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Generación de Vapor

  • 1. Descripción

    1.1 Definición

    La generación industrial de vapor es el proceso mediante el cual se produce vapor a presiones por encima de la atmosférica, a partir de la energía de un combustible, o de energía eléctrica.

    El vapor producido será posteriormente utilizado en diferentes funciones de la fábrica, tales como aportación de calor en procesos o movimiento de máquinas

    El vapor de agua constituye el fluido energético ideal para la industria, que necesita la utilización de calor a diversos niveles de temperatura, generalmente entre los 90ºC y 260ºC, que corresponden a 0,5 kg/cm² y 60 kg/cm², aproximadamente.

    El alto calor latente y la pequeña densidad de este fluido hacen que el vapor de agua sea especialmente efectivo en las operaciones de calentamiento. Su uso se extiende prácticamente a todas las unidades de procesos químicos.

    Esquema de una caldera pirotubular. Fuente: Calderas Cerney

    1.2 Componentes

    El generador de vapor consta de la caldera (vaporizadores), así como del recalentador, recalentador intermedio, precalentador del agua de alimentación (economizador) y precalentador de aire.

    Pertenecen también a la instalación del generador de vapor las máquinas auxiliares para la entrada de combustible, las bombas de agua de alimentación, el ventilador, el aspirador, el extractor de polvo, así como el equipo de medición y regulación.

    1.3 Clasificación

    Los generadores de vapor se clasifican según los criterios enumerados a continuación:

    • Disposición de los fluidos: de tubos de agua (acuotubulares) o de tubos de humos (pirotubulares).
    • Circulación de los fluidos: de circulación natural, de circulación asistida y de circulación forzada.
    • Transmisión del calor: de convección, de radiación o de radiación y convección.
    • Combustible: de carbón (parrilla mecánica o carbón pulverizado), de combustibles líquidos, de combustibles gaseosos, de combustibles especiales (licor negro, bagazo, desperdicios de madera, etc.) y de recuperación de calor de gases (con o sin combustión adicional).
    • Presión de trabajo: subcríticos (de baja presión, de media presión, de alta presión) o supercríticos.
    • Tiro: de hogar presurizado o de hogar equilibrado.
    • Sistemas de apoyo: generadores apoyados o generadores suspendidos.
    • Lugar de montaje: montados en taller o montados in situ.
    • Implantación: terrestres o marítimos.
    • Ubicación: intemperie, semiautomáticos o de operación manual.

    1.4 Campos de aplicación

    Para la distribución o transporte de calor se utilizan principalmente tres tipos de fluidos en función de los requerimientos o necesidades del proceso: vapor, agua o aceite.

    El vapor de agua es el fluido térmico más ampliamente utilizado. La generalización del uso está basada en un conjunto de características singulares que le convierten en prácticamente insustituible. Son destacables:

    • Materia prima barata y asequible.
    • Amplio rango de temperatura.
    • Ininflamable y no tóxico.
    • Fácilmente transportable por tubería.
    • Elevado calor de condensación.
    • Elevado calor específico.
    • Temperatura de condensación fácilmente regulable.
    Comparación de las posibles aplicaciones de los distintos fluidos térmicos, en función de la presión y la temperatura
    Tipo Baja P
    Baja T
    Media P
    Media T
    Baja P
    Alta T
    Media P
    Alta T
    Alta P
    Alta T
    Vapor X X   X X
    Agua sobrecalentada X        
    Aceite térmico X   X X  
  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Potencia de un generador de vapor

    La potencia máxima permanente del generador de vapor es la máxima cantidad de vapor que cede el generador por hora, en servicio permanente, en las condiciones de presión y temperatura estipuladas en el contrato de suministro.

    2.2 Transformación del agua en vapor recalentado

    El aumento de la presión y de la temperatura de vapor empleado en las instalaciones de vapor contribuye al aumento del rendimiento de estas instalaciones y a la disminución del gasto de combustible en la producción de energía eléctrica.

    Las propiedades físicas del agua y de vapor en relación con la temperatura y la presión son conocidas por vía experimental y se hallan resumidas en las tablas y en el diagrama de Mollier.

    2.3 Evaluación de las pérdidas de un generador de vapor

    Pérdidas por humos

    Para un mismo combustible y determinado exceso de aire (CO2 fijo), las pérdidas por los humos disminuyen al decrecer la temperatura de los gases.

    Dichas pérdidas se pueden reducir hasta el 7% aproximadamente en las mejores condiciones para instalaciones convencionales.

    Pérdidas por radiación y conducción

    Las pérdidas por radiación y conducción de una caldera no pueden medirse exactamente. Son valores experimentales que dependen de la máxima carga continua de la caldera y del porcentaje de carga al que trabajen.

    Pérdidas por inquemados

    Por un lado se producen pérdidas por combustión incompleta de inquemados gaseosos y de hidrocarburos líquidos, y por otro lado se producen pérdidas de calor por residuos sólidos sin quemar.

    Pérdidas por purga

    Purga de caldera: proceso de extracción de una cierta cantidad de agua del interior de la caldera, con el fin de evitar la concentración excesiva de los sólidos disueltos por la operación de la misma, así como para dar salida a los sólidos que pudiera haber es suspensión en el agua.

    Si se realiza una purga excesiva se producen pérdidas de calor superiores a lo normal y se precisa más agua de aportación y mayor energía de bombeo para esta agua.

    Si se purga en defecto la caldera, la concentración de sólidos del agua de la caldera aumenta con el consiguiente peligro de arrastre de sólidos.

    Un sistema de purga continua consigue una regulación constante de sólidos en el agua de la caldera hasta el nivel deseado, y un aprovechamiento del vapor obtenido en la vaporización instantánea de las purgas.

  • 3. Componentes

    3.1 El circuito de vapor

    El vapor que se genera en la caldera, mediante la aportación de energía a partir de combustibles, se debe transportar mediante tuberías a los lugares donde se requiere energía calorífica.

    Cuando la válvula de salida de la caldera se abre el vapor sale inmediatamente hacia la tubería de distribución. Puesto que ésta, inicialmente, está fría, el vapor le transmitirá calor. El aire que rodea las tuberías también está más frío que el vapor, con lo cual el sistema a medida que se calienta empieza a transferir calor al aire. Esta pérdida de calor a la atmósfera provoca que una parte del vapor se condense.

    El agua formada por condensación cae a la parte baja de la tubería y discurre empujada por el flujo de vapor hasta los puntos bajos de la tubería de distribución.

    Para establecer un flujo continuo de vapor que sale de la caldera se debe generar vapor continuamente. Por ello, es preciso retornar agua a la caldera para compensar la que se está vaporizando.

    Si introducimos en la caldera agua caliente en lugar de fría se deberá añadir menos entalpía para llevar el agua a su punto de ebullición, con la consiguiente reducción de la cantidad de combustible necesaria para generar vapor. El condensado que se forma en las tuberías de distribución y en los equipos de proceso se puede utilizar para esta alimentación de la caldera con agua caliente.

    Ciclo ideal de generación y distribución de vapor

    Ciclo real de distribución de vapor

    3.2 Diseño de las redes de distribución de vapor

    En el diseño de una conducción de vapor han de considerarse de forma simultánea diversos aspectos del problema. Las fases más importantes del cálculo son:

    • Dimensionado de la línea de vapor.
    • Diseño del trazado y accesorios.
    • Selección de la calidad y espesor del aislamiento.
    • Dimensionado de la línea de retorno de condensado.
  • 4. Medidas de eficiencia

    La siguiente tabla muestra, en porcentajes, el incremento potencial en eficiencia que puede ser alcanzado al aplicar algunas medidas de eficiencia energética en las diferentes áreas específicas de generación, operación y mantenimiento y distribución.

    Incremento del potencial de la eficiencia en los sistemas de vapor
    Medidas que se pueden aplicar Incremento potencial de la eficiencia (%)
    Mantenimiento de las calderas 1-2
    Equipos de recuperación de calor 2-4
    Monitorización y control de emisiones 1-2
    Tratamiento de agua 10-12
    Retorno de condensados 5-10
    Control de carga 3-5
    Fugas de vapor 3-5
    Trampas de vapor 10-15
    Aislamiento térmico 5-10

    4.1 Oportunidades en la generación de vapor

    Substancialmente las pérdidas de energía en una caldera son causadas por una combustión incompleta.

    Las tres estrategias para minimizar las pérdidas de calor en los gases de combustión son:

    • Minimizar el exceso de aire en la combustión.
    • Mantener limpias las superficies de intercambio de calor.
    • Cuando se justifique, agregar un equipo de recuperación de calor de los gases de combustión.

    La eficiencia de una caldera se incrementa en un 1% por cada 15% que se reduce el exceso de aire o por la reducción de 1,3% de oxígeno o por una reducción de 4,5C en la temperatura de los gases de combustión.

    Medidas de eficiencia energética:
    1. Utilizar las pérdidas de calor para precalentar el agua de alimentación de la caldera.
    2. Aplicar siempre vapor al proceso que utiliza los niveles más bajos posibles de presión y temperatura.
    3. Expandir siempre el vapor desde un nivel alto de presión a un nivel bajo utilizando los medios más eficientes posibles.

    4.2 Oportunidades en la operación y el mantenimiento

    Es fundamental prestar atención al mantenimiento y operación.

    Algunos ejemplos de oportunidades que pueden ser realizadas son:

    Tratamiento de agua

    Si el agua de alimentación de la caldera no es tratada adecuadamente, las incrustaciones pueden reducir su eficiencia tanto como 10%-12% y puede, incluso, ser peligroso para la instalación.

    Retorno de condensados.

    Adicionalmente se requiere entre 15% a 18% de la energía de la caldera desde el sistema de generación y distribución de vapor para recalentar cada medio litro de agua fría de repuesto.

    Controladores de carga.

    Los sistemas de control distribuido digital basados en ordenadores que pueden alargar la vida útil de la caldera. Controles de quemadores múltiples se pueden acoplar con el control de ajuste de aire lo que puede dar como resultado ahorros de combustible de 3% a 5 %.

    Medidas de eficiencia energética:
    1. Revisar las trampas de vapor y de condensados y asegurar que los condensados son retornados eficientemente.
    2. Instalar medidores y llevar registros de hacia dónde va el vapor. Hacer inspecciones del sistema general de distribución y de cada uno de los procesos individuales para mantener un buen balance de vapor.

    4.3 Sistema de distribución de vapor

    Cuidar el sistema de distribución de vapor nos da una de las mejores oportunidades de ahorrar. El costo del mantenimiento a las trampas de vapor y el revisar que no existan fugas en las uniones de las tuberías y en las válvulas, requiere de una inversión de capital muy pequeña o casi nula.

    Fugas de vapor

    Eliminar las fugas es una oportunidad de ahorrar energía y dinero, además, esto es muy simple y el costo es muy bajo.

    Trampas de vapor

    Cuando no se tiene un programa de mantenimiento para las trampas de vapor, es común encontrar en la instalación de 15 a 20% de las trampas funcionando inadecuadamente todo el tiempo.

    Aislamientos

    Existe un rango de ahorros potenciales desde 3 % hasta valores tan altos como 13 % del total de gas natural utilizado en promedio.

    Medidas de eficiencia energética

    1. Establecer un programa para regular la inspección, prueba y reparación de las trampas de vapor. El personal de mantenimiento y de operación deberá ser entrenado adecuadamente en las técnicas para hacer pruebas a las trampas de vapor. Cuando se requiera hacer pruebas de ultrasonido, contratar personal adecuadamente entrenado.
    2. Revisar que no existan fugas de vapor en las tuberías.
    3. Revisar la operacionalidad de las válvulas de control.
    4. Mantener un sistema rutinario para identificar líneas de vapor que son poco o rara vez utilizadas y que puedan ser removidas del servicio.

    Información complementaria:

    Ver Catálogo Generación de Vapor y Catálogo Calderas de Vapor.

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