"Auditoría Energética en una Planta de Transformadores Eléctricos para Ahorro de Energía en áreas Térmicas y Eléctricas"-Edición Única

INSTITUTO TECNOLÓGI CO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

PRESENTE.-Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra denominada

, en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución, distribución pública y reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o propios al objeto de ÉL INSTITUTO, dentro del circulo de la comunidad del Tecnológico de Monterrey.

El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas anteriormente de la obra.

De la misma manera, manifiesto que el contenido académico, literario, la edición y en general cualquier parte de LA OBRA son de mi entera responsabilidad, por lo que deslindo a EL INSTITUTO por cualquier violación a los derechos de autor y/ o propiedad intelectual y/ o cualquier responsabilidad relacionada con la OBRA que cometa el suscrito frente a terceros.

"Auditoría Energética en una Planta de Transformadores

Eléctricos para Ahorro de Energía en áreas Térmicas y

Eléctricas"-Edición Única

Title "Auditoría Energética en una Planta de Transformadores Eléctricos para Ahorro de Energía en áreas Térmicas y Eléctricas"-Edición Única

Authors Juan Francisco Ríos Casillas

Affiliation Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey Issue Date 2010-05-01

Item type Tesis

Rights Open Access

Downloaded 18-Jan-2017 19:35:11

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS

SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

“AUDITORÍA ENERGÉTICA EN UNA PLANTA DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS PARA AHORRO DE ENERGÍA EN ÁREAS TÉRMICAS Y

ELÉCTRICAS”

TESIS

Presentada como requisito parcial para obtener el grado académico de:

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

POR:

Ing. Juan Francisco Ríos Casillas

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS DE INGENIERÍA

AUDITORÍA ENERGÉTICA EN UNA PLANTA DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS PARA AHORRO DE ENERGÍA EN ÁREAS TÉRMICAS Y

ELÉCTRICAS

TESIS

Presentada como requisito parcial para obtener el grado académico de:

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

POR:

Juan Francisco Ríos Casillas

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS E N INGENIERÍA

Los miembros del comité de tesis recomendamos que la presente tesis presentada por el Ing. Juan Francisco Ríos Casillas, sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado académico de:

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

Comité de Tesis:

Dr. Armando Llamas Terrés. Asesor

M.C. Enrique Luis Cervantes Jaramillo

Sinodal

M.C. Jorge Alberto de los Reyes Pérez

Sinodal Aprobado:

Dr. Osvaldo M. Micheloud Vernackt

Director del Programa Maestría en Ingeniería Energética

DEDICATORIAS

A mi madre

Quien siempre me ha apoyado por estos casi 27 años sin importar los obstáculos que hemos tenido y por creer en mí todo este tiempo y es gracias a ti que he tenido la oportunidad de formarme, sin ti esto sería totalmente diferente y por ser un ejemplo a seguir que me ha motivado durante todo este tiempo.

A mi familia

Que me han apoyado, que han confiado en mí y puesto toda su confianza durante estos 8 años que he estado lejos dándome consejos y su cariño.

AGRADECIMIENTOS

A mi familia que han creído en mí, en especial a mi madre que se ha esforzado tanto para que yo pudiera lograr mis sueños.

A mi asesor de tesis Dr. Armando Llamas por tomar el papel de asesor durante esta tesis que tuvo varios retos en la industria y siempre estuvo ahí para apoyarme y guiarme al mejor camino durante el desarrollo de la tesis y sus grandes consejos que me servirán de mucho.

A mis sinodales M.C. Jorge de los Reyes y M.C. Luis Cervantes que se dieron el tiempo de ver mi tesis, revisarla y aclarar dudas con su mayor disposición.

Al Ing. Erik González y su equipo, así como todos los que estuvieron involucrados en la industria para poder realizar este trabajo, uno de los retos mayores al realizar una auditoría energética es hacer un buen contacto con la gente en la planta para utilizar los recursos existentes para una auditoría energética y esto se realizó con éxito gracias a ustedes.

AUDITORÍA ENERGÉTICCA EN UNA PLANTA DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS PARA AHORRO DE ENERGÍA EN ÁREAS TÉRMICAS Y

ELÉCTRICAS

Juan Francisco Ríos Casillas

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2009

Asesor: Dr. Armando Llamas Terrés

Resumen

ÍNDICE

Dedicatoria…..……… i

Agradecimientos….………... ii

Resumen.………...……… iii

Índice..………...……… iv

Lista de figuras.………...……….… vii

Lista de tablas.………... ix

Capítulo 1: Introducción. 1.1 Introducción ..………..……….… 1

1.2 Definición del Problema ……….. 2

1.3 Objetivos ………. 2

1.2.1 Objetivo General ... 2

1.2.2 Objetivo Particular ……… 2

1.2.3 Objetivo de Innovación ……… 2

1.4 Justificación ……….…… 3

1.5 Pregunta de Investigación ………... 3

1.6 Hipótesis ... 3

1.7 Alcance ……… 4

1.8 Metodología ………. 4

Capítulo 2: Auditoría energética. 2.1 Inicios de la Auditoría Energética ………... 5

2.3 Auditoría Energética Industrial ………... 6

2.3.1 Tipos de Auditoría Energéticas Industriales ………. 7

2.3.2 Niveles de Auditoría Energética ………... 8

2.4 Procedimiento de la Auditoría Energética ………... 9

2.4.1 Pasos Específicos de la Auditoría Energética ………. 11

2.5 Sistemas de Energía ………... 12

2.6 Auditoría en el Sistema de Aire Compromido ……….. 13

2.6.1 Componentes del Sistema de Aire Comprimido ……… 17

2.6.2 Tipos de Compresores ……… 18

2.6.3 Motor Primario ………... 19

2.6.4 Sistema de Control ………. 19

2.6.5 Fugas en el Sistema de Aire Comprimido … ………. 26

2.7 Auditoría en el Sistema Térmico ………... 28

Capítulo 3: Medición y Recopilación de Datos. 3.1 Diagnostico Primer Nivel ……….. 31

3.2 Medición en el Sistema de Aire comprimido en la Planta Mayor ………. 41

Capítulo 4: Análisis de Datos. 4.1 Análisis de Datos del Diagnóstico de Primer Nivel ……….. 44

4.2 Análisis del sistema de Aire Comprimido ………...…….. 47

4.2.1 Análisis de Energía en el Sistema de Aire Comprimido ……… 47

4.2.2 Análisis de Demanda del Sistema de Aire Comprimido ……… 50

4.2.3 Costo de demanda de Aire Comprimido ……… 52

4.2.5 Fugas en el Sistema de Aire Comprimido ……….. 54

4.3 Análisis de Energía en Chimeneas de Hornos Térmicos ……….. 56

Capítulo 5: Conclusiones. 5.1 Conclusión ……….……… 60

5.2 Resultados ………. 61

5.3 Observaciones ………... 63

5.4 Trabajos Futuros ……… 65

Lista de figuras

Fig. 2.1 Representación de unidad cúbica de aire comprimido ……….. 14

Fig. 2.2 Entrada de energía en aire comprimido y energía de salida útil ……...…………. 15

Fig. 2.3 Sistema de aire comprimido industrial ……….………... 17

Fig. 2.4 Tipos de compresores ………..….. 18

Fig. 2.5 Impacto de un sistema de presión controlado …….………... 20

Fig. 2.6 Eficiencia de compresores VSD ……….…….……….. 24

Fig. 2.7 Sistema de aire comprimido mal diseñado………...………….. 25

Fig. 2.8 Sistema de aire comprimido bien diseñado……… 25

Fig. 2.9 Diagrama de energía perdida de horno térmico ………. 31

Fig. 3.1 Energía consumida por plantas………..………. 31

Fig. 3.2 Porcentaje del costo total de energía por plantas ………...… 32

Fig. 3.3 Energía total por compañía distribuidora en planta mayor ……… 33

Fig. 3.4 Porcentaje del costo total de energía por distribuidora en la planta mayor …...… 34

Fig. 3.5 Suma de energías de planta mayor en MMBtu ……….. 35

Fig. 3.6 Consumo de energía térmica para planta mayor con línea de tendencia ………... 35

Fig. 3.7 Consumo de electricidad para planta mayor con línea de tendencia polinomial ... 36

Fig. 3.8 Demanda máxima facturable de las compañías eléctricas de la planta mayor ..… 37

Fig. 3.9 Cinco minutal durante el mes de octubre 2009………..………. 38

Fig. 3.10 Perfil de carga sistema de aire comprimido por semana ……….… 43

Fig. 4.1 Costo unitario en dólares/kWh por compañía distribuidora de la planta mayor ... 45

Fig. 4.2 Costo unitario de la suma de las dos compañías de luz, planta mayor ………….. 45

Fig. 4.3 Demanda mes de octubre 2009 cinco minutal de mayor a menor …………...….. 46

Fig. 4.5 Energía de carga y descarga de los compresores en una semana ……….. 49

Fig. 4.6 Perfil de carga en CFM por compresor por semana………... 50

Fig. 4.7 Rango de control del sistema de aire comprimido……….. 53

Fig. 4.8 Calor recuperado a diferente temperatura de chimeneas planta mayor………….. 58

Fig. 4.9 Calor desperdiciado del sistema térmico en chimeneas de planta mayor ……….. 59

Fig. 5.1 Fugas atacadas en el sistema de aire comprimido……….. 61

Lista de tablas

Tabla 2.1 Ahorros típicos según las diferentes oportunidades del sistema térmico………. 30

Tabla 3.1 Porcentual de energía consumida por tablero eléctrico en la planta mayor……. 36

Tabla 3.2 Datos del sistema instalado de aire comprimido, medición octubre 2009…...… 39

Tabla 3.3. Datos calculados de los compresores de medición octubre 2009…………...… 39

Tabla 4.1 Costo Unitario de Energía por compañía distribuidora ………... 44

Tabla 4.2 Energía del sistema de aire comprimido……….. 48

Tabla 4.3 Costo de aire comprimido por mes ………. 48

Tabla 4.4 Demanda eléctrica por cada 100 CFM por tipo de compresor………. 51

Tabla 4.5 Demanda media por compresor en CFM ……… 51

Tabla 4.6 Demanda eléctrica por cada 100 CFM en el sistema de aire comprimido……... 52

Tabla 4.7 Compresores en carga y en carga-descarga en día festivo, 2009 ……… 54

Tabla 4.8 Chimeneas con gases de salida a una temperatura mayor a 100°C ……… 57

Capítulo 1 Introducción.

El objetivo de este capítulo es definir la problemática para la realización de este estudio, viendo la importancia de la energía y de esta manera justificar el trabajo, trazando los objetivos y el alcance del presente trabajo.

1.1 Introducción.

La energía es una de las riquezas más importantes que puede tener un estado. Las implicaciones económicas y sociales que ésta tiene en un país han generado que sea un factor primordial a considerar por los gobiernos, por ello es importante salvaguardar la seguridad energética en todos los países del mundo. [1]

La obtención de energía es un problema de nivel mundial y el ahorro de la misma es una prioridad en todos los países, particularmente en las empresas que demandan de estos servicios para su producción. En estos tiempos una empresa competitiva no solo radica en sus productos o servicios de calidad sino en cómo llega a ellos y los procesos de manufactura que emplea de menor costo para la empresa. Uno de los insumos más importantes de cualquier empresa es la energía tanto eléctrica como térmica. [1-4]

Administrar efectivamente el uso de energía es una necesidad en las compañías cada vez mayor, reducir los costos de energía es una de las estrategias más efectivas para disminuir los costos de operación. Hoy en día grandes consumidores de energía contratan proyectos de energía con los proveedores de energía. Dichos proyectos deben establecer una línea base del uso de energía así como cuantificar los ahorros potenciales del proyecto [4-9]. Sin embargo en muchas empresas se desconoce la forma de administrar eficientemente la energía y por lo tanto no se obtiene un mejor proyecto de ahorro de energía.

1.2 Definición del Problema.

La empresa es una de las mejores empresas de transformadores eléctricos en el mundo dando una gran variedad de productos de calidad y en tiempos de entrega atractivos para el cliente. Debido a que la energía es uno de los insumos más importantes en la planta no se puede ignorar el costo que esta representa, como se utiliza y administra para hacer el producto. Por lo que este estudio se enfoca en el costo de la energía térmica y eléctrica, así como los sistemas que se utilizan en los procesos de manufactura analizando el uso correcto de la energía ya que la problemática radica en que no existe un método para administrar la energía en la planta y así tener un correcto uso de energía.

1.3 Objetivos.

1.3.1 Objetivo General.

Evaluar mediante una auditoria energética el uso de energía en una planta de transformadores eléctricos.

1.3.2 Objetivo Particular.

1. Identificar los tipos de energía y los costos de su uso.

2. Evaluar la utilización de energía mediante la auditoría energética. 3. Evaluar la eficiencia de uso de energía.

4. Conocer el costo-beneficio de la utilización de las auditorías energéticas en ahorro de energía.

Implementar la auditoria energética como parte de los procesos de la empresa como una mejora continua en el uso eficiente de energía estando a la vanguardia en el ahorro de energía.

1.4 Justificación.

La tendencia actual de la organización empresarial recomienda concentrar la actividad en lo que se entiende por “negocio principal”, donde la empresa tiene una ventaja competitiva, y externalizar las actividades en que la desventaja es notable. En varios países ha existido un avance en eficiencia energética, sin embargo en nuestro país para muchas empresas poco o nada se han utilizado recursos como la auditoria energética para un uso más eficiente de energía.

La mejora de la eficiencia energética en los procesos suele ir asociada con algún tipo de innovación en el propio proceso, la maquinaria, el producto elaborado o los procedimientos de trabajo. En estos casos, los ahorros de energía pueden ser espectaculares, aunque como contrapartida las inversiones también son considerables, por lo que dichas actuaciones estarán indicadas para las modificaciones sustanciales en las instalaciones, en los procesos o en los productos. [4,8]

Es por ello que se realizó el presente estudio en una de las empresas reconocidas internacionalmente en producción de transformadores, que permitió conocer el uso eficiente de energía y, establecer un plan de mejora continua con auditoria energética.

1.5 Pregunta de Investigación.

1.6 Hipótesis.

La aplicación de la auditoria energética permite el manejo del uso efectivo de energía en una planta de transformadores eléctricos.

1.7 Alcance.

El alcance de este estudio es desde hacer una evaluación de los datos de las distribuidoras de energía eléctrica y térmica hasta el identificar el sistema que consume mayor energía y de esta manera dar un reporte del porcentaje del consumo de energía de la planta, su demanda máxima y si es bien aprovechada la energía en el sistema que consume más energía y dar recomendaciones para su mejor aprovechamiento.

1.8 Metodología.

A través de un estudio descriptivo, observacional, analítico y basados en un proceso (auditoria energética) que permita la medición del consumo de energía de diversas cargas evaluando mediante un diagnóstico energético el aprovechamiento o desperdicio de energía.

Basados en un proceso (auditoría energética) que permita la medición del consumo de energía de diversas cargas evaluando mediante un diagnostico energético el aprovechamiento o desperdicio de energía.

Capítulo 2 Auditoría Energética.

El objetivo de este capítulo es definir la auditoría energética, la auditoría energética industrial, los diferentes tipos y pasos de la auditoría energética industrial y los conceptos básicos de la auditoría energética en sistemas de aire comprimido.

2.1 Inicios de la Auditoría Energética.

Desde 1995 se encuentran antecedentes de cooperación internacional para las auditorias energéticas, como fueron el encuentro de expertos en auditoría energética en New Jersey en 1995, el proyecto AUDIT de 1997 a 2000 por EU SAVE, la conferencia AUDIT’99 realizada en Finlandia, el proyecto AUDIT II del 2000 al 2003 en donde se desarrolló la guía para auditores en auditoria energética. [7]

2.2 Definición de Auditoría Energética.

La auditoría energética se define como un programa de administración de energía mediante un proceso de evaluación de las energías que utiliza un edificio o una planta, identificando oportunidades en reducir los consumos de energía. Existe una gran relación entre el costo de la auditoría, los datos recolectados y analizados con las oportunidades de conservación identificadas. De esto depende el tipo de auditoría que se quiere lograr o el alcance y los tipos de energías a analizar. Ej. Energía eléctrica, térmica, etc. [4]

Por lo que una auditoría energética identifica como se está utilizando la energía que podría en ocasiones requerir reorganizar la producción, mejorar la eficiencia y realizar análisis económicos sobre el consumo de energía, lo cual permitiría a las empresas tomar las mejores decisiones para mejorar el uso de energía. [4-9]

Los beneficios de la auditoría energética son los siguientes:

1. Un estudio comprehensivo acerca del consumo de energía del edificio y sus procesos.

2. Contar con una lista del costo beneficio de las mediciones que se harán para ahorrar energía.

3. Aumentar la alerta sobre la importancia de la eficiencia energética. 4. Buen entrenamiento para el cliente. [7-9]

Las auditorias energéticas pueden ser enfocadas según el sector productivo como son industriales, comerciales y residenciales. [4]

2.3 Auditoría Energética Industrial

La auditoria energética industrial tiene evaluaciones complejas del desempeño actual de la planta, usando sistemas y equipos que se adapten a las mejores prácticas de las plantas en algunas ocasiones en contra del cual fueron diseñados. La diferencia entre este desempeño para el cual fue diseñado el sistema o equipo con las mejores prácticas para la planta es el ahorro potencial de energía y de costos. Las empresas que tienen un plan de auditoria energética se han dado cuenta que es vital para un programa de administración de energía, sin este es muy difícil mejorar continuamente la eficiencia energética en la planta y demostrar ahorros. [5]

Los sistemas industriales de energía como motores, vapor, aire comprimido, bombas, ventilación, calor en procesos, combustión y calor con electricidad en combinación suman un 80% del uso de energía en la industria. Sumando la ineficiencia y pérdidas de energía en estos sistemas los ingresos de la industria disminuyen. Mejorando la eficiencia y el desempeño de los sistemas de energía se puede alcanzar un gran ahorro en los costos. [5]

y gas natural. Este procedimiento es necesario para tener una estrategia adecuada de conservación de la energía. Varias auditorias son necesarias para tener un perfil de energía de la planta.

2.3.1 Tipos de Auditorías Energéticas Industriales.

Los tipos de auditoría industrial son los siguientes:

1. Auditoría envolvente: es un tipo de auditoría que se enfoca en el edificio, la construcción del mismo, perdidas por fugas, ventanas, falta de aislante. Básicamente es una auditoria especializada en la envolvente del edificio.

2. Auditoría funcional: este tipo de auditoría determina la cantidad de energía necesaria para el confort en un edificio particular según sus funciones dentro de este, identificando oportunidades de ahorro de energía en oficinas, sistemas de aire acondicionado, iluminación, sistema de agua caliente, etc.

3. Auditoría de procesos: es la auditoría que determina la cantidad de energía necesaria para los procesos de una planta e identifica oportunidades de ahorro en procesos de maquinaria, tratamientos de calor, hornos, bombas y motores, etc. 4. Auditoría de servicios de energía de la compañía distribuidora: este tipo de

auditoría analiza el uso de cada energía por día, mes o anual. Incluyendo vapor, aire comprimido, agua caliente procesada, etc.

5. Auditoría de transporte: esta auditoría determina la cantidad de energía para transportar.[4] pg.30-32.

2.3.2 Niveles de Auditoría Energética.

Los diferentes niveles de auditoría son los siguientes:

1. Auditoria nivel recorrido. Como su nombre lo especifica es básicamente un recorrido a la planta para ver las energías que se utilizan en la planta, normalmente implica una evaluación de los datos de la energía consumida comparando con las diferentes empresas distribuidoras de energía. Dicha auditoría es la de menor costo, pero muestra una lista pequeña de oportunidades de ahorro de energía en mejoras de operación y prácticas de mantenimiento. 2. Auditoria estándar. En este tipo de auditoría se cuantifica la energía usada y la

que es desperdiciada más detalladamente, utilizando equipo de análisis, sistemas y características de operación o proceso. Este tipo de análisis puede incluir mediciones en sitio y pruebas para cuantificar la energía y la eficiencia de los sistemas. La auditoría estándar requiere de cálculos para analizar eficiencias, calcular la energía y la inversión, basándose en las mejoras y cambios a cada sistema. También incluye un análisis económico de las recomendaciones de ahorro de energía.

La auditoría energética es un proceso sistemático mediante el que:

1. Se obtiene un conocimiento suficientemente fiable del consumo energético de la empresa.

2. Se detectan los factores que afectan al consumo de energía.

3. Se identifican, evalúan y ordenan las distintas oportunidades de ahorro de energía, en función de su rentabilidad

Las Auditorías Energéticas (AE) pueden ser desarrolladas por personal propio de la organización, sin embargo, si el alcance y la complejidad de la misma lo ameritan, se sugiere contar con expertos externos que conozcan los procesos físicos y los equipos utilizados en el sector industrial, así como las técnicas concretas de Auditorías utilizadas en la actualidad. [7-9]

2.4 Procedimiento de la Auditoría Energética

Las auditorías energéticas requieren que se establezca una buena relación entre el personal de la empresa auditada y el personal auditor, para que la transmisión de datos e informaciones sea más fluida. Lo cual pudo realizarse en la presente auditoría.

La planificación de los trabajos de la auditoría se acordó con el responsable de la empresa, para minimizar las interferencias con el normal funcionamiento de la empresa, y cumplirse estrictamente.

Para la realización de medidas “in situ” se obtuvo autorización previa. Y se realizaron con las máximas medidas de seguridad para el personal de la fábrica y de la auditoria.

Se preparó una lista de la documentación necesaria para la auditoría, y se comentó con el responsable del área, así como solicitar los permisos necesarios para la instalación de aparatos de medición.

Estas instrucciones generales son también aplicables cuando la auditoría la realiza personal de la propia empresa.

Proceso de la auditoria energética:

El primer paso fue recolectar datos de las características operacionales de los tipos de energías, una evaluación del uso de energía y de los sistemas ayudó a identificar áreas de oportunidad potenciales.

Antes de que se realizara la visita a las áreas de revisión se obtuvo la siguiente información:

1. Recolección mínima de 15 meses de recibos de las empresas distribuidoras de energía, se tabularon y graficaron para ver picos inusuales. Se graficó el consumo y costo para entender como utilizó la planta la energía. Se determino cargas base de consumo y en que sistemas se utiliza dicha energía como calefacción, alumbrado, aire acondicionado, aire comprimido, etc. Lo que hizo más sencillo identificar áreas de ahorros potenciales.

2. Se obtuvieron dibujos mecánicos, arquitectónicos, eléctricos, de gas, etc. Y copias de trabajos de ahorro de energía que se hayan hecho en el pasado. [1] 3. Para que se llevara a cabo él diagnostico energético o la auditoría energética se

realizaron los siguientes pasos:

• Diagnóstico previo o de primer nivel.

• Visita al sitio: medición.

• Análisis.

Para llegar a este fin se requirió:

1. El apoyo de los niveles superiores de la administración de la planta para conseguir la cooperación del personal de mantenimiento y producción. Además de facilitar y recabar información del uso y costo de la energía.

2. Identificar la distribución y el horario de operación de la compañía.

2.4.1 Pasos Específicos de la Auditoría Energética

1. Diagnóstico previo o de primer nivel.

• En este diagnostico se examinaron el nivel de energía y sus patrones.

• Se revisaron las fuentes de energía o sistemas industriales de energía.

• Se colectaron las últimas 15 facturas anteriores.

• Se consultó la demanda al igual que el consumo.

• Índices de consumo.

• Demanda media.

• Sé graficaron los datos obtenidos.

• Se revisaron los planos (estrategia de medición).

• Se cuestionaron acerca de diagnósticos previos.

2. Visita Guiada.

• Se visitó la planta tomando en cuenta coincidir con operarios y jefes.

• Se recabo información revisando los problemas-situación.

• Se revisó y colectó información de la instalación, información de placa del

equipo, horas de operación (áreas especificas, equipo y planta en general), controles existentes. Se realizaron las mediciones específicas para cada área.

3. Análisis.

• Consumo distribuido.

• Costos.

• Ahorros potenciales.

• Proyecciones a futuro.

• Análisis conservador.

4. Reporte.

El reporte tiene un resumen con la información que se analizó y una propuesta de ahorro de energía, así como una síntesis de cómo es utilizada la energía.

Como se muestra en estos pasos específicos desde el diagnóstico de primer nivel se busca información sobre los sistemas de energía que se encuentran instalados en la planta, tales sistemas o fuentes de energía son los que se analizan a detalle para determinar si la energía se está aprovechando eficientemente.

2.5 Sistemas de Energía

Los sistemas de energía son varios componentes o maquinas con un mismo propósito, por ejemplo: el sistema de aire acondicionado, el sistema de aire comprimido, el sistema de motores, etc.

El sistema de aire comprimido es un servicio esencial en muchas plantas y procesos, donde existe una gran variedad de maquinaria de aire comprimido para las necesidades de la planta, el aire comprimido es un método muy seguro, flexible y simple de transferir energía a través de la planta, sin embargo no es barato y por lo tanto no debe ser desperdiciado. [11-12]

administración de ahorro de energía en el sistema de aire comprimido permite ahorrar energía, reducir el mantenimiento, disminuir paros, incrementar producción y mejorar la calidad del producto. [13]

2.6 Auditoría en el Sistema de Aire Comprimido

Para ser competitivo muchas plantas requieren incrementar continuamente su producción mientras reducen costos. Por lo que es necesario identificar mejoras en productividad y calidad que resulte en costos pequeños de operación. La auditoria especializada en aire comprimido resulta una gran oportunidad para tener dichos logros con un retorno de inversión atractivo que va de los 6 meses hasta los 24 meses. [14]

En sistemas que demandan menos de 300 hp en conjunto tienen oportunidades importantes de reducir costos de operación de 35% hasta 50%, para sistemas con demandas mayores de 1000 hp típicamente ahorran entre 25% hasta un 30%. [14]

Para tener una idea más clara de lo que es el aire comprimido se puede ver de la siguiente forma:

Una unidad cúbica de aire comprimido a 100 psi manométricas equivale a comprimir 8 veces la presión del aire (14.7 psi).

Pm = 100 Psig

Pa = Pm + Patm = 100 + 14.7 = 114.7 psia (2.1) Kc = [Pa, psia]/[Patm, psia] (2.2) Kc = 114.7/14.7 = 7.8

Donde:

Pm: Presión aire comprimido, manométrica.

Fig. 2.1, representación de unidad cúbica de aire comprimido.

El aire comprimido es de los sistemas o servicios más ineficientes que existen debido a que por cada hp de trabajo en un motor (aire) se requieren 30 scfm de aire comprimido a 90 psig. Son necesarios de 6 a 7 hp en el compresor, asumiendo una eficiencia del motor del 90% esto se pasa a 7 a 8 hp de potencia eléctrica para entregar 1 hp de aire comprimido. [12-18]

Solo el 12.5% de la energía de entrada se utiliza, esta conversión de eficiencia asume que todo el equipo esta en perfecto estado. Por lo que equipo viejo, en mal estado y con un mal uso disminuye la eficiencia del sistema. [14]

Fig. 2.2 Entrada de energía en aire comprimido y energía de salida útil. [12,15]

Por lo que se deben analizar cuidadosamente las necesidades de aire comprimido, y estas son definidas por la calidad del aire, la cantidad y el nivel de presión requerido por los usuarios finales de la planta.

La calidad es determinada por los secadores y los niveles mínimos permitidos de contaminantes por los usuarios finales. Entre mayor calidad del aire se desea mayor es el costo de producirla, uno de los factores determinantes de calidad en el aire es si se encuentra libre de lubricante.

La cantidad o capacidad puede ser determinada por el número de herramientas o procesos que necesitan de aire comprimido por la suma del promedio de cada uno, no por la suma del máximo aire requerido por cada uno. Compresores de mayor tamaño que lo requerido son ineficientes debido a que usan más energía que la requerida por la demanda.

opere eficientemente en tiempos de carga. Múltiples compresores con controles secuenciales pueden ser atractivos.

Entre los usos potenciales inapropiados de aire comprimido están:

• Tuberías abiertas

• Limpiar

• Secar

• Climatizar

• Drenar

• Aspersión

• Aspirar.

• Atomizar.

• Mover o transportar.

• Generar vacío.

• Pistolas.

• Equipo abandonado.

• Etc.

2.6.1 Componentes del Sistema de Aire Comprimido.

Un sistema de aire comprimido industrial moderno está compuesto de diversos sub-sistemas generales que comprende el compresor, el motor primario, controladores, equipo de tratamiento y accesorios y el sistema de distribución.

2.6.2 Tipos de Compresores.

Existen básicamente dos tipos de compresores: desplazamiento positivo y dinámicos, en los compresores de desplazamiento positivo una cantidad dada de aire o gas entra a una cámara de compresión y el volumen que ocupa es mecánicamente reducido causando un incremento de presión. A velocidad constante el aire fluye manteniéndolo constante con algunas variaciones en la presión de descarga. Los compresores dinámicos tienen impulsores girando a altas velocidades, el aire a altas velocidades que estos impulsores avientan ya sea axial o centrífugamente es cambiada por energía de presión en los difusores. [13,19]

Fig. 2.4 Tipos de compresores. [13]

las ventajas de los compresores de tornillo están: bajo costo inicial, compacto, pequeño y ligero, además de fácil mantenimiento y muy popular. [13,19]

2.6.3 Motor Primario.

El motor primario es la fuente principal proveedora de energía para el funcionamiento del compresor, el cual tiene que ejercer la suficiente potencia para arrancar, acelerar y operar a máxima velocidad el compresor. Los motores eléctricos son los motores más comunes para el sistema de aire comprimido, la mayoría de los compresores utilizan motores eléctricos de inducción estándar. El costo incremental de utilizar un motor de alta eficiencia se paga rápidamente comparado con los ahorros de energía que esto representa.[13]

2.6.4 Sistema de Control.

El sistema de control del aire comprimido se tiene que acercar lo más posible con la demanda de la planta por lo que es un determinante el controlador de los sistemas de eficiencia de energía del sistema. El objetivo de cualquier estrategia de control está en apagar compresores que no son necesarios o que tienen retrasos en su encendido, todas las unidades que estén encendidas tienen que estar trabajando a carga completa excepto uno que este modulando. El sistema de compresores normalmente esta en un cuarto de servicio o bien conectado a un cabezal que distribuye el aire comprimido, donde la capacidad combinada de cada compresor es al menos la necesaria para la demanda máxima de aire comprimido que pueda requerir la planta. Sistemas de control son casi necesarios para organizar los compresores cuando la demanda baja. Los sistemas de compresores son regularmente diseñados para trabajar en una presión fija y entregar un volumen de aire que varía según la demanda. El sistema de presión es monitoreado y el sistema de control disminuye la salida del compresor cuando la temperatura alcanza un nivel determinado. La salida del compresor aumenta cuando la presión baja a un nivel determinado. [20]

un sistema bien controlado puede ser de 2 a 20 psi. En el pasado, compresores de control individual y no supervisados eran lentos e imprecisos. Lo que resultaban rangos de control grandes y oscilaciones grandes de presión. Como resultado de estas oscilaciones grandes, los compresores controlados individualmente tenían que cambiar sus puntos de referencia a uno mayor que el necesario para no tener esas caídas bruscas en la presión poniendo como mínimo de la oscilación una presión mayor que la mínima necesaria. Hoy en día existen microprocesadores que controlan el sistema de aire comprimido trabajando en conjunto con todos los compresores. [20]

La ventaja de los sistemas de control se puede ver en la figura 2.5. Donde un sistema de control eficiente disminuye el rango de control.

Fig. 2.5 Impacto de un sistema de presión controlado. [20]

Se debe tener precaución cuando se desea bajar el nivel promedio de presión de un sistema ya que cambios bruscos en la demanda puede causar una caída significativa en la

Promedio de presión en cabezal con sistema de control impreciso.

Promedio de presión en cabezal con sistema de

80 psi mínimo en el sistema de presión.

presión y los equipos que utilicen aire comprimido pueden fallar o trabajar inapropiadamente.[20]

Sistemas con múltiples compresores usan controles más sofisticados, utilizando microprocesadores en el tablero del área del control del compresor ligados para formar una cadena de comunicación que toma decisiones del compresor de apagado y encendido, carga y descarga, modulando, variando el movimiento y la velocidad. Normalmente un compresor asume la posición de líder o base y los demás siguen a este compresor. El sistema maestro de control coordina todas las funciones necesarias para optimizar el aire comprimido según la demanda, también tiene múltiples cualidades como la habilidad de monitorear y controlar todos los componentes en el sistema, así como trazar una línea de tendencia de los datos de demanda para poder realizar acciones de mantenimiento cuando menos afecte al sistema de aire comprimido, minimizando costos de operación. Otros sistemas de control como presión-flujo, pueden también mejorar el rendimiento de algunos sistemas. [13,21]

Debido a que el objetivo del controlador es tener el sistema de aire comprimido lo más cercano a la demanda para una mayor eficiencia del sistema de aire comprimido, esto puede ser realizado de diferentes maneras, dependiendo de las fluctuaciones en demanda, aire disponible y las características del equipo.

Controladores de red: controladores de red menos sofisticados son aquellos que utilizan el esquema de punto de arranque en cascada para que el sistema opere como uno solo. Dichos sistemas son capaces de evitar que algunos compresores estén en carga pero pueden presentar problemas de acercarse demasiado a la presión mínima requerida de la producción lo que hace requerir más y más compresores y aumentar el punto de carga y descarga de los compresores.

Un sistema más sofisticado utiliza únicamente un solo punto de referencia para realizar sus operaciones de encendido y apagado. En sistemas con desplazamiento positivo (reciprocantes, rotativos de tornillo, etc), todos los compresores son mantenidos a plena carga excepto uno que esta oscilando según el diseño de la maquina.

Hay tres desventajas principales en controles de red:

2. No pueden ponerse en red con cuartos de compresores remotos sin un control maestro de algún tipo especial.

3. Típicamente solamente trabajan con compresores de la misma configuración o

marca, porque sus microprocesadores no son compatibles para todos. [13,20,22]

Sistema maestro de control: si la complejidad de un sistema de aire comprimido sobrepasa las capacidades de un sistema de red para su control, es necesario que un sistema maestro de control coordine todas las funciones necesarias para optimizar el aire comprimido como un servicio de la planta. Incluyendo la habilidad de monitorear y controlar todos los componentes del sistema así como la línea de tendencia para permitir las funciones de mantenimiento y disminuyendo los costos de operación. La interface del sistema de control maestro es compatible con todos los tipos de compresores y puede coordinar su operación vía satélite hasta el cuarto de compresores o bien diferentes edificio en la zona industrial. La función primordial es que operen diferentes compresores en armonía. El control maestro menos sofisticado tiene las ventajas del controlador de red y además utiliza un punto de referencia de cascada lógico para controlar los compresores. De los más sofisticados utilizan un solo punto de referencia con un análisis de rango de carga dinámico para tomar las decisiones de cómo debe responder el sistema de aire comprimido a los cambios, dichos cambios pueden ocurrir por parte de la demanda, de la fuente o del clima. Todo afecta el rendimiento del sistema y tiene un rol en cómo tiene que responder el sistema, en ocasiones se requiere de una ayuda en un plazo muy corto de tiempo como lo puede dar un almacenamiento opcional y otros lapsos de tiempo requieren de un compresor adicional y en ocasiones se requiere una combinación de los dos. Por lo que un sistema maestro de control debe ser configurado correctamente para responder de la mejor manera cuando ocurra un evento.

Un sistema maestro tiene la capacidad de realizar las siguientes funciones:

• Mandar y recibir comunicaciones.

• Monitorear condiciones climáticas para ajustar los parámetros operacionales.

• Ajustar los puntos de referencia de presión-flujo.

• Monitorear punto de condensación del secador.

• Monitorear filtros diferenciales de presión.

• Monitorear funcionamiento de trampas de condensación.

• Paro-arranque y carga-descarga de compresores.

• Cambiar horarios base del sistema.

• Seleccionar la mejor combinación de compresores encendidos para optimizar su

eficiencia.

• Seleccionar que compresor debe ser prendido-apagado dependiendo la demanda

del sistema.[13,20,22]

Controlador de presión-flujo: son sistemas de control de presión usados en conjunto con un compresor individual o un sistema de control como los anteriores. Este controlador no actúa directamente con el compresor y normalmente no es parte del paquete del compresor. Es un componente que sirve para separar la fuente (el cuarto de compresión) de un sistema de compresión o compresor con el lado de la demanda (distribución del aire comprimido). Esto puede requerir compresores adicionales para operar a mayor presión y por lo tanto de caballos de fuerza (pero posiblemente menos compresores o que sean utilizados por menos tiempo). Mientras la presión del lado de la demanda puede ser reducida a un nivel mínimo para la operación del resto del equipo y el sistema de aire comprimido. [13,20,22,23]

Sin embargo es incorrecto asumir que un VSD será más eficiente que un compresor de apagado y encendido ya que el vértice del tornillo del compresor es afectado por los cambios de velocidades. Lo que hace que los VSD tengan la siguiente curva característica de eficiencia:

Fig. 2.6 Eficiencia de compresores VSD [24]

La razón principal del comportamiento de esta curva es debido a la complejidad de los compresores y como el tornillo transforma el volumen y la temperatura del aire a diferentes velocidades. Para velocidades menores de 20 m/s la eficiencia disminuye ya que el aire se escapa por la punta y para velocidades mayores a 40 m/s se crea un flujo turbulento y por lo tanto una compresión ineficiente. Por lo que los manufactureros de compresores VSD los operan aproximadamente a 70% de la carga para tener la velocidad optima de compresión. Como resultado para emplear compresores VSD en lugar de compresores de encendido y apagado, deben estar trabajando al 50% de su capacidad y si esto no es posible es mejor utilizar otra opción para la aplicación. [27]

Un sistema de control bien diseñado ayuda a eliminar la demanda artificial que es provocada por los usos finales irregulares de aire comprimido.

Fig. 2.7 Sistema de aire comprimido mal diseñado [24]

Fig. 2.8 Sistema de aire comprimido bien diseñado [24]

Sin embargo hay otro usuario que crea esta demanda artificial y son las fugas. [13]

Las fugas son una fuente importante de desperdicio de energía en aire comprimido. Una planta típica que no ha sido bien mantenida tiene pérdidas ocasionadas por fugas del 20% del total de la producción de aire comprimido, sin embargo una detección proactiva de fugas puede reducirlas al 10 %. [13]

En la mayoría de las plantas las fugas son el usuario primario del aire comprimido, plantas con un programa de administración no efectivo tiene pérdidas del 30 al 50% de aire comprimido en fugas.[28]

Un número de fugas que parecen pequeñas por si mismas, en total suman una cantidad enorme de aire desperdiciado. [26]

Las fugas causan caídas en el sistema de presión, que pueden ocasionar que las herramientas finales de trabajo sean menos eficientes, afectando la producción. Y por consiguiente las fugas acortan la vida útil de casi todos los equipos del sistema incluyendo el del compresor ya que este se ve en constantes cambios de carga, descarga, encendido y apagado. [13, 26]

Las fugas pueden existir en cualquier parte del sistema, sin embargo las más comunes son en:

• Acoples, mangueras, tubos y accesorios.

• Reguladores de presión.

• Trampas de condensado abiertas y válvulas de cierre.

• Uniones, juntas, desconexiones y selladores de roscas.

Para compresores que tienen control de carga/descarga o paro y arranque, existe una manera sencilla de estimar las fugas. Dicho método involucra encender los compresores cuando no hay demanda:

Fuga (%) = [(T x 100)/(T+t)] (2.3)

Donde:

Las fugas serán expresadas en porcentaje de la capacidad perdida del compresor. Si este es menor a 10% se cuenta con un sistema de aire comprimido con un buen mantenimiento y si es mayor es necesario hacer un mantenimiento a las fugas. [13]

En muchas ocasiones las fugas salen por no limpiar las roscas o usar selladores incorrectos, por lo que es recomendado usar accesorios de calidad, equipo que no es utilizado u obsoleto debe ser eliminado de la red ya que es considerado como fuga, otra forma de disminuir fugas es bajando la presión del sistema, si esta disminuye será menor la fuga por el orificio. Ya que las fugas han sido arregladas el sistema de control debe ser re evaluado.

Existen dos programas básicos de prevención de fugas:

1. Etiquetar las fugas: identifican la fuga, la clasifican y ponen fecha compromiso para arreglar la fuga.

2. Buscar y reparar fugas: según van avanzando se va reparando la fuga.

El escoger un programa depende de cada empresa y el tamaño de esta, pero sin importar el método que se utilice para que de resultados el programa de prevención de fugas es conveniente seguir los siguientes puntos:

• Escribir que tan efectivo es reparar fugas.

• Establecer las pérdidas por fugas.

• Determinar el costo del aire por fugas.

• Identificar fugas.

• Documentar las fugas.

• Priorizar la reparación de fugas.

• Ajustar controladores.

• Documentar reparaciones.

• Comparar programas de reparación y publicar resultados.

2.7 Auditoria en el Sistema Térmico

El desempeño y la eficiencia de un proceso del sistema térmico puede ser descrito por la siguiente figura:

Fig. 2.9 Diagrama de energía perdida de horno térmico. [29]

La meta principal de la optimización del desempeño de un sistema térmico es la reducción de pérdidas de energía e incrementar la transferencia de energía a la carga, por lo que es importante saber qué aspecto del sistema térmico tiene más impacto en el proceso de mejoras de eficiencia.[29]

El desempeño y las oportunidades de mejoras de eficiencia pueden ser agrupados de la siguiente forma:

• Generación de calor: aquí se analiza el equipo y el combustible utilizado para

• Contenedor de calor: describe métodos y materiales que pueden reducir las

pérdidas de energía a los alrededores.

• Transferencia de calor: analiza métodos para mejorar la transferencia a la carga

o el consumo de energía, incrementar producción y mejorar la calidad.

• Recuperación de calor: identifica fuentes d energía perdida que puede ser

recuperada para un mejor uso y para captar energía adicional.

• Agregar tecnología: enlistar oportunidades comunes para reducir las pérdidas de

energía secuenciando y organizando las tareas de calentamiento, mejorar el sistema de control y el desempeño de los sistemas auxiliares, entre la tecnología se encuentra:

o Aplicación de sensores y controles avanzados en el sistema de

calentamiento.

o Materiales avanzados, identifica el rendimiento y la eficiencia de utilizar

materiales avanzados.

o Sistemas auxiliares, identifica oportunidades en los sistemas de soporte

del proceso de calentamiento.[29]

A continuación se enlistan los ahorros típicos con las oportunidades que se tienen en el sistema térmico:

Tabla 2.1 Tabla de ahorros típicos según la mejora que se haga con las diferentes oportunidades del sistema térmico. [29]

Oportunidades Descripción de la mejora Ahorros

Generación de Calor

controlar porcentaje de aire y

combustible 5 - 25%

pre calentar aire de combustión 10 - 30% aire de combustión enriquecido con

oxigeno 5 - 25%

Transferencia de calor

controles y quemadores avanzados 5 - 10% Mejorar transferencia del horno 5 - 10%

Contenedor de calor

Reducir las pérdidas en la pared 2 - 5% control de presión del horno 5 - 10% puertas y tuberías selladas

mayor de 5% disminuir ventilación interna mayor de 5% pérdidas por radiación

mayor de 5%

Recuperación de calor

pre calentar aire de combustión 10 - 30% fluido o carga precalentado 5 - 20%

calor en cascada 5 - 20%

calentar fluido o generación de vapor 5 - 20% refrigeración por absorción 5 - 20%

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Capítulo 3 Medición y Recopilación de Datos.

El objetivo de este capítulo es mostrar los datos que se recopilaron, obtener información de los datos que se han analizado en el pasado y las mediciones que se hicieron durante el estudio.

3.1Diagnóstico Primer Nivel

Parte primordial de la auditoría energética es recolectar los datos de las energías utilizadas, a continuación se presenta la distribución de energía en la planta, cabe mencionar que cuenta con dos plantas una mayor y otra menor y en ambas se muestra la energía y su costo:

Fig. 3.2 Porcentaje del costo total de energía por plantas.

Para ambas plantas se consideraron los dos tipos de energía más importantes que son energía eléctrica y energía térmica (gas natural).

La planta mayor cuenta con dos distribuidoras de energía eléctrica y una distribuidora de gas. Y la planta menor cuenta con una distribuidora de energía eléctrica y la distribuidora de gas. Las cuales se pueden clasificar de la siguiente manera:

Planta mayor.

• Distribuidora energía eléctrica 1.

• Distribuidora energía eléctrica 2.

• Distribuidora energía térmica (gas natural).

Planta menor

• Distribuidora energía eléctrica 1.

Debido a que el 98% de la energía es utilizada en la planta mayor como lo muestra la figura 3.1, se analizó dicha planta a detalle para ver en qué porcentaje se utiliza la energía por cada tipo de compañía distribuidora.

Fig. 3.3 Energía total por compañía distribuidora en planta mayor Datos: octubre 2007 – agosto 2009

Fig. 3.4 Porcentaje del costo total de energía por compañía distribuidora en la planta mayor

A continuación se muestra una gráfica con la suma de energías durante diferentes meses.

Fig. 3.5 Suma de energías de planta mayor en MMBtu.

La siguiente gráfica muestra la tendencia de la energía térmica, para ver si existen dependencias climáticas en el verano o en el invierno.

La siguiente gráfica muestra el total de energía eléctrica para la planta mayor empleada en Prolec GE con una línea de tendencia polinomial, para ver si existen dependencias climáticas en el verano o en el invierno y de otro tipo. [1]

La siguiente información está relacionada con el sector eléctrico y sus compañías distribuidoras.

A continuación se muestra la potencia máxima entregada por cada compañía distribuidora, así como la base actual contratada por la compañía eléctrica 2 y la demanda facturable de ambas compañías.

En la siguiente gráfica se muestra la demanda cinco minutal medida durante el mes de octubre 2009.

La información que se muestra a continuación muestra el número de tableros eléctricos en la planta mayor así como la energía que estos consumen.

Tabla 3.1 Porcentual de energía consumida por tablero eléctrico en la planta mayor.

Tablero Suma de Energía % % Energía

1 12.29% 12.29%

2 23.65% 11.36%

3 34.66% 11.01%

4 44.41% 9.75%

5 51.74% 7.33%

6 58.99% 7.25%

7 64.55% 5.56%

8 70.10% 5.55%

9 74.79% 4.69%

10 79.09% 4.30%

11 83.26% 4.17%

12 86.10% 2.84%

13 88.48% 2.38%

14 90.72% 2.24%

15 92.83% 2.11%

16 94.73% 1.90%

17 96.55% 1.82%

18 97.66% 1.11%

19 98.54% 0.88%

20 99.29% 0.75%

21 99.76% 0.47%

22 100.00% 0.24%

Total 100.00%

Según la tabla 3.1, el 79% de energía eléctrica se consume en los primeros 10 tableros por lo que se realizó un análisis de los sistemas que se encuentran en estos 10 tableros, observando los diagramas unifilares e identificando los sistemas eléctricos que se utilizan. [4,8,9]

Debido al tamaño de la planta se encontraron muchos sistemas y líneas de producción que se encuentran en estos tableros, sin embargo se encontró un servicio que predominó en los primeros tres tableros siendo los de mayor consumo; aire comprimido donde se encuentra el sistema principal de aire comprimido en el tablero 2.

Otro dato importante que se encontró de la revisión de los diagramas unifilares del sistema eléctrico fue que se hizo una ampliación al sistema de aire comprimido, agregando 3 compresores en febrero 2009, de los cuales no se encontraba medición de energía de los nuevos compresores ni datos de la evaluación histórica que se realizó.

Debido a que las necesidades en energía eléctrica de la planta en gran parte son resultado del consumo de energía por el sistema de aire comprimido ya que representa el 12% de energía total (en el tablero 2) y otra parte por el tablero 1 y tablero 3 por la ampliación que se realizó del sistema agregando 3 compresores, se realizó un análisis mas a detalle de este sistema.

3.2Medición en el Sistema de Aire Comprimido en la Planta Mayor.

En la medición del sistema de aire comprimido realizada en octubre 2009 se midieron los siguientes grupos de compresores.

1. C1, GA 200.

2. C2, GA 200.

3. C3, GA 200.

4. C4, GA 200.

5. C6, GA 200.

6. C7, GA 200.

7. C8, GA 200.

8. C9, GA 110.

Los compresores 5 (C6), 6 (C7) y 7 (C8) son parte de la ampliación que hubo en febrero 2009 y por lo tanto no están registrados en las mediciones históricas de la tabla 3.1.

El proveedor de aire comprimido mostró una tabla de los datos del sistema instalado (tabla 3.2) y datos calculados del proveedor (tabla 3.3):

Tabla 3.2 Datos del sistema instalado de aire comprimido, medición octubre 2009.

1 2 3 4 5 6 7 8 Total

Información del

compresor C1 C2 C3 C4 C6 C7 C8 C9

Aire libre

entregado (CFM) 1,128 1,128 1,128 665 8,561

Potencia en

descarga (kW) 55 55 55 55 55 55 55 29 414

Potencia en Carga

(kW) 203 203 203 203 203 203 203 118 1,539

Presion de

descarga (PSI) 110 104 100 100 109 110 115 92 115

Presión de Carga

(PSI) 95 95 92 90 94 95 100 83 83

Idling Time (min) --- --- --- --- 5 --- --- ---

Tiempo de paro

prog. (s) 10 10 10 10 10 10 10 10

# Arranques 72/d 2/d 2/d 30/d 7/d 7/d 7/d 3/d

Medición y datos de tabla 3.2 cortesía del proveedor de aire comprimido. [10]

Tabla 3.3. Datos calculados de los compresores de medición octubre 2009.

1 2 3 4 5 6 7 8 Total

C1 C2 C3 C4 C6 C7 C8 C9

Tiempo en Carga

(h) 101.1 28 122.1 10.5 146.2 168 0.5

Tiempo en

descarga (h) 0.0 65.3 134.9 39.2 67.6 14.1 0.0 19.9

Tiempo parado

(h) 0.0 1.5 5.0 6.6 89.8 7.7 0.0 147.6

Ciclos carga/desc

(VSD=paros) 1 554 141 221 274 316 3 120

Energía carga

(kWh) 34097 20531 5687 24795 2133 29669 34097 52 1144

Energía descarga

(kWh) 0 4109 7561 2368 3823 1064 0 620 300

Energía Total

Los perfiles de carga en pies cúbicos por minuto en conjunto de los diferentes compresores del sistema de aire comprimido son los siguientes por cortesía del proveedor. [10]

Fig. 3.10 Perfil de carga sistema de aire comprimido por semana. Medición 2009.

En esta gráfica se ve el pico de demanda que se tuvo durante la semana que fue de

Capítulo 4 Análisis de Datos.

El objetivo de este capítulo es analizar los datos obtenidos en el capítulo 3 con el fin de entender los costos de energía en la planta.

4.1Análisis de Datos del Diagnóstico de Primer Nivel.

Basándose en los datos de las diferentes distribuidoras eléctricas y distribuidora térmica se obtuvo el costo unitario (CU) de cada distribuidora de energía de las plantas:

Tabla 4.1 Costo Unitario de Energía por compañía distribuidora

Compañías distribuidoras de Energía

CU

USD/MMBtu CU USD/kWh

Planta Distribuidora eléctrica 1 $ 34.59 $ 0.12 Mayor Distribuidora eléctrica 2 $ 18.43 $ 0.06 Distribuidora Térmica $ 8.20 $ 0.03 Promedio distribuidoras eléctricas $ 19.56 $ 0.07 Planta Distribuidora eléctrica 1 $ 38.48 $ 0.13

Menor Distribuidora Térmica $ 10.30 $ 0.04

En la siguiente gráfica se muestra el comportamiento del Costo Unitario

dependiendo de cada compañía eléctrica.

Fig. 4.1 Costo unitario en dólares/kWh por compañía distribuidora de la planta mayor.

Fig. 4.2 Costo unitario de la suma de las dos compañías generadoras de luz, planta mayor.

La siguiente gráfica es la demanda cinco minutal del mes de octubre mostrándola de mayor a menor, la demanda contratada por la planta de 4,500 kW es usada el 89% del tiempo durante el mes de octubre 2009.

4.2Análisis del Sistema de Aire Comprimido.

Con el reporte obtenido de la empresa proveedora de aire comprimido se obtuvo el siguiente análisis.

4.2.1 Análisis de Energía en el Sistema de Aire Comprimido.

El porcentaje promedio del consumo de energía eléctrica de la planta mayor del sistema de aire comprimido debido a la medición realizada es el siguiente:

Debido a que los compresores están en carga y descarga según el sistema de aire

comprimido lo requiere, se midió la energía de carga y descarga de los compresores durante

la semana de medición de octubre 2009 para obtener el perfil de cada compresor en carga y

descarga.

La energía de cada compresor es calculada con el tiempo que esta en carga y

descarga durante la semana de medición.

kWh compresor

semana

kW *

carga

Tiempo carga

semana + semana

[4.1]

Tabla 4.2 Energía del sistema de aire comprimido, medición Octubre 2009.

Energía Carga Energía Descarga Energía/Sem Compresor kWh/Semana kWh/Semana kWh/Sem

C1 34,097.00 - 34,097.00

C2 20,531.00 4,109.00 24,640.00

C3 5,687.00 7,561.00 13,248.00

C4 24,795.00 2,368.00 27,163.00

C6 2,133.00 3,823.00 5,956.00

C7 29,669.00 1,064.00 30,733.00

C8 34,097.00 - 34,097.00

C9 52.00 620.00 672.00

Total 151,061.00 19,545.00 170,606.00

La energía por mes es de:

170,606kWh * 4(semanas) = 682,424kWh semana mes Mes

Tabla 4.3 Costo de aire comprimido por mes, medición Octubre 2009.

0.07 USD/kWh aire comprimido Total

Energía kWh 682,424.00 4,443,585.00

Costo USD 47,769.68 311,050.95

Costo pesos 13.5 p/ USD 644,890.68 4,199,187.83

k W

descarga

T iem po

descarga *

En la figura 4.5 se muestra la energía de carga y descarga de cada compresor.

4.2.2 Análisis de Demanda del Sistema de Aire Comprimido.

En la figura 3.10 se ve el pico de demanda que se tuvo durante la semana que fue de 7900 CFM en lunes y la demanda mínima se registro el domingo con 3300 CFM en promedio, en total durante toda la semana se tuvo un promedio de 5000 CFM.

Los perfiles de consumo de aire comprimido por compresor son los que se muestran en la figura 4.6:

Fig. 4.6 Perfil de carga en CFM por compresor del sistema de aire comprimido por semana. Medición octubre 2009.

Según la tabla 3.2 de los compresores instalados, la demanda eléctrica por el tipo de compresor es la siguiente:

Existen dos tipos de compresores instalados

• GA 200

Para GA 200: Según los datos de la tabla 3.2, la potencia de carga es de 203 kW y el aire libre entregado en potencia de carga es de 1,128 CFM.

[

]

[

]

[

]

[

]

= [4.3]

Para GA 110: Según los datos de la tabla 3.2, la potencia de carga es de 118 kW y el aire libre entregado en potencia de carga es de 665 CFM

[

]

[

]

[

]

[

]

= [4.4]

Por lo tanto:

Tabla 4.4 Demanda eléctrica por cada 100 CFM por tipo de compresor.

Compresor Para producir 100 CFM se necesita:

GA 200 17.99 kW

GA 110 16.54 kW

Para obtener la demanda eléctrica del sistema de aire comprimido primero es necesario tenerlo en términos de CFM de cada compresor de la semana de medición:

Parado a Des a C a C Entregados Compresor om Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo CFM CFM + + = arg arg arg _ Pr * [4.5]

Tabla 4.5 Demanda media por compresor en CFM

Compresor CFM

C1 1128

C2 679

C3 188

C4 820

C6 71

C7 982

C8 1128

C9 2

Según la fórmula [4.2] la energía empleada para el sistema de aire comprimido mensual es de 682,424 kWh/mes y 4,998 CFM de la tabla 4.4, se puede obtener los kW por cada 100 CFM de demanda eléctrica del sistema:

kW h mes mes kWh 81 . 947 720 * 424 ,

682 = [4.6]

CFM kW CFM kW 100 96 . 18 4998 8 . 947

= [4.7]

Tabla 4.6 Demanda eléctrica por cada 100 CFM para el sistema de aire comprimido.

Sistema Para producir 100 CFM se necesita:

Aire comprimido 18.96 kW

4.2.3 Costo de Demanda de Aire Comprimido

En el sistema existente de aire comprimido, según la tabla 4.6 y la formula [4.7], para producir 100 CFM se necesita una demanda eléctrica de 18.96 kW, entonces el costo de producción por mes por cada 100 CFM sería:

*Tomando el Costo unitario a 0.07 USD/kWh según el promedio de los últimos meses de la Fig. 4.2.

cfm USDmes kWh USD cfm kWh kWh USD cfm kWh MES cfm kW cfm kW mes mes DIAS HORAS 100 6 . 955 07 . 0 * 100 651 , 13 07 . 0 100 651 , 13 30 * 24 * 100 96 . 18 100 96 . 18 = ⇒

4.2.4 Rango de Control del Sistema de Aire Comprimido

Como se menciono anteriormente el rango de control es de gran importancia para poder controlar el sistema de aire comprimido y de tal manera disminuirlo si es necesario [20], en la medición realizada se pudo identificar de igual manera el rango de control del sistema.

Fig. 4.7 Rango de control del sistema de aire comprimido, medición octubre 2009.

4.2.5 Fugas en el Sistema de Aire Comprimido.

Para identificar la magnitud de las fugas en el sistema de aire comprimido se utilizaron dos métodos sencillos para tener una idea del porcentaje de aire comprimido empleado para fugas.

• Datos del domingo de las mediciones realizadas en octubre 2007*.

• Obtener datos de cada compresor In Situ del ciclo de carga y descarga durante

un domingo*.

*Una forma de encontrar fugas es medir el sistema de aire comprimido cuando no hay demanda, de esta manera se puede identificar como trabaja el sistema para la demanda de fugas. [13]. Para el caso de la empresa el día indicado es los domingos que prácticamente y por el tamaño del sistema de aire comprimido el aire que demanda es para fugas.

En la figura 3.10 de medición del sistema de aire comprimido se tiene un promedio de 3300 CFM para los domingos, y siguiendo el método de carga y descarga se obtuvo la siguiente tabla:

Tabla 4.7 Tabla de compresores en carga y compresores en carga-descarga lunes 16 de noviembre 2009.

Compresores

C1 C7 C8 Total

potencia carga, kW 203 203 203

potencia descarga, kW 55 55 55

cfm domingos 1128 564 1128 2820

% carga 100% 50% 100%

% descarga 0% 50% 0%

Energía kWh/dia 4872 3096 4872 12840

Costo USD/dia 341.04 216.72 341.04 898.8