Durante décadas, se pensaba que las bombas centrífugas (CF) eran la mejor opción como bombas de alta presión para grandes trenes de SWRO.
Sin embargo, el creciente interés surgido en los últimos años por el ahorro energético y la reducción de las emisiones de CO2 ha favorecido la introducción de dispositivos de recuperación de energía (ERD) isobáricos que, normalmente, permiten ahorrar hasta un 60 % de energía. En la actualidad, las bombas de desplazamiento positivo (PD) de gran caudal y elevada eficiencia específicamente diseñadas para aplicaciones de SWRO se están haciendo un hueco en el mercado gracias a su potencial para reducir el consumo de energía hasta en un 20 % adicional, o incluso más.
A pesar de las ventajas obvias que ofrece el uso de bombas de desplazamiento positivo de alta eficiencia, algunos constructores de sistemas todavía dudan en si usarlas o no por diversos motivos. En algunos casos, porque el tamaño de las bombas de desplazamiento positivo es diferente del de las bombas centrífugas o porque el control de flujo es también diferente y requiere un diseño ligeramente distinto de los componentes hidráulicos que rodean las bombas.
Tomando como referencia una instalación experimental donde el tren de SWRO se expone a variaciones estacionales de presión, este artículo explicará la diferencia de tamaño entre las bombas centrífugas y las bombas de desplazamiento positivo. Asimismo, en él también se abordará cómo las diferentes configuraciones en la regulación de caudal tienen un impacto significativo en el ahorro energético cuando se utilizan bombas centrífugas y bombas de desplazamiento positivo en grandes plantas de SWRO.
En cualquier planta de SWRO, la presión principal requerida proviene de las membranas de ósmosis inversa.
Herramienta de diseño de membranas: el total de sólidos disueltos, la temperatura del agua, el número de membranas, el índice de recuperación y la suciedad de las membranas permiten conocer la presión de alimentación requerida de las membranas.
A esta presión hay que añadirle las pérdidas hidráulicas en la tubería.
La presión de una bomba centrífuga o de desplazamiento positivo responde a la resistencia del sistema hidráulico.
Los márgenes de seguridad dan lugar a bombas centrífugas sobredimensionadas
En el caso de las bombas centrífugas, el aumento de la presión del sistema provocará una disminución del caudal. Véase la Fig. 2.
Normalmente, la incorporación de márgenes de seguridad para garantizar la selección de una bomba lo suficientemente grande dará lugar a la instalación de una bomba sobredimensionada.
El margen de seguridad en una aplicación de SWRO podrá incluir:• La curva de sistema calculada.• El total de sólidos disueltos o la temperatura del agua de alimentación que afectan, entre otros aspectos, a la presión de alimentación de las membranas.• La suciedad de las membranas.• El desgaste de la bomba con el paso del tiempo.
Una bomba individual instalada para desempeñar varias funciones distintas se dimensionará para satisfacer la demanda de producción máxima. Normalmente, se tratará de una bomba sobredimensionada que funcionará de manera ineficiente durante otras tareas.
En el mercado de SWRO, las bombas de alimentación de alta presión centrífugas suelen dimensionarse con un margen de seguridad del 10-15 % y, en ocasiones, incluso superior.
El mercado todavía considera que los convertidores de frecuencia son caros o difíciles de utilizar. Por eso, el estrangulamiento sigue siendo el control de flujo preferido para las bombas centrífugas, incluso para aquellas de gran caudal.
Tomemos ahora como referencia un patín de SWRO de 5000 CMD con ERD isobárico que funciona a 66 bar en una red de 50 Hz y en el que se aplica una variación de presión anual de 6 bar como se muestra en la Fig. 1. La bomba funciona a una velocidad fija y está dimensionada con un margen de seguridad del 10 % con respecto al caudal a la presión máxima.
El estrangulamiento del caudal en esta configuración del sistema genera los siguientes resultados (véase la Fig. 2):• Una pérdida de presión aproximada de 3 bar que equivale a 23 kWh a la presión máxima en invierno.• Una pérdida de presión aproximada de 9 bar que equivale a 69 kWh a la presión mínima en verano.• Una eficiencia prácticamente constante (en un intervalo de medio punto porcentual) con la bomba seleccionada.
Los resultados se hacen todavía más explícitos en la Fig. 3, que muestra cómo el estrangulamiento provoca pérdidas de energía a lo largo del año. De hecho, la pérdida de energía anual total de la válvula de estrangulamiento sola se eleva a 373 000 kWh, lo que equivale a, aproximadamente, el 8,5 % del consumo energético total de la bomba. El consumo energético anual total de la bomba es de unos 4764 MW.
Los sistemas de SWRO se caracterizan por una elevada presión «estática» causada por el propio proceso de las membranas. Esto significa que la curva de presión del sistema no parte del origen, sino de un valor distinto de cero en el eje Y correspondiente a la presión osmótica. Por tanto, la curva del sistema no sigue las curvas de eficiencia constante.
Si se selecciona una bomba centrífuga equipada con convertidor de frecuencia para un sistema con regulación de caudal constante, la recomendación es optar por una bomba que funcione a la izquierda del punto de máxima eficiencia a la presión máxima. Este enfoque optimiza la eficiencia operativa de la bomba [HI].
Si observamos la misma planta de SWRO de 5000 CMD que se muestra en la Fig. 1, vemos que al elegir la bomba con un margen de seguridad del 10 % del caudal (3 bar de presión), la eficiencia aproximada de la bomba es del 77,5 % y casi constante tanto a 60 como a 66 bar, con un caudal constante de 215 m³/h.
Un convertidor de frecuencia grande ofrece un índice de eficiencia aproximado del 98 %, por lo que esta pérdida de energía del 2 % deberá tenerse en cuenta para el cálculo de la eficiencia energética. Sin embargo, la pérdida energética anual de un convertidor es de tan solo 90 000 kWh, lo que representa únicamente el 24 % de la pérdida energética de una válvula de estrangulamiento.
La Fig. 4 muestra el consumo energético a lo largo del año, incluidas las pérdidas del convertidor de frecuencia. El consumo energético anual total es de, aproximadamente, 4480 MW.
Una alternativa para el uso de un convertidor grande directamente en el motor de la bomba de alta presión centrífuga es utilizar una bomba de alimentación de baja presión adicional con control mediante convertidor de frecuencia, como se muestra en la siguiente figura: Esta bomba de alimentación de baja presión suministra una presión variable de entre 0,7 y 6 bar en la entrada de una bomba de alimentación de alta presión centrífuga de velocidad constante para, de este modo, compensar la variación de presión a lo largo del año.
El inconveniente de esta solución es que un rango de presión tan amplio podría no permitir el margen de seguridad del 10 %. Por otro lado, es posible que siga necesitándose una válvula de obturación o una válvula de estrangulamiento para el arranque de la bomba de alta presión centrífuga directamente online.
Algunos ERD isobáricos son sensibles al exceso de caudal de entrada de baja presión, por lo que la variación de presión normalmente provocará una variación de caudal. Para subsanar este problema, se necesita una válvula reguladora de caudal de alta calidad para el ERD o una bomba de alimentación de baja presión individual con caudal constante.
Si observamos la misma planta SWRO de 5000 CMD, la Fig. 5 muestra el consumo de energía a lo largo del año, incluidas las pérdidas del convertidor de frecuencia. El consumo energético anual total es de, aproximadamente, 4372 MW. La pérdida de potencia del convertidor es muy reducida y puede pasarse por alto. Puede elegirse un convertidor de frecuencia cuyo tamaño corresponda tan solo a un 10 % del convertidor grande empleado para la bomba de alimentación de alta presión, con lo que se lograría reducir el gasto de capital en los convertidores, si bien se incrementaría el gasto de capital en la bomba de alimentación de baja presión adicional.
Regulación de caudal:
Una bomba de desplazamiento positivo suministra un caudal prácticamente constante, con independencia de la presión. Véase la Fig. 6. Si la presión del sistema aumenta, la bomba de desplazamiento positivo suministra un caudal constante a la presión requerida sin que se produzca ningún tipo de regulación de la bomba. Únicamente el consumo de potencia del motor eléctrico aumenta automáticamente. Del mismo modo, si la presión del sistema desciende, el caudal permanece constante y solo disminuye el consumo de potencia del motor eléctrico.
El caudal de una bomba de desplazamiento positivo solo puede regularse ajustando la velocidad de rotación del eje de la bomba (véase la Fig. 6).
El margen de seguridad del caudal se limita al caudal máximo de la bomba individual.
Como sucede con las bombas centrífugas, la presión de una bomba de desplazamiento positivo responde a la resistencia hidráulica del sistema. Herramienta de diseño de membranas: el total de sólidos disueltos, la temperatura del agua, el número de membranas, el índice de recuperación y la suciedad de las membranas permiten conocer la presión de alimentación requerida de las membranas.
La bomba de desplazamiento positivo podría acumular una presión que exceda la resistencia mecánica de los vasos de membrana, las tuberías y otros accesorios. Puesto que el margen de seguridad de la presión está limitado al par del motor eléctrico, es posible que resulte necesaria una válvula de alivio de presión.
Es importante recordar que, al utilizar una bomba de desplazamiento positivo, nunca se debe intentar regular el caudal o la presión con una válvula de control.