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Pumping Systems Optimization for Mining Applications
Carlos Sánchez Romero, Jefe de Recursos Hídricos de Southern Peru Toquepala José Nicolás De Piérola C., Gerente de Recursos Hídricos de Southern Peru James Ponce, Tecnología de información de SouthernPeru Toquepala
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Índice
• Agua y energía • Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras • Sistemas SCADA en los procesos mineros • Caso de optimización • Conclusiones
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Agua y Energía
• El agua requiere energía y la energía requiere agua.
• Los suministros son limitados y la demanda es cada vez mayor.
• Ahorrar energía es ahorrar agua y ahorrar agua es ahorrar energía .
• Es imprescindible implementar políticas de mejora de la eficiencia del uso del agua y de la energía.
Fuente: MINEM Fuente: ONU, waterday 2014
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Agua y Energía
Fuente: Cochilco, data del Ministerio de Energía, Chile.
Fuente: MINEM
Consumo de energía en Chile
Consumo de energía en Perú
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
• “Aproximadamente el 8% de la generación de energía global se utiliza para la extracción, el tratamiento y el transporte de agua.” ONU 2014.
• “Los sistemas de bombeo requieren aproximadamente un 20% de la demanda de energía eléctrica mundial y en ciertas industrias puede significar hasta un 50% de la energía consumida.” Valdes E. (2009).
• “Los sistemas de bombeo son intensivos en energía, y por lo tanto su optimización constituye una gran área de oportunidad.” Tomas Medina(2014).
• Para Southern Copper los sistemas de bombeo representan aproximadamente un 15 % del costo operativo (2014).
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APLICACIONES
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
Sistema de bombeo flotante en agua decantada de relaves Sistema en paralelo 05 EA, Bombas Turbina Vertical.
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
Sistema de bombeo de agua decantada Sistema en paralelo 06 EA, Bombas Turbina Vertical.
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
Sistema de bombeo de relaves Sistema en paralelo 03 EA, Potencia: 900 hp; Wirth piston diaphragm slurry pumps, TPM 220 (12”x14”)
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
Sistema de bombeo para agua de proceso Sistema en paralelo 04 EA, Bombas centrífugas Monoetápica, partida axialmente, Flowserve, 10-LNH-26, 1800rpm, Potencia: 1500 hp;
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
Centrifugal Slurry Pump
Sistema en Stand by 02 EA, Centrifugal Slurry Pump, ASH 20x18 1780rpm Flujo: 2300M3/hora Potencia: 1000 hp;
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Sistemas de bombeo en aplicaciones mineras
Sistema de bombeo para agua subterránea Bombas Turbina Vertical multietapa, Gouls Pump, Modelo VIT CT 10X14 JHC, 1800 rpm, Potencia: 250 Hp.
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Punto de operación y curva del sistema
Ventajas de operar en el BEP
• Mínimo consumo de energía. • Reducción del riesgo de
cavitación. • Disminución de vibraciones. • Menores costos de
mantenimiento.
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La operación de los sistemas de bombeo fuera de su zona de máxima eficiencia disminuye drásticamente la eficiencia del sistema impactando en el incremento del consumo de energía.
Causas • Mala selección de la bomba • Sobre dimensionamiento de las tuberías • Envejecimiento de las tuberías • Modificación de las condiciones de operación
Punto de operación y curva del sistema
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Sistemas SCADA en los procesos mineros: Instrumentación
Procesador Logix 5562 Memoria 1756-L62 - PI Modulo HART 1756sc-IF8H
Transmisor de Caudal IMT25 - HART
Caudalómetro Electromagnético 9100A Magnetic Flowtube
Transmisor de Presión
Salida de 4 – 20 mA
Sensor de Presión: Nivel dinámico
Salida de 4 – 20 mA
Variador de Frecuencia
Medidor de energía
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Sistemas SCADA en los procesos mineros
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Caso de Optimización
Características : • 4 Pozos, caudales entre 50 y 120 L/s. • Abatimientos entre 10 y 65 m. • Potencias 250 hp. • Tuberías: 10”, 24”, 28”, Long: 12km. • Variadores de velocidad. • Sistema SCADA de control.
Bomba
Motor
Nivel estático
Nivel estático
Nivel dinámico
Bomba
Válvula.
Función (H,Q) como perdida de carga
Reservorio
Nodo
Tubería
ModeloReal
Función (H,Q)
H
PresiónADT
Q
P=75*n
Q* ADT
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Caso de Optimización
Real
Instrumentación
Modelo Hidráulico EPANET Matlab
Optimization Toolbox Epanet Tookit
Base de Datos PI; SQL
El modelo debe reproducir: Presión, Caudal, Potencia, en función de las RMP.
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Optimización
Revisión de la solución
Elección de un método de optimización
Formulación de las restricciones y los límites de las variables
Formulación de la función objetivo
Elección de las variables
Necesidad de Optimización
Modelo Matemático
Función objetivo
Variables
Objetivo
Minimizar el consumo de energía a una demanda establecida
Velocidad de rotación de las bombas (i,j,k,l)
Restricciones de igualdad
Restricciones de desigualdad
Q1min < Q1 (i, j, k, l) < Q1max
Q2min < Q2 (i, j, k, l) < Q2max
Q3min < Q3 (i, j, k, l) < Q3max
Q4min < Q4 (i, j, k, l) < Q4max
Límites
imin< i < imax
jmin< j < jmax
kmin< k < kmax
lmin< l < lmax
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Resultados
42 KW, representa un ahorro aproximado de 42,000 usd por año.
Reglas de operación, con mínimo consumo de energía
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Conclusiones
• Ante el incremento de las demandas sobre las fuentes de agua y de energía, la sostenibilidad de las operaciones mineras requerirá de mayores esfuerzos para implementación de procesos de optimización y uso eficiente de los recursos.
• La optimización de los sistemas de bombeo representa una importante oportunidad para el ahorro de costos en el sector minero, debido al uso intensivo de energía requerido.
• Es necesario cerrar el ciclo de la instrumentación y el almacenamiento de información con el análisis, modelamiento de datos y el desarrollo modelos de optimización.