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An ENERGY STAR® Guide for Energy and Plant Managers Maarten Neelis, Ernst Worrell, and Eric Masanet, June 2008.
Esta guía de energía discute prácticas de eficiencia energética y tecnologías de eficiencia energética que se pueden implementar en el proceso o instalación , y los niveles de organización . Se incluye descripción de las tendencias de la industria petroquímica en cuanto a consumo de energía y se proporciona una amplia variedad de medidas de eficiencia energética que se pueden aplicar en el sector . Muchas medidas incluyen ahorros potenciales basados en el estudio de casos en el mundo real en la industria petroquímica
Sistema de Vapor
Se estima que hay un potencial de un 12.5% de ahorro de fuel en sistemas para generar vapor. Algunas de estas medidas de ahorro no requieren inversión. Para estas el tiempo de retorno de la inversión puede variar entre 2 y 34 meses. Desde el punto de vista energético el vapor se utiliza como medio para transmitir calor a los usuarios. El calor que se forma por la combustión de Fuel en las calderas se utiliza para vaporizar el agua y formar vapor. El vapor almacena una gran cantidad de calor el cual se puede conducir fácilmente hasta los usuarios, incluso los situados a bastante distancia de las calderas. El vapor puede tener distintos usos, pero el más habitual para aportar calor, condensando en los usuarios y liberando el calor de condensación. El condensado de de vapor generado se podrá retornar a la caldera par a volver a formar vapor Otros posibles usos del vapor son: - Como fuerza motriz, para mover equipos rotativo reemplazando a los motores eléctricos. - Generar electricidad en las turbinas. - Sistema de calefacción o HVAC. - Utilizando directamente al proceso, por ejemplo columnas de stripping, secadores, apagadores de emergencia de hornos, etc. Estas aplicaciones no permiten recuperar el condensado. - Como fluido de limpieza para mantenimiento de maquinaria. (Balance de vapor) Todos los elementos del sistema de vapor pueden tener ineficiencias que pueden provocar pérdidas de energía y resultar en oportunidades de ahorro o eficiencia energética. Los siguientes elementos forman parte del sistema de vapor. Entender estos elementos desde el punto de vista energético ayuda a identificar oportunidades de ahorro energéticoHemos encontrado otras ideas de ahorro para este equipo:
-Medir y monitorizar
Medir y monitorizar, para identificar las ineficiencias y oportunidades de mejora.
Caldera de Vapor
Las calderas de vapor son hornos diseñados específicamente para generar el vapor que se va a utilizar como servicio en la planta. A la caldera se alimenta agua desmineralizada que se hace pasar por unas tuberías de intercambio de calor en el interior del horno, donde el agua se vaporiza. Existen dos sistemas de circulación de agua dentro del horno, la zona de radiacción donde se aprovecha la energía de radiación producida durante la combustión y la zona de convección, donde se aprovecha el calor de los gases de combustión a elevada temperatura. Una caldera eficiente es aquella que aprovecha la mayor parte del calor de combustión maximizando la generación de vapor. En una caldera eficiente la temperatura de los gases de escape es lo más baja posible y las pérdidas de calor al exterior son mínimas.Purga de las calderas (Blowdown)
Parte del agua del circuito vapor / condensado hay que purgarla de forma continua para evita que se acumulen sales que puedan precipitar en los tubos del horno y hagan perder eficiencia al horno. Además de la purga continua, hay una purga intermitente en el circuito del propio horno. Desde el punto de vista energético esta purga supone una pérdida de calor, puesto que estamos purgando condensado a temperatura. Sin embargo, por otro lado esta purga permite que no se reduzca la eficiencia del horno, y se traduce en evitar que aumente el consumo de combustible.Desaireador
El desaireador se diseña para eliminar el oxígeno y el CO2 disuelto del agua de alimentación a la caldera. Ambos gases son corrosivos, pueden atacar los metales que toman contacto con el agua de alimentación de la caldera principalmente en las zonas a alta temperatura y reducir el rendimiento de la caldera.El desaireador utiliza vapor de baja presión para arrastrar gran parte de los gases disueltos en el agua y los elimina por el venteo del desaireador. Para para eliminar las trazas de oxigeno se utilizan además aditivos químicos . Los principales motivos para instalar un desaireador son: Ahorro energético:- Reduce la cantidad de químicos necesarios. La adicción de químicos requiere purgar el agua. Reducir y elminar estos químicos reduce la purga.
- Cuando se quiere utilizar el vapor directamente en el proceso tiene que estár libre de potenciales contaminantes para el proceso. Al reducir la adición de químicos no se contamina el vapor.
- Reducir el nivel de oxígeno al mínimo, sin utilizar químicos. Esto elimina la corrosión del agua de caldera.
- Económicamente más rentable que utilizar químicos. Tanto más importante cuanto mayor sea la presión de vapor generado por la caldera y mayores los requerimientos de calidad del agua.
Agua de aporte
El agua de aporte repone en el circuito de vapor/ condensado de las pérdidas: - Purgas o Blowdown. - Pérdidas de vapor o condensado al exterior - Consumos de vapor, que no recuperar y retornan el condensado al circuito. No se puede utilizar cualquier tipo de agua. El agua de aporte debe estar desmineralizada, libre de sales, para evitar precipitación de sales en el circuito.Bombas de alta presión
Las bombas de alta presión alimentan el agua del desaireador a la caldera. Estas bombas tienen que aumentar la presión del agua hasta la presión a la que se forma el vapor en la caldera, por lo que tienen un importante consumo eléctrico.Distribución del Vapor
El vapor se distribuye desde la caldera a los consumidores, mediante tuberías, por redes de distribución. En la caldera se produce vapor de muy alta presión. Los consumidores necesitan distintos niveles de temperatura del vapor, para ello se definen uno o varios sistemas de distribución del vapor, a distintas presión y temperatura. Cada sistema de distribución alimentará a varios consumidores con requerimientos similares de presión y temperatura. Antes de distribuir el vapor en los consumidores se reduce a la presión de suministro en cada una de las redes de distribución del vapor, en las estaciones de laminación. La pérdida de calor de las tuberías con el exterior provoca que parte del vapor condense en el interior de las tuberías. Este condensado hay que eliminarlo para evitar problemas de golpes de ariete, esto se realiza utilizando trampas de vapor. Dependiendo de la longitud de las tuberías de distribución de vapor se instalan varias trampas a lo largo de todo el recorrido.Laminación de vapor
Los sistemas de distribución de vapor pueden tener circuitos de vapor a diferente presiones y temperaturas. En la caldera se produce vapor de muy alta presión. Los consumidores necesitan distintos niveles de temperatura del vapor, para ello se definen uno o varios sistemas de distribución del vapor, a distintas presión y temperatura. Cada sistema de distribución alimentará a varios consumidores con requerimientos similares de presión y temperatura. Antes de distribuir el vapor en los consumidores se reduce a la presión de suministro en cada una de las redes de distribución del vapor, en las estaciones de laminación. Las primera estación de laminación reduce la presión del vapor de mayor presión, el que viene directamente de la caldera a la presión de la siguiente red de distribución con inferior presión. Por ejemplo desde el nivel de muy alta presión al de presión de alta. Si existe un tercer nivel de presión, por ejemplo presión de mediase instala otra estación de laminación que reduzca la presión de la red vapor de alta presión a la de vapor de media presión. Los sistemas de laminación de vapor reducen la presión del vapor de más presión al requerido por cada circuito. Energéticamente estos sistemas son ineficientes. Transforman vapor de mayor poder energético en vapor de menor poder energético. La válvula de vapor que utilizan pierde gran parte de este poder energético. Las estaciones de laminación reducen la energía útil del vapor (llamada exergía), puesto que transforman un vapor de más alta presión, con mayor temperatura en otro de menor presión o temperatura. En esta transformación se desaprovecha parte de la energía del vapor de más alta presión sin obtener un beneficio a cambio. Para entender el concepto de exergía, si intentamos generar electricidad a partir del vapor instalando una turbina, se producirá mayor cantidad del vapor de mayor presión. Reducir la presión del vapor no reduce significativamente la cantidad de calor que se puede aprovechar cuando se utiliza este vapor para calentar, si en cambio se reduce significativamente la capacidad de generar electricidad o de utilizar este vapor para calentar un fluido a mayor temperatura. Se instalan redes a distintas presiones para abaratar los equipos que trabajan a menor temperatura. Y requieren vapor de presión inferior.Atemperadores
Las estaciones de laminación producen vapor sobrecalentado. Para aumentar la producción de vapor y mejorar el funcionamiento de los intercambiadores de calor se instalan atemperadores que inyectan agua desmineralizada en las líneas de vapor para saturar el vapor.Recuperación del condensado
El condensado que se forma en los consumidores se recoge en redes de recogida de condensado. Normalmente trabajan a presión y descargan el condensado es depósitos separadores líquido vapor, también llamado recuperadores de vapor. El condensado desde los consumidores se despresuriza parcialmente antes de alimentar a la red de recogida de condensado. Al despresurizarse parte del condensado se transforma de vapor. Los Depósitos de flaseo o de recuperación de vapor son separadores de gar líquido que recogen los condensados y recuperan el vapor formado. Dependiendo de la presión a la que trabajan pueden formar vapor de distinta presión. Normalmente el condensado de un vapor de presión superior descarga aun depósito que trabaja a la de vapor de la red de menor presión, permitiendo conectar el vapor generado a esta red de menor presión.Bombas de condensado
Las bombas de condensado recuperan el condensado para alimentarlo de nuevo al desaireador desde donde se alimentará a la caldera. La recuperación y bombeo de condensados permite recuperar parte del calor sensible del condensado. Reduce también la cantidad de agua desmineralizada que habría que aportar al desaireador para mantener el balance de agua en sistema de vapor. El agua desmineraliza está más fría que el condensado y el calor para calentar esta agua en lugar del condensado requeriría un aumento de consumo de fuel en la caldera.Depósitos de recuperación del condensado
Los depósitos de recuperación de condensado, o depósitos de flasheo, recogen el condensado formado por los consumidores y el formado al condensado el vapor en el circuito de distribución. Estos depósitos separan y recuperan el vapor que se ha formado al despresurizarse el condensado. Estos depósitos trabajan a la presión de la red de vapor de inferior presión y alimentan el vapor formado a esta red de distribución. Por ejemplo un vapor de media presión de 10 barg produce condensado que se recoge el un depósito de condensado que trabaja a la presión del vapor de la red de baja presión de 5 barg, el vapor formado lo descarga a la red de 5 barg. Estos depósitos recuperar parte de la energía del condensado en forma de vapor, pero este vapor formado es de un nivel de presión inferior la de la red de vapor de donde proviene el condensado. Por lo tanto posibles fugas de vapor al sistema de condensado siempre se recuperarán en la red de presión inferior y con menor energía. Normalmente existen tantos depósitos de recuperación de condensado como redes de distribución de vapor. Los depósitos de más presión alimenta el condensado recuperado al de inferior presión. Normalmente el último de los depósitos el que recoge todo el condensado del sistema trabaja a presión atmosférica. Este depósito atmosférico ventea el vapor formado a atmósfera, perdiendo parte de la energía del sistema y parte del agua del circuito.Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Petrochemical Industry
Esta guía de energía discute prácticas de eficiencia energética y tecnologías de eficiencia energética que se pueden implementar en el proceso o instalación , y los niveles de organización . Se incluye descripción de las tendencias de la industria petroquímica en cuanto a consumo de energía y se proporciona una amplia variedad de medidas de eficiencia energética que se pueden aplicar en el sector . Muchas medidas incluyen ahorros potenciales basados en el estudio de casos en el mundo real en la industria petroquímicaEquipos Asociados:
(Aprovecha los Calores y corrientes para generar el ahorro que buscas aplicando esta idea)
- Fricción en las tuberías y los elementos del circuito hidráulico
- Las válvulas de control pierden por fricción gran parte de presión que generan las bombas.
- Todas la líneas de recirculación del circuito de bombeo que retornan el fluido a la aspiración de las bombas es una pérdida de energía.
- El desgaste de los impelers de las bombas les hace perder eficiencia y por lo tanto aumentar el consumo de energía.
- El ensuciamiento del sistema hace aumentar la fricción en el sistema y reduce las oportunidades de reducir energía.
Aprovecha Bomba
Las bombas se utilizan para transportar líquidos entre distintos sistemas. El consumo energético de una bomba en un sistema de bombeo eficiente debería ser únicamente el necesario para elevar este fluido o aumentarle la presión. Sin embargo por diferentes motivos los sistemas de bombeo son algunos de los menos eficientes en la industria por diferentes motivos:
Aprovecha Economizador
El economizador aprovecha el calor de los gases de escape de la caldera para calentar alguna de las corrientes de alimentación a la caldera o al horno . El economizador es un intercambiador de placas especialmente diseñado para aprovechar el calor de los gases de escape.
Aprovecha Generadores de vapor
Los generadores de vapor aprovechan calor residual de corrientes o equipos para producir vapor . La presión del vapor generado depende de la temperatura del calor residual. Los generadores de vapor son un complemento a las calderas, que permiten reducir la cantidad de vapor producido en las calderas y el fuel consumidoen las mismas. Cuando se decide instalar generadores de vapor hay que revisar el balance general de vapor cara comprobar que esta generación de vapor se traduce en una reducción real de combustible en la caldera de vapor. Es común encontrar plantas que tiene un exceso de vapor de baja presión. Debido a la baja temperatura de este vapor en ocasiones no es posible encontrar consumidores que lo puedan utilizar. En estas situaciones hay oportunidades instalar sistemas que puedan consumir este exceso de vapor de baja presión y reducir consumos de electricidad u otros servicios.
Aprovecha Horno
Los hornos de combustión queman un combustible para calentar una corriente de proceso
Aprovecha Soplador de hollín
Los sopladores de hollín eliminarn los depósitos de hollín en el exterior de los hornos que quemen carbón o fueles pesado para aumentar su eficiencia. El soplador de hollín consiste en un tubo de lanza con una boquilla en el extremo . Cuando se opera , la lanza se extiende en el interior del horno , principalmente en la zona del haz de tubos y se inyecta vapor de limpieza a través de la lanza. El vapor sale como un chorro de alta velocidad a través de las boquillas , que limpia la ceniza depositada en la superficie. Cuando la lanza se mueve dentro de la caldera también está girando de modo que aumenta la superficie de limpieza alrededor de la boquilla. Cuando se la acabado la limpieza la lanza se retira hacia atrás.
Hay distintos tipos de sopladores de hollín dependiendo de la zona del horno que queremos limpiar:
Los depósitos en las paredes se deben a los componentes químicos de la ceniza, y la cantidad de aire de combustión. Si la ceniza contiene más cantidad de sulfuro ferroso, la temperatura de fusión de las cenizas es baja, lo que hace que la ceniza se funda y se adhiera a las paredes. Una planta de energía térmica con carbón grande tendrá alrededor de doscientas sopladores de hollín de ambos tipos dispuestos para cubrir toda el área de la caldera.
Los sopladores de hollín pueden estar programados para operar automáticamente con un afrequencia requerida. Sopladores de hollín inteligentes calculan las tendencias en el aumento de la temperatura en las diferentes secciones de una caldera. Entonces, el programa decide que sopladores tienen que estaroperado y con qué frecuencia.
Aprovecha Intercambiador de Calor
Son equipos que intercambian calor entre dos corrientes. Podemos utilizarlos una corriente de servicio caliente como el vapor, para calentar una corriente de proceso , o utilizar un servicio de enfriamiento como el agua de torre para enfriar una corriente de proceso. La mejor eficiencia energética lse consigue cuando intercambiamos el calor entre dos corrientes de proceso. Extrayendo el calor de la corriente caliente que queremos enfriar y lo aprovechandolo para calentar una corriente fria que queremos calentar.
Aprovecha Sistema de adición químicos a Caldera
Los residuos acumulados en los tubos de la caldera durante la evaporación del agua provocan incrustaciones y ensuciamiento que reducen la eficiencia de la caldera. Se utilizan adición de químicos para reducir la precipitación y formaciones de sales. Además de la adición de químicos al desaireador para eliminar la concentración de oxígeno y CO2 disuelto.
Aprovecha Sistema de Control para optimización energética
Los sistemas de control permiten optimizar el funcionamiento de los sistemas. Se puede diseñar un sistema de control con el objetivo de monitorizar y optimizar el consumo energético,. Este sistema funcionaría en segundo plano por encima del sistema de control de proceso. Las etapas típicas después de tener :
Primero medir y monitorizar, para identificar las ineficiencias y oportunidades de mejora energética.
En una segunda etapa controlar la producción de servicios para que sea acorde con la demanda.
En una tercera etapa se podrán identificar modificaciones y nuevos sistemas que aporten más flexibilidad y margen de mejora a la operación y control del sistema
Aprovecha Trampas de Vapor
Las trampas de vapor purgan el condensado de una mezcla vapor / condensado. Idealmente la trampa purgará el condensado evitando la salida de vapor. Existen varios tipos de trampas se aproximan a esta situación ideal en mayor o menor medida. En ocasiones cuando no funcionan de forma correcta provocan una fuga continua de vapor al circuito de condensado. Aunque este vapor se recupere lo hará en el depósito de recuperación de vapor , pero a un nivel inferior de presión.
Aprovecha Tratamiento de agua de aporte de caldera
Para evitar que se formen precipitados en los tubos de la caldera se debe desmineralizar el agua de aporte.
Aprovecha Tratamiento de agua de caldera
Cuando hay riesgo de contaminación del condensado por pérdidas fugas de compuestos, por ejemplo hidrocarburos, hay que instar sistemas para eliminar estos hidrocarburos
Aprovecha Turbina
Turbinas: La turbinas de un fluido en energía mecánica, desde la presión y temperatura de entrada hasta una presión final a la que se descarga el fluido a la salida de la turbina. Las turbinas conectadas a generadores eléctricos transforman la energía mecánica en electricidad
Aprovecha Turbina de contrapresión
La turbina de expansión transforma la energía de un gas en energía mecánica, desde la presión y temperatura de entrada hasta la presión de descarga antes de que se produzca la condensación del gas. La turbina retorna así una gas sobrecalentado a menor presión, pero suficiente para ser utilizado en otra parte del proceso. Las turbinas de gas conectadas aprovechan menos energía del fluido que las turbinas de condensación. Sin embargo permiten utilizar este fluido, a menor presión en el proceso. Este tipo de turbinas son las que se utilizan para reemplazar válvulas de control , aprovechando la energía del fluido desde la presión de suministro a la presión de utilización en el consumidor.
Aprovecha Turbina de vapor
Utilizan vapor para mover equipos rotarivos, en substitución de los motores eléctricos. Estas turbinas se suelan utilizar en equipos que requieren motores de gran potencia. Permiten aprovechar un excedente de vapor en la planta generando un ahorro de consumo eléctrico en la planta. Las turbinas de vapor pueden se de condensación o de contrapresión. Utilizaremos turbinas de condensación si queremos aprovechar al máximo la energía del vapor. Utilizaremos turbinas de contrapresión si tenemos demanda de vapor de inferior presión y queremos recuperar este vapor y consumirlo en la planta.
Aprovecha Turbina de condensación
La turbina de condensación aprovecha la energía de un gas condensable desde la presión y temperatura de entrada hasta la condensación del gas. La turbina retorna así un fluido parcialmente condensado. Las turbinas de condensación se utilizan principalmente cuando se trata de un fluido que no tiene utilidad y se quiere aprovechar el máximo de su energía. Se utilizan por ejemplo para aprovechar la energía de un vapor residual, que se quiere condensar para retornarlo a la caldera de vapor.
Recursos externos y Referencias:
(Hemos seleccionado estos recursos y referencias, para que puedas ampliar más información)
Cálculos:
[1] Steam System Modeler - U.S. Department of Energy - Steam System Modeler Tool (SSMT)
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Programa de cálculo para modelizar un sistema de vapor y definir la forma de operación más eficiente y con menor consumo energético.
Referencias:
[1] CIBO Energy Efficiency Handbook - Council of Industrial Boiler Owners (CIBO), November 1997
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Este Manual de Eficiencia Energética se preparó para ayudar a los propietarios y operadores de sistemas de calderas para obtenere el mejor rendimiento y ahorro energético en su instalación.
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Esta guía de energía discute prácticas de eficiencia energética y tecnologías de eficiencia energética que se pueden implementar en la industria petroquímica.
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Este documento creado por la Comisión Europea contiene orientación y conclusiones sobre las técnicas de eficiencia energética para todas las instalaciones incluidas en el la Directiva IPPC.