120201 Calderas FW Instaladas en Pemex Refinacion · 2017. 5. 8. · NUEVAS TECNOLOGÍAS EN...

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E

INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN AUDITORÍA EN SISTEMAS DE VAPOR DE UNA

REFINERÍA DE PETRÓLEO (CALDERAS)

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO QUÍMICO PETROLERO

P R E S E N T A N

LIZBETH BALTAZAR GARCÍA

VICTOR ALBERTO CABELLO RÍOS

DIRECTOR DE TESIS: ING. ARIEL DIAZBARRIGA DELGADO

MÉXICO D.F. ENERO 2016

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN AUDITORÍA EN SISTEMAS DE VAPOR DE UNA REFINERÍA DE PETRÓLEO (CALDERAS)

ESIQIE IPN

ÍNDICE

RELACIÓN DE FIGURAS i

RELACIÓN DE TABLAS iii

RESUMEN iv

INTRODUCCIÓN v

CAPÍTULO I. GENERALIDADES 1

1.1 El problema energético 2

1.2 El uso energético industrial 3

1.2.1 Instalaciones térmicas en la industria 3

1.2.2 Sistemas de generación 4

1.2.3 Sistemas de distribución 4

1.2.4 Equipos finales de proceso 5

1.3 Calderas en la industria petrolera 5

1.3.1 Procesos que constituyen una refinería 5

1.3.2 Procesos que involucran vapor 8

CAPÍTULO II. SISTEMAS DE MANEJO DEL VAPOR 14

2.1 Descripción de un sistema de vapor 15

2.1.1 Características del agua de alimentación para la caldera 16

2.1.2 Generación de vapor 16

2.1.3 Sistema de distribución de vapor y retorno de condensados 17

2.2 Calderas 17

2.2.1 Partes principales de una caldera 18

2.2.2 Clasificación de las calderas 22

2.2.2.1 Por la disposición de los fluidos 22


ESIQIE IPN

2.2.2.2 Por su configuración 23

2.2.2.3 Por el tipo de combustible 23

2.2.2.4 Por el tiro 24

2.2.2.5 Por el modo de controlar la operación 25

2.3 Calderas en la industria petrolera 26

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA DE AUDITORIA EN SISTEMAS DE VAPOR

(CALDERAS) 27

3.1 Tipos de auditorías 27

3.2 Metodología detallada para realizar auditorías energéticas 31

3.3 Inspección de la caldera 32

3.3.1 Quemadores 32

3.3.2 Controles de la combustión 33

3.3.3 Apariencia de la flama 34

3.3.4 Monitoreo de la chimenea 35

3.4 Toma de datos 35

3.4.1 Procedimiento de prueba por el método directo 39

3.4.2 Procedimiento de prueba por el método indirecto 40

3.5 Métodos de medición, aparatos y técnicas 41

3.5.1 Métodos para determinar la razón de aire/combustible 41

3.5.2 Medición de flujo 42

3.5.3 Medición de los productos de la combustión 42

3.5.4 Aparatos usados en las mediciones 43

3.5.5 Técnicas de medición 45

3.5.6 Instrumentación en la chimenea 47

3.5.7 Medidores misceláneos 49

3.6 Resumen de la auditoría energética de las calderas 54

3.7 Reporte final de la auditoria 58


ESIQIE IPN

CAPÍTULO IV. NUEVAS TECNOLOGÍAS EN AUDITORÍAS PARA CALDERAS DE UNA

REFINERIA DE PETRÓLEO 61

4.1 Importancia de las auditorías en calderas 61

4.1.1 Generación de vapor 62

4.1.2 Consumo de vapor 63

4.1.3 Retorno de condensado 64

4.2 Material necesario para la realización de auditorías 64

4.3 Nuevas tecnologías en auditorias de calderas 65

4.3.1 Aplicaciones de los ensayos no destructivos 66

4.3.1.1 Ensayo no destructivo por método de ultrasonido 67

4.3.1.2 Ensayo no destructivo por método de partículas magnéticas 69

4.3.1.3 Ensayo no destructivo por método de líquidos penetrantes 72

4.3.1.4 Ensayo no destructivo por método de réplicas metalográficas 79

4.3.1.5 Ensayo no destructivo por métodos radiográficos 80

4.3.1.6 Ensayo no destructivo por método de video endoscopía 83

4.4 Analizador de los gases de combustión y cámaras termográficas 84

4.5 Ejemplo práctico de ensayos no destructivos en calderas 85

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 90

REFERENCIAS 92

ANEXO 95

RELACIÓN DE FIGURAS Y TABLAS

ESIQIE-IPN Página i

RELACIÓN DE FIGURAS

Figura Descripción Página

1.1

Esquema a Resumen del Problema energético

2

1.2 Esquema de Instalación de vapor 3

1.3 Sistema de Generación 4

1.4 A Sistema de Distribución 4

1.4 B Equipos finales de proceso 5

1.5 Esquema General de Refinación

7

1.6 Unidad de Destilación 9

1.7 Unidad de Destilación al vacío 10

1.8 Unidad de Desintegración Catalítica Fluida 11

1.9 Unidad de Tratamiento con Amina 12

1.10 Unidad de Recuperación de Azufre 13

2.1 Sistema de Generación y Distribución de vapor 15

2.2 Entradas y salidas de la caldera 17

2.3 Partes principales de una caldera 18

2.4 Puerta del hogar 19

2.5 Cámara de vapor, agua y alimentación de agua 22

2.6 Clasificación de las calderas 22

2.7 Acuotubulares 23

2.8 Pirotubulares 23

2.9 Tiro natural 24

2.10 Tiro Presurizado 24

2.11 Tiro equilibrado 24


ESIQIE-IPN Página ii

2. 12

Tipo Manual

25

2.13 Tipo semiautomático 25

2.14 Tipo automático 25

3.1 Instrumentación para calcular la eficiencia de la caldera por el

método directo

40

3.2 Instrumentación para calcular la eficiencia de la caldera por el

método indirecto

41

3.3 Esquema de la medición de la presión del hogar

46

3.4 Esquema del sistema de muestreo de los productos de la combustión 46

4.1 Incrustaciones en el lado agua de la caldera 62

4.2 Esquema de elementos piezoeléctricos. 68

4.3 Esquema de generación por método magnetoestrictivo 68

4.4 Esquema de un equipo de rayos X 82

4.5 Endoscopia 83

4.6 Analizador de gases de combustión 84

4.7 Cámara termográfica 86

4.8 Video endoscopia en el Domo 87

4.9 Video endoscopia en el Hogar 87

4.10 Inspección visual en serpentines 88

4.11 Inspección visual en serpentines 89


ESIQIE-IPN Página iii

RELACIÓN DE TABLAS

Tabla Descripción Página

3.1

Tipos de Auditoría

29

3.2 Objetivos y Alcances 30

3.3 Aplicación 30

3.4 Hoja de Datos de monitoreo de la caldera 37

3.5 Sistemas de medición 43

3.6 Aparatos de medición

44

3.7 Rango típico de emisiones de 48

3.8 Programa de auditoría 60


ESIQIE-IPN Página iv

RESUMEN

Las auditorías en los sistemas de vapor, principalmente en las calderas, son una

herramienta eficaz que permiten identificar los escenarios donde el consumo energético se

realiza de forma ineficiente, estableciendo además las posibles mejoras de índole técnica,

organizativa y ambiental, encaminadas al ahorro de energía del sistema, mediante un

análisis técnico, principalmente de los componentes o grupos de componentes del sistema

generador y se basa en los datos de operación existentes.

Este trabajo está enfocado principalmente a exponer las nuevas tecnologías

utilizadas en auditorías de calderas, las cuales buscan mejorar los procedimientos llevados a

cabo en la operación de las calderas industriales en una refinería de petróleo. El primer

capítulo muestra un panorama general del uso de vapor en la industria, así como también

los procesos que involucran vapor en una refinería de petróleo.

El capítulo segundo describe un sistema de vapor en general las partes de una

caldera industrial y sus tipos, seguido de las calderas instaladas en la industria petrolera.

En el capítulo tercero se detalla la metodología de la auditoría en las calderas

industriales, en la cual destaca la inspección de la caldera, procedimientos de prueba,

métodos de medición y equipo, y parámetros que afectan al medio ambiente.

Finalmente, en el capítulo cuarto se presentan las nuevas tecnologías y su aplicación

en auditorías para calderas de una refinería de petróleo.

Es necesario hacer conciencia que los ahorros potenciales de energía pueden

llevarse a cabo por medio de una auditoría energética en sistemas generadores de vapor y

que por lo tanto las nuevas tecnologías en auditoría juegan un papel muy importante dentro

de cualquier industria.

Con el desarrollo de nuevas tecnologías y una mejor comprensión de los aspectos de

la operación de las calderas, se obtendrá un rendimiento máximo y se evitarán las posibles

fuentes de calor no aprovechadas. De la misma manera corregir problemas y dar solución a

las deficiencias de estos sistemas, reducirán costos operacionales, y por la vía de la

optimización de estos sistemas, mejorar la competitividad de las empresas nacionales.


ESIQIE-IPN Página v

INTRODUCCIÓN

La tendencia del encarecimiento de los combustibles que se utilizan actualmente en

la industria para producir, particularmente, energía calorífica, ha desarrollado el uso de

técnicas y sistemas que por una parte aumenten la eficiencia de los procesos y por otra

reduzcan significativamente los consumos de combustible. Una de las partes principales en

la operación de las industrias lo representan los sistemas generadores de vapor, por esta

razón, el presente trabajo enmarca las tecnologías utilizadas en la actualidad para llevar a

cabo una auditoría en los sistemas de vapor de una refinería de petróleo.

Las auditorías energéticas que se han venido realizando en la industria petrolera en

los últimos años, ponen de manifiesto el potencial ahorro energético. Como resultado de las

mismas, ya se han puesto en marcha una serie de actuaciones encaminadas a alcanzar las

mayores eficiencias energéticas en sus centros de trabajo.

En este sentido, el actual modelo energético, basado en generar la energía a

cualquier precio para satisfacer una demanda creciente, es insostenible para cualquier

sociedad desarrollada. La preocupación por preservar el medio ambiente y aumentar el

grado de autoabastecimiento energético, han llevado a los países a orientar sus políticas

energéticas hacia una reducción del consumo de energía, incentivando el ahorro y su

eficiencia.

Las mejoras en eficiencia energética incluyen todos los cambios que conllevan una

reducción de la cantidad de energía para un mismo nivel de actividad, teniendo en cuenta la

satisfacción de los requerimientos de la sociedad actual de llevar asociado el menor costo

económico, energético y ambiental posible para nuestro territorio.

Los parámetros que deben ser cubiertos durante la auditoría, se establecen de

acuerdo a normas y bases comunes de referencia para el análisis y cuantificación de las

medidas de ahorro energético, incluidas en los estudios que se realicen en el sector

industrial, garantizando además la eficiencia en los resultados derivados de su

implementación, así como su confiabilidad.

I. GENERALIDADES

ESIQIE-IPN Página 1

CAPÍTULO I

GENERALIDADES

La energía es un recurso vital en la actividad industrial y como tal debe ser

considerado en la planificación, dirección y seguimiento por parte de la empresa. El ahorro

y uso eficiente de la energía es el eje central de la estrategia en cualquier programa de

ahorro de energía.

La experiencia en la aplicación de programas de ahorro de energía ha demostrado

que con el incremento de la eficiencia energética se obtienen beneficios económicos

adicionales a la reducción en el costo de la energía, junto con la posibilidad de incrementar

la producción y la reducción de emisiones contaminantes. Una auditoría energética consiste

básicamente en el análisis de la situación a lo largo de un periodo de tiempo dado, con el

fin de determinar cómo y dónde se utiliza la energía en sus distintas formas [1].

El vapor de agua es uno de los medios de transmisión de energía calórica de mayor

efectividad en la industria, se estima que este servicio es utilizado por el 95% de las

industrias como medio de calentamiento, por su fácil generación, manejo y bajo costo

comparado con otros sistemas [2].

Tradicionalmente las auditorías en sistemas de vapor han centrado sus esfuerzos en

aumentar o mejorar la eficiencia energética de los generadores térmicos y equipos de

proceso (hornos, secadores, motores eléctricos, entre otros.) y, en ocasiones, de las redes de

distribución, por lo que se han implementado nuevas metodologías que permitan abordar de

forma estructurada cada uno de estos aspectos, mediante una secuencia que garantice la

mejora de forma conjunta sin dejar a un lado algunos de sus aspectos esenciales.

Lo anterior propone mejorar de una manera práctica, rápida y objetiva, los procesos

en la industria y conocer las nuevas herramientas existentes para realizar auditorías en

calderas. De manera que las nuevas tecnologías utilizadas para realizarlas, juegan un papel

fundamental. Para ello, se evalúa energéticamente el funcionamiento de la instalación, se

analizan las posibles mejoras del proceso o equipos y se determinan las inversiones a

realizar y sus periodos de retorno, proponiendo la implantación de aquellas medidas de

ahorro y eficiencia energética más apropiadas.

I. GENERALIDADES


1.1 EL PROBLEMA ENERGÉTICO

El problema energético y medioambiental que existente a nivel mundial, se

manifiesta a través de un horizonte finito y cercano para los combustibles no renovables y

el calentamiento del planeta a través del efecto invernadero. Esto ha llevado a las diferentes

administraciones a implementar políticas energéticas dirigidas a fomentar el uso racional de

la energía y la eficiencia energética como se muestra en la Figura 1.1.

Figura 1.1 Esquema a Resumen del Problema energético

Así, la estrategia global y local en el ámbito energético a desarrollar en cualquier

país o región, debe primar el ahorro de energía, por su efecto favorable sobre el medio

ambiente y de la economía de la empresa.

Las auditorías energéticas constituyen un instrumento de primer orden para hacer

posible que el potencial ahorro energético del sector industrial de los países pueda ser

ejecutado. En el sector industrial, estas auditorías persiguen un triple objetivo:

1. Adecuar los consumos reales de la planta, revisando los equipos, los procesos y

garantizando un buen mantenimiento de las instalaciones.

2. Reducir las pérdidas de energía, introduciendo nuevas tecnologías que aumenten la

eficiencia del consumo energético.

3. Aprovechar las corrientes residuales y optimizar la operación de los servicios

energéticos.

I. GENERALIDADES


La eficiencia energética, el ahorro y la diversificación de energía, el aprovechamiento de

energías residuales y de las energías renovables, tienen como principal objetivo obtener un

rendimiento energético óptimo para cada proceso o servicio en el que su uso sea

indispensable, sin que ello signifique una disminución de la productividad, calidad o del

nivel de confort del servicio.

1.2 EL USO ENERGÉTICO INDUSTRIAL

1.2.1 INSTALACIONES TÉRMICAS EN LA INDUSTRIA

La industria requiere de una gran cantidad de energía térmica y eléctrica para llevar

a cabo sus procesos productivos. La energía se utiliza como un recurso necesario e

insustituible para elaborar los productos con las calidades exigidas. Por tanto, como

cualquier otro servicio habrá que adquirirlo o transformarlo, adecuándolo a las necesidades

de su utilización; transportarlo a los puntos de consumo y, por último, posibilitar su uso

final por los consumidores. Además, puesto que la energía no se destruye, habrá que

recuperar la energía residual que quede tras su uso.

En el caso de la energía térmica, ésta es llevada a los procesos por medio de los

fluidos caloportadores*, que tomando la energía térmica del combustible, a través del

sistema de generación, la transportan y transfieren para su consumo en los equipos de

proceso como se muestra en la Figura 1.2.

Figura 1.2 Esquema de Instalación de vapor

*Fluido caloportador: Líquido o gas que absorbe o cede energía calorífica en sistemas de calefacción.

I. GENERALIDADES


1.2.2 SISTEMA DE GENERACIÓN

La energía llega a la planta en forma de combustible líquido, sólido o gaseoso y se

consume directamente en los equipos de generación térmica (Figura 1.3):

• Calorífica: Si en ellos se produce un calentamiento de fluidos caloportadores, como por

ejemplo las calderas de vapor, de agua sobrecalentada y agua caliente o los hornos de aceite

térmico.

• Frigorífica: Son aquellos sistemas en los que se realiza el enfriamiento de fluidos

caloportadores, como por ejemplo las torres de enfriamiento o las plantas frigoríficas.

Figura 1.3 Sistema de Generación

1.2.3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

Los equipos de generación producen el calentamiento o enfriamiento de fluidos

caloportadores (agua, vapor, aceite térmico, entre otros.) que han de ser distribuidos en la

fábrica hasta los puntos de consumo finales como lo indica la Figura 1.4 A.

Figura 1.4 A Sistema de Distribución

I. GENERALIDADES


La importancia en el mantenimiento de estas redes de distribución es crucial, pues

sus ineficiencias implican aumentos en el consumo de energía, dado que son directamente

pérdidas de esa energía ya transformada.

1.2.4 EQUIPOS FINALES DE PROCESO

Se podría entender por equipos de proceso (Figura 1.4 B) los consumidores últimos

directos de energía, los cuales la requieren para realizar transformaciones sobre el producto

procesado (reactores, hornos de proceso, secaderos, columnas de destilación, evaporadores

de simple o múltiple efecto) o su calentamiento o enfriamiento (intercambiadores de calor).

Los requerimientos térmicos de los equipos de proceso, a través de la red de

distribución (vapor, agua caliente o fría), podrían ser satisfechos mediante el uso de

corrientes residuales del proceso, disminuyendo así la demanda energética [3].

Figura 1.4 B Equipos finales de proceso

1.3 CALDERAS EN LA INDUSTRIA PETROLERA

1.3.1 PROCESOS QUE CONSTITUYEN UNA REFINERÍA

Una refinería moderna debe contar con infraestructura suficiente para mantener la

continuidad de su operación, es decir, tener flexibilidad para realizar mantenimientos. Los

principales procesos (Figura 1.5) que conforman una refinería son [4]:

Destilación combinada primaria y vacío: La función de estos procesos es descomponer o

separar el petróleo crudo en sus diferentes componentes por medio de destilación

atmosférica y al vacío.

I. GENERALIDADES


Coquización: El propósito principal de esta planta es procesar el residuo de vacío para

obtener productos de mayor valor agregado como gas, gasolina y gasóleos.

Hidrodesulfuración de gasolina: La función de este proceso es eliminar de la gasolina el

contenido de productos indeseables como azufre y nitrógeno.

Hidrodesulfuración de nafta catalítica: El objetivo de este proceso es disminuir el

contenido de azufre por debajo de 15 partes por millón de la gasolina catalítica producto.

Hidrodesulfuración de gasóleos de coquización y de vacío: La función principal de este

proceso es disminuir el contenido de azufre en el diesel y en el gasóleo producto.

Recuperación de Azufre: La función principal de este proceso es la recuperación del

azufre de los gases ácidos.

Reformación catalítica. La función principal de este proceso es la obtención de gasolina

reformada de alto octano.

Isomerización de pentanos y hexanos. El propósito de este proceso es incrementar el

índice de octano de la gasolina de carga.

Alquilación. Este proceso se utiliza para la obtención de gasolina (alquilado) de alto

octano.

Craqueo catalítico: El craqueo catalítico es el proceso de la refinería más importante y

más ampliamente utilizado para la conversión de aceites pesados en gasolina y productos

más ligeros.

Reducción de viscosidad. Proceso relativamente moderado de eliminación de carbón, con

el cual se incrementa el rendimiento de destilados intermedios y de destilados ligeros

aunque en menor grado.

I. GENERALIDADES


DIAGRAMA GENERAL DE UNA REFINERÍA

Fig

ura

1.5

Esq

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Ref

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ón

I. GENERALIDADES


1.3.2 PROCESOS QUE INVOLUCRAN VAPOR

Hay un conjunto de procesos que no están directamente implicados en la producción

de combustibles pero que tienen una misión auxiliar. Estos son los sistemas de producción

de vapor, sistemas de refrigeración y otros servicios generales (distribución de corriente

eléctrica, aire de instrumentación, agua potable, agua de servicio contra incendio,

alcantarillas, colectores de residuos, entre otros.) [5].

Los principales procesos que involucran vapor dentro de una refinería se muestran a

continuación:

Destilación combinada primaria y vacío: Aunque normalmente las columnas de

destilación no utilizan hervidores, generalmente se incorporan varios platos por

debajo de la zona de alimentación, introduciéndose vapor por el fondo de la

columna para reducir la presión parcial de los hidrocarburos disminuyendo así la

temperatura requerida para la vaporización como se muestra en la Figura 1.6 y 1.7.

Craqueo catalítico: En el proceso de craqueo catalítico de lecho fluidizado se

emplea un catalizador en forma de partículas muy finas que se comportan como un

fluido cuando se airean con vapor (Figura 1.8).

Unidad de tratamiento de gas con aminas: La unidad de tratamiento de gas con

aminas elimina los gases ácidos (sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono) de las

corrientes gaseosas de la planta de gas. Este proceso utiliza vapor en el fondo del

regenerador (Figura 1.9).

Planta de recuperación de azufre: Para satisfacer las normas sobre medio ambiente,

se debe recuperar al menos 98% del azufre de los gases ricos en sulfuro de

hidrógeno. En este proceso se utiliza una caldera recuperadora de calor para

aprovechar la energía generada en la reacción entre el gas ácido de la planta de

amina, gas amargo del agotador de agua amarga y aire. El vapor producido podrá

ser utilizado en otros procesos (Figura 1.10).

I. GENERALIDADES


Fig

ura

1.6

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ón

I. GENERALIDADES


Figura 1.7 Unidad de Destilación al vacío

I. GENERALIDADES


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I. GENERALIDADES


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I. GENERALIDADES


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e

II. SISTEMAS DE MANEJO DE VAPOR


CAPÍTULO II

SISTEMAS DE MANEJO DE VAPOR

El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para

proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materias primas a

productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el

control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta

situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la

competitividad y sustentabilidad de la empresa.

En México, la tercera parte de la energía utilizada a nivel nacional, es consumida

por la industria, y de ésta, cerca del 70% proviene de combustibles fósiles, distribuidos en

la forma siguiente: el gas natural como principal recurso (50%), seguido por el combustóleo

(21%) y el coque (11%). Este requerimiento energético demandado por la industria lo

conforman principalmente los sistemas de combustión directa, como son los calentadores a

fuego directo y calderas, donde estas últimas se utilizan para la generación de vapor, el cual

se requiere para suministrar trabajo mecánico y calor a los procesos [6].

El vapor es generado en una caldera a partir de la utilización de un combustible,

generalmente un derivado del petróleo o biomasa, como medio aportante de energía, para

transformar el agua en vapor a determinada presión y temperatura. Luego de ser generado y

debido a su presión puede ser transportado al equipo o proceso consumidor sin necesidad

de utilizar algún medio mecánico como una bomba.

El vapor también puede ser utilizado para generar trabajo, aprovechando la presión

del vapor generado en la caldera para producir movimiento. Para el primer caso la

aplicación más común es un intercambiador de calor y para el segundo caso una locomotora

(pistón) o turbina de vapor para generar electricidad.

A parte de ser fácil de transportar por medio de una red de tuberías, el vapor es un

excelente medio de transporte de energía, aunque también presenta algunas limitantes como

la generación de condensado en las redes, en muchas ocasiones con problemas de

corrosión.



Adicionalmente el agua con que se genera el vapor debe presentar determinadas

características en cuanto a calidad, siendo necesario adecuarla utilizando sustancias

químicas.

Cuando se estudian sistemas donde se utiliza vapor es indispensable conocer la

manera como este se usará, es decir, emplearlo como medio de transporte de energía de un

lugar a otro, o para producir trabajo. También es necesario conocer el tipo de caldera en la

que se produce el vapor.

2.1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE VAPOR

La Figura 2.1 muestra un sistema de generación y distribución de vapor cuyas partes

principales se describen a continuación [7].

Figura 2.1 Sistema de Generación y Distribución de vapor

Un sistema típico de vapor está constituido por tres secciones, las cuales conforman

un ciclo. La primera sección corresponde a la Generación. Durante esta etapa, en la caldera,

se aplica calor al agua de alimentación para elevar su temperatura. Después de que el agua

se ha evaporado, pasa a la segunda etapa del ciclo de vapor: Distribución. Esto es

simplemente el movimiento del vapor de agua en un sistema cerrado a su punto de

consumo. Finalmente la tercera y última sección que completa el ciclo de vapor es el

Retorno del condensado.



2.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN PARA LA

CALDERA

La calidad del agua de alimentación a la caldera repercute directamente sobre el

buen funcionamiento de la misma, así como sobre la vida de muchos de los elementos que

forman el equipo generador de vapor.

Control de la calidad del agua:

A continuación se presentan las variables más importantes que se deben de controlar

en el agua de la caldera:

Concentración de gases no condensables

Sólidos disueltos totales (STD)

Dureza

PH

Alcalinidad

Conductividad eléctrica

2.1.2 GENERACIÓN DE VAPOR

La generación de vapor corresponde a la primera sección del sistema de vapor, en

donde el equipo clave es la caldera. La función de las calderas es el de producir vapor o

calentar agua a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor a la

atmosférica.

Las calderas forman parte de los equipos más utilizados por la industria y estos son

los responsables del mayor porcentaje de consumo de combustibles; por lo tanto,

mantenerlos trabajando a una buena eficiencia reditúa en beneficios importantes para las

empresas.

En la Figura 2.2 se presenta un diagrama de la caldera en donde se muestra las

corrientes de entrada y de salida tanto de materia como de energía.



Figura 2.2 Entradas y salidas de la caldera

2.1.3 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR Y RETORNO DE

CONDENSADOS

El tipo de corrosión más común en estos sistemas es la causada por el dióxido de

Carbono ( . El entra al sistema con el agua de alimentación en forma de sales de

carbonato o bicarbonato (alcalinidad) que cuando se pone en contacto con el agua interior

de la caldera a alta temperatura, estos compuestos se rompen formando dióxido de carbono

que es transportado por el vapor y se absorbe en las tuberías y equipos que forma el sistema

de condensados, transformándose en ácido carbónico ( ) [8].

2.2 CALDERAS

Una caldera es un recipiente cerrado en el cual el agua, bajo presión, es

transformada en vapor por la aplicación de calor. Los recipientes abiertos y aquellos que

generen vapor a presión atmosférica no son considerados calderas. En el quemador la

energía química en el combustible es convertida en calor, y es la función de la caldera

transferir este calor al agua de la manera más eficiente [9].



2.2.1 PARTES PRINCIPALES DE UNA CALDERA

Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de partes características,

es muy difícil atribuir a todas ellas un determinado componente. Debido a lo anterior se

analizarán las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada

caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento (Figura 2.3)

Figura 2.3 Partes principales de una caldera [10].

Hogar: Es el espacio donde se quema el combustible. Se le conoce también con el

nombre de " Cámara de Combustión". Los hogares se pueden clasificar según:

a) Su ubicación

-Hogar exterior

-Hogar interior

b) El tipo de combustible

-Hogar para combustible sólido

- Hogar para combustible liquido

- Hogar para combustible gaseoso

c) Su construcción.

- Hogar liso

- Hogar corrugado

Puerta del hogar: Como se muestra en la Figura 2.4 es una pieza metálica,

abisagrada, revestida generalmente en su interior con refractario o de doble pared,

por donde se alimenta el combustible al hogar y se hacen las operaciones de control

del fuego. En calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta

es reemplazada por el quemador.



Figura 2.4 Puerta del hogar

Parrillas (emparrillado): Son piezas metálicas en forma de rejas, generalmente

rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del fogón y que sirven de

soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el

paso del "aire primario" que sirve para que se produzca la combustión. Las parrillas

deben adaptarse al combustible y deben cumplir principalmente los siguientes

requisitos:

- Permitir convenientemente el paso del aire

- Permitir que caiga la ceniza

- Permitir que se limpien con facilidad y rapidez

- Impedir que se junte escoria

- Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se quemen o deformen.

- Ser durables.

Cenicero: Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las

cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente

para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas

calderas el cenicero es un depósito de agua.

Puerta del cenicero: Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza

del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada

del aire primario al hogar. Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar,

se recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objetivo de evitar el

retroceso de la llama.



Altar: es un pequeño muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar, en el

extremo opuesto a la puerta del hogar y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a

ésta en aproximadamente 30 cm.

Los objetivos del altar son:

- Impedir que al avivar, cargar o atizar los fuegos arrojen partículas de combustibles o

escoria al primer tiro de los gases.

- El altar forma también el cierre interior del cenicero.

- Imprimir a la corriente de aire de la combustión una distribución lo más uniforme posible

y una dirección ascensional vertical en todo el largo y ancho de las parrillas.

Mampostería: Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o

comunes que tienen como objeto:

a) Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor y

b) Guiar los gases y humos calientes en su recorrido

Para que la mampostería sea un mejor aislante se dispone a veces en sus paredes de

espacios huecos (capas de aire) que dificultan el paso del calor. En algunos tipos de

calderas, se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente

aislación térmica en el cuerpo principal y cajas de humos. Para este objeto se utilizan

materiales aislantes tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas y asbestos.

Conductos de humo: Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases

calientes de la combustión. De esta forma se aprovecha el calor entregado por éstos

para calentar el agua y/o producir vapor.

Caja de humo: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos

y gases, después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.

Chimenea: Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión para la

atmósfera. Además tiene como función producir el tiro necesario para obtener una

adecuada combustión.



Regulador de tiro o templador: Consiste en una compuerta metálica instalada en el

conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma y

que tiene por objeto dar mayor o menor paso a la salida de los gases y humos de la

combustión. Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular

la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al

cerrar) el caudal. Generalmente se usa en combinación con la puerta del cenicero.

Tapas de registro o puertas de inspección: Son aberturas que permiten inspeccionar,

limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos, dependiendo de su tamaño:

- Las puertas hombre (manhole). Por sus dimensiones permite el paso de un hombre al

interior de la caldera.

- Las tapas de registro (handhole). Por ser de menor tamaño sólo permiten el paso de un

brazo.

Puertas de explosión: Son puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas

generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la

cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión.

Cámara de agua: Es el espacio o volumen de la caldera ocupado por el agua. Tiene

un nivel superior máximo y uno inferior mínimo bajo el cual, el agua, nunca debe

descender durante el funcionamiento de la caldera.

Cámara de vapor: Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior

máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. Mientras

más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta

cámara. En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua

que lleva en suspensión- Por esta razón algunas calderas tienen un pequeño cilindro

en la parte superior de esta cámara, llamado " domo" y que contribuye a mejorar la

calidad del vapor.

Cámara de alimentación de agua: Es el espacio comprendido entre los niveles

máximo y mínimo de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra

ocupada por vapor y/o agua, según sea donde se encuentre el nivel de agua (Figura

2.5).



Figura 2.5 Cámara de vapor, agua y alimentación de agua

2.2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Las calderas se clasifican según diferentes criterios: la disposición de los fluidos, la

configuración, el tipo de combustible que utilizan, el tipo de tiro, el modo de controlar la

operación y el número de pasos como se muestra en la Figura 2.6

Figura 2.6 Clasificación de las calderas [2].

2.2.2.1 POR LA DISPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS

En las calderas Acuotubulares (Figura 2.7) el agua circula por dentro de los tubos y

los gases que transfieren la energía al agua se encuentran circundando los tubos. Son de

bajo costo, simplicidad de diseño, exigen menor calidad del agua de alimentación, son

pequeñas y eficientes, pero necesitan mayor tiempo para responder a caídas de presión o

para entrar en funcionamiento. De acuerdo con la presión se pueden subdividir en calderas

de baja presión (0-20 bar), media presión (20-60 bar) y alta presión (60-150 bar).



En las calderas Pirotubulares (Figura 2.8) los gases circulan por dentro de los tubos

y transfieren su energía al agua que circunda los tubos. Pueden ser puestas en marcha

rápidamente, operan a presiones mayores a 20 bar, pero son de mayor tamaño, peso y costo,

además deben ser alimentadas con agua de gran pureza. De acuerdo con la presión se

pueden subdividir en calderas de baja presión (0-4 bar), media presión (4-10 bar) y alta

presión (150-300 bar).

Figura 2.7 Acuotubulares Figura 2.8 Pirotubulares

2.2.2.2 POR SU CONFIGURACIÓN

De acuerdo con la forma en que estén dispuestas se clasifican en Verticales y

Horizontales. Generalmente las calderas verticales presentan eficiencias menores a las de

configuración horizontal, debido a que la temperatura de los gases es alta.

2.2.2.3 POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE

De acuerdo con el tipo de combustible las calderas se clasifican en las que utilizan

combustibles sólidos, como carbón, bagazo o material vegetal. Estas son complejas de

operar por la forma de alimentar el carbón, generan cenizas y suciedad y son de difícil

control de la combustión. Su principal ventaja es que los combustibles son de bajo precio o

en algunos casos gratis, por tratarse de subproductos de un proceso como por ejemplo el

bagazo de caña de azúcar en la industria azucarera. Las de combustible líquido utilizan

crudos livianos o pesados que deben ser atomizados para facilitar la mezcla con el aire al

momento de darse la combustión.



Las calderas de combustible gaseoso como gas natural son de fácil control de

combustión y requieren menos frecuencia de mantenimiento, pero generalmente son más

costosas de operar por el costo del combustible, además requieren mayores cuidados por

tratarse de combustibles bastante explosivos. Su transporte se realiza por la propia presión

del sistema lo que evita la presencia de piezas o elementos en movimiento.

2.2.2.4 POR EL TIRO

De acuerdo con la forma como ingresa el aire de combustión y la salida de los gases

a las calderas se clasifican en las de tiro natural (Figura 2.9), en las que la entrada y salida

del aire de combustión y los gases no son asistidas por ventiladores, sino que el flujo de

ellos se da por circulación natural debido a la diferencia de densidad de estos fluidos.

Las presurizadas (Figura 2.10), son aquellas que tienen un ventilador de tiro forzado

para inyectar el aire de combustión al hogar, pero los gases producto de la combustión salen

por la presión generada en el hogar.

Las de tiro equilibrado (Figura 2.11) son aquellas que tienen un ventilador de tiro

forzado que inyecta aire de combustión y un ventilador de tiro inducido que extrae los

gases de combustión de la cámara, manteniendo la presión del hogar ligeramente negativa

(presión de succión).

Figura 2.9 Tiro natural Figura 2.10 Tiro Presurizado

Figura 2.11 Tiro equilibrado



2.2.2.5 POR EL MODO DE CONTROLAR LA OPERACIÓN

De acuerdo con el tipo de control y la manera como se suministra el combustible las

calderas pueden ser de tipo manual, semiautomático y automático. En las de tipo manual

(Figura 2.12) la alimentación de carbón es realizada por un operario de forma irregular de

acuerdo con la señal de presión de la caldera, es decir cuando la presión cae más allá de un

valor mínimo determinado, indica que la planta está demandando vapor y que requerirá

alimentación de combustible para mantener la presión de operación del sistema. El control

sobre la combustión es casi nulo y generalmente presentan baja eficiencia térmica.

Las de tipo semiautomático (Figura 2.13), requieren la asistencia de un operario

para alimentar tolvas, estas a su vez entregan a la caldera el combustible de acuerdo a la

demanda de vapor de los procesos productivos. Presentan mejor eficiencia térmica que la

manuales, pero requieren una mayor inversión inicial.

Las de tipo automática (Figura 2.14), en operación normal no requieren de la

asistencia de operarios.

Figura 2.12 Tipo Manual Figura 2.13 Tipo semiautomático

Figura 2.14 Tipo automático



2.3 CALDERAS EN LA INDUSTRIA PETROLERA

Las calderas utilizadas en la industria de la refinación de petróleo son de tipo

pirotubulares las cuales suministran aproximadamente de 200 ⁄ a 300

⁄ de

vapor con una eficiencia del 85%-89% de acuerdo a la ASME Power test code, Código

PTC para pruebas de potencia en unidades de generación de vapor, y eficiencia en calderas

de Council of Industrial Boiler Owners, Energy Efficiency Handbook (Anexo A Calderas

instaladas en Pemex Refinación) [11].

A pesar del uso de combustibles convencionales, como carbones, fuel-oil o gas

natural, la industria de la refinación de petróleo en México se ha preocupado por el uso de

calderas que utilicen diversos combustibles alternativos como hullas, lignitos, antracita,

coque, residuos forestales, residuos urbanos e industriales, gases pobres y muchos otros

subproductos que aseguran tener una fuente de energía segura y económica [12].

Es así que las calderas instaladas en las refinerías del país emplean distintas calderas

que se ajustan a las condiciones de vapor demando siguiendo las normas de protección al

medio ambiente [13].

III. METODOLOGÍA DE AUDITORÍA EN SISTEMAS DE VAPOR (CALDERAS)


CAPÍTULO III

METODOLOGÍA DE AUDITORÍA EN SISTEMAS DE VAPOR

(CALDERAS)

Por definición y en forma general, una auditoría energética proporciona un

diagnóstico del estado energético de un equipo, un proceso, una planta e incluso una

perspectiva industrial de un país. El objetivo de la auditoría energética es determinar cuanta

energía se suministra, cuanta es teóricamente necesaria, cuanta en realidad se utiliza o se

transforma en trabajo y cuánta se desperdicia, detectando donde, como y cuanto se

consume con el fin de implantar medidas de corrección, control y comparación, que

permitan el uso eficiente de la energía.

Para lograr el objetivo anterior, el consumo óptimo de la energía resulta de una serie

de estudios basados en balances de materia y energía (de exergía principalmente), análisis

entálpicos y entrópicos y, en algunos casos, de simulaciones de proceso.

3.1 TIPOS DE AUDITORÍAS

Una regla general es que una auditoría energética provee de beneficios adicionales

para cualquier planta construida 5 o más años antes, cuando la Ingeniería Económica no

tenía el impacto que obtiene hoy en día [14]. La Auditoría puede ser de tres tipos:

Auditoría de Primer Grado:

Consiste en la inspección visual del estado de conservación de las instalaciones y en

el análisis de los registros de operación y mantenimiento que rutinariamente se llevan en

cada instalación. Al realizar este tipo de auditoría se deben anotar los detalles que se

detectan a simple vista y se consideran como desperdicios de energía, como fugas de vapor,

falta de aislamiento, mala combustión, equipos que operan innecesariamente, entre otros.

En este tipo de auditoría no se buscar efectuar un análisis exhaustivo del uso de la energía,

sino detectar las posibilidades de ahorro de aplicación inmediata y de nula o baja inversión.

Auditoría de segundo grado:

También se conocen como auditoría de campo y es más completa que la anterior, ya

que en ella se incluye información sobre el consumo de energía por cada actividad; así



como individualmente por equipo. Con los datos obtenidos se elaboran balances de materia

y energía evaluándose la eficiencia con la que se usa la energía en las áreas sustantivas.

Para realizar este tipo de auditoría es conveniente contar con la adecuada instrumentación y

control para comparar los valores de diseño y determinar las variaciones en la eficiencia;

sin embargo es conveniente mencionar que en caso necesario pueden efectuarse

estimaciones basadas en cálculos de ingeniería.

Auditoría de tercer grado:

Este tipo de auditoría requiere un estudio más profundo de las condiciones de

operación y una base de datos más precisa, por lo que no se pueden admitir estimaciones

por falta de instrumentación.

Se requiere un análisis más exhaustivo, con la información completa de flujo de

balances de materia y energía, propiedades y condiciones de operación de las diferentes

corrientes. En esta auditoría es común el uso de toda la instrumentación en simuladores de

proceso con el fin de analizar la interrelación de equipos y procesos, y de evaluar los

efectos de los cambios de condiciones de operación en el consumo específico de energía.

Una vez identificados los potenciales ahorros energéticos y las fuentes de

desaprovechamiento, corresponde desarrollar una etapa en la que se proponen las diferentes

soluciones para corregir las desviaciones encontradas. Así se puede establecer un programa

de actividades en las que se distinguen las de carácter inmediato a corto, mediano y largo

plazo [15] [16].

En la Tabla 3.1 se mencionan las principales características de cada uno de los tres

tipos de auditorías. Los objetivos y los alcances se muestran en la Tabla 3.2 y se enlistan

los principales resultados obtenidos en la Tabla 3.3.

Cuando se desea aplicar una auditoría es importante planear con anticipación las

principales actividades a desarrollar, las áreas que se desean cubrir, las reuniones de

compendio, entre otros. En resumen elaborar un programa de auditoría que garantice el

orden, comunicación y el abarcar todas las áreas de consumo energético.



La fijación de indicadores es una herramienta de comparación necesaria que permite

saber si los consumos energéticos de las calderas se han visto reducidos o si pueden

reducirse aún más, sin el cambio en las condiciones de operación del sistema.

El objetivo de la auditoría en calderas es el de examinar las condiciones existentes

del quemador, hogar, sistemas de evaporación y las condiciones de la combustión para

detectar y eliminar las obvias fuentes de ineficiencia. El diagnóstico puede servir para la

preparación de programas más ambiciosos de mejoramiento de la eficiencia a través de las

modificaciones de operación y/o la adición de equipo recuperador de calor.

Tabla 3.1 Tipos de Auditoría

Características TIPO DE AUDITORIA

Primer Grado Segundo Grado Tercer grado

Objetivo Inspección y Registro Cuantificar Ingeniería

Alcances Enfatizar costos Incluir bases de Cálculo Constituir planes

Grupo auditor 3 Auditores incluyendo al

Ing. de planta.

4 Auditores incluyendo

un consultor.

4 Auditores incluyendo 2

consultores.

Duración 1 día. de 3-5 días de 4-16 semanas

Frecuencia Cada 6-12 meses Una cada año Cada 3 años

Costo/Beneficio 1/4.3 1/4.9 1/1.7

Preparación Visitas pre-auditoría no

necesaria.

Visitas pre-auditoría y

asambleas de lo que se va

a hacer.

Visitas pre-auditoría y

esquemas de lo que se va

a hacer.

Programa Frecuentemente por área. Reuniones de apertura y

clausura. Reuniones semanarias.

Reporte

Lista de descubrimientos

esperado una semana

después de la auditoría.

Costos base, esperado un

mes después de la

auditoría.

Sugerencias en

Ingeniería, esperado tres

semanas después de la

auditoría.

Aplicación de

Resultados

Define funciones de

responsabilidad.

Establece el

cumplimiento del

programa de

Administración

Energética.

Define completamente el

programa del Proyecto.



Tabla 3.2 Objetivos y Alcances

TIPO DE AUDITORIA

Primer grado Segundo grado Tercer grado

Objetivo

Revisar más áreas

energéticas y encontrar

nuevas oportunidades de

ahorro.

Identificar y cuantificar

mayores oportunidades de

ahorro energéticos.

Define, cuantifica, idea y

asigna prioridades para

todas las oportunidades de

ahorro.

Contabilizar el 70% de la

energía usada.

Cuantificar el 85% de la

energía usada.

Cuantificar el 90% de la

energía usada.

Obtener información

inmediata de la auditoría.

Obtener información más

detallada a la auditoría.

Grupo de proyectos sin

costo, y energía usada.

Alcances

Grupo de proyectos que

pueda profundizar de

inmediato y que requiere

de aprobación de alto

nivel.

Grupo de Proyectos cuya

naturaleza requieran

capital.

Desarrollar cálculos

detallados de ingeniería y

determinar el consumo de

energía y costos.

Poner de relieve costos de

energía totales e incentivos

económicos.

Perfilar nuevos caminos

en programas de

administración energética.

Establecer la necesidad e

iniciar planes de

capacitación.

Incluye recomendaciones

generales que involucran

todos los componentes del

proceso productivo.

Instituir y afinar los

detalles sin costo con

supervisores de

departamento de manera

inmediata.

Instituir recomendaciones

sin costo y con poca

inversión.

Tabla 3.3 Aplicación

TIPO DE AUDITORIA

Primer grado Segundo grado Tercer grado

Aplicación

Determina e informa

claramente y da

recomendaciones dentro de

un inventario (programa).

Determina e informa

responsabilidades de función y

establece un programa

detallado para proyectos de

capital.

Asigna el tipo de personal

para cada proyecto generado

en las recomendaciones.

Instituye la selección,

puesta en marcha y

mantenimiento de detalles

en ahorro energético.

Define necesidades de capital

para los siguientes dos años.

Determina programas

completos para posteriores

proyectos.

Decide cuándo y la

necesidad de una auditoría

de segundo o tercer grado.

Establece la frecuencia de

visita con un reporte de

sistema.

Define e informa las

necesidades de capital para

los siguientes 5 años.



3.2 METODOLOGÍA DETALLADA PARA REALIZAR AUDITORÍAS

ENERGÉTICAS

A continuación se presenta una metodología para realizar, en forma general una

auditoría energética [17].

1. Reunión de las partes que intervendrán en la auditoría.

Los temas a tratar serán:

a) Intención, alcance, objetivos.

b) Entrenamiento sobre los procesos de la auditoría.

c) Desarrollo de los criterios para la auditoría.

d) Selección de los sistemas en los que se pretenda realizar la auditoría.

2. Auditorías preliminares.

a) Realizar visitas de campo.

b) Análisis de los indicadores representativos para conocer en forma realista los usos

de la energía.

c) Estimación del potencial de ahorro a través de los indicadores anteriores por equipo

o sistema generador de vapor.

3. Auditoría Energética detallada: procesos claves intensivos en el uso de la energía.

4. Realización de la auditoría energética.

5. Identificación de las principales pérdidas.

6. Identificación de las opciones para ahorrar energía; tamaño y estimación del costo

de equipo.

7. Estimación de los ahorros de energía por año para cada opción.

8. Cálculo de la amortización de la inversión.

9. Verificar si el ahorro logrado es útil, sino es así repetir las etapas 6, 7 y 8.

10. Selección del sistema propuesto con mejor tasa de retorno de la inversión.

11. Jerarquización de los proyectos por monto del capital de inversión disponible.



12. Eliminación de los proyectos no justificables económica y técnicamente que no

reúnan una tasa interna de retorno mínima.

13. Clasificación de los proyectos económicamente factibles para todas las Auditorías

realizadas por el tipo de la tecnología utilizada.

14. Estimación de los tiempos para las inversiones y los ahorros de energía.

15. Impacto de las medidas tomadas.

16. Identificación del impacto de la conservación de energía en diferentes escenarios.

3.3 INSPECCIÓN DE LA CALDERA

Un aspecto importante a considerar y que esta aunado con la reducción en los

requerimientos de exceso de aire, es la reducción en las emisiones de óxidos de tipo ,

por lo que además de mejorar la eficiencia global de la caldera, se pueden conseguir

lineamientos que permitan la operación del sistema de acuerdo a las condiciones

ambientales de la localidad en el que esté la planta.

Aun cuando el equipo de la caldera se encuentre en malas condiciones de operación,

pueden lograrse condiciones “mejoradas” y la reducción en las emisiones de pueden

encontrarse bajo estos procedimientos de la inspección en las calderas. Sin embargo los

mejoramientos en la eficiencia de la caldera bajo un estado deteriorado del equipo pueden

ser menores si se encuentran en las apropiadas condiciones de trabajo. Para obtener los

máximos ahorros del combustible y las más bajas emisiones por la chimenea, es necesario

que sea examinada la condición de la caldera antes de realizar la auditoría y que sean

hechos los trabajos de mantenimiento correspondiente.

Algunos de los aspectos más comunes de inspección en calderas son:

3.3.1 QUEMADORES

Cuando se quema el aceite para producir el calor en la caldera, debe asegurarse de

que el atomizador es del diseño y tamaño apropiados para el tipo de aceite combustible y la

geometría del quemador. Los pasajes del aceite y los orificios del quemador deben ser

examinados por excesiva erosión y los depósitos de carbón deben ser eliminados para

asegurar un correcto flujo del combustible.



También deberán observarse las temperaturas en el quemador para saber si se está

trabajando a los niveles correctos de operación. Los difusores del quemador deberán ser

inspeccionados para asegurarse de que no se encuentren rotos y que estén apropiadamente

localizados con respecto al aceite combustible. El refractario del quemador debe estar en

buenas condiciones de tal forma que no se tengan fugas de calor.

Cuando se utiliza gas natural como combustible, conviene la inspección de los

orificios de inyección del gas y deberá verificarse que estos orificios no estén tapados. Los

filtros y las trampas de humedad deben estar limpios para prevenir el taponamiento en los

orificios del quemador.

Los componentes de los quemadores de carbón pulverizado, tales como los

pulverizadores, alimentadores, transportadores y los ductos de aire primario/secundario

deben trabajar adecuadamente. Todas las tuberías de carbón no deben de contener

depósitos, por lo que sería favorable su limpieza periódica.

3.3.2 CONTROLES DE COMBUSTIÓN

Todas las válvulas del combustible deberán ser inspeccionadas para verificar su

adecuado funcionamiento a la vez de asegurar que sus partes internas se encuentren

limpias. También deberán ser adecuadas las presiones en el suministro del combustible, así

como los reguladores de presión, para encontrar las presiones de salida de acuerdo a los

diversos tipos de velocidad de la combustión. El vapor de atomización o los sistemas de

aire de alimentación deberán desarrollar los flujos correctos de operación. Deberán ser

corregidos los elementos de control los cuales puedan fallar de acuerdo a las demandas de

vapor. Todos los manómetros deben de estar calibrados e identificados para prevenir que

ocurran problemas en la operación que ocasionen malas lecturas.

Hogar:

Es necesaria la inspección de las superficies de los tubos del lado de la caldera, para

prevenir los depósitos de incrustaciones que originarían problemas de operación. Esta

inspección es la más importante ya que repercute directamente en la eficiencia de la

caldera. Las malas condiciones de la combustión pueden ser las causas de los problemas

dados por los depósitos de la caldera, pero la correcta operación de los sopladores de hollín



deberá revisarse. La limpieza periódica de la superficie de los tubos puede ser una solución

práctica cuando los quemadores y los sopladores no estén trabajando en buena forma.

Deberán ser reparadas las fugas en los pasajes del gas en la caldera. El aislamiento y

los ladrillos refractarios deben ser cambiados si estos se encuentran fracturados. Las

observaciones de la apariencia de la flama es una parte esencial de la inspección o chequeo

de la caldera. Esta provee de una idea del funcionamiento del quemador, situación de las

paredes del hogar y los pasos de convección.

3.3.3 APARIENCIA DE LA FLAMA

La apariencia de la flama puede proveer de una buena indicación preliminar de las

condiciones de la combustión. Es difícil generalizar las características de una buena flama

ya que existe una cierta preferencia del operador y variaciones debido al diseño del

quemador. Son deseadas flamas cortas, brillantes y con alta turbulencia para combustibles

líquidos o de carbón pulverizado. Para combustible tipo gas se han encontrado flamas

azuladas y casi invisibles. Sin embargo la operación con bajas emisiones de óxidos de

nitrógeno ( a niveles reducidos de aire pueda dar como resultado una diferente

apariencia de la flama. También se desea la estabilidad de la flama en el quemador y una

mínima vibración del hogar. Una buena apariencia de la flama se encuentra con altos

niveles de operación de exceso de aire, más altos que el necesario por condiciones de

seguridad y de limpieza de la combustión.

Cuando la combustión se lleva a cabo con los más bajos niveles de aire, aproximadamente

se libera la misma cantidad de energía para una cantidad dada de energía calorífica de

entrada del combustible. Sin embargo este proceso puede tomar un largo periodo de tiempo

y requerir de un mayor volumen del hogar, antes de que el combustible sea completamente

quemado. El resultado de la combustión con bajo nivel de aire es una flama que puede tener

las siguientes características típicas:

a) Flamas que crecen en volumen y llenan más completamente el hogar.

b) Flamas que exhiben una floja apariencia remolinada. En lugar de intensidad, y de

flama altamente turbulentas, las flamas de bajo oxígeno parecen fluir más bajas a

través del hogar.



c) El color global de la flama puede cambiar cuando se reducen los niveles de aire. Las

flamas de gas natural llegan a ser más visibles o luminosas con partes amarillentas.

En cambio las flamas en donde se queman combustibles líquidos y sólidos, pueden

tener un color amarillo más obscuro, con respecto al anterior e incluso pueden ser

anaranjadas.

Estas características son contrarias a las condiciones de la flama tradicionalmente

deseadas por los operadores de la caldera para lograr un proceso de combustión limpio.

Mientras eso quizá parezca en desacuerdo, pueden encontrarse todavía, condiciones

seguras, integridad y bajas emisiones de óxidos de nitrógeno ( con la combustión con

bajo nivel de aire. También debe ser mencionado que, en muchos casos, la combustión con

un bajo nivel de aire, no produce necesariamente algún cambio drástico en la apariencia de

la flama.

3.3.4 MONITOREO DE LA CHIMENEA

Como se describió previamente, la apariencia de la flama puede cambiar con la

operación de bajas emisiones de óxidos de nitrógeno . La instrumentación de la

caldera y la chimenea deberán observarse cuidadosamente mientras se hacen las

correcciones necesarias. Si se tiene alguna duda, se deben verificar siempre los

combustibles no quemados monóxido de carbono ( ) en los gases de combustión. La

conducción de estas inspecciones puede requerir de una energía adicional así que los

controles y la instrumentación, la apariencia de la flama y las condiciones en la chimenea

deben ser monitoreados simultáneamente durante los ajustes. Todo el personal deberá estar

altamente familiarizado con los objetivos de esta inspección e instruido totalmente sobre su

participación en la prueba.

3.4 TOMA DE DATOS

Para obtener el máximo beneficio de la inspección de la caldera, deberán ser tomados

todos los datos que involucren las condiciones de mejoramiento de la caldera. El registro

permanente de las condiciones de operación de la caldera y de las mediciones en la

chimenea no solamente documentará la eficiencia y las características de las emisiones de



la caldera, sino que habilitarán las comparaciones futuras para ayudar a diagnosticar algún

problema relativo a la eficiencia o a las emisiones contaminantes. Los datos de las pruebas

deberán registrarse en hojas de datos preparadas para este fin, las cuales deben incluir las

siguientes consideraciones:

1. Identificación de la caldera, tipo de combustible, fechas de las pruebas y los

nombres del personal de operación.

2. Condiciones de vapor, agua de alimentación y flujos del combustible (velocidades

de flujo, presión, y temperatura) para documentar la velocidad de combustión en la

caldera y la generación de vapor.

3. Posición del control de la combustión y localización de los quemadores.

4. Presiones y temperaturas en el hogar, y ajustes de la válvula de mariposa en la

chimenea.

5. Mediciones en la chimenea: Dióxido de carbono ( , Monóxido de carbono

( ), Óxidos de nitrógeno ( , humos, temperatura).

6. Todos los comentarios relevantes sobre la apariencia de la flama, condiciones

anteriores y del hogar.

7. Registro de cualquier cambio, nuevos y permanentes, hechos a los controles de la

combustión o localización de los quemadores.

Las lecturas actuales dependerán de la instrumentación disponible un ejemplo de una

toma de datos se muestra en la figura en la Tabla 3.4, pero podrán hacerse las adiciones o

cambios que sean necesarios para cada caldera en particular.

Las lecturas deben registrarse solamente después de que se ha llegado a las condiciones

de régimen estacionario de la caldera. Esto es indicado usualmente en la temperatura de la

chimenea, combustible de entrada, condiciones de vapor (presión, temperatura y nivel en el

tambor). Las lecturas de exceso de oxígeno en la chimenea son una buena indicación de los

flujos estables de aire y de combustible.



Tabla 3.4 Hoja de Datos de monitoreo de la caldera

Planta____________________________ Hecho por______________

Caldera No. ___________________ Tipo de combustible___________________

Prueba No.

Tiempo (s)

Flujo de vapor (kg/hr)

Presion vapor (bar)

Temperatura de vapor (°C)

Flujo de combustible (kg/hr)

Presión del combustible (bar)

Temperatura de combustible (°C)

Presión de atomización (bar)

Temperatura del aire de combustión (°C)

Temperatura de gases de combustión (°C)

Presión de hogar (m.c.a.)

Presión de la chimenea (m.c.a.)

Colocación del ventilador

Colocación del registrador de aire

Posiciones del quemador

Densidad de los humos

O2

CO ppm

NOx, ppm

Apariencia de flama

Notas:

Es muy deseable que estas pruebas se efectúen a presiones normales de vapor. Esto

asegurará que las temperaturas en la chimenea y del hogar sean representativas de las

condiciones normales de operación. Ya que será necesario controlar, manualmente, la

velocidad de la combustión de la caldera durante las pruebas o tomas de datos para obtener

las condiciones estables, esto puede traer algunos problemas en satisfacer la demanda de

vapor. Si se dispone de capacidad alternativa de generación de vapor, la carga de otras

calderas deberá modularse para mantener las presiones constantes. Cuando esto no es

posible, puede ser necesario hacer provisiones de descargas innecesarias de vapor o

interrumpir temporalmente el proceso de la planta.



El objetivo del monitoreo es el de documentar las desviaciones de la operación deseada

de la caldera como una función del tiempo.

Si el control maestro de la caldera se coloca en la operación manual, la razón de

aire/combustible estará dada por el sistema de control de la misma. El funcionamiento del

generador de vapor bajo estas condiciones indicará la desviación de la razón deseada e

aire/combustible de otras desviaciones de operación. El ajuste manual de la razón

aire/combustible al nivel deseado puede originar una segunda fuente de datos; la cual

representa las desviaciones en la operación atribuibles a otras fuentes que la de la razón

aire/combustible, tales como limpieza de la superficie de transferencia de calor, mamparas

de la caldera, etc.

Las lecturas actuales a ser tomadas y la frecuencia con la que son hechas están

determinadas por el tamaño y la complejidad del equipo y de la energía que requiera el

aparato para la toma de las lecturas. Una práctica usual es la de registrar los datos por hora

para checar el funcionamiento general.

La información relacionada con la eficiencia de la caldera, la cual debe ser incluida en

la bitácora del operador es la siguiente:

1. Datos generales de entrada y salida.

a) Flujo de vapor, presión.

b) Temperatura del vapor sobrecalentado.

c) Temperatura del agua de alimentación.

2. Datos del sistema de combustión.

a) Tipo de combustible.

b) Velocidad del flujo de combustible.

c) Presión de suministro del aceite o gas.

d) Presión en los quemadores.

e) Temperatura del combustible.

f) Posición de los reguladores en el quemador.

g) Aire secundario de los quemadores.



3. Indicación del flujo de aire.

a) Entrada del precalentador de aire.

b) Oxígeno en los gases de chimenea.

4. Gases de combustión y temperatura del aire.

5. Indicación de combustibles no quemados.

a) Medida de monóxido de carbono ( .

b) Apariencia de los gases de la chimenea y apariencia de la flama.

6. Presiones del aire y de los gases de la combustión.

7. Condiciones anormales.

a) Fugas de vapor.

b) Vibración o ruidos anormales.

c) Mal funcionamiento del equipo.

d) Excesiva agua de alimentación.

8. Operación del sistema de purga.

La operación de una caldera puede realizarse por dos métodos. El método directo mide

la eficiencia de la caldera y para lograrlo las medidas deben determinar las entradas y

salidas de los flujos de agua y combustible. Por otro lado, método indirecto mide la

eficiencia de la combustión y es necesario obtener un análisis tanto del combustible como

de los gases de combustión a la salida de la chimenea.

3.4.1 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA POR EL MÉTODO DIRECTO

La caldera deberá probarse a diferentes velocidades de flujo de vapor contra el

rango en el cual la caldera es operada. Las velocidades de flujo entre pruebas sucesivas

deberán variar cerca del 10% de su capacidad. Se recomienda el siguiente procedimiento de

prueba:

1. Instalar instrumentos calibrados (Figura 3.1 Instalación la cual no requiere de paros

en la caldera).

2. Operar la caldera por una hora a la carga deseada antes de empezar la prueba.



3. Marcar el nivel de agua de la caldera.

4. Lectura de las variables de operación de la caldera por, aproximadamente una hora.

5. Parar la prueba cuando el nivel de agua se encuentre en la misma posición.

Figura 3.1 Instrumentación para calcular la eficiencia de la caldera por el método directo

3.4.2 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA POR EL MÉTODO INDIRECTO

Tal como el método directo, la caldera debe ser probada a varias condiciones de la

carga contra el rango de operación cuando se aplica este método. Es recomendado el

siguiente procedimiento de prueba:

1. Instalar instrumentos calibrados

2. Operar la caldera a la carga especificada, por aproximadamente una hora.

3. Hacer análisis Orsat de los gases de salida de la caldera.

4. Tomar una muestra de combustible (el cual deberá estar de acuerdo con los

procedimientos recomendados por el análisis en el laboratorio) y medir la

temperatura y composición química de este.

5. Registro de los datos.

a) Temperatura de entrada del aire, presión y humedad relativa.

b) Temperatura y composición de los gases de combustión.

c) Composición química del combustible.



Las velocidades de flujo y las temperaturas deberán ser constantes durante la prueba. La

Figura 3.2 se refiere a la instrumentación requerida por el método indirecto.

Figura 3.2 Instrumentación para calcular la eficiencia de la caldera por el método

indirecto

3.5 MÉTODOS DE MEDICIÓN, APARATOS Y TÉCNICAS

A continuación se presentan los métodos para determinar la razón de aire

combustible de un proceso de generación de vapor y de su ajuste para su operación óptima.

3.5.1 MÉTODOS PARA DETERMINAR LA RAZÓN DE AIRE/COMBUSTIBLE

Las tres maneras básicas en determinar la razón de aire/combustible del proceso de

combustión son:

1. Encontrar el flujo de aire y de combustible en cada quemador, individualmente.

2. Análisis de los productos de la combustión y los combustibles.

3. Observación visual de las características de la flama.

Dadas las variaciones en el equipo, procesos y controles, ninguno de estos métodos es

aplicable para todos los ajustes. Como se muestra a continuación la determinación más

típica de la razón de la combustión será hecha con la combinación de estos tres métodos.



Conocer los flujos de aire y de combustibles puede ser ajustada en cada quemador de un

sistema de múltiples quemadores. Por ejemplo, el ajuste individual de los quemadores no

contabiliza las fugas de aire al hogar a través de las puertas y aberturas. De aquí que

después de colocar todos los quemadores para trabajar en condiciones estequiométricas, el

oxígeno puede existir todavía en los productos de la combustión como resultado de la

infiltración de aire en el hogar.

También esta técnica requiere de medidores individuales de aire y combustibles, así

como válvulas en cada quemador y estos no son incluidos siempre como una parte integral

del sistema. La adición de estos medidores puede ser un poco caro y difícil. Finalmente,

esta técnica asume la combustión completa en el quemador.

El método más económico y formal de la determinación de la razón de la combustión

de un sistema completo, es el de analizar los productos de la combustión. Esta técnica

envuelve la medición cuantitativa de un o más productos de la combustión. Esta medida

puede ser usada para determinar la razón de cambio de aire/combustible del proceso

completo de la combustión.

3.5.2 MEDICIÓN DE FLUJO

Los aparatos más comunes de medición son los medidores de obstrucción, rotámetros y

medidores de cantidad. Los rotámetros son los medidores más frecuentemente utilizados

para medir flujos líquidos y gaseosos pero pueden utilizarse en flujos de gases. Las partes

esenciales del rotámetro son el flotador y el tubo en el cual el flotador se mueve libremente.

3.5.3 MEDICIÓN DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN

Ya que el análisis de los productos de la combustión es el método principal para

determinar la razón de la combustión, es importante conocer y entender el significado de

los productos de la combustión. La combustión perfecta produce dióxido de carbono

nitrógeno y vapor de agua. También existen en los productos de la combustión una

pequeña cantidad de oxígeno libre.

Midiendo el porcentaje de oxígeno en los gases de combustión también engloba los

ajustes que sean hechos en condiciones relativamente seguras de la combustión, donde no



se encuentran presentes combustibles. La ausencia de oxígeno en los productos de la

combustión no significa condiciones estequiométricas.

La situación ideal sería la de medir, cuando menos, dos constituyentes de los

productos de la combustión. Esto permitiría las indicaciones inmediatas y exactas de las

razones de aire/combustible que se están utilizando. Sin embargo ya que las instrucciones

para un ajuste general pueden llevarse a cabo con un mínimo equipo de medición. Se

sugieren los sistemas descritos en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5 Sistemas de medición

SISTEMA DE

MEDICIÓN VENTAJAS DESVENTAJAS

Medir solamente oxígeno

Muy aplicable porque

solamente se necesita

instrumento y bajo nivel

de oxígeno indica la

razón adecuada de

aire/combustible.

No son definidas las

condiciones

subestequiométricas.

Medir oxígeno y

combustibles totales

Más preferible porque

hay un instrumento que

mide el oxígeno y

combustibles. Esto

define el rango total de la

combustión.

Medir oxígeno y dióxido

de carbono

Define el rango entero de

la combustión. Se requieren dos instrumentos.

Medir oxígeno y monóxido

de carbono

Define el rango entero de

la combustión. Se requieren dos instrumentos.

Medir solamente dióxido

de carbono

Se requiere solamente un

instrumento.

Información particular del

combustible y el equilibrio de

los productos de combustión

definirán el clima de la

reacción.

3.5.4 APARATOS USADOS EN LAS MEDICIONES

Se encuentran disponibles un gran número de instrumentos para medir los productos

individuales de la combustión. El rango de aparatos va desde un detector de tubos de

prueba, hasta los complejos sistemas de cromatografía de gases. Esta sección describe los

pocos aparatos que se consideran los mejores para medir los constituyentes de los

productos de la combustión en las calderas industriales hoy en día.



Los aparatos listados en la Tabla 3.6 son considerados como los más aplicables para

las mediciones requeridas en los ajustes de la razón aire/combustible.

Tabla 3.6 Aparatos de medición

Aparato Mide Características

Analizador Orsat

, , y ( por diferencia)

Absorción selectiva de

constituyentes individuales por

reacción química.

Probador de calor , % combustible.

Mide oxígeno por el principio de

reacción electroquímica y

combustibles por combustión

catalítica de la muestra con aire.

Analizador de

oxígeno

Mide oxígeno por principios

electroquímicos.

analizador de

infrarrojos , y

Mide la cantidad de absorción de

radiación infrarroja por un gas en

particular, la absorción es

proporcional a la cantidad de gas.

Absorción de gases o

Trabaja sobre el mismo principio

que el Orsat excepto que

solamente un gas, ya sea u es medido en una unidad alta.

Un Orsat consiste de una serie de 5 tubos de vidrio que contienen compuestos

químicos que absorben de forma selectiva monóxido de carbono ( , dióxido de carbono

( ) y oxígeno ( ). El hidrógeno ( y el metano ( son determinados por la

combustión controlada de combustibles remanentes con una cantidad medida de oxígeno y,

subsecuentemente, por absorción. El muestreo para el análisis Orsat no es continuo, por

ejemplo un determinado volumen de los gases de combustión es analizado completamente

antes de que sea hecho otro muestreo. La operación es completamente manual y la

exactitud depende de la medida cuidadosa del volumen del gas.

Un operador bien entrenado, usando técnicas de sonido puede obtener análisis

repetitivos y exactos. El mantenimiento es despreciado generalmente pero los compuestos



químicos deben ser reemplazados periódicamente y es requerida una fuente de oxígeno para

la determinación de hidrógeno y metano.

El probador de calor consiste de dos sistemas individuales de medición. Un sistema

mide el oxígeno libre en la muestra con un medidor de dos escalas, una que va de 0-5 % y

de 5-21% de oxígeno. El otro sistema mide los combustibles totales en la muestra. De los 5

aparatos considerados, el probador de calor se encuentra en un costo intermedio.

Los analizadores de oxígeno miden la cantidad total de oxígeno en la muestra de los

gases de combustión. Los rangos de lectura pueden variar de 0-1% hasta 1-100% con

dobles rangos estándar normalmente.

Los analizadores de infrarrojos se diseñan para medir monóxido de carbono ( ,

dióxido de carbono ( ) o metano ). Un instrumento puede medir solamente un gas.

El muestreo es continuo y la lectura es hecha normalmente en el medidor. Comparado con

los otros instrumentos de medición el costo de medición por infrarrojos es muy elevado.

3.5.5 TÉCNICAS DE MEDICIÓN

Las instrucciones de operación del fabricante definirán claramente los instrumentos

y operaciones requeridas para medidas exactas. Se deben considerar cuidadosamente las

técnicas de muestreo de los productos de la combustión para englobar las mediciones

representativas del proceso de la combustión.

En muchos de los casos, estas técnicas involucran mediciones preliminares y, en

otros casos, ajustes de las presiones en el hogar. Aunque el procedimiento de medición de

la presión del hogar es casi universal, el ajuste de la presión del hogar depende del tipo de

proceso, diseño del hogar y de los quemadores. Esta técnica de medición se referirá

solamente al ajuste de la presión del hogar.

Generalmente, la presión en el hogar, tiende a colocarse en un valor positivo o

negativo muy bajo. Dadas las bajas presiones involucradas en el sistema, el dispositivo de

medición más práctico y económico es el manómetro inclinado, el cual se encuentra

disponible en muchos tamaños y rangos de presión. La exactitud del manómetro inclinado

se encuentra dentro de la presión del hogar especificada. Ya que se encuentran altas



temperaturas será requerida una determinada longitud de tubing aleado de alta resistencia al

calor, que deberá extenderse del punto de medición de la presión hasta 4 o 5 pies fuera a la

temperatura ambiente (Figura 3.3).

Figura 3.3 Esquema de la medición de la presión del hogar

Una vez que la presión del hogar ha sido ajustada, se puede empezar el muestreo de

los productos de la combustión, en adición a los dispositivos descritos, una longitud de

tubing aleado de alta resistencia al calor, un probador de agua fría, un probador de cerámica

y suficiente tubing de hule serán necesarios para conducir la muestra de los productos de la

combustión del hogar al instrumento. Un arreglo típico para el muestreo de los productos

de la combustión se muestr

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