15 abril 2010

La optimización de estaciones de bombeo consigue ahorrar un 20-60 % de energía

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Si bien en muchos artículos hablamos de las bombas, hace tiempo que teníamos idea de tratar con cierta profundidad la eficiencia energética de las instalaciones de bombeo. El motivo es que se trata de instalaciones intensivas en consumo de energía, hasta el punto que en la vida útil de operación llegan a consumir en energía hasta 100 veces el coste del valor del sistema de bombeo. Especialmente donde las bombas no obtienen energía directamente de la red, hemos visto consumos realmente desorbitados que pueden resolverse con facilidad aplicando dos combinaciones de medidas: a) generación distribuida de bajo caudal (ver por ejemplo, "Cómo diseñar sistemas de bombeo solar") y b) optimización mediante técnicas de automatización.
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INTRODUCCIÓN A LA EFICIENCIA DEL PROCESO DE BOMBEO

Atendiendo a lo que nos indicó El Mister el otro día, es bueno empezar diciendo que la optimización de un sistema de bombeo puede conseguir ahorros que van del 20 al 60 % de la energía consumida. Los ahorros que pueden conseguirse son especialmente importantes en las bombas centrífugas ya que consumen entre el 25 y el 60 % del consumo eléctricos de los motores en muchos tipos de industrias.

La optimización de los procesos requiere una comprensión detallada de la configuración y parámetros que definen el proceso. En el caso de las estaciones de bombeo ocurre algo parecido, por lo que para aprender a optimizar los procesos de bombeo lo primero que debemos comprender es el proceso en sí mismo.

Como siempre, los mayores beneficios los obtendremos al reacondicionar los viejos sistemas de bombeo. El mayor problema de eficiencia energética en las bombas proviene de la diferencia en la eficiencia de los motores. Los viejos motores tienen una eficiencia cuyo rango va del 60 % al 80 %. La eficiencia de las viejas bombas va del 61 5 al 70 %. En algunas aplicaciones, como en la agricultura, las pérdidas de transmisión de energía pueden también ser significativas (alrededor del 10 %).

¿Es rentable cambiar simplemente todo el sistema de bombeo?

La mayoría de los usuarios se dejan aconsejar simplemente por los proveedores sobre la conveniencia de sustituir equipos para mejorar la eficiencia energética, y eso es un claro error. En el caso de las bombas, por ejemplo, un estudio llevado a cabo por el U.S. Dept. of Energy ("Strategies for Optimizing Pump Efficiency and LLC Performance") demostró que reemplazar viejos motores y bombas por otros nuevos no originaban ahorros de energía apreciables (1%-2% para bombas y 2-3% para motores.

El ahorro cambiando el modo de operación de las bombas

Es mucho más productivo y rentable cambiar el modo de operación de las estaciones de bombeo. En este caso el ahorro obtenido es el siguiente:
  • Hasta el 20 % estabilizando caudales con sistemas antiariete hidráulico.
  • Hasta el 30 % acoplando cargas variables con bombas de velocidades múltiples en vez de constantes.
  • Hasta el 60 % sustituyendo válvulas de control por bombas de velocidad variable.
Si nos centramos en el último supuesto, podemos ahorrar el 60 % de la energía eliminando válvulas de control e introduciendo en el bombeo solamente la energía que en cada momento se necesita para transportar el fluido, pero no más. La eliminación de este tipo de derroche energético, a la vez que garantiza un acoplamiento más exacto entre el suministro y la demanda, disminuye los costes de operación y a la vez reduce el mantenimiento. La optimización de las estaciones de bombeo - incluyendo arranques y paradas automáticas - también elimina errores humanos e incrementa la seguridad de la operación.

Una bomba es un dispositivo de transporte de líquidos que debe desarrollar bastante presión como para superar la presión hidrostática y la resistencia a la fricción del proceso que transmite el fluido requerido. Estos componentes de resistencia son de características únicas del proceso servido. Las pérdidas de fricción están relacionadas con el cuadrado del caudal, y representa la resistencia al caudal causado por la fricción en tuberías y equipos.

En el pasado, las bombas de control se usaban para controlar el caudal, porque la mayoría de los motores eléctricos AC eran dispositivos de velocidad constantes. Actualmente la tecnología de variadores de velocidad ajustables con anchura de pulso usando control del flujo, sensores y velocidad ajustable son aplicaciones comunes.

Ahorro potencial

La cantidad de energía que puede conseguirse al cambiar a bombas de velocidad variable es una función de la forma del sistema. Todas las curvas de la altura manométrica del sistema son parábolas, pero difieren entre sí, como una función del ratio de la presión estática a la caída de fricción del proceso servido. La curva del sistema es plana en la mayoría de la energía de bombeo necesaria para superar elevación o contrapresión, minetras que es pronunciada en la mayoría de la energía de bombeo usada para superar la fricción. Por lo tanto, en la mayoría de los sistemas de fricción el ahorro es mayor.

Cavitación

Cuando se optimizan las estaciones de bombeo debe prestarse también atención a la cavitación. La cavitación se produce cuando el líquido bombeado vaporiza en el interior de la bomba cuando la presión en el lado de succión cae por debajo de la presión de vapor del líquido bombeado. Ésta vaporización puede ocurrir debido a la elevación en la presión de vapor debido a un incremento de la temperatura, o debido a la caída en la presión de succión, causada por la fricción incrementada en la tubería. En cualquier caso, cuando el vapor está presente, el impulsor arrastra el líquido y vapor hacia el exterior, las burbujas de vapor colapsan cuando la presión se eleva por encima de la presión de vapor. Este colapso resulta en erosión. La erosión ocurre más probablemente en el impulsor, ya que las burbujas chocan con una superficie sólida, y liberan su energía condensándose por implosiones.

La cavitación se elimina o minimiza eliminando restricciones en la succión de la bomba. Si la bomba cavita en altos caudales, una segunda bomba arrancará a un caudal menor. Si la cavitación ocurre en bajos caudales, puede apagarse la bomba. Una opción extrema es inyectar un gas comprimible en el impulsor. Esto reduce la eficiencia de la bomba y la capacidad, pero puede eliminar la cavitación.

Bibliografía: Pumping Station Optimization. ControlGlobal March 2010
Ver también en TODOPRODUCTIVIDAD
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Palabras clave: Surge vessel, pulse-width modulated (PWM) adjustable-speed drives
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