Sección 7. Optimización de sistemas de vapor - Distribución. Fugas de vapor Pérdidas de la transferencia de calor por el aislamiento

Sección 7

Optimización de sistemas de vapor -

Distribución

Fugas de vapor

Pérdidas de la transferencia de calor por el

aislamiento

Sistema de vapor genérico

Fugas de vapor

"Las fugas de vapor son un un componente esencial del sistema, si no las oigo o no la escucho, ¿cómo sé que el sistema está funcionando?"

Fugas de vapor

 Se pueden encontrar fugas de vapor en cualquier parte, pero los lugares más comunes son:

• Bridas y uniones de juntas

• empalmes de tuberías

• Válvulas, vástagos y empaquetaduras

• trampas de vapor

• válvulas de seguridad

• Fallas en tuberías, etcétera

 Estimando un "orden de magnitud" de las pérdidas de vapor se puede determinar si la reparación tiene que hacerse

inmediatamente, durante la siguiente parada, o si puede hacerse sin desconectar la parte afectada

Fugas de vapor

 Métodos para determinar el impacto económico de las fugas de vapor

• a partir del modelo del SSAT

• a partir de la experiencia y de la observación - altura del penacho

• a partir de mediciones y cálculos usando la ecuación de flujo obstruido - ecuación de Napier

• Mediciones de campo con un tubo de pitot

• Técnica ultrasónica, a partir de los instrumentos y del protocolo (estándar) especificados por el fabricante

• Otros sistemas o metodologías de balanceo del equipo

Fugas de vapor

 Ecuación del flujo obstruido de Napier

 Esta ecuación es válida para:

• Condiciones de flujo obstruido: Presión de escape < 0,51*P_steam

• Coeficiente de descarga = 0,6

• A_orifice es la superficie del orificio (o de la fuga) en mm2 • P_steam es la presión del vapor en bares (absoluta)

 Se puede determinar el costo de una fuga de vapor multiplicando la tasa de fuga por el costo unitario del vapor

steam orifice

steam

A

P

Ejemplo de sistema de vapor

 En un cabezal de 2 barg se encontró una fuga de vapor con un orificio de ~4 mm de diámetro. Estime el costo de la fuga de vapor

 Ecuación del flujo obstruido de Napier

 Costo unitario del vapor $ 91,67 por cada 1.000 kg

hr

kg

m

P

A

m

steam steam orifice steam

/

32

,

26

3

56

,

12

695

,

0

695

,

0

=

×

×

=

×

×

=

año

fuga

la

de

Costo

m

fuga

la

de

Costo

_{steam steam}

/

000

.

21

$

000

.

1

760

.

8

67

,

91

2

,

26

≈

×

×

=

×

=

κ

Proyecto 17 del SSAT: Fugas de vapor

 Cantidad de fugas de vapor estimadas a partir del modelo del SSAT

• Suponga que la última vez que hizo el mantenimiento de las fugas de vapor fue hace seis meses

• La cantidad de fugas de vapor es igual al 1 % de la cantidad de trampas que especificó en la sección "Quick Start"

• La estimación de los ahorros es muy aproximada  El usuario ingresa la cantidad de fugas de vapor

• Estimación aproximada de ahorros

 Se recomienda usar este método para hacer estimaciones aproximadas UNICAMENTE

Proyecto 1 del SSAT: Fugas de vapor

 En un cabezal de 2 barg se encontró una fuga de vapor con un orificio de ~4 mm de diámetro. Estime el costo de la fuga de vapor

 Ecuación del flujo obstruido de Napier

 Haga el proyecto 1 - Ahorros de la demanda de vapor en el cabezal en el que se eliminaron las fugas

hr

kg

m

P

A

m

steam steam orifice steam

/

2

,

26

3

56

,

12

695

,

0

695

,

0

=

×

×

=

×

×

=

Proyecto 1 del SSAT: Fugas de vapor

Do you wish to specify steam demand savings?

→ If yes, enter HP steam saving 0 t/h ←

→ If yes, enter MP steam saving 0 t/h ←

→ If yes, enter LP steam saving 0.0262 t/h ←

Note: A negative saving can be entered to model an increase in steam demand

Note: The savings have been converted to heat duties of 0 kW (HP), 0 kW (MP) and 19 kW (LP) based on current header enthalpies Note: These heat duties are then used to determine the actual flow change in the Projects Model based on the calculated header enthalpies

Project 1 - Steam Demand Savings (Changing the process steam requirements)

Current use - HP: 20 t/h (12273 kW) MP: 40 t/h (26660 kW) LP: 70 t/h (50091 kW)

Yes

Cost Summary ($ '000s/yr)

Power Cost 0.0%

Fuel Cost 0.0%

Make-Up Water Cost 0.0%

Total Cost (in $ '000s/yr) 0.0%

421 0

115,373 115,352 21

Results Summary

Current Operation After Projects

SSAT 3 Header Experts Training Example

4,380 4,380 0

Model Status : OK

Reduction

110,572 110,551 21

Puntos más importantes / Acciones

recomendadas

1. Todas las plantas tienen fugas de vapor y todas las plantas industriales tendrían que tener un programa de gestión de fugas de vapor basado en la mejora

continua

2. Estimando un "orden de magnitud" de las pérdidas de vapor se puede determinar si la reparación tiene que hacerse inmediatamente, durante la siguiente parada, o si puede hacerse sin desconectar la parte afectada

Aislamiento del sistema de vapor

 ¿Por qué los sistemas de vapor necesitan aislamiento?

• Seguridad de las personas - altas temperaturas

• Minimizar las pérdidas de energía

• Proteger el sistema de las condiciones ambientales

• Preservar la integridad del sistema

 Áreas más habituales con oportunidades de mejora del aislamiento

• Cabezales de distribución

• Visores de inspección

• Válvulas

Aislamiento del sistema de vapor

 Hay varias razones por las que el aislamiento se rompe o falta dando oportunidades de

ahorros energéticos en el área del aislamiento

• Aislamiento faltante debido a actividades de mantenimiento

• aislamiento faltante o dañado debido a mal uso

• aislamiento dañado debido a accidentes

• desgaste normal y ruptura de la aislamiento debido a condiciones ambientes

Aislamiento del sistema de vapor

 Para cuantificar el impacto económico del aislamiento se necesitan algunos instrumentos básicos, software y datos básicos

• Cámara de termografía infrarroja

• Pistola de temperatura infrarroja

• Cinta métrica

• Software de evaluación del aislamiento 3E Plus

• Información del funcionamiento • horas por año

• Condiciones ambientales • temperatura

Herramienta de aislamiento - 3EPlus

 La North American Insulation Manufacturers Association (NAIMA) desarrolló el 3EPlus, que determina el espesor óptimo del

aislamiento para una amplia variedad de materiales de aislamiento

 Los resultados del software son:

• Pérdidas de la transferencia de calor de la superficie

• Temperatura de la superficie de aislamiento

Software de evaluación del aislamiento

 Programa gratuito del NAIMA  Energía

• Pérdida de Calor

• Impacto del costo

 Evaluación del impacto ambiental

 Espesor del aislamiento:

Ejemplo de sistema de vapor - Aislamiento faltante

 Se ha observado que hay un cabezal de 10 bares con una sección de 10 metros sin aislamiento. • Diámetro nominal = 25,4 cm • Temperatura del vapor = ~ 362 °C  Estime el impacto económico del aislamiento.

Evaluación del aislamiento

(

)

año

Nm

año

Nm

Ahorros

año

Nm

kJ

Nm

yr

GJ

eAhorrado

Combustibl

año

GJ

año

hr

hr

s

s

kJ

eAhorrado

Combustibl

kW

Q

_saved

$

895

.

77

$

0

,

1

895

.

77

895

.

77

000

.

1

000

.

1

144

.

40

1

127

.

3

127

.

3

817

,

0

1

760

.

8

600

.

3

0

,

81

0

,

81

10

7

,

347

449

.

8

3 3 3 3

=

×

=

=

×

×

×

=

=

×

×

×

=

=

×

−

=

Demanda equivalente de vapor

Carga térmica del intercambiador de calor

Material calentado

Pérdida de transferencia de calor por una tubería sin aislamiento

El suministro total de energía térmica total incluye la carga del intercambiador de calor y la

carga de las tuberías sin aislamiento

Demanda equivalente de vapor

Carga térmica del intercambiador de calor

Material calentado

Pérdida de transferencia de calor por una tubería sin aislamiento

La carga térmica total disminuirá si se aíslan las tuberías - disminuye la demanda de vapor del

intercambiador de calor Suministro de vapor

Pérdida de energía convertida en pérdida de vapor

 Si se calcula el impacto energético como "costo de vapor":

(

)

(

)

kW

m

Q

Q

L

q

Q

total m W m W total total length per total

0

,

81

10

7

,

347

449

.

8

=

−

=

=









Pérdida de energía convertida en pérdida de vapor

Ubicación Temperatura (⁰C) Volumen específico (m3/kg) Entalpía (kJ/kg) Calidad (%) Presión (bar [g]) Vapor 362 0,26130 3.181,0 **** 10,00 Vapor saturado 184 0,17730 2.781,0 100,0 10,00 Líquido Saturado 184 0,00113 781,5 0,0 10,00

(

)

(

kg

)

kJ kg kJ condensate steam total steam

h

h

Q

m

=

₋

=

₃

_.

₁₈₁

81

,

0

₋

kW

₇₈₁

_,

₅





Pérdida de energía convertida en pérdida de vapor

 También se puede usar el proyecto de demanda de vapor

del SSAT

Si sabemos

el costo del

vapor

(

)

(

año

)

año hrs hr steam kg tonelada tonelada hr kg steam steam steam steam

K

K

k

m

K

$ 1 760 . 8 $ $

175

.

99

3

.

11

000

.

1

1

16

,

93

5

,

121

=

=













=

=









Proyecto 1 del SSAT: Aislamiento

Do you wish to specify steam demand savings?

→ If yes, enter HP steam saving 0 t/h ←

→ If yes, enter MP steam saving 0.1215 t/h ←

→ If yes, enter LP steam saving 0 t/h ←

Note: A negative saving can be entered to model an increase in steam demand

Note: The savings have been converted to heat duties of 0 kW (HP), 81 kW (MP) and 0 kW (LP) based on current header enthalpies Note: These heat duties are then used to determine the actual flow change in the Projects Model based on the calculated header enthalpies

Project 1 - Steam Demand Savings (Changing the process steam requirements)

Current use - HP: 20 t/h (12273 kW) MP: 40 t/h (26660 kW) LP: 70 t/h (50091 kW)

Yes

Cost Summary ($ '000s/yr)

Power Cost 0.0%

Fuel Cost 0.1%

Make-Up Water Cost 0.1%

Total Cost (in $ '000s/yr) 0.1%

421 0

115,373 115,274 99

Results Summary

Current Operation After Projects

SSAT 3 Header Experts Training Example

4,380 4,380 0

Model Status : OK

Reduction

110,572 110,473 99

Problemas comunes del aislamiento

 Aislamiento faltante debido a actividades de

mantenimiento

 Aislamiento faltante debido a mal uso

 Aislamiento dañado

Evaluación del aislamiento en sistemas sin

cogeneración

 En los sistemas que producen únicamente energía térmica (sin cogeneración), el costo del vapor es básicamente el costo del combustible dividido por la eficiencia de la caldera

 Se puede usar el 3E-Plus para calcular los ahorros generados por el aislamiento en el caso de sistemas sin cogeneración

Proyecto 18 del SSAT: pérdida del aislamiento

Do you wish to model the impact of improved insulation?

Note: Model will assume that heat losses are reduced to 10% of the current value by improving insulation

Currently modeled based on percentage heat loss on each header

Project 18 - Improved Insulation

No

Proyecto 18 del SSAT: pérdida del aislamiento

 El cálculo del aislamiento del SSAT es únicamente una estimación aproximada del impacto de la mejora del aislamiento del sistema de vapor

 Se basa en reducir la pérdida de transferencia de calor en un 90 % en comparación con el escenario del caso "básico" actual

 El 3EPlus ofrece una metodología muy precisa y hay que usarlo junto con el proyecto 1 del SSAT de ahorros de la demanda de vapor para determinar el impacto real de la mejora del aislamiento

Puntos más importantes / Acciones

recomendadas

1. Hay varias razones por las que el aislamiento se estropea o falta

2. Esas áreas provocan pérdidas significativas de energía. Habría que implementar un programa de evaluación (auditoría) del aislamiento basado en la mejora

continua en todas las plantas industriales

3. Para cuantificar el impacto económico provocado por el aislamiento faltante o dañado, se necesitan algunos instrumentos básicos, modelos de

Distribución - mejores prácticas habituales

 Reparar las fugas de vapor

 Minimizar el venteo de vapor

 Asegurarse de que las tuberías de vapor, válvulas,

empalmes y vasijas estén bien aislados

 Aislar el vapor de las líneas fuera de uso

 Minimizar los flujos que pasan por las estaciones de alivio

de presión

 Reducir la caída de presión en los cabezales