EFICIENCIA ENERGETICA Y ADMINISTRACION DE LA DEMANDA EN EL SECTOR PRODUCTIVO

Transcripción

1 SEMINARIO DE CAPACITACION : EFICIENCIA ENERGETICA Y ADMINISTRACION DE LA DEMANDA EN EL SECTOR PRODUCTIVO ORGANIZADORES: LIMA, SEPTIEMBRE/ OCTUBRE DEL

2 TEMA: EFICIENCIA DE CALDERAS Y SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR ING. VICTOR ARROYO CHALCO 2

3 CONTENIDO: INTRODUCCIÓN; Oportunidades de ahorro de energía en sistemas de vapor PARTE 1: Ahorro de energía en calderas de vapor Por buenas prácticas de gestión Por mejoras tecnológicas PARTE 2: Ahorro de energía en distribución de vapor 3

4 OPORTUNIDADES DE AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE VAPOR La experiencia nos dice que en toda planta se puede ahorrar energía en un sistema de vapor: Calderas de vapor : 5% típico y hasta 18% en algunos casos. Redes de vapor y condensado : 5 a 10% Los ahorros pueden lograrse de dos maneras: Con buenas practicas de gestión (nulas o bajas inversiones) Introduciendo mejoras tecnológicas (inversiones moderadas y altas) 4

5 INSTALACION DE VAPOR Gases MAQUINA 1 MAQUINA 2 PR-6 CALDERA 400 BHP Agua de aporte TANQUE CONDENSADO Drenaje 5

6 PARTE 1-A AHORRO DE ENERGÍA EN CALDERAS DE VAPOR POR BUENAS PRACTICAS DE GESTIÓN (Baja o nula inversión) 6

7 CONTROL DEL EXCESO DE AIRE Consiste en suministrar controladamente al quemador la cantidad mínima de aire para lograr una combustión eficiente. Esta es la forma más efectiva de mejorar la eficiencia y ahorrar energía en calderas. Es de fácil implementación. Los ahorros son inmediatos. Las inversiones son muy bajas o a veces nulas. Debe realizarse periódicamente. 7

8 CONTROL DEL EXCESO DE AIRE Para lograr una combustión eficiente con bajo exceso de aire es necesario: Mantener una buena mezcla aire-combustible: Adecuada presión del combustible, aire y medio de atomización. Adecuada temperatura de atomización (Residuales). Buen mantenimiento del sistema de combustión : bomba, regulador, calentador, cono, difusor, boquilla, etc. 8

9 CONTROL DEL EXCESO DE AIRE Los sistemas de control mecánico requieren de ajustes periódicos del exceso de aire por : Fluctuaciones de la calidad del combustible. Desajustes por la mismo movimiento y desgaste de los elementos (varillas, pines, levas, válvulas, etc.) Desajustes en los trabajos de mantenimiento. 9

10 CONTROL DEL EXCESO DE AIRE Equipos necesarios: Analizador de gases (O2, CO, temperatura) Opacímetro (Indice Bacharach 0 a 9). 10

11 CONTROL DEL EXCESO DE AIRE Procedimiento: Ajustar la posición de la compuerta de aire y/o la válvula de combustible (pines, levas) en base al análisis de gases, hasta lograr parámetros deseados: PARAMETRO COMBUSTIBLE GAS DIESEL RESIDUAL O 2 (%) 3 max 3.5 max 4.0 max CO 2 (%) 10.2 min 12.9 min 12.8 min CO (ppm) 50 max 200 max 400 max Opacidad (Indice Bacharach) 0 3 max 4 max 11

12 CONTROL DEL EXCESO DE AIRE Beneficios: Menores pérdidas de calor con el gas de chimenea. Mayor transferencia de calor. Mayor temperatura de llama y transmisión de calor radiante. Reducción de las emisiones de gases contaminantes (NOx, SO 2,CO). Mayor eficiencia de la caldera. Menor costo de producción. Se evita afectar la capacidad de entrega de vapor. 12

13 Ahorro de combustible (%) AHORRO DE PETROLEO AL REDUCIR EL EXCESO DE AIRE A 20% ºC ºC Oxigeno en gas de chimenea (%) 300 ºC 200 ºC Temperatura del gas 13

14 CONTROL DE LA PRESION Y TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE Para una adecuada mezcla con el aire, el combustible tiene que inyectarse al quemador a la presión requerida por el fabricante (ver manual). Los combustibles pesados requieren además calentarse para bajar su viscosidad y lograr una fina atomización que permita mezclarse con el aire. 14

15 CONTROL DE LA PRESION Y TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE 15

16 CONTROL DE LA PRESION Y TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE Temperatura de atomización de combustibles Tipo Quemador Viscosidad (cst) Temperatura atomización ( C) Residual 6 Residual 500 Atomización por presión Atomización por aire comp. Atomización por vapor Atomización copa rotativa

17 CONTROL DE LA PRESION Y TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE PRESIONES DEL COMBUSTIBLE Y MEDIO DE ATOMIZACION PARAMETRO CALDERA CLEAVER BROOKS CALDERA DISTRAL Presión del aire o vapor de atomización (psi) Presión del combustible para atomización (psi) 12 (llama baja) < 25 (llama alta) (inyección) (retorno) 12 (llama baja) 13 (llama alta) 59 (llama baja) 58 (llama alta) Nota : Las presiones pueden variar algo en función de la calidad del combustible. 17

18 CONTROL DE LA PRESION Y TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE Procedimiento: Verificar presiones de inyección del combustible y aire en el manual de la caldera. Ajustar elemento regulador de presión de combustible. Ajustar termostato del calentador de combustible. Contar con manómetros calibrados. Beneficios: Combustión sin hollín. Mayor eficiencia de la caldera. Se evita ensuciar los tubos. 18

19 CONTROL DEL TIRO (PRESION DEL HOGAR) El tiro influye mucho en la combustión, eficiencia y conservación de la caldera. En las calderas pirotubulares depende básicamente de la presión del aire del ventilador, temperatura del gas y altura de la chimenea. Un excesivo tiro ocasiona: Alargamiento de la llama (puede lamer la pared posterior de refractario). Incremento del exceso de aire. Deficiente combustión. 19

20 CONTROL DEL TIRO (PRESION DEL HOGAR) Procedimiento: Medir la presión estática a la salida de la caldera (chimenea). Una presión adecuada es aprox. 10 mmca. Si la presión es muy alta, puede deberse a: Ventilador entrega mucha presión de aire: chequear con el fabricante. Chimenea muy alta: instalar damper. Si la presión es muy baja, puede haber suciedad en tubos. 20

21 OPERAR LA CALDERA AL 60-70% DE CARGA Las calderas presentan una eficiencia que no es constante en todo su rango de capacidad; tienen un pico de eficiencia que está entre el 60% a 70 % de su capacidad plena. Eficiencia (%) % Carga (%) 21

22 OPERAR LA CALDERA AL 60-70% DE CARGA Procedimiento: En calderas con carga constante posicionar el fogueo en manual, a un nivel entre 60% a 70% del fogueo máximo. Al seleccionar una caldera nueva, considerar que trabaje en promedio a su máxima eficiencia. Cuando haya calderas de diferente potencia, usarlas de acuerdo a la demanda de vapor. 22

23 REDUCIR LA PRESION DEL VAPOR La reducción de la presión, a un nivel compatible con las necesidades de temperatura, implica ahorros de combustible. OJO: una reducción excesiva de la presión puede ocasionar problemas: Incremento del arrastre en la caldera. Excesivas velocidades en las tuberías existentes. Mal funcionamiento de trampas y otros dispositivos. Menor transferencia de calor en los equipos de vapor. 23

24 REDUCIR LA PRESION DEL VAPOR 24

25 REDUCIR LA PRESION DEL VAPOR Procedimiento: Ajustar el control del limitador de presión al nivel conveniente. Tornillo de ajuste del diferencial Escalas Tornillo de ajuste de presión principal Reseteo manual Switch de mercurio Indicador de presión diferencial Indicador de presión principal Diafragma Puntero Indicador nivelante Marca Indicadora 25

26 MANTENER EN BUEN ESTADO EL SISTEMA DE COMBUSTIÓN Recomendaciones de mantenimiento del sistema de combustión. 1. Bombas Verificar fugas, temperatura y presión de trabajo. 2. Filtros Verificar limpieza y buen estado. 3. Calentador de combustible Limpieza de tubos (eliminar borras). Verificación de trampa de vapor del serpentín (usar filtro). Chequeo del termostato y válvula reguladora de vapor de calentamiento. 26

27 MANTENER EN BUEN ESTADO EL SISTEMA DE COMBUSTIÓN 4. Válvula moduladora de combustible Eliminar fugas. Chequear fuelles, diafragmas, eje, etc. Chequear leva moduladora: alineación, pines, etc. 5. Ventilador de aire Limpiar la malla de entrada de aire y el rotor del ventilador. Engrasar rodamientos del ventilador y del motor. 27

28 MANTENER EN BUEN ESTADO EL SISTEMA DE COMBUSTIÓN 6. Quemador Retirar el cañón, limpiar. Limpiar regularmente las toberas con solventes. Cambiarlas cada 2 a 3 años como máximo. Mantener limpia la fotocelda. Mantener limpio y en buen estado el difusor de aire. Garantiza una buena mezcla aire-combustible. 28

29 MEJORA O IMPLEMENTACION DE INSTRUMENTACION INSTRUMENTO Calderas Grandes Calderas pequeñas Termómetro en chimenea X X Medidor de vapor X Medidor de combustible X X Medidor de agua de aporte X Analizador de oxígeno en chimenea X Registrador de tiempo de operación X Termómetro en el retorno de condensado X X Analizador portátil de gases y opacímetro X 29

30 MANTENER EN BUEN EL REFRACTARIO Y AISLAMIENTO 1) Refractario Su función es disminuir las perdidas térmicas, evitar el calentamiento excesivo del quemador y ayudar a dar forma a la llama y ayudar a la combustión. Si hay grietas o rotura, es mejor cambiar el refractario que repararlo. Tener cuidado de no obstruir el ingreso de aire, manteniendo el diámetro y ángulo original. 30

31 MANTENER EN BUEN EL REFRACTARIO Y AISLAMIENTO 31

32 MANTENER EN BUEN EL REFRACTARIO Y AISLAMIENTO 2) Aislamiento Limpiar la cubierta metálica. No deformarla (golpes, pisadas). Si se humedece, quitar la cubierta y dejar que seque, pues la humedad aumenta la conductividad y se pierde más calor. Restituir aislamiento cuando sea necesario. 32

33 MANTENER LIMPIOS LOS TUBOS DE LA CALDERA En una caldera pueden formarse depósitos en 2 puntos : 1. Lado del agua: depósitos de sales (caliche) Por mal ablandamiento del agua de alimentación. Presencia de residuos de sales de Calcio y Magnesio, que se depositan en los tubos por efecto del calor. 2. Lado de los gases: depósitos de hollín. Por mala combustión (mezcla pobre aire-combustible o defecto de aire). Formación de hollín producto de reacciones incompletas. 33

34 MANTENER LIMPIOS LOS TUBOS DE LA CALDERA INCRUSTACIÓN 34

35 Aumento de consumo de petróleo (%) INCREMENTO DEL CONSUMO DE PETROLEO POR ENSUCIAMIENTO DE TUBOS Hollin Incrustación normal Espesor de capa (mm) 35

36 PARTE 1-B AHORRO DE ENERGÍA EN CALDERAS DE VAPOR POR MEJORAS TECNOLOGICAS (Inversiones moderadas y altas) 36

37 INSTALAR SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE EXCESO DE AIRE Consiste en introducir elementos a la caldera para el control automático del exceso de aire: Sensor de oxígeno. Sensor de temperatura de gases. Controlador electrónico. Actuador diferencial. 37

38 INSTALAR SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE EXCESO DE AIRE Control Fogueo Transmisor de Temperatura Sensor de Oxígeno Controlador Electrónico O2 TRIM Ventilador de aire Vapor DTA Actuador Diferencial CALDERA Quemador Combustible Actuador de Ejes (Modutrol) 38

39 INSTALAR SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE EXCESO DE AIRE Aplicable a calderas de 300 BHP (Diesel) ó 600 BHP (Residual), 5000 h/año de operación. Ahorros de energía de 2% a 4%. Inversión requerida : US$ a para potencias de 300 BHP a 1000 BHP 39

40 IMPLEMENTAR CONTROL AUTOMATICO DE PURGA Una purga efectuada manualmente puede resultar en: 1. Purga demasiado excesiva. Implica extraer demasiada agua caliente de la caldera: desperdicio de energía, agua y productos químicos. 2. Purga insuficiente. Los STD se incrementan y se producen incrustaciones. El control automático: Permite purgar la cantidad de agua justa y necesaria, ahorrando agua y energía. 40

41 IMPLEMENTAR CONTROL AUTOMATICO DE PURGA Vapor SISTEMA DE CONTROL AUTOMATICO DE PURGA DE CALDERA Controlador CP CALDERA TT CT Purga continua Valvula Control TT : Sensor / transmisor de temperatura CT : Sensor / transmisor de conductividad CP : Convertidor / posicionador de válvula 41

42 IMPLEMENTAR CONTROL AUTOMATICO DE PURGA Se justifica en calderas de 100 BHP (Diesel) ó 300 BHP (Residual), con 5000 h/año de operación. Ahorro : 0.5% a 2%. Inversión : US$

43 IMPLEMENTAR ECONOMIZADOR Un economizador es un intercambiador de calor donde el agua de alimentación a caldera se calienta a expensas del gas de chimenea. 43

44 IMPLEMENTAR ECONOMIZADOR Se justifica en calderas de 300 BHP (Diesel) ó 700 BHP (Residual), con 5000 h/año de operación. Se logra ahorros de energía de hasta 3%. 44

45 USAR TORBELLINADORES Son dispositivos que se instalan en los últimos pasos de las calderas pirotubulares para aumentar la turbulencia. Reducen la temperaturas del gas de chimenea e incrementan la eficiencia. Torbellinador 45

46 BENEFICIOS EN CALDERAS Eficiencia % 89.3 % Mejoras tecnológicas 86.4 % 82.8 % Actual Buenas prácticas 4.2% de ahorro 7.3% de ahorro 46

47 PARTE 2 AHORRO DE ENERGÍA EN DISTRIBUCIÓN DE VAPOR 47

48 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 1. Aislar tuberías de vapor, condensado, accesorios y recipientes. Mantiene la energía del vapor dentro del sistema. Reduce las fluctuaciones de temperatura en el sistema. Previene quemaduras en el personal. Usar el tipo y espesor óptimo de aislamiento. 48

49 Perdida de calor (kcal/h/m) PERDIDAS DE CALOR EN TUBERIAS DESNUDAS /4" Dif. Temp. Vapor - Aire ( C) 49

50 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 2. Reemplazar trampas de vapor que fallan. Si fallan abiertas : fuga de vapor por trampa. Si fallan cerradas : fuga de vapor por by-pass. Las trampas que fallan ocasionan problemas : Pérdidas de energía. Mala transmisión de calor. Sobrepresión del sistema de condensado. Operación deficiente de otros equipos. 50

51 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR EJEMPLO DE PERDIDAS DE VAPOR POR TRAMPAS Tamaño Trampa Pérdida Promedio (kg/h) N trampas falladas Pérdida total (kg/h) ¾ Pérdida total de vapor (kg/h) 540 Si el costo del vapor es de 16.3 US$/t (R-6), y si la planta trabaja 7000 h/año, entonces la pérdida es US$/año!!! 51

52 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 3. Seleccionar adecuadamente trampas de vapor para el servicio prestado. 52

53 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 4. Evitar el uso de trampas de grupo. Usar una trampa por cada punto de drenaje. 53

54 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 5. Monitorear periódicamente las trampas de vapor. Permite detectar fallas y tomar acciones. El nivel aceptable de trampas con falla es de 5%. Métodos de monitoreo : Inspección de la descarga libre. Inspección por visores o detectores. Detección por diferencia de temperatura. Detección por ultrasonido. 54

55 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR PERDIDAS POR FUGAS DE VAPOR Longitud Penacho ( metros ) Pérdida Vapor ( kg/h ) Pérdida económica (*) ( US$/año ) R-6 D (*)Base : 7000 h/año, 80% Efic. Caldera, Costo US$/t : 16.3 (R-6), 41.5 (D-2) 55

56 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 7. Diseñar tuberías de vapor correctamente. Usar diámetros que permitan velocidades de 25 a 30 m/s. Usar pendiente en sentido de flujo de vapor (0.4%). Usar pozos de condensado cada m y en cambios de dirección. Usar venteos de aire en terminales de línea y puntos altos. Ubicar tomas de ramales por la parte superior de troncales. Usar separadores de humedad. Minimizar recorridos de tuberías. Anular tramos de tubería innecesarios. 56

57 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 8. Retornar el condensado de drenajes de linea y equipos a la caldera. Reduce el consumo de combustible en la caldera. Reduce el régimen de purga. Ahorra aditivos químicos. Se reduce la contaminación ambiental. Si no es posible retornar el condensado, recuperar su calor. 57

58 AHORRO POR RECUPERACION DE CONDENSADO 58

59 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 9. Operar los equipos usuarios de vapor a la menor presión posible : se aprovecha mayor calor latente. Presión (psig) Temperatura ( C) Calor latente (kcal/kg) La presión mínima dependerá de la temperatura requerida por el proceso. 59

60 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 10. Eliminar aire de lineas, chaquetas y serpentines. Es importante eliminar el aire del vapor por: Reduce la temperatura del vapor. Reduce la transmisión de calor. Interfiere con la distribución de calor. Causa corrosión en los circuitos de condensado Provoca mayor consumo de vapor. 60

61 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 10. Eliminar aire de lineas, chaquetas y serpentines. 120 C 116 C 1 bar 1 bar 100% vapor 75% vapor 25% aire 61

62 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 11.Aprovechar vapor flash (revaporizado) cuando sea factible. El vapor flash se produce cuando un condensado pasa de una presión dada a otra menor. Tiene las mismas características que el vapor de caldera. La cantidad de vapor flash que se produce es : Vapor Flash (%) = Hs cond. Palta - Hs cond. Pbaja x 100 Hlat a Pbaja 62

63 TANQUE DE SEPARACION DE VAPOR FLASH 63

64 VAPOR FLASH FORMADO A NIVEL DEL MAR 64

65 EFICIENCIA EN DISTRIBUCION Y USO DE VAPOR 12. Limpiar serpentines y chaquetas de vapor. 13. Desconectar tuberías fuera de uso. 14.Considerar reemplazo de VRP por turbinas de vapor. 15.Usar termocompresores para recuperar vapores de baja presión. 16. Realizar mantenimiento de eyectores. 65

66 Gases T= 300 C O 2 = 8% IB = 7 CASO DE UNA INSTALACION DE VAPOR INEFICIENTE 120 m, 3" dia.(sin aislar) Vapor, psig 3000 kg/h 2000 kg/h MAQUINA 1 MAQUINA 2 PR gal/h CALDERA 400 BHP 60 ºC Eficiencia = 74% Rendimiento = 46.9 kg/gal Agua de aporte PLANTA : Consumo PR-6 : 700,000 gal/año Operación : 6,600 h/año TANQUE CONDENSADO Drenaje 66

67 RESULTADOS SITUACION ENCONTRADA MEJORAS PROPUESTAS AHORRO US$AÑO INVERSION US$ RET. INVER. 1. Ineficiencia en caldera 2. Recuperación parcial de condensado 3. Falta de aislamiento en línea hacia Máquina 2 - Limpieza tubos - Mantenimiento sistema combustión - Reducción del exceso de aire - Recuperación total de condensado - Aislamiento de línea hacia Máquina mes meses meses 67

68 COMENTARIOS FINALES 1. El ahorro de energía es rentable para las empresas. 2. Siempre existen oportunidades de ahorro de energía; sólo hay que buscarlas 3. La ayuda de un consultor energético es fundamental. 4. Realizar una auditoria energética para identificar las oportunidades de ahorro. 68

69 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION! ING. VICTOR ARROYO CHALCO Tel