Ponente: Ing. Arturo Pedraza Martinez Watergy México A.C.

Transcripción

1 Metodología para un auditoria energética en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales generadas con apoyo del programa MLED. Casos de Estudio en PTARS de Cd Victoria y Nuevo Laredo Ponente: Ing. Arturo Pedraza Martinez Watergy México A.C.

2 Metodologia utilizada Etapas: 1ª Etapa: Identificacion de sistemas consumidores de energia 2ª Etapa: Caracterizacion Energetica Paso 1: Mediciones de campo Paso 2 : calculo de indicadores energéticos e impactos por equipo. 3 ª Etapa: Análisis de la información 4ª Etapa: Propuesta de medidas y Evaluación de ahorros

3 Caso de estudio El municipio de Cd. Victoria Tamaulipas produce en promedio alrededor de 650 lps de aguas negras, de los cuales el 38% de estas aguas son enviadas a la Planta Municipal de Tratamiento y el resto (62%) a las Lagunas de Oxidación Los Puerquitos y El Saladito. La Planta se encuentra localizada al Nororiente de la ciudad y atiende de un 36% a un 40% de la población de la ciudad y abarca principalmente la zona Sur. La PTAR es de tipo convencional de lodos activados, a base de zanjas de oxidación, con una capacidad de tratamiento de litros por segundo y actualmente está trabajando con un flujo promedio de a lps, a la espera que se realice el incremento procedente de las Lagunas de Oxidación para trabajar a su capacidad máxima.

4 Lay out

5 PASO 1. IDENTIFICACION DE LA OPERACIÓN Y SISTEMAS CONSUMIDORES DE ENERGIA VISTA DE LA OBRA DE TOMA CÁRCAMO DE CONTROL ENTRADA A CARCAMO DE CONTROL AGUA HACIA PRETRATAMIENTO

6 CÁRCAMO DE BOMBEO DE INFLUENTE Estación de Bombeo de influente : Consiste en un Cárcamo de Bombeo y una Caja Distribuidora de Flujo. con 3 Bombas Sumergibles para Lodos (2 en Stand By) con motor de HP y con capacidad de bombeo máxima de 160 lps c/u CAJA DISTRIBUIDORA MEDIDOR DEL % DE LLENADO DEL CÁRCAMO (dos de estas bombas poseen una recirculación para retornar al cárcamo el flujo excedente) y de ahí pasa a la Caja Distribuidora donde se ubican un par de Compuertas Manuales para regular el flujo de entrada de agua (a gravedad) hacia cada una de las Zanjas de Oxidación.

7 Operación de los reactores ( Zanjas de oxidación) TABLEROS DE SOPLADORES MANIFUL DE SOPLADORES ZANJA DE OXIDACIÓN No. 1 ZANJA DE OXIDACIÓN No. 2 El agua residual pretratada llega por gravedad a las zanjas de oxidación en los cuales, por medio de la inducción de aire proporcionado por 3 Sopladores Centrífugos (2 en Stand By) con motor de 150 HP y 1,152 Difusores de Burbuja Fina en cada Zanja, se fomenta la producción de la Biomasa o Lodos Activados, los cuales son los encargados de la degradación de la materia orgánica contenida en el agua residual sanitaria. Actualmente se encuentra en funcionamiento solamente 1 de las 2 Zanjas de Oxidación y 1 de los 3 Sopladores Centrífugos y otro opera 5 hrs/día en tiempo de verano, cuando el Oxígeno Disuelto en el Reactor baja de 1.50 a menos de 0.50 mg/lto),

8 No. UBICACIÓN EQUIPO HP TIEMPO TRABAJO HR/AÑO KW KW-HR/AÑO I BOMBAS DE POZO (AGUA POTABLE) TOTAL 490, Pozo No. 1 Bomba de Pozo Profundo No Sin Funcionar Pozo No. 2 Bomba de Pozo Profundo No hr/dia 8, , II OBRA DE TOMA Y PRETRATAMIENTO TOTAL 286, Desbaste Rejilla Gruesa de Desbaste Automática No hr/dia 1, Desbaste Rejilla Gruesa de Desbaste Automática No hr/dia 1, Desbaste Banda Transportadora de Arenas hr/dia Desarenado Desarenador Tipo Vórtex No hr/dia 8, , Desarenado Desarenador Tipo Vórtex No hr/dia 8, , Desarenado Soplador Regenerativo No hr/dia , Desarenado Soplador Regenerativo No hr/dia , Desarenado Clasificador de Arenas No hr/dia 1, , Desarenado Clasificador de Arenas No hr/dia 1, , Cárcamo de Influente Bomba Sumergible para Lodos No hr/dia 8, , Cárcamo de Influente Bomba Sumergible para Lodos No En Espera Cárcamo de Influente Bomba Sumergible para Lodos No En Espera Caja de Distribución Compuertas Manuales p/distribución de flujo III REACTORES BIOLÓGICOS TOTAL 1,030, Caseta de Sopladores Soplador Centrífugo No hr/dia 8, , Caseta de Sopladores Soplador Centrífugo No hr/día en Verano , Caseta de Sopladores Soplador Centrífugo No En Espera Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 1 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar IV CLARIFICADORES TOTAL 3,267.48

9 3.18 Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar Zanja de Oxidación No. 2 Agitador Sumergible Tipo Banana No Sin Funcionar IV CLARIFICADORES TOTAL 3, Sedimentador Secundario No. 1 Motoreductor para Rastras de Lodos Sedim En Espera Sedimentador Secundario No. 2 Motoreductor para Rastras de Lodos Sedim hr/dia 8, , V DESINFECCIÓN Y AGUA TRATADA TOTAL 36, Dosificación de Gas Cloro Bomba de Ayuda de Cloro No hr/dia 8, , Dosificación de Gas Cloro Bomba de Ayuda de Cloro No En Espera Tanque de Contacto de Cloro Bomba de Servicios Propios No hr/dia 2, , Tanque de Contacto de Cloro Bomba de Servicios Propios No En Espera Caseta de Tanques de Gas Cloro Polipasto Eléctrico para Carga de Tanques hr/15 días Salida Agua Tratada (Efluente) Medidor de Flujo Ultrasónico hr/dia 8, VI RETORNO DE LODOS TOTAL 156, Cárcamo de Retorno de Lodos No. 1 Bomba Sumergible para Lodos No Sin Funcionar Cárcamo de Retorno de Lodos No. 1 Bomba Sumergible para Lodos No Sin Funcionar Cárcamo de Retorno de Lodos No. 2 Bomba Sumergible para Lodos No hr/dia 8, , Cárcamo de Retorno de Lodos No. 2 Bomba Sumergible para Lodos No En Espera VII TRATAMIENTO DE LODOS TOTAL 429, Cárcamo de Natas Bomba Sumergible para Lodos (Natas) No a 3 hr/dia 1, , Cárcamo de Natas Bomba Sumergible para Lodos (Natas) No En Espera Espesador de Lodos Motoreductor para Rastras de Lodos Dig Sin Funcionar Digestor de Lodos No. 1 Aereador Sumergible Nabohi No hr/dia 8, , Digestor de Lodos No. 1 Aereador Sumergible Nabohi No hr/dia 8, , Digestor de Lodos No. 2 Aereador Sumergible Nabohi No En Espera Digestor de Lodos No. 2 Aereador Sumergible Nabohi No En Espera Caseta de Deshidratación Bomba de Cavidad Progresiva No a 12 hr/dia 4, , Caseta de Deshidratación Bomba de Cavidad Progresiva No En Espera Caseta de Deshidratación Bomba de Cavidad Progresiva No En Espera Caseta de Deshidratación Bomba de Inyección de Polímero No a 12 hr/dia 4, , Caseta de Deshidratación Bomba de Inyección de Polímero No En Espera Caseta de Deshidratación Agitador Polímero No a 12 hr/dia 4, , Caseta de Deshidratación Agitador Polímero No En Espera Caseta de Deshidratación Motor de Tanque Mezclador No a 12 hr/dia 4, , Caseta de Deshidratación Motor de Tanque Mezclador No En Espera Caseta de Deshidratación Compresor de Aire hr/dia , Caseta de Deshidratación Filtro Prensa No a 12 hr/dia 4, , Caseta de Deshidratación Filtro Prensa No En Espera TOTAL KW-HR/AÑO 2,433,133.93

10 PASO 2. CARACTERIZACION ENERGETICA. LINEA BASE PASO 2.1.TRABAJO DE CAMPO Mediciones electromecánicas Bomba PTARBE1 Descripción de la evaluación Fotografía del equipo Montaje de sensores ultrasónicos Medición Medición electrica Medición

11 Mediciones electromecánicas Bomba PTARPSUM2 Descripción de la evaluación Fotografía del equipo Montaje Medición de de sensores presión ultrasónicos Medición Medición electrica Montaje de sensores ultrasónicos Medición electrica

12 PASO CALCULO DEL CONSUMO ENERGÉTICO POR ETAPA E INDICADORES ENERGETICOS Distribución del consumo energético por etapa de proceso Los sopladores, que son el Corazón del tratamiento biológico inyectando aire a los reactores biológicos, constituyen el 49 % del consumo energético El proceso de tratamiento de lodos, es el segundo en importancia en el consumo energético con un 24 %, El tercero en importancia lo constituye la obra de toma y el pretratamiento, de los cuales, el mayor porcentaje son los sistemas de bombeo involucrados que constituyen el 93 % y que son también objeto de un análisis de las oportunidades de ahorro que se detectaron El cuarto en importancia, con un 7 % del total, es el proceso de retorno de lodos que también lo constituye un Sistema de bombeo y en este caso también presenta una posible área de oportunidad El quinto proceso en impacto energético, es el sistema de tratamiento final, cuyo consume está basado principalmente en sistemas de bombeo para usos propios de la PTAR y del área circundante. Este constituye solo el 2 % del total

13 CALCULO DEL INDICE ENERGETICO ESPECÍFICO IE, indicador clave dentro de la caracterización energética, Indica el nivel de intensidad del consumo de energía, por unidad de volumen de agua procesada. Se calcula dividiendo el total de los kilowatts/hora consumidos / total del agua producida Base anual Energía total consumida durante el 2013: 1,948, kwh. Tomados de la facturación de CFE, Volumen total de agua procesada 3,626,640 m3 IE actual: 0.54 kwh/m3 Indicador clave para cuantificar los beneficios en ahorros de energía y el monitoreo de resultados una vez que las medidas de ahorro se implementen

14 PASO 3. DETERMINACION DE MEDIDAS DE AHORRO ENERGETICO Dos tipos de medidas Medidas de ahorro convencionales. Que incluyen básicamente medidas de ahorro por mejora de factor de potencia y mejora de eficiencia electromecánica a sistemas de bombeo,. Las cuales no incluyen afectaciones o modificaciones al proceso Medidas de ahorro de proceso. Que incluyen las medidas de ahorro que implican cambios sustanciales en el proceso, que, sin afectar o aun buscando mejorar la calidad del efluente, resulten en ahorros de energía significativos

15 Medidas de ahorro convencionales Sistema Proyecto: Componentes del sistema a optimizar PTAR MEE 11: Incremento de Eficiencia Electromecánica en Equipos de Bombeo de PTAR Reducción de pérdidas en motor y bomba, mejora en eficiencia electromecánica y mejora del costo energético Tipo de Proyecto Largo Plazo Descripción Para incrementar la Eficiencia Electromecánica de los equipos de bombeo de PTAR se propone: Sustituir bombas de baja eficiencia, por bombas de alta eficiencia que cumplas con los requerimientos del sistema En los sistemas que se requiere sustición de bomba: Equipo bomba de efluente 1 y 2, Pozo en PTAR y bomba de recirculación BR1 El proyecto MEE11 se calcula con dos diferentes alternativas de inversión, la primera opción MEE 11a) es simplemente considerando el cambio de equipo de baja eficiencia, para mejorar la eficiencia electromecanica del sistema, y la opción MEE 11b) es considerando el cambio de equipos e instalación de banco de capacitores MEE 11a) Sustitucion de Equpos baja eficiencia Parámetro Unidades Situación Actual Diagnóstico Valor Esperado Diferencia % Valor Esperado Diferencia % Demanda facturable kw % % Demanda Máxima kw % % Gasto Medio Anual l/s % % Eficiencia Electromecánica Promedio % 55.67% 61.47% 5.81% 10.43% 61.47% 5.81% 10.43% Volumen Producido Anual m 3 /año 22,550,944 22,550, % 22,550, % Energía Total kwh/año 2,342,146 2,259,988 82, % 2,259,988 82, % Energía de base kwh/año 743, , ,730 Energía interm. kwh/año 1,385,027 1,275,989 1,275,989 Energía de punta kwh/año 213, , ,269 Facturación anual $/año $4,261,769 $4,110,062 $151, % $3,671, $590, % Índice Energético kwh/m % % Costo Unitario de Bombeo $/m 3 $0.19 $0.18 $ % $0.16 $ % Inversión Estimada $ $509,480 $716,162 Retorno de la inversión años MEE 11b) Sustitucion de Equipos baja eficiencias, y optimización del factor de potencia

16 Medida de Proceso 1. Aplicación de un sistema de control de velocidad en el soplador principal del sistema de tratamiento biológico. Perfil de demanda global, En la operación se distinguen dos patrones de comportamiento, Operación diurna que inicia a las 10 de la mañana y termina a las 11 de la noche y La operación nocturna que inicia a las 11 de la noche y termina a las 10 de la mañana.

17 Operación del soplador en la figura se aprecia claramente que el perfil demanda del soplador es similar o mas bien es la causa del perfil de demanda total de la PTAR. El soplador trabaja con alta caga (operación diurna) 13 horas al día y con baja carga (operación nocturna) 11 horas al día.

18 Para controlar la cantidad de oxígeno que se está alimentando al proceso, en la descarga del soplador se tiene una válvula de control. Antes se controlaba con una electro-válvula, y actualmente lo hacen manualmente con la válvula de corte. Durante el horario en que la carga es alta, la válvula se mantiene abierta al 25%, mientras que cuando es la carga es baja, la válvula se mantiene únicamente con un 15% de apertura La carga estática que el aire tiene que vencer corresponde a la columna de agua existente entre la superficie del estanque y el fondo del mismo donde el aire es descargado. En este caso es de 4 metros mas las perdidas en la válvula de control

19 Medición de parámetros en el Operación Potencia eléctrica (kw) soplador Caudal (scfm) Presión (psi) Horas de operación (h/día) Diurna , Nocturna , La presión registrada en el manómetro durante la operación nocturna fue de 10 bars con un caudal de 1,500 scfm y durante la operación diurna de 8 bars con un caudal de 2,500 scfm. La potencia demandada por el motor del soplador durante la operación diurna fue en promedio de 109 kw y durante la operación diurna de 69 kw.

20 Cálculo de la eficiencia electromecánica del soplador La eficiencia electromecánica del soplador se puede calcular como el trabajo politrópico del soplador entre la potencia eléctrica suministrada al motor del soplador, donde el trabajo politrópico se calcula por medio de la siguiente expresión: k P2 k-1/k Trabajo = ( ) P 1 V 1 [( politrópico k-1 P1 ) -1 ] Donde: k = constante politrópica (para el aire = 1.4) P 1 = presión de succión (presión barométrica del sitio) P 2 = presión absoluta de descarga del soplador V 1 = flujo volumétrico del aire Parámetro Unidades Operación diurna nocturna P 1 psia P 2 psia V 1 cfm 2,355 1,413 Trabajo kw Pe. kw Efic % 69.94%

21 Propuesta de ahorro Instalar un variador de velocidad de estado sólido para regular por medio de velocidad variable el caudal entregado por el soplador a los requerimientos del proceso y dejar completamente abierta la válvula, para reducir prácticamente a cero la pérdida de carga en la válvula, reduciéndose la carga sobre el soplador a aquella dada por la carga estática. Determinar la potencia eléctrica que demandará el motor del soplador en las condiciones esperadas tanto para la operación diurna como para la operación nocturna Parámetro Unidades Operación diurna nocturna P 1 psia P 2 psia V 1 cfm 2,355 1,413 Trabajo kw Efic % 69.94% Pe. kw Obsérvese como en la condición esperada la presión de descarga es la misma tanto para la operación diurna como para la nocturna y esta dada por la carga estática + el 20% y que los caudales son los mismos de la situación actual, ya que estos responden a las necesidades de oxígeno del proceso. Determinar la reducción de potencia que se logrará con la situación esperada y tomado el cuenta el número de horas de operación anual en cada escenario, se determina la energía total ahorrada Parámetro Potencia actual Potencia esperada Potencia ahorrada Horas de operación Energía ahorrada Energía total ahorrada Unidades Operación diurna nocturna kw kw kw h/año 4,745 4,015 kwh/año 64,635 81,012 kwh/año 145,647 El Beneficio económico considerando el costo unitario de la energía en la planta ( $/kwhes: 265, $/año

22 Medida de Proceso 2. Aplicación de sistema de tratamiento biológico dual ANAERÓBICO-AERÓBICO Se refiere a la instalación de un tanque Digestor Anaeróbico previo al tratamiento secundario (a base de las Zanjas de Oxidación), que permita la remoción de la materia orgánica y nutrientes y reduciendo sustancialmente la producción continua de lodos residuales, los cuales permanecen en un proceso continuo de digestión en el tanque Digestor Anaeróbico junto con el lodo primario. Permite separar y tratar los sólidos primarios, una vez que se mezclan con la purga de lodos residuales activados (lodos de desecho RAS) en una cámara anóxica y de digestión, eliminando el manejo diario de los lodos de desecho, ya que la disposición promedio de éstos es de 10 años o más (dependiendo de las características de los lodos). P.T.A.R. 90 LPS INGENIO EN CD. VALLES DIGESTOR ANAERÓBICO REACTOR BIOLOGICO

23 Medida de Proceso 2. Aplicación de sistema de tratamiento biológico dual ANAERÓBICO-AERÓBICO

24 Beneficios del dual Ahorro por 380,540 kwh/año, además del costo del polímero usado para el prensado de lodos, el costo de la disposición de los mismos, el uso de la bomba de servicios propios para limpieza de las bandas del filtro, servicios de reparación y mantenimiento de los equipos y el tiempo del personal dedicado a trabajar en este sistema. Considerando el costo promedio de la energía de $/kwh, ahorro económico por: 692, $/año

25 Medida de Proceso 3. Disminución del consumo de energía y paro de equipos en horario punta. Potencial de ahorro de energía Energía consumida en hora En la operación de la planta se distinguen dos patrones de comportamiento, por una parte la operación diurna que inicia a las 10 de la mañana y termina a las 11 de la noche y por otra parte la operación nocturna que inicia a las 11 de la noche y termina a las 10 de la mañana. Como se puede apreciar, la carga eléctrica durante el horario de punta no disminuye, debido a que sigue llegando a la planta agua residual; este efecto no disminuye sino hasta después de las 22:00 horas. Sin embargo, si es posible reducir la aeración durante el horario de punta y reducir la carga eléctrica y el consumo de energía en dicho horario.

26 Ahorro en costo energético por paro en punta Sistema Equipo # Datos de Placa HP. Voltaje (V) Operación Hrs/año Invierno Verano Demanda facturable (kw) Consumo en punta (kwh/año) Facturación Ener. punta y Dem. Fact. ($/año) Soplador , , Pozo , , Bombas de Influente , , Bombas de Recirculación de los BRL BRL , , Aireadores sumergibles , , Otras cargas 110/220/ , , Total , ,166, Sistema Equipo # Demanda punta (kw) Demanda facturable (kw) Consumo de energía (kwh/año) Facturación Ener. punta y Dem. Fact. ($/año) Soplador , , Pozo , , Bombas de Influente , , Bombas de Recirculación de los BRL1 1BRL , , Aireadores sumergibles , Otras cargas , , Total , , , $/año

27 Sistema Proyecto: Resumen de ahorros PTAR MEE 11: Incremento de Eficiencia Electromecánica en Equipos de Bombeo de PTAR Sustitución de equipos de baja eficiencia Sustitución de equipos de baja eficiencia y optimización del FP Sustitución de equipos de baja eficiencia, optimización del FP, instalación de variador de velocidad Sustitución de equipos de baja eficiencia, optimización del FP, instalación de variador de velocidad y reducción de carga en punta Sustitución de equipos de baja eficiencia, optimización del FP, instalación de variador de velocidad, reducción de la carga en punta y tratamiento biológico dual Parámetro Unidades Situación Actual Diagnóstico MEE 11a MEE 11b MEE 11c MEE 11d MEE 11e Demanda facturable kw Demanda Máxima kw Gasto Medio Anual l/s Volumen Producido Anual m 3 /año 22,550,944 22,550,944 22,550,944 22,550,944 22,550,944 22,550,944 Energía Total kwh/año 2,342,146 2,259,988 2,259,988 2,119,450 2,036,611 1,705,713 Energía de base kwh/año 743, , , , , ,005 Energía interm. kwh/año 1,385,027 1,275,989 1,275,989 1,196,642 1,196,642 1,002,217 Energía de punta kwh/año 213, , , , ,852 89,491 Facturación anual $/año $4,261, $4,110, $3,671, $3,454, $3,167, $2,654, Índice Energético kwh/m Costo Unitario de Bombeo $/m 3 $0.189 $0.182 $0.163 $0.153 $0.140 $0.118 Inversión Estimada $ $509,480 $716,162 $856,162 $856,162 $6,356,162 Ahorro económico anual $/año $151,706 $590,329 $807,441 $1,094,648 $1,607,009 Retorno de la inversión años Con la implementación de todas las medidas es posible lograr un ahorro económico anual por $ 1,607,009 que representa un 37 % en el costo actual