universidad tecnológica de querétaro ahorro de energía por

Universidad
Tecnológica de
Querétaro
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de Querétaro
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Tecnológica de Querétaro, ou,
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Fecha: 2013.05.07 14:09:52 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
AHORRO DE ENERGÍA POR
CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
Empresa:
COOPERATIVA MANUFACTURERA DE CEMENTO LA
CRUZ AZUL S.C.L.
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
Ingeniero en Mantenimiento Industrial
Presenta:
Mizdrain IsraelyRamírez Chávez
M. en T. A. Alberto Navarro CortésIng. Antonio García Arredondo
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Empresa
Santiago de Querétaro, Qro, Mayo de 2013
Resumen
El desarrollo del proyecto se llevó a cabo en la planta fabricante de
cemento portland,
en el departamento de trituración de agregados al
cemento,en vista de los aumentos y la situación energética que atraviesa el
país, se tuvo necesidad de iniciar un proyecto cuya finalidad es reducir
el consumo de energía eléctrica, así como también los costos de la empresa.
El desarrollo del mismo se llevó a cabo mediante la realización de un plan de
trabajo, mediciones de parámetros eléctricos, recopilación de datos de
producción, cálculo y propuesta de equipos, análisis de costos y de
facturación. Conlosresultados obtenidos por el proyecto. Se podrán reducir las
pérdidas de manera significativa, reduciendo el costo tan elevado que se tenía,
se demostró que tener un bajo factor de potencia representa altos costos, y el
usar un banco de capacitores implica una inversión que será recuperada en
poco tiempo. Como conclusiones resaltan más cuando el factor de potencia es
causa de recargos en la cuenta de energía eléctrica, los cuales llegan a ser
significativos cuando el factor de potencia es reducido, cuando limita la
capacidad de los equipos con el riesgo de incurrir en sobrecargas peligrosas y
pérdidas excesivas con el dispendio de energía, otro de los puntos importantes
es que el costo de los capacitores se recupera rápidamente, la corrección del
factor se previene mediante la selección y operación correcta de los equipos,
los bancos de capacitores son la forma más práctica y económica para mejorar
el factor de potencia.
2
Abstract
The
development
project
was
carried
out
in
Portland
cement
manufacturing plant, department aggregate crushing cement, in view of the
increases and the energy situation facing the country, It had no need to start a
project aimed at reducing power consumption as well as costs of the
company.Its development was carried out by conducting a work plan,
measurements of electrical parameters, production data collection, calculation
and proposed equipment, cost analysis and billing.With the results obtained by
the project. losses can be reduced significantly, reducing the cost so high to be
had, was shown to have a low power factor represents high costs, and using a
capacitor bank involves an investment that will be recovered in no time.As
conclusions stand out more when the power factor is due to surcharges on
electric bills, which become significant when the power factor is reduced,when
limits the ability of the equipment to the risk of incurring dangerous overloads
and excessive losses in energy expenditure, another important point is that the
cost of capacitors recovers quickly, The correction factor is prevented by
correct selection and operation of equipment, capacitor banks are the most
practical and economical way to improve the power factor.
3
Índice
Resumen ............................................................................................................ 2
Abstract ............................................................................................................. 3
I. Introducción ................................................................................................... 6
II. Antecedentes................................................................................................. 9
III.Justificación ................................................................................................ 11
IV. Objetivos .................................................................................................... 12
Objetivo General .................................................................................................................................. 12
Objetivo Específico .............................................................................................................................. 12
V.Alcances ....................................................................................................... 13
VI. Fundamentación Teórica .......................................................................... 14
Factor de Potencia ............................................................................................................................... 14
¿Qué es Factor de Potencia? ................................................................................................................... 14
¿Qué es Potencia? ............................................................................................................................... 15
Tipos de Potencias .............................................................................................................................. 16
Potencia Activa. ................................................................................................................................ 16
Potencia Reactiva. ........................................................................................................................... 17
Potencia Aparente. .......................................................................................................................... 17
¿Porque existe bajo factor de potencia? .......................................................................................... 17
¿Por qué resulta dañino y caro mantener un bajo factor de potencia? ....................................... 18
¿Qué principios de ingeniería y fórmulas se emplean para calcular el factor de potencia? .... 19
¿Cuál sería el procedimiento adecuado? ......................................................................................... 20
¿Qué cuidados se deben tener al diseñar instalaciones eléctricas para evitar problemas con
el factor de potencia? .......................................................................................................................... 20
VII. Plan de Actividades .................................................................................. 22
VIII. Recursos Materiales y Humanos ............................................................ 23
Recursos Humanos ............................................................................................................................. 23
Recursos Materiales ............................................................................................................................ 23
IX. Desarrollo del proyecto ............................................................................. 24
Paso 1. Selección del Tema ............................................................................................................... 24
Paso 2. Obtener y Analizar los Datos ............................................................................................... 24
Paso 3. Analizar las Causas............................................................................................................... 28
Paso 4. Planear e Implementar la Solución ..................................................................................... 29
Paso 5. Evaluar los Efectos ................................................................................................................ 29
Paso 6. Estandarizar la Solución ....................................................................................................... 33
4
X.- Resultados Obtenidos............................................................................... 38
Paso 7. Reflexionar Sobre el Proceso .............................................................................................. 38
XI.- ANÁLISIS DE RIESGOS............................................................................ 39
XII. Conclusiones ............................................................................................ 40
XIII.- Recomendaciones .................................................................................. 42
XIV.
Referencias Bibliográficas .................................................................. 43
5
I. Introducción
El cemento es un elemento que une los fragmentos detríticos (arena o
grava) de ciertas rocas clásicas (areniscas o conglomerados). Es un polvo
seco hecho de sílice, alúmina, cal, oxido de hierro y óxido de magnesioque se
endurece cuando es mezclado con agua. Las materias primas son los
materiales que se encuentran en la naturaleza: caliza, pizarra arcilla hematita
(puzolana, sílice y yeso). Para el proceso de elaboración(ver figura 1) pasa por
la trituración primaria y secundaria, depende de la dureza del material, su
tamaño y el contenido de material, definen el tipo de maquinaria adecuado
para su trituración. para este proceso se utilizan impactores de barra y
trituradores de martillos. La prehomogeneización se lleva a cabo por medio de
un sistema especial de almacenamiento y recuperación de materiales
triturados de manera que el material resultante sea adecuado en distribución
de tamaño y composición química. La molienda de polvo crudo es la
combinación íntima de las materias primas debidamente trituradas dosificadas
y molidas. Es imprescindible que el material crudo sea sometido a un proceso.
Llamado homogenización en el cual se mezclan íntimamente cantidades
grandes de materias primas, mediante la agitación con aire, en si los
apropiados para este fin, con el cual se obtiene el producto de composición
uniforme. La unidad de calcinación consta de cuatro zonas: secado,
precalentamiento, precalcinación y clinckerización, los cambios físicos y
químicos son graduales, cuando el polvo químico entra en la cuarta zona del
horno, donde cambia su composición química en una suma de compuestos
que se llama clincker. En el almacenamiento de clincker frio, se almacena
cubierto, donde se conduce a la molienda final en combinación con yeso,
puzolana y otros aditivos, según el tipo de cemento que se pretende obtener.
La transformación del clincker en cemento se lleva a cabo por medio de molido
de rodillo, que sirve para la transformación total de losmateriales quebradizos
6
que componen el cemento. La fragmentación del material a moler tiene lugar
entre rodillos que giran en sentidos opuestos a una presión elevada. En el
envase y embarque es la línea final del proceso de fabricación del cemento, el
objetivo de este departamento, es envasar, embarcar y distribuir el producto al
consumidor.
Figura 1. Proceso general del producto
En los sistemas eléctricos de baja tensión, en los cuales las cargas
resultan ser predominantemente inductivas, existe la necesidad de utilizar
bancos de capacitores destinados a la corrección del factor de potencia, con el
fin de reducir los costos por facturación eléctrica e incrementar la vida útil de
las instalaciones.
7
El encarecimiento de los costos de los energéticos no renovables obliga
al uso eficiente y racional de la energía y al cumplimiento con la normatividad
de preservación del medio ambiente, lo anterior ha motivado a la empresa para
establecer medidas que contribuyan al mejoramiento de la eficiencia en el uso
de la energía eléctrica en sus instalaciones.
Esta medida se basa en el monitoreo continuo de las variables como la
tensión, frecuencia, contenido de armónicos y el factor de potencia. Si durante
la operación normal del sistema eléctrico, existe bajo factor de potencia, esto
produce aumento en la intensidad de corriente, originando pérdidas por calor
y caídas de tensión en los diferentes circuitos eléctricos.
8
II. Antecedentes
El desarrollo económico del país está ligado, entre otros factores
determinantes, al suministro oportuno y suficiente de energía. El actual contexto
mundial, en el que la competitividad es creciente y los combustibles deben
suministrarse con calidad y oportunidad, cobra vital importancia el que México
cuente con un sector energético fuerte y en constante expansión, para
responder a los retos que su economía le demanda. Asimismo, el crecimiento
con calidad y el desarrollo sustentable son premisas esenciales de cualquier
acción orientada a responder a estos retos.
En ese sentido, los esquemas de producción industrial, generación de
energía eléctrica y transporte de bienes, servicios y personas, deben considerar
la operación con base en mejores prácticas, y la implementación de tecnologías
eficientes.
Se realizó un diagnóstico energético en la empresa que está dedicada a la
elaboración, distribución y venta de material para la construcción. La realización
del presente proyecto se llevó a cabo por medio del departamento taller interno
de mantenimiento eléctrico, de la empresa con el objetivo de reducir costos a la
misma beneficiando a la producción.
.
9
Actualmente dentro de la planta Cruz Azul S.C.L. en el departamento de
trituración de agregados al cemento, las instalaciones se encuentran en
condiciones óptimas al igual que los equipos dentro del mismo, tener un bajo
factor de potencia representa un costo muy elevado para la industria. Este
problema afecta directamente a los equipos, ya que existe un mayor consumo
de corriente, se presenta aumento de las perdidas en conductores, sobrecarga
de trasformadores, generadores y líneas de distribución e incremento en las
caídas de voltaje; también representa un problema económico para la empresa,
porque ocasiona un incremento en la facturación eléctrica por mayor consumo
de corriente y penalizaciones que llegan a un alto consumo de facturación.
Todas estas multas las cobra C.F E. (comisión federal de electricidad) por tener
un mal uso de la energía eléctrica. Debido al bajo factor de potencia que
presenta el centro de control de motores (CCM) de la unidad de trituración, es
necesaria la instalación de un banco de capacitores para compensarla, con el
fin de mejorar el uso de la energía eléctrica y de esta manera evitar cargos y
multas.
10
III.Justificación
Con la implementación del proyecto propuesto, la empresa obtendrá
beneficios como ahorrar energía reactiva que es improductiva y de este modo
evitarse el cargo por bajo factor de potencia que cobra la compañía
suministradora, ahorros por concepto de pérdidas (en cables, motores y
transformadores). Para una mayor utilidad.
11
IV. Objetivos
Objetivo General
Aumentar el factor de potencia mediante la instalación de un banco de
capacitores, para reducir los cargos que genera el no tener un adecuadouso
de la energía eléctrica, y de esta manera asegurar un mejor funcionamiento de
los equipos, aumentar su tiempo de vida útil y lo más importante, disminuir el
pago de energía eléctrica.
Objetivo Específico
Calcular la capacidad del banco de capacitores para que puedan brindar
los reactivos necesarios que son consumidos por los motores en el momento
del arranque para poder mantener el factor de potencia cerca de la unidad;
todo esto en base a parámetros eléctricos y de producción.
12
V.Alcances
En el departamento de trituración de agregados al cemento, la primera
actividad con que se realiza el proyecto es analizar bien el problema que se
encuentra, así mismo ir paso a paso hasta llegar a los resultados obtenidos.
El área de mantenimiento eléctrico representa una gran parte de la
empresa, debido a ello tiene alcances significativos en la misma. Esta área
cuenta con un taller de mantenimiento eléctrico.
El mantenimiento eléctrico como una parte muy importante dentro de la
cadena productiva, debe entrar en la dinámica de la producción siendo un
complemento dentro de ella. Es por ello que se busca mejorar la intervención
del mantenimiento, eliminando los tiempos de paros por causas del proceso.
Esto traerá beneficios tanto en ganancias para la empresa
y
concretamente al área de mantenimiento y posteriormente al área de
producción, como por la mejora en el servicio al cliente, esto último trayendo
como beneficios la satisfacción del cliente la cual puede redundar en el
aumento de demanda del producto tanto del cliente como de nuevos clientes.
13
VI. Fundamentación Teórica
Factor de Potencia
El conjunto de todos los elementos eléctricos que intervienen
directamente en los procesos de generación, transformación, transmisión, y
distribución de la energía eléctrica forma un todo único de operación conjunta,
de aquí se deriva que casi toda la electricidad que consumimos en las
industrias, fabricas, hogares todos son elementos que pueden considerarse
equipos consumidores de energía eléctrica. Estos usuarios deben de
considerar la importancia del factor de potencia de su consumo.
¿Qué es Factor de Potencia?
Es un indicador cualitativo y cuantitativo del correcto aprovechamiento de la
energía eléctrica. El factor de potencia es el indicador utilizado para medir la
eficiencia eléctrica, siendo el valor de: 1 (100%) el óptimo. Cuando el indicador
de potencia posee el valor de 1 significa que toda la energía se convierte en
trabajo.
También se puede decir, el factor de potencia es un término utilizado
para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.
El factor de potencia cambia de acuerdo al consumo y tipo de carga. Si el
factor de potencia es menor a 0.9 las empresas distribuidoras de energía
eléctrica aplican penalizaciones (multas) las cuales se especifican dentro de
los recibos de energía eléctrica bajo el concepto de “penalización por
incumplimiento NTSD”.
14
La razón de la penalización obedece a que con factores de potencia
bajos la distribuidora de energía tiene que instalar una mayor cantidad de
activos (transformadores, líneas, etc.) en la red de distribución de energía de
cualquier instalación residencial, comercial e industrial en la cual exista algún
tipo de motoreléctrico (bombas de agua, elevadores compresores, etc.)
¿Qué es Potencia?
La medición de potencia en corriente alterna es más complicada que la de
corriente continua debido al efecto de los inductores y capacitores. Por lo que
en cualquier circuito de corriente alterna existen estos tres parámetros de
inductancia, capacitancia y resistencia en una variedad de combinaciones.
En circuitos puramente resistivos, la tensión (V) está en fase con la corriente (i),
siendo algunos de estos artefactos como lámparas incandescentes, planchas,
estufas eléctricas, etc. Toda la energía la transforma en energía lumínica o
energía calorífica.
Mientras en un circuito inductivo o capacitivo la tensión y la corriente están
desfasadas 90° una respecto a la otra. En un circuito puramente inductivo la
corriente estáatrasada 90° respecto a la tensión. Y en un circuito puramente
capacitivo la corriente va adelantada 90° respecto de la tensión.
15
La potencia se puede definir como la capacidad para efectuar un trabajo,
en otras palabras, como la razón de transformación, variación o transferencia
de energía por unidad de tiempo.
Tipos de Potencias
Potencia Activa.
Los diferentes dispositivos eléctricos convierten energía eléctrica en otras
formas de energía como mecánica, lumínica, térmica, química, entre otras.
Esta energía corresponde a la energía útil o potencia activa o simplemente
potencia, similar a la consumida por una resistencia. Expresada en watts.
Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que
hacen uso del efecto de un capo electromagnético, requieren potencia activa
para efectuar un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para
la generación del campo magnético, almacenaje de campo eléctrico que en sí,
no produce ningún trabajo.
16
Potencia Reactiva.
La potencia reactiva esta 90° desfasada de la potencia activa. Esta
potencia es expresada en volts-amperes reactivos (VAR).
Es la que resulta de considerar la tensión aplicada al consumo de la corriente
que esta demandada. Es también la resultante de la suma de los vectores de la
potencia activa y la potencia reactiva.
Potencia Aparente.
Esta potencia es expresada en volts-amperes (VA). El factor de potencia
(fp) es la relación entre las potencias activas (P) y aparente (S) si las corrientes
y tensiones son señales sinusoidales.Si estas son señales perfectamente
sinusoidales el factor de potencia será igual al cos θ, o bien el coseno del
ángulo que formanlos factores de la corriente y la tensión, designándose en
este caso como cos θ el valor de dicho ángulo.
¿Porque existe bajo factor de potencia?
La potencia reactiva, es necesaria para producir el flujo electromagnético
que pone en funcionamiento elementos como: motores trasformadores,
lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración, entre otros.Cuando la
cantidad de estos equipos es apreciable, en un alto consumo de energía
reactiva puede producirse como consecuencia.
Entre las principales consecuencias de un bajo factor de potencia podemos
mencionar las siguientes:
Aumento en la corriente: incrementa las pérdidas por efecto Joule, las
cuales son una función del cuadrado de la corriente, ejemplo:
 Los cables entre el medidor y el usuario
 Los embobinados de los transformadores de distribución
 Dispositivos de operación y protección
17
Aumento en la caída de tensión resultando en un insuficiente suministro
de potencia a las cargas, estas sufren una reducción en su potencia de
salida. Esta caída de tensión afecta a:
 Embobinados de transformadores de distribución
 Cables de alimentación
 Sistema de protección y control
Estas desventajas también afectan al productor y al distribuidor de
energía eléctrica. El productor penaliza al usuario con factor de potencia
bajo, haciendo que pague más por du electricidad.
 Es por esta razón que las compañías de electricidad cargan
tarifas más altas cuando el factor de potencia es bajo.
¿Por qué resulta dañino y caro mantener un bajo factor de potencia?
El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce
los siguientes inconvenientes:
Al suscriptor:

Aumento de la intensidad de corriente.

Pérdidas es los conductores y fuertes caídas de tensión.

Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción
de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los
conductores.

La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la
vida de su aislamiento.

Aumentos en sus facturas por consumo de su electricidad.

A la empresa distribuidora de energía:
18

Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad
en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva
adicional.

Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así
como en trasformadores para el trasporte y trasformación de esta
energía reactiva.

Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual
pueden afectar la estabilidad de la red eléctrica.
¿Qué principios de ingeniería y fórmulas se emplean para calcular el
factor de potencia?
Se define el factor de potencia como:
Donde Φ es el ángulo entre la potencia activa P y el valor absoluto de
la aparente S
Si las corrientes y tensiones son perfectamente sinusoidales y por lo
tanto la formula es.
19
¿Cuál sería el procedimiento adecuado?
Existen diversas formas indirectas de calcular el Factor de Potencia (con
medidor electrónico de kWh y kVarh, con medidor de kWh, voltímetro y
amperímetro, con los datos de la factura de energía, etc.). Se debe seleccionar
la más apropiada a cada situación teniendo en cuenta la disponibilidad de
instrumental, la precisión en los resultados que se desea obtener y las
habilidades eléctricas y matemáticas de quien realice la tarea.
¿Qué cuidados se deben tener al diseñar instalaciones eléctricas
para evitar problemas con el factor de potencia?
Cuando se produce un corto circuito normalmente esto genera una
explosión lo cual conlleva la proyección de material incandescente y esto puede
provocar un incendio en caso de estar cerca de material inflamable o producir
lesiones si alguien ya sea un técnico u operario estuviese junto al CCM. Para
evitar este tipo de riesgos los CCM´S deben cumplir con ensayos de arco según
20
lo estipula la norma IEC-61641. Esto indica que ante las fallas de arco no se
deben producir desprendimientos en la estructura del CCM.
Estos equipos pueden tener un grado de protección según el ambiente
donde valla ser montado así como la resistencia del mismo, este grado de
protección según la norma europea IEC se le conoce con grado de protección
IP, cuando se trata de la norma norteamericana se le conoce como grado de
protección NEMA.
21
VII. Plan de Actividades
Para el desarrollo del presente proyecto se utilizó el siguiente diagrama de
Gantt con las etapas y los logros programadas para el desarrollo del presente
proyecto.
El gráfico que a continuación se presenta se basó en las actividades
realizadas con 7 pasos, herramienta utilizada para el desarrollo del presente
proyecto.
Fechas de plazos a cumplir
Enero
Actividad
1
2
3
Febrero
4
5
6
7
Marzo
8
9
10
11
12
Paso 1. Selección del tema.
Paso 2. Obtener y analizar datos.
Paso 3. Analizar las causas
Paso 4. Planear e implementar la
solución.
Paso 5. Evaluar los efectos.
Paso 6. Estandarizar la solución.
Paso 7. Reflexionar sobre el proceso.
22
VIII. Recursos Materiales y Humanos
Recursos Humanos
Para la correcta implementación y aplicación de lo propuesto en el
presente proyecto se requiere la participación del siguiente personal:
Descripción
Actividad
Personal encargado del departamento
Llenado del formato “Reporte de
línea por turno”. Consiste en reportar la
(Taller eléctrico) 3 personas
producción
del
turno
así
como
las
incidencias.
Personal
de
mantenimiento
eléctrico) 2 personas
(taller
Cumplir
al
pie
de
la
letra
el
procedimiento propuesto para el manejo del
almacén de mantenimiento. Control de
entradas y salidas de almacén, llenado de
requisición de material, actualización de
catálogo de proveedores y actualización de
lista de refacciones.
Recursos Materiales
Es fundamental contar con un stock de refacciones críticas, con las cuales
se deben de contar en todo momento, ya que previamente fueron identificadas
en el proceso. Los costos de los materiales fueron proporcionados por el
personal de almacén, que son los encargados de surtir el material al área de
mantenimiento.
23
IX. Desarrollo del proyecto
Paso 1. Selección del Tema
Cálculo del banco de capacitores para compensar el factor de potencia.
Paso 2. Obtener y Analizar los Datos
La primera actividad a realizar es hacer un estudio de la situación actual
del factor de potencia dentro de los últimos meses, así como la potencia
consumida durante este lapso de tiempo. Estos datos serán de utilidad para el
cálculo del banco de capacitores, las lecturas fueron obtenidas del tablero de
la empresa(ver figura 2).
Figura 2. Tablero de banco de capacitores
MES
KW CONSUMIDOS
Mayo
1521
Junio
1530
Julio
1459
Total
4510
24
Sacando un promedio con respecto a estos valores, se podrá conocer los
KW promedio que se consumen.
KW= Ʃ KW/ no. De meses
KW= 4510/3
KW=1503.33
Después de conocer la potencia consumida, se hace un cálculo de los
últimos factores de potencia registrados (ver figura 2). (Ver figura 3) en donde
se aprecian los motores de los equipos que contribuyen al bajo factor de
potencia.
MES
FACTOR DE POTENCIA
Mayo
0.836
Junio
0.798
Julio
0.839
Total
2.473
Figura 3. Motores de subestación.
25
Sacando un promedio con respecto a estas mediciones se podrá conocer
el factor de potencia promedio que se tiene.
F.P.= Ʃ F.P/no. de meses
F.P.= 2.243/3
F.P.=0.824
Una vez conociendo la potencia consumida (KW) y el factor de potencia
se puede calcular de la siguiente manera los KVA.
KW=KVA (F.P)
KVA= KW/F.P
KVA= 1503.3 / 0.824
KVA= 1824.2
26
Otra manera de calcular la potencia aparente (KVA) es mediante el
siguiente triángulo.
Cos ϴ = KW / KVA
KVA = KW / Cos ϴ
KVA = 1503.3 / 0.824
KVA = 1824.4
Ahora que se conoce la potencia real (KW) y la potencia aparente (KVA)
es necesario calcular la potencia reactiva (KVAR) mediante la siguiente
fórmula tenemos que:
KVA = √ (KW²) + (KVAR²)
Despejando los KVAR nos queda de la siguiente forma:
(KVAR)² = (KVA)² - (KW)²
(KVAR)² = (1824.4 KVA)² - (1503.3 KW)²
(KVAR)² = (3, 328,435 KVA) - (2, 259,910 KW)
(KVAR)² =1, 068,525
KVAR= √ 1, 068,525
KVAR= 1033
27
Paso 3. Analizar las Causas
Los cálculos anteriores son de los valores actuales de los equipos. Ahora
se desea conocer los valores si se aumentara el factor de potencia hasta 0.98.
Ya conocemos la potencia real y el factor de potencia deseado. Por lo tanto,
por medio de la siguiente fórmula conoceremos los KVA.
KW= KVA (F.P.)
KVA = KW / F.P.
KVA= 1503.3 / 0.98
KVA= 1533.98
Ahora conociendo los KW y los KVA, se pueden calcular los KVAR
mediante la siguiente fórmula:
KVA= √ (KW²) + (KVAR²)
Despejando los KVAR nos queda de la siguiente forma:
(KVAR)² = (KVA)² - (KW)²
(KVAR)² = (1533.98 KVA)² - (1503.3 KW)²
(KVAR)² = (2, 353,093 KVA) – (2, 259,910 KW)
(KVAR)² = 93,189.38
KVAR = √ 93,183.38
KVAR = 305.23
28
Paso 4. Planear e Implementar la Solución
Una vez conociendo el valor actual de los KVAR y el valor que se desea
tener nos da el resultado de los KVAR que se deben considerar para nuestro
banco de capacitores.
KVAR necesarios = KVAR conocidos – KVAR deseados
KVAR actuales = 1033.7
KVAR deseados = 305.23
KVAR necesarios = 1033.7 – 305.23
KVAR necesarios = 728.5
Paso 5. Evaluar los Efectos
Esto nos indica la capacidad del banco de capacitores necesario para
aumentar el factor de potencia hasta un valor de 0.98, para el cual se
necesitarían 15 capacitores de 50 KVAR (750 KVAR).
29
Cálculo de ahorro de energía
Horarios que se trabajan en la trituración
HORARIO
TRITURACIÓN
06:30 a 09:30
si
09:30 a 11:00
paro por alimentos
11:00 a 13:30
si
13:30 a 14:30
paro por cambio de turno
14:30 a 18:00
si
18:00 a 19:00
paro por alimentos
19:00 a 20:00
si
Toneladas trituradas por turno
TURNO
TONELADAS
primero
7360
segundo
5860
Pago por demanda facturable
COSTO DE KW
COSTO DE
COSTO DE
COSTO DE
EN DF
KW/H EN DB
KW/H EN DI
KW/H EN DP
$125.93
$0.6130
$0.7375
$2.3618
30
La demanda facturable se calcula de la siguiente forma.
DF=DP+ [FRI máx. (DI-DP) + FRS máx. (DB-DI)]
Donde:
DF: demanda facturable
DB: demanda base
DI: demanda intermedia
DP: demanda punta
De acuerdo a las facturas obtenidas por Comisión Federal de Electricidad se
toman los siguientes valores de las demandas máximas:
Demanda máxima base: 144 KW
Demanda máxima intermedia: 1542 KW
Demanda máxima punta: 1512 KW
FRI: 0.30
FRS: 0.15
DF= DP + [FRI máx. (DI-DP) + FRS máx. (DB-DI)]
DF= 1512 + [0.30 (1542-1512) + 0.15 (144-1542)]
DF= 1512 + 9
DF= 1521
Pago por KW consumido = DF / costo en KW en DF
Pago por KW consumido = (1521)*($125.93)
Pago por KW consumido = $191,550.15
De acuerdo a los KW/H consumidos en la demanda base, demanda
intermedia, y demanda punta se tiene que pagar lo siguiente:
Demanda base: 12,000 KW/H
Demanda intermedia: 294,000 KW/H
Demanda punta: 24,000 KW/H
31
En demanda base el pago es por consumo únicamente del alumbrado
que se usa en ese horario.
Pago (KW/H consumidores en DB)*(precio de KW/H)
Pago = (12,000)*($0.6130)
Pago = $7,356.97
En demanda intermedia el pago es por el consumo del equipo de
trituración que es usado en ese horario.
Pago = (KW/H consumidos en DI)*(precio de KW/H)
Pago = (294,000)*($0.7375)
Pago = $216,825.00
En demanda punta el pago es por consumo del equipo de trituración y del
alumbrado que se usa en ese horario.
Pago = (KW/H consumidos en DP)*(pago de KW/H)
Pago = (24,000)*($2.3618)
Pago = $56,683.70
Pago total de las demandas
KW/H consumidos
Pago
demanda base
$7,356.97
demanda intermedia
$216,825.00
demanda punta
$56,683,70
Total
$280,825.67
Pago total de los KW/H y de los KW consumido
Demandas
Pago
total de la DB, DI y DP
$280,865.67
total de DF
$191,550.15
Total
$472,415.82
32
La cifra anterior es el pago mensual, para el cálculo del pago anual solo
se multiplica por 12
Pago anual = $472,415.82(12 meses)
Pago anual = 5, 668,989.84
Además se paga un cargo por tener bajo factor de potencia, el cual es
mensualmente de $17,463.59
Paso 6. Estandarizar la Solución
Propuesta para el ahorro de energía
Si la hora que se trabaja en la trituración en la demanda de punta, se
trabajara en el cambio de turno o en el horario de comida, el consumo de
energía seria en la demanda intermedia y con esto se reducirían los costos de
energía, además de que no se afectaría en lo más mínimo la producción que
se tiene diariamente.
Pago por demanda facturable
Costo de la energía de acuerdo a CFE
COSTO DE KW
COSTO DE
COSTO DE
COSTO DE
EN DF
KW/H EN DB
KW/H EN DI
KW/H EN DP
$125.93
$0.6130
$0.7375
$2.3618
Con nuestra propuesta la demanda punta únicamente consumiría lo del
alumbrado que sería lo mismo que la demanda base en KW, la demanda
intermedia se vería afectada ya que aumentarían los KW consumidos por la
hora que se trabajaría de más y quedaría de la manera siguiente:
Demanda máxima de base: 144 KW
33
Demanda máximo intermedia: 1713.33 KW
Demanda máxima punta: 144 KW
FRI: 0.30
FRS: 0.15
Demanda intermedia que se va a consumir:
1542/9 = 171.33
1542 + 171.33
1713.33 KW consumidos con la hora de más
DF = DP + FRI máx. (DI-DP, 0) + FRS máx (DB-DI, 0)
DF= 144 + (0.30)(1713.33-144) + (0.15)(144-144)
DF = 144 + (0.30)*(1569.33) + (0)
DF = 144 + 470.799
DF = 614.799 KW
Pago por KW consumidos= DF / costo de KW en DF
Pago por KW consumidos = (614.799)*($125.93)
Pago por KW consumidos = $77,421.638
De acuerdo a los KW consumidos en la demanda base, demanda
intermedia y demanda punta se tiene que pagar lo siguiente:
Demanda base: 12,000 KW/H
Demanda intermedia: 326,666.031 KW/H
Demanda punta: 24,000 KW/H
34
En demanda base el pago es por el consumo únicamente del alumbrado
que se usa en ese horario.
Pago = (KW/H consumido en DB)*(precio de KW/H)
Pago = (12,000)*($0.6130)
Pago = $7,356.97
En demanda intermedia el pago es por el consumo del equipo de
trituración que se usa en ese horario.
DI = 294,000/1542 = 190.66 * 1713.33 = 326,666.031 KWH
Pago = (KW/H consumido es DI)(precio de KW/H)
Pago = (326,666.031)*($0.7375)
Pago = $ 240,916.20
En demanda punta el pago es por el consumo del equipo de trituración y
del alumbrado que se usa en ese horario.
Pago = (KW/H consumidos en DP)*(precio de KW/H)
Pago = (2,285.71)*($2.3618)
Pago = $5,398.39
35
Pago total de las tres demandas
KW/H Consumidas
pago
Demanda base
$7,356.97
Demanda intermedia
$240,916.00
Demanda punta
$5,398.39
Total
$250,670.59
Pago por demanda facturable
KW Consumidos
Pago
Demanda facturable
$77,421.64
Pago total de los KW/H y de los KW consumidos
Demandas
Pago
Total de la DB, DI y DP
$250,670.60
Total de DF
$77,421.64
Total
$327,792.23
36
El pago mensual actual de energía eléctrica es de $ 472,415.82 y el pago
mensual con la propuesta seria de $ 327,792.24
Comparando los pagos actuales con los pagos de la propuesta veremos
por medio de la siguiente tabla el ahorro que se tendría mensualmente y
anualmente.
Pago mensual
Costo
Actual
$472,415.82
Propuesta
$327,792.23
Ahorro mensual
$144,623.58
Ahorro anual
Pago anual
Costo
Actual
$5, 668,989.84
Propuesta
$3, 933,506.82
Ahorro
$1, 735,483.02
37
X.- Resultados Obtenidos
Paso 7. Reflexionar Sobre el Proceso
Después de realizar el cálculo y el análisis sobre las ventajas de tener un
banco de capacitores, se llega a la conclusión de que es una herramienta muy
útil para asegurar un mejor funcionamiento de los equipos y sobre todo, reducir
de una manera significativa el costo tan elevado que representa tener un bajo
factor de potencia.
El uso de un banco de capacitores implica una inversión que será
recuperada en cierto tiempo, pero también constituye importantes beneficios
para los equipos como para la economía de la empresa.
38
XI.- ANÁLISIS DE RIESGOS
Son pocos los factores que puedan impedir la correcta implementación del
proyecto, y por el contrario los beneficios que esto traería son más.
Como en el capítulo de recursos humanos y materiales se describe, solo
se necesita refacciones consideradas como críticas para mantener en el
almacén. Si se considera que estas refacciones son vitales para el correcto
funcionamiento del proyecto, el departamento de almacén no deberá tener
ningún inconveniente para la adquisición de estas.
Es quizás en el recurso humano en donde se puede encontrar un riesgo
para la implementación del proyecto. Debido a que se requiere de la
participación del personal involucrado del departamento eléctrico y del de
mantenimiento. Aunque esto no representaría un problema si la gente
involucrada entiende los beneficios que trae consigo el buen manejo de las
actividades de mantenimiento.
39
XII. Conclusiones
1. El factor de potencia se puede definir como la relación que existe entre
la potencia activa (KW) y la potencia aparente (KVA) y es indicativo de
la eficiencia con que se está utilizando la energía eléctrica para producir
un trabajo útil.
2. El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza
inductiva. Entre las que destacan los motores de inducción, los cuales
pueden agravarlo si no se operan en las condiciones para las que
fueron diseñados.
3. El bajo factor de potencia es causa de recargas en la cuenta de energía
eléctrica, los cuales llegan a ser significativos cuando el factor de
potencia es reducido.
4. Un bajo factor de potencia limita la capacidad de los equipos con el
riesgo de incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas con el
dispendio de energía.
5. El primer paso en la corrección del factor es el preventivo mediante la
selección y operación correcta de los equipos. Por ejemplo, adecuando
la carga de los motores a su valor nominal.
6. Los bancos de capacitores son la forma máspráctica y económica para
mejorar el factor de potencia, sobre todo en instalaciones existentes.
7. El costo de los capacitores se recupera rápidamente, tan solo por los
ahorros que se tienen al evitar los recargos por bajo factor de potencia
en el recibo de energía eléctrica.
8. Entre más cerca se conecten los capacitores de la carga que van a
compensar, mayores son los beneficios que se obtienen.
40
9. Cuando las variaciones de la carga son significativas, es recomendable
el empleo de bancos de capacitores automáticos.
10. La corrección del factor de potencia pueden ser un problema complejo.
Recurrir a especialistas es conveniente, sino se cuenta con los
elementos necesarios para resolverlo.
41
XIII.- Recomendaciones
Haciendo un análisis de cuáles serían los beneficios de la implementación
de este proyecto en otras áreas de la empresa, tomando en cuenta que las
paradas por falta de refacciones de mantenimiento se eliminen, se tendrían
buenos beneficios en el aumento de la productividad.
A continuación se presenta un análisis tomando en cuenta que las
pérdidas por falta de refacciones se eliminaran:
PARTIDA
PÉRDIDAS
HORAS AL
MES
PERDIDAS
1
Falta de refacciones
48
2
Apagones
3
3
Falta de personal
16
5
Falta de herramienta especializada
24
8
Falla de mecanismos automatizados
8
9
Otros
15
TOTAL
114
42
XIV.
Referencias Bibliográficas
1. Eguiluz LI, Magaña M. El factor de potencia del sistema, su relación con
las pérdidas de distribución en redes distorsionadas y efectos del
empleo de condensadores en la mejora del FP 3 a ed. Ed. E.T.S.I.I.T,
Cantabria.2001. pp: 34-37.
2. Enríquez Harper G. El libro práctico de los generadores,
transformadores y motores eléctricos 2a ed. Ed. Limosa, México D.F.
2004. pp 112-118.
3. Barcón S, Guerrero R. Factor de potencia filtrado de armónicas: En
Corrección del factor de potencia calidad de la energía 2a ed. Ed. Mc.
Graw Hill, México, D.F. 2008. pp: 46-50.
4. Melman J. electricidad: En El factor de
Ed.Hispanoamericano, México D.F. 2002. pp: 95.
potencia
3a
ed.
5. Gómez I. Ingeniería Eléctrica: En Sistemas eléctricos de potencias 1a
ed. Ed. Pearson, México, D.F. 2003. pp: 39.
6. Weedy B. M. Eléctricos de gran potencia 3a ed. Ed.Reverte, México D.F.
2001. pp: 17-19.
7. Mujal R. M. Protecciones de sistemas eléctricos de potencia 1a ed.
Ed.Ediciones UPC, México D.F. 2002. pp: 130-137.
8. Brokering W, Palma R. Los sistemas eléctricos de potencia 2a ed. Ed.
Pearson, México D.F. 2008. pp: 110-113.
9. Velasco J.I. Ahorro de energía eléctrica: En Implementación
metodológica 2a ed. Ed. Mc Graw Hill, México D.F. 2003. pp: 37.
10. Ned M. Electrónica de potencia: En Convertidores, aplicaciones y
diseño 2a ed. Ed. Mc Graw Hill, México D.F. 2009. pp: 113.
43