Uso de caudalímetros para mejorar la eficiencia de la caldera

Aug 15, 2023

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En muchas plantas químicas, la electricidad que utiliza la planta se deriva de una planta de energía de gas natural o de una planta de cogeneración que quema corrientes de gas residual. En las grandes calderas (figura 1), las centrales eléctricas combinan aire y combustible (gas natural, gas residual, petróleo o carbón) para la combustión, lo que genera calor. El calor hierve el agua, creando vapor. El vapor pasa a través de una turbina, lo que hace que la turbina gire y genere electricidad.

Medir el flujo de energía (flujos de combustible que cuestan dinero) en estas aplicaciones de calderas es fundamental para mejorar la eficiencia energética, identificar residuos y minimizar los gases de efecto invernadero (GEI) que salen a la atmósfera. Sólo con una medición precisa del flujo los usuarios pueden tomar decisiones informadas para mejorar la eficiencia energética.

¿Cómo deciden los usuarios qué tecnología de caudalímetro es mejor para medir gas, agua y vapor para aplicaciones de calderas? La elección de los caudalímetros adecuados depende del fluido que se mida. Cuando se habla de mejoras en la eficiencia de las calderas, están involucradas tres aplicaciones principales:

La generación de energía requiere entrada de aire y combustible para la combustión. Los ingenieros deben medir con precisión la proporción de aire y gas para una combustión eficiente en las calderas. Demasiada gasolina es un desperdicio, peligroso y costoso; muy poco crea una llama insuficiente para hervir el agua de manera eficiente.

Medidores de orificio y turbina. Tradicionalmente, el monitoreo del gas combustible hacia las unidades de caldera se logra con un medidor de orificio o turbina. Sin embargo, estos no son los mejores dispositivos de medición para esta aplicación porque están sujetos a fallas y requieren un mantenimiento especializado frecuente para proporcionar una medición precisa y confiable. Las condiciones restringidas de las tuberías también pueden causar dolores de cabeza a los ingenieros. Por ejemplo, un medidor de orificio requiere de 10 a 50 diámetros de tubería aguas arriba para eliminar el efecto de las perturbaciones del flujo. Debido a que es difícil encontrar tramos largos de tubería recta, la mayoría de los sistemas de medición de flujo se ven afectados negativamente por los perfiles de flujo variables dentro de la tubería.

El mayor motivo de preocupación es que los medidores de orificio y turbina miden el flujo volumétrico. Se requieren sensores adicionales de presión, temperatura y presión diferencial, así como una computadora de flujo, para calcular o inferir el flujo másico (figura 2). Esto no sólo degrada la precisión de la medición del flujo, sino que los costos de instalación y mantenimiento con este tipo de medición compensada aumentan el costo de propiedad.

Caudalímetros másicos térmicos. Por el contrario, los caudalímetros másicos térmicos son adecuados para la medición directa del flujo másico de gases, no del flujo volumétrico. Debido a que los caudalímetros másicos térmicos cuentan las moléculas de gas, son inmunes a los cambios en la temperatura y presión de entrada y miden el flujo másico directamente sin compensación. En aplicaciones de calderas de flujo de gas y aire de entrada, los caudalímetros térmicos funcionan bien porque la relación óptima de combustible a aire para una combustión eficiente en las calderas se calcula en base a la masa, no al volumen (figura 3).

En la configuración de funcionamiento más simple de un caudalímetro térmico, el fluido fluye a través de un sensor térmico calentado y un sensor de temperatura. A medida que las moléculas del fluido pasan por el sensor térmico calentado, el fluido que fluye pierde calor. El sensor térmico se enfría, mientras que el sensor de temperatura continúa midiendo la temperatura relativamente constante del fluido que fluye. La cantidad de calor perdido depende de las propiedades térmicas del fluido y de su caudal. Al medir la diferencia de temperatura entre los sensores térmicos y de temperatura, se puede determinar el caudal.

Los nuevos desarrollos en tecnología térmica de cuatro sensores, junto con una tecnología estable de sensores de “sentido seco”, así como algoritmos avanzados de modelado termodinámico, permiten que algunos medidores de flujo térmico alcancen una precisión de lectura de ±0,5 por ciento, rivalizando con la precisión del medidor de flujo Coriolis a un costo menor. Las aplicaciones de software integradas también permiten la capacidad de mezcla de gases, validación in situ y dial-a-pipe.

El agua también es una energía de flujo costosa y un recurso limitado. En aplicaciones de calderas, es importante medir con precisión el flujo de agua de alimentación de entrada a la caldera, porque los usuarios necesitan medir la eficiencia con la que la caldera convierte esta agua de alimentación en vapor (figura 1).

Caudalímetros ultrasónicos de pinza. Aunque los usuarios pueden medir el agua de entrada con un caudalímetro volumétrico de vórtice, los caudalímetros ultrasónicos de abrazadera son ideales para aplicaciones de flujo de agua debido a su facilidad de uso y flexibilidad de aplicación. Logran una alta precisión en caudales altos y bajos, ahorran tiempo sin cortar tuberías ni detener el proceso y no se ven afectados por el ruido externo. Los avances en la tecnología ultrasónica ahora cuentan con software y aplicaciones integrados que facilitan la instalación del medidor y brindan una señal visual de que se ha realizado correctamente.

El vapor de la caldera se debe medir con precisión para determinar si la caldera está produciendo la cantidad esperada de vapor o si necesita ajustarse para aumentar la eficiencia (figura 1). Tradicionalmente, el flujo de vapor se ha medido con un dispositivo de presión diferencial, normalmente una placa de orificio.

Sin embargo, tales dispositivos son inherentemente mediciones de flujo volumétrico. Los cambios de presión y temperatura cambiarán el caudal másico del vapor. Incluso un “pequeño” cambio del 10 por ciento en la presión del vapor dará como resultado un error del 10 por ciento en el flujo másico no compensado. Esto significa que, en una instalación típica de medición de presión diferencial, el caudal volumétrico debe compensarse midiendo la temperatura y la presión. Estas tres mediciones (ΔP, T y P) están integradas con una computadora de flujo para calcular el flujo másico.

Caudalímetros vortex multivariables de inserción. Los caudalímetros de vórtice multivariable de inserción miden con mayor precisión la producción de vapor de las calderas. Un caudalímetro de vórtice de inserción con una conexión de proceso mide el caudal másico, la temperatura, la presión, el caudal volumétrico y la densidad del fluido simultáneamente. La densidad del vapor saturado varía con la temperatura o la presión, mientras que el vapor sobrecalentado varía con la temperatura y la presión, por lo que los medidores de flujo de vórtice multivariables garantizan que los cálculos de densidad del medidor de flujo sean correctos y, por lo tanto, las mediciones del flujo másico de vapor sean correctas.

El ácido tereftálico purificado (PTA) es el precursor del tereftalato de polietileno (PET), el material omnipresente utilizado en todo el mundo en botellas de plástico, textiles y otros lugares. Una planta química de PTA en China genera vapor y electricidad desde su central eléctrica utilizando carbón como combustible. También cuenta con una estación de tratamiento de aguas residuales que produce metano, el cual fue quemado. Ambos procesos son importantes emisores de GEI.

Las nuevas regulaciones gubernamentales exigieron que la empresa redujera sus emisiones de CO2. La planta decidió modificar sus cuatro calderas para quemar carbón y el gas residual (metano) previamente quemado, para ahorrar aproximadamente 0,5 millones de dólares en carbón cada año. Trabajando con un proveedor único, los ingenieros reelaboraron los diseños de las calderas e instalaron caudalímetros térmicos de inserción industrial para medir el aire de combustión y el gas residual.

Un caudalímetro térmico mide el flujo de gas residual, mientras que los otros cuatro caudalímetros térmicos proporcionan una submedición de este flujo de gas a cada caldera. Otros cuatro medidores miden el aire de combustión precalentado (200 °C, 392 °F) en cada caldera, lo que permite que el sistema de control de la caldera optimice la relación combustible-aire. Los medidores de flujo proporcionaron datos de flujo de precisión para cumplir con las regulaciones gubernamentales y ayudaron a la empresa a reducir el desperdicio y al mismo tiempo aumentar la eficiencia.

Se están revisando otras posibles aplicaciones de medición, entre ellas:

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Scott A. Rouse es vicepresidente de gestión de productos de Sierra Instruments.