evaluacion rendimiento

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

Evaluación del rendimiento de calderas convertidas a gas natural Tesis magister

EVALUACION DEL RENDIMIENTO DE CALDERAS CONVERTIDAS A GAS NATURAL

Jair I. Meza Autor

Jose I. Huertas

Asesor

1. RESUMEN La crisis energética actual y sus consecuencias económicas en la productividad industrial han abocado pensar en el uso más eficiente de los recursos con los que contamos para realizar nuestras actividades. Sabiendo que las calderas son equipos de generación de vapor utilizados ampliamente, y que de ellos dependen muchos procesos, se evaluó y se comparó la eficiencia de estas cuando utilizan fuel-oil y gas natural. Se determinó también el porcentaje de las pérdidas presentes en el proceso con respecto a la energía suministrada por el combustible. 2. OBJETIVOS − Evaluar analíticamente el rendimiento de una

caldera. − Elaborar protocolo para evaluar el rendimiento de

calderas. − Seleccionar conjunto de empresas a realizar

evaluación. − Determinar el tipo de instrumentación que se de

adicionar a una caldera para evaluar su rendimiento e implementar esta instrumentación.

− Realizar un seguimiento periódico a las calderas instrumentadas.

− Realizar la evaluación a las calderas seleccionadas.

3. IMPORTANCIA La importancia del presente proyecto radica en lo valioso que sería para la industria colombiana el contar con los resultados de una investigación que evalúe y compare el rendimiento de calderas convertidas a gas natural con el rendimiento obtenido con otros combustibles; con el objeto de tomar decisiones más fundamentadas.

4. MARCO TEÓRICO 4.1 TIPOS DE CALDERAS Las calderas industriales pueden ser clasificadas tanto en acuotubulares y pirotulares indicando la posición relativa de los gases de combustión con respecto al fluido que está siendo calentado. 4.1.1 Pirotubulares. Estas unidades pasan los productos calientes de la combustión a través de tubos sumergidos en el agua de la caldera. Las unidades convencionales generalmente emplean de 2 a 4 pasos para incrementar la superficie de área expuesta a los gases calientes y por lo tanto incrementar la eficiencia. Las capacidades máximas de las unidades pirotubulares han sido extendidas a 69,000 lbs de vapor por hora con presiones de operación por encima de 300 psig. 4.1.2 Acuotubulares. Estas unidades circulan el agua que entra a la caldera por el interior de tubos y en el exterior de estos los gases de escape. La circulación del agua es generalmente alcanzada por la diferencia de densidad entre el agua fría que entra y la mezcla vapor / agua caliente que sale. Alcanzan capacidades mayores que las anteriores, van de 1000 lbs de vapor por hora a calderas de 500,000 lbs de vapor por hora. 4.2 TIPOS DE COMBUSTIBLES 4.2.1 Gas. El gas natural es el combustible gaseoso más simple para quemar, que requiere poca preparación y mezcla rápidamente con el aire suministrado. Las calderas industriales generalmente usan quemadores de baja presión que operan entre 1/8 a 4 psig. Es un combustible muy limpio que



emite muy pocos contaminantes que intervengan en la contaminación del medio ambiente. 4.2.2 Aceite. Los combustibles de aceite generalmente requieren algún tipo de tratamiento previo de calentamiento, debido a su alta viscosidad a temperatura ambiente. Deben ser atomizados antes de la vaporización y mezcla con el aire de combustión. Tienen elevado grado de contaminación con respecto a los gaseosos. 4.2.3 Carbón. Hay dos sistemas para quemar carbón, pulverizado y con parrilla. El primero de ellos cuenta con cuatro funciones: pulverización, secado, clasificación, y transporte al sistema de quemador. Con este sistema es más eficiente la combustión ya que la cantidad de carbón inquemado en las cenizas disminuye. El sistema de parrilla se caracteriza por que hay una cama de combustión sobre una rejilla donde se ubica el carbón y que a través de la cual atraviesa la corriente de aire de combustión. Se utiliza para calderas de menor capacidad que el sistema anterior (de 2000 a 350,000 lbs de vapor por hora) y alcanza menores eficiencias. 4.3 EQUIPO DE MEDICIÓN La planeación de la prueba de evaluación del rendimiento de una caldera debe considerar la necesidad de un mínimo equipo para realizar las mediciones. Los principales parámetros que estarán sujetos a medición son: − Temperaturas (agua, vapor, superficies y gases). − Flujos (agua, combustible y vapor). − Presiones (vapor y agua). − Análisis de gases (CO, CO2, O2, NOx y SOx). 4.4 CALCULO DE LA EFICIENCIA DEL GENERADOR DE VAPOR Para el cálculo de la eficiencia energética del generador de vapor se utilizará el “Código de pruebas para generadores de vapor PTC 4.1 ASME”, correspondiente a el método de pérdidas de energía y al de entradas y salidas. Con el “protocolo de

evaluación del rendimiento de calderas” que se desarrolló como objetivo de este estudio, y con ayuda de la macro en EXCEL “Formulario para evaluación” se cuenta con las herramientas prácticas para conocer con detalles los pasos, el equipo de medición, los métodos directos y alternativos para tomar mediciones y por último, los cálculos requeridos para evaluar la eficiencia de una caldera. Los 2 métodos por los cuales se puede conseguir dicho objetivo se describen brevemente a continuación: 4.4.1 Método de pérdidas de energía. Consiste en evaluar las pérdidas en el generador de vapor y restarlas del 100% de la eficiencia que se obtendría si estas no existieran. Para la aplicación del método de pérdidas de calor se requiere determinar lo siguiente: Total de pérdidas de calor: - Por gases secos - Por formación de CO - Por radiación - Por la combustión del H2 - Por la humedad del aire - Por la humedad en el combustible - Por el carbono inquemado en las cenizas - Pérdidas incalculables La eficiencia será cuantificada mediante la siguiente expresión: Eficiencia = (1 - ΣPérdidas) *100 4.4.2 Método de entradas y salidas. En este método lo que se pretende es cuantificar la forma en que es utilizado el calor suministrado por el combustible. Esto es, cuánto de éste calor es usado para la producción del vapor, que es el objetivo del sistema de generación, y cuánto calor es perdido por la purga continua y las pérdidas del generador de vapor. Para el método de entradas y salidas se requiere evaluar lo siguiente: - Calor que entra con el combustible. - Calor que sale con el vapor generado. La eficiencia será cuantificada mediante la siguiente expresión:




Eficiencia = (Qaprovechado / Qsuministrado) *100

Evaluación del rendimiento de calderas convertidas a gas natTesis magister

ural

Para más detalles referirse al “protocolo de evaluación del rendimiento de calderas” que es una simplificación del método usado en el código ASME antes citado. En cual servirá como una herramienta para la evaluación de sistemas de generación de vapor (calderas), para la pequeña y mediana industria colombiana. Por lo que se requiere de un método lo suficientemente sencillo para ser aplicado en las pequeñas industrias, pero a su vez, lo suficientemente exacto para poder aplicarse en medianas industrias. 4.5 ESTUDIOS EXTERNOS DE REFERENCIA Hay países líderes en el tema del uso racional de la energía, como: USA, toda la Unión Europea, Japón y otros que sufren las consecuencias de la escasez de energía y deben utilizarla de la forma más eficientemente posible. Entre los países de habla hispana que han trabajado más en esta área son México y España. Entre las instituciones importantes que han escrito documentos relacionados al tema se tienen: NALCO ITALY, CADEM, Ministerio de Industria y Energía de España. SPIRAX-SARCO (Inglaterra), ENERBUS. En la Figura 1 se observa que la eficiencia de las calderas que funcionan con fuel-oil es mayor que las que lo hacen con gas natural. Estas calderas fueron diseñadas para estos tipos de combustibles y en ningún caso se escogieron calderas convertidas, que es una diferencia con el presente estudio. Como se puede ver la eficiencia de las calderas a gas natural es en promedio 2% inferior a las de fuel-oil. Y al aumentar la capacidad de la caldera se tienden a igualar ambas.

40

Figura 1. Prueba de eficiencia de operación en calderas industriales (Tomado de Efficient Boiler Operations Sourcebook. Payne, W.). Como se puede ver la eficiencia de las calderas a gas natural es en promedio 2% inferior a las de fuel-oil. Y al aumentar la capacidad se tienden a igualar ambas. 4.6 DESCRIPCION DEL ESTUDIO Las 4 calderas convertidas evaluadas pertenecen a las plantas de PANAMCO COCA-COLA Villavicencio, Duitama y Bogotá Zona Sur, de las cuales 2 utilizan Fuel oil #2 y 2 utilizan Fuel oil #6. Se realizaron 4 test o pruebas para cada una de las 4 calderas con cada uno de sus 2 combustibles (gas natural y fuel oil), o sea, en total se llevaron a cabo 32 pruebas de eficiencia. Exceptuando la caldera de Villavicencio, a las otras 3 se les realizó medición de emisiones para un total de 24 pruebas de este tipo, cuyos resultados se muestran a continuación. 4.7 PROCEDIMIENTO El procedimiento en cada una de las pruebas fue el mismo y consistió en: - Instrumentar previamente la caldera al día de la realización de la prueba.

50

60

70

80

90

ficie

ncia

(%)

78 79,5 81,2 82,881,5 82,8 83,4 82,7

Eficiencias para Calderas Acuotubulares



- El mismo día de las mediciones, estar presente en el encendido desde muy temprano en la madrugada. - Tomar mediciones, cada 15 minutos durante 1 hora, de cada variable a medir y observar condiciones de estabilidad en la operación de la caldera. Siempre se contó con la ayuda de 2 operadores de la planta para esto. - Al comenzar una prueba se procuró cambiar la relación aire/combustible para obtener un patrón de comportamiento a diferentes condiciones de exceso de aire. - Un día se realizaron pruebas con gas natural y al día siguiente con el combustible alternativo. - Tal procedimiento se llevó a cabo de igual forma con cada una de las calderas. Inconvenientes presentados: - Determinar la cantidad de agua evaporada durante la prueba. Como método alternativo se instalaron contadores de agua en el tanque del agua de alimentación, como se indica en la figura 2. Figura 2. Disposición de contadores de agua en el tanque de almacenamiento. Arriba se aprecia toda la instrumentación que se le adaptó al tanque de agua de almacenamiento con el fin de determinar aproximadamente la cantidad de vapor producido durante la prueba.

Se tomaron mediciones iniciales de: - Lectura del contador de gas natural o nivel inicial

del tanque de fuel-oil. - Lectura del contador de agua de reposición. - Lectura del contador agua de condensado. - Presión y temperatura del agua de alimentación. - Presión del vapor a la salida de la caldera. - Temperatura de los gases a la salida de la caldera. - Se observaron condiciones de operación como:

encendido o apagado de la bomba de alimentación, presencia o ausencia de llama en la caldera y tipo de producto embotellado.

La bomba de alimentación se colocó manual porque era necesario controlar que al inicio y al final de cada prueba el nivel de agua en el tanque de almacenamiento y en la caldera fuera el mismo. 5. RESULTADOS Se utilizó el método de entradas y salidas. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente figura. Y los cálculos correspondientes se pueden apreciar en los anexos. Fuente: Autor Figura 3. Resultados de las pruebas de eficiencias. En promedio la eficiencia con gas natural fue más baja (78,1%) contra fuel-oil #2 (82,9%) y fuel-oil #6 (82,3) se procuró que las condiciones ambientales fueran similares durante los 2 días de pruebas para una misma caldera.

Agua de reposición

Condensado

78,182,9 82,3

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

Combustible

Efic

ienc

ia, %

Gas natural Fuel oil 2 Fuel oil 6Contador de agua Contador de

agua

Nivel tanqueTanque de agua alimentación

Termómetro

A la caldera Bomba de alimentación




Se llegó a una relación entre el exceso de aire de la caldera y la concentración de O2 y CO2, para gas natural y fuel oil #2 y #6. Fuente: Autor Figura 4. Relación entre el exceso de aire y la concentración de O2 y CO2, para gas natural y fuel oil #2 y #6. Se observa que las curvas de O2 tanto para gas natural como para fuel oil muestran congruencia y aunque están hechas para rangos diferentes de exceso de aire teóricamente deben ser muy similares. Por tal razón el exceso de O2 es más asociado con el exceso de aire, por ejemplo cuando el exceso de aire tiende a cero el exceso de O2 también. Otro motivo por el que se prefiere usar el exceso de O2 para calcular el exceso de aire es porque este permanece relativamente invariante con la composición del combustible, mientras la composición de CO2 depende del combustible. En la figura 5 se aprecian las pérdidas para la caldera #1 funcionando con gas natural. En ella se observa que a altos excesos de aire el tipo de pérdida de calor relevante en el comportamiento de la eficiencia es la pérdida por gases secos, que depende mucho de la temperatura de los gases de escape, ya que a mayor temperatura mayor será la pérdida por gases secos. La variabilidad de las pérdidas restantes tiene muy poca incidencia en el volumen total de pérdidas de calor. Un factor importante para aumentar la eficiencia de una caldera es disminuir al óptimo (∼10%) el exceso de aire, ya que un exceso de aire menor produce combustión incompleta y un exceso mayor produce pérdidas del tipo mencionado previamente.

Caldera #1 - gas natural

Variación de las condiciones de la chimenea y pérdidasde calor con cambios en el exceso de aire.

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00

Exceso de aire, %

02468

1012141618

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Porcentaje de exceso de aire

Fuente: Autor Figura 5. Variación de la temperatura de la chimenea y pérdidas de calor por cambios de exceso de aire. De igual forma se realizó este tipo de gráfica para fuel oil y para las otras calderas y se llegó a las misma conclusiones. 6. ACTIVIDADES A REALIZAR Como complemento a los objetivos propuestos sería importante analizar los beneficios técnicoeconómicos que se obtienen utilizando gas natural en vez de fuel oil.

Porc

enta

je d

e O

2 y

CO2

CO2 (fuel oil #2 - #6)

O2 (fuel oil #2 - #6)

CO2 (gas natural)

O2 (gas natural)

Pér

dida

s de

efic

ienc

ia

Total de pérdidas

Combustión delHidrógeno

Gases secos

Radiación yconvección

Formación de CO

0,00%

0,05%

0,10%

0,15%

0,20%

50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00

Exceso de aire, %

300

400

500

Pér

dida

s de

efic

ienc

iaFormación de CO

Temperaturagases de escape




7. BIBLIOGRAFIA - PAYNE, W., Efficient boiler operations

sourcebook. Ed. Prentice Hall Internacional. 4th. Edición. 1996.

- WOODRUFF, E., Steam-Plant Operation. Ed. Mc. Graw-Hill. 1967.

- SORENSEN, H., Energy conversion system. Ed. John Wiley & Son. 1983.

- GUIA PARA EL ANALISIS Y EVALUACION DE CALDERAS Y REDES DE DISTRIBUCION DE VAPOR. Ministerio de economía y planificación. España.

- ASME, PTC 4.1 Código de pruebas para generadores de vapor.

- Internet


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