El entorno competitivo de las instalaciones de hoy en día aumenta la importancia de optimizar la eficiencia de los grandes sistemas, como las plantas de calderas. Numerosos estudios y pruebas han demostrado que la mayoría de las plantas de calderas desperdician grandes cantidades de combustible.
Dado que las tarifas de combustible continúan aumentando, se vuelve aún más imperativo que las calderas funcionen con la máxima eficiencia. Sin embargo, con demasiada frecuencia, los operadores de calderas solo se preocupan por garantizar que la caldera funcione, sin tener en cuenta su eficiencia. Por lo tanto, muchos gerentes ahora están revisando las opciones de equipos para aumentar la eficiencia de la caldera.
¿Reemplazar, reparar o afinar?
El reemplazo de la caldera por lo general está dictado por la necesidad de reemplazar equipos viejos que funcionan mal, por la expansión de una instalación existente o por la construcción de una nueva planta. Si los gerentes solo necesitan una capacidad de caldera adicional marginal, por ejemplo, para suministrar adiciones de edificios o equipos, podría ser posible proporcionar esta capacidad simplemente mejorando la eficiencia, eliminando el gran costo de instalar nuevos equipos.
Los gerentes de proyectos deben sopesar:
- Energía usada. Este elemento depende de factores como el número de horas de funcionamiento, el tamaño de las calderas en comparación con la carga máxima y la eficiencia del sistema existente frente al nuevo.
- Estado de los equipos existentes. ¿Los tubos de la caldera tienen fugas o incrustaciones? ¿Cuál es la historia de las prácticas de tratamiento de agua?
- Costos de mantenimiento. Considere las tendencias de las reparaciones y la disponibilidad y el costo de las piezas de reparación.
- Fiabilidad. ¿Qué tan crítica es la caldera? ¿Hay disponible una caldera de respaldo?
- Tiempo de inactividad del equipo permitido. ¿Puede la planta o el equipo al que sirve soportar el tiempo de inactividad requerido para reemplazar una caldera? De no ser así, los administradores deben sopesar el costo de las calderas de alquiler temporal en el costo total de reposición. Si un edificio depende de un sistema de caldera solo durante el clima más frío, el reemplazo de la caldera debe realizarse durante el verano.
- Requisitos de construcción para vapor, si está instalado. Si un edificio solo usa vapor para generar agua caliente, probablemente sea rentable reemplazar las calderas de vapor con calderas de agua caliente de alta eficiencia para mejorar la eficiencia del sistema y reducir los costos de operación y mantenimiento.
- Calderas satélite o calentadores de agua. Los administradores pueden eliminar la mayoría de las pérdidas del sistema de distribución instalando equipos cerca de la carga. Al hacerlo, los gerentes también deben considerar los posibles problemas de ventilación y la disponibilidad del servicio de gas natural.
Enfatizando la eficiencia
El diseño básico de la caldera tiene el mayor impacto en la eficiencia del sistema y los costos de mantenimiento. El primer costo es una porción relativamente pequeña de la inversión en una caldera. Los costos de energía pueden representar del 70 al 80 por ciento del costo operativo anual de los sistemas de calderas y del 30 al 50 por ciento del costo del ciclo de vida.
Dado que el costo de capital de una caldera es un componente importante de su costo de ciclo de vida, el mantenimiento diferido que acorta la vida útil del equipo perjudica el resultado final. Una caldera típica usa anualmente muchas veces el gasto de capital inicial en combustible, por lo que para maximizar la inversión en la caldera, los gerentes deben especificar la caldera más eficiente para la aplicación.
Entre las opciones de reemplazo se encuentran la conversión de sistemas de calderas de vapor a agua caliente, el uso de calderas y calentadores de agua de tipo sin condensación y el uso de calderas y calentadores de agua de tipo de condensación.
Es posible un aumento de eficiencia del 11 al 15 por ciento cuando se comparan equipos de condensación con equipos sin condensación. Los gerentes pueden abordar fácilmente la creación de ácido sulfúrico en los gases de combustión utilizando acero inoxidable para las tuberías de combustión y recolectando y drenando el condensado. Hacerlo puede resultar en eficiencias superiores al 95 por ciento.
¿Modular o más grande?
Las calderas funcionan de manera más eficiente cuando se encienden y apagan menos. Solo por esta razón, las instalaciones de calderas modulares se están volviendo más comunes, en comparación con la estrategia tradicional de instalar una caldera grande con una caldera de respaldo 100 por ciento redundante.
Las calderas generalmente tienen muy poca eficiencia con cargas bajas. Aquellos con eficiencias medidas superiores al 80 por ciento en realidad operarán a menos del 60 por ciento anual. La razón por la que las instalaciones de múltiples calderas en paquete pueden operar de manera más eficiente es que pueden hacer coincidir mejor la carga actual con la capacidad de la caldera y, por lo tanto, los ciclos de encendido y apagado son menos frecuentes. Los gerentes deben emplear controles para encender las calderas según sea necesario para que coincida con la carga.
Componentes rentables
Las calderas modernas incluyen las siguientes características del quemador:
- gases de combustión recirculados, lo que garantiza una combustión óptima con un exceso de aire mínimo.
- sofisticados sistemas de control electrónico que monitorean los componentes de los gases de combustión y ajustan el combustible y el aire según sea necesario.
- índices de reducción muy mejorados para mejorar la eficiencia a menos de la carga máxima.
- Quemadores motorizados o de tiro forzado, en lugar de quemadores atmosféricos.
El número de pasos para las que está diseñada una caldera afecta a su eficiencia. Generalmente, cuantos más pasos, mayor es la eficiencia. Las calderas pirotubulares diseñadas con turbuladores dentro de los tubos con menos pasos mejoran la eficiencia.
Opciones de combustible dual
La mayoría de las calderas usan gas natural, pero los quemadores de combustible dual a menudo son una opción viable para las instalaciones que pueden usar un combustible alternativo, como el petróleo, durante períodos cortos en los que una empresa de gas tiene una demanda máxima. El resultado son tarifas anuales de gas más bajas.
También se puede proporcionar combustible de respaldo para garantizar el funcionamiento de la caldera en caso de un problema con el sistema de gas. El fuel oil se enciende con mayor eficiencia que el gas natural porque tiene menos vapor de agua durante la combustión, pero dicho equipo suele ser más costoso de operar. Tener más de un tipo de combustible disponible para una caldera brinda la opción de usar el combustible que es menos costoso de operar en un momento dado.
Los administradores tienen una serie de componentes opcionales en aplicaciones nuevas o modernizadas para mejorar la eficiencia.
Pueden instalar quemadores equipados con gestión de combustión digital para ajustar automáticamente el exceso de aire y combustible para un control preciso y máxima eficiencia en todo el rango de encendido. En algunos casos, podría ser más rentable adaptar las calderas existentes con nuevos quemadores y controles para mejorar la eficiencia, en lugar de reemplazar las calderas, especialmente si son bastante nuevas y están en buenas condiciones.
Pero los gerentes deben asegurarse de que los quemadores y las calderas sean compatibles. Es importante mantener los controles y la eficiencia durante la vida útil de la caldera.
Una opción con estos quemadores es la operación remota, el diagnóstico y la supervisión a través de una interfaz con un sistema scada. Cambiar de gas natural a un fuel oil de respaldo puede ser mucho más fácil con estos quemadores y controles, con ajustes de combustible que dan como resultado el máximo ahorro de energía.
Además, los nuevos controles pueden minimizar las corrientes de aire a través de calderas fuera de línea. Los varillajes asociados con la mayoría de los controles de quemador a menudo requieren calibración constante para un rendimiento óptimo. Una alternativa a este varillaje son los motores de pasos, que aumentan la precisión en todo el rango de modulación.
Es más rentable reemplazar los quemadores con nuevos quemadores y controles que adaptar los viejos quemadores existentes con nuevos controles. Muchas calderas, incluso las instalaciones más nuevas, incluyen quemadores y controles de tecnología estándar, ya que a menudo no se especificaban las opciones de alta eficiencia. En consecuencia, los contratistas y fabricantes instalaron equipos estándar porque el proceso de licitación les exigía cumplir únicamente con los requisitos mínimos especificados.
Concéntrese en un alto índice de rangeabilidad
Dado que los diseños e instalaciones de las calderas suelen ser de gran tamaño, la capacidad de hacer coincidir la carga con la capacidad del quemador brinda mayores oportunidades de ahorro de energía. La mayoría de las calderas, especialmente los modelos más antiguos, funcionan con un 30-40 por ciento de carga y rango de encendido y, por lo general, solo tienen una o dos tasas de encendido.
Para la mayoría de las calderas, la mayor eficiencia ocurre con una carga del 50-60 por ciento. Las calderas sobredimensionadas dan como resultado un exceso de ciclos de encendido y apagado, lo que reduce tanto la eficiencia como la vida útil. Las ineficiencias se producen porque cada vez que una caldera arranca, pasa por un ciclo de prepurga para expulsar los no combustibles y, posteriormente, por un ciclo de postpurga. Ambos ciclos provocan un desgaste adicional de los componentes.
Los arranques y paradas frecuentes también interrumpen el rendimiento del sistema porque se producen retrasos en el cumplimiento de las cargas, lo que aumenta las posibilidades de choque térmico. Las relaciones de reducción para las calderas disponibles en la actualidad suelen oscilar entre 10:1 y 20:1.
En lugar de reemplazar calderas grandes, de 250 caballos de fuerza y más, ineficientes y sobredimensionadas, los gerentes pueden reemplazar los quemadores adaptando unidades con alto rendimiento y rangeabilidad. Los gestores también pueden optar por equipar calderas de cualquier tamaño con modulación completa, lo que proporciona una máxima eficiencia. Muchas calderas nuevas vienen equipadas con capacidad de alta rangeabilidad.
Operación del ventilador de combustión
Por supuesto, las cargas de la caldera generalmente varían a lo largo de la operación, sin importar la aplicación. Debido a que una configuración típica consiste en un motor de ventilador de combustión que funciona a una velocidad nominal constante con el mismo flujo de aire en las diversas cargas, la cantidad de aire en exceso y las temperaturas de los gases de escape son muy altas con cargas bajas.
En consecuencia, la eficiencia de la caldera suele ser muy baja debido a las pérdidas de energía térmica que también provocan pérdidas de energía eléctrica. La instalación de un ventilador de aire de combustión con un variador de frecuencia (VFD) mejora la eficiencia de la caldera y reduce las temperaturas de chimenea y las pérdidas de energía.
Cuanto más amplias y frecuentes sean las variaciones de carga, más beneficios proporcionará el control VFD del ventilador de combustión. El uso de energía varía con el cubo de la velocidad, por lo que los gerentes pueden obtener ahorros de energía significativos con solo pequeños cambios en la velocidad.
Consideraciones de control
Finalmente, los administradores pueden restablecer las temperaturas del agua caliente en función de la temperatura del aire exterior, en lugar de la lectura del termostato interior. La capacidad de monitorear una o varias calderas de forma remota en tiempo real a través de Internet puede alertar a los operadores sobre problemas, como ineficiencias, antes de que puedan detectarlos.
La capacidad de monitorear el rendimiento de la caldera es crucial para garantizar su funcionamiento eficiente. Los controles computarizados basados en microprocesadores de hoy en día pueden proporcionar una poderosa herramienta para monitorear, diagnosticar y controlar la eficiencia del sistema. Generalmente, los controles de purga automática son más eficientes que la operación manual.
Fuente: Por Jeffrey T. Hunt, tomado del portal FACILITIES NET
Jeffrey T. Hunt, es gerente senior de proyectos de Facility Engineering Associates.
