eBook Optimizacion Economica y Operativa de Sistemas de Vapor en La Industria

OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA Y OPERATIVA DE SISTEMAS DE VAPOR EN LA INDUSTRIA

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Optimización económica y operativa de sistemas de vapor en la industria

El sector industrial presenta un gran potencial de ahorro en la energía primaria consumida. Se podría decir que casi las tres cuartas partes de este potencial de ahorro se encuentran en las industrias que utilizan vapor en sus procesos industriales. Entre las industrias con mayor potencial se encuentran las plantas químicas, el sector de alimentos y bebidas, salud, biotecnología, petróleo y gas. Los sistemas de vapor tienen un potencial de ahorro energético superior al 30%, mediante la aplicación de medidas de optimización en la generación, distribución y los procesos que vayan de la mano con mejoras en los aspectos organizativos y el mantenimiento. Con este Ebook, queremos que los responsables de plantas industriales, directores de producción, jefes de mantenimiento, ingenieros y técnicos cuenten con información profesional fiable y con suficiente detalle sobre la gestión tanto económica como operativa en sistemas de vapor, que permitan la toma de decisiones en las empresas industriales. Sabemos desde Spirax Sarco que el conocimiento especializado sobre la producción y uso eficiente del vapor es muy importante para conseguir mejoras importantes que impacten positivamente en la cuenta de resultados. Queremos que entiendan la estructura de análisis financiero, operativa y organizativa necesaria en las empresas industriales para lograr aplicar las medidas de eficiencia energética y la gestión adecuada de la energía en sistemas de vapor.

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PRINCIPALES PREGUNTAS QUE TIENEN LOS GERENTES, DIRECTORES Y PERSONAL TÉCNICO SOBRE LA GESTIÓN ECONÓMICA Y OPERATIVA DE SISTEMAS DE VAPOR Intentemos responder a las preguntas más comunes de los involucrados en las decisiones sobre la gestión económica y operativa de sistemas de vapor dentro de una empresa. Los beneficios del uso del vapor, como un solucionador de problemas, se pueden dividir de acuerdo a los diferentes puntos de vista dentro de una organización. Se pueden percibir de maneras diferentes, dependiendo de si es un consejero delegado, director, o si está en el nivel de operario técnico.

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DIRECTORES Y GERENTES Un director considerará el vapor como algo que le va a proporcionar una solución a un problema de gestión; como algo que va a beneficiar y añadir valor a la empresa. La responsabilidad del director es implementar iniciativas ordenadas por los altos ejecutivos. Los directores tienden a ser prácticos y centrados en la realización de tareas dentro de unos presupuestos establecidos. Optan por el uso de vapor, si creen que va a proporcionar la mayor utilidad y conveniencia, a un coste razonable. Están menos interesados en la mecánica en sí del sistema de vapor. Una manera de verlo sería que el director es la persona que quiere el producto final, sin la necesidad de querer saber de qué se compone la maquinaria que lo produce. Los directores y gerentes, por lo general, necesitan respuestas a las siguientes preguntas:

¿Qué tipo de inversión de capital implica un sistema de vapor? Si una empresa instala un sistema de vapor o elige actualizar el sistema existente, se necesitará una inversión de capital importante, y los trabajos relacionados con el sistema y el suministrador del sistema, pueden ser largos y complicados. Normalmente este será un tema de interés para el gerente de más alto nivel, que busca la mejor solución de transferencia de energía para cumplir con los objetivos estratégicos y financieros de la organización. Un sistema de vapor sólo requiere tuberías de sección pequeña para satisfacer los requisitos de alta temperatura. No precisan de bombas costosas y sólo se requiere de

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válvulas de dos vías. Esto significa que el sistema es más sencillo y menos caro que, por ejemplo, un sistema de agua caliente de alta temperatura. La alta eficiencia de la planta de vapor significa que será compacta, aprovechando así el espacio al máximo; algo que a menudo es un bien escaso en una planta industrial. Por otra parte, la actualización de un sistema de vapor existente con las calderas y controles más modernos, generalmente representa 50% del coste de la eliminación y sustitución por un sistema a gas descentralizado.

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DIRECTORES Y GERENTES Principales Preguntas

¿Cómo afectará a los gastos generales los costes de operación y mantenimiento de un sistema de vapor?

Si se instala un sistema de vapor, ¿cómo puedo sacarle el mayor provecho?

Una sala de calderas centralizada es muy eficiente y puede utilizar las tarifas bajas de suministro interrumpible de combustible. Incluso se puede alimentar a la caldera con residuos, o formar parte de una planta de cogeneración.

Es conocido que el vapor tiene una variedad de usos. Se puede utilizar para la calefacción de locales de grandes superficies, para procesos complejos y esterilización.

Los equipos para vapor normalmente tienen una larga vida. Cifras de treinta años o más de vida útil con bajo mantenimiento, son bastante usuales. Las plantas de vapor más modernas están totalmente automatizadas. Esto reduce drásticamente el coste de personal de la planta. Existen equipos sofisticados de monitorización de energía que asegurarán que la planta siga siendo eficiente en cuanto a energía, y tenga un bajo requerimiento de personal. Todos estos factores combinados hacen que un sistema de vapor cuente con un coste bajo durante su vida útil.

Por ejemplo, en un hospital el vapor es ideal, ya que se puede generar centralmente a alta presión, distribuir a través de largas distancias, y después reducir la presión en el punto de uso. Esto significa que una única caldera de alta presión puede adaptarse a las necesidades de todas las aplicaciones en todo el hospital, como es el caso de: el calentamiento de las salas, humidificación del aire, la cocción de los alimentos en grandes cantidades, y la esterilización de equipos. Lo cierto es que no es tan fácil de satisfacer todas estas necesidades con un sistema de agua. A nivel operativo, el condensado producido por un proceso de fabricación puede ser retornado al tanque de alimentación de caldera. Esto puede reducir significativamente los costes de combustible de la caldera y de tratamiento de agua, porque el agua ya está tratada y a una temperatura alta. También se puede producir vapor a baja presión, a partir del condensado en un tanque de revaporizado, y usarse en aplicaciones de baja presión, como la calefacción de locales.

¿Qué pasaría si cambian las necesidades en el futuro? Los sistemas de vapor son flexibles y fáciles de ampliar. Pueden crecer con la empresa y modificarse para satisfacer los cambios de objetivos de la empresa.

¿Qué significa para una empresa usar vapor? Usar vapor significa ser responsable medioambientalmente. Las empresas siguen eligiendo vapor, ya que se genera con altos niveles de eficiencia de combustible. Los controles medioambientales son cada vez más estrictos, incluso en la medida en que las empresas deben tener en cuenta los costes y los métodos de eliminación de la planta antes de instalarla. Todos estos factores se toman en cuenta durante el diseño e implantación de sistemas de vapor.

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¿El vapor es adecuado para el proceso productivo? El vapor tiene muchas aplicaciones y usos. Tiene un alto contenido de calor y cede su calor a una temperatura constante. No crea un gradiente de temperatura a lo largo de la superficie de transferencia de calor, a diferencia del agua y los aceites térmicos, lo que significa que puede proporcionar un producto de calidad más consistente. Como el vapor es un fluido puro, se puede inyectar directamente en el producto, o puede envolver el producto que se desea calentar. La energía que suministra al proceso es fácil de controlar usando válvulas de dos vías, debido a la relación directa entre temperatura y presión.

¿Cuánto cuesta producir vapor? El agua es abundante y económica, las calderas de vapor son altamente eficientes porque extraen una gran cantidad de la energía contenida en el combustible. Como se mencionó anteriormente, una sala de calderas centralizada puede aprovecharse de las tarifas bajas de combustibles de suministro continuo. Se puede recuperar el revaporizado y el condensado, y retornarlos a la caldera o utilizarlos en aplicaciones de baja presión con un mínimo de pérdidas. El consumo del vapor es fácil de controlar usando medidores de caudal de vapor y productos compatibles SCADA. Más adelante, en este Ebook, daremos algunas cifras reales sobre el coste de producción del vapor.

¿Hay suficiente espacio para la instalación? La alta tasa de transferencia de calor que tiene el vapor hace que la planta sea más pequeña y más compacta que una planta de agua o de aceite térmico. Un intercambiador de calor típico para generar agua caliente usando vapor con una capacidad de 1200 kW, puede ocupar sólo 0,7 m2 de superficie útil. Si se compara esto con un acumulador de agua caliente, que puede ocupar una gran parte de la sala, la ventaja es evidente.

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DIRECTORES Y GERENTES Principales Preguntas

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PERSONAL TÉCNICO Y OPERADORES A nivel operativo, la eficiencia del día a día y la manera de trabajar del personal pueden ser afectadas directamente por la planta de vapor y la forma en la que opera. Estas personas normalmente quieren saber que la planta va a funcionar, lo bien que va a funcionar, y el efecto que esto tendrá en su tiempo y recursos. El personal técnico y los operadores necesitan respuestas a las siguientes preguntas:

¿Qué se puede averiar? No debe haber ninguna causa para que una planta de vapor bien diseñada y mantenida adecuadamente se averíe. La mecánica del sistema es fácil de entender y está diseñada para minimizar el mantenimiento. No es raro que equipos de una planta de vapor disfruten de 30 ó 40 años de vida útil sin problemas.

Cuando sea necesario, ¿Es fácil realizar el mantenimiento? Las plantas modernas de vapor están diseñadas para facilitar un mantenimiento fácil y rápido con el mínimo tiempo de parada. El diseño moderno de los componentes es un beneficio a este respecto. Por ejemplo, los purgadores de vapor con conector universal pueden ser reemplazados fácilmente, con tan solo aflojar dos tornillos y colocando el nuevo purgador en su lugar. Los manifolds para vapor y condensado incorporan válvulas de pistón a los que se les puede realizar el mantenimiento mientras están en línea, con una herramienta de mano sencilla. Los sistemas más sofisticados de monitorización nos ayudan a detectar los componentes que realmente necesitan una acción de mantenimiento preventivo, en lugar de permitir llevar a cabo un mantenimiento innecesario, con la respectiva parada y los costes que esto implica, a un elemento que se encuentra funcionando correctamente. Las partes internas de las válvulas de control se pueden cambiar sin tener que retirarla de la línea. También se puede realizar el mantenimiento a las bombas mecánicas simplemente quitando una tapa, en la que están unidos todos los elementos internos. Los conectores universales permiten sustituir los purgadores de vapor en cuestión de minutos.

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Un punto importante a destacar es que al momento de requerirse el mantenimiento del sistema, una planta de vapor es fácil de aislar y se drena rápidamente, lo que significa que las reparaciones pueden ejecutarse rápidamente. Además, las pequeñas fugas que se puedan producir no son tóxicas. Este no es siempre el caso con los sistemas de líquidos, que son más lentos y más costosos de drenar, y que además pueden incluir fluidos térmicos tóxicos o difíciles de manejar.

¿Se puede cuidar de sí mismo? Un sistema de vapor requiere un mantenimiento, al igual que cualquier otra parte importante de la planta. Pero gracias al diseño de las plantas de vapor modernas de hoy, los requisitos de personal y mantenimiento, y los costes de vida útil del sistema son bajos. Por ejemplo, las salas de calderas modernas están totalmente automatizadas. El tratamiento del agua de alimentación y el control del quemador, nivel de agua de la caldera, sistemas de alarma y purga, los realizan sistemas automáticos. La caldera se puede dejar sin supervisión y sólo requiere algunas pruebas conforme a las normativas. Del mismo modo, la planta de vapor se puede gestionar de forma centralizada usando controles automáticos, sistemas medición de caudal y de control de funcionamiento de purgadores. Todos éstos se pueden integrar a un sistema SCADA. De esta manera se minimizan los requisitos de personal.

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EL COSTE DE PRODUCCIÓN DE VAPOR En la industria de hoy en día, el coste del suministro de energía es de enorme interés. Los factores que inciden para determinar el coste de producir vapor normalmente están relacionados con:

El coste del combustible tiene un alto impacto en el coste de producción del vapor y, por lo tanto, resulta muy relevante al momento de evaluar distintas alternativas de combustibles para una caldera. Los costes asociados a la generación de vapor dependen de las siguientes variables:

Consumo y coste de combustible Consumo y coste de productos químicos Consumo y coste del agua de reposición o make up Consumo y coste de energía eléctrica Costes asociados a la operación y mantenimiento

1% Energía Eléctrica 3% Oper y Mant 2% AGUA 67% P.Químicos 93% Consumo de Combustible

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Puede observarse en la gráfica anterior, que el coste asociado al combustible representa sobre el 93% del coste de generación de vapor, al usar gas o petróleo como combustibles. En el caso de combustibles sólidos como el carbón o la biomasa, cuyo coste es menor al del petróleo o gas, su influencia es menor, pero siempre sigue siendo más importante en relación a los otros costos involucrados. Según lo expuesto anteriormente el costo del vapor se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

PV = Donde:

(

V

PCS .

PV

AA )

. PC . 100 + P0 + A + EE + OM

PC

PQ

Coste del vapor (€/kg vapor)

Precio combustible (€/kg combustible)

Coste de consumo de productos químicos (€/kg vapor)

EE

OM

PCS

Coste de consumo de energía eléctrica (€/kg vapor)

Coste de operación Poder calorífico y mantenimiento superior del combustible (kj/kg) (€/kg vapor)

Con el objetivo de simplificar el cálculo de cada uno de los parámetros antes mencionados, a continuación se entregan los poderes caloríficos, eficiencias referenciales.

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A

Coste de consumo de agua (€/kg vapor)

n

Eficiencia de la caldera respecto al PCS (%)

COMBUSTIBLE PCD (kj/Kg) Petróleo 6 43124 Petróleo 5 43124 Petróleo 2 45636 Gas natural 38627 Gas Licuado 44105 Carbón 27632 Pellets 18003 Chips 13636

n% 83 83 85 80 80 80 85 70

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FACTORES ECONÓMICOS QUE IMPACTAN EN LA RECUPERACIÓN DE CONDENSADO EN SISTEMAS DE VAPOR El condensado es el agua tratada caliente producida cuando el vapor libera su energía térmica. Se trata de un recurso valioso que contiene aproximadamente el 25% de la energía útil que contiene el vapor al principio. Es de sentido común que retorne a la caldera, en vez de verterlo al desagüe. Puede que sea poco práctico retornar todo el condensado a la caldera, por varias razones, pero en la mayoría de las aplicaciones se procura retornar entre el 75 y 80% del condensado. Recuperar el condensado ofrece varias ventajas económicas y operativas. Se ahorra energía y se reducen los costes de combustible, se reducen los costes de agua y de su tratamiento químico, y se reducen los vertidos. Esta combinación hace que la amortización típica para los nuevos sistemas de recuperación de condensado sea de entre uno y dos años. Por lo tanto no es de extrañar que mucha industrias que usan vapor tengan instalado algún tipo de sistema de recuperación de condensado, aunque la mayoría de ellos se podrían mejorar utilizando las últimas técnicas y sistemas. Spirax Sarco ofrece una gama completa de las más modernas soluciones en recuperación de condensado que ayudarán a los usuarios de vapor a reducir sus facturas y optimizar sus sistemas. Contacta ahora con uno de nuestros técnicos y permita que le asesoremos sobre cómo optimizar económica y operativamente sus instalaciones de vapor.

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¿Por qué interesa recuperar el condensado? Cuando el vapor condensa, la energía se transfiere al material más frío para calentarlo. Esto representa alrededor del 75% de la energía suministrada por la caldera para producir vapor. Aproximadamente el 25% restante, lo conserva el agua condensada.

del vapor y del condensado del sistema, pero una cantidad típica es del 10-15% de la masa. Si nos fijamos en la figura, más o menos la mitad de la energía mencionada arriba (12,5% de la energía total suministrada) podría perderse con el revaporizado.

Además de su contenido de calor, el condensado es agua destilada: ideal para utilizarla como agua de alimentación La recuperación del revaporizado es, por tanto, esencial en la caldera. Una instalación eficiente recogerá cada gota para lograr un sistema energéticamente eficiente. de condensado y, la retornará al mezclador o al tanque de alimentación de la caldera, o bien se utilizará en el proceso. En esta parte del Ebook queremos explicar los beneficios económicos de la Recuperación de Condensado, la El condensado se descarga a través de los purgadores, Evacuación de Condensado, y la Recuperación de de una presión superior a una presión inferior. Como Revaporizado. El objetivo es examinar los aspectos técnicos consecuencia de esta caída de presión, parte del para el beneficio del lector, y que luego pueda utilizarlo como condensado se evaporará de nuevo, y es a lo que llamamos una base para proporcionar unas directrices simples para revaporizado. La proporción que se revaporizará es variable optimizar su situación particular. en función del nivel de reducción de presión entre los lados

15%

50%

Flash Steam

Flash Steam

85%

50%

Water

Cantidad aproximada de revaporizado en condensado

Water

Cantidad aproximada de enrgía en condensado

Un sistema eficiente de recuperación de condensado recoge el condensado caliente de los equipos de vapor y lo devuelve al sistema de alimentación de la caldera. Esto es rentable por sí solo, por la reducción de consumo de combustible. A continuación, se ilustra el contenido de calor en el vapor. Ej. para vapor saturado a 7 bar: Energía total del vapor (de la Tabla de Vapor) Energía entregada al producto cuando el vapor condensa Energía que queda en el agua Proporción de la energía total que salió de la caldera

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= 2769 kJ/kg = 2048 kJ/kg = 721 kJ/kg = 721/2769 = 26 %

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Valor Económico El condensado es un recurso tan valioso que su recuperación es económicamente justificable, incluso tratándose de pequeñas cantidades. Hasta la descarga de un sólo purgador es a menudo valioso recuperarla.

temperatura debe ser reciclada o tratada entes de poderse descargar. Si se recupera el condensado, los costes de vertidos de aguas residuales se reducen y evitan sanciones.

El ejemplo de esta sección demostrará el valor de la energía en el condensado. Todo el condensado que no se retorna a la caldera deberá ser reemplazado por agua fría. El agua agregada deberá calentarse hasta la temperatura del condensado, unos 90°C. A esta temperatura es adecuada como agua de alimentación.

Maximiza la Potencia de la Caldera

Si se recupera el condensado, se reducen los costes energéticos.

Precio del Agua Cualquier condensado que no se retorna requiere ser repuesto con agua. Esto provocará un aumento de las facturas de la compañía suministradora. Si se recupera el condensado, la factura del agua se reduce.

Restricciones de Aguas Residuales En España, está prohibido verter agua por encima de 40ºC a las alcantarillas públicas, ya que deteriora el medio ambiente. El agua de los sistemas de condensado por encima de esta

Utilizar agua fría como agua de alimentación tendrá un efecto negativo en la capacidad de la caldera para producir vapor. La capacidad de la caldera para producir vapor se puede expresar de muchos modos, la más común es el índice ‘From and At‘. Este índice indica el número de kg de vapor que produce una caldera si se alimenta con agua a 100ºC. Claramente, cuanto más baja sea la temperatura del agua, menos vapor producirá la caldera.

Agua Ideal para la Alimentación de la Caldera El condensado es agua destilada que apenas contiene sólidos disueltos (TDS). Si se recupera el condensado, se reduce la purga de caldera. La purga sirve para disminuir la concentración de sólidos disueltos. Reduciendo las purgas se reducen las pérdidas de energía que se producen cada vez que se purga la caldera. Si se recupera el condensado, también se reduce la necesidad de tratamiento químico.

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EJEMPLO DE AHORRO DE RECUPERACIÓN DE CONDENSADO El siguiente ejemplo muestra cómo se pueden ahorrar 3600 € /año en combustible, en una caldera de 1000 kg/h utilizando el condensado. Supongamos que el combustible utilizado en el ejemplo es petróleo, con un poder calorífico de 41,1 MJ/litro, y como calor específico del agua tomaremos 4,186 kJ/kg K.

Ahorros de Combustible Si el condensado es retornado a........ Agua de relleno.................................. Diferencia de temperaturas................

90ºC 10ºC 80ºC

Para elevar 80ºC la temperatura de 1 kg de agua fría de relleno se requiere la siguiente energía: Suponga ahora que la caldera está suministrando 1000 kg/h de vapor y que se recupera el 70% de condensado. Por consiguiente, debemos agregar y calentar un 30% (300 kg/h) que no se ha devuelto al sistema.

1 kg x 80ºC x 4.186 kJ/kg K = 335 kJ

335 kJ/kg x 300 kg/h = 100,5 MJ/h

El consumo de energía para calentar 300 kg/h de agua fría hasta 90ºC es: Si la planta funciona 24 h/día, 7 días/semana, 50 semanas/ año, el número total de horas trabajadas es 8400h.

100,5 MJ/h 8400 h = 844,2 GJ/año

La energía total requerida para calentar el agua de relleno es: El poder calorífico del combustible (petróleo) es 41,1 MJ/litro y suponiendo un rendimiento de la caldera del 80% (0,8), la energía entregada por el petróleo al agua de la caldera es:

0,8 x 41,1 = 32,9 MJ/litro

El combustible necesario para calentar el agua de relleno es:

844,2 GJ/año =25660 litros/año 32,9 MJ/litro

Si el precio del combustible es 0,14 €/litro, 25660 litros costarán 3600 €

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Precio del agua La cantidad total de agua necesaria en un año para compensar el condensado que no se recupera........

8400h x 300kg/h =2520 toneladas 1000 kg/tonelada 2500 toneladas = 2520m

Conversión a m ........................ Supongamos un precio del agua 0.61€ por m ............

2520 x 0,61 = 1537 €

Como acabamos de exponer, el condensado es ideal como agua de alimentación para la caldera, y además, hay ciertos beneficios económicos:

1.

Más condensado, y menos agua de la red, representa que serán necesarios menos tratamientos químicos. Esto proporciona un ahorro en productos químicos, y como se utilizan menos productos químicos, también las purgas de la caldera se reducen.

Hay ahorros significativos en los costes de tratamientos químicos aportados por una buena gestión de condensados, pero a causa de la variabilidad de tipos de calderas y del valor del pH en distintos lugares,

2.

Más condensado, y menos agua de la red, representa menos purgas de caldera para mantener el nivel de TDS.

El ahorro total propiciado por una mejorada gestión del condensado puede alcanzar

El ejemplo de cálculo de ahorro por una buena gestión de condensados no incluye el valor ahorrado debido a la reducción de purgas. Este puede variar sustancialmente según el caso, pero puede alcanzar los 1000 €/por año en una caldera de 1000kg/h. Cuando se realiza el estudio de gestión de condensado para un proyecto específico, esto debe determinarse e incluirse en el ahorro global.

Ahorros Total: Ahorros de combustible Precio del agua Precio del vertido

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3600€ 1537€ 1134€

TOTAL 6271€

6271 € por año para una caldera de

1000 kg/h este ahorro particular no puede ser cuantificado de forma general.

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