Bachiller Mantenimiento De Calderas 4x60

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA INFORME DE PRÁCTICAS PRE PROFESIONALES

REGULACION DE PARAMETROS DE COMBUSTION Y ANALISIS DE LOS EFECTOS EN LA EFICIENCIA ENERGETICA DE LOS CALDEROS PIROTUBULARES DE 900 BHP EN LA EMPRESA AUSTRAL GROUP S.A.A.



AUTOR

:

Luis Alberto Huaman Paredes.



ASESOR

:

Ing. Carlos Macedonio Montañez Montenegro.



ÁREA

:

Mantenimiento Térmico.



SECCIÓN

:

Generación de Vapor

NUEVO CHIMBOTE 2016

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA

HOJA DE CONFORMIDAD DEL ASESOR

El presente informe de prácticas pre profesionales titulado, REGULACION DE PARAMETROS DE COMBUSTION Y ANALISIS DE LOS EFECTOS EN LA EFICIENCIA ENERGETICA DE LOS CALDEROS PIROTUBULARES DE 900 BHP EN LA EMPRESA AUSTRAL GROUP S.A.A. para optar el grado académico de bachiller en ingeniería en energía a cuentas con las exigencias del reglamento de grados y títulos de la Universidad Nacional del Santa y los lineamientos de la Escuela profesional de Ingeniería e Energía , por lo tanto firmo el presente informe en conformidad para ser sustentada.

---------------------------------------------------------------------Ing. Carlos Macedonio Montañez Montenegro. ASESOR

DEDICATORIA

A MIS PADRES En primer lugar, a DIOS por el regalo de la vida, a mis padres, Por el apoyo y esfuerzo constante brindado, por los consejos que trazaron el horizonte seguro para dirigir cada paso en la vida con la firme convicción de ser buen hijo, buen hermano, buen ciudadano y profesional.

A LA ESCUELA DE INGENIERIA EN ENERGIA A la escuela de Ingeniería en energía de la universidad nacional del santa, la primera escuela de ingeniería en energía del Perú que forma especialistas en el campo energético para la industria nacional y extranjera. Por los años en las que trascurrí encaminado para adquirir los conocimientos, y la dedicación de cada uno de los profesores quienes volcaron sus experiencias en la enseñanza para formar a los profesionales especialistas en energía del Perú.

Al Profesor. Ing. Carlos Montañez Montenegro.

Por la asesoría, sugerencias y recomendaciones brindadas para elaborar el presente informe.

Al Ingeniero Jhonny Frank Haro Lynch, Supervisor de Mantenimiento.

LUIS HUAMAN.

INTRODUCCIÓN En todos los procesos industriales se busca obtener el máximo rendimiento a nivel de producción y más aún si se trata de rentabilidad o ganancia, para que ello sea consecuente, los insumos o materia prima

tiene que ser utilizada de manera

eficiente, sin que esta afecte el rendimiento y la calidad del producto.

El concepto de energía es visto de la misma forma ya que las industrias hacen uso de cualquiera de sus formas, sea para iluminación, calefacción, confort térmico y en la cadena de procesos industriales como la generación de vapor, o sistemas frigoríficos para la producción de frio industrial o la conservación de productos marinos y agroindustriales. En la industria Conservera se hace uso de la energía térmica a través de la producción de vapor saturado por medio de calderos, que será distribuidos a diferentes

centros de

consumos

como

cocinadores,

secadores,

marmitas,

exhaustores y autoclaves, siendo importante reconocer la participación de los combustibles como potenciales energéticos a istrarse de manera óptima para hacer uso eficiente de la energía liberada para la generación del vapor a conducirse a cada uno de los equipos de la planta industrial.

Junto a uso eficiente del vapor esta también el diseño óptimo de las instalaciones que conducirán el vapor , para ellos un buen dimensionado en tuberías así como la selección correcta de los rios junto y el aislamiento térmico, se reducirán los efectos crítico de la instalación que muy comúnmente repercuten en caídas de presión, enfriamiento de vapor y en consecuencia mayores niveles de condensado en la red que saturaría el trabajo de las trampas de vapor, para ello también se prevé la idea de recuperar el fluido que se ha condensado con fines de recuperarse agua y calor que comúnmente se desecha, teniendo en cuenta también los agentes corrosivos presentes en la línea de condensado. El ahorro de energía en una planta de procesos de conserva de pescado representa una maniobra estratégica tan eficaz como un programa de mantenimiento o un nuevo plan de gestión dentro de la empresa, manejar la energía de manera estratégica produce ventajas y mayor competitividad a nivel de empresas sobre la base de producir más con menor energía sin afectar los estándares de calidad y de manera amigable con el medio ambiente. 5

RESUMEN

El presente informe tiene por finalidad evaluar la situación actual de operación del caldero de 900 BHP, así mismo evaluar las condiciones actuales de operación en base a la generación de energía a través del caldero, cuyo desempeño es importante para evaluar el mantenimiento preventivo, mantenimiento correctivo, monitoreo de gases, calibración de combustión y tomar decisiones en términos de seguridad de trabajo.

En la evaluación se determinó que la generación de vapor promedio es 8.2

𝑡𝑜𝑛 ℎ

y el

factor de carga en los calderos es apenas el 61.23% en promedio y la eficiencia es del 79.6% también en promedio de las calderas, condiciones en las cuales los sistemas están trabajando ya

que no es recomendable poner a funcionar el

caldero cercano a su máxima potencia (900BHP), por razones de seguridad, aunque se tiene un límite de presión de alta y baja en la cual se enciende y apaga el quemador, a medida que el caldero alcanza su máxima presión, se desconecta o apaga el quemador, entonces el vapor producido se va descargando.

6

INDICE GENERAL INTRODUCCION

05

INDICE

07

DESCRIPCION DE LOS OBJETIVOS

09

I.



OBJETIVO GENERAL

09



OBJETIVO ESPECIFICO

09

CAPITULO I: DESCRIPCION GENERAL DE LA INSTITUCIÓN

10

1.1.

Memoria descriptiva.

11

1.2.

Ubicación geopolítica.

11

1.2.1 Organigrama estructural

12

Descripción del área de prácticas

13

1.3.1

13

1.3

Descripción de las zonas de planta

1.3.2 Actividades realizadas durante el periodo de prácticas. II.

CAPITULO II: FUNDAMENTO TEÓRICO

13 14

2.0

Generadores de vapor

15

2.1

Calderas

15

2.1.1 Tipos de calderas

16

Generadores de vapor pirotubulares

16

2.2.1 Descripción del funcionamiento

17

2.2.2 Características del caldero pirotubular

17

2.2.3 Clasificación de los calderos pirotubulares

18

2.2.4 Partes de una caldera pirotubular

19

2.3

Sistemas auxiliares y de control de las calderas

21

2.4

Ventajas y desventajas

22

2.5

Combustión en calderas

23

2.5.1 Teoría y estequiometria de la combustión

23

2.5.2 La importancia del exceso de aire

25

2.5.3 Perdidas por combustible no quemado

25

2.5.4 Medición de oxígeno y combustible

26

Evaluación de la eficiencia

26

2.6.1 Método indirecto

27

2.2

2.6

7

III.

CAPITULO III: CÁLCULOS Y RESULTADOS 3.0 3.1

Balance de energía

31 32

Balance de en los generadores de vapor

32

3.1.1 Análisis en las calderas antes de la regulación

32

3.1.2 Análisis en las calderas después de la regulación

37

3.2 Determinación del factor de carga (Fc)

43

3.3 Indicadores económicos de producción

49

3.4 Cuadro resumen de eficiencias

50

IV.

CONCLUSIONES

51

V.

RECOMENDACIONES

51

VI. BIBLIOGRAFIA

52

VII. ANEXOS

53

VII. REGISTRO FOTOGRAFICO

56

8

REGULACION DE PARAMETROS DE COMBUSTION Y ANALISIS DE LOS EFECTOS EN LA EFICIENCIA ENERGETICA DE LOS CALDEROS PIROTUBULARES DE 900 BHP EN LA EMPRESA AUSTRAL GROUP S.A.A.

A. OBJETIVOS

A.1 OBJETIVO GENERAL: Realizar una evaluación energética de los calderos de 900BHP, e identificar el uso continuo de mantenimientos en la empresa conservera Austral Group S.A.A. A.1.1

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

 Determinar la eficiencia energética del caldero pirotubular antes de la regulación.  Efectuar las calibraciones y regulaciones necesarias para alcanzar niveles deseados de combustión.  Determinar la eficiencia energética de los calderos de vapor después de los trabajos de regulación.  Calcular la producción de vapor en toneladas por hora.  Determinar el factor de carga de operación del caldero 900 BHP.  Identificar las medidas necesarias para mejorar las condiciones de operación de los calderos.

9

CAPITULO I DESCRIPCION GENERAL DE LA INSTITUCION

10

1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA. Austral Group S.A.A. Es una compañía privada, formada en 1998 que está dedicada a la elaboración de productos tales como Conservas, Harina y Aceite de Pescado de la más alta calidad, cuyo mercado está dedicado en un 95% a la exportación.

Actualmente aunque su labor principal se basa en la extracción de recursos hidrobiológicos para la elaboración de harina y aceite de pescado, también es proveedor de conservas en diferentes partes del mundo como Estados Unidos, Sudáfrica, Asia y Rusia. Para ello cuenta con una flota de cincuenta embarcaciones pesqueras, seis plantas procesadoras de harina y aceite, así como dos plantas conserveras. 1.2 UBICACIÓN DE LA INSTALACION– PLANTA COISHCO.

Cuadro Nº 1.1: Descripción de la denominación y ubicación geográfica.

Denominación

Dirección Legal

Infraestructura Pesquera

Dirección

AUSTRAL GROUP S.A.A.

Av. Andrés Belaunde 147 – San Isidro / Torre 7 – Edificio Centro Empresarial.

La planta de harina de pescado y conservas Av. Villa del Mar S/N, en el Distrito de Coishco, Provincia del Santa y Departamento de Ancash.

11

1.2.1

ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL

FUENTE: Elaboración propia

12

1.3 DESCRIPCION DEL AREA DE PRÁCTICAS

1.3.1 DESCRIPCION DE LAS ZONAS DE LA PLANTA

La empresa consta de muchas zonas y equipos consumidores de energía tanto eléctrica como de vapor, específicamente: 

La casa de fuerza.



Zonas de calderas-planta de harina



Zona de calderas-planta de conservas.



Planta de procesamiento de harina y aceite de pescado.



Planta conservera.



Planta de congelado.

Asimismo, cuenta con oficinas istrativas, laboratorios, talleres de mantenimiento eléctrico y mecánico, comedores y residencias. Actualmente, el bombeo de materia prima desde las embarcaciones a la planta se realiza a través de la Chata Arco Iris, en la cual se encuentran instalados dos motores y un grupo de generación eléctrica.

1.3.2 ACTIVIDADES REALIZADAS DURANTE EL TIEMPO DE PRÁCTICAS

Durante la permanencia en la empresa, se realizó las siguientes actividades.

Se reconoció las áreas de producción, desde la sala de caldero, la unidad de abastecimiento de agua blanda, la unidad de abastecimiento de combustible, petróleo R-500, y el área de mantenimiento eléctrico y mecánico contiguo al de generación de vapor. Se visualizó

los mantenimientos realizados cada semana y cada tipo de

mantenimiento sea preventivo o correctivo, tanto el área térmica, eléctrica y mecánica.

13

CAPITULO II FUNDAMENTO TEORICO

14

2

GENERADORES DE VAPOR

2.1 CALDERAS La caldera, en la industria, es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturado. La caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como: 

Esterilización: era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban

vapor

para

"esterilizar"

el

instrumental;

también

en

los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización). 

Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petróleos pesados y mejorar su fluidez.



Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.

15

2.1.1 TIPOS DE CALDERAS 

Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.



Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al o con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape. No confundir esta definición con la de un intercambiador de calor.

Agua

Vapor



Combustible

Generador de

Aire

Vapor



Gases



Purga Figura 2.1.1 Funcionamiento de un caldero pirotubular Fuente: Manual de uso interno de la EAP Ingeniería en energía



Lado caliente 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 + 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 ….. (1)



Lado Frio: 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 + 𝑚𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 ….. (2)

2.2 GENERADORES DE VAPOR PIROTUBULARES Son equipos térmicos que tienen por finalidad aprovechar el calor generado mediante una reacción de oxidación o combustión entre el oxígeno del aire y el combustible, con la finalidad de generar vapor saturado agua caliente o calentar un fluido o aceite térmico. 16

Figura 2.2: Caldero Pirotubular Fuente. Intesa S.A.C

2.2.1 DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO El combustible a determinadas condiciones de presión y temperatura reacciona con el aire generándose a una temperatura cercana a 2000ºC gases de la combustión, las que se aprovechan debido a su temperatura, los gases calientes sede calor sensible a través de las paredes de la tubería. Posteriormente los gases de la combustión a una determinada temperatura abandona el caldero a través de una chimenea. Agua tratada químicamente con una mínima dureza y en estado estático se calienta e cambia de fase alcanzando el estado de vapor saturado, una mínima fracción de esta agua continuamente debe retirarse del caldero en forma de purgas para eliminar sólidos y otros productos químicos presentes en el agua. 2.2.2 CARACTERISTICAS DEL CALDERO PIROTUBULAR Es un equipo isobárico conformado por un cilindro dentro del cual contiene agua en reposo y en proceso de evaporación y también un conjunto de tubos por donde fluyen los gases de la combustión. La finalidad es generar vapor a baja presión con valores de hasta 10 Bar, su esquema termodinámico del proceso seria el siguiente para el ingreso de agua y generación de vapor saturado.

17

Diagrama: Temperatura vs entalpia Fuente: Propia



Punto 1: Condiciones de entrada del agua comprimido.



Punto 2: Condiciones del vapor saturado de salida.

El combustible utilizado es gaseoso o liquido 2.2.3 CLASIFICACION DE LOS CALDEROS PIROTUBULARES Se clasifican; según su presión de clasifican: 

Calderas de calefacción hasta una presión de 1.5 Bar.



Calderas de baja presión hasta 5 Bar.



Calderas de media presión hasta 20 Bar.



Caldera de alta presión desde 21 Bar hasta 225 Bar.



Calderas súper críticas más de 225 Bar; los calderos pirotubulares hasta la categoría de media presión.

Se clasifican; según su número de pasos o viajes que realizan los gases de la combustión antes de irse por la chimenea puede ser de: 

Un paso



Dos pasos



Tres pasos



Cuatro pasos

18

Según la chimenea se denomina calderos de espalda: 

Se denomina caldero de espalda húmeda cuando la chimenea está en la parte frontal.



Calderos de espalda seca cuando la chimenea se encuentra en la parte posterior.

Su unidad de medida es el BHP o caballos de caldera (C.C.) que representa un valor de su capacidad solo para caldero pirotubulares, según publicado por el “ASME” en 1889. Un BHP equivale a 8437

𝐾 𝑐𝑎𝑙 ℎ

.

La eficiencia de las calderas alcanza un máximo de 87% para maquinas modernas y que utilizan economizadores y turbillenadores.

Figura 2.2.3: Caldero Pirotubular de 3 pasos Fuente. Manual de uso interno de la EAP ingeniería en energía

2.2.4 PARTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR Como parte principales de una caldera se tiene los siguientes aspectos: 

Hogar Esta construido por lo general por una chapa gruesa de acero corrugado al carbono ASTM A-285. Soporta los esfuerzos térmicos de dilatación; esta unido a una placa fija que también soporta esfuerzos térmico. No hay esfuerzo de presión solo velocidad de gases; siendo el espesor entre los 18 – 20 mm. 19



Banco de Tubos Está conformado por tuberías de acero al carbono sin costura procesada en caliente con extremos lizos generalmente de SCH 40 o SCH 60 (espesor de las tuberías), generalmente tuberías de 2 a 2.5 pulgadas. El material es de calidad certificada ASTM A-192 o ASTM A-198 su configuración mayormente en el interior de la caldera es triangular. En su montaje se va a realizar la temperatura que la va a afectar como por ejemplo en la parte frontal cerca del quemador las tuberías van expandadas al frio; mientras que en la parte posterior del caldero por lo general el montaje de las tuberías son mediante uniones soldadas con soldaduras E-7018.



Tambor o cilindro Es la cámara del agua que conforma el caldero y está compuesta por 3 sectores definidos:  Cámara de evaporación  Cámara de alimentación de agua  Cámara de agua o de fondo

En donde en cada uno de ellos se realiza un proceso distinto. Es fabricado por plancha de acero al carbono con calidad certificada ASTM A-285 o ASTM A-515, plancha inicialmente tratada térmicamente y rodada con la soldadura a uniones soldadas; a la cual se le realiza posteriormente un tratamiento térmico de normalización para eliminar los esfuerzos residuales de la soldadura. El cilindro de acero está cubierto generalmente por lana de vidrio u otro aislante en un espesor de 2 pulgadas, y protegida o recubierta por plancha galvanizada, por lamina de acero inoxidable.

20



Espejos Son placas de acero al carbono que tienen la finalidad de sostener el banco de tubos y el hogar, van unidas al cilindro en sus 2 extremos por lo general están recubiertas en el exterior por una aleación metalúrgica anticorrosiva y están diseñadas para soportar esfuerzos normales.

Las calderas también consta de registro de hombre, y otros elementos auxiliares así tenemos los siguientes: 

Sistema de combustión conformado por el quemador y el ventilador de tiro forzado para el aire de la combustión.



Cámaras 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 para la expulsión de los gases de la combustión.



Sistema de suministro de agua, la cual está compuesta por tubos de agua a presión, bomba de agua, planta de tratamiento químico del agua para el ablandamiento para dejarlo con cero PPM (agua netamente blanda), unidad de dosificación para agregar aditivos al agua, y evitar la formación de sales de calcio y magnesio que producen incrustaciones en el material de las tuberías y para retener el oxígeno en el Co2 disuelto en el agua que producen corrosión.

2.3 SISTEMAS AUXILIARES Y DE CONTROL DE LAS CALDERAS Hay varios rios y sistemas que deben instalarse en las calderas de vapor, todos con el objetivo de mejorar: 

Funcionamiento



Eficacia



Seguridad

21

Entre los sistemas más importantes tenemos:  Sistemas auxiliares: 

Sistemas de Combustión.



Sistemas de suministro de Combustible.



Sistema de suministro de aire.



Sistema de suministro de agua.



Sistema de retiro de vapor.



Sistema de purgas de fondo y nivel.

  Sistema de seguridad; control y mando: 

Sistemas de Control de Nivel de Agua.



Sistemas de Control de Presión.



Sistemas de Control y Mando.



Sistemas de Regulación de Aire/Combustible.

Figura 2.3: Partes de una caldera Fuente. Spirax Sarco

22

2.4 Ventajas y Desventajas  Ventajas: 

Menor costo inicial, debido a la simplicidad de diseño en comparación con las acuotubulares de igual capacidad.



Mayor flexibilidad de operación, ya que el gran volumen de agua permite absorber fácilmente las fluctuaciones en la demanda de vapor.



Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, porque las incrustaciones formadas en el exterior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por las purgas.



Facilidad de inspección, reparación y limpieza.

 Desventajas: 

Mayor tamaño y peso que las acuotubulares de igual capacidad.



Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.



Gran peligro en caso de explosión o ruptura, debido al gran volumen de agua almacenado.



No son empleadas para altas presiones.

2.5 Combustión en Calderas La eficiencia total de combustión se define como la eficacia de cualquier aparato de combustión para convertir la energía interna contenida en un combustible en energía calórica para ser usada en el proceso. Eficiencia de combustión es la energía total contenida por unidad de combustible menos la energía llevada por los gases de combustión y el combustible no quemado. Antes de realizar grandes inversiones de capital para mejorar el rendimiento de la caldera, se debe maximizar la eficiencia de la combustión y el mejor camino para hacerlo es medir el oxígeno y el combustible no quemado en el gas de combustión en forma continua.

23

2.5.1 Teoría y estequiometria de la combustión Los componentes esenciales de la combustión son combustible, oxígeno y calor. La combustión estequiométrica está definida como la cantidad exacta de oxígeno y combustible para que se alcance la mayor cantidad de calor. En la mayoría de los combustibles fósiles, los elementos químicos que reaccionan con el oxígeno para liberar calor son el carbono y el hidrógeno. Idealmente, se quiere proveer la cantidad justa de aire para quemar completamente todo el combustible, pero esto resulta difícil de alcanzar por inadecuadas mezclas de aire y combustible, rendimiento de los quemadores, fluctuaciones de operación, condiciones ambientales, y desgaste del quemador, entre otras razones. Para garantizar que el combustible es quemado y que muy poco o nada escapa en los gases de combustión, se provee una cierto exceso. Para garantizar que este exceso de aire no sea mayor que el requerido, se mide el excedente de oxígeno en el gas de combustión, y para asegurar que la cantidad de hidrógeno o monóxido de carbón en el gas de combustión está minimizada, se deben medir los combustibles no quemados.

Figura 2.5.1: Eficiencia de combustión estequiometria Fuente. Manual de combustión Percy Castillo Neyra

24

2.5.2 La importancia del exceso de aire La pérdida de calor en los gases de combustión es la principal pérdida de energía en un proceso de este tipo y es imposible de eliminar, porque los productos de este proceso son calentados por el proceso mismo. No obstante, puede ser minimizada reduciendo la cantidad de exceso de aire suministrado al quemador. Ya que el oxígeno en los gases de combustión está directamente relacionado al exceso de aire, un analizador de oxígeno es la mejor manera para controlar la cantidad de exceso de aire y la pérdida de calor asociada. 2.5.3 Pérdidas por combustible no quemado Nunca se debe operar un quemador con menos aire que el requerido estequiométricamente para la combustión. No sólo resultaría en una chimenea humeante, sino que reduciría significativamente la energía total liberada en el proceso debido al combustible no quemado. Si un quemador es operado con una deficiencia de aire, no se quemará todo el combustible y la cantidad de combustibles (CO y H2) en los gases de combustión se incrementa.

Figura 2.5.3: Puntos óptimos de control en función de la carga de combustible y el nivel de CO. Fuente. Manual de combustión Percy Castillo Neyra

25

2.5.4 Medición de oxígeno y combustible Para mantener altos niveles de eficiencia de combustión, oxígeno y combustibles en los gases de combustión deben ser medido. Esto lleva al principio fundamental de la eficiencia de combustión: "La eficiencia de combustión es maximizada cuando la cantidad correcta de exceso de aire es suministrado para que las pérdidas de energía por el combustible no quemado y el calor de los gases de combustión sea minimizada". 2.6 Evaluación de la eficiencia La eficiencia térmica es el indicador más importante de un generador de vapor como una caldera, ya que caracteriza el grado de aprovechamiento de la energía suministrada, o sea, la parte de esa energía que ha sido transferida al agente de trabajo.

NORMATIVA PERUANA Según las normas técnicas aprobadas por INDECOPI, son un total de cuatro exclusivamente para calderas industriales.

2.6. Normativa peruana para evaluación de calderos pirotubulares. Fuente. MEM

26

El Método Directo: Donde el beneficio de energía del fluido trabajador (el agua y el vapor) es comparado con el contenido de energía del combustible de caldera. El Método Indirecto: Donde la eficacia es la diferencia entre las pérdidas y la entrada de energía.

2.6.1 Método Indirecto Llamada también como el método de las pérdidas de calor. Para esto determina primero las principales pérdidas de calor, lo cual permite conocer no solo cómo se distribuye el calor aportado por el combustible; sino también facilitar la evaluación de las actuaciones para mejorar la eficiencia energética de la caldera. La aplicación de este método se basa sobre todo en el análisis de gases de chimenea, y no requiere la medición del vapor generado. Varias pérdidas de calor que ocurren en la caldera son: n

Ƞ = 100 − ∑ Pi i=1

Donde: n

∑ Pi = Son las perdidas totales del caldero i=1

Son las siguientes:

a) Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos, P 1

Es la pérdida porcentual de calor debida a la entalpía en los gases de escape, en base seca, se calcula mediante:

𝑃1 =

𝑘[𝑇𝑔 − 𝑇𝑎 ] 𝐶𝑂2

27

Donde: Tg = Temperatura de los gases de la combustión. Ta = Temperatura del medio ambiente. [CO2] = % de Dióxido de Carbono en los gases de la combustión. K = Es la constante de Siegert para el Combustible.

b) Pérdida por la entalpía del vapor de agua en los gases, P2 La pérdida porcentual de calor debida a la entalpía del vapor de agua en los gases de escape, se calcula mediante:

𝑃2 =

[(𝐻2 𝑂 + 9𝑥𝐻)(210 − 4.2𝑇𝑎 + 2.1𝑇𝑔 ] 𝑃𝐶𝑆

Donde: Tg = Temperatura de los gases de la combustión. Ta = Temperatura del medio ambiente. [H2O] = % de Agua en los gases de la combustión. [H] = % de Hidrogeno en los gases de la combustión. PCS = Poder calorífico Superior del Combustible. c) Pérdida por inquemados gaseosos, P3. La pérdida porcentual de calor bebida a los inquemados gaseosos, se calcula mediante:

𝑃3 =

𝑘1 (𝐶𝑂) (𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂)

Donde: [CO] = % de Monóxido de Carbono en los gases de la combustión. K1 = Es la constante de Inquemados del Combustible. d) Pérdida por inquemados sólidos, P4. La pérdida porcentual de calor bebida a los inquemados sólidos, se calcula mediante: 𝑃4 = 0.14𝐵 2 + 0.08𝐵 + 0.07

28

Donde: B = Índice de Bacharach, mediante el cual se evalúa la opacidad de los gases de la combustión. e) Pérdida por convección, P5. La pérdida porcentual de calor debida a la convección, se obtiene sumando las pérdidas porcentuales por convección para cada tipo de superficie exterior, mediante: 𝑃5 = 80(

𝑄𝑃5 ) 𝑊𝑐

Donde: 𝑄𝑃5 = ℎ𝑐𝑓 𝑥𝐴𝑓 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 ) + ℎ𝑐𝑔 𝑥𝐴𝑔 (𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 ) ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 )0.25𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 )0.25 𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 Donde: Tsf = Temperatura exterior de la caldera, lado del fluido (se asume la temperatura exterior del tambor o cilindro del caldero). En grados °K. Tsg = Temperatura exterior de la caldera, lado de los gases (se asume la temperatura exterior de la chimenea).En grados °K. Af = Superficie exterior que cubre al fluido (se asume la superficie exterior del caldero) en m2. Ag = Superficie exterior que cubre los gases de la combustión (se asume la superficie exterior de la chimenea) en m2. v = Es la velocidad del viento (m/seg) que fluye por la parte exterior al caldero. f) Pérdida por radiación, P6. La pérdida porcentual de calor debida a la radiación, se obtiene sumando las pérdidas porcentuales por radiación para cada tipo de superficie exterior, mediante: 𝑃6 = 80𝑥 29

𝑄𝑃6 𝑊𝑐

Donde: 𝑄𝑝6 = 𝑄𝑟𝑓 𝑥𝐴𝑓 + 𝑄𝑟𝑔 𝑥𝐴𝑔 𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑓 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑔 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273)4 ] 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃

Donde: Tsf = Temperatura exterior de la caldera, lado del fluido (se asume la temperatura exterior del tambor o cilindro del caldero). En grados °K. Tsg = Temperatura exterior de la caldera, lado de los gases (se asume la temperatura exterior de la chimenea).En grados °K. Af = Superficie exterior que cubre al fluido (se asume la superficie exterior del caldero) en m2. Ag = Superficie exterior que cubre los gases de la combustión (se asume la superficie exterior de la chimenea) en m2. 𝜀 =emisividad del material que cubre al caldero.

Figura 2.6: Balance de energía método indirecto Fuente. Manual de uso interno de la EAP ingeniería en energía

30

CAPITULO III CÁLCULOS Y RESULTADOS

31

BALANCE DE ENERGIA 3.1 Balance de energía en los generadores de vapor 3.1.1 Análisis en las calderas- antes de las regulaciones Los análisis de gases se realizaron con analizadores de gases electrónicos portátiles marca TESTO 350 que analiza: CO, SO2, NOx, O2, CO2, temperatura. Los componentes del gas son analizados mediante celdas electroquímicas específicas para cada componente, incorporadas en el interior del instrumento. Inicialmente se realizó el análisis de emisiones gaseosas y opacidad, con los valores obtenidos se calculó los valores de eficiencia energética. CUADRO Nº 01 DATOS DE LAS CALDERAS Cápac. Ítem

Descripción

Marca

Modelo

BHP

Vapor Ton/hr

Año de Instalación

1

CALDERA DE VAPOR 1

DISTRAL

D3B-900-150

900

14,1

1998

2

CALDERA DE VAPOR 2

DISTRAL

D3B-900-150

900

14,1

1998

3

CALDERA DE VAPOR 3

DISTRAL

D3B-900-150

900

14,1

1998

4

CALDERA DE VAPOR 4

DISTRAL

D3B-900-150

900

14,1

1998

ELABORACION PROPIA

CUADRO Nº 02 DATOS DE LOS ANALISIS DE EMISIONES Y OPACIDADES- ANTES DE LA REGULACION PARAMETROS

Unid.

CALD.1

CALD.2

CALD.3

CALD.4

O2

%

8.4

11.1

7

8.6

CO2

%

9.8

7.7

10.9

9.6

CO

ppm

19

53

30

14

Temperatura de los gases

ºC

208.2

196.7

205.4

201

Índice de Bacharach

#

5

5

7

6

Exceso de aire

%

62.9

105.7

47.2

65.4

ELABORACION PROPIA

32

Calculo de las pérdidas por método indirecto. 

Caldera Nº 01:

a) Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos, P 1

𝑃1 =

𝑘[𝑇𝑔 − 𝑇𝑎 ] 𝐶𝑂2

Reemplazando se tiene: 𝑃1 =

0.53[208.2 − 20] 9.8 𝑃1 = 10.18%

b) Pérdida por la entalpía del vapor de agua en los gases, P2

𝑃2 =

[(𝐻2 𝑂 + 9𝑥𝐻)(210 − 4.2𝑇𝑎 + 2.1𝑇𝑔 ] 𝑃𝐶𝑆

Reemplazando se tiene:

𝑃2 =

[(0.0015 + 9𝑥0.46)(210 − 4.2(20) + 2.1(208.2)] 42283 𝑃2 = 5.5%

c) Perdidas por inquemados gaseosos, P3.

𝑃3 =

𝑘1 (𝐶𝑂) (𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂)

Reemplazando se tiene: 𝑃3 = 54

(0.0019) (9.8 + 0.0019)

𝑃3 = 1.04%

33

d) Perdidas por inquemados sólidos, P4. 𝑃4 = 0.14𝐵 2 + 0.08𝐵 + 0.07

Reemplazando se tiene para B=5(índice de Bacharach) 𝑃4 = 0.14(5)2 + 0.08(5) + 0.07 𝑃4 = 3.97% e) Perdidas por convección, P5. 𝑃5 = 80(

𝑄𝑃5 ) 𝑊𝑐

𝑄𝑃5 = ℎ𝑐𝑓 𝑥𝐴𝑓 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 ) + ℎ𝑐𝑔 𝑥𝐴𝑔 (𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 ) 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 Reemplazando: ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 )0.25𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 )0.25 𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 Reemplazando se tiene: ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 )0.25𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(50 + 273.15 − (20 + 273.15))0.25 𝑥(2.857𝑥1 + 1)0.5

ℎ𝑐𝑓 = 0.00906

𝑘𝑊 𝑚2

ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 )0.25 𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(208.2 + 273.15 − (20 + 273.15))0.25 𝑥(2.857𝑥1 + 1)0.5

ℎ𝑐𝑔 = 0.01435

34

𝑘𝑊 𝑚2

Reemplazando datos: 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 𝑤𝑐 = 9.81𝑥900 = 8829 𝐾𝑊

𝑄𝑃5 = ℎ𝑐𝑓 𝑥𝐴𝑓 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 ) + ℎ𝑐𝑔 𝑥𝐴𝑔 (𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 ) 𝑄𝑃5 = 0.00906𝑥92.9(323.15 − 293.15) + 0.01435𝑥24(481.15 − 293.15) 𝑄𝑃5 = 89.997 𝐾𝑊 Finalmente: 𝑃5 = 80 (

𝑄𝑃5 89.997 ) = 80𝒙 𝑊𝑐 8829 𝑃5 = 0.81%

f) Pérdida por radiación, P6. 𝑃6 = 80𝑥

𝑄𝑃6 𝑊𝑐

𝑄𝑝6 = 𝑄𝑟𝑓 𝑥𝐴𝑓 + 𝑄𝑟𝑔 𝑥𝐴𝑔

𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑓 + 273.15)4 − (𝑇𝑎 + 273.15)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑔 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273.15)4 ] Reemplazando se tiene: 𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑓 + 273.15)4 − (𝑇𝑎 + 273.15)4 ] 𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥0.95[(323.15 + 273)4 − (293.15 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑓 = 1.29

𝑘𝑊 𝑚2

𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑔 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥0.95[(481.35 + 273)4 − (293.15 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 12.1

35

𝑘𝑊 𝑚2

𝑄𝑝6 = 𝑄𝑟𝑓 𝑥𝐴𝑓 + 𝑄𝑟𝑔 𝑥𝐴𝑔 𝑄𝑝6 = 1.29(92.9) + 12.1(24) 𝑄𝑝6 = 410.21 𝐾𝑊 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 𝑤𝑐 = 9.81𝑥900 = 8829 𝐾𝑊 Finalmente:

𝑃6 = 80𝑥

410.21 8829

𝑃6 = 3.71% Hallando las pérdidas totales:

𝑃𝑡 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + 𝑃4 + 𝑃5 + 𝑃6 𝑃𝑡 = 10.18 + 5.5 + 1.04 + 3.97 + 0.81 + 3.71 𝑃𝑡 = 25.21%

Hallando la eficiencia: n

Ƞ = 100 − ∑ Pi i=1

Ƞ = 100% − 25.21% Ƞ = 𝟕𝟒. 𝟖%

Ya que los calderos son de las mimas marcas y capacidades optamos por utilizar el mismo método indirecto en los calderos 2, 3 y 4 para hallar las eficiencias.

36

CUADRO Nº 03 DATOS DE LAS EFICIENCIAS- ANTES DE LA REGULACION PARAMETROS

Unid.

CALD.1

CALD.2

CALD.3

CALD.4

O2

%

8.4

11.1

7

8.6

CO2

%

9.8

7.7

10.9

9.6

CO

ppm

19

53

30

14

Temperatura de los gases

ºC

208.2

196.7

205.4

201

Índice de Bacharach

#

5

5

7

6

Exceso de aire

%

62.9

105.7

47.2

65.4

Eficiencia de caldera

%

74.8

77.4

75.1

77.8

ELABORACION PROPIA

Entre los calderos pirotubulares el caldero 1 tenía la eficiencia térmica más baja, esto debido a las altas pérdidas por inquemados sólidos (opacidad = 7).

3.1.2

Análisis

en

las

calderas

después

de

las

regulaciones

y

mantenimientos.  Se efectuó inspección, verificación del correcto funcionamiento de mecanismos y componentes de tren de petróleo.  Se efectuó mantenimiento de filtro de succión  Se efectuó inspección y se verifico cierre y/o apertura de válvulas solenoides de petróleo.  Se observó y regulo el sobre exceso de aire, por cada 10 % adicional el consumo de combustible aumenta en 1 %.  Se efectuó inspección y verificación del correcto funcionamiento de motor modutrol.  Se efectuó mantenimiento de tobera de atomización (limpieza).  Se verifico el correcto funcionamiento de válvulas de seguridad y se comprobó la calibración de disparo de estas.

37

Luego de los ajustes y regulaciones se obtuvieron los resultados siguientes:

CUADRO Nº 04 DATOS DE LOS ANALISIS DE EMISIONES Y OPACIDADES DESPUES DE LA REGULACIONES Y MANTENIMIENTOS PARAMETROS

Unid.

CALD.1

CALD.2

CALD.3

CALD.4

O2

%

4.3

6.8

5.9

5.5

CO2

%

13

11

11.7

12

CO

ppm

21

19

23

11

Temperatura de los gases

ºC

204

204.9

205.6

229.2

Índice de Bacharach

#

4

5

7

4

Exceso de aire

%

24.3

45.2

36.9

33.5

ELABORACION PROPIA

Calculo de las pérdidas por método indirecto. 

Caldera Nº 01:

a. Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos, P1

𝑃1 =

𝑘[𝑇𝑔 − 𝑇𝑎 ] 𝐶𝑂2

Reemplazando se tiene: 𝑃1 =

0.53[204 − 20] 13 𝑃1 = 7.5%

b. Pérdida por la entalpía del vapor de agua en los gases, P2

𝑃2 =

[(𝐻2 𝑂 + 9𝑥𝐻)(210 − 4.2𝑇𝑎 + 2.1𝑇𝑔 ] 𝑃𝐶𝑆

38

Reemplazando se tiene:

𝑃2 =

[(0.0015 + 9𝑥0.46)(210 − 4.2(20) + 2.1(204)] 42283 𝑃2 = 5.43%

c. Perdidas por inquemados gaseosos, P3.

𝑃3 =

𝑘1 (𝐶𝑂) (𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂)

Reemplazando se tiene: 𝑃3 = 54

(0.0021) (13 + 0.0021)

𝑃3 = 0.81%

d. Perdidas por inquemados sólidos, P4. 𝑃4 = 0.14𝐵 2 + 0.08𝐵 + 0.07

Reemplazando se tiene para B=5(índice de Bacharach) 𝑃4 = 0.14(4)2 + 0.08(4) + 0.07 𝑃4 = 2.63% e. Perdidas por convección, P5. 𝑃5 = 80(

𝑄𝑃5 ) 𝑊𝑐

𝑄𝑃5 = ℎ𝑐𝑓 𝑥𝐴𝑓 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 ) + ℎ𝑐𝑔 𝑥𝐴𝑔 (𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 ) 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 Reemplazando: ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 )0.25𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 )0.25 𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 39

Reemplazando se tiene: ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 )0.25𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑓 = 1.973𝑥10−3 𝑥(50 + 273.15 − (20 + 273.15))0.25 𝑥(2.857𝑥1 + 1)0.5

ℎ𝑐𝑓 = 0.00906

𝑘𝑊 𝑚2

ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 )0.25 𝑥(2.857𝑥𝑉 + 1)0.5 ℎ𝑐𝑔 = 1.973𝑥10−3 𝑥(204 + 273.15 − (20 + 273.15))0.25 𝑥(2.857𝑥1 + 1)0.5

ℎ𝑐𝑔 = 0.01427

𝑘𝑊 𝑚2

Reemplazando datos: 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 𝑤𝑐 = 9.81𝑥900 = 8829 𝐾𝑊

𝑄𝑃5 = ℎ𝑐𝑓 𝑥𝐴𝑓 𝑥(𝑇𝑠𝑓 − 𝑇𝑎 ) + ℎ𝑐𝑔 𝑥𝐴𝑔 (𝑇𝑠𝑔 − 𝑇𝑎 ) 𝑄𝑃5 = 0.00906𝑥92.9(323.15 − 293.15) + 0.01427𝑥24(477.15 − 293.15) 𝑄𝑃5 = 89.77 𝐾𝑊 Finalmente: 𝑃5 = 80 (

𝑄𝑃5 89.77 ) = 80𝒙 𝑊𝑐 8829 𝑃5 = 0.8%

f. Pérdida por radiación, P6. 𝑃6 = 80𝑥

𝑄𝑃6 𝑊𝑐

𝑄𝑝6 = 𝑄𝑟𝑓 𝑥𝐴𝑓 + 𝑄𝑟𝑔 𝑥𝐴𝑔

40

𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑓 + 273.15)4 − (𝑇𝑎 + 273.15)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑔 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273.15)4 ] Reemplazando se tiene: 𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑓 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑓 = 5.763𝑥10−11 𝑥0.95[(323.15 + 273)4 − (293.15 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑓 = 1.29

𝑘𝑊 𝑚2

𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥𝜀[(𝑇𝑠𝑔 + 273)4 − (𝑇𝑎 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 5.763𝑥10−11 𝑥0.95[(477.15 + 273)4 − (293.15 + 273)4 ] 𝑄𝑟𝑔 = 11.71

𝑘𝑊 𝑚2

𝑄𝑝6 = 𝑄𝑟𝑓 𝑥𝐴𝑓 + 𝑄𝑟𝑔 𝑥𝐴𝑔 𝑄𝑝6 = 1.29(92.9) + 11.71(24) 𝑄𝑝6 = 400.88 𝐾𝑊 𝑤𝐶 = 9.81𝑥𝐵𝐻𝑃 𝑤𝑐 = 9.81𝑥900 = 8829 𝐾𝑊 Finalmente:

𝑃6 = 80𝑥

400.88 8829

𝑃6 = 3.63% Hallando las pérdidas totales:

𝑃𝑡 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + 𝑃4 + 𝑃5 + 𝑃6 𝑃𝑡 = 7.5 + 5.43 + 0.81 + 2.63 + 0.8 + 3.63 𝑃𝑡 = 20.8%

41

Hallando la eficiencia: n

Ƞ = 100 − ∑ Pi i=1

Ƞ = 100% − 20.8% Ƞ = 𝟕𝟗. 𝟐%

Ya que los calderos son de las mimas marcas y capacidades optamos por utilizar el mismo método indirecto en los calderos 2, 3 y 4 para hallar las eficiencias después de haber realizado los ajustes para su mejora CUADRO Nº 05 DATOS DE LAS EFICIENCIAS DESPUES DE LA REGULACION PARAMETROS

Unid.

CALD.1

CALD.2

CALD.3

CALD.4

O2

%

4.3

6.8

5.9

5.5

CO2

%

13

11

11.7

12

CO

ppm

21

19

23

11

Temperatura de los gases

ºC

204

204.9

205.6

229.2

Índice de Bacharach

#

4

5

7

4

Exceso de aire

%

24.3

45.2

36.9

33.5

Eficiencia de caldera

%

79.2

80.5

77.4

81.3

ELABORACION PROPIA

Entre los calderos pirotubulares el caldero 3 tenía la eficiencia térmica más baja, esto debido a las altas pérdidas por inquemados sólidos. En la mayoría de calderos, principalmente en el caldero 3 se ha comprobado que no es posible bajar los niveles de exceso de aire sin incrementar el nivel de inquemados (opacidad), sin embargo no ha sido posible reducir la emisión de inquemados, lo cual se debe a que en las actuales condiciones no es posible mejorar la atomización del combustible y mantener las condiciones de ingreso del petróleo estables (presión y temperatura adecuada).

42

3.2 DETERMINANDO EL FACTOR DE CARGA DEL CALDERO (FC). El factor de carga de un generador de vapor indica la cantidad de BHP reales a la que opera que es menor que los BHP nominales de diseño (900 BHP), y depende de la eficiencia del caldero, la temperatura del vapor y la temperatura del agua de alimentación. 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

𝐵𝐻𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 % 𝐵𝐻𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

Dónde:

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙( 8437

𝑘𝑐𝑎𝑙 ) ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

Potencia térmica útil: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) Flujo de vapor: 𝑛=

ṁ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼

ṁ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑛.

𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼 (ℎ2 − ℎ1 )

 DATOS TECNICOS DEL CALDERO: 

POTENCIA

: 900BHP



MARCA

: DISTRAL



AÑO DE FABRICACION

: 1998



TIPO

: PIROTUBULAR



PRESION DE TRABAJO

: 110 lb/pulg2



Consumo de combustible R-500

: 45 galones/ hora

43

Calculando el factor de carga de los calderos 1, 2,3 y 4: 

Caldero N°1:

Hallamos el flujo de vapor: 𝑛=

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑛.

𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼 (ℎ2 − ℎ1 )

n= es la eficiencia del caldero mc= flujo de combustible (Residual 500). PCI=Poder calorífico del R 500 (39984 𝐾𝑐𝑎𝑙 ) 𝑘𝑔 𝑘𝑗 h2= Entalpia del vapor a la presión de 110 lb/pulg2 (2767.98 𝑘𝑔 ) 𝑘𝑗 h1= Entalpia del agua de alimentación a la temperatura de 95ºC (397.96 𝑘𝑔 )

Despejando y reemplazando tenemos: 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑛.

45 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 0.792.

𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼 (ℎ2 − ℎ1 )

𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑘𝑗 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑥39984 𝑥3.248 𝑥4.18 ℎ 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑗 (2767.98 − 397.96) 𝑘𝑔

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 8163.27

𝑘𝑔 ℎ

Hallamos la potencia térmica útil: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 8163.27

𝑘𝑔 ℎ

𝑥 (2767.98 − 397.96)

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 4 628 496.66

44

𝑘𝑗 𝑘𝑔

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑥

4.18𝑘𝑗

Hallamos el BHP real: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙(

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

8437

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

𝑘𝑐𝑎𝑙 ) ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ 𝑘𝑐𝑎𝑙 8437 ℎ

4 628 496.66

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 = 548.59

Hallamos el factor carga: 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

𝐵𝐻𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 % 𝐵𝐻𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

548.59 900

100%

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎= 60.95% 

Caldero N°2 Hallamos el flujo de vapor: 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑛.

45 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 0.805.

𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼 (ℎ2 − ℎ1 )

𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑘𝑗 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑥39984 𝑥3.248 𝑥4.18 ℎ 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑗 (2767.98 − 397.96) 𝑘𝑔

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 8279.26

𝑘𝑔 ℎ

Hallamos la potencia térmica útil: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 8279.1

𝑘𝑔 ℎ

𝑥 (2767.98 − 397.96)

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 4 694 261.2 45

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑗 𝑘𝑔

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑥

4.18𝑘𝑗

Hallamos el BHP real: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙(

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

8437

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

𝑘𝑐𝑎𝑙 ) ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ 𝑘𝑐𝑎𝑙 8437 ℎ

4 704 467.02

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 = 556.38 Hallamos el factor carga: 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

𝐵𝐻𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 % 𝐵𝐻𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

557.59 900

100%

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎= 61.82 % 

Caldero N°3 Hallamos el flujo de vapor: 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑛.

45 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 0.774.

𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼 (ℎ2 − ℎ1 )

𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑘𝑗 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑥39984 𝑥3.248 𝑥4.18 ℎ 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑗 (2767.98 − 397.96) 𝑘𝑔

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 7977.74

𝑘𝑔 ℎ

Hallamos la potencia térmica útil: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 7977.74

𝑘𝑔 ℎ

𝑥 (2767.98 − 397.96)

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 4 523 302.23

46

𝑘𝑗 𝑘𝑔

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑥

4.18𝑘𝑗

Hallamos el BHP real: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙(

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

8437

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

𝑘𝑐𝑎𝑙 ) ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ 𝑘𝑐𝑎𝑙 8437 ℎ

4 523 302.23

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 = 536.12 Hallamos el factor carga: 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

𝐵𝐻𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 % 𝐵𝐻𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

536.12 900

𝑥100%

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎= 59.56%



Caldero N°4 Hallamos el flujo de vapor: 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑛.

45 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 0.813.

𝑚𝑐 𝑥𝑃𝐶𝐼 (ℎ2 − ℎ1 )

𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑘𝑗 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑥39984 𝑥3.248 𝑥4.18 ℎ 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑗 (2767.98 − 397.96) 𝑘𝑔

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 8379.72

𝑘𝑔 ℎ

Hallamos la potencia térmica útil: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑥(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 8379.72

𝑘𝑔 ℎ

𝑥 (2767.98 − 397.96)

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 = 4 751 221.2 47

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑗 𝑘𝑔

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑥

4.18𝑘𝑗

Hallamos el BHP real: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙(

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

8437

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 =

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ 𝑘𝑐𝑎𝑙 8437 ℎ

4 751 221.2

𝐵𝐻𝑃𝑅𝑒𝑎𝑙 = 563.14

Hallamos el factor carga: 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

𝐵𝐻𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 % 𝐵𝐻𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=

563.11 900

𝑥100%

𝐹𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎= 62.57%

48

𝑘𝑐𝑎𝑙 ) ℎ

3.3 INDICADORES DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE. Se procederá a calcular la cantidad de petróleo R 500 utilizado por cada tonelada de vapor que produce el caldero. 𝑰𝑷𝟏









𝐺𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 ) ℎ = 𝑇𝑜𝑛 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜( ) ℎ 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒(

Caldera N°1. 𝑰𝑷𝟏

𝑔𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑙 ℎ = = 5.51 𝑇𝑜𝑛. 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑜𝑛 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 8.16 ℎ

𝑰𝑷𝟐

𝑔𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑙 ℎ = = 5.44 𝑇𝑜𝑛. 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑜𝑛 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 8.27 ℎ

𝑰𝑷𝟑

𝑔𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑙 ℎ = = 5.64 𝑇𝑜𝑛. 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑜𝑛 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 7.97 ℎ

𝑰𝑷𝟒

𝑔𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑙 ℎ = = 5.37 𝑇𝑜𝑛. 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑜𝑛 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 8.3 ℎ

45

Caldera N°2. 45

Caldera N°3. 45

Caldera N°4. 45

49

3.4. CUADRO RESUMEN DE LAS EFICIENCIAS DE LAS CALDERAS RESUMEN DE CALCULOS PARAMETROS

O2 CO2 CO Temperatura de gases Índice de Bacharach Exceso de aire Eficiencia de caldera flujo de vapor factor de carga

DATOS ANTES DE LA REGULACION Unid. CALD.1 CALD.2 CALD.3 CALD.4 % 8.4 11.1 7 8.6 % 9.8 7.7 10.9 9.6 ppm 19 53 30 14 ºC 208.2 196.7 205.4 201 # 5 5 7 6 % 62.9 105.7 47.2 65.4 % 74.8 77.4 75.1 77.8 Kg/h 7709.75 7977.74 7740.67 8010.97 % 57.5 59.5 57.8 59.8

ELABORACION PROPIA

50

DATOS DESPUES DE LA REGULACION CALD.1 CALD.2 CALD.3 CALD.4 4.3 6.8 5.9 5.5 13 11 11.7 12 21 19 23 11 204 204.9 205.6 229.2 4 5 7 4 24.3 45.2 36.9 33.5 79.2 80.5 77.4 81.3 8 279.26 7 977.74 8 163.27 8 379.72 60.95 61.82 59.56 62.57

IV. conclusiones:  El monitoreo y análisis de los gases de combustión con equipo analizador digital nos permite corregir y mantener todos los parámetros dentro de rangos técnicos generando ahorros económicos significativos.  Las eficiencias energéticas en los calderos de 900 BHP después de la regulación es en el caldero 1 es 79.2%, en el caldero 2 es 80.5%, en el caldero 3 es 77.4% y el caldero 4 es 81.3%.  Con respecto a los factores de cargas calculados de los calderos de 900BHP, el caldero 1 cuenta con 60.95%, el caldero 2 cuenta con 61.82, el caldero 3 cuenta con 59.56% y el caldero 4 cuenta con 62.57%.  la cantidad de combustible promedio utilizado por tonelada de vapor 𝑔𝑎𝑙 𝑅500

producido es de 𝐼𝑃𝑃 = 5.49 𝑡𝑜𝑛 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟  La producción de vapor en toneladas por hora promedio de los cuatro calderos es de 8.19

𝑇𝑜𝑛 ℎ

.

 Mantener los márgenes de exceso de aire para generar una buena combustión.

V. recomendaciones:  Los calderos no deben operar todo el tiempo en llama alta por el alto consumo de combustible que esta operación demanda; el uso correcto y una buena operación de estos equipos pueden generar ahorro considerable de combustible.  Programar mantenimiento preventivo anterior a cada temporada de pesca y mantenimiento correctivo anualmente.  Realizar inspección, mantenimiento y/o cambio de dispositivos de control, ya que al mantenerlas en buenas condiciones de operación evitamos accidentes lamentables.  Los dispositivos de seguridad nunca deben ser bloqueados ni puenteados eléctricamente y deben chequearse periódicamente.  Mantener las condiciones actuales en el sistema de combustión.

51

VI. BIBLIOGRAFIA 

GARRIGA, D. (2010).Ahorro de Energia en la Industria. España: marcombo”.



KOHAN; Anthony L. (2000). Manual de Calderas; McGraw.Hill; México.



SPIRAX SARCO. (2010). Guía técnica de calderas a vapor. Ediciones Web.



Manual de uso interno de la EAP Ingeniería en energía.



Quiñonez Cercado, N. L. (2016). Desarrollo de software para el análisis y diseño térmico de calderas pirotubulares horizontales con quemadores a diésel y bunker.



SELIMEC (2010). Calderas Industriales

52

VII ANEXOS

53

TABLAS DE INDICADORES DE EMISIONES DE GASES DE COMBUSTION

Tabla Nº 01: Propiedades de los combustibles TIPO

CTE DE

CO2 MAX %

CONSTANTE (K1)

SIEGERT (K) RESIDUALES

0.53

15.8

54

DESTILADOS

0.48

15.5

53

GLP

0.4

13.8

48

GAS NATURAL

0.35

11.9

40

Fuente: NTP 350.300.2008

Tabla Nº02: ÍNDICE DE BACHARACH INDICE DE BACHARACH

CALIFICACION

EFECTOS

1

Excelente

No hay hollín

2

Buena

Hollín muy reducido

3

Regular

Cierta cant. De hollín

4

Pobre

Hollín visible

5

Muy pobre

Hollín muy visible

6ª9

pobrísima

Hollín muy muy visible

Fuente: NTP 350.300.2008

54

TABLA N°03: Nivel recomendado de exceso de aire y otros parámetros. Parámetro TIPO DE

Exceso de

O2 en

CO en

Opacidad de

COMBUSTIBLE

aire (%)

chimenea (%)

chimenea

humos (Índice

(ppm)

de Bacharach)

Gas natural

10 máx.

2.0 máx.

50 máx.

0 máximo

Diesel

20 máx.

3.5 máx.

200 máx.

3 máximo

Residual

25 máx.

4.0 máx.

400 máx.

4 máximo

Fuente: PAE -MEM

DIAGRAMA Nº01 AHORRO DE PETROLEO

Fuente: PAE –MEM

TABLA Nº04 Frecuencia de inspección de operatividad Estado de la caldera

Inspección de la operatividad Interna

externa

Nueva hasta 10 años

Cada 3 años

Anual

De 10 hasta 15 años

Cada 2 años

Anual

De 15 hasta 20 años

Anual

Anual

Fuente: NTP 350.303.2010

55

VIII REGISTROS FOTOGRAFICOS

56

CALDEROS REGULADOS

FIGURA Nº1: CALDERO 1

FIGURA Nº2: CALDERO 2

57

FIGURA Nº3: CALDERO 3

FIGURA Nº4: CALDERO 4

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