El monitoreo de eficiencia en una sala de calderas es esencial para garantizar operaciones seguras, reducir costos de energía y cumplir con normativas ambientales. Las calderas representan uno de los principales consumidores de energía en plantas industriales, por lo que optimizar su desempeño tiene un impacto directo en la rentabilidad y sostenibilidad de las operaciones.
En muchas plantas de producción, la electricidad utilizada proviene de una planta de energía a gas natural o de una planta de cogeneración que utiliza los gases residuales. En grandes calderas (figura 1), las plantas de energía combinan aire y combustible (gas natural, gas residual, petróleo o carbón) para la combustión, lo que genera calor.
Este calor lleva el agua al punto de ebullición, produciendo vapor. El vapor de alta presión pasa a través de una turbina, lo que provoca que esta gire, generando así electricidad.
Figura 1. En calderas típicas, el aire y el combustible se combinan para la combustión, lo que genera calor para hervir el agua, creando vapor. El vapor hace que una turbina gire, generando electricidad.
Medir la energía de flujo—flujos de combustible que cuestan dinero—en estas aplicaciones de calderas es fundamental para mejorar la eficiencia energética, identificar desperdicios y minimizar los gases de efecto invernadero (GHG) que se liberan a la atmósfera. Solo con una medición precisa del flujo, los usuarios pueden tomar decisiones informadas para mejorar la eficiencia energética.
¿Cómo deciden los usuarios qué tecnología de flujómetro es la mejor para medir el gas, el agua y el vapor en aplicaciones de calderas? La elección de los flujómetros adecuados depende del fluido que se está midiendo. Al discutir mejoras en la eficiencia de las calderas, se involucran tres aplicaciones principales:
- Medición precisa del aire de entrada y del combustible (gas natural, gas residual, petróleo o carbón) para una combustión eficiente.
- Medición del agua de alimentación de entrada para determinar la eficiencia de producción de vapor e identificar desperdicios.
- Medición de la producción de vapor de salida.
Optimizar la relación combustible-aire
La generación de energía requiere aire de entrada y combustible para la combustión. Los ingenieros deben medir la relación aire-gas con precisión para una combustión eficiente en las calderas. Demasiado gas es derrochador, peligroso y costoso; muy poco crea una llama insuficiente para hervir el agua de manera eficiente.
Flujómetros de masa térmica
Los flujómetros de masa térmica son adecuados para la medición directa del flujo de masa de gases, no del flujo volumétrico. Debido a que los flujómetros de masa térmica cuentan las moléculas de gas, son inmunes a los cambios en la temperatura y presión de entrada, y miden el flujo de masa directamente sin compensación. En aplicaciones de flujo de aire y gas de entrada en calderas, los flujómetros térmicos funcionan bien porque la relación óptima combustible-aire para una combustión eficiente en las calderas se calcula en base a la masa, no al volumen (Figura 3).
Figura 3. Medición directa del flujo de masa utilizando flujómetros de masa térmica.
En su configuración más simple, un flujómetro de masa térmica opera haciendo que el fluido pase por un sensor térmico calentado y un sensor de temperatura. A medida que las moléculas del fluido fluyen junto al sensor térmico calentado, el calor se transfiere al fluido en movimiento, lo que enfría el sensor térmico. Mientras tanto, el sensor de temperatura sigue midiendo la temperatura relativamente constante del fluido.
La cantidad de pérdida de calor depende de las propiedades térmicas del fluido y de su tasa de flujo. Midiendo la diferencia de temperatura entre el sensor térmico y el sensor de temperatura, es posible determinar la tasa de flujo del fluido.
Este principio permite que los flujómetros de masa térmica proporcionen una medición directa del flujo de masa, independientemente de las variaciones en la presión o temperatura del fluido, haciendo que sean ideales para aplicaciones de gases y en sistemas como las calderas.
Los desarrollos recientes en tecnología térmica de cuatro sensores, combinados con sensores estables de tecnología “dry sense” y algoritmos avanzados de modelado termodinámico, permiten que algunos flujómetros térmicos alcancen una precisión de ±0.5 % de la lectura. Este nivel de precisión compite con la de los flujómetros Coriolis, pero a un costo menor. Además, las aplicaciones de software integradas permiten capacidades como la mezcla de gases, validación in situ y ajustes rápidos de diámetros de tubería.
Medición precisa del agua de alimentación
El agua es una fuente de energía costosa y un recurso limitado. En aplicaciones de calderas, es crucial medir con precisión el flujo de agua de alimentación hacia la caldera, ya que esto permite evaluar la eficiencia con la que la caldera convierte esta agua en vapor (figura 1).
Flujómetros ultrasónicos de montaje externo
Aunque se podría usar un flujómetro volumétrico de tipo vórtex, los flujómetros ultrasónicos de montaje externo son ideales para aplicaciones de flujo de agua debido a su facilidad de uso y flexibilidad. Ofrecen alta precisión tanto en flujos bajos como altos, ahorran tiempo al no requerir cortes de tubería ni interrupciones del proceso y no se ven afectados por ruidos externos. Los avances en la tecnología ultrasónica ahora incluyen software y aplicaciones integradas que facilitan la instalación, mostrando una señal visual cuando se realiza correctamente.
Optimización de la producción de vapor
Para determinar si la caldera está produciendo la cantidad esperada de vapor o necesita ajustes para mejorar la eficiencia, es esencial medir con precisión el flujo de vapor (figura 1).
Tradicionalmente, el flujo de vapor se ha medido mediante dispositivos de presión diferencial, como placas de orificio. Sin embargo, estas mediciones son intrínsecamente volumétricas. Los cambios en la presión y temperatura afectan la tasa de flujo másico del vapor. Por ejemplo, un cambio "pequeño" del 10 % en la presión del vapor generará un error del 10 % en la medición másica si no se compensa. Esto significa que en una instalación típica de medición diferencial, es necesario compensar el flujo volumétrico midiendo la temperatura y presión, e integrando estas mediciones (ΔP, T, y P) con un computador de flujo para calcular el flujo másico.
Flujómetros tipo Vortex multivariable
Los flujómetros de vórtice multivariable son más precisos para medir la producción de vapor. Un solo flujómetro de este tipo, con una conexión de proceso, mide simultáneamente la tasa de flujo másico, temperatura, presión, flujo volumétrico y densidad del fluido. Dado que la densidad del vapor saturado varía con la temperatura o presión, y la del vapor sobrecalentado varía con ambos parámetros, los flujómetros de vórtice multivariable garantizan que los cálculos de densidad sean correctos, asegurando mediciones precisas del flujo másico de vapor.
Medición de flujo de Condensado
Asegura que se recupere el máximo calor posible del vapor condensado, disminuyendo el uso de agua y combustible. Puede utilizarse un flujómetro Vortex por las condiciones de este fluido.
Ahorro Energético
Un sistema bien monitoreado ajusta automáticamente el consumo de combustible según la demanda de vapor, minimizando pérdidas energéticas.
Cumplimiento Regulatorio
Las calderas que operan bajo estrictos parámetros de eficiencia energética y emisiones ayudan a cumplir con normativas ambientales como las de la EPA o estándares ISO.
Mantenimiento Predictivo
Los datos en tiempo real permiten identificar patrones de desgaste y planificar mantenimientos, reduciendo tiempos de inactividad.
Rentabilidad
Optimizar el uso de combustibles y recursos reduce costos operativos, incrementando la competitividad de la planta.
Conclusión
Implementar un sistema integral de monitoreo en una sala de calderas transforma el enfoque operativo de reactivo a proactivo. Las tecnologías como flujómetros avanzados, videoregistradores y analizadores no solo garantizan un funcionamiento eficiente y seguro, sino que también contribuyen al cumplimiento de objetivos empresariales sostenibles.
Crédito a ISA y su publicación de Junio 2022 (Usando flujómetros para mejorar la eficiencia de calderas)
