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_______________________________________________________________________________________________________________________________ Lighting Design of a Fertilizer Plant in the South Pacific Region Amparo de Mollinedo Suárez

I

DISEÑO DE ILUMINACIÓN DE UNA PLANTA DE FERTILIZANTES

EN LA REGIÓN DEL PACÍFICO SUR

Autor: de Mollinedo Suárez, Amparo.

Director: Scarano Roo, Juan Domingo.

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontifica Comillas.

RESUMEN

Introducción

El objetivo principal del alumbrado industrial es el de crear un entorno

visual que permita a los empleados tener la visibilidad necesaria para

realizar sus tareas sin ningún riesgo para su seguridad y salud. Debe

asegurar el trabajo en condiciones de seguridad de todo el personal unas

condiciones de visibilidad óptimas.

Ciertas plantas industriales necesitan estar en funcionamiento las 24h del

día. Para hacer esto posible, el alumbrado de la planta debe mantener unos

niveles de iluminación óptimos que permitan el trabajo de los operarios en

condiciones de máxima seguridad y eficiencia. Se debe crear un entorno

visual que controle la fatiga ocular y fomente la eficacia y el confort en el

espacio iluminado. Así mismo, debe obtenerse una visibilidad óptima en

las áreas de trabajo que dependerá del tipo de tarea que se desarrolle en

estas. Las tareas de mayor precisión por ejemplo necesitarán unos niveles

mayores de iluminancia y un rendimiento de color superior. Por ejemplo,

en el caso del alumbrado vial de la planta, se debe proporcionar de un

entorno iluminado que permita la circulación segura y cómoda de vehículos

pesados y ligeros, así como peatones. Se debe revelar toda la información

necesaria con un buen nivel de detalle y proporción, para evitar accidentes

de tráfico y sus respectivos costes humanos y económicos.

A lo largo del proyecto, se irán evaluando las distintas áreas de la planta

según los requisitos lumínicos que conlleven las actividades que se llevarán

a cabo en estas. Para cada zona se tendrá en cuenta la disposición

tridimensional de las estructuras, maquinaria, tuberías, bandejas de

cableado y otros elementos. Del mismo modo, es necesario determinar los

materiales y colores de estos elementos ya que influirán de manera distinta

sobre la iluminación global.


II

Una vez determinado el tipo de luminaria estándar, su posición y ángulos

de inclinación, y los niveles que aporta se deberá determinar la ruta de

cableado hasta esta y los elementos de conexionado a la red general de la

planta. Luego se dimensionará el circuito y diseñarán las protecciones, así

como el sistema de control y mando. En esta etapa se establecerán las

características del armario de protección y control de iluminación. En una

última etapa se escogerán los modelos específicos de los fabricantes que se

adaptan mejor al proyecto para la fase de presupuesto, tanto para suplir los

requisitos técnicos cómo por su relación calidad-precio.

En cuanto a la noción de sostenibilidad valorada en este proyecto, esta se

alcanzará mediante un enfoque en el impacto medioambiental del proyecto,

la garantía de la seguridad del personal y el control del coste económico del

proyecto. En un primer lugar, se deberá tener en cuenta la posible

contaminación lumínica para afectar lo menos posible a las especies

autóctonas y las zonas de recreo o interés turístico próximas a la planta. El

diseño incluirá un estudio de impacto medioambiental de acuerdo con el

estándar australiano AS 4282. Las luminarias utilizadas deberán también

ser conformes a los estándares australianos de eficiencia energética y

cumplir con los “Minimum Energy Performance requirements” (MEPS)

que limitan el rendimiento energético y las pérdidas en estas. La

sostenibilidad social del proyecto conseguirá al asegurar el bienestar de la

plantilla al crear un entorno de trabajo seguro y cómodo. La iluminación de

emergencia permitirá la evacuación segura del personal y evitará

situaciones de pánico. Al determinar el número óptimo de luminarias y

escoger soluciones con la mejor relación calidad-precio, el peso económico

del proyecto será sostenible y estará justificado.

El proyecto está subdividido en dos apartados principales que son los

cálculos de alumbrado y la definición del circuito de alumbrado.

1. Cálculos de Alumbrado

Los cálculos de alumbrado se han realizado según los estándares

australianos y las especificaciones del cliente. Debido al tipo de entorno en

el que se va a construir la planta is las caracteristicas propias de esta, el que

hayan ciertos niveles de iluminación en cada superficie puede ser un

elemento crítico a la hora de asegurar la seguridad de los operarios. Cada

luminaria se considera y se posiciona de manera individual teniendo en

cuenta todos los elementos que puedan afectar a su correcto

funcionamiento.


III

En el caso del alumbrado general de la planta, la disposición óptima se

consigue al utilizar distintos soportes para las luminarias. Cada tipo de

soporte se ha representado en planos típicos de alumbrado. Los cálculos del

alumbrado general se han realizado con el programa informático Dialux,

que permite general modelos tridimensionales de iluminación, tal y como

se muestra en la Figura A.

Figura A : Unidad C, Modelo de iluminación con Dialux

Cada plataforma y superficie significativa o zona de circulación se ha

considerado de manera individual para obtener los valores de los

parámetros de iluminación significativos. Estos son por ejemplo la

iluminancia, luminancia, uniformidad de luminancia, el deslumbramiento,

etc. El número de luminarias y la disposición óptimos se obtienen al

asegurar que se cumple esos parámetros en cada superficie.

En el caso del alumbrado vial se puede obtener un resultado más general

del análisis de los tramos rectos de carretera, ya que en estos se ponen el

mismo tipo de báculos y la calzada apenas cambia. Los báculos se

dispondrán cada 25m a una distancia de 1,2m del borde de la calzada. Esta

disposición permite obtener los 25 lux requeridos con una unifomidad de

0,4 para farolas de 13,7m de altura. Las curvas, intersección y

aparcamientos presentar una mayor complejidad geométrica por lo que

deben analizarse cada una por separado.

Las lámparas que se utilizarán serán fluorescentes, LED y de vapor de

sodio a alta presión.


IV

2. Circuito de Alumbrado

Los cables de cada circuito se han dimensionado de manera a cumplir con

el sobrecalentamiento admisible por cortocircuito, la capacidad portante y

la caída de tensión máxima, según especifica la normativa australiana AS

3008.1.1. Siguiendo esta metodología de cálculo, se establece que el tipo de

cable a utilizar será de conductor de cobre y aislamiento XLPE X-90, con

las siguientes secciones:

Alimentación del panel central de distribución: 5x150mm2

Alimentación del cuadro de alumbrado de emergencia: 3x35+16mm2

Alimentación de los paneles locales en oficinas, gasolinera y taller de

camiones: 3x50+25mm2

Alimentación de los paneles locales de los almacenes: 5x25mm2

Conexión desde el panel de la subestación hasta las cajas de derivación

de cada luminaria (Alumbado general y vial): 5x16mm2

Distribución dentro de la unidad: 3x10mm2

Conexión entre la luminaria y la caja de derivación: 3x2,5mm2

El control y la protección del circuito de alumbrado estará centralizado en

los dos paneles generales de alumbrado (uno por cada subestación). El

detalle de la distribución de los paneles con la potencia, corriente y bornes

de conexión de cada circuito está descrito en el Apéndice 18. La potencia

total consumida por la instalación es de 260kW. Cada circuito tendrá sus

propias protecciones según la corriente nominal que tenga. La corriente de

cortocircuito estimada, y para la que se diseñarán las protecciones es de

30kA. Los únicos circuitos monofásicos conectados a las barras del panel

son los de los enchufes de mantenimiento y el alumbrado de las

subestaciones. El resto de circuitos son trifásicos hasta las cajas de

derivación.

Todas las salidas del panel estarán protegidas por un contactor y un

interruptor diferencial de corriente residual máxima de 30mA. La corriente

nominal de estas protecciones está especificada en el diagrama unifilar de

alumbrado. El tamaño mínimo de los contactores será de 16A.

Este diseño también incluye todos los documentos de un proyecto clásico

de ingeniería como son el estudio medioambiental, el informe de seguridad

y salud y el pliego de condiciones.


V

LIGHTING DESIGN OF A FERTILIZER PLANT IN THE SOUTH

PACIFIC REGION

ABSTRACT:

Introduction

The main intent of industrial lighting is to create a visual environment that

will allow employees to have adequate visibility for developing their

activities on it without risks for their occupational health and safety. It must

ensure the safe operation of all personnel of the plant and promote an

optimal task visibility and visual comfort.

Some industrial plants need to be in operation 24 hours a day. To make this

possible, the lighting of the plant must maintain optimum lighting levels

that will allow operators to work in conditions of maximum safety and

efficiency. The created visual environment will avoid eye fatigue and

promote an effective and comfortable workspace. The lighting level of each

surface will be adapted to the type of task to be performed on that area of

the workspace. Greater precision tasks will need higher illuminance levels

and a superior colour performance. For instance, the street lighting of the

plant must provide an illuminated environment which will allow for the

safe circulation of all types of vehicles as well as pedestrians. It must reveal

all of the relevant information, with an accurate level of detail and

proportion in order to prevent accidents and their subsequent personal and

economic toll.

The different relevant areas of the plant will be evaluated throughout the

project and the appropriate lighting solution will be adapted to each

particular case. The three-dimensional arrangement of structures,

machinery, pipes, cable trays and other items will be included in the model.

This model will also consider the materials and colors of these elements as

they have a significant influence on the light technical parameters. The

design will be adapted to the changes suggested by the client and

modifications of the plot plans made by other departments (such as changes

in the pipelines and building structures).

Once the type of luminaire, position and tilt angles are established, the

route length of the circuit and size of cables must be determined. The

circuit must include the adequate protections and control equipment. At this

stage will be determined the characteristics of the control and protective


VI

panel. Specific equipment from different manufacturers will be chosen as

reference for the Budget.

The sustainable development of this project will be achieved by a focus on

the environmental impact, the safety of personnel and the economic cost of

the project. First of all, the project will take into account the effects of light

pollution to the environment to reduce them to the minimum. The design

will include an environmental impact assessment and be in accordance with

AS4282. The luminaires used must also comply with Australian Standards

for energy efficiency and meet the "Minimum Energy Performance

Standards” (MEPS) that limit energy loss in the luminaires. Social

sustainability will be obtained by ensuring the welfare of the personnel by

creating a safe and comfortable work environment. The emergency lighting

of the plant will enable the safe evacuation of the workers and avoid panic

in critical circumstances. By establishing the optimal number of lighting

fixtures and choosing cost-efficient solutions, the economic weight of the

project will be sustainable.

This project is divided into two main sections: the lighting calculations, and

the electrical network calculations and circuit definition.

1. Lighting Calculations

The lighting calculations have been carried out following Australian

Standards and the client’s specifications. Due to the type of environment in

which the plant is to be built and the characteristics of the plant itself, the

lighting levels on each surface can be critical to ensure the safety of the

workers. Each surface is considered individually and every luminaire is

positioned considering all the neighboring factors that may affect its

continuous operation.

For the general plant lighting, the optimal disposition is obtained by using

different fixing structures. All of the different luminaire dispositions have

been plotted in standard drawings for construction. The calculations have

been carried out with the software Dialux by generating three-dimensional

models as it is shown on Figure A.


VII

Figure B : Unit C, Dialux Lighting Model

Each significant platform surface or circulation area is considered

individually in order to obtain the values of significant light technical

parameters such as illuminance, luminance, luminance uniformity, glare,

etc. The optimal number and disposition of luminaires is the one which

ensures the requested values of those parameters.

For road lighting, a more general result can be considered from the lighting

calculations for straight sections, as the same type of luminaires have been

used in each case and carriageway is the same. The lighting poles will be

placed every 25m and with 1,2m distance for the edge of the carriageway,

to allow for the 25 lux required by the client and 0,4 illuminance

uniformity. The curves, intersections and parking lots had to be

individually considered as the analysis of uniformity becomes more

complex.

The lamps to be used are fluorescent, LED and high pressure sodium.

2. Lighting circuit

The cables of each circuit are dimensioned in order to comply with short-

circuit temperature rise, current carrying capacity, and voltage drop

limitations following AS 3008.1.1. Following these calculations was

established that for each circuit the final cables to be used for construction

will be copper conductor cables with XLPE X-90 insulation of the

following cable sections:


VIII

Feeder of the Central Distribution Board: 5x150

Feeder of the Emergency Power Distribution Panel: 3x35 + 16 .

To feed the local lighting panels on offices, oil station and transporter’s

workshop: 3x50

To feed the local lighting panels on Unit H:5x25

From the lighting panel to the terminal boxes (Road Lighting and Plant

Lighting): 5x16

Within the unit: 3x 10 .

From the terminal box to the luminaire: 3x2,5

The circuit will be protected and controlled from two centralized lighting

panels inside the two substations of the plant. The detailed panel schedules

and connections to each of the circuit are described in Appendix 18. The

total power consumed by the system is of 260kW. Each circuit will have

corresponding protections depending on its nominal current. The expected

short-circuit current will be of 30kA, so downstream cable sizing is done

considering this value. The only single-phase circuits connected to the bus

bars are the convenience outlet circuits and the substation lighting, all of

the other circuits are three-phase circuits.

All the panel outgoings will be protected by a mini circuit breaker (MCB)

and a residual current device (RCD) of 30mA at the most. The nominal

current of these devices is specified in the one-line diagram of lighting

philosophy. The minimum size of MCBs for the lighting circuits will be of

16A.

This design has also been complemented with the required documents of

any classic engineering project which are the Environmental Study, the

Safety and Security Report and the Technical Specifications.

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