Producción y consumo de vapor eficientes en entornos industriales

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El alto costo de la energía ha obligado a las empresas a controlar hoy más que nunca cómo y dónde la emplean y consumen. La producción y consumo de vapor se ha convertido en muchos procesos industriales en un aspecto crítico que es necesario analizar y optimizar para ser competitivo. En este artículo el autor analiza todos los aspectos relacionados con la producción y utilización del vapor en procesos industriales con el objetivo de optimizar su producción y reducir su consumo al necesario.

La eficiencia de un sistema de vapor depende básicamente de cinco factores:

  • El diseño de la instalación. Es imposible alcanzar unos buenos valores de eficiencia si el diseño no es acorde con las mejores técnicas disponibles.
  • El estado que presenta. Una instalación bien diseñada puede presentar un estado de degradación tal que empeore en gran medida el uso eficiente de un sistema de vapor, por presentar roturas, fugas, elementos fuera de servicio, deficiente control, etc.
  • La medida. Todo lo que no se mide no se puede ni mejorar, ni mantener. Si se desea obtener buenos valores de eficiencia es necesario medir los principales parámetros, para poder actuar en cuanto se detecte dicho funcionamiento anómalo. En una instalación bien diseñada y en buen estado que no disponga de las mediciones adecuadas, un funcionamiento anómalo no será detectado de forma inmediata, sino después de mucho tiempo, cuando el impacto en la producción o en la economía de la instalación sea notable.
  • La operación. Una instalación de vapor necesita ser operada de forma eficiente, y no de forma negligente. Consumir vapor cuando no se requiere, no cumplir los parámetros químicos de éste, utilizar más vapor del necesario o purgar más de lo imprescindible son ejemplos de operación no optimizada. Una instalación bien diseñada, que se encuentra en buen estado y dotada de todos los equipos de medida necesarios puede presentar una baja eficiente si se opera de forma inadecuada.
  • El mantenimiento. Muy relacionado con el estado de la instalación, una red de vapor que no esté sometida a una estrategia de mantenimiento adecuada termina siendo, en más o menos tiempo, una instalación degradada.

Una red de vapor se compone además de tres partes claramente diferenciadas:

  • La generación de dicho vapor.
  • El transporte hasta los puntos de consumo.
  • El uso o consumo que se hace de dicho vapor.

Cada una de estas tres partes se ve afectada por los cinco factores mencionados, esto es, por el diseño, el estado, la medida, la operación y el mantenimiento. Pero antes de profundizar en cada uno de estos puntos es conveniente echar un vistazo al propio vapor y a las razones por las que se utiliza.


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El vapor y sus características
El vapor es utilizado en la industria como fluido caloportador para trasladar el calor liberado en una caldera de combustión o en un proceso exotérmico hasta el punto de consumo. Su empleo como fluido caloportador de amplio uso se debe a una serie de factores:

  • Es un fluido barato y abundante.
  • Se conoce muy bien su comportamiento y características.
  • Es posible controlar la presión y la temperatura de forma muy precisa.

Es cierto que también tiene algunos inconvenientes, relacionados fundamentalmente con su capacidad para provocar corrosión, incrustaciones y con las altas presiones que en ocasiones supone su adecuada utilización. Pero dichos inconvenientes, que llevan implícitos una serie de riesgos que en caso de materializarse causarían problemas graves, son bien conocidos y se pueden adoptar las medidas preventivas necesarias para evitar los efectos adversos relacionados con el uso de vapor como fluido caloportador.

El empleo de vapor como medio calefactor indirecto implica tener que producir dicho vapor a partir de agua líquida, transportar dicho vapor hasta el punto de consumo e intercambiar su energía potencial para convertirse en otras formas de energía: energía cinética, para su posterior transformación en energía mecánica y/o eléctrica, y energía térmica, para adicionar ese calor a un proceso. Cada una de esas tres fases (producción, transporte y utilización) puede realizarse con mayor o menor eficiencia, por lo que si se quiere optimizar energéticamente el uso del vapor es necesario conocer los aspectos fundamentales a tener en cuenta que tienen una incidencia en el mayor o menor aprovechamiento de la energía contenida en la fuente energética primaria (a partir de la cual se produce el vapor) o en el propio vapor.


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La generación del vapor
El vapor se produce generalmente en calderas de combustión o en recuperadores de calor. Rara vez se emplea directamente energía eléctrica para producir vapor. En el caso de utilizarse calderas de combustión, se emplea una sustancia combustible que mezclada con aire en la proporción adecuada y mediante un proceso de oxidación es capaz de liberar la energía química almacenada en ella y convertirla en gases de combustión a una determinada temperatura. En el caso de utilizarse generadores de vapor por recuperación de calor, se trata de aprovechar el calor latente o sensible contenido en un fluido producto de un proceso anterior.

La generación de vapor en calderas de combustión
En el caso de utilizar calderas de combustión para generar vapor  el parámetro más importante para la optimización de este proceso es el rendimiento de dicha caldera. La eficiencia de una caldera se define como el cociente entre la potencia o energía que contiene el vapor y la potencia o energía contenida en la cantidad de combustible utilizado. El primer parámetro, la potencia o energía contenida en el vapor, se calcula como el producto entre el caudal de vapor y la diferencia entre la entalpía que tenía el agua a la entrada a la caldera y la que tiene el vapor:

**B2BIMGEMB**1**

La potencia o energía contenida en el combustible es el producto del producto calorífico inferior del combustible utilizado y su flujo másico o caudal instantáneo utilizado en la combustión:

**B2BIMGEMB**2**

La eficiencia de la combustión se define como el cociente de ambas cifras, es decir, el cociente entre potencia útil (vapor)  y el combustible utilizado:

**B2BIMGEMB**3**

Pueden considerarse como valores normales los comprendidos entre el 90% y el 94% siendo valores considerados bajos los que no alcanzan el 90%, y por tanto, optimizables. La energía o potencia contenida en el combustible que no llega a convertirse en vapor útil se ‘pierde’ por cuatro vías:

  • Combustible inquemado, en calderas que presentan una combustión deficiente, y que abandona la caldera junto con las cenizas o los humos de combustión.
  • Pérdidas por radiación-conducción-convección, que están relacionadas con el aislamiento externo de la caldera.
  • Pérdida por humos, que serán mayores cuanto mayor sea el caudal y la temperatura de dichos humos, y que está relacionada con el estado de los intercambiadores que forman parte de la caldera (sobrecalentadores, evaporador y economizadores).
  • Pérdidas por purgas del calderín, que dependerán del régimen de purgas aplicado a la caldera.

Optimización de calderas
El primer punto a vigilar y a optimizar en una red de distribución de vapor industrial será por supuesto el proceso de generación de dicho vapor. Para ello es necesario, en el caso de calderas de combustión, controlar de forma continua o periódica la energía o potencia que se introduce en forma de combustible, la que se aprovecha y la que se pierde. El control preciso de estas energías es el primer paso en un proceso de optimización o de simple control, pues lo que no se mide no puede mejorarse, y por la propia definición de entropía (que es un principio de funcionamiento del universo) tenderá siempre a empeorar. Debe intentarse siempre, en primera opción, que el funcionamiento se ajuste al diseño, para en un segundo paso, intentar mejorar las prestaciones originales. Es conveniente hacerlo en ese orden (primero ajustarse al diseño original y después mejorar éste) sencillamente porque es más barato y más efectivo.

Para este control es necesario realizar diversas medidas, en continuo o en discontinuo:
  • Cantidad de combustible introducido.
  • Poder calorífico inferior de dicho combustible.
  • Cantidad de aire introducido.
  • Cantidad de cenizas y poder calorífico de dichas cenizas.
  • Temperatura de los humos de combustión.
  • Caudal, presión y temperatura del vapor a la salida de la caldera.
  • Presión y temperatura en puntos interiores de la caldera, especialmente a la entrada y salida del sobrecalentador, evaporador y economizador, tanto en el lado agua como en el lado humos.
  • Medida del caudal y temperatura del agua de aporte al sistema.
  • Medida del cauda y temperatura del agua de purga.

Realizando todas estas medidas, y con la ayuda de una simple hoja de cálculo correctamente programada, es posible determinar si el sistema está funcionando correctamente. En caso de detectarse un funcionamiento anormal, habrá que determinar qué parte de la caldera es la que no funciona como debería, para poder ordenar la correspondiente intervención. Será conveniente realizar un modelo dinámico con dicha hoja de cálculo o con cualquier otra herramienta (MatLab, simuladores, programas de cálculo termodinámico, etc.) que permita obtener los parámetros que deberían estar cumpliéndose en las condiciones de uso de la caldera (cantidad de combustible y condiciones ambientales, fundamentalmente). Comparando dicho modelo dinámico (entendiendo por dinámico que varía sus resultados al variar las condiciones de entrada) con los valores que presenta la caldera en un momento determinado, puede analizarse de forma barata y sencilla la caldera, diagnosticar qué funciona bien y dónde es necesario intervenir.

El proceso de transporte: las redes de vapor
Analizado el proceso de generación de vapor, es el turno de la red de transporte, fuente de innumerables pérdidas e ineficiencias. Una red de tuberías transporta el vapor desde la caldera hasta los consumidores. En este transporte se sufren una serie de pérdidas:

  • Pérdidas por radiación-convección-conducción, que tratan de minimizarse con el correcto aislamiento de las tuberías.
  • Pérdidas por fugas en tuberías o en accesorios (válvulas, instrumentos).
  • Dentro de las anteriores, y como un caso especial por su importancia, pérdidas en drenajes, venteos y válvulas de seguridad.

Las primeras de estas pérdidas se minimizan gracias a la instalación de aislamientos térmicos en dichas tuberías. Un aislamiento insuficiente o que presenta deficiencias provoca que se produzcan pérdidas por encima de los valores admisibles.

Las segundas se producen por roturas de la conducción en algún punto, y suponen, además de una importante pérdida económica, un problema de seguridad por la alta temperatura del vapor a la salida de la rotura.


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Las pérdidas por drenajes, venteos y válvulas de seguridad son un tipo especial de fuga producido por el mal funcionamiento de válvulas que tienen como misión eliminar una posible sobrepresión, la presencia de agua líquida donde solo debería haber vapor o la presencia de aire en las instalaciones. Al estar la salida de dichas válvulas normalmente conducidas a través de tuberías, una posible fuga no es detectable a simple vista, por lo que puede estar fugando días, semanas o años hasta que alguien sea consciente de dicho problema. De todas ellas, las más preocupantes son las que presentan los drenajes automáticos, más conocidos como trampas de vapor, que causan pérdidas muy frecuentes y de elevado importe.

Optimización de las redes de transporte
Para evitar las pérdidas en redes de vapor es necesario medir determinadas variables para conocer la magnitud de dichas pérdidas, y a partir de esta información, decidir si conviene intervenir o no de forma preventiva o de forma correctiva. Las mediciones que es necesario llevar a cabo se refieren a presiones, temperaturas y caudales en puntos seleccionados de la instalación, para determinar la potencia de dichas pérdidas y la potencia en cada punto. Multiplicando la potencia por tiempo (hora, día, mes, o año) podremos cuantificar las pérdidas de energía que se producen en un determinado periodo, y multiplicando dicha energía por un coste estimado del kWh térmico se consigue monetizar esta pérdida, con lo que la pérdida se hace mucho más evidente para los responsables de tomar decisiones.

Mientras que las medidas de presión y temperatura son baratas y sencillas de efectuar, las medidas de caudales de sólidos, líquidos o gases requieren de instrumentos de medida que tienen un coste alto. Por esta razón el uso de caudalímetros par la medida del caudal de vapor se restringe, eliminando en muchas ocasiones la posibilidad de efectuar controles y tener un conocimiento adecuado del proceso de transporte del vapor desde la caldera hasta los consumidores. Las medidas preventivas a llevar a cabo para optimizar el consumo de vapor relacionado con las redes de transporte suponen realizar las siguientes tareas:

  • Inspecciones de las redes de vapor para conocer su estado, tarea de la que se encarga el personal de producción.
  • Análisis de datos obtenidos en línea, tarea de la que se encargan los ingenieros de proceso.
  • Inspecciones detalladas, de carácter mecánico, eléctrico o electrónico (relacionadas con la instrumentación), tarea de la que se encarga el equipo de mantenimiento a cargo de dichas inspecciones.
  • Análisis de datos obtenidos mediante instrumentos o técnicas fuera de línea, como los análisis de ultrasonidos para la búsqueda de fugas o las termográficas, para la búsqueda de determinados defectos de aislamiento.

El consumo de vapor
Una vez el vapor ha llegado hasta un consumidor es necesario optimizar dicho consumo, haciendo que se utilice estrictamente el vapor necesario para llevar a cabo el proceso en el que se requiere, ni en mayor cantidad ni en menor cantidad.

La energía que llega hasta cada consumidor puede clasificarse como energía útil por un lado, y pérdidas por otro. La energía útil será la mínima cantidad de calor requerido por el proceso para producir el efecto buscado con dicho calor. Las pérdidas, que serán responsables del aumento o disminución de la eficiencia, pueden ser las siguientes:

  • Calor perdido por mecanismos de radiación en la forma de conducción y/o convección.
  • Calor contenido en el agua o vapor a la salida del consumidor.
  • Calor utilizado en el proceso de forma innecesaria, es decir, calor utilizado por encima del mínimo necesario para producir el efecto buscado.

Conocer la cantidad de calor mínima necesaria para el proceso implica conocer perfectamente éste, y poder medir de alguna forma el efecto producido. Este efecto puede ser muy variado:

  • Secado, es decir, reducción de la cantidad de agua contenida en el producto
  • Evaporación de un componente de una mezcla
  • Adición de calor para producir una determinada reacción endotérmica
  • Adición de calor para producir un cambio en el estado de un determinado compuesto
  • Adición de calor para producir un cambio en la forma de un material.
  • Etc.

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Optimizar la cantidad de energía empleada supone conocer perfectamente cuantos kilojulios, kilocalorías o kwh en forma de vapor son necesarias para producir alguno de los efectos descritos en el párrafo anterior en una determinada masa o flujo másico de dicho producto. Conocida la cantidad es necesario realizar medidas tanto en el vapor utilizado (presión, temperatura y caudal de dicho vapor) como en el fluido de salida (agua o vapor) . También será necesario llevar a cabo medidas en el propio proceso, para conocer qué parte del vapor utilizado se empleado realmente en producir el efecto deseado y cuando se ha empleado por encima de ese mínimo. En caso de que el análisis de la energía empleada no coincida con la se contempla en el diseño original del proceso, esto es, en el balance de masa y energía que se diseñó originalmente, habrá que tomar las medidas oportunas para conseguir que la situación se ajuste a dicho balance. Estas medidas pueden ser, entre otras, las siguientes:

  • Limpieza de intercambiadores
  • Reparación de fugas de agua o de vapor
  • Ajuste de caudales, niveles, velocidad o demás parámetros del proceso para garantizar el mejor aprovechamiento de la energía
  • Realización del correcto mantenimiento de todos los equipos de proceso para asegurar que éstos se encuentran en perfecto estado.

Conclusiones
A lo largo del artículo se han detallado toda una serie de medidas a adoptar para asegurar la eficiencia de los sistemas y redes de vapor empleados para producir determinados efectos en un proceso industrial. Dichas medidas pueden ser agrupadas en cinco categorías: medidas relacionadas con el diseño, con el estado, con las mediciones a efectuar, con la operación y con el mantenimiento de dicho sistema de vapor.

Así, en lo referente al diseño es importante concebir instalaciones que tengan en cuenta los últimos avances y las mejores técnicas disponibles, y en caso de que dichas técnicas no estén implementadas, estudiar la viabilidad de llevarlas a cabo. En cuanto al estado, es necesario asegurar que los equipos encargados de generar el vapor, los encargados de transportarlos (tuberías y válvulas) y los consumidores de dicho vapor se encuentran en perfecto estado. En lo referente a las mediciones a efectuar, es necesario asegurar que se dispone de todas las medidas de presión, temperatura y caudal de todos los fluidos implicados, preferentemente con instrumentos en línea y que aporten valores instantáneos, para poder verificar y calcular de forma continua las potencias y energías implicadas en cada proceso. En cuanto a la operación, es necesario conocer si todos los equipos se están operando de la forma prevista y/o de la forma más eficiente posible, evitando por ejemplo mantener en marcha equipos que no se requieren, evitando el uso de productos a energía distintos a lo que corresponderían o evitando en la medida de lo posible la degradación de los equipos. Por último, en cuanto al mantenimiento es necesario asegurar que las instalaciones están sometidas a un plan de inspecciones que aseguren que todos los equipos y sistemas implicados en el proceso están funcionando correctamente, y en caso de que no sea así, se han programado las acciones correctivas necesarias para que dichos equipos y sistemas vuelvan a operar de acuerdo con sus estándares de funcionamiento.

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