estudio de corto circuito

"INGENIERA, COMPRAS, CONSTRUCCIN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIN DE LAS OBRAS REQUERIDAS PARA LA IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DE ENERGA Y VAPOR DEL PROYECTO PLAN MAESTRO DE SERVICIOS INDUSTRIALES (PMSI) DE LA GERENCIA REFINERA BARRANCABERMEJA

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ESTUDIO DE ALTERNATIVAS NIVEL DE CORTOCIRCUITO

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-Rev. FECHA

DATE

OBJETO

OBJECT

ELABOR / BY

Iniciales/Initials

REVIS/ REWD.

Iniciales/Initials

APROB/

APVD

Iniciales/Initials

A 11/13/2012 EMISIN PARA COMENTARIOS GERS S.A.

(HQ/RD/CM/JR) GS BG

B 01/25/2013 INCLUIDOS COMENTARIOS GERS S.A.

(HQ/RD/CM/JR) GS BG

0 04/03/2013 EMISIN FINAL GERS S.A.

(HQ/RD/CM/JR) CL BG


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TABLA DE CONTENIDO

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1. INTRODUCCIN ............................................................................................................................... 3

2. OBJETIVO ......................................................................................................................................... 4

2.1. IDENTIFICACIN DE LA OBRA ....................................................................................................... 4 3. DOCUMENTOS DE REFERENCIA .................................................................................................. 5

4. CDIGOS Y ESTNDARES ............................................................................................................. 7

5. PREMISAS DE DISEO Y CONSIDERACIONES ........................................................................... 7

6. METODOLOGA PARA LOS ESTUDIOS ......................................................................................... 7

7. MODELADO DEL SISTEMA ............................................................................................................. 9

7.1. DATOS INICIALES ............................................................................................................................ 9 7.2. ELEMENTOS ELCTRICOS ........................................................................................................... 12 7.2.1. TRANSFORMADORES ................................................................................................................... 12 7.2.2. MOTORES ....................................................................................................................................... 13 7.2.3. ALIMENTADORES Y CABLES ....................................................................................................... 14 7.2.4. GENERADORES ............................................................................................................................. 14 8. DESARROLLO DE LOS ESTUDIOS .............................................................................................. 15

8.1. EVALUACIN DE LAS TOPOLOGAS ........................................................................................... 15 8.1.1. DESCRIPCIN DE LAS TOPOLOGAS ......................................................................................... 16 8.1.2. RESULTADOS DE CONFIABILIDAD .............................................................................................. 22 8.2. ALTERNATIVAS PROPUESTAS .................................................................................................... 24 8.2.1. DEFINICIN DE ALTERNATIVAS .................................................................................................. 24 8.3. EVALUACIN TCNICA DE LAS ALTERNATIVAS....................................................................... 25 8.3.1. ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO ................................................................................................... 25 8.3.1.1. RESULTADOS OBTENIDOS .......................................................................................................... 27 9. ESTUDIO DE SELECCIN DE ALTERNATIVAS........................................................................... 32

9.1. ESTUDIO DE FLUJO DE CARGA Y CONFIABILIDAD .................................................................. 32 9.1.1. RESULTADOS DE FLUJO DE CARGA .......................................................................................... 33 9.1.2. RESULTADOS DE CONFIABILIDAD .............................................................................................. 35 9.2. MTODO SCORING ....................................................................................................................... 35 9.3. DESCRIPCIN DE CRITERIOS DE EVALUACIN....................................................................... 37 9.4. APLICACIN DE LA MATRIZ MULTIATRIBUTO ........................................................................... 38 9.5. DESCRIPCIN DE ALTERNATIVAS EN FUNCIN DE LAS VARIABLES................................... 41 9.5.1. ALTERNATIVA 1.............................................................................................................................. 41 9.5.2. ALTERNATIVA 2.............................................................................................................................. 42 9.5.3. ALTERNATIVA 3.............................................................................................................................. 44 9.6. PRESENTACIN RESULTADOS DE LA MATRIZ ......................................................................... 45 10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 47

11. ANEXOS .......................................................................................................................................... 48


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1. INTRODUCCIN

El objetivo general del proyecto de Energa y Vapor en la Refinera de Barrancabermeja es aumentar la confiablidad y la eficiencia en la generacin de los Servicios Industriales en el sistema de Energa y Vapor en la Refinera y disminuir el impacto ambiental. Con el fin de actualizar tecnolgicamente la generacin de energa elctrica y optimizar la generacin de vapor, el proyecto contempla la instalacin de una unidad de cogeneracin U-5100 constituida principalmente por un turbogenerador a gas TG-5100, de 35 MW, acoplado a una caldera de recuperacin de calor (HRSG), con post combustin, B-5100. El nuevo turbogenerador a gas reemplazar, parcialmente, a los actuales turbogeneradores TG901/2/3, TG-951/2 y TG-2401/2/3, los cuales estn interconectados a travs de del sistema principal, tambin unido con el rea de la Unidad de Balance. Aunque no es parte del alcance del CIISC, debe tenerse en cuenta que en Unidad de Balance, se realizar la repotenciacin del TG-2961, llevndolo a una capacidad de 42 MW. Con esta reforma, adicional a la planeada a ejecutar en rea de refinera, se reemplaza totalmente la generacin elctrica que ser eliminada con el desmantelamiento de los turbogeneradores ya sealados. Teniendo en cuenta que el estudio de cortocircuito desarrollado en la Ingeniera Bsica para este efecto arroj como resultado el aumento de los niveles de cortocircuito en el anillo de 34.5 KV, para falla monofsica, cuando el sistema elctrico de la GRB est en sincronismo con el sistema de respaldo (STN), y dicho aumento supera la capacidad de interrupcin de los equipos en las subestaciones ET-005 y ET-009, el CIISC en su Ingeniera de detalle debe plantear las alternativas posibles, seleccionar y desarrollar la mejor alternativa que permita corregir esta condicin, con el fin de garantizar los requerimientos de proteccin integral del sistema elctrico de la GRB para su operacin normal y en contingencias (entrada del STN como respaldo).


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2. OBJETIVO

El objetivo del presente documento es plantear, evaluar y seleccionar la mejor alternativa a implementar en el sistema elctrico de la GRB con el fin de disminuir los altos niveles de cortocircuito, que de acuerdo con la ingeniera bsica se presentarn con la entrada del proyecto PMSI Energa y Vapor. Las alternativas planteadas sern evaluadas tcnica y econmicamente, para seleccionar la alternativa ptima para la disminucin de niveles de cortocircuito. La evaluacin tcnica contempla la viabilidad de implementacin y adicionalmente la realizacin de simulaciones de flujo de carga, cortocircuito y confiabilidad en el caso ms crtico (en este caso la ETAPA III del proyecto PMSI Energa y Vapor) para evaluar los niveles de cortocircuito del sistema. La evaluacin econmica contempla la elaboracin de un estimado de costos de suministro e instalacin de los equipos planteados por cada alternativa. La evaluacin en definitiva ser realizada por medio del mtodo Scoring de seleccin de alternativas, para determinar la ms adecuada a ser implementada.

2.1. IDENTIFICACIN DE LA OBRA

Cliente: ECOPETROL, Gerencia Refinera Barrancabermeja (GRB). Nombre del Proyecto: INGENIERA, COMPRAS, CONSTRUCCIN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIN DE

LAS OBRAS REQUERIDAS PARA LA IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DE ENERGA Y VAPOR DEL PROYECTO PLAN MAESTRO DE SERVICIOS INDUSTRIALES (PMSI) DE LA GERENCIA REFINERA BARRANCABERMEJA.

Ubicacin: Barrancabermeja, Santander - Colombia.


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3. DOCUMENTOS DE REFERENCIA

El estudio se realiz con base en la siguiente informacin recibida por parte del CIISC y/o de ECOPETROL:

[1] 1244_54-00-RT-1600-02_1 DETERMINACIN DE CAPACIDADES, NDICES Y GRUPOS

DE CONEXIN DE LOS NUEVOS TRANSFORMADORES Y CIRCUITOS DE INTERCONEXIN. Rev. 1 - 25/03/11

[2] 1244_54-00-RT-1600-04_0 ESTUDIO DE INTERCONECTIVIDAD A SISTEMAS

EXISTENTES. Rev. 0 - 30/03/11

[3] 1244_54-03-CN-1651-02_2 ANLISIS DE CORTOCIRCUITO. Rev. 2 - 28/03/11 [4] 1244_54-03-CN-1651-06_1 ANLISIS DE CONFIABILIDAD ELCTRICA.

Rev. 1 - 02/05/11 [5] 1244_54-00-RT-1600-01_0 BALANCE GENERACIN DEMANDA SISTEMA ELCTRICO

DE ECOPETROL GRB. Rev. 0 - 26/11/10 [7] 1244_54-03-CN-1651-01_1 ANLISIS DE FLUJO DE CARGA. Rev. 1 - 14/01/11 [8] 1244_54-03-CN-1651-04_0 ANLISIS DE ARRANQUE DE MOTORES.

Rev. 0 - 13/01/11 [9] 1244_54-03-RT-1600-01_0 EVALUACIN DE NIVELES DE FALLA SISTEMA ELCTRICO

REFINERA BARRANCABERMEJA. Rev. 0 - 30/01/12 [10] SIN NMERO ESTUDIOS ELCTRICOS PARA DETERMINAR LA MEJOR

CONFIGURACIN ELCTRICA DE LA SUBESTACIN DE 230 kV CONSIDERANDO CONEXIN AL STN Y FUTURA GENERACIN EN SITIO. Rev. C - 03/11/12

[11] 1244_54-03DW-1652-08-01_0 U-2400/ET-003 NUEVAS BOMBAS SISTEMA DE VAPOR

DIAGRAMA UNIFILAR Rev. 0 - 08/03/11 [12] 1244_54-03-DW-1652-01-01_0 DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL INTERCONEXIN

ELCTRICA G.R.B Rev. 0 - 09/03/11 [13] 1244_54-03-DW-1652-06-01_1 SUBESTACIN ET-220 NUEVA PLANT DE COGENERACIN

DIAGRAMA UNIFILAR. Rev. 1 - 28/03/11 [14] 1244_54-03-DW-1652-05-01_0 SUBESTACIN ET-008 DIAGRAMA UNIFILAR.

Rev. 0 - 25/02/11 [15] 1244_54-03-DW-1652-04-01_0 SUBESTACIN ET-009 DIAGRAMA UNIFILAR.

Rev. 0 - 23/02/11


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[16] 1244_54-03-DW-1652-03-02_1 U-2400 SUBESTACIN ELCTRICA CENTRAL DEL NORTE

DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL 6.3 kV BUS B. Rev. 1 - 18/11/11

[17] 1244_54-03-DW-1652-02-01_0 SUBESTACIN ET-004 DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL.

Rev. 0 - 25/02/11 [18] 1244_54-03-DW-1652-03-01_1 U-2400 SUBESTACIN ELCTRICA CENTRAL DEL NORTE

DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL 6.3 kV. Rev. 1 - 18/03/11 [19] 1244_54-03-DW-1652-11-01_0 DESMANTELAMIENTO SUBESTACIN U-2400 UNIFILAR

BARRA A 6300. Rev. 0 - 15/03/11 [20] 1244_54-03-DW-1652-11-02_0 DESMANTELAMIENTO SUBESTACIN U-2400 UNIFILAR

BARRA B. Rev. 0 - 15/03/11 [21] 1244_54-03-DW-1652-11-05_0 DESMANTELAMIENTO SISTEMA DE EXCITACIN Y

PROTECCIN TG-2401 / 02 / 03 U-2400. Rev. 0 - 15/03/11 [22] 1244_54-03-DW-1652-12-01_0 DESMANTELAMIENTO UNIFILAR GENERAL U-2400.

Rev. 0 - 15/03/11 [23] 1244_54-03-DW-1652-13-01_0 DESMANTELAMIENTO UNIFILAR BARRA A 2400V ET-004.

Rev. 0 - 15/03/11 [24] 1244_54-03-DW-1652-13-02_0 DESMANTELAMIENTO UNIFILAR BARRA B 2400V ET-004.

Rev. 0 - 15/03/11 [25] 1244_54-03-DW-1652-13-03_0 DESMANTELAMIENTO UNIFILAR BARRA C 2400V ET-004.

Rev. 0 - 15/03/11 [26] 1244_54-03-DW-1652-13-04_0 DESMANTELAMIENTO UNIFILAR BARRA E 2400V ET-004.

Rev. 0 - 15/03/11 [27] 1244_54-03-DW-1652-14-01_0 DESMANTELAMIENTO UNIFILAR 480V ET-003.

Rev. 0 - 15/03/11 [28] 1244_54-03-DW-1652-07-01_0 SUBESTACIN ET-005 DIAGRAMA UNIFILAR 34.5 kV.

Rev. 0 - 08/03/11 [29] SOM6636234_A_1 GENERATOR DATA SHEET & CHARACTERISTIC CURVES

U-5100 PLANTA DE COGENERATION. Rev. 1 01/08/12


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4. CDIGOS Y ESTNDARES

Los anlisis y estudios elctricos realizados, contemplan las normas internacionales que se indican a continuacin:

Instituto Colombiano de Normas Tcnicas (ICONTEC).

National Electrical Code (NEC).

American National Standards Institute (ANSI).

National Electrical Manufacturers Association (NEMA).

Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE).

Insulated Cable Engineers Association (ICEA).

International Electrotechnical Commission (IEC).

Reglamento Tcnico de Instalaciones Elctricas. (RETIE).

5. PREMISAS DE DISEO Y CONSIDERACIONES

El estudio se realiza con base en las siguientes consideraciones y premisas de diseo:

1. De acuerdo con instrucciones recibidas de ECOPETROL, el alcance se centrar exclusivamente en las etapas I, II, III y IV del proyecto de Energa y Vapor. Otros proyectos en curso y proyectos futuros (relacionados con los futuros turbogeneradores de la subestacin ET-004) debern tomar el presente estudio como dato de entrada para realizar los ajustes correspondientes particulares para cada proyecto, una vez estos cuenten con la informacin relevante sobre los mismos.

2. Los anlisis de las alternativas de solucin para disminuir los altos niveles de cortocircuito, se realizarn en la ETAPA III del proyecto de Energa y Vapor, debido a que es la etapa que presenta los niveles de cortocircuitos ms altos. En ese orden de ideas, la solucin que se obtenga para esta etapa cumplir para las dems.

3. El equivalente de red ubicado en la subestacin comuneros de 230 kV, se calcul con la base de datos del STN que GERS posee, la cual se encuentra actualizada con los proyectos del plan de expansin oficial de la UPME.

4. En los anlisis de los estudios realizados para el proyecto de Energa y Vapor, no se tiene en cuenta el nuevo proyecto de generacin que considera la entrada en operacin de la planta Coke, ni tampoco el proyecto de generacin en la subestacin ET-004. Lo anterior fue decidido en comn acuerdo entre ECOPETROL, el CIISC y la gestora.

5. En los anlisis realizados se tienen en cuenta los transformadores de puesta a tierra que actualmente se encuentran instalados en las barras A, B y C de 2.4kV de la Subestacin ET-004.

6. La interconexin con el Sistema de Transmisin Nacional STN y los parmetros tcnicos de los elementos que forman parte de la subestacin Magdalena Medio se modelaron de acuerdo al documento ESTUDIOS ELCTRICOS PARA DETERMINAR LA MEJOR CONFIGURACIN ELCTRICA DE LA SUBESTACIN DE 230 kV CONSIDERANDO CONEXIN AL STN Y FUTURA GENERACIN EN SITIO realizado por GERS en 2011.

7. La capacidad de interrupcin de los equipos a instalar en el barraje a 13.8 kV de la nueva subestacin ET-220 es de 50kA.

6. METODOLOGA PARA LOS ESTUDIOS


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Para evaluar y seleccionar la alternativa a implementar para limitar los niveles de cortocircuito en el sistema elctrico de la GRB se utiliz un mtodo cuantitativo multicriterio denominado Scoring, en el cual se realiza un anlisis tcnico y econmico sobre cada alternativa propuesta evaluando la ventaja y desventaja de cada una. El detalle de la metodologa Scoring se presenta en el captulo 9 del presente documento. El anlisis tcnico de cada alternativa propuesta se realiz a travs de simulaciones de Flujo de Carga, Cortocircuito y Confiabilidad con el fin de evidenciar la disminucin de los niveles de cortocircuito con cada alternativa propuesta sin afectar los niveles de tensin del sistema ni los ndices de confiabilidad de suministro de potencia que actualmente posee el sistema elctrico de la refinera. Para llevar a cabo el anlisis tcnico, se evaluaron tres (3) topologas de operacin del sistema elctrico de la GRB para definir una topologa base sobre la cual se propusieron las alternativas de solucin a los altos niveles de cortocircuito. Una vez se determine la topologa base de operacin del sistema elctrico de la GRB, sobre esta topologa se propusieron cuatro (4) alternativas de solucin a los altos niveles de cortocircuito, las cuales se evaluaron inicialmente con simulaciones de cortocircuito para descartar las alternativas que no cumplieran con este aspecto. Una vez se determinen las alternativas que cumplen con la disminucin de los niveles de cortocircuito, se procedi a realizar la evaluacin tcnico-econmica a travs de la metodologa Scoring. Finalmente, la alternativa que obtenga un mejor desempeo ser recomendada a implementar en el sistema elctrico de la GRB para realizar los anlisis elctricos detallados en la segunda fase del proyecto. Todos los anlisis tcnicos mencionados se realizaron utilizando el software de anlisis de sistemas de potencia NEPLAN de BCP con sede en Suiza, el cual utiliza metodologas propuestas en las normas internacionales ANSI/IEEE e IEC, para la realizacin de este tipo de estudios. GERS es actualmente el representante tcnico de este programa para Amrica Latina y Centroamrica, tal como lo puede confirmar la firma BCP en la direccin www.neplan.ch.


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7. MODELADO DEL SISTEMA

Para la realizacin de los anlisis y estudios elctricos, se tom como punto de partida el sistema elctrico de ECOPETROL GRB, el cual haba sido modelado en su totalidad y actualizado para estudios anteriores por parte de GERS. A partir de la base de datos mencionada, se actualiz el sistema elctrico incluyendo los elementos y/o subestaciones del proyecto PMSI Energa y Vapor, el cual ser implementado en las siguientes etapas como lo muestra la Figura 1.

Etapa 1: Repotenciacin de la unidad TurboGas TG-2961 de 24 MW a 42 MW.

Etapa 2: Entrada en operacin de la nueva unidad de cogeneracin TG-5100 de 35 MW, la respectiva subestacin ET-220 34.5/13.8kV y las facilidades de conexin a los diferentes centros de carga (ET-004, U-2400, ET-009).

Etapa 3: Interconexin con el Sistema de Transmisin Nacional STN a travs de la S/E ET-005; dicha interconexin se realizar por medio de dos circuitos a 34.5 kV provenientes de la nueva Subestacin Regional del Magdalena Medio 230/115/34.5 kV.

Etapa 4: Salida de operacin secuencial de las tres unidades de generacin de la Central del Norte U-2400 TG-2401, TG-2402, TG-2403.

Figura 1 Etapas para la implementacin del PMSI Energa - Vapor1

7.1. DATOS INICIALES

Para el modelado del sistema elctrico en los estudios considerados, se hizo uso de la informacin tcnica existente en la base de datos de NEPLAN que se posee de estudios anteriores y la suministrada por parte del CIISC y/o ECOPETROL, correspondiente a las caractersticas elctricas de los equipos a implementar en el proyecto, como

1 De acuerdo al documento ESTUDIO DE INTERCONECTIVIDAD A SISTEMAS EXISTENTES Rev. 0


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conductores, transformadores de potencia, motores y salidas tipo alimentador. La informacin tcnica correspondiente al sistema elctrico se relaciona a la consignada en planos y documentos en general, mencionados en el captulo 3 del presente documento. Bsicamente, los nuevos componentes a modelar, adicionales al sistema existente y teniendo en cuenta las unidades de generacin que salen de servicio son los siguientes:

Una unidad de cogeneracin TG-5100 de 35 MW.

Un transformador 25 MVA 13,8/6,3 kV a instalar en la subestacin U-2400.

Un transformador 25 MVA 13,8/6,3 kV a instalar en la subestacin ET-004 barra E.

Un transformador 15 MVA 13,8/6,3 kV a instalar en la subestacin ET-004 barra D.

Dos transformadores 45 MVA 34,5/13.8 kV a instalar en la nueva S/E ET-220.

Interconexin con el Sistema de Transmisin Nacional STN a travs de dos enlaces de 50 MW a 34,5 kV c/u.

La unidad TurboGas TG-2961 se considera repotenciada de 24 a 42 MW El resumen de la informacin tcnica correspondiente a los elementos mencionados anteriormente, se presenta en el anexo 1 en forma de tablas. En la Figura 2 se presenta el diagrama unifilar del sistema elctrico principal de la GRB considerando la Etapa 3 descrita anteriormente, etapa sobre la cual se llevaron a cabo todos los estudios elctricos.


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ECP-01

ET-009

ET-008

ET-006

ET-005

U-2400

U-2950

ET-220

ET-010

COMUNEROS

ET-004

MAGDALENAMEDIO

U-2960

ET-007

NIVELES DE TENSIN

230 kV

34.5 kV

13.8 kV

6.3 kV

E2

E1

F1

F2

AB

D1

D2

D3

Figura 2 Diagrama Unifilar ECOPETROL GRB Etapa 3 PMSI Energa y Vapor


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Para interpretar correctamente los diagramas del software NEPLAN, es importante tener en cuenta la posicin de abierto-cerrado de los interruptores. Donde el cuadro sin relleno corresponde a interruptor abierto y cuadro con relleno corresponde a interruptor cerrado. Las flechas corresponden a las cargas y el cuadro con achurado representa el equivalente de red. El software utilizado hace uso de esta nomenclatura que se presenta en la Figura 3 presentada a continuacin:

Interruptor lgico cerrado

Alimentador Red

feeder

Nodo Nodo

Nodo Lnea

Interruptor lgico abierto

Subestacin

Figura 3 Representacin Grfica del Software NEPLAN

7.2. ELEMENTOS ELCTRICOS

A continuacin se presentan las consideraciones que se tuvieron en cuenta para el modelado de los elementos elctricos, a los cuales hace referencia este informe. Los tems siguientes hacen referencia a los modelos bsicos que en general se utilizaron para modelar el sistema elctrico.

7.2.1. TRANSFORMADORES

Los transformadores se modelaron con la informacin tcnica respectiva y las recomendaciones de la norma ANSI/IEEE C37.010 en cuanto a la relacin X/R. Por lo general los valores de reactancia X y R se desconocen, pero teniendo el valor de la impedancia de cortocircuito (Zcc) y las bases del transformador se pueden determinar. Para lo anterior se emplea la grfica caracterstica de la relacin X/R de transformadores (ANSI/IEEE C37.010.), la cual se muestra en la Figura 4 y las siguientes expresiones:


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RX

RX

RX

ZR

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Figura 4 Relacin X/R de Transformadores

7.2.2. MOTORES

El programa NEPLAN permite discriminar los motores de acuerdo a las categoras ANSI/IEEE utilizando el concepto de grupos. Los motores se discriminan, de acuerdo a la norma ANSI/IEEE, en cinco grupos segn su potencia nominal, para establecer su grado de contribucin al cortocircuito y el ciclo hasta el cual contribuyen al nivel de falla.

1. Motores sincrnicos. 2. Motores mayores de 1000 hp a 1800 r.p.m o menos. 3. Motores mayores de 250 hp a 3600 r.p.m. 4. Motores de 50 hp y mayores no incluidos en los casos anteriores. 5. Motores menores de 50 hp.

La relacin X/R de los motores se obtiene de la grfica caracterstica de la Figura 5, correspondiente a la norma ANSI/IEEE C37.010.


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Figura 5 Relacin X/R de Motores de Induccin

7.2.3. ALIMENTADORES Y CABLES

Las caractersticas tcnicas de los cables (R y X) de media tensin y baja tensin empleados en el modelado, corresponden a las calculadas por GERS utilizando la metodologa correspondiente al libro Transmission and Distribution de la Westinghouse y utilizadas en estudios anteriores para la GRB, mientras que las longitudes y tipos de los conductores elctricos nuevos, corresponden a los datos suministrados por el CIISC y/o ECOPETROL.

7.2.4. GENERADORES

Las caractersticas tcnicas de la nueva unidad de generacin U-5100, para el modelo en el sistema elctrico de ECOPETROL GRB, modelado en NEPLAN, se basan en el documento data sheet & Characteristic curves que se nos suministr. Los datos de la mquina son los que se muestran a continuacin: Rated Voltage: 13800 V Rated Output: 52000 kVA, at p.f. 0.80 Speed: 1800 rpm Rated Current: 2176 A Rated temperature: 15 C, ambient Gen. Stator resistance: 0.0071 Ohm, at 20 C Gen. Rotor resistance: 0.0926 Ohm. at 20 C Exc. Stator resistance: 5.4 Ohm, at 20 C


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REACTANCIAS Unsatured: d-axis synchronous: 2.01 p.u. transient: 0.29 p.u. sub transient: 0.20 p.u. q- axis synchronous: 1.07 p.u. sub transient: 0.25 p.u. Negative sequence: 0.22 p.u. Zero sequence: 0.11 p.u. Potier reactance: 0.31 p.u. Leakage reactance: 0.13 p.u. Short Circuit Ratio: 0.52 Satured: d-axis synchronous: 1.75 p.u. transient: 0.24 p.u. sub transient: 0.16 p.u. q- axis synchronous: 0.93 p.u. sub transient: 0.21 p.u. Negative sequence: 0.19 p.u. 8. DESARROLLO DE LOS ESTUDIOS

Para la realizacin de los anlisis, se parti de la evaluacin de varias topologas de operacin del sistema principal de la red de la refinera de ECOPETROL, para escoger la que sera la topologa base, teniendo en cuenta el proyecto Energa y Vapor. Paso seguido de la seleccin de la topologa de operacin base, se realiz el anlisis de las alternativas de solucin sobre esta topologa, las cuales tenan como primer objetivo disminuir los niveles de cortocircuito altos que estn sobrepasando las capacidades de los interruptores asociados al sistema principal de ECOPTROL GRB. Para cada una de las alternativas, se realiz en primera instancia el anlisis de cortocircuito para verificar la disminucin de los niveles de cortocircuito, despus de este primer anlisis, a las topologa que cumplieran el requerimiento de bajar el nivel de cortocircuito teniendo en cuenta la capacidad de los interruptores, se les realiz los anlisis de flujo de carga y confiabilidad para poder verificar el comportamiento adecuado del sistema teniendo en cuenta cada una de las topologas. Finalmente se realiz la evaluacin de las alternativas por medio del mtodo Scoring.

8.1. EVALUACIN DE LAS TOPOLOGAS

La evaluacin de las alternativas se realiz por medio del anlisis de confiabilidad del sistema, teniendo en cuenta como primera medida el ndice Q (No disponibilidad de la carga total del sistema), y como segunda medida el ndice W (Energa total no suministrada). Adems de lo anterior, se verific que con la entrada del proyecto Energa y Vapor, se est mejorando la confiabilidad del sistema, el cual es el objetivo principal del proyecto.


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8.1.1. DESCRIPCIN DE LAS TOPOLOGAS

A continuacin se presenta una descripcin de cada una de las topologas a evaluar. Topologa 1:

Unidades de generacin TG-2401, TG-2402 y TG-2403 de S/E la U-2400, se encuentran desconectadas.

El acople de barras a 6.3kV entre las barras U2400A y U2400B abierto y el reactor cerrado.

Los dos (2) enlaces a 6.3kV entre la barra U2400A y las barras ET-004E y ET-004F, abiertos.

Enlace a 34.5 kV entre la S/E ET-008 y S/E ET-009 abierto.

Enlace a 6.3 kV entre la barra ET-004E y ET-004F, cerrado.

Enlace a 6.3 kV entre la barra ET-004D y ET-004E, abierto.

Enlace a 34.5 kV entre la S/E ET-220 y S/E ET-009 cerrado.


Los transformadores de 13.8/6.3 kV que sirven como interconexin entre la S/E ET-220 con la S/E U-2400 y

S/E ET-004, se encuentran cerrados.




Los dos (2) enlaces a 34.5kV entre la S/E ET-005 y S/E Magdalena Medio cerrados.

Los dos (2) enlaces a 34.5kV entre la S/E ET-005 y la S/E ECP-01 abiertos (conexin con Termobarranca).

En la Figura 6 se presenta el diagrama del sistema principal de ECOPETROL GRB con la topologa 1.


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ECP-01

ET-009

ET-008

ET-006

ET-005

U-2400

U-2950

ET-220

ET-010

COMUNEROS

ET-004

MAGDALENAMEDIO

U-2960

ET-007

NIVELES DE TENSIN

230 kV

34.5 kV

13.8 kV

6.3 kV

Elemento Desconectado

E2

E1

F1

F2

AB

D1

D2

D3

Figura 6: Topologa de operacin 1


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Topologa 2:


El acople de barras a 6.3kV entre las barras U2400A y U2400B abierto y el reactor cerrado.

Los dos (2) enlaces a 6.3kV entre la barra U2400A y las barras ET-004E y ET-004F, abiertos.


Enlace a 6.3 kV entre la barra ET-004E y ET-004F, cerrado.













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ECP-01

ET-009

ET-008

ET-006

ET-005

U-2400

U-2950

ET-220

ET-010

COMUNEROS

ET-004

MAGDALENAMEDIO

U-2960

ET-007

E2

E1

F1

F2

AB

D1

D2

D3

NIVELES DE TENSIN

230 kV

34.5 kV

13.8 kV

6.3 kV




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Topologa 3: Topologa recomendada en la ingeniera bsica.


El acople de barras a 6.3 kV entre las barras U2400A y U2400B abierto y el reactor abierto.

Los dos (2) enlaces a 6.3 kV entre la barra U2400A y las barras ET-004E y ET-004F, abiertos.


Enlace a 6.3 kV entre la barra ET-004E y ET-004F, abierto.













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ECP-01

ET-009

ET-008

ET-006

ET-005

U-2400

U-2950

ET-220

ET-010

COMUNEROS

ET-004

MAGDALENAMEDIO

U-2960

ET-007

E2

E1

F1

F2

AB

D1

D2

D3

NIVELES DE TENSIN

230 kV

34.5 kV

13.8 kV

6.3 kV




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8.1.2. RESULTADOS DE CONFIABILIDAD

Los resultados del anlisis de confiabilidad presentados en el informe, corresponden a las simulaciones del sistema elctrico realizadas en el programa NEPLAN, considerando la metodologa internacional de este anlisis. Para la realizacin de los anlisis de confiablidad se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones:

Se consider solo el sistema elctrico principal de la refinera y las interconexiones; los dems elementos que no pertenezcan al sistema principal de la GRB, como lo son las plantas de proceso y redes externas se consideraron como ideales, con el fin de evaluar la confiabilidad de la red principal de la GRB.

Se consideran solo fallas simples en el sistema (criterio N-1) de acuerdo al Std. IEEE 141 numeral 2.3.3., el cual contempla que los sistemas de potencia son diseados para tolerar una contingencia simple.

No hay deslastre de carga en el sistema elctrico, para el anlisis de confiabilidad se considera que es preferible una operacin con bajos niveles de tensin.

Se consideran los siguientes tiempos de suicheo:

Tiempo suicheo remoto: 1 min. Tiempo suicheo manual: 15 min.

Los resultados obtenidos en el anlisis de confiabilidad realizado para cada una de las topologas de operacin, se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1 ndices de confiablidad

ndice Unidad Operacin

actual Topologa 1 Topologa 2 Topologa 3 Descripcin

F 1/ao 0.916 1.458 1.458 1.507 Frecuencia de interrupcin de la

carga total del sistema

T h 24.958 5.867 5.869 11.275 Duracin media de interrupcin de

la carga total del sistema

Q min/ao 1371.78 513.23 513.34 1019.19 No disponibilidad de la carga total

del sistema

P MW/ao 84.69 136.74 136.74 141.29 Potencia de carga interrumpida

total

W MWh/ao 1427.87 104.75 602.11 202.23 Energa de carga total no

suministrada


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En la tabla 1, en donde se resumen los resultados del anlisis de confiabilidad, se observa un aumento en los ndices (F) y (P), aumentos que son originados por la entrada en operacin de nuevos elementos adicionales al sistema principal de ECOPETROL GRB, con la entrada del proyecto PSMI Energa y Vapor; estos elementos adicionales tambin tienen probabilidad de falla, por lo cual se presenta el aumento de estos ndices. Los resultados obtenidos en los anlisis son consistentes con los cambios que se presentaran en el sistema de la refinera. De acuerdo con los resultados de confiabilidad obtenidos, se observa que se mejora la confiabilidad del sistema elctrico de la refinera; objetivo principal del proyecto PMSI Energa y Vapor. Actualmente la no disponibilidad de la Carga (ndice Q) es de 1371 min/ao, ndice que con la entrada del proyecto se mejora y queda en valores comprendidos entre 513 y 1019 min/ao. Adems de lo anterior, se observa que la energa no suministrada del sistema (ndice W) disminuye, lo que confirma que el sistema tendr una mejor confiabilidad. El objetivo de la realizacin de este anlisis es seleccionar la mejor de las tres topologas propuestas. Se observa que la no disponibilidad de la carga (ndice Q) presentan valores ms bajos para las topologas 1 y 2. Evaluando el ndice de la energa no suministrada (ndice W) se encontr que la topologa que presenta el valor ms bajo es la 1. Teniendo en cuenta los resultados de (Q) y (W), se observa que la topologa de operacin que presenta mejores ndices de confiabilidad es la topologa 1. Por lo tanto sta es la topologa seleccionada, que se utilizar en los anlisis de las alternativas de disminucin de los niveles de cortocircuito. No obstante a lo anterior, se analiz una variante a la topologa 1 la cual se denominar topologa 1A. Esta topologa considera la operacin de la S/E ET-220 con un solo transformador 34.5/13.8/6.3 kV de 45MVA (el otro permanece des-energizado) con el fin de disminuir el nivel de cortocircuito en el barraje a 13.8kV de esta subestacin, debido a que con los dos transformadores operando en paralelo, se estn excediendo los valores nominales que soportan los interruptores estndar de los fabricantes. A continuacin se observa el resultado obtenido de nivel de cortocircuito trifsico en el barraje mencionado bajo la topologa 1A, no se presenta el resultado para fallas a tierra, dado que los transformadores que conectan a este barraje poseen impedancias de puesta a tierra que limitan el valor de falla a 400 A por transformador.

Figura 9: Nivel de Cortocircuito Trifsico Topologa 1A


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De acuerdo al resultado obtenido se observa que el nivel de cortocircuito en este barraje, bajo la topologa 1A es de 36.9kA. A continuacin se presentan los ndices de confiabilidad obtenidos para esta topologa.

Tabla 2 ndices de confiablidad Topologa 1A

ndice Unidad Topologa 1A Topologa 1 Descripcin

F 1/ao 1.458 1.458 Frecuencia de interrupcin de la carga total del

sistema

T h 5.867 5.867 Duracin media de interrupcin de la carga total

del sistema

Q min/ao 513.25 513.23 No disponibilidad de la carga total del sistema

P MW/ao 136.74 136.74 Potencia de carga interrumpida total

W MWh/ao 104.77 104.75 Energa de carga total no suministrada

De los resultados obtenidos se observan que los ndices de confiabilidad permanecen similares a los de la topologa 1. En caso de requerirse disminuir el nivel de cortocircuito en el barraje a 13.8kV de la S/E ET-220 se puede operar bajo la topologa 1A, sin embargo ser ECOPETROL quien finalmente tome la decisin de operar con este transformador des-energizado. Se recomienda que la topologa de operacin para el sistema futuro sea la 1 o 1A, basados en los ndices de confiabilidad obtenidos.

8.2. ALTERNATIVAS PROPUESTAS

Teniendo en cuenta que el estudio de cortocircuito desarrollado en la Ingeniera Bsica (documento ANLISIS DE CORTOCIRCUITO Rev. 2), arroj como resultado el aumento de los niveles de cortocircuito en el anillo de 34.5 KV cuando el sistema elctrico de la GRB est en sincronismo con el sistema de respaldo (STN), y que dicho aumento supera la capacidad de interrupcin de los equipos en las subestaciones ET-005, ET-009, U-2400 y ET-004, a continuacin se plantean las alternativas que permitan corregir esta condicin, con el fin de garantizar los requerimientos de proteccin integral del sistema elctrico de la GRB para su operacin normal y en contingencias (con la entrada del STN como respaldo).

8.2.1. DEFINICIN DE ALTERNATIVAS

Se evaluarn cuatro (4) alternativas, para disminuir o limitar los niveles de cortocircuito del sistema elctrico de la GRB, garantizando que no se superen las capacidades de interrupcin de los equipos instalados en las subestaciones del sistema.


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Las alternativas a evaluar sern las siguientes:

1. Alternativa No. 1: Abrir un (1) enlace desde el STN a 34.5 kV desde la S/E Magdalena Medio a la ET-005, el otro enlace permanece cerrado con una transferencia de 0 MW, en condiciones normales de operacin. Esta alternativa cumple con el peor escenario de contingencia correspondiente a prdida de suministro de potencia de los generadores a Vapor y con los generadores de gas en operacin, con lo cual no es necesario cerrar el segundo enlace.

2. Alternativa No. 2: Instalacin de dos (2) reactores serie de 3 en cada enlace a 34.5 kV desde la S/E

Magdalena Medio a la ET-005. Los dos (2) enlaces cerrados con una transferencia de potencia de 0 MW, en condiciones normales de operacin.

3. Alternativa No. 3: Instalacin de impedancia de puesta tierra de 3 en el lado de 34.5 kV de los siguientes

transformadores:

a. Tres (3) transformadores 34.5/13.8/6.3 kV de 30/40 MVA ubicados en la S/E ET-010. b. Dos (2) transformadores 34.5/13.8/6.3 kV de 30/40 MVA ubicados en la S/E ET-006. c. Un (1) transformador 34.5/13.8/6.3 kV de 25/31.25 MVA ubicado en la S/E ET-007. d. Dos (2) transformadores 34.5/13.8/6.3 kV de 45 MVA a instalar en la S/E ET-220. e. Dos (2) transformadores 230/34.5 kV de 50 MVA a instalar en la S/E Magdalena Medio.

4. Alternativa No. 4: Especificar la impedancia de cortocircuito en 12% de los transformadores 230/35.4 kV de

50 MVA a instalar en la S/E Magdalena Medio. Inicialmente cada una de las alternativas planteadas sern evaluadas tcnicamente, verificando que se limiten los niveles de cortocircuito sin sobrepasar la capacidad de interrupcin de los equipos existentes. Las alternativas que cumplan tcnicamente sern evaluadas por el mtodo Scoring de seleccin de alternativas y sern incluidas dentro de la matriz multiatributo para as seleccionar la ms idnea para los requerimientos del sistema elctrico de la GRB.

8.3. EVALUACIN TCNICA DE LAS ALTERNATIVAS

Para cada alternativa a evaluar tcnicamente se considerar lo referente a niveles de cortocircuito, con el fin de evidenciar que la alternativa propuesta cumpla con el objetivo principal del estudio de disminuir los altos niveles de cortocircuito del sistema elctrico de la GRB. Es decir que inicialmente se evaluar cada alternativa mediante simulaciones de cortocircuito con el fin de descartar aquellas que no cumplan con este objetivo.

8.3.1. ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO

El objetivo primordial de este estudio es la determinacin de los niveles de cortocircuito para falla trifsica y monofsica en las diferentes barras del sistema elctrico principal. El estudio fue realizado siguiendo las recomendaciones y lineamientos de las siguientes normas:

ANSI/IEEE C37.010 IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis.

ANSI /IEEE Std. 551 Calculating Short Circuit Currents in industrial and Commercial Systems (Violet Book).


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ANSI/IEEE Std. 399 IEEE Recommended Practice for Power Systems Analysis Chapter 7 Short Circuit Studies (IEEE Brown Book).

Los principales resultados a verificar son:

Corriente de interrupcin simtrica: Es el valor rms de la componente simtrica AC en el instante de separacin de los contactos, afectado por el factor de asimetra de la norma ANSI/IEEE C37.010.

Corriente de Secuencia cero (3Io). Para la evaluacin tcnica de las alternativas se considerarn las siguientes premisas generales:

Los clculos de cortocircuito se realizaron bajo la norma ANSI/IEEE C37.010.

Las cuatro (4) alternativas evaluadas consideran la topologa base de operacin definida en el captulo 8.1

del presente documento.

Con el fin de obtener niveles de cortocircuito ms conservativos, se considera la tensin de pre-falla en un

valor de 1,05 p.u.

Los niveles de cortocircuito obtenidos sern evaluados con la corriente de interrupcin simtrica con el fin de

poder evaluar la capacidad de interrupcin de los equipos existentes.

En la subestacin comuneros a 230kV se model un equivalente de red considerando un nivel de falla de

8.2 kA, a partir de la red del STN que posee GERS.

Adicionalmente, debido a los altos niveles de cortocircuito que se presentan en la S/E U-2400 y S/E U-2950 previo a la evaluacin de las alternativas, se tomaron como premisas base las siguientes consideraciones:

Cambio de los dos (2) reactores existentes de 0.4 en los acoples de las barras a 13.8 kV en la S/E U-2950, por unos con una impedancia de 3, la capacidad de corriente permanece igual en 1200A. Este cambio no hace parte del proyecto PMSI E&V dado que los altos niveles de cortocircuito que se presentan en esta subestacin son previos y ajenos a la entrada del proyecto.

Los generadores existentes en la S/E U-2400 (TG-01/02/03) no deben operar simultneamente con el nuevo transformador U-2400 de 25MVA 13.8/6.3 kV que interconecta con la S/E ET-220. Es decir que los tres generadores deben ser apagados cuando el transformador entre en operacin y viceversa.

A continuacin se presenta la capacidad de interrupcin (kA) de los equipos existentes instalados en las subestaciones:


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Tabla 3. Capacidad de Interrupcin de Equipos Existentes

BARRA NIVEL DE

TENSIN [kV] CAPACIDAD

[kA] BARRA

NIVEL DE TENSIN [kV]

CAPACIDAD [kA]

ET-004D1 6.3 50.0 ET-007A 13.8 48.0

ET-004E1 6.3 50.0 ET-007B 13.8 48.0

ET-004F1 6.3 50.0 ET-007C 13.8 48.0

ET-009A 34.5 31.5 ET-007D 34.5 31.5

ET-009B 34.5 31.5 ET-006A 34.5 31.5

ET-008A 34.5 31.5 ET-006B 34.5 31.5

ET-008B 34.5 31.5 ET-010A 34.5 31.5

U-2400A 6.3 41.5 ET-010B 34.5 31.5

U-2400B 6.3 41.5 ET-005 34.5 31.5

U-2950A 13.8 29.0 MAGDALENA 34.5 31.5

U-2950B 13.8 29.0 ET-220_13.8 13.8 50.0

U-2950C 13.8 29.0 ET-220_34.5 34.5 31.5

8.3.1.1. RESULTADOS OBTENIDOS La Tabla 4 y

Tabla 5 muestra los resultados de la simulacin de cortocircuito trifsico y monofsico respectivamente, para las

cuatro alternativas planteadas. Se presentan los niveles de cortocircuito en kA y en porcentaje, teniendo como base la

capacidad de interrupcin de los equipos existentes en cada barra.

Tabla 4. Niveles de Cortocircuito Trifsico

BARRAJE

ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2 ALTERNATIVA 3 ALTERNATIVA 4

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

ET-004D1 30.03 60.05 29.94 59.88 30,74 61.49 30.55 61.09

ET-004E1 45.60 91.21 45.80 91.60 46,90 93.79 46.56 93.11

ET-004F1 45.56 91.11 45.76 91.51 46,85 93.70 46.51 93.02

ET-009A 24.96 79.23 24.30 77.16 29,19 92.66 27.82 88.32

ET-009B 24.96 79.23 24.31 77.16 29,19 92.67 27.82 88.32


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BARRAJE


Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

ET-008A 24.63 78.17 23.85 75.72 28,38 90.10 27.13 86.12

ET-008B 1.59 5.05 1.52 4.83 1,52 4.84 1.60 5.08

U-2400A 26.66 64.24 26.65 64.21 27,05 65.17 26.98 65.02

U-2400B 32.75 78.92 33.02 79.57 33,25 80.11 33.39 80.45

ET-007A 13.98 29.13 13.81 28.77 14,26 29.71 14.15 29.47

ET-007B 13.98 29.13 13.81 28.77 30.66 61.32 30.52 61.05

ET-007C 13.98 29.13 13.81 28.77 46.76 93.52 46.53 93.06

ET-007D 23.86 75.74 22.32 70.87 46.72 93.43 46.49 92.97

ET-006A 24.77 78.63 24.15 76.68 28.53 90.57 27.48 87.23

ET-006B 24.77 78.63 24.15 76.68 28.53 90.57 27.48 87.23

U-2950A 25.77 88.87 25.68 88.56 27.78 88.17 26.80 85.09

U-2950B 13.71 47.29 13.71 47.28 1.52 4.83 1.60 5.07

U-2950C 25.69 88.57 25.60 88.28 26.99 65.05 26.90 64.82

ET-010A 23.12 73.40 22.73 72.15 33.18 79.96 33.07 79.68

ET-010B 23.12 73.39 22.73 72.14 14.21 29.60 14.12 29.41

ET-005 25.68 81.52 25.15 79.84 14.21 29.60 14.12 29.41

MAGDALENA 24.05 76.33 11.91 37.81 14.21 29.60 14.12 29.41

ET-220_13.8A 42.76 85.52 42.38 84.76 26.05 82.68 25.12 79.76

ET-220_13.8B 42.76 85.52 42.38 84.76 28.23 89.61 27.22 86.40

ET-220_34.5 24.81 78.76 24.09 76.46 28.23 89.61 27.22 86.40

Tabla 5. Niveles de Cortocircuito Monofsico

BARRAJE


Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

ET-004D1 27.38 54.75 27.33 54.66 27.67 55.33 27.60 55.21

ET-004E1 0.84 1.68 0.84 1.68 0.84 1.68 0.84 1.68

ET-004F1 0.84 1.68 0.84 1.68 0.84 1.68 0.84 1.68

ET-009A 28.86 91.61 28.13 89.29 26.59 84.41 31.44 99.80

ET-009B 28.86 91.61 28.13 89.29 26.59 84.41 31.44 99.80


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Rev. 0


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BARRAJE


Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

Ib kA

CAPACIDAD (%)

ET-008A 28.55 90.64 27.42 87.06 25.80 81.90 30.32 96.26

ET-008B 1.79 5.67 1.71 5.41 1.71 5.42 1.79 5.68

U-2400A 0.84 2.02 0.84 2.02 0.84 2.02 0.84 2.02

U-2400B 0.84 2.02 0.84 2.02 0.84 2.02 0.84 2.02

ET-007A 0.62 1.30 0.62 1.30 0.63 1.30 0.63 1.30

ET-007B 0.62 1.30 0.62 1.30 0.63 1.30 0.63 1.30

ET-007C 0.62 1.30 0.62 1.30 0.63 1.30 0.63 1.30

ET-007D 27.21 86.37 24.71 78.46 23.50 74.60 27.43 87.09

ET-006A 28.44 90.29 27.78 88.19 26.42 83.87 30.86 97.96

ET-006B 28.44 90.29 27.78 88.18 26.42 83.87 30.86 97.96

U-2950A 2.94 10.15 2.94 10.15 2.95 10.16 2.95 10.16

U-2950B 3.01 10.36 3.01 10.36 3.00 10.36 3.01 10.36

U-2950C 2.95 10.16 2.95 10.16 2.95 10.16 2.95 10.16

ET-010A 25.13 79.78 25.08 79.63 23.98 76.11 27.68 87.88

ET-010B 25.13 79.77 25.08 79.61 23.97 76.10 27.68 87.86

ET-005 29.93 95.00 29.61 94.01 29.04 92.19 33.91 107.64

MAGDALENA 26.17 83.08 12.67 40.22 24.24 76.94 28.34 89.97

ET-220_13.8A 1.26 2.52 1.26 2.52 1.26 2.52 1.26 2.52

ET-220_13.8B 1.26 2.52 1.26 2.52 1.26 2.52 1.26 2.52

ET-220_34.5 28.86 91.62 27.86 88.43 26.43 83.89 30.87 97.98

A continuacin en las siguientes figuras se presentan los resultados obtenidos de niveles de cortocircuito para las cuatro alternativas. Igualmente se muestra inicialmente los niveles de cortocircuito en kA y posteriormente se muestra en porcentaje con base a la capacidad de interrupcin de los equipos existentes en cada barra.


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Figura 10: Niveles de Cortocircuito Trifsico de Cada Alternativa

Figura 11: Niveles de Cortocircuito Monofsico de Cada Alternativa

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,050,0

ET-0

04D

1ET

-00

4E1

ET-0

04F

1ET

-00

9AET

-00

9BET

-00

8AET

-00

8BU

-240

0A

U-2

400

BET

-00

7AET

-00

7BET

-00

7C

ET-0

07D

ET-0

06A

ET-0

06B

U-2

950

AU

-295

0B

U-2

95

0C

ET-0

10A

ET-0

10B

ET-0

05

MA

GD

ALE

NA

ET-2

20

_1

3.8

AET

-22

0_1

3.8

BET

-22

0_34

.5

Co

rrie

nte

[kA

]

Niveles de Cortocircuito Trifsico


0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,050,0

ET-0

04D

1ET

-00

4E1

ET-0

04F

1ET

-00

9AET

-00

9BET

-00

8AET

-00

8BU

-240

0A

U-2

400

BET

-00

7AET

-00

7BET

-00

7CET

-00

7D

ET-0

06A

ET-0

06B

U-2

950

AU

-295

0B

U-2

950

CET

-01

0AET

-01

0BET

-00

5M

AG

DA

LEN

AET

-22

0_1

3.8

AET

-22

0_13

.8B

ET-2

20_

34

.5

Co

rrie

nte

[kA

]

Niveles de Cortocircuito Monofsico



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Figura 12: Evaluacin de Niveles de Cortocircuito Trifsico de Cada Alternativa

Figura 13: Evaluacin de Niveles de Cortocircuito Monofsico de Cada Alternativa

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

ET-0

04D

1

ET-0

04E

1

ET-0

04F

1

ET-0

09A

ET-0

09B

ET-0

08A

ET-0

08B

U-2

400

A

U-2

400

B

ET-0

07A

ET-0

07B

ET-0

07C

ET-0

07D

ET-0

06A

ET-0

06B

U-2

950

A

U-2

950

B

U-2

950

C

ET-0

10A

ET-0

10B

ET-0

05

MA

GD

ALE

NA

ET-2

20_

13

.8A

ET-2

20_

13.8

B

ET-2

20_

34

.5

Po

rcen

taje

[%

]

Nivel de Cortocircuito Trifsico Porcentual con base en la capacidad de interrupcin


0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

ET-0

04D

1

ET-0

04E

1

ET-0

04F

1

ET-0

09A

ET-0

09B

ET-0

08A

ET-0

08B

U-2

400

A

U-2

400

B

ET-0

07A

ET-0

07B

ET-0

07C

ET-0

07

D

ET-0

06A

ET-0

06B

U-2

950

A

U-2

950

B

U-2

950

C

ET-0

10A

ET-0

10B

ET-0

05

MA

GD

ALE

NA

ET-2

20_

13

.8A

ET-2

20_

13.8

B

ET-2

20_

34

.5

Po

rcen

taje

[%

]

Nivel de Cortocircuito Monofsico Porcentual con base en la capacidad de interrupcin



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De los resultados obtenidos se puede concluir que:

La alternativa 4 no cumple tcnicamente con el objetivo principal del presente estudio de disminuir los niveles de cortocircuito sin sobrepasar las capacidades de interrupcin de los equipos existentes, ya que se observa que se excede esta capacidad en las barras de las subestacin ET-005 y se encuentra muy cercanas al lmite en las barras de la subestacin ET-009.

Segn lo anterior la alternativa 4 se descarta tcnicamente y por lo tanto no se incluye dentro de las alternativas a evaluar en la matriz multiatributo mediante el mtodo Scoring. Se proceder a evaluar las alternativas 1, 2 y 3 mediante la metodologa mencionada.

En las barras ET-004E, ET-004F, U-2400A, U-2400B a 6.3kV y ET-220 a 13.8kV el nivel de cortocircuito para fallas a tierra se encuentra limitado debido a la impedancia de puesta a tierra de los transformadores que interconectan con la S/E ET-220.

Las subestaciones que presentan niveles de cortocircuito trifsico ms altos son la ET-005, ET-004 (barras E y F), ET-008 (barra A) y ET-009 debido a que se encuentran ms cercanas a la conexin con el STN y con la nueva S/E ET-220.

9. ESTUDIO DE SELECCIN DE ALTERNATIVAS

Antes de la seleccin de la mejor alternativa se realizaron los anlisis de cortocircuito, los cuales fueron mostrados en el numeral 8.3 del presente documento. Adems del cumplimiento de la disminucin de los niveles de cortocircuito (teniendo en cuenta la capacidad de los equipos existentes), se realizaron anlisis de flujo de carga y confiabilidad para cada una de las alternativas.

9.1. ESTUDIO DE FLUJO DE CARGA Y CONFIABILIDAD

A continuacin se muestran los anlisis de flujo de carga y confiabilidad. Para la realizacin de los anlisis mencionados anteriormente se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones:

Para evaluar los niveles de tensin del sistema, se consideran los lmites operativos recomendados en la norma IEEE Std 141 captulo 3, tabla 3.1. En la Tabla 6 se presentan los valores del rango de niveles de tensin establecidos.

Tabla 6 Lmites de tensin - IEEE Std 141

Tensin Nominal del Sistema (V)

Operacin Normal Operacin en Contingencia

Mximo Mnimo Mximo Mnimo

Tensin de Servicio Tensin de Servicio Tensin de Servicio Tensin de Servicio

34500 36230

(1.05 pu) 33640

(0.975 pu) 36510

(1.058 pu) 32780

(0.95 pu)

13800 14490

(1.05 pu) 13460

(0.975 pu) 14520

(1.052 pu) 13110

(0.95 pu)


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Se consider solo el sistema elctrico principal de la refinera y las interconexiones; los dems elementos que no pertenezcan al sistema principal de la GRB, como lo son las plantas de proceso y redes externas se consideraron como ideales, con el fin de evaluar la confiabilidad de la red principal de la GRB.

Se consideran solo fallas simples en el sistema (criterio N-1) de acuerdo al Std. IEEE 141 numeral 2.3.3., el cual contempla que los sistemas de potencia son diseados para tolerar una contingencia simple.

No hay deslastre de carga en el sistema elctrico para el anlisis de confiabilidad, se considera que es preferible una operacin con bajos niveles de tensin.

Se consideran los siguientes tiempos de suicheo:

Tiempo suicheo remoto: 1 min. Tiempo suicheo manual: 15 min.

9.1.1. RESULTADOS DE FLUJO DE CARGA

El anlisis de flujo de carga se realiz para la topologa de operacin 1 y se evaluaron las tres alternativas de solucin propuestas en el numeral 8.2. Como algunas de las alternativas, requiere ubicacin de reactores en el sistema de ECOPERTOL GRB, para el anlisis de flujo de carga se tendr en cuenta principalmente los niveles de tensin que presenta el sistema. En las siguientes grficas de barras se presenta un resumen de los niveles de tensin en los barrajes principales del sistema elctrico de ECOPETROL GRB para cada una de las alternativas de solucin planteadas. En los anexos se presentan los diagramas unifilares de resultados respectivos, donde se incluye el nivel de tensin en cada una de las barras, as como las transferencias de potencia activa y reactiva por las diferentes lneas y transformadores de potencia y el porcentaje de cargabilidad de estos elementos con respecto a su capacidad nominal.


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Figura 14 Niveles de tensin en barras principales

Figura 15 Niveles de tensin en porcentaje del valor nominal barras principales

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

ET-0

04D

1

ET-0

04E

1

ET-0

04F

1

ET-0

09A

ET-0

09B

ET-0

08A

ET-0

08B

U-2

400

A

U-2

400

B

ET-0

07A

ET-0

07B

ET-0

07C

ET-0

07D

ET-0

06A

ET-0

06B

U-2

950

A

U-2

950

B

U-2

950

C

ET-0

10A

ET-0

10B

ET-0

05

ET-2

20_

13.8

A

ET-2

20_

13

.8B

ET-2

20_

34

.5

Niv

el d

e Te

nsi

n

[kV

]

Niveles de Tensin

ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2 ALTERNATIVA 3

90,00

95,00

100,00

105,00

110,00

Niv

el d

e Te

nsi

n

[%

]

Niveles de Tensin

ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2 ALTERNATIVA 3


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En los resultados obtenidos en los anlisis de flujo de carga para cada una de las alternativas, se encuentra que no se presentan violaciones de los lmites mnimos y mximos de tensin para operacin normal, lo que indica que las tres alternativas presentan un comportamiento adecuado en estado estable.

9.1.2. RESULTADOS DE CONFIABILIDAD

El anlisis de confiabilidad se realiz para la topologa de operacin 1 y se evaluaron las tres alternativas de solucin propuestas en el numeral 8.2. En la Tabla 7 se presenta un resumen de los resultados de los ndices de confiabilidad obtenidos para cada de las alternativas de solucin propuestas.

Tabla 7 ndices de confiablidad

ndice Unidad Operacin

actual Topologa 1 Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Descripcin

F 1/ao 0.916 1.458 1.458 1.458 1.458 Frecuencia de interrupcin de la

carga total del sistema

T h 24.958 5.867 5.869 5.869 5.869 Duracin media de interrupcin de

la carga total del sistema

Q min/ao 1371.78 513.23 513.35 513.35 513.35 No disponibilidad de la carga total

del sistema

P MW/ao 84.69 136.74 136.74 136.74 136.74 Potencia de carga interrumpida

total

W MWh/ao 1427.87 104.75 104.91 104.91 104.91 Energa de carga total no

suministrada

De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que la confiabilidad del sistema no se afectar con las alternativas propuestas, debido a que se obtuvieron ndices con valores cercanos a los obtenidos en la topologa base (Topologa 1). Segn lo anterior las alternativas propuestas cumplen tcnicamente con el requerimiento de confiabilidad del sistema elctrico de la GRB, ya que los ndices de confiabilidad elctrica obtenidos mejoran a los que tiene actualmente la refinera.

9.2. MTODO SCORING

La seleccin de la alternativa a implementar se realiz utilizando el mtodo de Scoring, este tipo de anlisis es uno de los principales mtodos de evaluacin y decisin multicriterio, el cual permite abordar situaciones de incertidumbre o con pocos niveles de informacin, dicho mtodo se construye en funcin de la asignacin de valor para cada una de las alternativas en las cuales las variables empleadas podran corresponder a valores enteros cualitativos o cuantitativos.


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El anlisis cualitativo se basa primordialmente en el razonamiento y la experiencia del decisor; incluye la impresin intuitiva que el decisor tiene del problema. Cuando se utiliza el enfoque cuantitativo, el analista se concentra en los hechos o datos indicadores generados del resultado previo para sustentar los criterios asociados a las alternativas. El desarrollo del mtodo parte de la base que el decisor debe establecer la importancia relativa de cada uno de los objetivos para luego definir una estructura de preferencias entre las alternativas identificadas. El resultado final es en una clasificacin de las alternativas, indicando la preferencia general asociada a cada una de ellas, lo que permite identificar la mejor alternativa a recomendar. Las etapas del mtodo son las siguientes:

(1) Identificar la meta general del problema

(2) Identificar las alternativas

(3) Listar los criterios a emplear en la toma de decisin

(4) Asignar una ponderacin para cada uno de los criterios

(5) Establecer una calificacin de cada alternativa a nivel de cada uno de los criterios

(6) Calcular el score para cada una de las alternativas

(7) Ordenar las alternativas en funcin del score. La alternativa con el score ms alto representa la alternativa a

recomendar.

Modelo para calcular el Score:

Dnde: rij: Rating de la alternativa j en funcin del Criterio i wi: Ponderacin para cada Criterio i Sj: Score para cada Alternativa j Para la ejecucin del anlisis se consideran los valores recomendados en el desarrollo de la tcnica, asignndole pesos entre 1 y 5 para la ponderacin interdisciplinaria correspondiente de confrontar todos los criterios (especialidad o disciplina) entre s. En esta evaluacin, se le asigna a cada una de las opciones involucradas un factor de peso, segn se indica en la Tabla 8, mostrado a continuacin.

Tabla 8. Ponderacin o Factor de Peso

PONDERACION 1 a 5

1 Muy poco importante

2 Poco Importante

3 Importante media

4 Algo importante

5 Muy importante


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Una vez se haya asignado la ponderacin a cada uno de los criterios en las especialidades involucradas en la toma de decisiones, se procede a calificar cada criterio para cada una de las alternativas de acuerdo a la Tabla 9 mostrada a continuacin:

Tabla 9. Nivel de Calificacin

CALIFICACION

1 Muy Bajo

2 Bajo

3 Medio

4 Alto

5 Muy Alto

9.3. DESCRIPCIN DE CRITERIOS DE EVALUACIN

Para la asignacin de la ponderacin de cada uno de los criterios se debe tener informacin que sustente o respalde la sostenibilidad de cada alternativa, adems que sirve para agilizar la toma de decisiones. Durante el taller de evaluacin de la matriz multiatributo, el cual fue realizado por un equipo de trabajo conformado por personal de las empresas GERS, ECOPETROL e INELECTRA realizada el da 02/10/2012 se presentaron en la mesa de trabajo los criterios que fueron evaluados y modificados, los criterios que se tiene en cuenta para la evaluacin de las alternativas presentadas son:

Elctrico: Son los anlisis de flujo de carga y cortocircuito; el anlisis de flujo de carga sirve para evaluar los lmites de operacin de tensin y cargabilidad del sistema elctrico ante las alternativas planteadas (los lmites de tensin se evalan de acuerdo al rango definido en la IEEE std 141). El anlisis de cortocircuito evala si las corrientes de cortocircuito estn dentro de la capacidad de interrupcin de los equipos asociados a las barras de 34.5kV, 13.8kV y 6.3kV del sistema de Ecopetrol GRB. La referencia de calificacin es si cumple o no los lmites de tensin y para cortocircuito se califica de acuerdo a los niveles de falla obtenidos.

Mantenimiento: Se refiere a la facilidad de la realizacin de los mantenimientos y los equipos requeridos para los mismos, se tiene en cuenta para la calificacin los repuestos asociados para la realizacin del mantenimiento, tiempo de duracin y el nmero de equipos a instalar, segn lo anterior la calificacin est dada en que a menor dificultad de realizacin de mantenimiento asociada a una cantidad de equipos en un tiempo determinado se tiene una calificacin muy alta para la alternativa.

Constructibilidad: Se refiere a las facilidades de construccin, montaje y cantidad de obra requerida para la implementacin de la alternativa propuesta, se tiene en cuenta para la calificacin el rea disponible para la localizacin del equipo, tiempo de entrega de equipo, viabilidad de implantacin y el impacto a la operacin.

La calificacin para el rea disponible ser ms alta si se requiere menor espacio. El tiempo de entrega se calificar por medio del tiempo especificado de los proveedores. La calificacin ms alta ser asignada al menor tiempo de entrega de los equipos. La viabilidad de la implantacin se define si es viable o no desde el punto de vista tcnico.


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El Impacto a la operacin se refiere al nivel de interrupcin de servicio temporal de uno o ms equipos que hacen parte de una subestacin o ms existentes, al implementar cada una de las alternativas. Para la calificacin se tendr en cuenta la cantidad de equipos y el tiempo estimado fuera de servicio, por lo tanto la calificacin ser muy alta para la alternativa que no presente impacto a la operacin del sistema elctrico.

Operacin del sistema: Se refiere a la complejidad que se tiene para la operacin del sistema al implementar cada una de las alternativas. Los criterios que se tiene en cuenta para la calificacin son el impacto en la coordinacin de protecciones, el cual se refiere al nmero de cambios que se tendr en los ajustes de las protecciones de acuerdo a la instalacin de equipos en cada una de las alternativas. La calificacin ms alta ser dada a la alternativa que tenga el menor nmero de intervenciones en los equipos de protecciones. Para la complejidad de operacin del sistema, se define el nmero de equipos a instalar para cada una de las alternativas, la calificacin ms alta corresponder a la alternativa que requiera el menor nmero de equipos a instalar.

Econmico: se refiere al costo total de los equipos a adquirir para la implementacin de las alternativas planteadas, incluyendo el montaje. Se asignar mayor peso a la opcin que presente mnima inversin para la adquisicin de los equipos.

9.4. APLICACIN DE LA MATRIZ MULTIATRIBUTO

A continuacin se presenta el rango de calificacin asignado a cada uno de los criterios para la aplicacin de la matriz multiatributo. Niveles de tensin Para este criterio se considera solo dos calificaciones: Calificacin 5: cumple con los rangos establecidos por la IEEE (0.975-1.05 P.U) Calificacin 1: no cumple con los rangos establecidos por la IEEE (0.975-1.05 P.U) Disminucin niveles Corto circuito Para este criterio se calificarn las alternativas de acuerdo al nivel de cortocircuito presentado en la subestacin ET-005, comparado con la capacidad de interrupcin de los equipos existentes (31.5 kA) en la barra de 34.5 kV. Se definieron los siguientes rangos de calificacin: Calificacin 1: niveles de cortocircuito que se encuentren entre 100 % y 90%. Calificacin 3: niveles de cortocircuito que se encuentren entre 90 % y 80%. Calificacin 5: niveles de cortocircuito que se encuentren por debajo del 80%. Mantenimiento de equipo Para este criterio se considera la calificacin de acuerdo con la informacin solicitada a los proveedores donde se tomar en cuenta la cantidad de repuestos, tiempo de mantenimiento y el nmero de equipos. La escala de calificacin se define a continuacin: Calificacin 1: requiere un nmero mayor a 9 repuestos Calificacin 2: requiere un nmero entre 7 y 9 repuestos Calificacin 3: requiere un nmero entre 4 y 6 repuestos


1346-01-30-E01-CAL-001


Rev. 0


GRB-MA0011889-12001-ID-ELE-MC-200_0/08/04/2013/ 39 / 69

Calificacin 4: requiere un nmero entre 0 y 3 repuestos Calificacin 5: no requiere repuestos rea disponible para la localizacin del equipo Para este criterio se considera la calificacin de acuerdo con la dimensin de los equipos, dada por los proveedores y la disposicin de rea en la subestacin a intervenir, la escala de calificacin es: Calificacin 1: requiere un rea mayor a 18m

2 para la disposicin de equipos

Calificacin 2: requiere un rea de 12m2 a 18m


Calificacin 3: requiere un rea de 6m2 a 12m


Calificacin 4: requiere un rea 0m2 a 6m


Calificacin 5: no requiere rea para la disposicin de equipos Tiempo de entrega de equipo Para este criterio se considera tres calificaciones de acuerdo con el tiempo estimado de entrega de las consultas realizadas a los proveedores, la escala de calificacin es: Calificacin 1: mayor a 12 semanas Calificacin 2: entre 8 y 12 semanas Calificacin 3: entre 4 y 8 semanas Calificacin 4: entre 0 y 4 semanas Calificacin 5: 0 semanas Viabilidad de implantacin Para este criterio se considera solo dos calificaciones: Calificacin 5: cumple tcnicamente Calificacin 1: no cumple tcnicamente Impacto de la operacin Para este criterio se considera tres calificaciones de acuerdo con el nivel de intervencin de una o ms subestaciones del sistema existente. La escala de calificacin es: Calificacin 1: intervencin igual a 3 o ms subestaciones Calificacin 3: intervencin de 1 a 2 subestaciones Calificacin 5: ninguna intervencin en subestaciones Impacto en la coordinacin de protecciones Para este criterio se considera dos calificaciones de acuerdo al nmero de cambios de ajustes en los equipos de proteccin adicionales a los considerados en el estudio de coordinacin de protecciones, asociado a la entrada de cada una de las cuatro etapas del proyecto PMSI Energa y Vapor (sin considerar protecciones al interior de las plantas). La escala de calificacin es: Calificacin 1: se debe realizar ajuste de equipos de proteccin adicionales Calificacin 5: no se debe realizar ajuste de equipos de proteccin adicionales

"INGENIERA, COMPRAS, CONSTRUCCIN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIN DE LAS OBRAS REQUERIDAS

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