Sistemas de Vapor Industrial Eficientes: Área de Oportunidad para la Industrial

Alberto Plauchú Lima, Jorge A. Plauchú Alcántara
InTech México Automatización,
Edición Abril  – Julio 2007

RESUMEN

No es aventurado decir que pocas tecnologías como la generación de vapor segura y confiable, han contribuido al progreso del género humano y como motor de la revolución industrial del siglo XVII. Los avances subsecuentes en este campo no hubieran sido posibles sin ésta, la importancia del tema merece dedicarle varios artículos, éste es el primero de ellos.

Este artículo intenta interesar en este campo a usuarios del vapor y a profesionales de la instrumentación en el uso óptimo de la energía en los sistemas de vapor, un área con grandes carencias en aplicación adecuada de elementos de medición, sistemas de control y equipamiento eficiente, y muy atractiva para el ejercicio profesional.

El conocimiento firme de los procesos de transformación de energía y las necesidades y características del usuario es esencial, antes de tomar decisiones para eficientar y modernizar un sistema de vapor; la instrumentación facilita el cumplimiento a esta regla:

“Planear antes de medir, medir antes de diagnosticar, verificar después de medir”

EL VAPOR

Casi todo lo que se requiere saber acerca del vapor se conoce hace más de 200 años y está sintetizado en las “tablas de vapor”. Desafortunadamente se le ha dado un uso inadecuado y actualmente hay gran preocupación por conseguir un incremento de 1 ó 2% en la generación de vapor cuando en muchos sistemas de distribución se consume de 1.5 a 2 veces más del necesario.

IMPORTANCIA ENERGÉTICA DE LOS SISTEMAS DE VAPOR

El vapor ha encontrado en todo el mundo un extenso uso en servicios generales, comerciales, institucionales, industriales y en el servicio público de energía eléctrica, energéticamente es importante por su intensidad de consumo, el número de instalaciones existentes y por su variedad de usos finales.

Del consumo energético en la industria y los servicios en México el 19% fue en la generación de vapor, en el servicio eléctrico, pública y privada el consumo de energéticos es 72% en combustibles fósiles, básicamente combustóleo, gas natural y carbón y el 21 .0% de la capacidad de generación instalada incluyendo equipos de reserva, está en equipo auxiliar de grandes calderas siempre en disponibilidad de los operadores. El consumo anual en auxiliares de calderas de CTE a vapor incluyendo unidades de ciclo combinado es superior a 2,200 GWH.* En unidades pequeñas este consumo es de 5% del insumo energético total del sistema de vapor con impacto económico alto por el diferencial en costo de energía equivalente de energéticos primarios y eléctricos.

El potencial de ahorro del equipo motriz instalado en plantas de vapor es mayor si consideramos que su mejora energética induce reducción de las demandas en otros equipos del ciclo o proceso de planta además de incidir en el consumo y que ese mejoramiento se logra frecuentemente a través de sistemas de control basados en medición confiable y aplicaciones adecuadas a los sistemas de vapor.

DIFERENTES CATEGORÍAS-DE USUARIOS (1)

El parque de calderas en México se estima en más de 35,000 unidades que alimentan las CTE’s o procesos en servicios privados y públicos, desde pequeñas unidades hasta capacidades de evaporación equivalentes a 40,000 ‘r0N en la industria ya sea para uso directo ó en esquemas de cogeneración, autogeneración eléctrica y

Hasta de 350,000 ‘r0N en la industria eléctrica de servicio público. Estos datos y la variedad de usos finales y transformaciones de la energía son un atractivo campo de oportunidades para la aplicación de equipamientos de alta eficiencia en:

  • El proceso de combustión
  • Transporte de materiales
  • El intercambio de calor
  • Acondicionamiento de ambiente
  • Manejo de fluidos
  • Iluminación
  • Sistemas de control y supervisión

GRANDES ÁREAS DE OPORTUNIDAD

Cada una de estas áreas ofrece en un sistema de vapor un potencial importante de ahorro en función de la secuencia de procesos de transformación de energía considerando el orden en que se transforma y fluye:

  • La generación de vapor
  • El uso del vapor
  • La distribución de vapor
  • La recuperación de calor de desecho

La instrumentación es fundamental para convertir en realidad los potenciales de ahorro en cada una de estas grandes áreas trátese de reposición, modificación, sustitución o incorporación de medición; control u otros equipamientos.

EQUILIBRIO DE MASA Y ENERGÍA

Una condición estable y eficiente en operación exige como tarea principal del sistema de control el balance de energías de entrada y salida. El régimen de combustión es función de una transferencia energética que conserve las condiciones del vapor en cualquier valor de la generación.

EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

La distribución de vapor constituye el sistema circulatorio de la mayoría de las industrias productivas de alta intensidad energética y actualmente se cuenta con herramientas y tecnologías para mejorar la eficiencia energética que, aplicadas con buen criterio de selección y rentabilidad económica significan ahorros reales hasta del 10% del consumo de combustible. El Proyecto ” Eficiencia Energética en Sistemas Industriales de Generación y Distribución de Vapor” de la CONAE desarrollado entre 1997 y 98 mostró potenciales interesantes de ahorro en cinco giros de actividad industrial con alto consumo de vapor, sobresale la recomendación de implementar instrumentación para control y administración de insumos y  efluentes energéticos.

NECESIDAD DEL CONTROL (2)

El control de calderas ha tenido una evolución impresionante con la presencia de la electrónica y los sistemas distribuidos digitales pero los objetivos del sistema de medición y control automático siguen siendo los mismos, independientemente de la capacidad de la unidad. Hay condiciones definidas en cada carga para los cinco fluidos del sistema que se mantendrán si se desea:

  • Mejor aprovechamiento de la energía del combustible
  • Mínimos costos de operación
  • Máxima seguridad
  • Mayor vida útil de la unidad
  • Generar información confiable para cálculos de costos de producción y administración económica de la energía
  • Utilización eficiente del personal

Esto requiere control preciso de esas condiciones y que las correcciones necesarias se efectúen en el tiempo mínimo posible, especialmente en generadores de vapor modernos con relación agua almacenada / evaporación baja. El desarrollo tecnológico industrial ha requerido mayores capacidades de evaporación, configuraciones complejas del equipo y sistemas auxiliares, condiciones de operación más severas y el empleo de materiales capaces de soportar éstas. La investigación ha hecho posibles diseños de alta capacidad para presiones y temperaturas elevadas y éstos han exigido la necesidad absoluta de la instrumentación en su actual desarrollo, indispensable para un control adecuado de procesos y operación económica de la planta industrial.

La presión de vapor en el domo o en la salida del sobre calentador es un indicador del equilibrio de energía en el sistema y la línea de nivel el de balance de masa.

Si la temperatura de vapor es requisito de calidad se establecen patrones de transferencia de calor al sistema de vapor saturado para mantenerla en el valor requerido.

¿Cómo Afecta Energéticamente el Control al Sistema de Vapor?

La correcta aplicación del concepto AHORRO DE ENERGíA condiciona la reducción de indicadores energéticos y mantener ó mejorar, la producción o la calidad del servicio prestado. En un sistema de vapor esto significa que una caldera debe entregar vapor, dentro de sus capacidades, en la cantidad, calidad y oportunidad requeridas por el usuario final, en forma continua y con operación

económica y segura. La inversión para cumplir este objetivo y las características de equipamiento necesario deben contemplar: capacidad, tipo de carga, desviaciones permisibles por el usuario en la calidad del vapor, la capacitación del personal de operación y el estudio económico para el diseño particular del proyecto.

RESPUESTA DE SISTEMA DEL CONTROL DE COMBUSTIÓN

En muchas plantas el control existente, no tiene la habilidad necesaria para manejar el perfil de demanda con ajuste preciso, la mejora del sistema requiere considerar:

  • El equipamiento existente, sus posibilidades para operar y administrar.
  • El estado que guardan los componentes, incluyendo ajustes de mecanismos.
  • La congruencia entre diferentes sistemas instalados.
  • La existencia de un control maestro donde hay unidades interconectadas.
  • Las capacidades y condición

La interacción de los sistemas de auxiliares comunes a varias unidades. Modos de operación: continuo, intermitente, variable, combustible alterno, etc.

IMPORTANCIA ENERGÉTICA DEL CONTROL

Prácticamente todos los generadores de vapor cuyo comportamiento energético se analice tendrán algún equipamiento en sistemas de medición, control y protección,la medida en que su desempeño sea confiable, preciso y oportuno, determinará el aprovechamiento energético durante el tiempo en servicio del equipo de generación. En un estudio energético sobre el equipo de control, las recomendaciones resultantes son de capital importancia en potencial de ahorro energético.

ADMINISTRACIÓN DE DEMANDA DE VAPOR

ÁREA DE OPORTUNIDAD PARA LA INSTRUMENTACIÓN

Poca importancia se ha concedido en sistemas de vapor a la buena administración y utilización eficiente y económica de la capacidad de generación instalada y que resulta en: desplazamiento de inversiones, prevención operativa en condiciones transitorias, ordenamiento de usos independientes del vapor, satisfacción de necesidades energéticas con mínimos en capacidad y parámetros de operación e indicadores energéticos y de inversión más bajos. El potencial de ahorro de esta área de oportunidad es alto, solo se ha evaluado parcialmente y en un gran número de instalaciones la instrumentación y su buena aplicación pueden hacerlo realidad.

Es deseable operar cada unidad en la capacidad que corresponda a su mejor rendimiento de planta en función de la demanda. Por diferentes razones, pocas plantas operan con este criterio. Es práctica general “repartir” la carga por igual independientemente de su respuesta natural, capacidad, condición, tipo, eficiencia, edad en servicio, etc. y se opera a régimen y comportamiento bajos

LA MEDICIÓN CONFIABLE (3)

Solo cuando las expectativas de un proyecto de mejoramiento energético se han comprobado satisfactoriamente podrá afirmarse que su desempeño tuvo buen éxito. El protocolo y formalidad que se aplique en todas las etapas de desarrollo de un proyecto es determinante en la credibilidad de los resultados obtenidos, la Información debe conservarse como referencia para otras etapas de optimización en el uso de la energía.

En otros países para proyectos de mejoramiento energético, es obligatorio el proceso formal de medición y verificación (M&V), importantes empresas transnacionales lo requieren como parte de nuevos proyectos de ahorro de energía y tendrá cada vez mayor presencia en México pues contribuye a:

  • Comprobar de manera confiable y precisa los ahorros de energía obtenidos de la aplicación de una MAE ( o ECM por sus siglas en inglés)
  • Verificar el cumplimiento de garantías ofrecidas
  • Unificar criterios
  • Comprobar el desempeño del equipo o proyecto implantado
  • Reducir la incertidumbre a niveles razonables
  • Hacer ajustes o modificaciones futuras, si ello se requiere
  • Mejorar la operación y mantenimiento
  • Identificar posibles ahorros adicionales

El proceso M&V de resultados en un proyecto requiere de una planeación adecuada, es más sólido medir antes de diagnosticar pero más recomendable planear antes de medir.

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