Auditorías de Vapor

CONTROL DE FLUIDOS

Felipe Balbontín López

AUDITORAUDITORÍÍAS ALAS AL

SISTEMA DE VAPORSISTEMA DE VAPOREnfocados en su Eficiencia

Queremos colaborar con nuestros clientes mas

importantes en la búsqueda de oportunidades innovadoras de optimización, ahorro energético

y revalorización en sus procesos productivos.

TEMARIOA.- POTENCIALES FOCOS DE AHORRO

1- Reutilización de revaporizados o vapor flash.

2- Aumento de la temperatura del agua de alimentación.

3- Economizadores.

4- Reducción de la potencia del ventilador de Caldera.

5- Aumento de la Temperatura del aire de combustión.

6- Minimizar y recuperar las purgas desde la caldera.

7- Utilización de desgasificadores presurizados y ambientales.

8- Aislación de válvulas y fitting.

B.- IMPORTANCIA DE LAS AUDITORIAS ENERGÉTICAS

C.- TEMAS DE INTERÉS FUERA DEL ÁMBITO DEL VAPOR

Pero antes…

Un repaso de lo ya visto…

Considerar la presencia de vapor flash en la tuberias de retorno de condensado.

Problemas de presurizaciónde lineas

La utilización de Flash debeestar lo más cerca de la fuente como sea posible.

Ejemplo

EjemploDatos

Condensado: 2000 [kg/hr]Presión Condensado: 8 [barg]Presión tanque flash: Atmosfera

Solución

Porcentaje Revaporizado:14%Vapor Flash: 0.14x2000 = 280 [kg/hr]

Extra

Calentar 4000[kg/hr] agua blanda, Tin = 10[C]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Flash [%]

Pres

ion

Abs

olut

a [b

ar]

1 [bar]

2 [bar]3 [bar]

4 [bar]

Presiones Absolutas Aguas Abajo

Entrega ra e l % de vapor fl ash generado po r cada kg de

condensado que llega al tanque d e expans ió n

1.5 [bar]

Gráfico de Vapor FlashGráfico vapor flash

Flujo Flash: 280 [kg/hr]

0 50 10 0 150 20 0 250 300 350 400 450 500 550 60010

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100T

Salid

a A

gua

[C]

Aprovechamiento Vapor Flash (P = 1atm)/Calentamiento Make Up

m vapor,flash [kg/hr]

m w = 4000[kg /hr]

mw = 3000 [kg/hr]

mw = 5000 [kg/hr]

m w = 6000 [ kg /hr]

Temperatura Entrada: 10 [C]

mw = 2000 [kg/hr]

mw = 1000 [kg/hr]

m w = 7000 [ kg /hr]

mw = 8000 [kg/hr]

mw = 9000 [kg/hr]

mw = 10000 [kg/hr]

Tsalida = 48 [C]Ahorro Combustible = 7% consumo inicial

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100244246248250252254256258260262264266268270272274276278280282284286288290292294296298300302304

Tw,out [C]

mco

mb

[kg/

hr] P = 2 [bar]

mw = 4000 [kg/hr]

P = 4 [bar]P = 6 [bar]P = 8 [bar]P = 10 [bar]P = 12 [bar]P = 14 [bar]

P = 1 [bar]

Consumo de Combustible v /s Pre sión Calde ra

Poder Calorifico: 43[MJ/kg]DieselFuel Oil

Flujo Combustible: 281 [kg/hr]

0 50 100 150 200 250 300 35 0 400 450 50 0 550 600 650 7000

5000100001500020000250003000035000400004500050000550006000065000700007500080000850009000095000

100000105000110000115000120000125000130000135000140000145000150000155000160000165000170000175000180000185000190000195000200000

m co m b [kg/hr]

Cos

to C

ombu

stib

le x

hor

a [$

/hr]

C osto Ope ra ción se gún pre cio Com bustib le

Costoc om bus tible = 200 [$ /kg]




Costo Operación x hora

$56.200

T° SALIDA ~ 10 [°C] COSTO OPERACIÓN: 60.000 [$/hr]

T° SALIDA ~ 48 [°C] COSTO OPERACIÓN: 56.200 [$/hr]

AHORRO REAL: 3800[$/hr]

TIEMPO OPERACIÓN ANUAL: 5.760 [hr/año]

$ 21.888.000 AHORRO ANUALMENTE

Sistema Alimentación Ideal

Recuperación de EnergíaPremisas

1. La temperatura de los gases de escape de las calderas oscilan entre los 170 [°C] y 300 [°C].

2. Generalmente, la eficiencia de la caldera puede ser incrementada en 1% por cada 4,5 [°C] de disminución de la temperatura de los gases.

3. Recuperación de energía desde los gases de escape puede significar una reducción de 5% a 10% del consumo de combustible.

Observación: La mínima temperatura a la cual los gases de escape puede ser enfriada para evitar condensación y corrosión depende del tipo de combustible

GN: 120[°C], GLP: 135[°C], Diesel: 150 [°C], Carbón: 150[°C], Petróleo 5 o 6: 180[°C]

Recuperación de Energía

Instalar un Economizador en una caldera de alta presión (17 bar) con capacidad generativa de 9.500 [kgv/hr].

Consideremos un costo del vapor de 20 [$/kgv]Utilizando petróleo Diesel, la T°min de descarga de los G.E. sería de 150

[ºC], por lo que el margen para el salto térmico es de 75 [ºC], que con un flujo de gases de 7.800 [m3

N/hr], resulta en una potencia aprovechable de alrededor de 700 [MJ/hr], equivalente a 295 [kgv/hr], lo que se traduce en un ahorro monetario de ~5.900 [$/hr].

Valor Neto del sistema: $39.835.000.-

Ahorro ANUAL: $49.056.000.-

Tiempo Recuperación: 6.750 [hr]

Economizadores

Enfriamiento del aire antes del Ventilador

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

m [kg/s]

Pote

ncia

Ven

tilad

or [W

]

PotenciacPotenciac

PotenciahPotenciah

ΔPo

tenc

ia [

W]

h: Temp Aire 40 [°C]

c: Temp Aire 0 [°C]

5

Teoría• Precalentar el aire de combustión antes de entrar al quemador, es uno de los más potentes medios de mejorar eficiencia y productividad.

Una de las fuentes de energía para precalentar, son los gases de escape, los cuales son liberados a altas temperaturas.

EJEMPLO

Un quemador opera a 1000 [F] por 8000 [hr/año] a un promedio de 10[MMbtu/hr], usando aire a temperatura ambiente. A 5[US$/MMbtu] costo anual de energía

R: Costo Anual: 10 [MMBtu/hr] x 8000[hr/año] x 5[US$/MMbtu]

US$400.000

Según tabla, al usar aire precalentado a 600 [F] 13% ahorro.

US$52.000

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000.08

0.085

0.09

0.095

0.1

0.105

0.11

0.115

0.12

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

Tair

Fluj

o Vo

lum

etric

o [m

3 /s]

Gas NaturalGas Natural

Flam

a A

diab

atic

a [K

]

TemperaturaTemperatura

To Gas Natural: 20 [C]20% exceso Aire

Consumo Combustible v/s T° Aire Combustión

Calentar desde 300[K] a 500[K]

Implica un ahorro de 8% de consumo de GN

Minimizar purgas de calderas

Beneficios

- Reduce la pérdida de energía (Tº del agua purgada = Tº del vapor)

- Reduce la cantidad de agua blanda de reposición.

- Reduce los costos de tratamiento químico.

Recuperar Energía de Purgas

• Se puede recuperar Energía utilizando un IC para calentar el agua de reposición o “make up”

• Cualquier caldera con purga continua es buena candidata de estudio para recuperación de calor, pero no se debe descartar una discontinua

• El potencial de ahorro es proporcional a la presión de la caldera.

EJEMPLO

En una planta con costo de combustible de 8[US$/MMBtu], una purga continua de 750 [kg/hr] es mantenida para evitar la concentración de sólidos disueltos (TDS). La caldera de 80% eficiencia produce 15[ton/hr] a 150[psig]. Operación 8.000 [hr/año]

RESPUESTA

i) Tasa de Purga: 900 / (900 + 15.000) 6%

ii) Calor recuperble 1,7 [MMBtu/hr]

iii) Ahorro Anual Energía:

1,7[MMBtu/hr] x 8.000[hr/año] x (15.000[kg/hr]/45.359[kg/hr]) /0,8

iv) Ahorro Anual $$$ 5621,8 [MMBtu/año] x 8 [US$/MMBtu]

5621,8 [MMBtu/año]

44974.5 [US$/año]

Definiciones

- Equipos mecánicos que remueven gases disueltos desde el agua de alimentación.

- Protege los sistemas de vapor de los efectos corrosivos de los gases.

-Esto es realizado reduciendo la concentración de oxígeno y dióxido de carbono a niveles donde la corrosión es minimizada.

- Instalar equipos de monitoreo continuo que midan la cantidad de oxígeno disuelto.

EjemploFlujo Vapor: 10.000 [kg/hr] - Tiempo Operación: 6.000 [hr] - P: 10 [barg]

Costo Sulfito de Sodio: 1 [US/kg]

CASOS: 1- Temperatura Tanque Alimentación: 50 [°C]

2- Temperatura Tanque Alimentación: 95 [°C]

Ahorro Energético:1- Temperatura Tanque Alimentación: 50 [°C]

Energía total producir 1 [kg] vapor: 2.572 [kJ/kg]

2- Temperatura Tanque Alimentación: 95 [°C]

Energía total producir 1 [kg] vapor: 2.383 [kJ/kg]

AHORRO ENERGETICO: 5,7[%]

Ahorro Monetario:

1- Temperatura tanque Alimentación: 50 [°C]

Oxígeno contenido en el agua: 6 ppmCantidad Sulfito de Sodio: 6x8 +4 = 52 ppm

Costo Anual Sulfito: 3.120 [kg/año] x 1[US/kg] 3.120 [US/año]

2- Temperatura tanque Alimentación: 95 [°C]

Oxígeno contenido en el agua: 2 ppmSulfito Anual: 1.200 [kg]Costo Anual: 1.200 [US/año]

AHORRO MONETARIO: 61,5[%]

Válvula de control

Controlador y sensor de temperatura

Inyector de vapor

Rompedor de vacío

Capilar

Inyector de Vapor

Inyector de Vapor

Desgasificador

PORQUE AISLAR

Cualquier cañería o equipo debe ser aislado para prevenir pérdidas de calor y mejorar la seguridad del personal.

Existen cubiertas aislantes para superficies irregulares como válvulas, flanges, filtros, etc., además de poder incluir barreras contra el sonido.

EJEMPLO

Calcular el ahorro de combustible al aislar con 1’’ de espesor una válvula de compuerta de 6’’. Vapor a 17 [barg] . Combustible gas natural a 4.5 [US$/MMbtu]. Eficiencia caldera 80%.

R: Ahorro Fuel: 5800[btu/hr] x 8760 [hr/año] x (1/0.8) = 63.5 [MMbtu/año]

R: Ahorro Económico: 63.5 [MMbtu/año] x 4.5 [US$/MMbtu]= 286 [US$/año] x cada válvula

LINEA DE RETORNODE CONDENSADO

¿Porqué es importante el condensado?

El CONDENSADO conserva alrededor del 15% al 30% de la energía calórica que fue aportada durante la generación del vapor.

Contenido mínimo de sólidos disueltos, que aprovechado reduce costos de tratamiento del agua de alimentación.

El condensado al despresurizarse libera energía formando vapor flash, el cual puede aportar al sistema una carga energética adicional.

POTENCIAL DE AHORRO

Un rápido ejercicio permite calcular el porcentaje de energía contenida en el condensado.Tº Entrada Caldera = 20 [°C]

Tº Salida Caldera = 165 [°C]

CALOR SENSIBLE = 697,3 [kJ/kg]

CALOR LATENTE = 2.066 [kJ/kg]

ENERGIA = CALOR SENSIBLE + CALOR LATENTE = 2763,3 [kJ/kg]

Ratio = 25.2 [%]Precio = 12 [$/kg] 3 [$/kg Condensado]Flujo = 5.000 [kg/hr]; Retorno 30%

DESPERDICIO: 10.500 [$/hr]

Plan de Eficiencia Energética

¿Ha realizado Auditoria o Diagnostico Energético?

¿Sabe cuanto consume?

¿Qué porcentaje de energía es Térmico y Eléctrico?

¿Tiene un presupuesto para este ítem?

¿Sabe como está con respecto a su competencia?

¿Tiene metas de consumo energético?

¿Ha capacitado a sus empleados?

Alcances Globales

- Evaluar mínima demanda de energía térmica y cuantificar el potencial para reducir el consumo de energía.

- Definir proyectos de ahorro de vapor en los procesos actuales de la planta.

- Examinar factibilidad económica de reducir consumo de agua y disminuir temperaturas de descarga.

- Identificar oportunidades de reducir la compra de energía mediante cogeneración .

Plant Wide Energy Efficiency Assessment

Objetivos:

- Crear diagramas de flujo de los procesos o Flowsheet

- Revisar todos los set point, alterar magnitudes y evaluar resultados (Indicadores de Rendimiento).

- Identificar oportunidades para reutilizar el agua.

- Utilizar los PFD para crear modelos de simulación en operación normal (balances másicos y de energía).

- Definir el mínimo requerimiento de energía térmica necesario para operar el sistema.

AUDITORIA PLANTA DE YODO

Región de Tarapacá

Balances térmicos y Energéticos de la planta de Yodo.

Ambiente de alta seguridad por riesgos químicos.

AHORRO COMBUSTIBLE : 30 [kg/hr] Fuel Oil. 6.314 $/hr]INVERSION: 36 Millones

TIEMPO RECUPERACIÓN: 9 Meses

Otros temas tales como…

• Escape de Motores

• Aire Caliente (hornos, secadores)

• Energía en los RILes

• Calentamiento desde Enfriamiento

• Paneles Solares al Interior

• Recuperación de Frío

MuchasMuchasGracias.Gracias.

TERMODINAMICAC o n t r o l d e F l u i d o s

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