

Director: de Frutos Mínguez, Javier

Collaborating Entity: Ingersoll Rand

PROJECT SUMMARY

Introduction

The compressed air plays a key role in the current industrial sector, as it is shown by the fact that the

electrical energy used to produce compressed air accounts for 10% of the total industrial electric energy

consumption (Lab). The high adoption of this technology in the industry is due to the easily it can be

produced, its flexible distribution and the versatility of its usage; becoming the compressed air a better

option than electricity for many applications. This technology is used, among other applications, for:

positioning (pneumatic motors, valves), projection (painting), pneumatic tools, transportation (usually with

low pressure compressors) and energy storage (Gies, 2012).

This wide-spreaded usage of the compressed air technology includes the power plants, where the

liability of the compressed air supply is critical for a correct operation of the plant.

The aim of this project is to design a complete compressed air production system which will be

installed in a combined cycle power plant to be built in Germany. It is a turn-key project, so the client just

wants to receive a fully designed, installed and operating system, without the need of carrying out any

activity prior to the connection of the distribution grid to the system.

Thus, the project includes all the tasks that are needed for the design and installation of the system,

with the objective of satisfying the client’s requirements, as well as complying with the strict German

normative. All this process will be done looking for the lowest possible execution price (including both

investment and operation costs) for the project.

Methodology

In order to carry out the present Project, the habitual steps in this kind of installation projects have

been followed. First of all, it is necessary a deep study of the specification provided by the client and of the

applicable normative. Following a comparison between different potential suppliers of the main equipment

is done, since this equipment will have a direct impact on the developing of the rest of the project. After

that, the detailed engineering is carried out. In this stage is where most of the design is concentrated. In

order to finish the compressed air system installation, an company which can make the installation is

selected, and the Start-up and maintenance programs are defined. Finally, this project include the

mentioned environmental impact and alternatives analysis.

The study of the specifications allow us to understand the needs that the client has detected and

that should be covered by our proposal. The specifications give us a point to start facing the general design

of the system, but they are also complete enough to describe the details that both equipment and

installation should comply with. In addition, the client has shown a great interest in the design accordance to

European and German normative, so we need to take them into account during the whole project. The

following table shows the main characteristics needed to the sizing of the system:

Ambient pressure 1,015 bar

Temperature (max/min) 35/5 ºC

Relative humidity (max/min/av) 95 / 30 / 80 %

Discharge flow 650 Nm3/h

Operation pressure 10 bar(g)

Service air quality 1/2/1 Partículas/Agua/Aceite,

según ISO 8573-1:2001 Instruments air quality 3/4/3

Table 3. General design conditions

The selection of the supplier of the main equipment starts with a brief research of the potential

suppliers with the flexibility to modify its standard equipment to cover our demands. Once we have short-

listed the suppliers, we make them a request for quotation. During the offers study is when the price for the

supply will be fixed, but it is also the moment to ensure that all the requirements will be fulfilled.

In the election of supplier we take into account the price of their bid (as investment cost), but also

the operation costs (the electricity consumption and the maintenance costs) that we will incur into if we

select that supplier. Finally, we also have to have in mind other important aspects that may not have a direct

impact in the cost, but can influence in the operation of the system (mainly related to the technical and

aftersales service offered)

The detailed engineering development starts with the project schedule. It enables us to know the

time it will take to implement the project, as well as the tasks that are critical to that schedule: those in

which a delay or a shortening will directly affect the whole project duration in the same way.

The mechanical installation design includes basically the sizing of the pipings, the design of its layout

and the definition of the needed accessories for its proper operation (such as by-pass valves, safety valves or

valves for testing purposes), as well as the design of the piping for the condensates collection.

The electrical installation design is focused in the control system design, since there are not

important power loads despite the compressors, and the client will be in charge of their power supply. The

control installation includes the communication with the client’s DCS (both wired and communicated signals

) and the automatic regulation of the compressed air production.

Finally, the needed documentation for a complete understanding of the compressed air system is

elaborated: the general layout of the equipment, the Piping and instrumentation diagram (P&ID) or the

design of the nameplates that will be placed in the different equipment and elements of the installation.

Once we have fully defined the design of the installation, we are able to make requests for

quotations for the mechanical and control installation and the materials supply. In order to finish the project

with the client we have to deliver a Start-up activities schedule, the preventive maintenance program that

should be followed to avoid unnecessary stops in the compressed air production, and a detailed budget with

the estimated cost of the project.

The project also includes a study of the environmental impact produced by the operation of the

system and the analysis of some alternatives in the design that could result in an improvement (economical

or in the environmental impact), but weren’t considered in the project because the client specifications

didn’t allow it.

Results

The main result of the Project is the documentation describing the proposed design, which covers

the client’s requests. This design includes three fixed speed screw compressors (two operating and one as

back-up), two heatless adsorption dryers (one as reserve), two refrigeration dryers (one as reserve), six

filters and three air receivers. This equipment will be supplied by Ingersoll Rand. The execution of the project

as it has been planned will last for six (6) months,

The environmental impact analysis show us the following impacts as cause of generating and

transporting the electric energy consumed by our installation during a year:

Impact category Unit Total 1.662,23 GJ

Abiotic depletion kg Sb eq 2.480,17

Acidification kg SO2 eq 425,91

Eutrophication kg PO4--- eq 1.348,34

Global warming (GWP100) kg CO2 eq 337.345,86

Ozone layer depletion (ODP) kg CFC-11 eq 0,01265

Human toxicity kg 1,4-DB eq 139.050,36

Fresh water aquatic ecotox. kg 1,4-DB eq 208.741,72

Marine aquatic ecotoxicity kg 1,4-DB eq 436.652.293

Terrestrial ecotoxicity kg 1,4-DB eq 421,45

Photochemical oxidation kg C2H4 eq 20,21

Tabla 4. Impacto ambiental anual por consumo de electricidad

Regarding the three alternatives proposed as potential improvements for the Project, a deeper

economic and environmental study concludes that:

The substitution of one of the compressors with one variable speed compressor in not

justified in this Project. This is because of the air receivers storage capacity and the

difference between the operating pressure of the compressors and the needed pressure

in the discharge.

Including heated dessicant dryers would improve the Project with a lower Price (the

investment is recovered in the firsts 20 years of operation, even though the criteria is

quite restrictive for the proposal) and energy consumption (reducing it 14,92 kW).

The reduction of the operating pressure to a lower value closer to the required

discharge pressure, is the most attractive of the three proposals, even when it seem to

be the least prior to the study. This is so because, due to the specific characteristics of

this project, reducing the operating pressure of the compressors to 8,5 bar(g), allow us

to select a smaller compressor (with a nominal power of 37 kW instead of 45 kW)

without any effect on the flow. This change reduces both the initial investment and the

power consumption, resulting in accumulated savings of 56.809 u.m. (equivalent to

the cost of two adsorption dryers) along the life of the system.

The total cost for the Project amounts to 482.987 u.m. (four hundred eighty two thousand nine

hundred and eighty seven unidades montetarias).

References

Gies, E. (2012). A storage solution is in the air. The new york times. Lab, E. (s.f.). Eficiencia Energética en sistemas de aire comprimido. (Dirección Gral. de Trabajo, Industria y

Comercio, Gobierno de La Rioja) Obtenido de http://www.energylab.es/fotos/100426094141_DwEn.pdf

ÍNDICE DE LA MEMORIA

I

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

Índice de la memoria

Parte I Memoria .......................................................................................... 5

Capítulo 1 Introducción ................................................................................... 7

1.1 Introducción al aire comprimido industrial .................................................. 7

1.1.1 Tecnologías de Compresión ........................................................................................... 9 1.1.2 Tecnologías de Secado ................................................................................................. 12

1.2 Motivación del proyecto ................................................................................ 15

1.3 Objetivos......................................................................................................... 16

1.4 Alcance del proyecto ..................................................................................... 17

1.5 Normativa aplicable ...................................................................................... 18

Capítulo 2 Selección de Equipos .................................................................... 21

2.1 Condiciones de diseño ................................................................................... 21

2.2 Equipamiento necesario ................................................................................ 24

2.3 Comparación de proveedores ....................................................................... 28

Capítulo 3 Desarrollo de la Ingeniería .......................................................... 35

3.1 Planificación ................................................................................................... 35

3.2 Instalación mecánica ..................................................................................... 40

3.3 Instalación eléctrica y de control .................................................................. 43

3.3.1 Instalación eléctrica ...................................................................................................... 43 3.3.2 Instalación de control ................................................................................................... 44

3.4 Implantación .................................................................................................. 50

3.4.1 P&ID ............................................................................................................................ 50 3.4.2 General Layout ............................................................................................................. 51 3.4.3 Placas de identificación ................................................................................................ 52

ÍNDICE DE LA MEMORIA

II



3.5 Selección instaladores .................................................................................... 53

3.5.1 Alcance del instalador .................................................................................................. 54 3.5.2 Evaluación de instaladores ........................................................................................... 55

3.6 Puesta en marcha ........................................................................................... 57

3.7 Plan de mantenimiento .................................................................................. 60

Capítulo 4 Impacto Ambiental ....................................................................... 63

4.1 Introducción ................................................................................................... 63

Capítulo 5 Mejoras propuestas....................................................................... 69

5.1 Introducción ................................................................................................... 69

5.2 Compresor de velocidad variable ................................................................. 70

5.2.1 Análisis de la Mejora .................................................................................................... 71

5.3 Secador de adsorción con aporte de calor ................................................... 73

5.3.1 Análisis de la mejora .................................................................................................... 74

5.4 Reducción de la presión en la generación .................................................... 76

5.4.1 Análisis de la Mejora .................................................................................................... 76

Capítulo 6 Conclusiones ................................................................................. 79

Parte II Anexos ........................................................................................... 80

Capítulo 1 Lista de anexos ............................................................................. 81

III



Índice de figuras

Ilustración 1 Compresor de pistón de dos etapas .................................................. 10

Ilustración 2. Flujo en un compresor de tornillo de 2 etapas. ............................... 11

Ilustración 3. Ejemplo de regeneración con aporte de calor ................................. 14

IV



Índice de tablas

Tabla 1. Consumo eléctrico industrial para generar aire comprimido [1]. ............. 8

Tabla 2. Clase del aire para contenido de agua, según ISO 8573-1:2001 ............. 13

Tabla 3. Condiciones ambientales de diseño ........................................................ 23

Tabla 4. Características básicas del sistema de aire comprimido ......................... 24

Tabla 5. Desglose del precio de los equipos por suministrados ............................ 30

Tabla 6. Desglose de los costes de operación por suministrador .......................... 31

Tabla 7. Desglose de los costes totales por suministrador .................................... 31

Tabla 8. Lista de materiales para instalación mecánica ........................................ 41

Tabla 9. Listado de cargas eléctricas ..................................................................... 43

Tabla 10. Señales cableadas .................................................................................. 46

Tabla 11. Lista de señales comunicadas ................................................................ 47

Tabla 12. Comparación de instaladores ................................................................ 55

Tabla 13. Plan de actividades para la puesta en marcha. ...................................... 59

Tabla 14. Vibraciones en los compresores ............................................................ 65

Tabla 15. Impactos ambientales anuales ............................................................... 67

Memoria

5



Parte I MEMORIA

Memoria

6



Memoria

7



Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

Este capítulo pretende hacer una introducción al proyecto. En él se incluye una

una breve explicación del papel que juega el aire comprimido en la industria

(sección 1.1), se explica la motivación y los objetivos del proyecto (secciones 1.2

y 1.3). También se incluye una sección (la 1.4) cuyo objetivo es clarificar el

alcance del proyecto, qué pretende cubrir y qué no. Por último, en la sección 1.5,

se incluye un listado de la normativa a tener en cuenta para la realización de este

proyecto.

1.1 INTRODUCCIÓN AL AIRE COMPRIMIDO INDUSTRIAL

El aire comprimido representa un importante papel en la industria en general. Esto

es así gracias a la gran versatilidad de soluciones que lo emplean, así como la

flexibilidad de uso y producción y la facilidad de transporte a lo largo de la planta.

Otra de las ventajas del aire comprimido es la cantidad de par que puede

desarrollar en poco espacio, evitando el tener que incluir un motor eléctrico a cada

herramienta, haciéndola más pesada y menos manejable.

Sus usos principales van desde el funcionamiento de herramientas de todo tipo

(pistolas de pintura, tachonadoras, martillos neumáticos), hasta el accionamiento

de elementos neumáticos como válvulas; pasando por el transporte de materiales

(se está imponiendo el uso de aire a baja presión –unos 3 bar(g)- sobre el de cintas

transportadoras para transportar, por ejemplo, gravas). Sin embargo la versatilidad

que mencionábamos antes hace que se le den usos más imaginativos, como es el

caso de una planta desalinizadora que lo usa para evitar la entrada de medusas a

su planta.

Memoria

8



Esta importancia está se ve apoyada por datos concreto y actuaciones particulares

en la industria. Por ejemplo, se estima que aproximadamente el 10% del consumo

eléctrico industrial se destina a la generación de aire comprimido [1]. Otro

ejemplo de esta importancia es el hecho de que en ciertos polígonos industriales

se haya ofrecido aire comprimido como un suministro más, poniéndolo al nivel

del agua corriente, el gas o la electricidad (aunque está opción sea más difícil de

encontrar hoy en día, debido a la baja eficiencia de estas soluciones frente a la

generación de aire en cada planta principalmente por las pérdidas y las caídas de

presión en una red de distribución de este tamaño).

País Consumo aire

comprimido (TWh)

% de consumo industrial

de electricidad

Francia 12 11

Alemania 14 7

Italia 12 11

Reino Unido 10 10

Resto de Europa 32 11

Tabla 1. Consumo eléctrico industrial para generar aire comprimido [1].

Hay que aclarar que el proceso de generación de aire comprimido no termina en el

compresor. Debido al propio proceso de compresión, el aire comprimido tiene

altos niveles de humedad, partículas y contenido en aceite (éste último evitable

usando nuevos procesos de compresión). Esto no es deseable, no sólo por el

desgaste que supone para las herramientas que lo usan, sino que además esas

impurezas son inadmisibles en varios de los procesos en los que el aire

comprimido es usado. Por ejemplo, en las industrias alimentarias o farmacéuticas

no se puede permitir la presencia de aceite o partículas en el aire comprimido que

pudieran contaminar productos tan sensibles, y en una estación de pintado ni el

aceite ni el agua son admisibles, pues empeorarían el acabado de la pintura.

Memoria

9



Es por ello que, además del propio compresor, un sistema estándar de generación

de aire comprimido incluye generalmente filtros y secadores. También es habitual

la inclusión de depósitos para el aire comprimido, pues de incluyéndolos modo

logramos “amortiguar” las variaciones en la demanda de cara al compresor,

evitando reencendidos innecesarios.

A continuación analizaremos las distintas tecnologías usadas en la industria para

la compresión y el secado, remarcando las más importantes para este proyecto. No

entraremos a analizar ni el filtrado ni el almacenaje en depósito del aire, por ser

tecnologías mucho más sencillas (el filtrado consiste en detener las partículas no

deseadas y el almacenaje en la fabricación de depósitos para aire con la única

particularidad de que aguanten la presión de trabajo).

1.1.1 TECNOLOGÍAS DE COMPRESIÓN

En lo tocante a la compresión de aire propiamente dicha, tres son las principales

tecnologías que se usan: compresores de pistón, compresores de tornillo y

compresores centrífugos. Además de usar distintos principios mecánicos para

comprimir el aire, cada una de ellas es la más eficiente para distintos caudales de

aire, por lo que en la práctica la tecnología a emplear se elige basándose casi

exclusivamente en el caudal necesario.

Compresores de pistón

Los compresores de pistón comprimen el aire haciendo mover un pistón dentro de

un cilindro. El proceso es el mismo que en la etapa de compresión de los motores

de combustión. El principio de funcionamiento es muy sencillo: con el pistón en

su posición más baja se llena el cilindro de aire a presión ambiental, el pistón se

mueve reduciendo el volumen del aire y aumentando su presión. Cuando el pistón

está en su máxima posición, el aire se libera.

Memoria

10



Ilustración 1 Compresor de pistón de dos etapas

Dentro de los compresores de pistón existen varias variantes, enfocadas

principalmente a aumentar la eficiencia del compresor, como son la compresión

en varias etapas o los pistones con dos cámaras.

La primera consiste en, una vez completada la compresión en un primer pistón se

hace pasar el aire ya comprimido por un segundo pistón, que lo comprime a más

presión en esta segunda etapa. Como es lógico en esta segunda etapa el pistón es

de menor tamaño (el aire que entra ya está comprimido y ocupa menos espacio

que en la primera).

La segunda variante pretende aprovechar todo el recorrido del pistón, con lo que

se mueve dentro de un cilindro cerrado, comprimiendo el aire en una cámara al

desplazarse en un sentido y en la otra moverse en el sentido contrario.

Esta tecnología fue de las primeras en desarrollarse, pero cuenta con la desventaja

de no producir el aire de forma continuada, sino a “golpes” que se corresponden

con las etapas del pistón. Entre el conjunto de tecnologías de compresión se sitúa

en el rango bajo, siendo la que se usa cuando se requiere poco caudal Por

hacernos una idea, está tecnología se usa hasta unos pocos kW de consumo

eléctrico.

Compresores de tornillo

Los compresores de tornillo consisten en dos tornillos, uno macho y uno hembra,

que son propulsados por un motor. Al girar, el aire pasa por el espacio entre los

Memoria

11



dos tornillos, que va siendo cada vez menor, con lo que se obtiene la compresión.

Para evitar el desgaste excesivo de los tornillos se lubrican mediante aceite, que

luego se separa del aire y se reutiliza; aunque existen ya compresores de tornillo

que evitan el aceite, como se explicará más adelante.

Ilustración 2. Flujo en un compresor de tornillo de 2 etapas.

Estos compresores también pueden constar de dos etapas de compresión, lo que

aumenta su eficiencia pero también los costes de inversión. Otra alternativa,

también de mayor coste, es el uso de compresores de velocidad variable. Esto

permite adecuar la velocidad del compresor a la demanda real de aire

comprimido, evitando reencendidos y consumo excesivo del compresor, por lo

que puede ser interesante desde el punto de vista de la eficiencia para

determinados casos de demanda (a una demanda muy constante a lo largo del

tiempo el compresor de velocidad variable no le aporta nada más que una mayor

inversión inicial).

La última variable destacable en cuanto a compresores de tornillo son los

compresores exentos de aceite. Esto no mejora la eficiencia del compresor, pero si

la calidad del aire comprimido. Al comprimir el aire en una cámara con aceite,

Memoria

12



hay partículas disueltas del mismo en el aire. Normalmente este aire se filtra para

intentar eliminar completamente el aceite, y aunque con un filtrado exhaustivo se

podría conseguir aire teóricamente libre de aceite, en la práctica no es posible.

Como para según qué aplicaciones la presencia de aceite no es admisible, se

recurre a esta tecnología. Al no entrar el aire en contacto con aceite en ningún

momento, podemos asegurar la ausencia total de éste en ése. Por supuesto para

evitar la necesidad de aceite de lubricación entre los tornillos, éstos deben estar

perfectamente dimensionados y con un tratamiento superficial especial.

Esta tecnología de compresión es la más usada para un consumo moderado de aire

comprimido, por lo que es la que tiene mayor presencia en la industria. El rango

de consumo energético en el que sitúa va desde unos pocos kW (cada vez se usan

más pequeños, llegando a partir de 2-3 kW) a unos pocos cientos de kW (hasta

unos 300 aproximadamente).

Compresores centrífugos

La última tecnología resaltable de compresión de aire es la de los compresores

centrífugos. En este caso, un rotor con álabes acelera el aire de admisión,

otorgándole energía cinética. A continuación se hace pasar el aire por un difusor,

convirtiendo la velocidad del aire en presión. Como en las otras tecnologías, se

pueden acoplar más de una etapa de compresión para mejorar la eficiencia. En

este caso, al no haber contacto directo entre partes móviles en el recorrido del aire,

no hay aceites presentes en el proceso, por lo que se obtiene aire libre de aceite

por diseño.

Estos compresores se utilizan cuando hay consumos de aire realmente elevados,

su coste es muy alto y están hechos prácticamente a medida. Su rango de consumo

eléctrico parte de varios cientos de kW.

1.1.2 TECNOLOGÍAS DE SECADO

En cuanto al secado del aire existen principalmente dos tecnologías: secado por

refrigeración y secado por adsorción. En última instancia lo que diferencia ambas

Memoria

13



tecnologías es la calidad del aire que se obtiene, siendo aire más seco en los

secadores de adsorción.

Para medir la sequedad del aire se emplea el llamado punto de rocío: temperatura

por debajo de la cual condensa el agua contenida en el aire. Cuanto más baja sea

esta temperatura, más seco es el aire.

Para clasificar el aire comprimido según la calidad en función del contenido de

agua se utiliza la norma ISO 8573-1:2001, que describe distintas clases de calidad

de aire para contenido en partículas, aceite y agua. Las clases según esta

normativa se muestran en la siguiente tabla:

Clase según ISO Punto de rocío (ºC)

0 (menor que clase uno, según

especs. de cliente o fabicante)

1 -70

2 -40

3 -20

4 3

5 7

6 10

Tabla 2. Clase del aire para contenido de agua, según ISO 8573-1:2001

Los secadores de refrigeración reducen la temperatura del aire con el objetivo de

condensar el agua presente en el mismo y recogerla, obteniendo puntos de rocío

de hasta 2 ºC.

Por su parte, los secadores de adsorción contienen un material capaz de retener la

humedad del aire que pasa a su alrededor. Este material llega a saturarse de

humedad, por lo que requiere ser regenerado con aire seco y caliente que se lleve

esa humedad. Por ello estos secadores disponen de dos torres de secado, que van

alterando ciclos de secado de aire con ciclos de regeneración de la torre. Esta

Memoria

14



regeneración se puede hacer de dos maneras: o haciendo circular parte del aire

seco que sale de la otra torre (regeneración sin aporte de calor) o recogiendo y

calentado aire del exterior (regeneración con aporte de calor).

Ilustración 3. Ejemplo de regeneración con aporte de calor

Con el secado por adsorción se consiguen puntos de rocío de hasta -70 ºC,

dependiendo del material adsorbente empleado.

Memoria

15



1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

En la sección anterior hemos constatado la importancia que tiene el aire

comprimido en toda la industria. Esto incluye las centrales de generación de ciclo

combinado. Pero no sólo en la generación de aire comprimido que se usa en

consume en el propio ciclo, sino que también es crucial para la operación de la

planta por suministrar aire necesario para los actuadores y herramientas diversas

de la central.

En caso de que fallase el suministro de aire comprimido, derivarían una seria de

consecuencias del todo indeseables, no ya sólo por el propietario de la central,

sino que pueden alcanzar al operador de red e incluso, en circunstancias adversas,

a los consumidores finales de la energía. Aunque el operador de red suele estar

preparado para afrontar la caída de un generador, es posible que falle alguno de

los elementos del sistema de protecciones, produciendo un efecto en cadena cuyo

gran impacto sería difícil de enmendar.

Todo lo anteriormente expuesto conduce a la necesidad imperiosa de contar con

un suministro de aire comprimido de gran fiabilidad y calidad. Esta necesidad es

la principal impulsora de este proyecto: diseñar un sistema capaz de suplir las

necesidades (especificadas por el cliente) de aire comprimido para una central de

ciclo combinado en un país europeo.

Memoria

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1.3 OBJETIVOS

El proyecto se centra en ofrecer una solución de tipo llave-en-mano para la

producción de aire comprimido en un ciclo combinado con el menor coste

posible. Sin perder de vista este objetivo principal, que es el fin último de todas

las tareas desarrolladas durante la realización del proyecto, podemos desglosarlo

en objetivos más concretos y que nos ayudarán a centrar los esfuerzos con una

meta más realizable.

Estos objetivos son:

• Selección de los equipos principales que incluirá el proyecto, aquellos necesarios para cubrir satisfactoriamente la demanda de aire comprimido del cliente.

• Diseño de las instalaciones mecánicas y de control del sistema completo de aire comprimido. Incluye el diseño de la implantación del sistema en la central.

• Planificación del proyecto, con el afán de conocer cuánto se extenderá a lo largo del tiempo. También se planifican actividades como la puesta en marcha o el mantenimiento que deberá hacerse al sistema al completo durante su vida útil estimada.

• Estudio del impacto ambiental en el que se incurrirá durante la operación del sistema de aire comprimido.

• Estudio económico de la inversión requerida durante la vida útil del sistema de aire comprimido

• Proposición de mejoras. El proyecto se desarrolla conforme a las especificaciones del cliente. Sin embargo, se pretende estudiar ciertas mejoras de cara a que el cliente lo pueda tener en cuenta, si no en el presente proyecto, al menos de cara a proyectos futuros.

Memoria

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1.4 ALCANCE DEL PROYECTO

El presente proyecto pretende incluir cualquier equipo, actividad, y planificación

necesarios para la instalación y operación del sistema de aire comprimido. Todo

ello se diseñará siguiendo las especificaciones en las que se detallan las

necesidades del cliente.

Es un proyecto del tipo llave-en-mano, es decir, el cliente quiere todo el sistema

ya montado y preparado para arrancarlo. Por tanto, además del suministro de

equipos debemos encargarnos del diseño de la instalación de los mismos, así

como de su montaje.

Desde un punto de vista del sistema una vez instalado en planta, los límites del

alcance de este proyecto son:

• Desde el punto de vista mecánico, el proyecto cubre desde las tomas de aire de entrada de los compresores hasta los dos puntos de descarga (el de la línea de aire de servicio y el de la línea de aire de instrumentos) y la descarga del separador de condensados.

• Desde el punto de vista eléctrico, el alcance del proyecto termina en las bornas de alimentación de los compresores, el secador y el cuadro de control.

• Desde el punto de vista de la instalación de control, el alcance de proyecto termina en los borneros del cuadro de control a los que se conectará el cliente y hasta los equipos o instrumentos cuyas señales vayan cableadas al DCS (Digital Control System), en vez de comunicadas.

Como norma general todo lo que esté incluido entre los límites del alcance arriba

indicado se incluye en el proyecto, así como todas actividades de diseño mecerías

para su correcto funcionamiento.

Memoria

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1.5 NORMATIVA APLICABLE

A lo largo de todo el proyecto se deben seguir las secciones aplicables de los

Códigos y Estandares (principalmente DIN y EN) listados a continuación. Salvo

que se concrete lo contrario, la última versión de cada norma será la empleada.

2006/42/CE European machinery directive

AD 2000 Technical rules for Pressure Vessels

ISO141211-1:2007 Safety of machinery – Risk assessment –Part1: Principles

ISO3857 Compressor, compressed air tools and machines.

ISO7183 Compressed air dryers, technical requirements and

measurements

ISO8573 Compressed air (contamination)

ISO1217 (DIN1945) Measurement of output (acceptance tests of positive

displacement compressors)

DIN EN ISO 8821 Mechanical vibration – Balancing shaft and fitment key

convention

VDI 2056 Vibrations of the machine

DIN 51506 Compressor oils

DIN EN 287 Qualification test of welders

EN 15614-1 Specification for approval of welding procedure for weld

joint Steel Nickel Alloys, Aluminum and its Alloys

EN15609-1 Part1 Specifications & Approval of Welding Procedures for

Welding Arc

PED 97/23/EC Pressure Equipment Directive

DIN 8949 Refrigerant filter driers – testing

EN 10028-6 Flat products made of steel for pressure purposes

Memoria

19



EN10088 Stainless steels

EN 10204 Metallic products. Material certificate. Type of inspection

documents

VGB-R 170C Function-related documentation of Power Plant

instrumentation and control in line with operating

requirements

EN10222-2 Steel forgings for pressure purposes. Ferritic and martensitic

steels with specified elevated temperature properties

ISO 14122-4:2004 Safety of machinery – Permanent means of acces to

machinery: Fixed Ladders

EN ISO 1461 Hot dip galvanized coatings on fabricated iron and steel

articles

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20



Memoria

21



Capítulo 2 SELECCIÓN DE EQUIPOS

Este capítulo tiene como objetivo realizar la selección de los equipos principales

que requiere el proyecto. Consideramos equipos principales aquellos críticos para

el correcto suministro de aire comprimido al cliente, así como aquellos que

representan mayor inversión. Para mayor claridad se divide el capítulo en tres

secciones. En la sección 2.1 se describen las condiciones de diseño a tener en

cuenta para la selección. En la sección 2.2 se establecen las tecnologías que se

emplearán, así como las características principales del equipamiento necesario.

Por último, en la sección 2.3 se realiza una comparación de distintos proveedores,

obteniendo finalmente los equipos que formarán nuestro sistema de aire

comprimido.

2.1 CONDICIONES DE DISEÑO

Las condiciones de diseño son todas aquellas que puedan afectar al

dimensionamiento de las máquinas. En este caso en concreto, es necesario

conocer las condiciones ambientales para el correcto dimensionamiento de los

equipos.

Concretamente, las condiciones de presión ambiental, temperatura y humedad

relativa son las más determinantes, pues influyen directamente en el flujo que los

compresores son capaces de producir, así como en el consumo que deriva de la

compresión.

Al influir en el flujo no afecta sólo a los compresores, sino que influye también en

el dimensionamiento de filtros y secadores. Los depósitos son los únicos que

quedan fuera de la lista de equipos afectados por estas condiciones, pues se

Memoria

22



dimensionan para aplanar la oferta de aire de cara a los compresores, y el aire les

llega seco y limpio ya.

El efecto de cada uno de esos factores en la generación de aire comprimido es:

• Presión: tiene un efecto limitado, por trabajar los compresores con presión manométrica (respecto a la ambiental), es decir, con incrementos de presiones. Por tanto, a menor presión ambiental se requeriría más trabajo para comprimirlo a cierta presión absoluta, pero un trabajo muy similar si lo que fijamos es presión manométrica. Sin embargo, para presiones muy bajas (si los equipos se sitúan a elevadas alturas respecto al nivel del mar), la presión ambiental si puede tener un impacto negativo sobre el consumo.

• Temperatura: A mayor temperatura, mayor trabajo requerido para la compresión, por lo que se obtienen consumos mayores para el mismo caudal producido o menor caudal para el mismo consumo. Esto se justifica por el mayor volumen que ocupa un gas a mayor temperatura, así como por la mayor resistencia que ofrecen las partículas a ser comprimidas.

• Humedad: Aunque el pensamiento intuitivo es que el grado de humedad ambiental donde más afecta es en la fase de secado, esto no es así. A las presiones de trabajo por baja que sea la humedad ambiental (dentro de los valores habituales, incluyendo aquellos que se dan en climas considerados secos), el aire sale del compresor saturado de humedad (de hecho es habitual situar un colector de condensados en el cuerpo del compresor, antes de la descarga de aire, para evitar que la humedad se condense en las tuberías). El impacto negativo de la humedad en la compresión viene por el trabajo desperdiciado en comprimir un elemento que no es deseable en el aire, por lo que se retira.

Como se ha comentado, las condiciones mencionadas deben ser tenidas en cuenta

de cara a hacer una correcta evaluación de los flujos que oferten los

suministradores. Normalmente cada uno de ellos ofrece un flujo para condiciones

ambientales distintas (no hay un estándar en la industria en este aspecto), por lo

que es necesario calcular el flujo de los distintos suministradores en las mismas

condiciones, de cara a poder hacer una comparación. Para ello se calcula el flujo

que darían las distintas máquinas en condiciones normales de operación.

Memoria

23



Las principales condiciones ambientales a tener en cuenta se recogen en la

siguiente tabla:

Presión ambiental 1,015 bar

Temperatura

(max/min) 35/5 ºC

Humedad relativa

(max/min/media) 95 / 30 / 80 %

Tabla 3. Condiciones ambientales de diseño

Memoria

24



2.2 EQUIPAMIENTO NECESARIO

Tras realizar una profunda lectura de las especificaciones, extraemos de ellas

todas las características que se requieren a los equipos que estudiamos en este

capítulo, ya sean expresen explícita o implícitamente. Las más relevantes para el

conjunto del sistema y el dimensionamiento de los equipos se recogen en la

siguiente tabla para mayor claridad:

Flujo a la salida 650 Nm3/h

Presión de operación 10 bar(g)

Calidad del aire de servicios 1/2/1 Partículas/Agua/Aceite,

según ISO 8573-

1:2001 Calidad del aire de

instrumentos 3/4/3

Tabla 4. Características básicas del sistema de aire comprimido

Esta sección pretende exponer estas necesidades de una forma más clara y concisa

que las especificaciones, ordenándolas por equipos. Las necesidades aquí

expuestas se transmiten a los potenciales proveedores, con el objetivo de que las

tengan en cuenta a la hora de ofertar, y nos comuniquen cuales de ellas no pueden

implementar

Hay que remarcar que los compresores son los equipos más definidos, con

requerimientos más estrictos, por ser los equipos más críticos y de mayor

importancia. Le siguen los secadores de adsorción, mientras que depósitos,

secadores de refrigeración y filtros tienen pocas características que se desvíen de

lo que suele ser estándar en la industria.

Como norma general, lo que no quede especificado se hará conforme a los

estándares europeos aplicables. Los materiales deben ser DIN (europeos), y nunca

ANSI (estándar americano, es bastante común su uso en Europa también), debido

a la importancia que el cliente nos transmite en las especificaciones que tiene para

él el riguroso cumplimento de la normativa europea.

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25



• Compresores: Se requieren 3 compresores capaces de cubrir un 50% de la demanda cada uno, de tal forma que estarán dos en funcionamiento simultáneo y uno quedará como reserva. Deberá cumplir con las siguientes características:

o Tipo: compresor de tornillo lubricado de velocidad fija. o Caudal: 360 Nm3/h o Presión de trabajo: 10 bar(g) o Alimentación: 400±10% V / 50 Hz / trifásica o Refrigeración: por aire o Protección eléctrica: IP55 o Arrancador: Estrella/triángulo o Motores (principal y del ventilador) acorde a la normativa VIK o Resistencias de caldeo para el panel de control y los motores o Señales: arranque y parada en remoto, señal de marcha, señal de

carga/vacío (todas las señales necesarias están definidas en la sección 3.3)

o Nivel sonoro: menor de 80 dB a 1 m de distancia. o Debe admitir alimentación redundante. o Sensores PT100 en el motor, tanto en arrollamientos como en

rodamientos. En el cuadro del compresor se conectarán a un convertidor a 4-20 mA.

o Pintura epoxy. Color RAL 7005, conforme a la especificación del cliente. El motor se pintará en RAL 2007.

o Test presenciados por el cliente o Los drenajes serán tipo ENLD o Certificados: Test hidrostático, materiales 3.1, CE, VIK para

motores, pintura, ruido y vibraciones. o Se debe facilitar el plan de control de calidad

• Secadores de adsorción: Se necesitan dos secadores de adsorción del 100%

del flujo total para la línea de aire de servicios. Uno estará en carga mientras que el otro quedará como reserva.

o Tipo: secador de adsorción sin aporte de calor. o Punto de rocío: -40 ºC o Caudal a la salida: 650 Nm3/h o Presión máxima de trabajo: 12 bar(g) o Material de fabricación: Acero inoxidable. o Alimentación eléctrica: 400 V / 50 Hz / 3 fases o Aire destinado a la regeneración < 20% o Plan de control de calidad

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26



o Test hidrostático y funcional presenciados por el cliente o Transmisión del punto de rocío con señal 4-20 mA o Nivel sonoro inferior a 80 dB a 1 m de distancia o Pintura epoxy en RAL 7005, conforme a la especificación de

pintura del cliente o Certificados CE, 3.1 de materiales. o Señales de alarma general y arranque y paro remoto. o Protección eléctrica: IP 54.

• Depósitos. Se necesitan tres depósitos, dos de ellos de 16 m3 de capacidad

para la línea de aire de servicios y el otro, para la línea de aire de instrumentos, de 2 m3. El resto de características, que son comunes, son las que se definen a continuación:

o Tipo: Depósito vertical o Material: Acero inoxidable o Máxima presión de operación: 11 bar(g) o Material del depósito: DIN 1.4301 o Se someterá a un proceso de galvanizado o Conexiones de entrada/salida: DN 80 o Dispondrá de un “manhole” para facilitar tareas de mantenimiento

y limpieza o Drenaje automático electrónico o Alimentación de la válvula de drenaje: 230/50/1 o Indicador de presión o Válvula de seguridad o Plan de control de calidad o Certificado CE, de materiales 3.1 y de las soldaduras o Test hidrostático o Se examinarán el 100% de las soldaduras.

• Secadores de refrigeración. Se necesitan dos secadores de refrigeración

para la línea de aire de instrumentos. Durante la operación normal del sistema, uno estará en carga mientras el otro permanece como reserva.

o Flujo a tratar: 57 m3/h o Punto de rocío: 2 ºC o Señal de arranque y paro remota, señal de funcionamiento, y

alarma general o Alimentación 230/50/1 o Protección eléctrica: IP54

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o Pintura: epoxy, conforme a la especificación del cliente, en color RAL 7005

• Filtros. Se necesitan un total de seis filtros, dos para cada secador de adsorción y uno para cada secador de refrigeración. El objetivo de estos filtros es adecuar el aire a la calidad requerida en la sección anterior. Las características de los filtros son:

o Presión de operación 10 bar(g) o Máx presión de operación: 12 bar(g) o Máxima caída de presión: 0.5 bar o Temperatura de operación: 50 ºC o Indicador de presión diferencial o Conexión de entrada/salida roscada tipo BSPP o Válvulas de bola o Pintados de acorde a la especificación del cliente, color RAL 7005

• Separador de condensados. Se proveerá también de un dispositivo que

recoja los drenajes de los equipos que los produjeran, separando el aceite y los deshechos del agua para su recogida y facilitar así su posterior tratamiento.

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28



2.3 COMPARACIÓN DE PROVEEDORES

El proceso de comparación de proveedores es un paso determinante para el

desarrollo de este proyecto. Esta selección marcará no sólo el precio de

adquisición, que es uno de los parámetros que más determinarán la decisión del

cliente, sino también la calidad de los equipos que vamos a instalar y, en gran

medida, las condiciones en las que estos van a operar. Además es una tarea crítica

para el desarrollo del proyecto, pues necesitamos conocer datos básicos como

dimensiones, peso, tiempo de entrega, etc. para seguir adelante con muchas de las

fases pendientes del proyecto.

Como es lógico, la capacidad de poder cubrir técnicamente las necesidades que le

transmitamos al proveedor es un factor no sólo determinante, sino también

eliminatorio, si es una carencia insalvable. En el caso de que no pueda satisfacer

alguna demanda que pueda ser cubierta de algún otro modo (por ejemplo, cumplir

con la especificación de pintura del cliente), esto le perjudicará en la medida del

coste que tenga satisfacerla (tanto en tiempo – transportar el equipo a un taller de

pintura y pintarlo- como en dinero – el coste directo e indirecto de dichas

acciones).

Esta necesidad de que el proveedor sea suficientemente flexible como para

adaptar sus equipos a nuestras demandas, reduce el estudio de ofertas a los tres

principales fabricantes de productos de aire comprimido de uso industrial:

Ingersoll Rand, Kaeser y Atlas copco.

Debido al compromiso de reducir al máximo el coste de la instalación, el precio

ofertado por cada fabricante será el factor que más peso tenga en la decisión.

Además, consigue que la elección de fabricante sea tomada con una base objetiva

y comparable como es un valor monetario.

Lógicamente, este precio no se puede centrar únicamente en la entrega de los

equipos requeridos, sino que se deberá tener en cuenta el coste del mantenimiento

durante toda su vida útil (estimada para el conjunto de la instalación en

Memoria

29



veinticinco años), así como de los costes de operación, que principalmente se

reduce a los costes de la electricidad que consume la instalación durante su

funcionamiento.

Sin embargo, hay otros factores que cobran importancia en una elección de este

estilo. Son más complicados de tener en cuenta, pues son más difíciles de valorar

y comparar justamente, pero pueden hacer decantarnos por una opción más cara.

Ejemplos de este tipo de factores son: la cercanía y disponibilidad del servicio

técnico oficial, disponibilidad y coste de piezas de recambio críticas (como

pueden ser el motor o el módulo de compresión en el caso de los compresores),

características de los equipos como tamaño y peso (si son exagerados pueden

resultar menos manejables o pueden requerir cimentaciones más resistentes y

costosas)…

Por tanto, la selección se basará en el coste como comparador objetivo básico, y

se valorará toda aquella información adicional que pueda ser relevante para

matizar las distintas propuestas en caso de tener un coste similar.

A continuación se presenta una tabla con el desglose de precios de los tres

suministradores estudiados. Hay que tener en cuenta que se trata de una oferta

global, es decir, no podríamos elegir equipos de distintos preveedores por estar los

precios sujetos a la obligación de adquirirlos todos.

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Equipo Suministrador 1 Ingersoll Rand Suministrador 3

Compresores (3x) 103.700 114.600 127.300 Secadores de adsorcion (2x) 58.400 52.400 72.800

Secadores de refrig. (2x) 2.350 2.550 5.400

Filtros (6x) 4.200 5.000 6.850

Depósitos (3x) 89.400 95.000 93.850

Control equipos 5.100 7.800 6.900 Separador condensados 1.850 1.700 3.250

TOTAL 265.000 279.050 316.350

Tabla 5. Desglose del precio de los equipos por suministrados

Como se observa en la tabla anterior, los dos primeros suministradores dan unos

precios bastante cercanos y parecidos, mientras que el suministrador 3 ofrece unos

precios considerablemente más elevados. Sin embargo, necesitamos conocer más

datos antes de realizar la elección de suministrador.

Es por ello que, como se explicó anteriormente en esta sección, hacemos también

un pequeño estudio de los costes de operación. En ellos incluimos los costes de

puesta en marcha de los equipos y de formación de operarios por parte del

suministrador, pues aunque se realice una única vez, son necesarias para

comenzar a operar el sistema.

Hay que aclarar que puesto que el objetivo es seleccionar un proveedor y no

realizar un estudio económico profundo y fiable, se ha realizado una estimación

sencilla del precio de la electricidad. Para ello, se ha tomado el valor medio de

dicho precio durante los 25 años de vida útil de los equipos, considerando un IPC

del 1.5% anual y un uso de 4,000 horas/año. Esto queda reflejado en la próxima

tabla, junto al resto de costes de operación.

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Concepto Suministrador 1 Ingersoll Rand Suministrador 3

Puesta en marcha y formación

5.500 6.725 5.000

Consumo equipos (kWh)

121,28 113,40 116,56

Precio electricidad (u.m./kWh)

0,3047 0,3047 0,3047

Coste eléctrico (25 años)

147.816 138.212 142.063

Coste de repuestos (25 años)

37.526 31.800 41.750

TOTAL 190.842 176.737 191.813

Tabla 6. Desglose de los costes de operación por suministrador

En este caso se contempla que el tercer suministrador está al mismo nivel de

precios que los otros dos. Sin embargo, hay que notar que se debe al menor

consumo de los equipos ofertados, pues los repuestos siguen siendo algo más

caros que el del resto de suministradores.

Antes de repasar las características adicionales a tener en cuenta de cada

suministrador, recogemos en una única tabla el resultado de las dos anteriores, de

forma que quede claro el coste total que supone cada uno de ellos a lo largo de la

vida útil del sistema:

Concepto Suministrador 1 Ingersoll Rand Suministrador 3

Inversión en equipos

265.000 279.050 316.350

Costes totales de operación

190.842 176.737 191.813

TOTAL 455.842 461.287 508.163

Tabla 7. Desglose de los costes totales por suministrador

Por último, se presentan los aspectos que ofrece cada fabricante como

diferenciador de cara a reforzar la decisión de suministrador, tomándola sobre una

Memoria

32



base más sólida. Se incluyen también puntos fuertes y débiles que se pueden

extraer del análisis económico previo.

• Suministrador 1: o Ofrece los equipos más baratos que el resto de suministradores

consultados. o Sus equipos son los de mayor consumo eléctrico. De cara a un

posible aumento en la demanda de aire comprimido respecto a la estimación que ha hecho el cliente en sus especificaciones, el coste implícito por dicha variación sería mayor que en la competencia.

o El servicio técnico tiene disponibilidad total a lo largo de la semana. Sin embargo, el más cercano está a 250 km de la planta, por lo que su asistencia no es rápida.

o El coste del servicio técnico es similar al de Ingersoll Rand, siendo más barato que el del suministrador 3.

o La disponibilidad de piezas críticas es la peor de los tres suministradores, siendo el tiempo de entrega de cinco días (naturales) desde la solicitud de la pieza.

• Ingersoll Rand: o Sus equipos tienen una menor huella, es decir, ocupan menos

espacio en planta. o Dispone de una centralización de servicio técnico oficial a 30 kms.

de la ubicación de la planta, siendo el tiempo de resolución de incidencias el más corto de los tres.

o Ofrece servicio técnico a tiempo completo (24 horas, todos los días de la semana).

o El hecho de que sea una centralización posibilita el suministro de piezas críticas en caso de avería (como el módulo de compresión o el motor de los compresores) en el mismo día de solicitud.

o El coste del servicio técnico es comparable al del suministrador 1, siendo más barato que el del tercer competidor.

o Ofrece un precio de equipos más alto que el suministrador 1, de forma que en caso de no poder reparar un equipo y ser necesario cambiarlo el coste sería mayor.

o El consumo de sus equipos es el más bajo de entre los tres suministradores. Esto juega a su favor en caso de que aumente la demanda de aire en la planta.

Memoria

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• Suministrador 3: o Expone que sus equipos son los más fiables del mercado, lo que le

lleva a ofrecer 1 año más de garantía. o Por el contrario, su servicio técnico está limitado a días laborables,

y es ligeramente más caro que el de la competencia. o El suministro de partes críticas lo tiene centralizado algo más lejos

que el segundo suministrador, realizando la entrega en un día laborable desde que se encarga.

o Su oferta económica es la menos atractiva. Requiere una inversión muy alta.

o Sus costes de operación eléctricos son aceptables, pero con los recambios vuelve a desmarcarse con precio más elevado de los tres suministradores consultados.

Teniendo en cuenta todos los factores que se recogen en esta sección, se ha

optado por elegir al Ingersoll Rand como proveedor para los equipos

principales del proyecto.

El suministrador 3 ha realizado una oferta excesivamente cara en comparación

con los otros dos candidatos estudiados.

Por su parte, el suministrador 1 ofrecía un precio y características muy

similares a las de Ingersoll Rand, siendo incluso algo más barato. Sin

embargo, las características del servicio técnico de éste (siendo básicamente la

cercanía de un centro importante de servicio), han marcado la diferencia, por

la importancia que cobran estos servicios durante la operación de un sistema

tan importante para la planta al completo como el de generación de aire

comprimido.

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34



Memoria

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Capítulo 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA

En el presente capítulo se describen todas las tareas y actividades que se han

desarrollado para la realización del proyecto en sí, excluyendo la selección de los

equipos explicada en el capítulo anterior (ya que era necesario conocer el

equipamiento que se iba a usar para acometer las tareas incluidas en este capítulo).

En la primera sección se describe la planificación prevista del proyecto,

describiendo los principales hitos y tareas a acometer. En la sección 3.2, se

explica el diseño de la instalación mecánica del sistema completo de aire

comprimido. La instalación de control es explicada en la sección 3.3, incluyendo

la lista de señales que se enviarán al DCS del cliente o la explicación de cómo

regularán los compresores. La sección 3.4 describe todo aquello relacionado con

la implantación del sistema en la central, incluyendo planos para un mejor

entendimiento. En la sección 3.5 se explica el proceso de selección del instalador

del sistema. Por último, las dos últimas secciones son planificaciones de las

actividades a seguir durante la puesta en marcha (sección 3.6) y el mantenimiento

durante la vida útil del sistema (sección 3.7).

3.1 PLANIFICACIÓN

Esta sección pretende conseguir una estimación lo más fiable posible de la

duración en el tiempo que tendría la realización del proyecto. Por tanto se definen

tiempos necesarios para realizar las distintas tareas que requiere el proyecto,

estableciendo las relaciones entre ellas (cuáles han tenido que ser finalizadas antes

de comenzar una determinada, si es necesario establecer algún tiempo muerto

entre ellas, etc.) y marcando los diferentes hitos determinantes para el proyecto.

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36



Con esta planificación se persiguen dos objetivos: por un lado, ofrecer al cliente

dicha estimación para que sea tenida en cuenta como referencia, y por otro, poder

analizar el impacto que tendría sobre el conjunto del proyecto el retraso en alguna

tarea en concreto (algunas impactan directamente por ser críticas, otras

parcialmente por depender de la duración del retraso y otras no llegan a impactar

salvo que se produzcan retrasos inadmisibles, por estar en paralelo con otras

tareas que llevan mucho más tiempo).

Se incluye a continuación la descripción de la planificación prevista para la

realización del proyecto. Hay que tener en cuenta que, como cualquier otra

planificación, ha sido realizada a priori, con lo que es susceptible de sufrir

cambios una vez se comience a llevar a cabo el proyecto.

Hay que notar que aunque esta planificación parte de la primera semana de

Febrero de 2013 (dando como fecha de finalización del proyecto el 2 de Agosto

del mismo año), lo realmente interesante es la duración del proyecto al completo y

de las distintas tareas, pues no se conoce a ciencia cierta el día de comienzo del

proyecto, en caso de llevarse a cabo.

Podemos clasificar las tareas que forman el conjunto del proyecto en tres grupos:

hitos, tareas generales, y fabricación de equipos.

Los hitos no son tareas propiamente dichas, y carecen de duración. Simplemente

son metas relevantes para el proyecto, cuya consecución tiene especial interés

para el mismo. En este caso, se han contemplado los siguientes hitos:

• Comienzo del proyecto. Fecha en la que recibimos por parte del cliente una confirmación en firme de que nos encarga la realización del proyecto. Es el pistoletazo de salida para el resto de actividades que se realizarán.

• Realización del pedido a proveedores. Fecha en la que se emite una orden de compra a los proveedores, marcando el inicio de las actividades que éstos deban llevar a cabo para comenzar la fabricación de los equipos que nos deban suministrar.

• Comienzo de la instalación. Fecha en la que ya se han recibido y posicionado todos los equipos en campo, por lo que se puede empezar a hacer la instalación completa.

• Entrega al cliente. Es la fecha que marca el final del proyecto, una vez se ha terminado la instalación, se ha probado, y se ha puesto en marcha.

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Las tareas generales son aquellas tareas que afectan al conjunto del sistema de aire

comprimido, sin discriminar por equipos. A continuación se explica cada una de

estas tareas, clarificando el porqué de la dependencia de las tareas que la preceden

(si las hay) y la duración estimada:

• Estudio de las especificaciones. Es el primer paso que hay que llevar a cabo. Se debe hacer una lectura profunda de las especificaciones para comprender las necesidades y exigencias del cliente, de cara a poder satisfacerlas todas. Se estima que serán necesarios 10 días para este cometido, debido a lo extensas y completas que son.

• Selección de equipos. Se realiza una vez finalizado el estudio de las especificaciones. Consiste en esclarecer las características, tanto principales como de detalle, de los equipos necesarios para satisfacer las demandas del cliente, de cara a poder pedirlos correctamente a los suministradores. Se considera que 5 días serán suficientes para llevar a cabo la selección de los equipos.

• Petición/estudio de ofertas. Una vez definidos los principales equipos necesarios, debemos pedir a distintos fabricantes que nos los oferten. Esta tarea comprende el realizarles la petición de la oferta, clarificarles las dudas que puedan tener, recibir y estudiar las ofertas, y elegir la que más nos convenga. Debido a que la interacción con los suministradores seguramente sea menos fluida de lo esperado, al tiempo dedicado a aclaraciones y al estudio y elección, se ha estimado una duración de 15 días para esta tarea.

• Soporte ingeniería de los equipos. Aunque durante la fase de oferta de los proveedores ya se haya clarificado qué modificaciones pueden hacer en sus equipos para cumplir con nuestras demandas, no es hasta que tienen una orden de compra cuando empiezan a estudiar cómo implementarla en este caso en concreto. Es necesario prestar soporte a sus ingenierías para asegurarnos de que las modificaciones se hacen de acuerdo a las especificaciones. Esta tarea comienza con la realización del pedido a los proveedores, y se alarga tanto como el desarrollo de la ingeniería del equipo que más tarde en realizarla.

• Desarrollo de la ingeniería del sistema. Esta tarea comprende el diseño de todo aquello que forma parte del sistema peor no son equipos principales. Tubilería, instalación de control, sistema de drenaje, instrumentación, etc. Como varias de las subtareas no requieren conocer detalles de los equipos principales, y las dos tareas anteriores no tienen porqué ser a tiempo completo, esta tarea se realiza en paralelo con el soporte a la ingeniería de

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equipos y empieza un poco antes de terminar el estudio de ofertas. Se ha estimado una duración de 35 días para completar esta tarea.

• Petición/estudio ofertas instaladores. Esta tarea es equivalente a la petición y estudio de ofertas de equipos principales, salvo que en este caso se nos ofertan materiales y mano de obra necesarios para realizar la instalación. Como es lógico, antes de solicitar una oferta para la instalación es necesario haber terminado su ingeniería de la misma. Se presupone que 15 días serán suficientes para realizar esta tarea.

• Instalación. Esta tarea engloba todas las actividades que se realizan para instalar el sistema al completo. Para poder empezarla, requiere que todos los equipos hayan sido transportados y posicionados en la planta. Esta tarea dura un total de 19 días, y se compone de:

o Instalación mecánica (15 días) o Instalación de control (4 días), se realiza en paralelo con el final de

la mecánica, de tal forma que ambas terminen el mismo día. o Test hidrostático (1 día) o Pruebas de comunicación con el DCS (3 días).

• Puesta en marcha del sistema. Esta es la última tarea del proyecto. Consiste en, una vez finalizado el montaje de todo el sistema, arrancar los equipos y comprobar que todo funciona correctamente. Se estiman 4 días, previendo que se presentarán problemas inesperados.

El último grupo de tareas son aquellas relacionadas con la fabricación de los

equipos. Puesto que la mayoría de tareas son comunes, no discriminaremos en

función del equipo, dando una descripción general.

• Desarrollo de la ingeniería de detalle. Se diseñan las modificaciones y adaptaciones sobre el equipo estándar para ceñirse a las especificaciones del cliente.

• Acopio de materiales. Se demandan y compran los distintos elementos y partes que no son fabricados directamente por el mismo proveedor, sino que están subcontratados.

• Montaje. Este paso es el que podríamos considerar propiamente la fabricación del equipo pues es cuando se ensamblan sus distintos componentes.

• Tests (funcionales o hidrostáticos). En este paso se prueban los equipos para asegurar que cumplen con la calidad requerida. En el caso de los hidrostáticos, pueden ser realizados antes de terminar el montaje de todo el equipo.

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• Documentación de calidad. Consiste en el acopio de toda la documentación de calidad requerida para permitir la entrega de los equipos. Su larga duración no se debe a que sea una tarea muy compleja, sino a que se recopila documentación durante todo el proceso de fabricación.

• Aprobación de envío. Una vez disponemos de la documentación de calidad y de los resultados de las pruebas a las que se someten los equipos, damos el visto bueno al suministrador para que prepare el envío de los mismos.

• Empaquetado. Consiste en preparar los equipos adecuadamente para evitar daños durante su transporte.

• Transporte a campo. Consiste en desplazar los equipos desde el punto de fabricación hasta la planta final en la que se instalarán. Obviamente, el tiempo de esta tarea varía con cada equipo en función de dónde sea fabricado.

• Descarga y posicionamiento. Esta tarea consiste en descargar los equipos del transporte en que vengan (muchas veces el transportista no acomete esta tarea, por la necesidad de grúas de descarga y por temor a dañar los equipos en el proceso) y en situarlos en planta tal cual es requerido, de acorde al plano de implantación general mostrado en 0.

La planificación se muestra de forma gráfica en el Anexo 1.

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3.2 INSTALACIÓN MECÁNICA

La instalación mecánica comprende el diseño de las tuberías tanto para las líneas

de aire comprimido como para las destinadas a la conducción de los condensados

que se producen en los distintos equipos hasta el separador de condensados.

También se estudia la necesidad de accesorios mecánicos como válvulas,

drenajes, etc.

Dentro de las particularidades de este proyecto cabe destacar el uso de válvulas

reductoras justo antes de la descarga, para reducir la presión a 7 bar(g), así como

la presencia de redundancias en prácticamente todos los equipos de cara a evitar

parones en la producción por, por ejemplo, actividades de mantenimiento.

Las tuberías han sido dimensionadas para una presión de 16 bar(g) y una

temperatura de 60 ºC, condiciones ambas bastante superiores a las esperadas

durante la operación normal del sistema de producción de aire comprimido.

También se ha tenido en cuenta la caída de presión, habiendo sido dimensionada

la instalación al completo para una caída de presión máxima de 1,1 bar(g),

suponiendo filtros saturados y unas pérdidas del 10%.

Para ello se ha usado la típica ecuación de pérdida de carga:

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Con estas condiciones de diseño, y la distribución en planta anexa como disposión

de equipos, se ha calculado una lista de materiales que hacen falta, que se

muestran en la siguiente tabla (las válvulas reductoras se han excluido porque

serán compradas a parte debido a que cuentan con una especificación particular):

Ítem Quantity Spec Rating 150 mm threaded (BSP) tube

(just 1 edge) 3 DIN 1.4307 (stainless steel) DN40 PN12

150 mm threaded (BSP) tube (just 1 edge) 12 DIN 1.4307 (stainless steel) DN50 PN12



DN15 Flanges 40 DIN 1.4307 (stainless steel) DN25 PN16 WN RF DN25 Flanges 40 DIN 1.4307 (stainless steel) DN25 PN16 WN RF DN40 Flanges 8 DIN 1.4307 (stainless steel) DN40 PN16 WN RF DN50 Flanges 10 DIN 1.4307 (stainless steel) DN50 PN16 WN RF DN80 Flanges 38 DIN 1.4307 (stainless steel) DN80 PN16 WN RF

DN15 Ball Valves flanged 4 DIN 1.4307 (stainless steel) DN15PN16 DN25 Ball Valves flanged 13 DIN 1.4307 (stainless steel) DN25PN16 DN40 Ball Valves flanged 3 DIN 1.4307 (stainless steel) DN40 PN16 DN80 Ball Valves flanged 18 DIN 1.4307 (stainless steel) DN80 PN16

elbow DN40 90º 6 DIN 1.4307 (stainless steel) DN40 PN16 Reducer DN15 x DN25 4 DIN 1.4307 (stainless steel) PN16 Reducer DN25 x DN80 1 DIN 1.4307 (stainless steel) PN16 Reducer DN40 x DN80 3 DIN 1.4307 (stainless steel) PN16 Reducer DN50 x DN80 12 DIN 1.4307 (stainless steel) PN16

Elbow DN80 90º 36 DIN 1.4307 (stainless steel) DN80 PN16 Elbow DN25 90º 13 DIN 1.4307 (stainless steel) DN25 PN16 Elbow DN15 90º 5 DIN 1.4307 (stainless steel) DN15 PN16

TE DN80 15 DIN 1.4307 (stainless steel) DN80 PN16 TE DN25 8 DIN 1.4307 (stainless steel) DN25 PN16

Piping DN15 7 m DIN 1.4307 (stainless steel) DN15 PN12 Piping DN25 14 m DIN 1.4307 (stainless steel) DN25 PN12 Piping DN40 3 m DIN 1.4307 (stainless steel) DN40 PN12 Piping DN80 45 m DIN 1.4307 (stainless steel) DN80 PN12

Tabla 8. Lista de materiales para instalación mecánica

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Además, hay que diseñar las tuberías de recolección de condensados. Esta tubería

basta con que sea de 1”, pues no se espera mucho flujo, y conecta los

compresores, filtros y depósitos de aire con el separador de condensados.

Es necesario que tenga una inclinación del 1%, y su disposición en planta se hará

conforme al anexo “Red de condensados”.

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3.3 INSTALACIÓN ELÉCTRICA Y DE CONTROL

En esta sección se discuten tanto la instalación eléctrica como la de control, si

bien es cierto que debido a la naturaleza del alcance del proyecto, la segunda es

notablemente más compleja y requiere mucho más diseño que la instalación

eléctrica.

3.3.1 INSTALACIÓN ELÉCTRICA

Debido al alcance del proyecto solicitado por el cliente, realmente no se requiere

ningún tipo de diseño para la instalación eléctrica, pues es el propio cliente el

encargado de alimentar todos los equipos que lo requieran, dimensionando los

cables necesarios para ello de acuerdo a la normativa local.

Sin embargo si debemos facilitarle una lista con las principales cargas que deberá

alimentar, de cara a que pueda hacer dicho diseño. Se incluye a continuación una

tabla con la lista de cargas eléctricas.

Cant Equipo P (kW) F. de P. Alimentación I (A)

3

Compresor

Modulo compresión

Ventilador refrig.

Resistencias caldeo

57.07

54.7

0.875

1.5

0.9

400/3/50

91.5

2 Secador de refrigeración 0.26 0.76 230/1/50 1.48

1 Panel de control 1 0.95 230/1/50 4.57

3 Drenajes eléctricos 0.01 0.95 230/1/50 0.046

Tabla 9. Listado de cargas eléctricas

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3.3.2 INSTALACIÓN DE CONTROL

El objetivo de la instalación de control es permitir un funcionamiento

automatizado del sistema, a la vez que se permite al propietario del mismo

controlarlo y recibir aviso en caso de que algo no funcione según el

comportamiento esperado.

Esta subsección es principalmente descriptiva del sistema de control y

automatización que se va a implementar, y pretende conseguir explicar de manera

clara el funcionamiento del sistema, sin entrar en demasiado detalle por no perder

claridad (por ejemplo, entrar a explicar en profundidad el funcionamiento de los

distintos protocolos de comunicación sería mucho más engorroso que útil, y no

entra dentro de los objetivos del presente proyecto).

La presente subsección se dividirá a su vez en tres apartados, con el objetivo de

facilitar su lectura y comprensión. El primero será una introducción al sistema

completo de control, para como primer esbozo de su funcionamiento. Después, se

explicará cómo funcionan las comunicaciones con el cliente, dejando para el

último apartado la explicación de la automatización del sistema.

Introducción general al sistema de control

El sistema de control gira en torno al cuadro de control. Este cuadro centraliza las

comunicaciones de todo el sistema, otorgando al cliente un único punto de

conexión centralizado para todas las comunicaciones. En el cuadro destaca el

controlador de los compresores, modelo X8i, que gestiona tanto las señales como

la automatización de los compresores.

Como excepción nos encontramos las señales del sistema que en lugar de ir

comunicadas al sistema (via señal Modbus), van cableadas directamente del

elemento que las produce al DCS. Esto se hace así por ser consideradas señales de

mayor importancia, para evitar perder su señal por fallo en los sistemas

intermedios de comunicación.

El funcionamiento general es bastante sencillo: los compresores comprimen según

ordene X8i (que recibe como referencia la presión a la descarga de los

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compresores mediante el transmisor de presión 1PFC13CP001). El aire se separa

en las dos líneas principales: la de instrumentos y la de servicios. Los filtros

tienen transmisores de presión diferencial para detectar cuando es necesario

cambiarlos. En la línea de servicios hay una válvula pilotada (1PFC16AA301),

que se cierra cuando la presión en el aire de instrumentos cae por debajo de cierto

valor de consigna. A la descarga de la línea de instrumentos tenemos un

transmisor de presión (1PFC29CP001), que transmite la presión en ese punto

tanto al DCS como a la válvula antes mencionada. Aunque ya se indicó en la

sección anterior, cabe destacar la presencia de válvulas reductoras de presión a la

salida de ambas líneas.

Descripción de las comunicaciones

En las comunicaciones cabe la diferenciación según el método de transmisión

empleado: comunicación o cableado. La transmisión directa por cable es bastante

más segura, aunque también es más cara.

Se presenta a continuación un listado con las señales cableadas comprendidas en

este proyecto:

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Dispositivo Descripción señal Tipo I/O

3x Compresor Funcionando Binaria DI

3x Compresor Alarma general Binaria DI

2x Secador Ads. Punto de rocío 4-20 mA AI

2x Secador Ads. Alarma general Binaria DI

2x Secador Ref. Funcionando Binaria DI

2x Secador Ref. Alarma general Binaria DI

6x Transmisor presión

diferencial

Caida de presión en los

filtros

4-20

mA+HART AI

1x Transmisor de presion Presión de descarga 4-20

mA+HART AI

1x Interruptor de válvula Estado de la válvula Binaria DI

Tabla 10. Señales cableadas

De los secadores y compresores se cablean señales referentes a su funcionamiento

y alarmas. La caída de presión en los filtros es necesaria para conocer cuándo se

empiezan a saturar, siendo recomendable un recambio del elemento filtrante

(recomendado para una caída de presión superior a 0.4 bar). La presión de

descarga, como se ha explicado tiene un doble fin: cablearla al DCS del

propietario y a la válvula del aire de servicios, para cerrarla en caso de que la

presión esté cayendo mucho en la línea de aire de instrumentos.

Las señales comunicadas son algo más complejas. El cliente únicamente está

interesado en señales de los compresores, pues las que quería recibir del resto del

sistema se le envían ya cableadas.

El fabricante de los compresores usa un protocolo propietario diseñado

específicamente para sistemas de aire comprimido. Los compresores están

conectados en serie entre ellos y al controlador X8i. El controlador aglutina todas

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las señales, y tiene una pantalla táctil y una interfaz para controlarlas. De su

funcionamiento como automatizador de los compresores hablaremos más

adelante. Del controlador las señales pasan a una pasarela que las recibe, y las

transmite a usando el Modbus TCP/IP, de tal forma que el propietario de la planta

pueda tener acceso a las dichas señales y monitorizarlas en remoto en su propio

DCS.

Las señales comunicadas se reflejan en la siguiente tabla:

DESC Point Description Function Field Bit Number

REMOTE Host/local 03 READ HOLDING REGISTERS 0

Load/unload 03 READ HOLDING REGISTERS 2

Load/unload 06 WRITE SINGLE REGISTER 2

Modulating 03 READ HOLDING REGISTERS 3

Sump pressure 03 READ HOLDING REGISTERS 4

FEEDBACK OFF Stopped in Auto Restart

03 READ HOLDING REGISTERS 5

FAULT Warning 03 READ HOLDING REGISTERS 7

On/off line mode 03 READ HOLDING REGISTERS 8

ANALOGUE VALUE Discharge pressure 03 READ HOLDING

REGISTERS ANALOGUE

VALUE Airend temperature 03 READ HOLDING REGISTERS

ANALOGUE VALUE Total hours 03 READ HOLDING

REGISTERS ANALOGUE

VALUE Offline pressure 03 READ HOLDING REGISTERS

ANALOGUE VALUE Offline pressure 06 WRITE SINGLE REGISTER

ANALOGUE VALUE Online pressure 03 READ HOLDING

REGISTERS ANALOGUE

VALUE Online pressure 06 WRITE SINGLE REGISTER

FAULT Warning code 03 READ HOLDING REGISTERS

FAULT Alarm code history 03 READ HOLDING REGISTERS

Tabla 11. Lista de señales comunicadas

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Regulación del sistema de aire comprimido

En este caso al ser un sistema compuesto sólo por compresores de velocidad

variable la regulación es sencilla. El controlador X8i está preparado para realizar

esta función de regulación automática en distintos modos, siendo el de igualdad

de horas de operación de los compresores el que se ha elegido para este proyecto.

El beneficio de este criterio es que no se sobrecarga ningún compresor en

particular, repartiendo el desgaste entre ellos por igual. Además, eso permite que

se realiza el mantenimiento de los compresores simultáneamente, pues las

actividades de mantenimiento preventivo están planificadas en función de las

horas de funcionamiento de la máquina.

Al haber tres compresores, sólo dos de ellos estarán trabajando cuando el sistema

esté a plena carga, quedando el tercero como respaldo.

El X8i establece uno de los compresores en funcionamiento como maestro,

mientras que el otro es el esclavo. El maestro tiene una banda de presiones mayor

que el esclavo, por lo que en caso de que la demanda bajase, sería el esclavo el

que parase.

El estar comprimiendo a 10 bar(g) pero reduciendo la presión a 7 bar(g) antes de

la descarga nos permite establecer unas bandas de presión muy altas, lo que baja

el número de reencendidos. La propuesta que se hace de bandas de presión es:

• Maestro: de 8,1 a 10,5 bar(g) • Esclavo de 7,8 a 10,2 bar(g)

De este modo, en caso de que la demanda de aire sea menor que la producción, la

presión a la descarga de los depósitos comenzaría a subir. Alcanzado el valor de

10,2 barg el compresor esclavo se pararía, quedando en funcionamiento sólo l

maestro. Si la demanda es mayor que su producción, la presión comenzaría a

decaer, hasta alcanzar los 7,8 barg en los que el segundo compresorarrancaría. Si

la demanda fuera menor que la generación del compresor maestro, la presión

continuaría subiendo hasta que se alcanzase una presión de 8,5 barg, momento en

el que este compresor también pararía. Si hay demanda, la presión caería hasta

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que al llegar a los 8,1 bar(g) volvería a arrancar el compresor maestro. Si este no

es capaz de satisfacer la demanda, el esclavo arrancaría también.

Por último, hay una válvula pilotada eléctricamente en la línea de aire de

instrumentos, de manera que si la presión en la línea de aire de servicios cae por

debajo de un valor (hay un alto consumo en esa línea) se cierra el consumo de los

instrumentos, de menor importancia que el de instrumentos.

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3.4 IMPLANTACIÓN

Una vez detalladas las instalaciones eléctrica (cables, señales a comunicar y

cablear, instrumentación necesaria, etc.) y mecánica (tuberías, válvulas, sistema

de drenaje), debemos decidir cómo se implementará el sistema en planta.

Para dejar este aspecto bien definido, elaboramos varios documentos: el diagrama

de instrumentación y tuberías (Piping and instrumentation Diagram), el plano de

implantación (general Layout of the system) o el detalle de situación de los

apoyos, para que sean tenidos en cuenta por el cliente a la hora de proyectar la

cimentación del cuarto de compresores, si bien es cierto que su poco peso (900 kg

los compresores), hacen innecesario cualquier tipo de cimentación especial.

En esta sección se incluye también el diseño de las placas que acompañarán a los

elementos de la instalación.

3.4.1 P&ID

El P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) de la instalación consiste en un

esquema simplificado de las conexiones a realizar entre los diferentes equipos, de

tal forma que se pueda comprender el funcionamiento completo del sistema de un

vistazo.

Para realizar este documento se deben tener en cuenta los by-pass a los distintos

equipos (que facilitan tareas de mantenimiento, sustitución o reparación de los

mismos), las válvulas de seguridad a situar (generalmente en los equipos de

almacenamiento de aire comprimido, para evitar que la presión suba por encima

de la que pueden aguantar estos equipos), las redundancias de líneas con el

equipamiento de reserva, la instrumentación que se usa, la localización de las

válvulas necesarias para la prueba hidrostática de la instalación y, en general,

cualquier elemento representativo para el funcionamiento del sistema. Aúna por

tanto muchas de las conclusiones extraídas de las dos secciones anteriores: la

instalación mecánica y la instalación eléctrica.

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En el mismo se marcan equipos, instrumentación, válvulas y tuberías con el

correspondiente código KKS para facilitar su identificación por parte de las

personas que operarán la planta. Este código sirve, así mismo, para facilitar las

referencias a los elementos así identificados en toda la documentación del

proyecto.

El diagrama de instrumentación y tuberías del proyecto se incluye en los anexos.

3.4.2 GENERAL LAYOUT

El Plano general de implantación, al igual que el P&ID, representa el conjunto del

sistema de aire comprimido. La diferencia es que, en lugar de hacerlo de forma

esquemática facilitando la lectura de los distintos procesos que sigue el sistema

para proporcionar el aire comprimido de la calidad deseada, es una representación

real de la situación de los equipos en planta.

Para diseñar la implantación física hay que tener en cuenta toda una serie de

factores que afectarán al diseño de la misma. Estos factores son:

• Características físicas de los equipos: dimensiones, situación de las entradas y salidas de aire, posicionamiento de los apoyos…

• Espacio en el que se situarán. El cliente nos aporta un plano detallado y acotado de la sala destinada a los compresores.

• Otras condiciones del cliente. Esto incluye dejar ciertos espacios despejados (a la entrada de la sala para permitir descargas y un pasillo que atraviese la sala) y los puntos de descarga del aire comprimido (desde donde ellos se conectarán para distribuir el aire comprimido por toda la planta).

• Otras condiciones de los equipos. Son otras características de los equipos que nos imponen condiciones en el diseño de la implantación. Ejemplos de estas características son el espacio libre necesario para mantenimiento y manejo de los equipos por parte del personal, los puntos de entrada y salida de aire y de condensados, etc.

En los anexos encontramos el plano de implantación generalcon detalle de la situación de los apoyos.

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3.4.3 PLACAS DE IDENTIFICACIÓN

Además de las típicas placas de características que el fabricante sitúa en sus

equipos con los datos técnicos que considera oportuno, el cliente exige que se

sitúe en cada equipo una placa de identificación. Estas placas incluyen,

principalmente, el código KKS que corresponde al equipo y una breve descripción

del mismo.

Para ello aporta una especificación independiente en la que se aclara cómo

deberán ser estas placas de identificación. Extrayendo las condiciones básicas de

diseño de dichas placas, podemos destacar:

• El material de fabricación: deberá ser de acero inoxidable, con la superficie pulida.

• El texto estará grabado y pintado en negro. • La fuente a usar para el texto es Arial. • Cada placa tendrá dos o cuatro agujeros, en función del tamaño de la

misma, para su fijación a los equipos. • Se establecen unas dimensiones determinadas de placa en función del

equipo al que identifiquen.

Conforme a esta especificación se han diseñado las placas que se situarán en cada

equipo. Este diseño se encuentra entre los anexos.

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3.5 SELECCIÓN INSTALADORES

Puesto que debemos el proyecto incluye el montaje en campo del sistema al

completo, debemos elegir a quién nos haga la instalación, aunque el interés de

esta selección para este proyecto (que no ha alcanzado la fase de ejecución) sea

únicamente de cara a contabilizar la partida correspondiente en el presupuesto.

En lo tocante al método de selección es bastante similar al empleado en la

selección de equipos. Buscamos posibles instaladores que reúnan ciertos

requisitos. Les pedimos que oferten la instalación y elegimos basándonos en el

precio de la oferta como principal referente, pero teniendo en cuenta otros factores

que puedan declinar la elección entre ofertas de importes parecidos, si bien es

cierto que en este caso el coste económico es más determinante, puesto que no se

requieren tareas demasiado especiales y con que desarrolle correctamente la

instalación es suficiente, pues no se preveen tareas de mantenimiento que

requieran ser hechas por el mismo instalador.

En cuanto a los requisitos que debe cumplir no son demasiado restrictivos.

Además de tener la capacidad de cumplir con nuestra demanda de instalación,

incluyendo el suministro de materiales necesarios (cumpliendo con sus

requerimientos), el principal requerimiento es que este certificado con el OSHAS

18001, referente a seguridad y salud.

En cuanto a la petición de oferta, de le facilitan al candidato a instalador cualquier

información que necesite para establecer el presupuesto. Esto incluye:

• Magnitudes básicas de funcionamiento: presión, temperatura esperable, caudal.

• Los planos de dimensiones de los equipos principales (compresores, secadores, filtros, depósitos y separador de condensados).

• Los documentos de implantación elaborados: Implantación en planta, P&ID, posición de puntos de apoyo de los equipos, isométrico de los conductos de drenajes.

• Lista de cables, que en este caso al no tener que hacer conexionado eléctrico se reduce a los cables de comunicaciones.

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• Lista de materiales necesarios (el instalador se encargará de su compra y, por tanto, debe incluirlos en su oferta).

• Alcance que se espera que cumpla el instalador. Este alcance debe ser discutido y detallado durante la fase de oferta, pues el instalador debe aclarar todo aquello que necesita ser incluido para el correcto desarrollo de su alcance. Los detalles que aporta cada instalador pueden ser transmitidos a otro, en caso de que no los estuviera contemplando en su oferta.

A continuación se profundiza en el alcance que le corresponde al instalador, ya

que el resto de puntos arriba indicados ya han sido desarrollados en secciones

anteriores de este mismo capítulo. Posteriormente esta sección finaliza con la

valoración de las distintas ofertas recibidas.

3.5.1 ALCANCE DEL INSTALADOR

Aunque el alcance final del instalador puede ser discutido previamente a la

instalación, conviene tener claro que alcance se les propone para la realización de

la oferta.

El alcance lo limitamos desde dos puntos de vista: el alcance físico, estableciendo

los límites de la instalación en los que trabajará, y el alcance en tareas,

describiendo en detalle las tareas que debe acometer.

Límites físicos del alcance del suministrador:

• Entrega de los materiales incluidos en la lista de materiales de la instalación mecánica

• El montaje se realizará hasta las conexiones de descarga del sistema, con bridas DN 25 (para el aire de instrumentos) y DN 80 (para el aire de servicios)

• Fijaciones y apoyos para la tubilería • Las tuberías estarán galvanizadas • Entrega de los cables, bandejas y otras partes eléctricas requeridas • Montaje de las instalaciones eléctrica y mecánica dentro del sistema de

producción de aire comprimido.

Las tareas que debe incluir en su oferta son:

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• Descarga y posicionamiento de los equipos. Incluyendo el aporte de todas las herramientas necesarias para acometer esa tarea, como pueden ser grúas eléctricas, un grupo generador para herramientas eléctricas y de soldadura, etc.

• Tareas de montaje: incluyendo las instalaciones eléctrica y mecánica, instalación de las placas de identificación.

• Tareas para la aceptación de la instalación, que incluirán como mínimo una prueba hidrostática, un test funcional, un examen de rayos X al menos al 10% de las soldaduras y los protocolos requeridos por la autoridad germana para aceptar la instalación.

La oferta deberá incluir un precio cerrado que incluya todo lo anterior, así como

los costes de mano de obra y desplazamientos si los hubiera.

3.5.2 EVALUACIÓN DE INSTALADORES

Tras realizar la petición de oferta a varios posibles instaladores que cumplen con

el requisito de estar certificados con el OSHAS 18001, los comparamos con el

precio de la oferta como su característica más determinante.

Instalador Precio Tiempo (días)

Instalador 1 55.700 16




Tabla 12. Comparación de instaladores

Con los datos representados en la anterior tabla, se opta por el instalador 3. Cuenta

con el inconveniente de tardar más tiempo en realizar la instalación (dedica menos

Memoria

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mano de obra), pero el precio es significativamente menor. Además, en este

proyecto el tiempo no es un factor determinante, por lo que los 9 días extra sobre

otros suministradores son admisibles.

Como comentario, el instalador 4 que se ha desmarcado con un precio muy

elevado, se explica por el hecho de que es un instalador que está ya en la planta de

ciclo combinado realizando otros trabajos para el cliente, por lo que considera que

eso le permite aumentar precios.

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3.6 PUESTA EN MARCHA

En esta sección se pretende analizar y planificar la puesta en marcha del sistema

de aire comprimido, como continuación lógica a las secciones anteriores que

englobaban el diseño del sistema y las actividades y documentación necesarias

para la instalación del mismo.

Es remarcable la importancia que cobra esta actividad de puesta en marcha en los

proyectos de ingeniería habitualmente, pero con más peso si cabe en los que son

de tipo llave en mano. Esta importancia le viene dada por ser habitual que una

puesta en marcha exitosa (que precede inmediatamente a la entrega de la

instalación y su aceptación por el cliente) marque un hito en la planificación de

pagos del proyecto, siendo generalmente el último hito y cerrando, al menos

económicamente, el proyecto.

Previamente a la descripción de actividades que se realizará durante la puesta en

marcha y su planificación temporal cabe destacar que la puesta en marcha de los

equipos propiamente dicha (su primer arranque estando la instalación

completada), es el elemento más sencillo de toda la puesta en marcha.

Principalmente consiste en comprobar que, además de arrancar, todo funciona

correctamente, por lo que la mayoría de tareas son comprobaciones, siendo las

comunicaciones una de las áreas que más quebraderos de cabeza supone durante

la puesta en marcha.

Como es habitual tratándose de tareas de comprobación, surgirán durante las

mismas varios imprevistos que requerirán de tiempo extra para ser solventados. Es

por ello que la planificación se hace de manera generosa, otorgando menos tareas

a cada día de las que, en caso de funcionar todo al primer intento, podrían llevarse

a cabo.

Esta es la planificación de tareas que se han previsto para realizar la puesta en

marcha.

Memoria

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Day 1: Inspecion and Visual Check of the Equipment Inspect all equipment positioning. Inspect ambient condition Inspect piping layout/connections Inspect drain valve location Inspect isolation valve location Inspect Electrical Supply Inspect Cables Check overload breaker size Check visual checking of all equipment & accessories (internal & external) Check coolant level Remove shipping bolts Check internal wiring tightness Check desiccant level for dryer Complete all pre-commission checks Install pressure transducer

Day 2: Compressors Start-up Compressors Start Up Hook up power supply, Check motor insulation turn on power supply to compressor 1 check for power imbalance check motor rotation start compressor observe sump pressure check inlet valve /blowdown valve/load solenoid during load/unload condition build up pressure in receiver to 8 bar turn off compressor 1. Hook up power supply, Check motor insulation turn on power supply to compressor 1 check for power imbalance check motor rotation start compressor observe sump pressure check inlet valve /blowdown valve/load solenoid during load/unload condition build up pressure in receiver to 8 bar turn off compressor 1.

Day 3 : X8i start-up Hook up power supply to desiccant dyer turn on power

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leave power on for 30 minutes turn on compressor 1 & 2 let the hot air pass thru dryer observe switching between towers Begin hooking up X8i to the compressors replace eproms start programming of X8i commission X8i with actual pressure setting required at the plant

Day 4: Communications Run the compressors with X8i check all functionalities based on pressure settings by manually throttling the discharge valve Run the system for at least 4 hrs before hooking up with the DB for DCS Turn off compressors Complete hooking up of X8i to DCS commission the complete system Run the system and monitor from DCS manually create alarm conditions check if they are properly reflected in the DCS Complete paperwork for commissioning.

Tabla 13. Plan de actividades para la puesta en marcha.

Memoria

60



3.7 PLAN DE MANTENIMIENTO

El último paso para el diseño completo de cualquier instalación en general, y del

sistema de aire comprimido que estamos tratando en particular, va más allá de su

puesta en marcha.

Y es que las necesidades del propietario del sistema no acaban en tener el sistema

de aire comprimido en funcionamiento con la instalación ya completada, sino que

necesita, como es lógico, operarlo. Y para ello necesita los manuales de operación

de los equipos (que aporta el suministrador de los mismos en el momento de la

entrega), que se imparta formación a sus operarios de cara a capacitarlos para

hacer funcionar el sistema de aire comprimido (la formación es habitual que la

ofrezcan también los suministradores, y suele consistir en una presentación que

resume y expone de forma clara los manuales de operación, mantenimiento y

explica el funcionamiento de las comunicaciones) y desarrollar el mantenimiento

del sistema al completo.

En este último punto se incluyen los manuales de mantenimiento de los equipos

(que, al igual que los de operación, los suministra el fabricante de los mismos) y

las tareas necesarias para llevar a cabo el mantenimiento preventivo de las

máquinas, de forma que se consigan minimizar averías indeseadas, con las

paradas en la producción que conllevan.

Puesto que tanto manuales como formación son provistos por el fabricante, una

vez el proyecto se ha realizado efectivamente, en esta fase del proyecto lo que se

puede realizar es la planificación del mantenimiento preventivo, incluyendo la

descripción de las tareas necesarias para hacerlo y la previsión de frecuencia que

requerirán dichas tareas.

De los equipos principales, los requieren mantenimiento regular son los

compresores, secadores y filtros.

Los trabajos a realizar son:

Memoria

61



• Compresores: Requieren de un mantenimiento anual, en el que se revisan los niveles de aceite, el estado de los filtros (se cambia anualmente), y el correcto funcionamiento del compresor para detectar fallos. El elemento más crítico es el módulo de compresión, aunque debido a que las condiciones no son muy malas (ambiente salino por ejemplo), se estima que con una sustitución en los 25 años de ida útil del compresor será suficiente.

• Secadores de adsorción: Cambio de la alúmina cuando sea necesario. El propio secador dispone de una alarma para ello. Se estima que, para la carga de la planta, se realizará un recambio de alúmina cada siete años, lo que supone un total de tres recargas de material desecante

• Secadores de refrigeración: el mantenimiento periódico consiste en una revisión anual en la que se comprueba que el circuito refrigerante no haya pérdidas, y el nivel de refrigerante.

• Filtros: a medida que se usan se va saturando el material filtrante, por lo que es necesario cambiarlo con frecuencia. El filtro tiene por defecto un aviso para una caída de presión superior a 0,4 bares (la caída de presión es indicativo directo de la saturación del elemento), momento en el que se requiere el cambio. La frecuencia depende mucho de la suciedad del aire en la planta, pero se estima un cambio cada 4.000 horas de operación.

Memoria

62



Memoria

63



Capítulo 4 IMPACTO AMBIENTAL

Dado la pujante importancia que está cobrando la sostenibilidad en una sociedad

que sobrepasa claramente la capacidad terrestre, se ha considerado interesante

estudiar el impacto que la operación del sistema de aire comprimido proyectado

pueda tener sobre el medio ambiente. Aunque su impacto medioambiental sea

leve, también se estudiarán aspectos como las vibraciones o el ruido, pues afectan

al ambiente laboral y, por ende, a todos aquellos empleados que operan en la

planta.

En ese sentido, los principales efectos a tener en cuenta son: emisiones

provocadas, ruido y calor generado, vibraciones producidas, o desechos

producidos. En la única sección del capítulo se hace una introducción a cada uno

de los posibles impactos ambientales, valorando la necesidad de hacer un estudio

más profundo de ellos, y realizándolo en caso de ser necesario.

4.1 INTRODUCCIÓN

La operación del sistema de aire comprimido diseñado, conlleva de manera

implícita un impacto sobre el medio. Aunque socialmente se está muy

concienciado sobre la vertiente medioambiental de este impacto, no se tiene la

misma percepción sobre el otro tipo de impacto principal: el impacto en el medio

laboral.

En esta sección se procede a evaluar cualquier impacto producido por el sistema

de aire comprimido, ya sea de carácter laboral o medioambiental, valorando la

importancia y gravedad de este impacto, de cara a desarrollar o no un estudio más

profundo del mismo.

Memoria

64



Aunque se pueden hacer este tipo de estudios con distintos niveles de detalle y

profundidad (un ejemplo de estudios muy completos son los llamados Life cycle

assesment, que estudian el impacto de un producto durante toda su vida útil:

fabricación, transporte, operación y reciclaje o desmantelamiento), en este caso se

ha decidido centrarlo en los impactos por operación del sistema, pues son aquellos

que provocamos de una manera más directa y sobre los que tenemos algún tipo de

poder de actuación

Como primera aproximación, consideramos los siguientes impactos:

• En el ambiente laboral: o Ruido. o Vibraciones. o Aumento de la temperatura.

• Medioambientales: o Emisiones producidas por el consumo eléctrico derivado de la

operación del sistema de aire comprimido. o Producción de aceites y otros condensados.

Empezando por los impactos en el ambiente laboral, observamos que no tienen

gran importancia.

El ruido estaba especificado por encima de 80 dB a 1 m de distancia, y se han

hecho las modificaciones necesarias para cumplir con esta exigencia. Este nivel se

considera admisible para un entorno productivo. Además hay que tener en cuenta

que los equipos se encuentran en una sala dedicada exclusivamente a la

producción de aire comprimido, y que ésta se realiza de forma autónoma, sin

necesidad de operarios trabajando en ella (salvo por mantenimiento o

reparaciones). Por tanto, no se espera que haya presencia constante de

trabajadores, pudiendo despreciar el ruido producido.

Las vibraciones se producen únicamente en los compresores, que son los equipos

que tienen partes móviles importantes. En este caso, nos encontramos con las

siguientes vibraciones, medidas en la carcasa del compresor:

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Vibraciones (mm/s) En carga En vacío

Vertical 3,9 2,5

Horizontal 1,8 5,2

Axial 2,1 2,0

Tabla 14. Vibraciones en los compresores

Estos valores no son significativos desde el punto de vista del impacto en el

ambiente laboral (el máximo valor admitido en la industria es de 7,1 mm/s, y ese

límite responde a fiabilidad de la máquina más que a seguridad laboral). Además

al no ser máquinas muy grandes estas vibraciones no implican que se deba hacer

un estudio específico de cimentación para los compresores.

El último efecto de impacto en el ambiente de trabajo que tendremos en cuenta es

el del aumento de temperatura producido por el calor disipado por los

compresores, que están refrigerados por aire. En este sentido, el tamaño de la sala

hace que el incremento global de la temperatura no sea demasiado alto, a mínimo

que se incluya una ventilación razonable. Cabe mencionar en este punto, que ese

calor disipado puede ser aprovechado de tal forma que no se vea como un

desperdicio, en lo que se ha dado en llamar poligeneración. En ese sentido se

podrían contemplar dos usos distintos para ese calor proviniente de la

refrigeración de los compresores: la climatización de algún edificio en el que sí se

trabaje (dando el calor en invierno, con una máquina de refrigeración por

absorción en verano) o para el ciclo de regeneración del secador de adsorción, si

se sustituye este por uno diseñado para trabajar con ese calor.

En cuanto a los impactos medioambientales, encontramos de tres tipos

provocados por la operación del sistema de aire comprimido.

Por un lado están los condensados que se recogen de los distintos equipos

(compresores, filtros y depósitos). Estos deben ser tratados y separados, pues

tienen un elevado contenido en aceites contaminantes. Es por ello que el proyecto

contempla la inclusión de una red de drenajes que conduce los condensados a un

separador, que extrae estos agentes contaminantes del agua, almacenándolos para

Memoria

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facilitar su posterior reciclaje o tratado. Se estima que la producción anual de

condensador en las condiciones de operación de la planta (dos compresores

trabajando simultáneamente durante 4.000 horas al año) se sitúan en torno a los 5

litros. Debido a que ya está instalado el separador, y que la producción de

condensados no es excesiva, no se considera que este impacto sea demasiado

relevante. Si se recomienda vigilar el nivel del depósito de condensados del

separador, para llevarlos a un centro especializado en tratamiento de estos

residuos con la frecuencia necesaria.

El segundo impacto medioambiental producido por la operación son los

deshechos que se producen durante el mantenimiento. Esto incluye los recambios

de los filtros (se estiman un total de 70 cambios de elementos filtrantes durante los

25 años de vida útil de los equipos), la alúmina (se desecharan un total de 200 kg

en el mismo período) o el módulo de compresión, que puede ser necesario

cambiarlo una vez (por compresor). En este caso todos son materiales metálicos,

cuyo reciclaje no es demasiado complicado (por ejemplo, fundiéndolos para

darles un nuevo uso).

Por ultimo nos encontramos con el impacto que más atención recibe por parte de

la sociedad: los impactos derivados de la producción de la energía eléctrica

consumida.

El consumo total anual de la instalación es de 461,72 MWh (conforme a la lista de

cargas en la Tabla 9, contabilizando el funcionamiento simultáneo de dos

compresores durante 4.000 horas al año). Este consumo en unidades del sistema

internacional (J) es:

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carácter anual y actual: no es el objeto de este proyecto prever la evolución del

mix energético alemán durante la vida útil del sistema de aire comprimido).

Impact category Unit Total Abiotic depletion kg Sb eq 2.480,17 Acidification kg SO2 eq 425,91 Eutrophication kg PO4--- eq 1.348,34 Global warming (GWP100) kg CO2 eq 337.345,86 Ozone layer depletion (ODP) kg CFC-11 eq 0,01265 Human toxicity kg 1,4-DB eq 139.050,36 Fresh water aquatic ecotox. kg 1,4-DB eq 208.741,72 Marine aquatic ecotoxicity kg 1,4-DB eq 436.652.293 Terrestrial ecotoxicity kg 1,4-DB eq 421,45 Photochemical oxidation kg C2H4 eq 20,21

Tabla 15. Impactos ambientales anuales

De cara a fijar una referencia que sirva como base para una comparación entre

distintos estudios de este tipo,

Memoria

68



Memoria

69



Capítulo 5 MEJORAS PROPUESTAS

En este capítulo pretende estudiar ciertas modificaciones al proyecto que podrían

representar una menor inversión y un menor impacto medioambiental. La sección

5.1 introduce el capítulo, mientras en las subsiguientes se presentan cada una de

las mejoras propuestas.

5.1 INTRODUCCIÓN

Aunque el proyecto de la instalación de aire comprimido ya se haya dado por

cerrado, durante la realización del mismo se han observado distintas

oportunidades de mejorar el proyecto realizado, tanto en inversión (contando no

sólo la inversión inicial sino también los costes derivados durante el período

previsto de explotación) como en impacto ambiental.

Estas alternativas no fueron introducidas al proyecto por ir contra las

especificaciones aportadas por el cliente. Sin embargo, se ha decidido explotar

estas potenciales mejoras, analizando cómo podrían mejorar efectivamente el

proyecto. El objetivo de este estudio es presentárselo al cliente con el objetivo de

tratar de convencerle de los beneficios derivados de la implantación de estas

alternativas.

Las tres alternativas estudiadas, presentadas en las siguientes secciones, consisten

en el uso de un compresor de velocidad variable, la regeneración de las torres del

secador de adsorción con aporte de calor y la generación de aire comprimido a

menor presión. Han sido analizadas independientemente, pero su análisis conjunto

podría arrojar otros resultados.

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70



5.2 COMPRESOR DE VELOCIDAD VARIABLE

Uno de los momentos en que más consume el compresor es durante el arranque.

En el caso de una demanda inestable, un compresor de velocidad fija requiere de

muchas paradas y arranques para seguir la demanda (aunque el uso de depósitos

amortigüe esas variaciones en la demanda), puesto que o está operativo al 100%

de carga nominal, o no trabaja; no puede regular la carga.

Por el contrario, los compresores de velocidad variable (independientemente del

método que usen para regular la velocidad, como puede ser la variación de

frecuencia) permiten regular el nivel de carga al que se trabaja. Esto permite

ahorrar energía no sólo por evitar las paradas y puestas en marcha con sus picos

de consumo, sino también porque cuando el compresor trabaja a una carga

inferior al 100%, su consumo también se ve reducido.

La presente propuesta comprende la sustitución de uno de los tres compresores de

velocidad fija por uno de velocidad variable. El hecho de sustituir un único

compresor se explica por el hecho de que con eso ya se consigue una buena

regulación, y se limita el impacto en la inversión inicial que tendría la instalación

de tres compresores de velocidad variable.

La compresión se regularía de la siguiente manera: Con una carga constante del

100%, trabajarían los dos compresores de velocidad fija. En el caso de que la

presión subiese sensiblemente (pequeñas subidas son pequeñas caídas de

demanda, y si no se revierten la presión seguirá subiendo hasta la consigna) por

encima de la presión de consigna (lo que indica una caída en la demanda) el de

velocidad variable entraría en sustitución de uno de velocidad fija. En el caso de

una demanda en torno al 50% de la capacidad total estaría en funcionamiento un

único compresor de velocidad fija. Para demandas entre el 25 y el 50% de la

capacidad trabajaría el compresor de velocidad variable. En demandas inferiores

no trabajaría ningún compresor (la regulación del compresor de velocidad variable

tiene un límite inferior), manteniendo este estado hasta que la presión cayese por

debajo de cierto umbral preestablecido.

Memoria

71



5.2.1 ANÁLISIS DE LA MEJORA

El análisis de la mejora se realiza desde un punto de vista tanto económico como

de impacto medioambiental (ya hemos visto en el capítulo de impacto ambiental

que el proyecto apenas tiene impacto en el ambiente laboral). Para ello, nos

centramos en la comparación de un compresor de velocidad variable con uno de

velocidad fija, perestando especial atención a la diferencia de inversión requerida

y de consumo previsto. Estos dos factores con los que nos permitirán evaluar la

mejora propuesta bajo los puntos de vista objetivos.

Desde el punto de vista de la inversión inicial, la sustitución de un compresor de

velocidad fija por uno de velocidad variable supone un incremento en el precio de

11.500 unidades monetarias.

En cuanto a la reducción de consumo, las particularidades de este proyecto hacen

que no sea demasiado alta. El principal beneficio de los compresores de velocidad

variable es su capacidad de seguir a la demanda sin necesidad de arranques y

paradas continuos. En este caso, el gran tamaño de almacenamiento de aire

comprimido (16 m3, que aplana bastante la demanda aguas ariba), unidos a que la

presión de generación sea de 10 bar(g) mientras que la de consumo es de 7 bar(g)

hacen que estableciendo una banda de regulación suficientemente amplia (por

ejemplo, de 10.5 bar(g) en el depósito a 7.8 bar(g)), los reencendidos previstos en

la instalación no garantizan que se ahorre si quiera energía (a altos consumos

constantes los compresores de velocidad variable consumen algo más que los de

fija).

Además habría que considerar los posibles costes en los que se incurre por usar

una tecnología más compleja, con más elementos sensibles, como un variador de

potencia.

Por tanto, concluimos que en este caso particular la sustitución de un compresor

de velocidad fija por otro de velocidad variable no resulta atractiva ni económica

ni medioambientalmente.

Memoria

72



Podría serlo si se aplica junto a la tercera mejora propuesta, la reducción de la

presión de generación, pues ya no existiría una diferencia tan grande entre la

producción y almacenaje y la descarga.

Memoria

73



5.3 SECADOR DE ADSORCIÓN CON APORTE DE CALOR

El secador de adsorción incluido en el proyecto, a petición del cliente es de tipo

heatless, o sin aporte de calor. El funcionamiento es el siguiente:

• el aire de descarga del compresor entra a una de las torres, donde el material adsorbente (alúmina) retiene la humedad consiguiendo un punto de rocío de -40 ºC (combinando con otros materiales se pueden conseguir puntos más bajos).

• Una vez esa torre está saturada de humedad, el aire comienza a pasar por la segunda torre de secado, siendo el proceso de secado exactamente igual que en la primera torre.

• A la salida de la segunda torre, se desvía parte del aire seco hacia la segunda torre, abandonándola saturado de humedad y dejando al final del ciclo la segunda torre completamente seca, y dispuesta para comenzar el ciclo otra vez. Al aire dedicado a esta labor se le conoce como aire de regeneración.

La cantidad de aire de regeneración necesaria para completar satisfactoriamente el

ciclo de regeneración de la alúmina varía en función de las condiciones de

operación (temperatura ambiente, presión de trabajo). En nuestro caso es

aproximadamente un 20% del caudal total de aire.

Lógicamente, el este secador de adsorción no tiene un consumo eléctrico

destacable, pero podemos considerar que la energía empleada en comprimir el aire

de regeneración es usada en el secador, pues ese aire se libera luego y no se le da

otro uso.

La alternativa propuesta es un secador de adsorción con aporte de calor. En este

caso, también se alternan las torres de secado por ciclos, pero a diferencia del

anterior, en el ciclo de regeneración no se usa aire comprimido, sino aire del

ambiente calentado. Por tanto, este tipo de secador incluye una resistencia para

calentar el aire y un ventilador para forzar su circulación. En este sentido, se

aumenta el consumo eléctrico propio del secador, pero hay todo apunta a que el

consumo será menor que el necesario para producir más caudal de aire. A

continuación se hace un estudio al respecto.

Memoria

74







centramos en la comparación de un secador de adsorción con aporte de calor con

uno que se regenere con aire de compresión, prestando especial atención a la

diferencia de inversión requerida y de consumo previsto. Estos dos factores con

los que nos permitirán evaluar la mejora propuesta bajo los puntos de vista

objetivos.

Desde el punto de vista de la inversión inicial, el extraprecio a pagar por sustituir

el secador sin aporte de calor por otro con aporte de calor es de 7.860 u.m. por

secador, lo que hace un total de 15.720 u.m.

Además, en este caso, el consumo eléctrico directo se ve aumentado. Al necesitar

una resistencia de caldeo y un ventilador que fuerce la circulación del aire

caliente. El incremento de consumo eléctrico es de 2,3 kW.

Por otro lado, hay que tener en cuenta el ahorro de energía que se produce al no

destinar parte del flujo a la regeneración. De acuerdo a la opinión de los

fabricantes de secadores de adsorción, este flujo de regeneración supone entre un

15 y un 20% del flujo total, en función de las condiciones de operación. Para

hacer un análisis más seguro consideraremos que este flujo es siempre del 15%

(minimizando beneficios de la mejora propuesta).

El método más sencillo para calcular ese ahorro energético consite en calcular la

potencia por unidad de flujo que consume el compresor, calculando por tanto la

potencia empleada en la compresión del flujo de regeneración. Aunque pueda

parecer que no es un criterio suficientemente fuerte por dejar de lado los

rearranques producidos por generar menos flujo del nominal, tampoco se tiene en

cuenta que una disminución de flujo de un 15% lleva a un modelo más pequeño

de compresor, lo que disminuye tanto la inversión inicial como el consumo en

operación.

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75



Por tanto, podemos concluir que este estudio es desfavorable hacia la propuesta

estudiada, siendo así para no cometer el error de valorar una como mejor una

opción que reamente es peor, siendo este un error mayor que el de dejaral cliente

con la tecnología que él mismo había seleccionado.

De la lista de cargas (Tabla 9), se extrae que el consumo de los compresores (hay

que tener en cuenta el de dos trabajando a la vez, pues es el caudal de ambos el

que pasa por el secador de adsorción) es de:

Memoria

76



5.4 REDUCCIÓN DE LA PRESIÓN EN LA GENERACIÓN

Es habitual en la industria comprimir a una presión superior a la de consumo,

previendo las lógicas caídas de presión que se producen en el sistema y posibles

escapes que no se puedan controlar. Un valor de diferencia de presión entre

generación y consumo considerado estándar en la industria para una instalación

bien mantenida es 1 bar. Este es un valor generoso y bastante realista (por

ejemplo, considera los filtros parcialmente saturados). Además hay que tener en

cuenta que por lo general las herramientas que trabajan con aire comprimido

tienen cierta tolerancia en cuanto a la presión a la que tienen que trabajar.

En este caso el cliente exige una presión de descarga de 7 bar(g), que es la que

tendrá a la entrada de su circuito de distribución de aire. Sin embargo, pide que

los compresores trabajen a 10 bar(g), y que se sitúen válvulas reductoras de la

presión justo antes de la salida. Este margen es del todo excesivo, y se va a

malgastar una gran cantidad de energía aumentando la presión hasta un valor que

luego se reducirá.

Por tanto, se propone reducir la presión de generación hasta los 8 bar(g), que se

considera más que suficiente para salvar las caídas de presión en el sistema.





centramos en la comparación de comprimir a 8 bar(g), un bar por encima de la

presión de trabajo de las herramientas, con el método implementado de producir a

10 bar(g) y situar válvulas reductoras a la salida, prestando especial atención a la

diferencia de inversión requerida y de consumo previsto. Estos dos factores con

los que nos permitirán evaluar la mejora propuesta bajo los puntos de vista

objetivos.

Memoria

77



Desde el punto de vista económico no supone ningún cambio en la inversión

inicial, pues las máquinas son las mismas en las que cambian el software del

controlador para que trabaje a una presión diferente de trabajo.

Sin embargo, el hecho de usar una misma máquina a una presión más baja si tiene

ventajas: ofrece más caudal al trabajar a menor presión, por lo que la bajada en la

presión de consigna puede conllevar la posibilidad de comprar el modelo inferior

de compresor, con los ahorros en inversión inicial y en consumo.

En este caso en concreto, es necesario que la presión de consigna baje hasta los

8,5 bar(g) para que el modelo inferior suministre el flujo requerido. Esta presión

es admisible, pues se espera que la caída de presión en la instalación no supere el

valor de 1 bar, en el caso de tener los filtros saturados.

Con esa bajada demodelo en la gama, el ahorro en la inversión inicial es de 6.200

u.m. por cada compresor, resultando el ahorro en el total de los tres compresores

de 18.600 u.m.

En cuanto al ahorro energético, este nuevo modelo consume a plena carga 46,62

kW frente a los 57,07 del modelo superior (el necesario para suministrar el flujo

requerido a 10 bar(g)), siendo el ahorro energético total:

Memoria

78



Además, se debe tener en cuenta el ahorrode impacto ambiental por la reducción

del consumo eléctrico en 125,4 MWh anuales.

Memoria

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Capítulo 6 CONCLUSIONES

El sistema para la producción de aire comprimido para la central de ciclo

combinado en Bremen supone una inversión total de 482.987 unidades

monetarias. El desarrollo del proyecto al completo tiene una duración estimada de

seis meses.

El sistema esta comuesto por tres compresores de tornillo lubricados y de

velocidad fija, dos secadores de adsorción con regeneración por aire comprimido,

dos secadores refrigerados, seis filtros y tres depósitos, además de toda la tubería

valvulería, instrumentación, etcétera necesarios para hacer funcionar

correctametne el sistema.

La producción de aire suministra un caudal de 650 Nm3/h a una presión de 7 bares

relativos, si bien los compresores comprimen a 10 bar(g). Para ello, el sistema

consume un total de 113,40 kW.

Como posibles mejoras al proyecto se propone la sustitución de los secadores de

adsorción por unos con regeneración con aporte de calor (con un ahorro estimado

para la vida útil de la instalación de 3.000, y un ahorro enérgetico de 14,92 kW,

reduciendo el impacto ambiental) y la reducción de la presión de compresión a 8,5

bar(g) (cuyo ahorro estimado en la vida útil de la instalación es de 44.073 u.m, y

energético de 20,9 kW).

Anexos

80



Parte II Anexos

Anexos

81



Capítulo 1 Lista de anexos

Anexo I.- Planificación del proyecto

Anexo II.- Plano de disposición de los equipos en planta

Anexo III.- Detalle de la situación de los apoyos de los equipos

Anexo IV.- Red de condensados

Anexo V.-Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID)

Anexo VI.- Placas de identificación

Anexo VII.- Planos de dimensiones de los equipos

Id Modode tarea

Nombre de tarea Duración

1 Comienzo del proyecto 0 días2 Estudio de las especificaciónes 10 días3 Selección de equipos 5 días4 Petición/estudio de ofertas 15 días5 Realización del pedido a

proveedores0 días

6 Desarrollo de la ingeniería del sistema

35 días

7 Petición/estudio ofertas instaladores

15 días

8 Soporte ingeniería de los equipos 15 días9 Fabricación Compresores 73 días10 Ingeniería de detalle 15 días11 Acopio de los materiales 30 días12 Montaje 26 días13 Test funcional 1 día14 Documentación de calidad 41 días15 Arpobación envío compresores 0 días16 Empaquetado compresores 3 días17 Transporte a campo 7 días18 Descarga y posicionamiento 1 día19 Fabricación Secadores de

adsorción52 días

20 Ingeniería de detalle 15 días21 Acopio de los materiales 20 días22 Fabricación de los vasos

desecantes6 días

23 Montaje 16 días24 Test hidrostático 3 días25 Test funcional 1 día26 Documentación de calidad 25 días27 Arpobación envío 0 días28 Empaquetado 3 días29 Transporte a campo 7 días30 Descarga y posicionamiento 1 día

04/02

15/03

11/06

13/05

28 04 11 18 25 04 11 18 25 01 08 15 22 29 06 13 20 27 03 10 17 24 01 08 15 22 29 05feb '13 mar '13 abr '13 may '13 jun '13 jul '13 ago '13

Tarea

División

Hito

Resumen

Resumen del proyecto

Tareas externas

Hito externo

Tarea inactiva

Hito inactivo

Resumen inactivo

Tarea manual

Sólo duración

Informe de resumen manual

Resumen manual

Sólo el comienzo

Sólo fin

Fecha límite

Progreso

Página 1

Proyecto: PFC‐Sistema de aire comFecha: mar 30/04/13

Id Modode tarea

Nombre de tarea Duración

31 Fabricación Secadores de refrigeración

41 días

32 Ingeniería de detalle 5 días33 Acopio de los materiales 20 días34 Montaje 11 días35 Test funcional 1 día36 Documentación de calidad 21 días37 Arpobación envío 0 días38 Empaquetado 1 día39 Transporte a campo 7 días40 Descarga y posicionamiento 1 día41 Fabricación Depósitos 55 días42 Ingeniería de detalle 7 días43 Acopio de los materiales 25 días44 Montaje 17 días45 Test hidrostático 2 días46 Documentación de calidad 19 días47 Arpobación envío secadores 0 días48 Transporte depósitos a campo 7 días49 Descarga y posicionamiento 1 día50 <Hito nuevo> 0 días51 Instalación 19 días52 Instalación mecánica 15 días53 Instalación de control 4 días54 Test hidrostático de la instalacion

mecánica1 día

55 Pruebas de comunicación con DCS

3 días

56 Puesta en marcha del sistema 4 días57 Entrega al cliente 0 días

30/04

20/05

26/06

02/08

28 04 11 18 25 04 11 18 25 01 08 15 22 29 06 13 20 27 03 10 17 24 01 08 15 22 29 05feb '13 mar '13 abr '13 may '13 jun '13 jul '13 ago '13

Tarea

División

Hito

Resumen

Resumen del proyecto

Tareas externas

Hito externo

Tarea inactiva

Hito inactivo

Resumen inactivo

Tarea manual

Sólo duración

Informe de resumen manual

Resumen manual

Sólo el comienzo

Sólo fin

Fecha límite

Progreso

Página 2

Proyecto: PFC‐Sistema de aire comFecha: mar 30/04/13

diseÑo e instalaciÓn de un sistema de aire … · (p&id) o el diseño de las placas...

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