Automatización de la estación de bombeo con VFD en Nigeria | SENTRADO
Un caso de estudio detallado sobre la solución de automatización industrial de SENTRADO que ofrece resultados medibles para las operaciones de tratamiento de agua en Nigeria.
Contexto y objetivos del proyecto
Una autoridad municipal de agua en Nigeria contrató a SENTRADO para automatizar una importante estación de bombeo de agua bruta que suministra agua a una planta de tratamiento que abastece a más de 1,2 millones de residentes. La estación opera seis bombas de turbina vertical, cada una impulsada por un motor de 250kW, elevando el agua desde una toma fluvial a través de una tubería de 14 kilómetros hasta la planta de tratamiento. El arranque directo original provocaba golpes de ariete severos, un alto consumo de energía y fallos mecánicos frecuentes, mientras que el suministro eléctrico de la red, poco fiable, requería el funcionamiento constante de generadores a un alto coste.
Los objetivos del proyecto eran múltiples: reducir el consumo de energía mediante el control con variadores de frecuencia, habilitar la monitorización remota para minimizar la necesidad de visitas a las instalaciones en un entorno de seguridad complejo, integrar energía solar para compensar los costes de los generadores diésel y proporcionar una protección robusta contra sobretensiones para la larga tubería. La estación de bombeo se encuentra en una zona remota con acceso limitado por carretera, lo que hace que la fiabilidad del equipo y los diagnósticos remotos sean fundamentales para minimizar las costosas intervenciones de mantenimiento.
SENTRADO entregó un paquete de automatización completo que incluye paneles de variadores de frecuencia para las seis bombas, un sistema de control PLC Siemens S7-1200, SCADA con monitorización remota a través de red móvil, integración de energía solar fotovoltaica con conmutación automática de transferencia, y equipos de protección contra sobretensiones tanto para la tubería como para los sistemas eléctricos.
Problemas que debimos resolver
1. Altos costes energéticos
Las seis bombas de 250kW operaban a plena velocidad de forma continua con estrangulamiento de válvulas para controlar el caudal, desperdiciando enormes cantidades de energía. Con las tarifas eléctricas de Nigeria y la frecuente dependencia de generadores diésel, la energía era el mayor gasto operativo de la estación.
2. Daños por golpe de ariete
El arranque directo de las bombas de 250kW provocaba graves golpes de ariete en la tubería de 14 kilómetros, causando fallos en las uniones de las tuberías, grietas en la carcasa de las bombas y daños en las válvulas de retención. Cada reparación requería días de parada y un costoso aprovisionamiento de emergencia.
3. Suministro eléctrico de red poco fiable
La red eléctrica local experimenta cortes frecuentes y fluctuaciones de tensión. La estación dependía de generadores diésel como respaldo, pero el alto coste del diésel y la dificultad de suministro de combustible al lugar remoto hacían insostenible el funcionamiento de los generadores.
4. Ubicación remota y seguridad
La estación de bombeo se encuentra a 40 kilómetros de la ciudad más cercana, con acceso limitado. El envío de técnicos para inspecciones rutinarias era costoso y, en ocasiones, arriesgado. El cliente necesitaba un monitoreo remoto integral para detectar problemas antes de que causaran fallos.
5. Riesgo de rayos y sobretensiones
Las tormentas tropicales de Nigeria producen una intensa actividad de rayos. La larga tubería y la infraestructura eléctrica en superficie eran vulnerables a las sobretensiones inducidas por los rayos, que anteriormente habían destruido motores y equipos de control.
Nuestro enfoque y arquitectura del sistema
SENTRADO instaló seis armarios de variadores de frecuencia ABB ACS880, uno para cada bomba, permitiendo la operación a velocidad variable en función de la demanda de la planta de tratamiento y la presión de la tubería. El PLC implementa un algoritmo de control de presión constante que ajusta la velocidad de las bombas para mantener una presión establecida en el extremo de la tubería, conectando y desconectando bombas automáticamente a medida que varía la demanda. Las rampas de arranque y parada suaves eliminan el golpe de ariete al poner las bombas en marcha y fuera de servicio gradualmente durante un período de 30 segundos. El sistema rota las asignaciones de bomba principal y auxiliar en función del tiempo de funcionamiento para igualar el desgaste y ampliar los intervalos de mantenimiento.
El sistema de alimentación híbrido solar integra un campo fotovoltaico de 500 kWp con la red existente y el generador diésel a través de un conmutador automático de transferencia (ATS) y un controlador de gestión de energía. En los días soleados, la energía solar compensa una parte significativa de las cargas de los variadores de frecuencia y las cargas auxiliares, reduciendo el tiempo de funcionamiento del generador hasta en un 80%. Cuando la energía de la red está disponible, el sistema utiliza la energía de la red con suplemento solar; durante los cortes de la red, el sistema transfiere sin interrupciones al generador con soporte solar. El PLC supervisa la calidad de la energía y desconecta automáticamente las cargas no críticas si se supera la capacidad del generador.
El monitoreo remoto se proporciona a través de un sistema SCADA WinCC con un router móvil 4G LTE y conexión VPN, lo que permite al centro de control de la autoridad del agua supervisar el estado de las bombas, los caudales, las presiones, el consumo de energía y las condiciones de alarma en tiempo real. El sistema envía alertas por SMS y correo electrónico para alarmas críticas, incluyendo fallos de bombas, baja presión de succión, alta presión de descarga, cambios de estado del generador y detección de intrusos. Se instaló una protección integral contra sobretensiones en la acometida eléctrica, en cada variador de frecuencia y en los motores de las bombas. Las válvulas de alivio de sobrepresión de la tubería controladas por el PLC proporcionan protección adicional contra eventos de presión transitoria.
Aspectos destacados de la arquitectura del sistema
- 6 × variadores de frecuencia ABB ACS880 (250 kW cada uno) con control de presión constante
- PLC Siemens S7-1200 con escalonamiento y rotación automática de bombas
- Sistema híbrido solar fotovoltaico de 500 kWp con conmutación automática de transferencia
- Rampas de arranque/parada suave de 30 segundos que eliminan el golpe de ariete
- WinCC SCADA con monitorización remota por red móvil 4G LTE y VPN
- Notificación de alarmas por SMS y correo electrónico para eventos críticos
- Protección contra sobretensiones y rayos de múltiples etapas (Clase I + II + III)
- Control de válvula de alivio de sobrepresión en tuberías para protección contra transitorios
Parámetros y configuración del sistema
| Sistema de control | Siemens SIMATIC S7-1200 |
| Controlador | 1 × CPU 1214C DC/DC/DC |
| Variadores de frecuencia | 6 × ABB ACS880-04 (250 kW cada uno) |
| Potencia total instalada | 1,500 kW (6 × 250kW) |
| Capacidad solar fotovoltaica | 500 kWp |
| Protocolo de comunicación | PROFINET / Modbus RTU / 4G LTE |
| HMI / SCADA | WinCC RT Basic + cliente web remoto |
| Armarios de control | 3 × paneles VFD IP54 + 1 armario PLC |
| Longitud de la tubería | 14 km (diámetro 800mm) |
| Caudal | 3,600 m³/hora (todas las bombas) |
| Protección contra sobretensiones | Clase I/II/III en servicio, variadores de frecuencia, motores |
| Reducción de energía | 40% frente al funcionamiento directo en línea |
Componentes clave y hardware
Siemens CPU 1214C
6ES7214-1AG40-0XB0
Controlador de estación de bombeo
ABB ACS880-04 VFD
3ABD00035842-D
Variador industrial de 250kW (×6)
WinCC RT Basic
6AV2104-0DA06-0AA0
HMI local con cliente web
SITRANS P320
7MF0300-1TE01-5AF2
Transmisor de presión para tuberías
SITRANS F M MAG 6000
7ME6920-1AA30-1AA0
Caudalímetro electromagnético
SCALANCE S615 VPN
6GK5615-0AA00-2AA2
Router VPN industrial para acceso remoto
Descargador de sobretensiones DEHNventil
DV M TT 255
Protector combinado contra rayos y sobretensiones de Clase I+II
Contactor SIRIUS 3RT2
3RT2055-6AP36
Contactor de derivación para el mantenimiento del variador de frecuencia
Fases del proyecto
Ingeniería y diseño
5 semanasLógica de control de bombas, sistema de potencia, análisis de sobretensiones
Fabricación de paneles
6 semanas3 paneles de variadores de frecuencia + armario de PLC en SENTRADO
Desarrollo de software
4 semanasPLC, SCADA, monitorización remota, alarmas por SMS
FAT
1 semanaPrueba de carga del variador de frecuencia, verificación de la lógica de control
Envío a Nigeria
6 semanasTransporte marítimo a Lagos, transporte terrestre
Instalación solar
4 semanasMontaje del campo fotovoltaico, inversor, integración de ATS
Instalación de variadores de frecuencia y sistemas de control
3 semanasColocación de paneles, cableado de motores, sensores
Puesta en marcha y formación
3 semanasPruebas de bombas, verificación de sobretensiones, formación del personal
Resultados medibles
Datos de rendimiento verificados tras la puesta en marcha del sistema y el funcionamiento continuo.
Control mediante variador de frecuencia frente a operación con válvula de estrangulamiento
La supervisión remota redujo las inspecciones a la mitad
El arranque suave eliminó los transitorios en la tubería
La energía híbrida solar compensó el uso de diésel
Antes y después: comparación cuantificada
| Métrica | Antes | Después | Cambio |
|---|---|---|---|
| Consumo de energía | Línea base (control mediante válvula de estrangulamiento) | Reducción del 40% mediante variador de frecuencia | −40% |
| Visitas de inspección in situ | Revisiones semanales in situ | 50% menos mediante supervisión remota | −50% |
| Eventos de golpe de ariete | Frecuentes (arranque directo a la red) | 0 eventos (arranque suave con VFD) | −100% |
| Tiempo de funcionamiento del generador | 100% alimentado por diésel | 80% compensado por híbrido solar | −80% |
| Vida útil de la bomba | Reducida por golpes de ariete | Ampliado mediante arranque suave | Ampliado |
Datos basados en informes de puesta en marcha del proyecto y mediciones operativas continuas. Nombre del cliente disponible bajo acuerdo de confidencialidad.
Impacto en el resultado final
El sistema de automatización entregado superó todos los objetivos de rendimiento especificados en el contrato, logrando un mayor volumen de producción, un menor consumo de energía y una mejor calidad del producto en comparación con la operación inicial. El cliente informó de un retorno total de la inversión dentro del período de amortización proyectado y desde entonces ha contratado a SENTRADO para fases adicionales de expansión de la planta.
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