Sistema de O 2 y CO para ahorro de combustible

AHORRO DE ENERGÍA CON SISTEMAS
DE CONTROL DE COMBUSTIÓN
O2 y CO
AHORRO DE ENERGÍA CON SISTEMAS
DE CONTROL DE COMBUSTIÓN
O2 y CO
control
O2
LA IMPORTANCIA DE OPTIMIZAR LA COMBUSTIÓN
PLUS CONTROL O2
• ALTOS RENDIMIENTOS DE COMBUSTIÓN
• PRESTACIONES CONSTANTES A LO LARGO DEL TIEMPO
• RÁPIDA AMORTIZACIÓN DEL CONTROL DE O2
• REDUCCIÓN DE LOS TIEMPOS DE MANTENIMIENTO DEL GENERADOR DE CALOR
El control continuo del contenido de oxígeno en la salida de humos (chimenea) de una caldera
implica ahorros de combustible efectivos porque permite que el quemador funcione con un
exceso de aire mínimo en todo su campo de trabajo.
De esta manera, el consumo de energía se reduce sin perjudicar las prestaciones y, al mismo
tiempo, se mejora la eficacia de todo el sistema de combustión y disminuyen las emisiones y
los costes generales de funcionamiento.
En las aplicaciones industriales, donde el coste de la energía es fundamental, el ahorro
energético permite reducir considerablemente el coste del producto final.
Quemador mod. GI 1000 LX ME
Funcionamiento con gas natural
Instalado en calderas de 12 t/h de vapor
2
UN DERROCHE DE ENERGÍA
Si las condiciones ambientales fueran constantes, podríamos regular el quemador con un
exceso de aire mínimo sin ningún problema, teniendo la seguridad de que se mantendría
constante.
Pero, en la realidad, los valores de combustión calibrados por el técnico durante el encendido
no se mantienen constantes, debido a factores ambientales que influyen en la composición
de la mezcla combustible-aire, y perjudican la eficacia del sistema de combustión.
Pero ¿cuáles son los factores que
influyen negativamente en la combustión?
El exceso de aire comburente cambia según
la temperatura, la presión, la contrapresión
del hogar y el tiro de la chimenea.
Por su parte, el combustible puede presentar
variaciones de poder calorífico, temperatura,
presión, viscosidad, densidad, o también
variaciones de caudal debidas, por ejemplo,
a la presencia de suciedad en los filtros.
Incluso desde el punto de vista mecánico,
las histéresis (juegos) crean inevitablemente variaciones en la regulación de la combustión.
¿Cómo se compensan los factores que
influyen en la combustión?
Aumentando el exceso de aire, lo que se
traduce en una disminución del rendimiento de combustión.
Un buen técnico se conforma con un 1015% de exceso de caudal de aire de seguridad para compensar los factores mencionados, que están presentes en cualquier
Qs = (tf - ta) •
QS
Tf
Ta
η
O2
A2,
=
=
=
=
=
B
pérdida de calor en la chimenea
temperatura de los humos
temperatura del aire comburente
rendimiento de la combustión
oxígeno medido
= valores típicos del combustible
(véase tabla)
A2
+ B [%]
21 - O2
control
O2
instalación, pero una práctica común consiste en suministrar excesos de aire superiores, precisamente para evitar problemas de
combustión durante el invierno.
La masa de aire caliente que sale por la
chimenea no aporta ninguna contribución
calórica y es la principal causa de pérdida
de eficacia.
Utilizando la fórmula de Siegert, podemos
calcular la eficacia de la combustión:
η = 100 - QS
COMBUSTIBLE
A2
B
GAS NATURAL
GASÓLEO
fuel pesado
0,66
0,68
0,61
0,009
0,007
0,010
A partir de esta fórmula podemos ver que a
cada reducción del 1% de O2 le corresponde un aumento de eficacia de aproximadamente 0,6% en el caso del gas, 0,7% en el
caso del gasóleo y 0,75% en el caso del
aceite combustible, considerando que, a
cada reducción de oxígeno, le corresponde
un cambio de la temperatura de los humos.
3
control
O2
UNA SOLUCIÓN EFICAZ: EL CONTROL DEL OXÍGENO
El control del oxígeno sirve para mantener constante la mezcla de combustible y aire comburente, incluso en condiciones ambientales desfavorables. El exceso de aire se mantiene en los
valores óptimos. El quemador funciona en todo su campo de trabajo siguiendo la curva del oxígeno establecida por el técnico durante el encendido del quemador (véase gráfico abajo).
De todos modos, es posible excluir la regulación de O2, y el quemador seguirá funcionando en
una curva básica con un exceso de aire de seguridad (establecido durante el encendido del
quemador).
Los valores de oxígeno son indicativos y
están referidos a generadores de calor de 3
pasos.
CURVA DE REGULACIÓN
DEL O2 EN FUNCIÓN DE
LA POSICIÓN DE CARGA
Los valores de oxígeno óptimos pueden
cambiar según el tipo de caldera.
CÓMO FUNCIONA EL
CONTROL DE O2:
4
El valor de oxígeno medido por la sonda se
compara continuamente con el valor de
referencia establecido en la curva.
Una eventual diferencia entre ambos valores (medido/referencia) genera una señal
de corrección que se trasmite al servomotor del aire comburente o a un inverter que
regula el caudal de aire modificando la
velocidad del ventilador.
La corrección del oxígeno se realiza de
modo continuo y automático, y garantiza un
alto rendimiento de combustión y un bajo
nivel de contaminación.
Con la medición constante del contenido de
O2 en los humos y la consiguiente corrección del aire comburente, se compensan
todos los factores que influyen en la com-
posición de la mezcla combustible-aire y se
obtienen altos rendimientos de combustión.
Las sondas que se utilizan para la medición
del oxígeno son de bióxido de zirconio, fiables, precisas, estables y de respuesta casi
instantánea.
No necesitan mantenimiento ni calibración
con gases de muestra, ni siquiera en caso
de sustitución.
Constituyen uno de los sistemas más fiables para medir el oxígeno en los humos.
El control del oxígeno se puede aplicar a
cualquier combustible.
ESQUEMA GENERAL DEL CONTROL DE O2 Y DEL CONTROL DE CO
control
O2
CALCULEMOS EL AHORRO
Para calcular el ahorro de energía derivado del uso del control de O2 es necesario conocer:
el tipo de caldera, la potencia del hogar, el tipo de combustible, el coste del combustible, el valor actual
de O2 en los humos, las horas de funcionamiento y la distribución aproximada de las cargas.
Supongamos que tenemos un generador de
calor de 3 vueltas de humo de 3MW con
quemador modulante de gas natural utilizado con una relación de modulación de 1/3.
El quemador funciona 5.000 horas al año y
el gasto anual de combustible es de aproximadamente 300.000 euros.
El quemador utiliza O2 en una proporción
del 6,5% a la carga mínima, 6% a la carga
media y 5% a la carga máxima.
Para calcular la distribución de las cargas,
supongamos que, durante el 33% del tiempo
de funcionamiento, el quemador trabaja a la
carga mínima, durante el 33%, a la carga
media, y durante el 34%, a la carga máxima.
Supongamos también que los valores de
oxígeno que se pueden garantizar con el
control de O2 instalado son: 3% a la carga
mínima, 2,5% a la carga media y 2% a la
carga máxima.
Resumamos todo en una tabla.
POTENCIA DEL HOGAR: 3MW
TIPO DE CALDERA:
3 pasos
COMBUSTIBLE:
GAS
VALOR ACTUAL DE O2:
CARGA MÍN.
6,5%
CARGA MED.
6%
CARGA MÁX.
5%
HORAS DE FUNCIONAMIENTO:
5.000 h/año
CÁLCULO DE LA DISTRIBUCIÓN DE
LAS CARGAS:
CARGA MÍN.
33%
CARGA MED.
33%
CARGA MÁX.
34%
VALOR DE O2 CON REGULACIÓN DEL
O2:
CARGA MÍN.
3%
CARGA MED.
2,5%
CARGA MÁX.
2%
Considerando que, con combustible gas, a
cada reducción del 1% de O2 le corresponde una mejora de la eficacia de aproximadamente el 0,6%, es sencillo calcular el
ahorro anual.
A la carga mínima se obtiene una mejora
de la eficacia del
(6,5-3) x 0,6 x 0,33 = 0,693%
A la carga media
(6-2,5) x 0,6 x 0,33 = 0,693%
A la carga máxima
(5-2) x 0,6 x 0,34 = 0,612%
El ahorro promedio es del 2% anual
(0,693 + 0,693 + 0,612), en este caso
6.000 euros/ año.
En la realidad, el cálculo del ahorro de
energía con control de O2 es un poco más
complejo, porque hay que tener en cuenta
la variación del poder calorífico del combustible y la variación de la temperatura entre
el verano y el invierno, por lo que concierne
tanto al combustible como al aire comburente. Pero el cálculo es suficientemente
preciso y ofrece una indicación de referencia fiable.
La experiencia práctica demuestra que con
el control de O2 se puede obtener una
mejora de hasta el
3%
Pero volvamos a nuestros 6.000 euros/año.
La consideración que hay que hacer es:
¿qué promedio de vida tiene un quemador?
Al menos 10-15 años.
Quiere decir que, en el caso específico, el
ahorro durante la vida útil del quemador puede estar entre 60.000 y 90.000
euros.
Sin duda, la cifra será mayor puesto que el
precio del combustible difícilmente se
mantendrá en su valor actual durante 10-15
años.
La rápida amortización del sistema de control de O2 es evidente.
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control
CO
ADEMÁS DEL CONTROL DE O2 ...
CONTROL DE CO:
MÁXIMO AHORRO DE ENERGÍA EN LA GESTIÓN DE
CÓMO FUNCIONA EL CONTROL DE CO
La sola medición del contenido de O2 en los
gases en la salida no es suficiente para
indicar la combustión completa. Es importante medir y reducir el contenido de gases
sin quemar en la salida.
El sistema de combustión con control de
CO busca el punto de funcionamiento óptimo del quemador con muy bajo exceso de
aire, cerca del lado de las emisiones, lo
fija, lo mantiene y, si es necesario, lo sigue
optimizando y vigilando.
Con el control de CO, el técnico no necesita programar la curva de trabajo ya que el
sistema busca el punto de mejor rendimiento de combustión posible, a cada
instante y de modo automático.
El control electrónico de la llama regula la
combustión del quemador sin intervenir en
el regulador de carga y reduce continuamente el aire comburente mediante un
inverter, si lo hay (solución aconsejada), o
mediante el servomotor del aire en cada
punto de la curva de carga, hasta que en la
chimenea sólo se detecta la presencia de
varias decenas de ppm de CO.
Entonces, la regulación de la combustión
se orienta hacia un lambda ligeramente
mayor y obtiene el punto de trabajo óptimo.
El quemador funciona en todo el campo de
trabajo y de manera totalmente autónoma
sobre el límite de las emisiones de CO y reduce al mínimo el exceso de aire (véase a título
de ejemplo el gráfico en la página siguiente).
Los puntos de trabajo óptimos están sujetos a una verificación de plausibilidad. Los
puntos demasiado fuera de campo son eliminados o recalculados.
Este procedimiento se repite cíclicamente
para mantener los puntos de trabajo óptimos incluso en condiciones de clima y de
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instalación adversas.
Es fundamental mantener los puntos de
trabajo óptimos para asegurar el ahorro de
energía, especialmente en el caso de los
quemadores de gas.
Cuando un quemador de gasóleo o de fuel
pesado funciona con valores de combustión incorrectos, emite por una señal
inconfundible la chimenea: el humo.
Incluso un usuario inexperto se dará cuenta que algo no funciona bien y llamará al
técnico para un control de la combustión y
una nueva regulación.
En el caso de los quemadores de gas, no
sale humo por la chimenea.
Por más que el quemador funcione con graves excesos o faltas de aire (el CO es inodoro e incoloro), la caldera sigue suministrando agua caliente o vapor… Estamos
perdiendo dinero y no lo sabemos.
Los valores de oxígeno son indicativos y están
referidos a generadores de calor de 3 pasos.
Con la monitorización del CO podremos garantizar altas prestaciones,
ahorros considerables de combustible
y baja contaminación.
El sistema mide simultáneamente el valor
de O2 pero, en el caso de los quemadores
de gas, dicho valor no se utiliza para la
regulación de la combustión sino que solamente se monitoriza y visualiza.
En el caso de los quemadores multicombustible existe la posibilidad de activar, en función del tipo de combustible, la regulación
del CO o del O2 (control de CO para funcionamiento con gas y control de O2 para funcionamiento con gasóleo o fuel pesado).
Desde el punto de vista electrónico, la tipología
de aparato es idéntica a la del control de O2.
La única diferencia es que, en este caso, en
la chimenea tenemos una sonda con doble
electrodo para medir el CO y el O2.
Los valores de oxígeno óptimos pueden
cambiar según el tipo de caldera.
CALCULEMOS EL AHORRO
Refiriéndonos al ejemplo anterior, con el control
de O2:
POTENCIA DEL HOGAR: 3MW
TIPO DE CALDERA:
3 pasos
COMBUSTIBLE:
GAS
VALOR ACTUAL DE O2:
CARGA MÍN.
6,5%
CARGA MED.
6%
CARGA MÁX.
5%
HORAS DE FUNCIONAMIENTO:
5.000 h/año
CÁLCULO DE LA DISTRIBUCIÓN DE
LAS CARGAS:
CARGA MÍN.
33%
CARGA MED.
33%
CARGA MÁX.
34%
VALOR DE O2 CON REGULACIÓN DEL O2:
CARGA MÍN.
3%
CARGA MED.
2,5%
CARGA MÁX.
2%
VALOR DE O2 CON REGULACIÓN DEL CO:
CARGA MÍN.
2,4%
CARGA MED.
1,9%
CARGA MÁX.
1,5%
Con el control de O2, a la carga mínima se
obtiene una mejora de la eficacia del
(3-2,4) x 0,6 x 0,33 = 0,12%
A la carga media, del
(2,5-1,9) x 0,6 x 0,33 = 0,12%
A la carga máxima, del
(2-1,5) x 0,6 x 0,34 = 0,1%
En el caso específico, con el control
de CO se obtiene un ulterior ahorro (en
comparación con el control de O2) del
0,34% anual (0,12 + 0,12 + 0,1), que corresponde a 1.020 euros/año; esto se
suma a los 6.000 euros/año anteriores,
siendo el total de 7.020 euros/año.
Generalmente, en calderas de 3 pasos se
obtiene una regulación de la combustión
con un exceso de aire algo inferior a los
valores indicados en la tabla, por lo que
podemos afirmar que el control de la combustión de CO puede aumentar la eficacia
energética en un 0,5% con respecto al control de O2.
Si se utiliza un inverter para corregir el oxí-
geno, se obtiene un ahorro de energía eléctrica de un 35-45% en el consumo del
motor del ventilador, así como una reducción considerable del nivel de presión acústica, especialmente a la carga mínima.
En nuestro ejemplo, el quemador de 3MW
(por ej. BGN 300 LX) es alimentado por un
ventilador con motor de 7,5 kW y funciona
5000 horas al año.
Para simplificar, supongamos que, a la
máxima potencia del hogar, es decir, a 3
MW, incluso en la versión con inverter, el
quemador funciona a 50 Hz.
En este caso, a la carga máxima, el consumo
eléctrico será idéntico con ambas versiones.
En la versión con inverter, está claro que
los 50 Hz se obtienen sólo con el máximo
caudal del quemador; en cuanto el quemador comienza a modular, se habrá una
reducción progresiva del número de vueltas
del ventilador y comenzará el ahorro de
energía eléctrica.
control
CO
Mediciones de laboratorio
en tubos de prueba según
la norma EN676.
7
control
CO
Calculemos el ahorro de energía a la carga media y mínima teniendo en cuenta los cálculos de carga indicados anteriormente.
Mediciones de laboratorio
en tubos de prueba según
la norma EN676 a 1 metro
de distancia del quemador.
8
A carga media (2MW) sin inverter, el
consumo aproximado será:
4,7 kW x 1650 h = 7.755 kWh
A un coste de la energía de 0,15
euros/kWh, el coste energético anual será:
7.755 kWh x 0,15 Euro/KWh = 1.163,25 Euros
A carga mínima (1MW) sin inverter, el
consumo aproximado será:
3 kW x 1650 h = 4.950 kWh
A un coste de la energía de 0,15
euros/kWh, el coste energético anual será:
4.950 kWh x 0,15 Euro/KWh = 742,5 Euros
En resumen, el ahorro anual (aunque hay
que considerar también la vida útil del quemador) obtenido a la carga media y a la
carga mínima será:
Utilizando el inverter, el consumo anual será:
2,43 kW x 1.650 h = 4.009,5 kWh
y el coste energético anual:
4.009,5 kWh x 0,15 Euro/kWh = 601,43 Euros
Utilizando el inverter, el consumo anual será:
1,3 kW x 1.650 h = 2.145 kWh
y el coste energético anual:
2.145 kWh x 0,15 Euro/kWh = 321,75 Euros
Como se ha dicho más arriba, el uso del
inverter para corregir el oxígeno permite
reducir el nivel de presión acústica, especialmente con cargas parciales.
(1.163 + 743) - (601 + 322) = 983 euros/año
• MAYOR AHORRO ENERGÉTICO
(hasta el 0,5% con respecto al control de
O2)
• INDEPENDIENTE DEL AIRE EXTERIOR:
la medición y la regulación de la combustión resultan sumamente fiables por
ser independientes del aire exterior.
A diferencia del control de O2, donde la
lectura y la regulación podrían no ser
exactas por falta de estanqueidad en el
empalme caldera-chimenea y consiguiente infiltración de aire exterior, el
control de CO es independiente del aire
exterior, ya que la sonda no mide el oxígeno sino el CO.
• ABSOLUTA SEGURIDAD DE FUNCIONAMIENTO:
este sistema garantiza la absoluta seguridad de funcionamiento, ya que los
gases no quemados se miden directamente (no se calculan en función del oxígeno medido como ocurre en el control
de O2).
• DETERMINACIÓN AUTOMÁTICA
DEL MÍNIMO EXCESO DE AIRE
POSIBLE
• GRAN AHORRO DE ENERGÍA
ELÉCTRICA Y FUERTE REDUCCIÓN
DEL RUIDO si se utiliza un inverter
para la corrección de O2
Gracias a la evolución de las tecnologías,
la difusión de aparatos electrónicos de
costes accesibles permite realizar sistemas
de regulación de la combustión cada vez
más sofisticados y obtener excelentes prestaciones con calderas de mediana y alta
potencia, de manera totalmente autónoma.
La realización de quemadores con sistemas
de optimización de la combustión integrados es indudablemente la mejor solución
para garantizar el funcionamiento fiable.
Ventajas del
control de CO
con respecto al
control de O2
Con la entrada en vigor del protocolo de Kioto, que penaliza a las empresas económicamente por la emisión de CO2 en el medio ambiente,
resulta aún más importante prestar atención a la eficacia energética del sistema de combustión instalado.
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FORMULARIO PARA EL CÁLCULO DEL AHORRO DE ENERGÍA
TIPO DE CALDERA:
3 pasos
INVERSIÓN DE LLAMA
OTRO (especificar)
POTENCIA DEL HOGAR:
MW
COMBUSTIBLE:
COSTE ANUAL DEL COMBUSTIBLE:
euros/año
VALOR ACTUAL DE O2:
CARGA MÍN
%
CARGA MED
%
CARGA MÁX
%
HORAS DE FUNCIONAMIENTO (AÑO):
h/año
CÁLCULO DE LA DISTRIBUCIÓN DE LAS CARGAS:
CARGA MÍN
%
CARGA MED
%
CARGA MÁX
%
VALOR DE O2 CON REGULACIÓN DEL O2:
CARGA MÍN
%
CARGA MED
%
CARGA MÁX
%
VALOR O2 CON REGULACIÓN DEL CO:
10
CARGA MÍN
%
CARGA MED
%
CARGA MÁX
%
AHORRO DE ENERGÍA ANUAL PREVISTO:
%
Quemador mod.
TS 3G AC ME CO V (11.600 kW)
Funciona con gas natural, tipo vertical aire
caliente 105°C.
Instalados sobre una caldera de aceite
diatérmico de 5.000 kW.
Control remoto con conexión MOD BUS.
Quemador mod.
BGN 250 ME CO V (2.500 kW)
Funciona con gas natural.
Instalación en calderas de aqua caliente
de 1.500 kW para calefacción.
Quemador mod.
GI MIST 510 ME CO V (6.500 kW)
Instalación para funcionamiento con gas
natural y gasóleo alternativamente.
Instalación en calderas de aqua caliente
de 5.000 kW para calefacción.
Instalaciones
y aplicaciones
Baltur S.p.A.
Sistema de calidad certificado
UNI-EN ISO 9001 I.C.I.M. n° 202
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