Optimización de los sistemas industriales de vapor Foro de

Optimización de los sistemas industriales de vapor
Foro de proveedores, discusión y capacitación
Diseñado por:
Riyaz Papar, ingeniero profesional - ingeniería civil, eléctrica y mecánica
Hudson Technologies Company, EE. UU.
Dr. Greg Harrell, ingeniero profesional
Energy Management Services, EE. UU.
Ven V. Venkatesan, ingeniero profesional - ingeniería civil, eléctrica y mecánica
Hudson Technologies Company, EE. UU.
Agradecimientos




Equipo de la ONUDI - Viena, Austria
Equipo de la ONUDI - Sudáfrica
Departamento de Energía - Estados Unidos
Oak Ridge National Laboratory - Estados Unidos
Sección _1_2

Riyaz Papar, P.E., CEM
Estudios
• Maestría en ciencias (Ingeniería Mecánica), Universidad de Maryland, College Park
• Título de grado en tecnología (Ingeniería Mecánica), Indian Institute of Technology, Instituto de Tecnología de la India,
Mumbai

Experiencia profesional
• Director - Energy & Carbon Services, Hudson Technologies

•
•
•
•

Vigilancia del rendimiento y optimización de sistemas de energía
Consultor de energía
 Sistemas de vapor industriales, refrigeración, sistemas de enfriamiento y de procesos, recuperación de calor residual
 Productos químicos, refinerías de petróleo, alimentos, pulpa y papel - Sector de fabricación
Gerente de desarrollo, Enron Energy Services
 Dirección de desarrollo de proyectos para clientes industriales
Investigador asociado principal, Lawrence Berkeley National Laboratory
 Desarrollo de herramientas y recursos, apoyo técnico al programa BestPractices del Departamento de Energía de los
Estados Unidos
Ingeniero de proyectos senior, Energy Concepts Company
 Sistemas industriales de refrigeración de amoníaco-agua residual con funcionamiento a calor
Otros títulos y participaciones
• Ingeniero profesional, Estado de Maryland, EE. UU.
• Gerente de energía certificado
• Jefe de instructores y asesor técnico del Departamento de Energía de los Estados Unidos
• Experto en energía del vapor de Departamento de Energía de los Estados Unidos
• Experto en de la ONUDI - Vapor, refrigeración y enfriadores, y recuperación de calor residual
• Experto en energía de la IFC para el equipo de producción más limpia
• Presidente, División de las industrias de procesos de la ASME, 2003-04
• Presidente, Comité técnico 8.2 de la ASHRAE : Centrifugal Machines, 2009-10
• Presidente, Comité técnico 1.10 de la ASHRAE : Cogeneration Systems, 2010-11
Greg Harrell, Ph.D., P.E.

Doctorado en Ingeniería mecánica - Termodinámica, Virginia Tech (VPI&SU) - 1997

1987 a 1993 - Ingeniero de diseño, ingeniero de procesos de suministro, BASF Corp.
• Supervisión de la ingeniería y de las actividades técnicas de todo el departamento de suministros (producción de vapor,
generación de energía eléctrica, sistemas de aire comprimido, instalaciones de refrigeración industrial, sistemas industriales
de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y planta de tratamiento de aguas residuales.

Virginia Tech - Profesor de ingeniería mecánica, Energy Management Institute (EMI)
• De 1997 a 2001, director de asistencia técnica del EMI
• Profesor universitario y de posgrado de termodinámica
• Participación directa en aspectos importantes de gestión de energía para industrias en todo el mundo
• Realización de varios estudios energéticos para clientes industriales en todo el mundo - en seis continentes, veintidós
•
•
•

países y en 36 estados de los Estados Unidos
Profesor de los cursos de capacitación para usuarios finales de vapor y para especialistas en vapor del Departamento de
Energía de los Estados Unidos
Importante participación en el desarrollo de las herramientas de vapor del Departamento de Energía de los Estados Unidos
y autor de la Steam System Survey Guide, que se ha convertido en un libro de texto universitario para los cursos de
ingeniería mecánica
Instructor certificado del Compressed Air Challenge del Departamento de Energía de los Estados Unidos
En la actualidad - Consultor para servicios de gestión de la energía
• Funciones principales: análisis de la energía de los sistemas industriales y análisis de los procesos individuales, cursos de
•
•
capacitación industrial, docencia universitaria, modelado de sistemas de energía y desarrollo de programas informáticos
Profesor de la carrera de gestión de la energía de la Universidad estatal de Carolina del Norte
Áreas prioritarias de los sistemas principales - calderas, sistemas de vapor, cogeneración de energía térmica y eléctrica,
turbinas de gas, sistemas de aire comprimido
Ven V. Venkatesan, PE, CEM

Estudios
• Maestría en técnica (Ingeniería química), Universidad de Madrás, India
• Título de grado (Ingeniería química), Universidad de Madrás, India
• Diploma de energía industrial (Ingeniería industrial), Indian Institution of Industrial Engineering, Mumbai

Experiencia profesional
• Gerente general, VGA Engineering Consultants Inc.
 Reducción de costos energéticos en industrias de procesos y mejora de la fiabilidad de los sistemas de vapor
• Director- Servicios de ingeniería, Armstrong Service Inc. (1996 – 2006)
 Servicios de ingeniería para las operaciones nacionales e internacionales
• Ingeniero de procesos senior, refinería ISLA (Curazao). (1991 – 1996)
 Secretaría del Energy & Loss Steering Committee y experto en combustión
• Consultor en ingeniería senior, M K Raju Consultants (P) Ltd. (1986 – 1991)
 Identificación de las oportunidades de ahorros de costos energéticos en industrias de procesos de todos los
tipos principales
• Gerente asistente, (energía y economía), Bokaro Steel Plant Steel Authority of India Limited (1978 – 1986)
 Áreas de eficiencia de los combustibles, control del gas combustible, plantas de depuración de gases,
estaciones de mezcla y de impulso de gases, gasómetros y quema de los gases sobrantes

Otros títulos y participaciones
• Ingeniero profesional habilitado en los estados de Florida y Wyoming
• Gerente de energía certificado
• Ingeniero en edificios ecológicos
• Experto en energía para calentamiento de procesos y vapor del Departamento de Energía de los Estados Unidos
• Experto en sistemas de calentamiento de procesos del Departamento de Energía de los Estados Unidos
Información de contacto
 Riyaz Papar, P.E., CEM
 Greg Harrell, Ph.D., P.E.
Director, Energy & Carbon Services
EMSCAS
Hudson Technologies Company
EE.UU.
EE.UU.
Teléfono: (865) 719-0173
Teléfono: (281) 298-0975
Correo electrónico:
Correo electrónico: [email protected]
[email protected]
 Ven V. Venkatesan, P.E., CEM
Engineering Manager
Hudson Technologies Company
EE.UU.
Teléfono: (407) 399-9316
E-mail: [email protected]
Objetivos de la optimización de sistemas de vapor
(OSV)
 Ayudar a que la industria evalúe y optimice sus
sistemas de vapor para lograr ahorros de energía
y de costos y reducción de las emisiones de gas a
través de:
• Operación y controles correctos
• Sistema continuo mantenimiento y mejores
•
•
•
prácticas
Uso correcto de los procesos de vapor
Cogeneración
Aplicación de tecnologías de última generación
Programa
 Presentaciones y bienvenida
 Proyecto de OSV de la ONUDI
 Introducción al "enfoque de los sistemas" y visión general de los componentes
básicos de los sistemas de vapor
 Optimización de sistemas de vapor industrial (OSV)
 Evaluación energética de los sistemas de vapor industrial
 Importancia de la participación de los proveedores en la OSV
 Foro de discusión abierta sobre las expectativas de los proveedores
• Los vendedores como recurso adicional para la OSV
• Ampliación de las oportunidades de negocios, obstáculos / problemas
 Fin de la sesión
Programa de la ONUDI de desarrollo de
las capacidades en Sudáfrica
Algunas diapositivas sobre el programa de la ONUDI
Principales fuentes de energía en Sudáfrica
 El carbón es la fuente principal de
energía en Sudáfrica
 El carbón produce el 92 % de la
electricidad generada
 El carbón se exporta, pero el el 95 %
del petróleo crudo es importado
 Sudáfrica tiene reservas limitadas de
gas natural. La industria usa casi el 100
% de dichas reservas
 Se supone que el consumo y el precio
de la energía van a aumentar
Sección _1_10
Energía industrial en Sudáfrica
 La industria consume un tercio de la
energía
 La energía es clave para el crecimiento
económico y el mantenimiento del empleo
en la industria manufacturera
 La mayoría de esta energía (60 %),
corresponde casi con seguridad al 5 % de
las plantas industriales grandes
 Los programas de eficiencia energética
debería prestar especial interés a la
industria
Sección _1_11
Consumo de energía de una planta industrial
típica
Electro-químicas
2%
Enfriado de
procesos
1%
Sistemas de
motores 12 %
Nota: No incluye las pérdidas fuera de sitio
Instalaciones 8 %
Otros
4%
Vapor
35 %
Calentamiento de
procesos 38 %
Fuente: DOE/EIA Monthly Energy
Review 2004 (preliminar)
Sección _1_12
 Usuarios intensivos de vapor
• Petroquímicas
• Refinerías de petróleo
• Productos forestales (pulpa y papel)
• Alimentación y bebidas
• Plásticos
• Goma
• Textiles
• Farmacéuticas
• Montaje de fabricación
Sección _1_13
 Usuarios medianos de vapor
• Calefacción de grandes comercios
• Cerveceras
• Lavanderías
• Panaderías
• Tanques de cocción
• Fabricación de metales
• Grandes sistemas de enfriamiento
 Pequeños usuarios de vapor
• Electrónica
• Cabinas de pintura
• Sistemas de humidificación
Sección _1_14
¿Por qué utilizar vapor?

Extremadamente eficientes como fuente de calor - temperatura constante, los
mayores coeficientes de transferencia de calor (condensación)

Su distribución hasta los puntos de uso es extremadamente eficaz en función
del costo

Se puede controlar con precisión

Un medio de transferencia de energía muy flexible - se puede usar para
calentamiento de procesos y para generación de energía eléctrica

La tecnología y las aplicaciones han sido probadas y comprobadas a gran y
pequeña escala

Los beneficios para el sistema son significativos
Sección _1_15
Enfoque de los sistemas
 Clave para un funcionamiento y un mantenimiento del sistema de
suministros de la planta económicamente eficaz
 Prestar atención al sistema como un todo, y no a cada una de las
partes del equipo
 Analizar los aspectos de la alimentación y la demanda de los
sistemas y cómo interactúan
 Para poder analizar la mayoría de los sistemas industriales se
necesita el enfoque de los sistemas
 Así se obtendrán ahorros de energía y de costos mucho mayores que
si se hiciera un "análisis a nivel de los componentes"
Sección _1_16
Enfoque de los sistemas
Eficiencia del
del motor de 15 kW = 91 %
Eficiencia combinada del
motor y la bomba = 59 %
Eficiencia del sistema = 13 %
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Sección _1_17
Enfoque de los sistemas
 Establecer las condiciones actuales del sistema, los parámetros
de funcionamiento, y el consumo de energía del sistema
 Investigar cómo está funcionando del sistema total actual
 Identificar las áreas potenciales en las que se podría mejorar el
funcionamiento del sistema
 Analizar el impacto de las mejoras potenciales en el sistema de la
planta
 Implementar las mejoras del sistema que responden a los criterios
de funcionamiento y financieros de la planta
 Seguir vigilando el rendimiento del sistema en su conjunto
Sección _1_18
Sistema de vapor genérico
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Sección _1_19
Optimización del sistema de vapor industrial
 Se debe respetar el enfoque de los SISTEMAS
 Se centra en cómo se gestiona la energía del sistema de
vapor de la planta
 Las demandas de vapor industrial cambian a lo largo del
tiempo y el funcionamiento de los sistemas de vapor tiene
que optimizarse continuamente
 Se deben respetar las mejores prácticas en las etapas de
diseño, adquisiciones, operación y mantenimiento
 La comprensión de los principios fundamentales y de las
herramientas y los recursos disponibles es esencial para
un programa OSV
Sección _1_20
Save Energy Now - Se evaluaron todas las plantas
(2006-2010)
Total de plantas evaluadas:
casi 2.445
Ahorros de costos identificados:
$1.400 millones (informes de 2.349)
Ahorros de costos identificados:
200 petajoules (fuente)
Ahorros CO2 identificados:
11,9 millones de toneladas métricas
• Aproximadamente un tercio de los ahorros de costos ya fueron implementados
• Otro tercio está en proceso de implementación o planeado
http://www1.eere.energy.gov/industry/saveenergynow/assessments.html
Fuente: Oak Ridge National Laboratory - EE. UU.
Sección _1_21
Componentes de los sistemas de vapor
 Generación
•
•
•
•
•
•
Caldera
Calderas auxiliares
Equipos de tratamiento de agua
Desgasificador
Bombas de agua de alimentación
Equipo de almacenamiento y
manipulación de combustible
 Distribución
• Tuberías de vapor
• Estaciones de alivio de presión
 Usos finales
•
•
•
•
•
Turbinas de vapor
Intercambiadores de calor
Inyección de vapor directo
Columnas de separación
Evaporadores, etcétera
 Recuperación
• Trampas de vapor
• Recuperación de
•
condensado y retorno al
sistema
Bombas de condensado
Sección _1_22
Caldera de tubos de humo
 Presión de vapor limitada
•
En general, 20 bares como
máximo
 Tasa de flujo de vapor limitada
•
Zona de combustión
En general, 1.200 BHp como
máximo
 20 t/h
 Salida de vapor saturado
 Una ventaja de eficiencia propia
sobre las caldera de tubos de
agua: las pérdidas de la carcasa
son mínimas
 En general, se fabrican fuera del
sitio
 Muchos estilos diferentes
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Sección _1_23
Caldera de tubos de humo
Sección _1_24
Calderas de tubos de agua
 Las presiones operativas van
desde la atmosférica hasta
más de 250 bares
 La producción de vapor varía
entre 2 y 5.000 Tph
 Salida de vapor saturado o
sobrecalentado
 Fabricadas dentro o fuera del
sitio
 Muchos estilos diferentes
 ¡Ahora se pueden comprar
unidades compactas!
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Sección _1_25
Caldera de tubos de agua
Sección _1_26
Calderas y calderas auxiliares
 Dos tipos principales de calderas
• de tubos de humo
• de tubos de agua
 Ventiladores - configuración del flujo de aire
• de tiro forzado
• de tiro inducido
• de tiro balanceado
 Precalentadores del aire de combustión
 Economizadores de agua de alimentación / economizadores de
condensación
 Válvulas de flujo de combustible y controles de combustión
 Controles del aire en exceso
 Sensores
 Sopladores de hollín - vapor o aire comprimido
 Equipo de control de la contaminación
Sección _1_27
Equipo de almacenamiento y manipulación de combustible
 Principalmente para los combustibles sólidos y
líquidos
• principal
• de reserva / en modo de espera
Sección _1_28
 Desgasificador
• Elimina el oxígeno disuelto
•
•
•
•
en el agua de reposición y
en el condensado
Buen estado de la caldera
Muchos estilos diferentes
 Tipo spray
 Tipo bandeja
Se pueden combinar con el
calentador y el
almacenamiento del agua
de alimentación
¡Siempre tienen un venteo
de vapor!
Venteo del desgasificador
Ingreso del agua de reposición
Entrada de vapor
Agua de alimentación
Sección _1_29
 Bombas
• de agua de alimentación de la
•
•
•
caldera (BFW)
de condensado
De agua de reposición
de otros servicios auxiliares
Sección _1_30
 Equipos de tratamiento de agua
• La química del agua de la
caldera es muy importante
• Buen estado de la caldera
• Depende de la presión y de
la calidad del agua de la
caldera
• Varias opciones
 Ablandamiento
 Desalcalinización
 Desmineralización
 Ósmosis inversa
 Purificación del
condensado
 Tratamiento químico
Sección _1_31
 Tuberías de vapor
• Transportan el vapor hasta
•
•
•
•
•
los usos finales
Bastidores de tuberías
Cabezales de presión
Válvulas de aislamiento
Válvulas de seguridad
Puntos de drenaje, etcétera
Sección _1_32
 Estaciones de alivio de
presión
• También conocidas como
•
•
•
•
válvulas de descarga
Permiten controlar el flujo
de vapor
Permiten balancear los
cabezales de presión
Funcionan en un bucle de
realimentación
En todos los casos
necesitan una derivación
para las emergencias y las
reparaciones
Sección _1_33
Turbinas de vapor
 Dispositivos que transforman
energía térmica en potencia del eje
 Pueden generar energía eléctrica
a través de un generador
 Pueden impulsar equipo mecánico
- ventiladores, bombas,
compresores, enfriadores, etcétera
 Diferentes tipos
• de contrapresión
• de extracción
• de condensación
• combinaciones de los
anteriores
Sección _1_34
Intercambiadores de
calor
 Diferentes tipos
• de carcasa y de tubos
• de placa / de armazón
• de tubo en tubo
• de espiral, etcétera
 Según las aplicaciones
 El vapor transfiere la energía
térmica al fluido del proceso y
forma condensado
 Normas industriales para los
diseños y las aplicaciones
Sección _1_35
Otros equipos de uso final
Tanque de cocción
Calentador de
agua de
alimentación
Calentador
de agua
caliente
Secador
Sección _1_36
Otros equipos de uso final
Evaporadores
 Torres de destilación
•
Columnas de separación
 Reformadores
 Separadores
Recalentadores
 Eyectores de vapor
 Inyectores de vapor
 Termocompresores
Sección _1_37
 Trampas de vapor
• Evita que el vapor se escape
•
•
•
sin transferir el calor
Diferentes tipos de trampas
 termostática
 mecánica
 termodinámica
 de orificio
Aplicación - muy importante
Gestión de las trampas de
vapor
Sección _1_38
 Tanques de
evaporación súbita
• Recuperación del vapor
•
•
evaporado súbitamente
proveniente del
condensado
Eliminación de problemas
potenciales del retorno de
condensado
 Golpes de ariete
 Contrapresión
 Flujo de dos fases
El tanque de evaporación
súbita de la purga reduce
la temperatura del agua
antes de descargarla en el
desagüe
Sección _1_39
 Sistemas de
recuperación de
condensado
• Primario/secundario
• Con bombeo / a
•
•
presión
Con bombeo /
eléctrico o a vapor
El condensado
regresa a la sala de
calderas con la mayor
energía térmica
posible
Sección _1_40
 Estaciones de bombeo de
condensado a presión de
vapor
• Usan vapor para hacer volver
•
•
•
el de condesado a la planta
de calderas
Se eliminan las bombas
eléctricas y los problemas de
bombeo de agua saturada
Aplicación - muy importante
Gestión de las trampas de
vapor
Tanque de condensado
 Sirven como depósito
común
 Normalmente, están
situados en la parte
superior para satisfacer
los requisitos de succión
de la bomba
 Se pueden combinar con
un desgasificador, con el
calentador y el
almacenamiento de agua
de alimentación
Sección _1_42
 Aislamiento
• Diferentes materiales
• Extraíble
• Permanente
Agua de alimentación
Combustible
Combustible
Intercambiador de calor
Caldera
Trampa de vapor
Sistema de tratamiento de
agua
Tanque de condensado
Desgasificador
Bomba de condensado
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Bomba del agua de alimentación
Agua de reposición
Agua de alimentación
Combustible
Combustible
Combustible
Generador
turbina de
contrapresión
Combustible
Vapor a alta presión
Válvula
de alivio
de
presión
Vapor a baja presión
Accionamiento
de la turbina
de
contrapresión
Tanque de
evaporación súbita
Agua de reposición
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Agua de alimentación
Combustible
Combustible
Combustible
Combustible
Vapor a alta presión
Vapor a media
presión
Vapor a baja
presión
Agua de reposición
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Agua de alimentación
Combustible
Combustible
Combustible
Combustible
Generador
turbina de
condensación
Condensador
de superficie
Agua de reposición
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
 Diagrama H-S (Diagrama de Mollier)
Termodinámica del vapor
 Tablas de vapor
Sistema de vapor genérico
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Sección _1_50
Objetivos de la gestión del sistema de
vapor:
Minimizar el uso de vapor, las pérdidas
de energía, las emisiones de gases de
efecto invernadero y -lo más
importante- LOS COSTOS
OPERATIVOS!!!
Steam System Scoping Tool (SSST) del Departamento
de Energía de los Estados Unidos
Steam System Scoping Tool (SSST) del
Departamento de Energía de los Estados Unidos
 El software SSST consiste en un cuestionario diseñado para
mejorar la comprensión de distintas áreas de gestión del
sistema de vapor
 Se divide en las áreas prioritarias de los sistemas de vapor
 El usuario obtiene una puntuación que indica la intensidad de
la gestión y sirve de guía para obtener información.
 Es una herramienta para identificar las áreas que presentan
oportunidades de mejora potenciales
 NO cuantifica las oportunidades de ahorros energéticos
SSST Scorecard - Resultados
 ¿Cuál es el estado del sistema?
SUMMARY OF RESULTS
POSSIBLE
SCOPING TOOL AREAS
SCORE
STEAM SYSTEM PROFILING
90
STEAM SYSTEM OPERATING PRACTICES
140
BOILER PLANT OPERATING PRACTICES
80
DISTRIBUTION, END USE, RECOVERY OP. PRACTICES
30
TOTAL SCOPING TOOL QUESTIONAIRE SCORE
340
TOTAL SCOPING TOOL QUESTIONAIRE SCORE
100%
TYPICAL
SCORE
63%
69%
63%
58%
222.0
65%
 Sirve para identificar las oportunidades
potenciales de mejoras y las áreas de atención
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Steam System Assessment Tool (SSAT)
 Desarrollado para el
departamento de energía de
los Estados Unidos en virtud
de un contrato con el Oak
Ridge National Laboratory
por:
• KBC Linnhoff March
• Spirax Sarco Inc.
• Greg Harrell, Ph.D., P.E.
 Steam System Assessment Tool (SSAT)
•
•
•
Software de modelado del sistema de vapor
En el modelo se incluyen proyectos de recuperación de energía habituales
Permite evaluaciones del tipo "qué pasa si"
Steam System Assessment Tool (SSAT)
 Una herramienta de evaluación de las oportunidades de
los sistemas de vapor
 Considera los balances de masa, energía y de factores
económicos del sistema de vapor
 Evalúa proyectos para mejorar el uso de la energía
 La versión 3.0.0 ya está disponible
• Viene en sistema métrico (unidades internacionales)
 Se puede descargar del sitio del programa de tecnologías
industriales del departamento de energía
• http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/software.html
Características más importantes del
SSAT
 Opciones de modelos con
uno, dos o tres cabezales de
presión
 Esquemas de los modelos
de sistemas de vapor
 Estimación de las emisiones
medioambientales del sitio y
globales
 Principales equipos simulados:
• Caldera(s)
• Usos finales
• Turbinas de contrapresión
• Turbina de condensación
• Desgasificador
• Pérdidas en las trampas de
vapor, por fugas y en el
aislamiento
• Válvulas de descarga
• Vasijas de evaporación
súbita
• Intercambiadores de
precalentamiento del agua
de alimentación
• Intercambiadores de la
recuperación de calor
El SSAT puede evaluar los proyectos clave para
mejorar el vapor
 Cambios en la demanda
de vapor
 Recuperación de la energía de
la purga de la caldera
 Eficiencia de la caldera
 Recuperación de condensado
 Combustibles alternativos
 Turbinas de vapor versus
válvulas de alivio de
presión
 Recuperación de calor
 Recuperación del vapor
evaporado súbitamente
Hojas de cálculo del SSAT
 Input
•
Construye el modelo
 Modelo
•
•
Representación gráfica del sistema
Base case
 Projects Input
•
•
Permite activar el proyecto
Permite personalizar proyecto de operación
 Projects Model
•
•
Representación gráfica del sistema
El sistema modificado
 Results
•
Comparación en dos partes de los factores operativos principales del sistema
 Stack Loss Calculator
•
Calcula las pérdidas de la chimenea de la caldera para los combustibles del
SSAT
 User Calculations
•
Hoja de cálculo abierta que permite hacer cálculos personales
Revisión de los modelos de uno, dos y tres cabezales
Puntos clave / Elementos de acción - Nociones
fundamentales
1. Use un enfoque de los sistemas para optimizar los
sistemas de vapor
2. Los sistemas de vapor tienen cuatro áreas principales Generación, distribución, usos finales y recuperación
3.
Para analizar un sistema de vapor, hay que entender las leyes de
la termodinámica, la transferencia de calor y las propiedades de los
flujos fluidos y del vapor
4.
Utilice un enfoque sistemático (análisis de las
deficiencias, comparación con las mejores
prácticas) para identificar las oportunidades
potenciales de ahorro de energía que puede haber
en el sistema de vapor
1. Optimización de sistemas de vapor Generación
Generación
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
 Pérdidas de la caldera
Entrada de agua de alimentación
Combustión y
Temperatura
Salida de vapor
Gases del
escape
Radiación y
convección
Cenizas volantes
Purga
Combustibl
e y aire
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Cenizas de fondo
 La eficiencia de la caldera se puede determinar
también de manera indirecta, determinando la
magnitud de las pérdidas
• En general, las pérdidas principales son:
 Pérdidas de la carcasa
 Pérdidas de la purga
 Pérdidas de la chimenea
boiler  100  Perdidas
boiler  100  shell  blowdown  stack  other
Puntos Clave / Elementos de acción Eficiencia de la caldera
1. Determine los costos operativos de la planta de calderas
2. Determine el costo unitario de la generación de vapor
3. Determine la eficiencia operativa de la caldera
boiler 
4.
msteam hsteam  h feedwater 
m fuel HHV fuel
100
La generación de vapor tienen tres tipos de pérdidas
principales: de la carcasa, de la purga y de la
chimenea
boiler  100  shell  blowdown  stack  other
Puntos Clave / Elementos de acción Pérdidas de la carcasa
1. Busque los "puntos calientes"
2. Mida las temperaturas de la superficie de la
caldera
• Termografía infrarroja
• La temperatura típica de la superficie debería
oscilar entre 55 °C y 70 °C
3. Repare el material refractario
4. Vigile el buen estado del plaqueado de la
superficie
5. La reducción de la carga de la caldera
puede ser una oportunidad
• minimice la cantidad de calderas en
funcionamiento
Recuperación de la energía de la purga
Gases del escape
Entrada de agua de alimentación
Salida de vapor
Al sistema de
vapor de baja
presión
Vapor
Vasija de
evaporación
súbita de baja
presión
Purga de líquido a
alta presión
Combustible
y aire
Líquido
Agua de reposición
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Recuperación de la energía de la purga
Al sistema de
vapor de baja
presión
Purga de la
caldera
2 bares
Control
de nivel
 1,6 % de la energía total del
combustible
 Combustible de mayor impacto ~ $
1.800.000/año
• Se puede eliminar esta pérdida
Agua de
alimentación
T3
T1
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
T2
T4
Purga de
la caldera
Al sistema de
vapor de baja
presión
2 bares
Proyectos 5 y 12 del SSAT
 Agregar un tanque de evaporación
súbita de la purga
 Agregar un intercambiador de
recuperación de calor
Control
de nivel
Agua de
alimentación
T3
T1
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
T2
T4
Puntos Clave / Elementos de acción Pérdidas de la purga
1. Estime la cantidad de purga a partir de la
conductividad del agua de la caldera y del
agua de alimentación
2. Cuantifique las pérdidas de energía a nivel de
la caldera y del sistema causadas por la purga
3. Evalúe qué pasa si se instala un
controlador automático de purga
4. Evalúe e instale un equipo de recuperación
de vapor evaporado súbitamente y de calor
5. Trabaje en colaboración con los químicos
del agua de la planta para mantener y
gestionar una purga adecuada
Pérdidas de la chimenea
 Las pérdidas de la chimenea son las
pérdidas mayores de las calderas
 Las pérdidas de chimenea se componen
de dos partes y se definen como
• Pérdidas de temperatura
• Pérdidas de la combustión
 El análisis de la combustión es el método
que se usa en general para determinar las
pérdidas de la chimenea
Reducción de las pérdidas de la chimenea: ejemplo
Combustible: gas
metano
Costo: $ 14.800.000/año
Entrada de agua de alimentación
Salida
de
vapor
375 °C
Gases de
escape 200 °C
La capacidad de la
caldera es de 30 Tph
La carga operativa actual
es de 20 Tph
Combustible
Aire
Gases de
escape 200 °C
El contenido de oxígeno en
los gases de la combustión es
de 5 %
Gestión de la combustión – Primer principio
 El CH4, CO e H2 que no reaccionaron dañan las operaciones de
combustión
• Problemas de seguridad
• Cuestiones de salud
• Deterioro de la eficiencia
 La gestión de la combustión se empeña en evitar que haya
combustibles que no reaccionan, agregando oxígeno extra
en la zona de combustión
• Este exceso de O2 que se agrega en la zona de combustión
básicamente elimina el combustible que no reacciona
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Gestión de la combustión – Segundo principio
 El combustible calienta el oxígeno extra añadido para
garantizar la reacción completa desde la temperatura
ambienta hasta la temperatura del gas del escape
 En la mayoría de los procesos de combustión, se usa aire
como fuente de oxígeno
• La energía del combustible calienta una gran cantidad N2 de la
temperatura ambiente a la temperatura del gas del escape
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Control de posicionamiento
Combustible
Gases del escape
Presión de vapor
Agua de alimentación
Salida de vapor
Controlador
del flujo de
combustible
Aire
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Sensor del
oxígeno en los
gases de la
combustión
(medición
periódica)
Control
automático de
ajuste del O2
Gases del escape
Combustible
Presión de vapor
Agua de alimentación
Salida de vapor
Controlador
de
combustión
Sensor de
oxígeno en los
gases de la
combustión [%]
Aire
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Parámetros habituales de control del contenido de oxígeno en los gases de la
combustión
Parámetros habituales de control del contenido de oxígeno en los gases de la combustión
Control automático
Contenido de O2 en
los gases de la
Combustible
combustión
Control de
posicionamiento
Control automático
Control de
posicionamiento
Contenido de O2 en
los gases de la
combustión
Aire en exceso
Aire en exceso
Mín.
Máx.
Mín.
Máx.
Mín.
Máx.
Mín.
Máx.
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
Gas natural
1,5
3,0
3,0
7,0
9
18
18
55
Fuel oil 2
2,0
3,0
3,0
7,0
11
18
18
55
Fuel oil 6
2,5
3,5
3,5
8,0
14
21
21
65
Carbón pulverizado
2,5
4,0
4,0
7,0
14
25
25
50
Carbón de
carbonera
3,5
5,0
5,0
8,0
20
32
32
65
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Puntos más importantes / Acciones recomendadas Pérdidas de la chimenea
1. Vigile y registre la temperatura de los gases de la
combustión con respecto a:
• carga de la caldera
• temperatura ambiente
• contenido de oxígeno de los gases de la combustión
2.
3.
4.
5.
Compare la temperatura de los gases de la
combustión con las condiciones operativas
anteriores y similares
Mantenga los tubos de humo limpios
Mantenga una adecuada composición química del
agua
Evalúe los ahorros potenciales del componente de
recuperación del calor
Puntos más importantes / Acciones recomendadas
- Pérdidas de la chimenea
1.
2.
3.
4.
Principios de gestión de la combustión
• Agregue el oxígeno que haga falta para que todo el
combustible reaccione
• Minimice la cantidad de aire extra
• Vigile los combustibles no quemados, para identificar los
problemas
Mida el contenido de oxígeno en los gases del escape de
la caldera
Controle que el contenido de oxígeno permanezca entre el
rango mínimo y el máximo
• Control continuo - automático del ajuste de O2
• Control de posicionamiento
Cuestione el rango de control
• Actualice el control
• Haga una puesta a punto de la combustión
Cambio de combustible
 La selección del combustible puede generar reducciones
significativas de los costos de funcionamiento. debido a las
diferencias en los costos energéticos y en las eficiencias de
las calderas
• A veces, los costos de la energía y los gastos de mantenimiento se
•
•
compensan
Las cuestiones ambientales son preocupación significativa asociada
con la selección del combustible.
En general, la eficiencia del combustible es uno de los factores que
hay que tener en cuenta al cambiar de combustible
 Hay que evaluar cada aplicación de manera independiente.
¡No hay una regla general!
Optimización del funcionamiento de la caldera
 Por lo general, se trata de un escenario muy común cuando
hay configuraciones con muchas calderas
 La optimización del funcionamiento de la caldera puede
adoptar varias formas
• Apagado de una caldera
• Reducir las operaciones de la caldera más cara mientras se desvía
•
parte de la carga a otras calderas más eficaces en función del costo
Hay que tener en cuenta las estrategias de usar dos combustibles o de
hacer un contrato de cobertura de combustible
Hay que tener en cuenta la fiabilidad del sistema
Hay que evaluar el estado estacionario y el perfil dinámico de la carga
•
•
 Hay que evaluar cada aplicación de manera independiente.
¡No hay una regla general!
Puntos más importantes / Acciones recomendadasOptimización de la planta de calderas
1. Use el modelo del sistema de vapor basado en
las leyes de la termodinámica para cuantificar las
oportunidades de ahorros de energía y de costos
2. El cambio de combustible y el funcionamiento de la
planta de calderas son área excelentes para optimizar
los sistemas de vapor - si se aplican estrategias
operativas óptimas, se pueden lograr ahorros
significativos
3. Hay que evaluar cada aplicación de
manera independiente. ¡No hay una regla
general!
Generación - mejores prácticas habituales









Minimizar el aire en exceso
Instalar equipo de recuperación del calor
Limpiar las superficies de transferencia de calor de la caldera
Mejorar el tratamiento del agua para reducir la purga de la
caldera
Recuperar energía de la purga de la caldera
Agregar un refractario a la caldera (o repararlo)
Minimizar la cantidad de calderas en funcionamiento
Investigar el cambio de combustible
Optimizar la tasa de venteo del desgasificador
Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook
Sistema de vapor genérico
Distribución
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Fugas de vapor
 "Las fugas de vapor son un un componente
esencial del sistema, si no las oigo o no la escucho,
¿cómo sé que el sistema está funcionando?"
Fugas de vapor
 Se pueden encontrar fugas de vapor en cualquier parte,
pero los lugares más comunes son:
• Bridas y uniones de juntas
• Empalmes de tuberías
• Válvulas, vástagos y empaquetaduras
• Trampas de vapor
• Válvulas de seguridad
• Fallas en tuberías, etcétera
 Estimando un "orden de magnitud" de las pérdidas de
vapor se puede determinar si la reparación tiene que
hacerse inmediatamente, durante la siguiente parada, o si
puede hacerse sin desconectar la parte afectada
 Las fallas en las tuberías (pérdidas de vapor) son muchas
veces una "cuestión de seguridad" que hay que resolver
inmediatamente
Fugas de vapor
 Métodos para determinar el impacto económico de las fugas de vapor
•
•
•
•
•
•
a partir del modelo del SSAT
a partir de la experiencia y de la
observación - altura del penacho
a partir de mediciones y cálculos usando la
ecuación de flujo obstruido - ecuación de
Napier
Mediciones de campo con un tubo de Pitot
Técnica ultrasónica, a partir de los
instrumentos y del protocolo (estándar)
especificados por el fabricante
Otros sistemas o metodologías de
balanceo del equipo
 Se puede medir la fuga de condensado con un cronómetro y
metodología de la cubeta
Fugas de vapor
Fugas de vapor
 Ecuación del flujo obstruido de Napier
msteam  0.695  Aorifice  Psteam
 Esta ecuación es válida para:
• Condiciones de flujo obstruido: Presión de escape < 0,51*Psteam
• Coeficiente de descarga = 0,6
• Aorifice es la superficie del orificio (o de la fuga) en mm2
• Psteam es la presión del vapor en bares (absoluta)
 Se puede determinar el costo de una fuga de vapor
multiplicando la tasa de fuga por el costo unitario del vapor
Puntos más importantes / Acciones
recomendadas
1. Todas las plantas tienen fugas de vapor y
todas las plantas industriales tendrían que
tener un programa de gestión de fugas de
vapor basado en la mejora continua
2. Estimando un "orden de magnitud" de las
pérdidas de vapor se puede determinar si la
reparación tiene que hacerse
inmediatamente, durante la siguiente
parada, o si puede hacerse sin desconectar
la parte afectada
Aislamiento del sistema de vapor
 ¿Por qué los sistemas de vapor necesitan aislamiento?
•
•
•
•
Seguridad de las personas - altas temperaturas
Minimizar las pérdidas de energía
Proteger el sistema de las condiciones ambientales
Preservar la integridad del sistema
 Áreas más habituales con oportunidades de mejora del
aislamiento
•
•
•
•
•
•
Cabezales de distribución
Visores de inspección
Válvulas
Líneas de retorno de condensado
Equipo de los usos finales
Tanques de almacenamiento, vasijas, etcétera
Aislamiento del sistema de vapor
 Hay varias razones por las que el
aislamiento se rompe o falta dando
oportunidades de ahorros energéticos
en el área del aislamiento
• Aislamiento faltante debido a actividades
•
•
•
•
de mantenimiento
Aislamiento faltante o dañado debido a
mal uso
Aislamiento dañado debido a accidentes
Desgaste normal y ruptura de la
aislamiento debido a condiciones
ambientes
Válvulas y otros componentes no aislados
Aislamiento del sistema de vapor
 Para cuantificar el impacto económico del aislamiento se
necesitan algunos instrumentos básicos, software y datos
básicos
•
•
•
•
•
•
Cámara de termografía infrarroja
Pistola de temperatura infrarroja
Cinta métrica
Software de evaluación del aislamiento 3E Plus
Información del funcionamiento
 horas por año
Condiciones ambientales
 temperatura
 viento
Herramienta de aislamiento - 3EPlus
 La North American Insulation Manufacturers
Association (NAIMA) desarrolló el 3EPlus,
que determina el espesor óptimo del
aislamiento para una amplia variedad de
materiales de aislamiento
 Los resultados del software son:
• Pérdidas de la transferencia de calor de la
•
•
superficie
Temperatura de la superficie de aislamiento
Amortización simple del proyecto de aislamiento
Software de evaluación del aislamiento
 Programa gratuito
del NAIMA
 Energía
• Pérdida de Calor
• Impacto del costo
 Evaluación del
impacto ambiental
 Espesor del
aislamiento:
consideraciones
económicas
• Análisis del costo
http://www.pipeinsulation.org/
de la vida útil
Evaluación del aislamiento
Evaluación del aislamiento
Evaluación del aislamiento
Puntos más importantes / Acciones
recomendadas
1. Hay varias razones por las que el aislamiento
se estropea o falta
2. Esas áreas provocan pérdidas significativas
de energía. Habría que implementar un
programa de evaluación (auditoría) del
aislamiento basado en la mejora continua en
todas las plantas industriales
3. Para cuantificar el impacto económico
provocado por el aislamiento faltante o
dañado, se necesitan algunos instrumentos
básicos, modelos de transferencia de calor
y datos de los procesos
Distribución- mejores prácticas habituales
 Reparar las fugas de vapor
 Minimizar el venteo de vapor
 Asegurarse de que las tuberías de vapor, válvulas,
empalmes y vasijas estén bien aisladas
 Aislar el vapor de las líneas fuera de uso
 Minimizar los flujos que pasan por las estaciones de
alivio de presión
 Reducir la caída de presión en los cabezales
 Drenar el condensado de los cabezales de presión
Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook
Sistema de vapor genérico
Usos finales
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Demanda de vapor
 La demanda de vapor presenta distintas formas
 Una de las oportunidades de reducción de la energía más
significativas es la reducción del consumo de vapor
• Elimina el uso inapropiado de vapor
• Reduce el uso apropiado de vapor
 De todos modos, en un curso genérico, es extremadamente
difícil abarcar los usos finales específicos de todos los
procesos industriales
• Por lo tanto, describimos los métodos generales y las
herramientas del curso para capturar y cuantificar los
ahorros de la demanda de vapor
Algunas usos finales de vapor comunes
 Torres de
destilación
 Secadoras
 Evaporadores
 Intercambiadores
de calor
 Recalentadores
 Reformadores
 Eyectores e inyectores de vapor
 Columnas de separación
 Termocompresores
 Enfriadores por absorción
 Humificadores
 Bobinas de climatización para
precalentar o recalentar
Gráfico circular de la distribución de un uso final* de vapor
* Alimentos y Bebidas - Jugos de hortalizas y frutas
Puntos más importantes / Acciones recomendadas
1. Hay varios usos finales de vapor en plantas
industriales
2. Haga un balance de los usos finales de vapor
de la planta industrial e identifique los
usuarios finales de vapor más grandes de la
planta
3. Reduzca el uso final de vapor
• Mejore la eficiencia de los procesos
• Desvíe la demanda de vapor a una
fuente de calor residual o de al vapor de
baja presión que está disponible en la
planta
Puntos más importantes / Acciones recomendadas Intercambiadores de calor
1. La eficiencia de los intercambiadores de calor
con respecto a la primera ley es de ~ 100 %
2. La falta de eficiencia de los intercambiadores
de calor provoca pérdidas de energía
significativas a nivel del sistema
3. Vigile y controle la tendencia de la efectividad
de los intercambiadores de calor, midiendo
las temperaturas de la entrada y la salida, y
calculando los valores U
4. Limpie los intercambiadores de calor de
forma periódica para minimizar la formación
de incrustaciones
Puntos más importantes / Acciones recomendadas Integración de suministros
1. Mejore el vapor de baja presión (o de
residual) para que pueda satisfacer las
demandas de los procesos
2. Hay muchas plantes que necesitan
calentamiento y enfriamiento para sus
procesos
3. La integración de los procesos puede
generar oportunidades de ahorros de
energía significativos y lograr una
optimización de la planta
4. Estas oportunidades requieren procesos
intensivos de debida diligencia
Mejores prácticas habituales de los usos finales
 Reducir el uso de vapor por parte de los procesos
• Mejorar la eficiencia de los procesos
• Cubrir la demanda de vapor con una fuente de calor
residual
 Reducir la presión de vapor que necesitan los procesos,
especialmente en los sistemas de cogeneración
 Mejorar el vapor de baja presión (o de residual) para que
pueda satisfacer las demandas de los procesos
 Integrar los procesos para lograr una optimización de la
energía de la planta en su conjunto
Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook
Sistema de vapor genérico
Recuperación
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Trampas de vapor
 Las trampas cumplen varias funciones operativas vitales para los
sistemas de vapor
• Durante el arranque, permiten el escape del aire y de grandes
cantidades de condensado
• Durante el funcionamiento normal, permiten que el condensado
recogido pase al sistema de retorno de condensado,
minimizando (o eliminando) la pérdida de vapor
 Hay distintos tipos de trampas de vapor y, por lo tanto, hay que
comprender bien sus funciones y principios de funcionamiento
 Todas las plantas de vapor industrial tendrían que tener un
programa de gestión de trampas de vapor efectivo.
 Aunque una falla en una trampa de vapor no siempre provoca en si
misma una pérdida de energía, siempre acarrea problemas en el
funcionamiento del sistema y cuestiones de fiabilidad.
Tipos de trampas de vapor
 Trampas termostáticas
• de fuelle*
• bimetálicas*
 Trampas mecánicas
• de flotador
• de flotador y palanca
• de cubeta invertida*
• de cubeta abierta
• de flotador y
termostática*
 Trampas termodinámicas
• de disco*
• de pistón
• de palanca
 Trampas de orificio
• trampas de placa
• tubos de Venturi
* Más comúnmente utilizados
Trampas de vapor sobre el terreno
Trampas de vapor sobre el terreno
Programa efectivo de gestión de las trampas de vapor
 Haga una base de datos de las trampas de vapor
• Tipo de trampa, número de modelo, tamaño, etcétera
• Aplicación
• Pérdida de energía si falla en la apertura
• Problemas si falla en el cierre
• Fecha de la última falla registrada y de la última
reparación
 Priorice las reparaciones a partir de las estimaciones de
pérdidas y del grado de importancia del sistema de vapor y
de las operaciones de producción
 Vigile diariamente el venteo de los depósitos
 Inspeccione todas las trampas al menos una vez al año
 La capacitación en el mantenimiento de trampas es
esencial
Puntos más importantes / Acciones
recomendadas
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Hay distintos tipos de trampas de vapor y, por lo tanto,
hay que comprender bien sus funciones y principios de
funcionamiento
Tipos principales de fallas de las trampas de vapor - en la
apertura / en el cierre
Cree un programa efectivo de gestión de trampas de
vapor
Se consiguen varias herramientas para investigar las
trampas de vapor
Realice una auditoría de las trampas de vapor por lo
menos una vez al año y repare o remplace las
trampas defectuosas
Los fabricantes de trampas de vapor son un
colaborador muy valioso
Recuperación de condensado
 Normalmente, el condensado tiene un valor
• Energía
• Reducción del agua de reposición
 Por lo general, esto mejora calidad del agua de
alimentación
– Nos permite reducir la purga de la caldera
• Productos químicos
 El costo de la recuperación de condensado se basa
en general en las tuberías del sistema de
recuperación
• Equipo de recuperación
• Tuberías de retorno
Recuperación de condensado
 Los depósitos de condensado que se usan en alguna
"área" reducen los costos de los proyectos
 Los depósitos de condensado y los tanque de
evaporación súbita sirven para reducir la cantidad de
vapor que entra en las tuberías de retorno de
condensado, con lo que se reducen los problemas de
restricciones de flujo
 Un tema crítico es la contaminación del condensado
 El venteo de los depósitos nos indica si hay fallas en las
trampas
 Hay que investigar si hay problemas con las bombas de
altura de aspiración positiva neta (NPSH)
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Puntos más importantes / Acciones
recomendadas
1. Retorno de condensado
•
•
•
•
•
2.
3.
4.
Reduce el consumo de energía
Reduce el agua de reposición
Reduce los productos químicos para tratamiento del
agua
Reduce el agua que va al desagüe
Es posible que reduzca la purga
A menudo se descuida el la recuperación de condensado,
pero puede generar ahorros energéticos significativos
Cuantifique la cantidad de condensado que la planta
recupera usando el balance de masa de todo el sistema
de vapor
Identifique las áreas potenciales de recuperación de
condensado
Recuperación - mejores prácticas habituales
 Implementación de un programa efectivo de gestión
y mantenimiento de las trampas de vapor
 Recuperación de la mayor cantidad posible de
condensado disponible
 Recuperación del condensado cuando su energía
térmica es lo mayor posible
 Evaporación súbita del condensado de alta presión
para obtener vapor de baja presión
Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook
Cogeneración Industrial
Turbina 35 %
Entrada de
combustible
Caldera 85 %
Las instalaciones industriales pueden lograr una "eficiencia energética
global" del 70 % o más, porque necesitan energía térmica (calor)...
Análisis clásico de la cogeneración
 El análisis clásico de la cogeneración responde a las
siguientes preguntas:
• ¿Cuál es el impacto económico real de la cogeneración?
• ¿En qué casos es viable...
•
•
 ...que funcione o que esté apagado?
 ... instalarlo?
¿Qué cambios, si fuera necesario, habría que hacer en el
sistema de vapor?
¿Qué cambios, si fuera necesario, habría que hacer en el
sistema de suministro eléctrico y en las interconexiones de
la red eléctrica?
Factores primarios del análisis de la cogeneración
 Los principales factores que influyen en el
análisis son:
•
•
•
•
•
El costo eléctrico de mayor impacto
El costo del combustible de mayor impacto
Eficiencia de la caldera
la eficiencia de la turbina de vapor
La demanda de vapor
Consideraciones económicas relacionadas con las
turbinas de contrapresión
 La mayoría de los sistemas industriales requieren energía
térmica (no flujo de masa de vapor)
 La turbina saca energía del vapor y la convierte en
energía del eje
• El vapor sale de la turbina con una temperatura
reducida
 El resultado es que aumenta el flujo de masa de vapor
necesario para satisfacer la demanda térmica
Análisis del SSAT - Turbina de vapor de AP-BP
SSAT - Potencia del eje
(Eficiencia del generador = 100%)
Consideraciones económicas relacionadas
con las turbinas de contrapresión
Costo operativo anual ($)
Annual Operating Cost ($)
1,800,000
Ahorros netos ( $$$$)
1,700,000
1,600,000
1,500,000
Costo de la generación de energía
eléctrica con la turbina de vapor
1,400,000
1,300,000
Power
Natural gas
1,200,000
Operación de la PRV Operación de la turbina
Variables para las aplicaciones industriales
 Flujo de vapor constante
 Suministro de vapor de alta presión
 Válvulas de alivio de presión (PRV) instaladas
 Sistemas de cabezales de vapor múltiples
 Demanda simultánea de vapor y energía eléctrica
 Muchas horas de funcionamiento
Puntos más importantes / Acciones
recomendadas
1.
2.
3.
4.
5.
Se usan turbinas de contrapresión en lugar de
estaciones de descarga de presión
La eficiencia de la turbina NO es la eficiencia con
respecto a la primera ley, sino que es una
comparación de la turbina real con la turbina ideal
Cuando hay operaciones continuas con demandas
térmica y eléctrica simultáneas conviene poner una
turbina de contrapresión
El análisis de cada instalación es algo único y
depende de varios factores económicos y operativos
Para analizar una turbina, hace falta un buen modelo
termodinámico del sistema de vapor
 La presión de descarga
de vapor de las
turbinas de
condensación es
inferior a la presión
atmosférica
• Para que el vapor
regrese a la bomba,
hay que
condensarlo
• Por lo general, la
calidad del vapor
saliente es muy
superior al 90 %
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Turbinas de vapor de
condensación
Turbina de condensación
Turbinas de vapor de condensación
 Los factores principales que
influyen sobre las operaciones de
las turbinas de condensación son:
• El costo de la energía eléctrica
•
•
•
•
que hay que comprar
El costo del combustible que
hay que comprar
Eficiencia de la turbina
Eficiencia de la caldera
La presión de descarga de la
turbina
Turbina de condensación
Turbinas de vapor de
 Algunas causas de reducción
condensación
de la eficiencia son:
•
•
•
•
•
depósitos en las palas
erosión de las palas
desgaste de las juntas
vapor húmedo
estrangulamiento
 Algunos elementos que
pueden mejorar la eficiencia
son:
•
•
•
•
cambiar las palas
mejorar las juntas
cambiar la turbina
aumentar la carga
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Turbina de condensación
Turbinas de vapor de condensación
 La presión del
condensador se puede
reducir (mejorar) de las
siguientes maneras:
• extracción de los gases no
•
•
•
condensables del
condensador
limpieza del condensador
alimentación del
condensador con agua a
temperatura reducida
alimentación del
condensador con agua
enfriada adicional
Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program
Turbina de condensación
Puntos más importantes / Acciones
recomendadas
1.
2.
3.
4.
5.
Condensación las turbinas se utilizan
estrictamente para generar energía eléctrica o
para impulsar equipos mecánicos grandes
Sirven para determinadas aplicaciones
industriales
Las turbinas de condensación son las que
brinda mayor potencia del eje por unidad de
flujo de vapor
El análisis de cada instalación es algo único y
depende de varios factores económicos y
operativos
Para analizar una turbina, hace falta un buen
modelo termodinámico del sistema de vapor
Turbinas - mejores prácticas habituales
 La integración de los procesos y de los suministros lleva a una
optimización de la energía de la planta en su conjunto
 Instale turbinas de contrapresión en paralelo con estaciones de
descarga de presión y minimice el flujo a través de las estaciones
de descarga
 Evalúe la posibilidad de usar turbinas de vapor para impulsar
equipos mecánicos en forma directa
 Evalúe las turbinas de condensación y optimice sus operaciones
para que mantengan las condiciones de diseño
 Las turbinas de condensación pueden servir como un mecanismo
de balance del sistema, sobre todo en las industrias con una
generación significativa de vapor con calor residual
Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook
Evaluación energética de los sistemas de
vapor industrial
Evaluación energética industrial
 Hay varios niveles de evaluaciones (auditorías)
energéticas de las plantas industriales
• generales, de toda la planta
• centrados en un sistema: vapor, aire comprimido, ...
• de un día, de tres días, ....
 Pero casi siempre, el objetivo general está
centrado en la reducción del uso de la energía
(y/o de la intensidad del uso)
 Identificación de las oportunidades de ahorro de
energía y los caminos para implementarlas
 Las expectativas del personal de la planta y de
los expertos en energía son muy distintas
Norma de evaluación energética de los sistemas de vapor
http://www.asme.org/products/codes---standards/energy-assessment-for-steam-systems
Norma de evaluación energética de los sistemas de vapor
 Alcance
•
Abarca sistemas de vapor que tienen uno o varios generadores de vapor (o
una o varias fuentes de vapor), una red de distribución de vapor, equipos de
usos finales y recuperación
•
Puede ser que también incluyan componentes de cogeneración y de
generación de energía eléctrica
•
Establece los requisitos para la realización de evaluaciones energéticas de los
sistema de vapor, considerando todo el sistema, desde la entrada de la
energía hasta el trabajo que se realiza como consecuencia de esa entrada de
energía, y los requisitos de presentación de los resultados de las evaluaciones
•
Las evaluaciones así realizadas logran identificar las oportunidades principales
de mejora del rendimiento energético global de los sistemas de vapor
•
Los estándares se diseñaron para su aplicación en las instalaciones
industriales, pero la mayor parte de los procedimientos se pueden usar en
otras instalaciones, como la de los sectores institucional y comercial
Norma de evaluación energética de los sistemas de vapor
 El uso de la norma y de los documentos orientativos que
la acompañan deberían lograr una mejora en la cantidad
y la calidad de las evaluaciones energéticas que se
realizan, obteniéndose así ahorros potenciales de costos
de energía significativos
 Destinado a los gerentes de energía, gerentes de las
instalaciones, ingenieros de las plantas, consultores de
energía, gerentes de mantenimiento, gerentes de plantas
y gerentes de medio ambiente, salud pública y seguridad
de todo tipo de industrias
Norma de evaluación energética de los sistemas de vapor
 La norma identifican claramente los procesos, protocolos
y entregas de la evaluación de vapor
 Las secciones de la norma de evaluación son:
• Ámbito e introducción
• Definiciones
• Referencias
• Organización de la evaluación
• Realización de la evaluación
• Análisis de los datos de la evaluación
• Informes y documentación
• Apéndice A - Referencias clave
 La guía que acompaña a la norma brinda información
más detallada sobre cada una de las secciones
Áreas de los proyectos típicos de las evaluaciones de los
sistemas de vapor
 Mejora de la eficiencia de las
calderas
 Cambio de combustibles
 Investigación de la
recuperación de la energía
térmica de la purga
 Cambios de la demanda de
vapor
 Operaciones de las turbinas
de vapor
 Integración térmica
 Integración de procesos y
suministros
 Operaciones de las turbinas y
de las válvulas de alivio de
presión
 Operaciones de las turbinas de
condensación
 Aislamiento térmico
 Recuperación de condensado
 Recuperación del vapor
evaporado súbitamente
 Gestión de las trampas de vapor
 Gestión de las trampas de vapor
 Recuperación del calor residual
Estrategias de ahorro energético
Evaluación energética de los sistemas de
vapor industrial
 Instrumentación portátil que se utiliza en las
evaluaciones energéticas de los sistemas de
vapor
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cámara de termografía infrarroja
Analizador de la combustión de los gases de la combustión
Pistolas de temperatura infrarroja
Termómetros con sondas de tipo k
Tubo de Pitot con manómetro digital
Medidor de conductividad (sólidos disueltos totales)
Manómetros
Cámaras digitales
Cronómetros
Función de los vendedores en la OSV
 Hay varios vendedores que brindan a la industria distintos servicios y
componentes relacionados con los sistemas de vapor
 Los vendedores ofrecen consejos a nivel de expertos y con respecto a
las mejores prácticas
 Los proveedores ofrecen servicios de mantenimiento e inspección
 Los vendedores ofrecen modificaciones que contemplan los proyectos de
mejora de la OSV
 Los proveedores son un punto de contacto privilegiado que pueden
ayudarnos a resolver todos nuestros problemas a ese respecto
Función de los vendedores en la OSV
 Los usos del vapor en la industria son múltiples: calentamiento de
procesos, generación de energía eléctrica, procesos de separación,
limpieza, enfriamiento, etcétera
 Para optimizar el vapor es imprescindible entender todos los
componentes y los equipos del sistema de vapor
 La mejor forma de enfrentar los problemas de los componentes para
mejorar el sistema total es usar el enfoque de los sistemas
 Los proveedores deben trabajar con el personal de la industria para
ayudarlos en esta tarea
Interés comercial para los vendedores
 Beneficios que obtienen los vendedores cuando
colaboran con la OSV y con el enfoque de los
sistemas
• Apoyar y ayudar a los clientes más allá de su actividad comercial
•
•
•
principal
Mejorar los servicios que ofrece o añadirles valor agregado
Mejorar el nivel de confianza del cliente en el vendedor
En general, va a lograr que los clientes aumenten su eficiencia
global y que ahorren costos
Los vendedores tiene un papel muy importante en la OSV
Interés comercial para los vendedores
 Los vendedores pueden lograr que sus productos y servicios mejoren o que
se actualicen
 Los vendedores pueden trabajar junto con la industria para determinar los
puntos débiles y las dificultades operacionales de los sistemas de vapor, y
encontrarles soluciones
 Los vendedores pueden resolver las necesidades específicas de la
optimización de sistemas de vapor, mejorando y actualizando sus productos
y servicios
 Los vendedores pueden recomendar a otros proveedores o vendedores de
servicios que resuelvan las necesidades específicas del cliente
 La actualización de los componentes y la mejora de la calidad de los
servicios tienen un impacto directo en la optimización del costo del sistema
de vapor
Interés comercial para los vendedores
 Es un enfoque en el que todos ganan y que lleva a
• relaciones comerciales a largo plazo, y
• beneficios que van más allá de los ahorros energéticos
Foro abierto y discusión
 ¿Cuáles son las expectativas (actuales y futuras) de los
vendedores?
 ¿Qué oportunidades comerciales ven los vendedores en
la industria de la OSV?
 ¿Cómo pueden intervenir los vendedores como recurso
adicional de la OSV?
 ¿Es posible que los vendedores amplíen sus
oportunidades comerciales en relación con la OSV?
 ¿Cuáles son los inconvenientes y los problemas de la
industria de la OSV?
Evaluación y comentarios
Les agradezco mucho sus aportes que servirán
para mejorar el programa de capacitación y para
adaptarlo mejor a los proyectos de la ONUDI de
asistencia técnica a empresas sudafricanas
¡Muchas gracias!