11 abril 2008

Eficiencia energética en calderas de vapor


Cuando al inicio de cada jornada el operador pone en marcha una gran caldera industrial, o cuando una caldera central se enciende en un gran edificio por la mañana muy temprano, litros y litros de combustible comienzan a quemarse. Los requerimientos de calor serán seguramente muy pequeños al inicio de la jornada, pero las calderas están en pleno funcionamiento todo el día. Si nos centramos en la producción de vapor, las calderas de vapor son equipos omnipresentes en la industria, que suponen además uno de los puntos de consumo más elevados de un establecimiento industrial. Es muy importante iniciar una estrategia de ahorro energético en las calderas de vapor ya que dan cuenta de ingentes cantidades de combustible, y con unas medidas sencillas podemos ahorrar muchos miles de euros.
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En este primer post dedicado a la eficiencia energética de las calderas, fundamentalmente de vapor, abordamos la descripción de los sistemas más interesantes para disminuir el consumo energético de estos devoradores de combustible. Se trata de una serie de ideas esenciales recopiladas por TODOPRODUCTIVIDAD de distintas fuentes, pero muy especialmente del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Creemos que la mejora de la eficiencia energética de las calderas de vapor es una actividad imprescindible que debe realizarse en todas las plantas industriales, y queda sobre todo justificada por el rápido retorno de la inversión.
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I) CONTROL AUTOMÁTICO: Son técnicas utilizadas cada vez más frecuentes conforme aumenta la disponibilidad de tecnologías apropiadas. Es por lo tanto una fuente probable de proyectos técnicos tanto en el diseño de nuevas instalaciones como en la mejora de las existentes. Las consideraciones técnicas más interesantes son las siguientes:
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1. Seguridad de los sistemas de control: La seguridad de los sistemas de control son las consideraciones a tener en cuenta para minimizar, si es practicable, la probabilidad de que falle uno de los componentes o dispositivos en la circuitería de control que puedan causar la operación insegura o control inadecuado. Cada sistema de control debe haberse sometido a un análisis de riesgos.
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2. Características lógicas del circuito: Cuando se utilicen circuitos lógicos para el arranque secuencial o para la operación de componentes individuales, se proporcionarán indicadores en la consola de control para mostrar la finalización con éxito de la secuencia de operaciones por el circuito lógico y el arranque y operación del componente. Si no se llevan a cabo algunos pasos particulares durante la secuencia, la secuencia es parar en ese punto. La neutralización del sistema y su operación manual se permite en funciones vitales para permitir el control en caso de fallo de un circuito lógico. Para sistemas con control lógico, se someterán a revisión los siguientes documentos:
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a. Sistema de clasificación de zonas.
b. Impresión de la pantalla operacional para verificar el contenido operacional y de seguridad.
c. Planificación de la integración del sistema.
d. Planificación de redundancia y teoría de operación.
e. Sistema de gestión del software.
f. Certificaciones de componentes computerizados.
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3. Control electrónico de la caldera: El control electrónico de calderas mediante sistemas electrónicos programables es una de las líneas fundamentales de un proyecto de eficiencia electrónica de calderas de vapor. Estos sistemas proporcionan aplicaciones muy sofisticadas permitiendo cierre automático, control remoto y sistemas para indicar fallos por personal situado a distancia. Estas tecnologías deben ser contempladas en el proyecto del sistema de calderas industriales y para ello se ha aprobado la norma EN 61508, que cubre estas tecnologías. Es destacable considerar que el fabricante de las calderas no tendrá en cuenta esta norma, siendo la empresa instaladora la responsable de aplicarla. Otra cuestión a tener en cuenta sobre los sistemas de calderas automatizados es que si se someten a regímenes de mantenimiento sistemáticos, los periodos de inspección y sustitución de elementos pueden penalizar al usuario que implante tales sistemas. En el Reino Unido se realizó recientemente un estudio en el que se analizaron sistemas de calderas automatizados, y se encontraron los siguientes problemas comunes que deben ser controlados introduciendo mejoras de diseño en el proyecto del sistema de calderas:
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a. Válvulas de seguridad: Aunque hay disponibles datos genéricos en los que se da información sobre las probabilidades de fallo aparente de las válvulas de seguridad y las válvulas de alivio de presión, debido a la predominancia de fallos sistemáticos de tales válvulas, es aún necesario obtener más datos de válvulas de seguridad usadas bajo regímenes estrictos de mantenimiento. Si esto no se hace, los usuarios que sigan tales regímenes de mantenimiento pueden ser penalizados por el uso de datos de probabilidad de fallo elevados y no reales. Los datos de probabilidad de fallo incluirán probabilidades para caudales y presiones elevados apropiados a las presiones de rotura y no solamente a las presiones de tarado ± 10 %.
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b. Componentes específicos: Se encuentran dificultades para obtener datos de probabilidad de fallo para numerosos componentes por lo que deben hacerse asunciones. Para aplicar los aspectos de fiabilidad de EN 61508, es necesario que tales datos estén disponibles.
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c. Sensores: Es común para varios tipos de sensores e interruptores de presión de una caldera que se conecten a la carcasa por medio de una simple tubería de pequeño diámetro. Esto origina que los sistemas de protección y control de la presión queden susceptibles a fallos comunes previsibles que puedan originar una demanda en las válvulas de seguridad.
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d. Un análisis cuantificado permite determinar la dependencia del riesgo total en la probabilidad de fallo de los componentes individuales y la arquitectura del sistema a su alrededor. Aplicando variaciones en el análisis, es posible determinar los medios más efectivos en costes para disminuir el riesgo.
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e. Para llevar a cabo un análisis significativo de una instalación de calderas, se requiere un conocimiento detallado del sistema completo; sus modos (y secuencia) de operación, y las condiciones ambientales. Además, el análisis de la estructura de control completa de una instalación de caldera es compleja y a menudo es necesario realizar asunciones basadas en criterios de ingeniería.
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II) INSPECCIÓN Y REPARACIÓN DE PURGADORES DE VAPOR: En los sistemas de vapor que no se han mantenido en 3-5 años, entre el 15% y el 30 % de los purgadores de vapor instalados pueden haber fallado – en ese caso el vapor escapa en el sistema de retorno del condensado. En sistemas con un programa de mantenimiento desarrollado regularmente, las pérdidas de los purgadores serán menos del 5 % del total de purgadores. Si el sistema de distribución de vapor incluye más de 500 purgadores, un análisis de los purgadores de vapor probablemente revelará pérdidas de vapor significativos. Los purgadores de vapor deben probarse si están funcionando apropiadamente y no están obturados o fallan en posición abierta y permiten que el vapor escape al sistema de retorno del condensado. Hay cuatro formas de probar los purgadores de vapor: temperatura, sonido, visual, y electrónico.
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III) AISLAMIENTO DE LA DISTRIBUCIÓN DE VAPOR Y LÍNEAS DE RETORNO DEL CONDENSADO: Las líneas de distribución de vapor y retorno del condensado no aisladas son una fuente constante de derroche de energía. El aislamiento puede típicamente reducir las pérdidas de energía en un 90% y ayudar a asegurar una presión de vapor apropiada en el equipo de planta. Cualquier superficie a temperatura superior a 48,8 ºC debe estar aislada, incluyendo las superficies de las calderas, tuberías de retorno del condensado y vapor, y accesorios. En la reparación del sistema de vapor el aislamiento frecuentemente se daña o se retira y nunca se reemplaza. El aislamiento dañado o mojado debe repararse o sustituido inmediatamente para evitar comprometer el valor del aislamiento. Deben eliminarse las fuentes de humedad antes de la sustitución del aislamiento. Las causas de un aislamiento húmedo incluyen válvulas con pérdidas, pérdidas en tuberías externas, pérdidas en tubos, o pérdidas en equipos adyacentes. Después de aislar las líneas de vapor, los cambios en el caudal de calor pueden influir en otras partes del sistema de vapor.
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IV ) ECONOMIZADORES DE AGUA DE ALIMENTACIÓN PARA RECUPERACIÓN DEL EXCEDENTE DE CALOR: El economizador de agua de alimentación reduce los requerimientos de combustible de la caldera transfiriendo calor desde el gas de los humos al agua de alimentación. Los gases de los humos de la caldera se rechazan a menudo a la chimenea a temperaturas que superan en más de 37,7ºC-65,55ºC la temperatura del vapor generado. Generalmente, la eficiencia de la caldera puede incrementarse en un 1% cada reducción de 4,44 ºC en la temperatura del gas de los humos. Recuperando el calor excedente, un economizador puede a menudo reducir los requerimientos de combustible entre un 5-10% y quedar amortizado en menos de 2 años.
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V) MEJORA DE LA EFICIENCIA EN LA COMBUSTIÓN DE LA CALDERA: La operación de la caldera con una cantidad mínima de exceso de aire minimizará la pérdida de calor en la chimenea y mejorará la eficiencia de la combustión. La eficiencia de la combustión es una medida de cómo efectivamente el contenido de calor del combustible se transfiere a calor utilizable. La temperatura en la chimenea y las concentraciones de oxígeno (o dióxido de carbono) son los principales indicadores de la eficiencia de la combustión. Dada una mezcla completa, se requiere una cantidad precisa o estequiométrica de aire para reaccionar completamente con una cantidad dada de combustible. En la práctica, las condiciones de la combustión nunca son ideales, y debe suministrarse una cantidad de aire adicional para quemar completamente el combustible. La cantidad correcta de exceso de aire se determina analizando el oxígeno del gas de los humos o las concentraciones de dióxido de carbono. Una cantidad de aire excedente inadecuada origina en combustibles no quemados (combustible, hollín, humo, y monóxido de carbono) mientras que demasiado origina una pérdida de calor debida al caudal de gas de humos incrementado – disminuyendo de esta forma la eficiencia total de la caldera de humo a vapor. En un sistema de gas natural bien diseñado, es alcanzable un nivel de aire del 10 %. A menudo se asume que la eficiencia de la caldera puede incrementarse un 1% cada 15% de reducción del exceso de aire o reducción de 3,44 ºC en la temperatura del gas de la chimenea.
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VI) LIMPIEZA DE LAS SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE LA CALDERA: Incluso en pequeñas calderas, la prevención de formación de depósitos puede producir un ahorro sustancial de energía. Los depósitos ocurren cuando el calcio, magnesio, y silicatos, comúnmente encontrados en la mayor parte de los suministros de agua, reaccionan para formar una capa de material en el lado del agua de los tubos de intercambio de calor de la caldera. Los depósitos originan problemas porque típicamente poseen una conductividad térmica un orden de magnitud menor que el valor correspondiente para el acero desnudo. Incluso las capas de depósitos sirven como un aislamiento efectivo y retardan la transferencia de calor. El resultado es el sobrecalentamiento del metal del tubo de la caldera, fallos en los tubos, y pérdida de eficiencia energética. El exceso de consumo de combustible debido a los depósitos de la caldera puede ser del 2% para calderas acuotubulares y hasta del 5% en calderas pirotubulares.
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VII) RETORNO DEL CONDENSADO A LA CALDERA: Cuando el vapor transfiere su calor en un proceso de fabricación, en los intercambiadores de calor, o serpentín de calentamiento, se vuelve a una fase líquida llamada condensado. Un método atractivo de mejorar la eficiencia de energía de la planta es incrementar el retorno de condensado a la caldera. Retornando condensado caliente a la caldera encontramos los siguientes beneficios: Cuando más condensado retorna, se requiere menos aporte de agua, se ahorra combustible, agua, productos químicos, y coste de tratamiento. Menos condensado descargado al sistema de alcantarillado reduce los costes de eliminación o depuración. El retorno de condensado de alta pureza también reduce las pérdidas de energía debidas a la purga de la caldera. Tienen lugar ahorros de costes significativos cuanto más condensado retorna a alta temperaturas (54,44 ºC a 107,22 ºC), reduciendo la cantidad de agua fría de aporte (10 a 15,55 ºC) que debe ser calentada. Un cálculo simple indica que la energía en el condensado puede ser más del 10 % del contenido de energía del vapor total de un sistema típico. 
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VIII) MINIMIZAR LA PURGA DE LA CALDERA: La minimización del nivel de purga puede sustancialmente reducir las pérdidas de energía, ya que la temperatura del líquido de purga es la misma que la del vapor generado en la caldera. Minimizando la purga también puede reducirse el agua de purgado y los costes de tratamiento químico. Ya que el agua se evapora en el colector de vapor de la caldera, los sólidos presentes en el agua de alimentación se quedan atrás. Los sólidos suspendidos forman lodo o sedimentos en la caldera, que degrada la transferencia de vapor. Los sólidos disueltos promueven la formación de espumas y la transformación del agua sobrante en vapor. Para reducir los niveles de sólidos suspendidos y disueltos totales a unos límites aceptables, el agua se descarga o purga periódicamente de la caldera. La purga del fondo o lodos es usualmente un procedimiento manual hecho en unos pocos segundos en intervalos de varias horas. Está diseñado para quitar sólidos suspendidos que se asientan el agua de la caldera y forman un lodo pesado. La purga de superficie o espuma está diseñada para quitar los sólidos que se concentran cerca de la superficie del líquido. La purga de superficie es a menudo un proceso continuo. Un purgado insuficiente puede llevar a un excedente de agua de la caldera en el vapor, o la formación de depósitos. Una purga excesiva derrochará energía, agua, y productos químicos. El nivel de purgado óptimo está determinado por varios factores incluyendo el tipo de caldera, presión de operación, tratamiento de agua, y agua de calidad o aporte. Los niveles de purgado van de 4% a 8% del nivel de caudal del agua de alimentación de la caldera, pero puede ser tan alto como el 10% cuando el agua de la caldera tiene un alto contenido de sólidos.
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IX) RECUPERACIÓN DE CALOR DEL PURGADO DE LA CALDERA: Puede recuperarse calor del purgado de la caldera usando un intercambiador de calor para precalentar el agua de aporte de la caldera. Cualquier caldera con purgado continuo excediendo un 5% la tasa de vapor es un buen candidato para la introducción de recuperación de calor de residuos de purgado. El mayor ahorro de energía ocurre con las calderas de alta presión.
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X) USO DE RECOMPRESIÓN DE VAPOR PARA RECOBRAR VAPOR DE RESIDUOS DE BAJA PRESIÓN: El vapor a baja presión descargado de operaciones industriales tales como evaporadores o hervidores usualmente se ventean a la atmósfera o son condensados en las torres de refrigeración. Simultáneamente, otras operaciones de planta pueden requerir vapor de presión intermedia a 20-50 psig. En vez de bajar el vapor de alta presión a través de un estrangulador para cumplir estas necesidades, el vapor a baja presión puede comprimirse mecánicamente o soprepresionado a una presión mayor de forma que pueda ser reutilizado. La recompresión del vapor depende de un compresor mecánico o eyector de chorro de vapor para incrementar la temperatura del calor latente en el vapor para volverla utilizable para las necesidades del proceso. La recompresión típicamente requiere solamente un 5-10 % de la energía requerida para elevar una cantidad equivalente de vapor en la caldera.
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XI) CONDENSADO DE ALTA PRESIÓN DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA PARA REGENERAR VAPOR DE BAJA PRESIÓN. Los requerimientos de vapor de procesos de baja presión se consiguen usualmente regulando vapor de alta presión, pero una parte de los requerimientos del proceso pueden alcanzarse a bajo coste mediante la vaporización instantánea de condensado de alta presión. La vaporización instantánea es particularmente atractiva cuando no es económicamente factible hacer volver el condensado de alta presión a la caldera. En la siguiente tabla, la cantidad de vapor obtenida por libra de condensado vaporizado se muestra como una función de las presiones tanto del condensado como del vapor.
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XII) USO DEL CONDENSADOR DE VENTEO PARA RECOBRAR ENERGÍA DEL VAPOR DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA. Cuando se reduce la presión de condensado saturado, una parte del líquido se vaporiza instantáneamente a vapor a baja presión. Dependiendo de la presión implicada, el vapor vaporizado contiene aproximadamente entre un 10 y un 40 % del contenido de energía del condensado original. En la mayor parte de los casos, incluyendo depósitos de condensado y desaireadores el vapor vaporizado es venteado y se pierde el contenido de energía. Sin embargo, pueden colocarse un intercambiador de calor en el venteo para recuperar esta energía. La siguiente tabla indica el contenido de energía del vapor vaporizado a presión atmosférica.
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XIII) USO DE VAPOR DE RESIDUO DE BAJO GRADO EN ENFRIADORES DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA. Los refrigeradores de absorción usan calor, en vez de energía mecánica, para proporcionar refrigeración. El compresor de vapor mecánico es reemplazado por un compresor térmico que consiste en un absorbedor, un generador, una bomba, y un dispositivo de regulación. El vapor refrigerante del evaporador es absorbido por una mezcla de solución en el absorbedor. Esta solución es bombeada al generador donde el refrigerante se revaporiza usando como fuente de calor vapor de residuos. La solución agotada de refrigerante retorna posteriormente absorbedor vía un dispositivo de estrangulamiento. Las dos mezclas más comunes de refrigerante/absorbente usados en los refrigeradores de absorción son bromuro de litio/agua y amoniaco/agua.
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XIV) REFERENCIAR EL COSTE DE COMBUSTIBLE DE GENERACIÓN DE VAPOR: Referenciar el coste de combustible de generación de vapor (€/1000 kg de vapor) es una forma efectiva de valorar la eficiencia del sistema de vapor. Este coste es dependiente del tipo de combustible, coste del combustible de la unidad, eficiencia de la caldera, temperatura del agua de alimentación, y presión de vapor. Este cálculo proporciona una buena primera aproximación del coste de generación del vapor y sirve para controlar el rendimiento de la caldera. La siguiente tabla muestra la entrada de calor requerida para producir una libra de vapor saturado a diferentes presiones de operación y temperaturas del agua de alimentación variables.
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XV) MINIMIZAR PÉRDIDAS POR CICLOS CORTOS DE LA CALDERA: El “ciclo corto” de la caldera ocurre cuando una caldera sobredimensionada satisface rápidamente la demanda de calentamiento del proceso o espacio, y luego se para hasta que se requiere nuevamente. Las demandas del calentamiento del proceso pueden cambiar en el tiempo. Las calderas pueden estar sobredimensionadas por adiciones o expansiones que nunca ocurren. Instalando medidas de conservación de energía y recuperación de calor puede reducirse la demanda de calor. Como resultado, una planta industrial puede tener múltiples calderas, cada una prevista para varias veces la máxima carga esperada. Las calderas usadas para cargas de calentamiento del espacio están a menudo sobredimensionadas, con su capacidad elegida para cumplir las pérdidas de calor totales del edificio más el calentamiento de ventilación y aire de infiltración bajo condiciones de temperatura extremas o sobre la base del diseño. No debe tenerse en cuenta la contribución térmica de la iluminación, equipos o personas. El excedente de capacidad también se añade para llevar rápidamente la planta a la posición requerida después de la parada nocturna.
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