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Sección 7

Optimización de sistemas de vapor - Distribución

Fugas de vapor Pérdidas de la transferencia de calor por el

aislamiento

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Sistema de vapor genérico Distribución

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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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?"

~ Frase de un usuario final

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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

Las fallas en las tuberías (pérdidas de vapor) son muchas veces una "cuestión de seguridad" que hay que resolver inmediatamente

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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 Se puede medir la fuga de condensado con un cronómetro y metodología

de la cubeta

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Fugas de vapor

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Fugas de vapor Ecuación del flujo obstruido de Napier

Esta ecuación es válida para: • Condiciones de flujo obstruido: Presión de escape < 0,51*Psteam

• Coeficiente de descarga = 0,6

• Aorifice es la superficie del orificio (o de la fuga) en mm2

• Psteam 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

steamorificesteam PAm ××= 695,0

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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

hrkgmPAm

steam

steamorificesteam

/ 32,26356,12695,0

695,0

=××=

××=

añofugaladeCosto

mfugaladeCosto steamsteam

/000.21$000.1

760.867,912,26

≈××

=

×= κ

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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

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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

hrkgmPAm

steam

steamorificesteam

/ 2,26356,12695,0

695,0

=××=

××=

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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 demandNote: The savings have been converted to heat duties of 0 kW (HP), 0 kW (MP) and 19 kW (LP) based on current header enthalpiesNote: 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 0115,373 115,352 21

Results Summary

Current Operation After Projects

SSAT 3 Header Experts Training Example

4,380 4,380 0

Model Status : OKReduction

110,572 110,551 21421

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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

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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 • Líneas de retorno de condensado • Equipo de los usos finales • Tanques de almacenamiento, vasijas, etcétera

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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

• Válvulas y otros componentes no aislados

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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

• viento

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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

• Amortización simple del proyecto de aislamiento

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Software de evaluación del aislamiento Programa gratuito del NAIMA

Energía

• Pérdida de Calor • Impacto del costo

Evaluación del impacto

ambiental

Espesor del aislamiento: consideraciones económicas

• Análisis del costo de la vida útil

http://www.pipeinsulation.org/

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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.

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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Evaluación del aislamiento

20

Evaluación del aislamiento

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Evaluación del aislamiento

( )

añoNmañoNmAhorros

añoNm

kJNm

yrGJeAhorradoCombustibl

añoGJ

añohr

hrs

skJeAhorradoCombustibl

kWQsaved

$895.77$0,1895.77

895.77000.1000.1144.401127.3

127.3817,01760.8600.3 0,81

0,81107,347449.8

3

3

33

=×=

=×××=

=×××=

=×−=

22

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

Suministro de vapor

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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

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Pérdida de energía convertida en pérdida de vapor Si se calcula el impacto energético como "costo de vapor":

( ) ( )

kW

m

Q

Q

LqQ

total

mW

mW

total

totallengthpertotal

0,81

107,347449.8

=

−=

=

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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

( ) ( )

hrkg

skg

steam

kgkJ

kgkJ

condensatesteam

totalsteam

m

hhQ

m kW

5,121033,0

5,781181.30,81

==

−=

−=

26

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

( )

( ) añoañohrs

hrsteam

kgtonelada

toneladahrkg

steam

steamsteamsteam

K

K

kmK

$1760.8$

$

175.993.11

000.1116,935,121

==

=

=

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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 demandNote: The savings have been converted to heat duties of 0 kW (HP), 81 kW (MP) and 0 kW (LP) based on current header enthalpiesNote: 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%

On-Site EmissionsCO2 Emissions 0.1%SOx Emissions N/ANOx Emissions 0.1%

0 t/yr 0 t/yr 0 t/yr439 t/yr 439 t/yr 0 t/yr

Current Operation After Projects221726 t/yr 221528 t/yr

421 0115,373 115,274 99

Results Summary

Current Operation After Projects

SSAT 3 Header Experts Training Example

4,380 4,380 0

Model Status : OKReduction

Reduction198 t/yr

110,572 110,473 99421

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Evaluación del aislamiento

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Evaluación del aislamiento

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Problemas comunes del aislamiento Aislamiento faltante debido a actividades de

mantenimiento

Aislamiento faltante debido a mal uso

Aislamiento dañado

Válvulas y otros componentes no aislados

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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

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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 headerProject 18 - Improved Insulation

No

NO use este proyecto

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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

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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 transferencia de calor y datos de los procesos

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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

Drenar el condensado de los cabezales de presión

Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook