EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CALDERAS

EFICIENCIA ENERGÉTICA

EN CALDERAS

Instalaciones Industriales

SEMANA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

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1. Objetivo2. Alcance3. Definiciones4. Introducción5. Generalidades6. Evaluación Energética7. Diagnóstico Energético8. Recomendaciones9. Bibliografía

Tema


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1. Objetivo

• Propiciar en los participantes el desarrollo y la aplicación de conocimientospara detectar potenciales de ahorro a través de las evaluaciones energéticas enlas calderas de vapor.

2 . Alcance• Mostrar al personal técnico para el desarrollo de diagnósticos energéticos en

calderas de vapor.

• Soportar el desarrollo de proyectos de ahorro de energía en estos equipos.

• Cuantificar los beneficios energéticos, económicos y ambientales derivados delos proyectos.


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3 . DefinicionesBanco generador:El banco generador es un haz de tubos vertical soportado ensu parte superior por el domo de agua.El banco generador se localiza después del sobrecalentador. Tanto el hogar como el banco generador tienen la característica de estar integrados por tubos en los que circulan una mezcla de líquido y vapor, por lo que en estas secciones de la caldera se genera únicamente vapor saturado, el que se alimenta al domo superior.

Chimenea:La chimenea se emplea para el tiro natural requerido para descargar los gases de combustión de la caldera a la atmósfera y también para cumplir con la reglamentación ambiental.


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Deaereador:Es un equipo en el cual se mezclan diferentes corrientes deagua y cumple con diferentes funciones como laeliminación de los gases disueltos en el agua(principalmente el O2), precalentamiento del agua dealimentación a la caldera (condensados y agua dereposición), condensación del vapor que ya no se empleaen planta.

Desobrecalentador o atemperador:

Son empleados en calderas en donde el consumo de vapor saturado es bajo con relación a la demanda de vapor sobrecalentado. Generalmente no están integrados al equipo de generación de vapor. El desobrecalentador se localiza a la descarga del cabezal de salida del sobrecalentador o en algún paso intermedio.

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Domo o Casco:Es en donde se llevaba acabo la separación del vapor del liquido.

Eficiencia de la caldera:Es la relación entre la energía aprovechada en el aguaen la caldera entre la energía suministrada a la calderacomo combustible y otros.


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Hogar o Caja de fuego:Es la zona donde se lleva a cabo la combustión; puede ser de paredes de agua o solamente con cubierta de acero y refractario. Los gases que abandonan el hogar continúan su trayectoria a través de los pasos o retornos hasta alcanzar la chimenea.

Inquemados: Parte del combustible que no sufrió el proceso de combustión.

Instrumentación:La instrumentación en una caldera está integrada por diferentes equipos, para mantener el control de esta, como son: termómetros, manómetros, medidos de flujo de agua, vapor, combustible, entre otros.


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Mamparas:• Son deflectores que sirven para incrementar la circulación

de los gases

• Quemadores:Los quemadores son los equipos en donde se lleva a cabo el proceso de combustión. Existen quemadores específicos para el tipo de combustible a utilizar, así como los que pueden emplearse para quemar combustible líquido o gaseoso.

• Recalentador:También es un intercambiador de calor que tienen por objeto recalentar el vapor que ya ha sido expandido parcialmente en una turbina. La finalidad de recalentamiento es disminuir la erosión en los álabes de las turbinas ocasionada por la humedad del vapor. Estos equipos constan de un haz de tubos en serie y paralelo por cuyo interior pasa el vapor. El recalentador de vapor puede ser de radiación y de convección dependiendo de su colocación en la caldera.


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• Refractario:Material que retiene la energía de los gases decombustión, en el hogar de la caldera.

• Registros:Pueden ser manuales o de dimensionamientos mayores; son empleados para dar servicio a las zonas en contacto con el agua.


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• Sistema de tiro:Su función es proporcionar aire suficiente para una combustión completa, los generadores de vapor operan con tiro natural, tiro inducido, tiro forzado o combinaciones de los tres. Aire primario, aire que se introduce junto al combustible antes de los quemadores.Aire secundario, aire que es suministrado al hogarpara complementar al aire primario y facilitar lacombustión.


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Sobrecalentador:El sobrecalentador es un dispositivo que tiene por objeto sobrecalentar el vapor en una caldera antes de ser utilizado. Está constituido por bancos de tubos lisos o aletados dependiendo de su posición en la caldera. Generalmente se colocan a la salida del hogar -sobrecalentadores de radiación- o bien entre el banco de convección, el sobrecalentamiento del vapor se lleva a cabo isobáricamente, siendo la presión igual a la de la caldera.

• Sopladores de hollín:Equipo para remover el depósito de partículas de carbón en el interior de una caldera para mantener una buena transmisión de calor. Para su remoción se puede utilizar vapor o agua caliente inyectándose adecuadamente con equipo de soplado. Los sopladores de hollín están constituidos por tubos que tienen una serie de boquillas donde se inyecta el aire o el vapor a presión.


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4. Introducción

• Los procesos industriales para la producción de bienes de consumo y la generación deservicios energéticos (generación de electricidad, vapor), requieren de considerablescantidades de energía, como son combustibles, electricidad y vapor, entre otros.

• Entre los equipos de calentamiento que usan combustible de corrientes de proceso,están las calderas, calentadores a fuego directo, calcinadores y secadores.

• Los motores de combustión interna son utilizados en el accionamiento de equipo motrizo acoplados a generadores de electricidad, entre los cuales se encuentran turbinas degas, motores Diésel.

• La electricidad se usa para el accionamiento de máquinas, motores eléctricos, iluminación.

• El vapor generado en las calderas se usa para el calentamiento indirecto, paracolumnas de destilación e intercambiadores de calor, así como accionamiento deturbinas de vapor, procesps de calentamiento, secado.


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• En 2016, el consumo de energía en México superó 18.5% a la producción de energíaprimaria*. Este comportamiento se ve reflejado por el doble efecto del aumento de7.2% del consumo y la caída de 6.6% de la producción respecto al año anterior.

• Gráfica. Evolución de la producción y el consumo nacional de energía.

• Energía primaría: carbón, petróleo crudo, condensados, gas natural, nucleoeléctrica y renovables.

Fuente: Balance Nacional de Energía 2016, Secretaría de Energía.


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• La independencia energética es un índice para medir el grado en que un país puedecubrir su consumo de energía derivado de su producción.

• 2016 es el segundo año consecutivo en que México muestra dependencia de lasimportaciones de energía para satisfacer su demanda energética.

• Gráfica. Evolución de la producción y el consumo nacional de energía.



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• La intensidad energética, es un indicador que mide la cantidad de energía requeridapara producir un peso del Producto Interno Bruto (PIB).

• Desde el año 2006 hasta el 2015, la tendencia del indicador ha disminuido.

Gráfica. Intensidad energética nacional (kJ/$ de PIB producido).



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• Producto Interno Bruto y el consumo nacional de energía.

Gráfica. Producto Interno Bruto vs. consumo nacional de energía.



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• En 2016 la producción nacional de energía primaria fue de 7,714 PJ, 6.6% menorrespecto al 2015.

Gráfica. Estructura de la producción de energía primaria, 2016.


Condensados

1.1%

Nuclear,

1.4%

Carbón, 3.3%

Renovables,

8.4%Gas natural,

23.1%

Petróleo,

62.6%


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• La producción bruta de energía secundaria obtenida de los centros de transformaciónse integró por 4,866 PJ, cifra 7.9% menor que la de 2015.

Gráfica. Producción bruta de energía secundaria (4,866. PJ).


Coquizadora

y hornos

0.9%

Elect ricidad

23.7%

Plantas de gas y

fraccionadoras

33.9%

Refinerías y

despuntadoras

41.5%

Energía secundaria, petrolíferos, gas seco, electricidad, coque de petróleo, coque de carbón y otros.


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• Durante 2016, el consumo nacional de energía aumentó 7.2% respecto al año anterior, alfinalizar con 9,140 PJ. La energía se envía a distintas actividades o procesos para suutilización, clasificadas en: sector energético y consumo final total.

Tabla. Distribución del consumo nacional de energía 2016.



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• En México, desde el año 2000 al 2014, el consumo de energía en los sectores industrial,transporte y de servicios comerciales, se ha incrementado; sin embargo, el efecto de la eficienciaenergética muestra una disminución del consumo de energía.

Gráfica. Efecto de la eficiencia energética en el consumo de energía en industria, transporte y servicios de México.


Consumo de energía

(Transport e +

Indust ria

+ Servicios)

Efect o de la

Ef iciencia

Energét ica


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• El vapor de agua es uno de los medios de trasmisión de calor de mayor efectividad, ysu fácil generación y manejo lo han situado como uno de los servicios auxiliares másdifundidos en la industria.

• Los usos principales del vapor son:✓ Calentamiento de corrientes de proceso.✓ Fluido de proceso. ✓ Fuerza motriz de equipo rotatorio.✓ Limpieza y barrido.

5. Generalidades


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• Generadores de Vapor• Definición

• Es la serie de dispositivos que aprovechando la energía de un combustible producen vapor.

• Este vapor posteriormente es utilizado como aportación de calor en los procesos o para el movimiento de máquinas.


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• Clasificación

• Disposición de los fluidos• Transmisión de calor dominante• Combustible empleado• Presión de trabajo• Tiro• Lugar de montaje


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Clasificación por Disposición de Fluidos1. Pirotubulares

• Los gases producto de la combustión circulan en el interior de los fluxes de la caldera.

• La presión de trabajo no excede los 20 kg/cm2, ya que presiones más altas obligarían a espesores de la envolvente demasiado grandes.

• La producción de vapor es del orden de 25 t/h

• Eficiencia de operación: 80 - 85 %


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Clasificación por Disposición de Fluidos2. Acuotubulares

• El agua circula por el interior de los fluxes de la caldera.

• La presión de trabajo puede alcanzar hasta los 150 kg/cm2.

• La producción de vapor es del orden de 25 hasta 1000 t/h.

• Eficiencia de operación: 85 - 90 %

Componentes

• Cámara de combustión• Precalentador de agua• Precalentador de aire• Quemadores• Sopladores de hollín• Fluxes o tuberías• Colector• Domo• Damper o mampara• Chimenea


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Variables Importantes

2VAPOR A PROCESO

4GASES DE

COMBUSTIÓN

1AGUA DE ALIMENTACIÓN

3COMBUSTIBLE

5 AIRE

|

6PURGAS

• Para determinar las condiciones actuales de la caldera, es necesario cuantificar lo siguiente:

✓Eficiencia actual de operación del generador de acuerdo al código The American Society of Mechanical Engineers (ASME)


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6. Evaluación

• Determinación de Eficiencia del Generador

1. Método indirecto (pérdidas)


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▪ Cuantifica el calor perdido (QP) en el generador para producir el vapor

Calor que entra ( QE )• Combustible• Agua de alimentación• Créditos• Aire de entrada• Q Sensible en el

combustible• Humedad en el aire• Vapor de atomización

Pérdidas (Qp)• Gases secos• CO• Radiación• H2

• Humedad del aire• Humedad del combustible• Incalculables

Eficiencia = 100% - Qp

• Determinación de Eficiencia del Generador

2. Método directo (entradas y salidas)


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▪ Cuantifica el calor utilizado para producir el vapor

Calor que entra ( QE )• Combustible• Agua de alimentación• Créditos• Aire de entrada• Sensible en el

combustible• Humedad en el aire• Vapor de atomización

Calor que sale• Vapor (aprovechado = Qa )• Purga• Pérdidas del generador

Eficiencia Método directo= Qa *100 (%)

QE

•Consta de las siguientes etapas:

✓Formación del grupo de trabajo✓Recopilación de información✓Mediciones✓Análisis de información✓Evaluación✓Dictamen energético

7. Diagnostico Energético


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Formación del Grupo de Trabajo


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GERENTE

Planeación y

AdministraciónFinanzasMantenimiento

Eléctrico

Producción

Civil Mecánico Ingeniería Evaluación Proceso Seguridad y Prot.

Amb.

Servicios

auxiliares

• En esta etapa es necesario recopilar los siguientes datos para condiciones de diseño y actuales de operación tales como:

Recopilación de Información

Condiciones térmicas:

▪ Presión

▪ Temperatura

▪ Composición de gases decombustión

▪ Condiciones climatológicas

Características del equipo:

▪ Tipo

▪ Capacidad

▪ Eficiencia de diseño

▪ Consumo de combustible, etc.


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Mediciones:

RETORNO DECONDENSADOS

TANQUE DECONDENSADOS

FOSA DEPURGAS

LÍNEA DEPURGAS

ALIMENTACIÓNCOMBUSTIBLE

QUEMADOR

CHIMENEA

CALDERA

VAPOR APROCESO

AGUATRATADA

TANQUE DECOMBUSTIBLE

AGUA DEAREADOR

AGUA DEALIMENTACIÓN

•Equipos de medición comúnmente empleados

•Equipo ultrasónico.

•Analizador de gases de combustión.

•Medidor digital de sólidos disueltos.

•Termómetro digital.

•Sondas de penetración y de superficie.

•Medidor de flujo ultrasónico.

Mediciones:

•En este punto se realiza una revisión de los datos obtenidos tanto en acervos técnicos como los datos de las condiciones actuales de operación para su validación por parte de las autoridades del centro de trabajo.

•Es importante remarcar que cualquier desviación en los datos recopilados, repercutirá en los resultados.

•Esta actividad es importante, ya que es la base para realizar las evaluaciones y los planteamientos de las diferentes alternativas que conlleven al uso eficiente tanto de los energéticos, como del agua utilizada.

Análisis de la Información

•Cálculo de la eficiencia de la caldera, basada en el código ASME.

Evaluación

Eficiencia Método directon es = Qa *100 (%)

QE

Eficiencia Método Indirecto (Pérdidas)

N p = 100% - Qp

Derivado de los análisis y evaluaciones realizadas en la caldera se procede a identificar los potenciales de ahorro y se clasifican en:

• Combustible• Agua• Beneficios ambientales

Se proponen las diferentes alternativas de acuerdo al monto de inversión:•Nula o baja• Mediana con su respectivo análisis económico preliminar• Mayor con su respectivo análisis económico preliminar

Finalmente se estructura un reporte ejecutivo

Dictamen Energético

• Efectuar mediciones de sólidos totales disueltos en el agua de alimentación a la caldera, para controlar la purga en la caldera.

• Optimizar la combustión en el generador de vapor mediante el ajuste del exceso de aire, realizando mediciones de los gases de combustión, de acuerdo al quemadorinstalado siguiendo las recomendaciones del fabricante.

• Establecer un programar de mantenimiento y reparación de fugas de vapor en el sistema de distribución, reparando los tramos de tubería en mal estado, cambiando empaques en válvulas y bridas.

• Reducir el venteo del deareador a menos del 0.1 % del flujo de agua o a menos del 0.5 % del flujo de vapor.

• Disminuir la presión en el cabezal de vapor si el sistema no tiene turbinas.

• Utilizar precalentadores de agua y aire para incrementar la eficiencia de operación de la caldera.

8. Recomendaciones

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• Ejecutar en tiempo y forma el programa de mantenimiento preventivo y correctivo para reparar y/o sustituir las trampas defectuosas, tener inventario actualizado de las trampas de vapor. En el programa preventivo se debe establecer periódicamente el diagnóstico de la trampa, con el equipo ultrasónico, toma de temperaturas, purgado de filtros y sedimentos, y observación de la trampa por medio de la válvula de prueba.

• Bloquear las líneas de vapor que no se utilizan.

• Alberto Plauchú LimaEficiencia en Sistemas de Generación y Distribución de VaporPrimera edición 2006

•The American Society of Mechanical Engineers (ASME)Power Test Code (Test Code for Steam Generating Units)

•Antonio ValienteProblemas de flujo de fluidosEditorial C.E.C.S.A.

•CraneFlujo de fluidos en tuberías y accesorios

• Manual de eficiencia energética térmica en la industriaCentro para el Ahorro y Desarrollo Energético Minero (CADEM)

• Warner L. Mc Cabe; Julian C. Smith; Peter HarriottOperaciones unitarias de ingeniería químicaEditorial Mc. Graw Hill

9. Bibliografía

Ing. Salvador Mendoza Camacho

[email protected]

55 3000 1000

www.gob.mx/conuee

Subdirector de Programas de Ahorro en el Sector de HidrocarburosAv. Revolución 1978 Col. Loreto. Alc. Álvaro Obregón CP. 01090, Ciudad de México

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