ESTUDIO DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS - RELAPASA

Refinería La Pampilla

RLP21 ADECUACION A NUEVAS ESPECIFICACIONES DE COMBUSTIBLES BLOQUE BL OQUE DE DESTILA DESTILADOS DOS MEDIOS MEDIOS ®

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RELAPASAA Refi Refinería nería La Pampi Pampilllla a

PROYECTO RLP21  ADECUACION  ADECUA CION A NUEVAS ESPECIFICACIONES ESPECIFICA CIONES DE COMBUSTIBLES COMBUSTIBL ES (BLOQUE DE DESTILADOS MEDIOS)

Documento Nº: 26-P-RLP21-44281

REALIZ. REV.

FECHA

DESCRIPCIÓN

 A

24 Oct 14

Para Comentarios

B.R.

REVIS.

M.P.

FLUOR Discip.

M.P.

 APROB ACIONES FLUOR SAINCA Proyecto

REPSOL

J.Q.

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ÍNDICE 1. 1.1 1.2 1.3 2. 2.1 2.2 2.3

INTRODUCCIÓN OBJETO NORMATIVA Y DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA ANÁLISIS GENERAL ANÁLISIS DE RIESGO HIPÓTESIS DE CÁLCULO DATOS DE ENTRADA DATOS RELEVANTES PARA EL CÁLCULO

3 3 3 4 5 5 7 9

3.

CÁLCULO DE RIESGO

11

4.

CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS DE RIESGO

14

5.

DISEÑO SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO (SPCR)

14

ANEXO 1. IMPLANTACIÓN Y VISTAS

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1. INTRODUCCIÓN 1.1

Objeto

El objetivo de este documento es justificar la selección y el diseño del Sistema de Protección Contra el Rayo (SPCR) de la Unidad de HDS de Destilados Medios (U-26) que se realiza cumpliendo con la normativa para el Proyecto RLP21 “Adecuación a Nuevas Especificaciones de Combustibles” para la Refinería de La Pampilla de REPSOL, ubicada en Ventanilla, Lima (Perú).

1.2

Normativa y documentación de referencia

El diseño estará en estricto acuerdo con la reglamentación y normativa aplicable: 

IEC 62305-1 Protección contra el rayo: Principios generales [1]



IEC 62305-2 Protección contra el rayo: Evaluación del riesgo [2]



IEC 62305-3 Protección contra el rayo: Daño físico a estructuras y riesgo humano [3]



Código Nacional de Electricidad – Suministro (2001) [4]



Código Nacional de Electricidad – Utilización (2006) [5]

Se han tenido en cuenta además los siguientes documentos de proyecto: 

26-P-RLP21-44567 Planimetría de puesta a tierra U-26. Puesta a tierra enterrada [6]



26-A-RLP21-44239 Plano de implantación de la Unidad (U-26) HDS de Destilados medios [7]



26-A-RLP21-44202 Planimetría de Clasificación de Áreas peligrosas (U-26) [8]

Nota: Para el diseño del sistema de protección contra el rayo no se ha seguido la especificación de Repsol propia para este tema, ED-P-01.04-01 Sistema de Protección con Pararrayos. La razón es que dicha especificación está editada en 2004 de modo que la norma de aplicación IEC 61024 que se indica en ese documento ha quedado superada por la serie IEC 62305 .

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1.3

Análisis General

El presente informe presenta los resultados correspondientes a: •

•

La evaluación del riesgo en las estructuras y en los servicios por la acción de las descargas a tierra. El diseño del Sistema de Protección contra el rayo para cumplir con el Riesgo Tolerable según la normativa vigente.

Una vez obtenida la evaluación de riesgo, y si de esta se desprende que se requiera una protección, se seleccionará el SPCR (Sistema de Protección Contra el Rayo) necesario para estar dentro del límite del riesgo tolerable. El procedimiento seguido es el indicado en la norma [2]:

Figura 1 26P2144281.RA

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2. ANÁLISIS DE RIESGO De acuerdo con la norma [2], y siguiendo el procedimiento de cálculo de la figura 1 para la Unidad 26 bajo estudio, se debe determinar y comparar el riesgo R1 de Pérdidas de vidas con el riesgo tolerable R1= R A +RB + RC + RM + RU Lín. potenc + RU Lín telecom.+ RVLín poten+ RV Lín telecom.+ RWLín poten+ RW Lín telecom.  + RZ

La definición para cada componente de riesgo es la siguiente: RA: Daño a seres vivos causado por tensiones de paso o de contacto en zonas hasta 3 m alrededor de la estructura 



RB: Daño físico en una estructura causada por caída de rayo

Rc: Fallo en los sistemas internos causado por los efectos electromagnéticos de la caída directa de rayo 

RM: Fallo en los sistemas internos causado por los efectos electromagnéticos de la caída de rayo en estructura cercana 

RU: : Daño a seres vivos causado por tensión de contacto en la estructura, debido a descarga directa de rayo en la línea de entrada a la estructura 

RV: Daño físico en una estructura, debido a descarga directa de rayo en la línea de entrada a la estructura 

RW: Fallo en los sistemas internos causado por sobretensiones inducidas en las líneas de entrada conectadas a estructura que han sufrido una descarga 

RZ: Fallo en los sistemas internos causado por sobretensiones inducidas en las líneas de entrada conectadas a estructura cercana a una caída de rayo 

La relación entre el riesgo y las pérdidas asociadas viene expresada en la siguiente relación:  R X 

  N 

 X 



P X 



L X 

Donde, NX Es el número de eventos peligrosos al año PX es la probabilidad de daños a la estructura LX son las pérdidas consecuentes

2.1

Hipótesis de Cálcul o

Para el cálculo se han tomado las siguientes hipótesis: 

La refinería está localizada en Pampilla, cerca de Lima (Perú) , con un nivel ceraúnico Ng, (número de impactos anual sobre el terreno / km 2) estimado de 1 según muestra el mapa:

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Figura 2 





Se asegura una continuidad entre las estructuras metálicas, tuberías y equipos de proceso (paneles locales, motores, bombas, intercambiadores…), estando todo conectado a la red general de tierras. Las torres, racks y estructuras garantizan un espesor superior a 4 mm. La torre de Agotador, la estructura del Reactor, el Horno de carga combinada y el Piperack se han considerado como terminaciones aéreas en base a los anteriores puntos y a la norma [3] apartado 5.1.3 que dice que “ Pueden emplearse como partes de un SPCR los componentes naturales hechos de materiales conductores que permanezcan siempre en la estructura y que no se modificarán (por ejemplo, armaduras de acero interconectadas, estructuras metálicas, etc..)”



Según los planos de clasificación de área se trata de una zona ATEX Clase 1 Zona 2.



Los cables que alimentan las cargas desde la Subestación U-61 van enterrados en zanja de hormigón.

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2.2

Datos de Entrada

En las siguientes tablas, se presentan las características de: 

Datos de la estructura: Tabla 1



Datos de las líneas de entrada: Tabla 2



Datos de las líneas de entrada de instrumentación y comunicaciones: Tabla 3

Parámetros

Comentario

Dimens iones (m)

–

L F A

Altura prominente

-

A

Factor Localización

Objetos alrededor de similar altura

C 

LPS Protección coordinada SPD contra sobretensiones Efectividad del apantallamiento Precaución en el cableado interno Densidad anual impactos Resistividad del suelo

Valor

Ref. norma

92 5216

Dato

p

39

Dato

d

0.5

Tabla A.1

1

Tabla B.2

1

Tabla B.3

1

B.5

0.01

Tabla B.5

b

b

-

PB

-

P SP D

No apantallado con precaución en el ruteado para evitar loops 1/km 2 /año Ω

m

Factor medioambiental

Rural

Riesgo de incend io

Explosión Zona 2

Personas presentes en la estructura Personas presentes en la zona Horas por año de personas presentes en la estructura

Símbolo b

S1

K 

K  S3

g

 N 

ρ

e

C 

r f 

1

600

Dato Dato

0.5

Tabla A.4

0. 1

Tabla C.5

-

ne

10

Dato estimado

-

nz

1

Dato estimado

-

tz

8760 (24h/día)

Según normativa

Tabla 1. Datos de la estructura

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Parámetros

Comentario

Símbolo

Valor

Ref. norm a

Longitud línea (m)

–

 L

410

Dato promedio

Enterrado

c  –

Altura (m)

-

-

Factor tipo linea

BT

C t

1

Tabla A.3

Factor instalación de la línea

enterrada

C 

0.01

Tabla A.2

P LD

1

Tabla B.8

C LD

0

Tabla B.4

C LI

0

Tabla B.4

K  S4

0.67

Ecuación B.7

45.6 20 10

Dato

1

Tabla A.1

Apantallamiento, aislamiento y puesta a tierra de la línea Tensión asignada soportada al impulso U w

-

w = 1,5 kV

U 

Dimensiones de la estructura al final de la línea “aj” (m)

-

Factor localización de la línea “aj”

Aislada

l

 L  W    H  aj aj aj

C  daj

Tabla 2. Datos de las líneas de entrada de po tencia

Parámetros

Comentario

Símbolo

Valor

Ref. norma

Longitud línea (m)

–

 L

410

Dato promediado

Enterrado

c  –

Altura (m)

 –

-

Factor instalación de la línea

enterrada

C 

l

0.01

Tabla A.2

P LD

1

Tabla B.8

C LD

0

Tabla B.4

C LI

0

Tabla B.4

K  S4

0.67

Ecuación B.7

45.6 20 10

Dato

1

Tabla A.1

Apantallamiento, aislamiento y puesta a tierra de la línea Tensión asignada soportada al impulso U w Dimensiones de la estructura al final de la línea “aj” (m) Factor localización de la líne “aj”

w = 1,5 kV

U 

Aislada

 L  W    H  aj aj aj C  daj

Tabla 3. Datos de las líneas de entrada de contr ol En este análisis se considera la zona con riesgo de explosión y con peligro para los alrededores y el medioambiente. La tabla siguiente muestra los parámetros asociados a la zona bajo estudio:

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Parámetros

Comentario

Peligr o especi al

Símbolo

Bajo Zona con riesgo de ex losión

Protección contra el fuego

Valor

Ref. norm a

hz

2

Tabla C.6

r p

1

Tabla C.4

Factor reducción por tipo de suelo

Hormigón

r t

0.01

Tabla C.3

Pérdidas por fallos internos sistema

Estructura con riesgo de explosión

LO

0.1

Tabla C.2

Pérdidas por V contacto  y Vpaso

Personas fuera estructura

Lt

0.01

Tabla C.2

Lf 

0.1

Tabla C.2

Estructura con riesgo de explosión

Pérdidas por daño físico

Tabla 4. Parámetros de la zona

2.3

Datos relevantes para el cálculo

Para el cálculo se deben definir las superficies de captura aparente de la estructura y las líneas así como el número de posibles eventos peligrosos. Las siguientes tablas muestran dichos datos: 

Superficies de captura: Tabla 5



Número de eventos peligrosos: Tabla 6 Ecuación De la estructura: = [ L × W  + 6 H  × ( L +

Símbolo

Valor (m 2 )

Ref. no rma

 A d

43005.3

Ecuación A.2

De la línea: = 40 x Lc

 A L

16400

Ecuación A.9

De la estructura cercana: = 2×500x(L+W)+  π   (500)2

 A M

9.25 e+5

Ecuación A.7

De la línea cercana: = 4000 x Lc

 A I

1.64 e6

Ecuación A.11

 A d

)+

W 

π 

 A L

 A M

 A I

(3  H ) 2 ]

Tabla 5. Datos de las superfi cies de captu ra Donde: Ad: Superficie de captación de descargas directa a una estructura (m2) AM: Superficie de captación de descargas de una estructura cercana (m2) AL: Superficie de captación de descargas en un servicio (m2) AI: Superficie de captación de descargas en un servicio cercano (m2)

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Ecuación De la estructura: =  N g   A d  C d ·

 N D



Símbolo

10 –6

De la línea:  N L =  N g   A l  C d  C t 

10 –6

De la estructura cercana: =  N g   A M  10 –6

 N M

De la línea cercana:  N I =  N g   A l  C L  C e   C t 

10 –6

Valor (1/año)

Ref. nor ma

ND

0.022

Ecuación A.4

NL

0.0001

Ecuación A.8

NM

0.9

Ecuación A.6

NI

0.0082

Ecuación A.10

Tabla 6. Número de eventos p eligros os Donde: ND: Numero de sucesos peligrosos por descargas en una estructura NL: Numero de sucesos peligrosos por descargas en un servicio Ni: Numero de sucesos peligrosos por descargas cerca de un servicio

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3. CÁLCULO DE RIESGO El cálculo de riesgo, se basa en analizar y valorar los efectos de la caída de un rayo. En un primer paso, se parte de la hipótesis de que no hay ningún sistema de protección contra el rayo (SPCR) instalado. a) Los parámetros que se analizan son: Parámetro

Símbolo

Ref. norma

Probabilidad de daños a seres vivos por rayos a estructuras (debido a Vp y Vc)

PA

Probabilidad de daños físicos por rayos a la estructura (es función del nivel de protección contra el rayo)

PB

Tabla B.2

Probabilidad de daños de los sistemas internos por rayos a la estructura (es función de la coordinación de las protecciones contra descargas)

PC

Ecuación B.2

Probabilidad de daños de los sistemas internos por caída de rayo cercano a la estructura (depende de las medidas de protección contra el rayo)

PM

Ecuación B.3

Probabilidad de daños a seres vivos por Vc debido a caída de rayos en una línea (depende del apantallamiento de la línea, de la tensión impulso soportada, del SPCR y de las medidas de protección)

PU

Probabilidad de daños físicos por rayos a línea (depende del apantallamiento de la línea, de la tensión impulso soportada y del SPCR)

PV

Probabilidad de daños a los sistemas internos por rayos a línea (depende del apantallamiento de la línea, de la tensión impulso soportada y del SPCR)

PW

Probabilidad de daños a los sistemas internos por caída de rayos cercanos a la línea (depende del apantallamiento de la línea, de la tensión impulso soportada y de las medidas tomadas)

PZ

Ecuación B.1

Ecuación B.8

Ecuación B.9 Ecuación B.10

Ecuación B.11

Tabla 7. Probabilidades de daños en la estructura sin proteger b) El análisis es el siguiente: 



La probabilidad de que un rayo impacte en los cables pudiendo originar tensiones de contacto peligrosas para las personas, o daños en los equipos o en los sistemas internos, queda anulada ya que la distribución de los cables se hace por zanja desde la subestación, y dentro de la unidad con conduit metálico o con bandeja con tapa. Y, por tanto, PU=PV=PW=0 La probabilidad de que la caída de un rayo cercano a los cables pueda inducir sobretensiones en la misma que influyan en los sistemas internos, se descarta puesto que la zanja donde van enterrados los cables es de hormigón e impide dichas inducciones. Y, por tanto, PZ =0

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Siendo así, y dado que el riesgo (R X) es directamente proporcional a la probabilidad de daño (P X) como se indicó en el apartado 2, las componentes de riesgo a analizar serán: R1= R A +RB + RM

Parámetro

Ecuación

Símbolo

Valor 

Ref. norma

Daño a seres vivos causadas por Vc o Vp

RA = N D × PA × L A

R A

2.15 e-10

Descargas a estructuras resultando daños físicos

RB = N D × P B × LB

RB

4.3 e-5

Tabla 6

Descargas cercanas a la estructuras resultando daños en los sistemas internos

R M = N D ×P M ×L M

RM

4.13 e-7

Tabla 6

4.3 e -5

R A +RB + RM

Riesgo total calculado

Tabla 6

Tabla 8. Resultado de las componentes de riesgo sin dispositivo SPCR

 Análi sis d e Resultados El Riesco calculado se debe comparar con el máximo tolerable que da la norma [2] para el R1 en su apartado 5.4:

R1

Riesgo Calculado

Riesgo Tolerable

Conclusión

4.3 e-5

1.00 e-5

Rc>Rt La estructura requiere instalar SPCR

Para determinar el tipo de protección se deben evaluar los valores de los riesgos individualmente para determinar aquellos que más influencia tienen:

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Gráfica 1. Influencia de los disti ntos componentes de Riesgo Según la gráfica el R A se considera despreciable, y son el R B y el RM los que impactan más. 1)

El RB (que representa un 99% del total) está directamente relacionado con el nivel de protección contra el rayo (LPL) de la instalación. La tabla B.2 de la norma [2] define estos valores.

2)

El RM (que representa un 0.95% del total) está relacionado con la coordinación de la protección (SPD) que se obtiene con los descargadores de sobretensión en relación con el nivel de protección contra el rayo (LPL). La tabla B.3 de la norma [2] define estos valores.

Dado el peso que tiene el RB, la primera medida a tomar para tratar de reducir el riesgo a un valor tolerable es instalar un sistema de protección contra descargas nivel IV. La tabla de resultados aplicando este criterio queda modificada del siguiente modo: Parámetro

Ecuación

Símbolo

Daño a seres vivos causadas por Vc o Vp

R A = N D × PA ×L A

R A

Descargas a estructuras resultando daños físicos

R B = N D ×PB × LB

RB

Descargas cercanas a la estructuras resultando daños en los sistemas internos

R M = N D × P M ×LM

RM

Riesgo t otal calculado

R A +RB + RC + RM

Valor  Ref. norma 4.3e-11

Tabla 6

8.6 e-6

Tabla 6

4.13 e-7

Tabla 6

9.01 e -6

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4. CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS DE RIESGO La instalación de un sistema de protección nivel IV dota a la Unidad 26 de la protección necesaria para que las consecuencias de la descarga de un rayo no tengan efectos negativos. En el siguiente apartado se va a describir el diseño del SPCR que requiere ser instalado en el área de HDS de Destilados Medios, U-26.

5. DISEÑO SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO (SPCR) El SPCR externo debe estar diseñado para interceptar descargas directas del rayo a la estructura, incluyendo los laterales y conducir la descarga a tierra. Con la aplicación de estos sistemas se pretende dispersar la corriente por la tierra sin causar daños térmicos ni mecánicos o chispas que pueden provocar incendios o una explosión. Así pues, se van a describir a continuación los elementos que se requieren; sistemas de terminación aérea, conductores de las bajantes, sistema de terminación de tierras y distancia de separación a)

Lo que la norma define como sistema de terminación aéreo ( air-termination system) son aquellos elementos que harán que su presencia disminuya la penetración de rayos en la estructura. Así se podrá usar picas, hilos de catenarias o conductores enlazados, siendo el modo en que estos elementos , individualmente o combinados, se posicionen lo que defina el método a usar: - Método de protección de ángulo - Método de la espera rodante - Método de malla En este estudio, y dada la geometría de la estructura a proteger se va a aplicar el método de la esfera rodante a través de las puntas verticales tipo Franklin. El objetivo de este método es asegurar que las puntas Franklin están situadas de tal modo que ningún punto del volumen a proteger estará en contacto con la esfera que deslice rodando por el suelo y por el perímetro de la parte más alta de todas las estructuras y en todas las direcciones posibles.

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Figura 3. Ejemplo de Esfera rodante

El radio de estas esferas deberá ser de 60m por ser un sistema de protección clase IV (tabla 2, [3]). Las puntas verticales están definidas por el contacto de la esfera en las estructuras: el punto de impacto de rayo ocurre donde la esfera rodante toca la estructura y en ese punto es requerida la instalación de un sistema de terminación aéreo. La verificación se considerará realizada cuando las esferas toquen dos puntas o una punta y tierra. En el caso de que un elemento se considere “terminal aéreo natural” no se requerirá instalar una punta sobre él, puesto que dada la naturaleza del mismo se comporta como una punta. Dichos elementos deben garantizar los requerimientos que se citan el en apartado 5.3.5 [3], tales como, garantizar la continuidad eléctrica, espesores de acero superiores a 4mm y ausencia de revestimientos de material aislante Siguiendo estas exigencias, se instalarán 2 puntas Franklin: Estructura A Depósito de la Antorcha  

En los planos de tierra [6] se podrá ver en detalle la posición y características de estas puntas, no obstante en el Anexo 1 se han incluido algunas vistas elaboradas para el estudio con las esferas rodantes. b)

Los conductores bajantes son los que conectan las puntas Franklin con la red de tierra. Se usará cable desnudo de 70mm2 según [5]. Los terminales aéreos naturales descritos son también considerados como bajantes naturales por lo 26P2144281.RA

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que no se requiere instalar cables para este propósito. Para las bajantes conductoras del resto de la unidad, al tratarse de un área clasificada se debe tomar la siguiente precaución indicada en el Anexo D de la [3] que dice que “ Todas las partes externas de un SPD (terminación aérea y conductores bajantes) deben estar separados al menos a 1m de una zona clasificada, donde sea posible. Si no, el paso de conductores deberá ser continuo o si existen conexiones estas deberán ser tipo atornilladas, compresión o soldadas ”. Se trata de hacer

conexiones seguras, que no puedan soltarse. Cada bajante debe ir equipada con un puente de prueba que facilite la medición de la resistencia a tierra. c)

El sistema de terminación de tierras estará formado por un anillo perimetral enterrado con sus picas, al cual se unirán los embarrados de tierras, así como los mallazos de los pilares, las bancadas y las bajantes conductoras antes mencionadas. Con todo este conjunto interconectado, en caso de caída directa de rayo en la estructura no habría ningún defecto por sobretensión ya que se tiene una equipotencialidad de todos los elementos.

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 ANEXO 1

IMPLANTACIÓN Y VISTAS

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Refinería La Pampilla

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