03 abril 2011

Algunas técnicas para optimizar los sistemas de vapor (1ª PARTE)



La optimización de los sistemas de vapor en la industria es una de las preocupaciones principales de gestores de plantas e ingenieros. Buena muestra de ello es que los artículos en los que hablamos de esa temática están entre los más visitados en TODOPRODUCTIVIDAD (ver todos nuestros artículos sobre sistemas de vapor aquí). Como en todos los problemas energéticos en los que el flujo de energía pasa por varios estados transitorios nos enfrentamos a problemas complejos,  en vapor eso supone dificultades en la toma de decisiones y en consecuencia aparecen pérdidas económicas relevantes en las instalaciones con grandes consumos.

Volvemos nuevamente a hablar de estrategias para optimizar los sistemas distribución de vapor centrándonos en esta ocasión en sistemas complejos como los que se producen en la industria del refino del petróleo u otras plantas de gran consumo. Hablaremos en particular de algunas técnicas simples para reducir los costes en los sistemas de distribución de vapor y retorno de condensado usando trampas de vapor y separadores.
El petróleo sube de precio de forma sostenida y las refinerías se enfrentan a unos márgenes más  estrechos y a la vez al reto de cumplir unas exigencias ambientales cada vez más estrictas. En Europa, el compromiso es reducir en 2020 las emisiones de CO2 en un 20 % respecto a los niveles de 1990.
Se estima que la generación de vapor supone aproximadamente un 50 % del consumo de energía total en una refinería típica, con costes energéticos que suponen más del 50 % de los gastos operacionales totales.
Según US Department of Energy la distribución de vapor y la cogeneración ofrecen en refinerías las mayores oportunidades de eficiencia energética en el corto plazo, con un ahorro energético potencial de más del 12 %. Según los estudios del  Department of Energy los ahorros típicos que pueden conseguirse son los siguientes:
·    Mejora del aislamiento:  El ahorro en combustible que puede conseguirse es de 3 – 13 % y el payback previsible es de 1,1.
·    Mantenimiento de trampas de vapor: El ahorro en combustible que puede conseguirse es de 10 – 15 % y el payback previsible es de 0,5.
·    Control automático de las trampas de vapor: El ahorro en combustible que puede conseguirse es de 5 % y el payback previsible es de 1.
·    Reparación de pérdidas:  El ahorro en combustible que puede conseguirse es del 3-5 % y el payback previsible es de 1. Otros beneficios que pueden obtenerse son los requerimientos reducidos de reparaciones mayores.
·    Retorno del condensado: El ahorro en combustible que puede conseguirse es del 10  % y el payback previsible es de 1,1.
Características del vapor
Cuando se añade energía al agua, la temperatura se eleva hasta que alcanza el punto de evaporación, que varía con la presión. La energía requerida para alcanzar el punto de evaporación es el calor sensible. Cualquier energía adicional convertirá el agua en vapor  a una temperatura constante. Al hacerlo, toda la energía se convierte en vapor, lo que se conoce como vapor seco saturado con una calidad del vapor (fracción seca) del 100 %. La energía añadida para alcanzar este punto es la entalpía de evaporación y es el vapor de energía que devuelve el vapor condensado al agua. Esta entalpía de evaporación es la que se usa en el refino del petróleo.
Si se añade más energía, la temperatura del agua se incrementará, creando el vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado se usa como parte de los sistemas de generación de energía o cogeneración.
Para propósitos de calentamiento, el vapor sobrecalentado ofrece muy poca energía extra y, en realidad, el vapor tiene que enfriarse a la temperatura saturada antes de que la entalpía de evaporación pueda liberarse.
Para que el proceso alcance la máxima eficiencia debemos conseguir lo siguiente:
·    Calidad: Fracción seca al 100 %.
·    Cantidades que permitan que el proceso cumpla la demanda.
·    Presión, que determina la temperatura del vapor saturado y volumen específico, afectando la transferencia térmica.
La calidad del vapor puede mejorarse asegurando buen aislamiento y que el condensado se elimine de forme efectiva usando trampas de vapor y separadores.
Desequilibrio del sistema de vapor
La cantidad de vapor requerida dependerá de los requerimientos de energía del proceso. El reparto efectivo dependerá del dimensionado correcto de la distribución de vapor  y de las válvulas que den servicio a la aplicación. Este puede ser el resultado cuando se actualiza un proceso o se añaden equipos adicionales, ya que se incrementa la carga de vapor más allá de las especificaciones originales. Como consecuencia de ello se incrementan las velocidades dentro del sistema de vapor, originándose unas pérdidas de presión más altas a través del sistema de distribución. Si la presión del vapor es más baja que la presión de diseño aceptable, el proceso queda de-clasificado, ya que el vapor está a una temperatura de saturación más baja, reduciéndose la tasa de transferencia de energía.
Aislamiento del sistema de vapor
Los equipos de vapor y auxiliares deben ser aislados de forma efectiva, especialmente válvulas, tamices y separadores, que tienen grandes áreas de superficie. Un buen sistema de aislamiento reduce las pérdidas hasta un 90 %.
Ejemplo
Un metro de tubería de vapor sin aislar de 100 mmm a 10 barg emite aproximadamente 1.0 kw,  lo cual es equivalente a derrochar casi 10 toneladas de vapor al año. Asumimos que no hay viento y que la tubería está seca.
Golpe de ariete
Cuando el vapor comienza a condensarse lo hace en forma de gotitas de agua en el interior de las paredes. Estas gotitas circulan con el flujo de vapor, fundiéndose en una película. El condensado cae luego por gravedad en el fondo de la tubería, donde el film comienza a incrementar su espesor.  La acumulación de gotitas de condensado en una tubería de vapor se mueve a una velocidad de 25 – 30 m/s y golpeará en las curvas, válvulas y separadores que se encuentre en su trayectoria.
Otro segundo problema es el denominado choque térmico. Ocurre en sistemas en dos fases (agua y vapor) en la misma tubería. Puede ocurrir en las tuberías de vapor, en las líneas de retorno de condensado y en los equipos de intercambio de calor. Las burbujas de vapor quedan atrapadas en los encharcamientos de condensado, los cuales se han enfriado suficientemente por debajo de la temperatura de condensado e inmediatamente colapsan.
Ya que un kilogramo de vapor ocupa varios cientos de veces el volumen de un kilogramo de agua, cuando el vapor se transforma en condensado se origina vacío. Cuando el vacío se llena, el agua impacta en el centro y se envían ondas de choque en todas direcciones.
El choque térmico ocurre donde los sistemas de retorno conteniendo vapor instantáneo descargan en las líneas de retorno de condensado subenfriado. Las fuerzas que se generan con el golpe de ariete pueden ser inmensas, pueden originarse daños o incluso roturas.
Ver 2ª PARTE
Bibliografía: Optimising steam systems: Part I. Petroleum Technology Quarterly Q2 2010
Palabras clave: Flash steam, water hammer
Publicar un comentario en la entrada