Programará el mantenimiento a los equipos y elementos de los sistemas de servicio de agua y vapor para optimizar su operación




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Universidad Tecnológica de San Luis Rio, Colorado

TSU e Ingeniería en Mantenimiento Industrialhttp://t1.gstatic.com/images?q=tbn:and9gcriumtxksn5k_wzykerbghtgbcljysrm9blknwgz2-kyyk3uyetda

Asignatura

Redes de Servicios Industriales

MCI. Jorge Adalberto Barreras García
San Luis Río Colorado, Sonora Abril del 2012

Contenido

Introducción

Este manual Teorico-práctico se realiza con el proposito de eficientar y agilizar el proceso de enseñanza-aprendizaje de los alumnos que cursan la carrera de TSU e Ingenieria en Mantenimiento Industrial, unidad San Luis Río Colorado.

El presente material proporciona las herramientas necesarias para que los alumnos adquieran las habilidades para evaluar la operación y mantenimiento de los sistemas, instalaciones y servicios de aire, vapor de agua y combustibles, mediante la interpretación de diagramas, manuales del fabricante, normas oficiales, para programar su mantenimiento y garantizar su disponibilidad en los procesos, de tal modo que puedan desarrollar ,conservar , mejorar y mantener los procesos productivos utilizando herramientas, equipos y la tecnología adecuada.

En la unidad 1, El alumno programará el mantenimiento a los equipos y elementos de los sistemas de servicio de agua y vapor para optimizar su operación.

En la unidad 2, El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de refrigeración y ventilación para optimizar su operación.

En la unidad 3, El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de aire comprimido para optimizar su operación.

En la unidad 4, El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de combustible para optimizar su operación.

Por ultimo hago especial enfasis sobre el manual, éste ha sido elaborado en base al nuevo modelo por competencias que han adoptado todas las universidades tecnológicas del país, como consecuencia de los cambios constantes tecnológicos de nuestra era.

Redes de Servicios Industriales

Objetivo general: El alumno evaluará la operación y mantenimiento de los sistemas, instalaciones y servicios de aire, vapor de agua y combustibles, mediante la interpretación de diagramas, manuales del fabricante, normas oficiales, para programar su mantenimiento y garantizar su disponibilidad en los procesos.

Unidad 1: Sistemas de agua y Vapor de agua

Objetivo: Programará el mantenimiento a los equipos y elementos de los sistemas de servicio de agua y vapor para optimizar su operación.

  1. Introducción a las redes de servicios de agua y vapor.

1.1 Introducción a los sistemas de vapor.

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papín creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papín en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.

Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa en el nuestro.

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. 

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.

Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

Generalidades

El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa.

En México, la tercera parte de la energía utilizada a nivel nacional, es consumida por la industria, y de ésta, cerca del 70% proviene de combustibles fósiles, distribuidos en la forma siguiente: el gas natural como principal recurso (50%), seguido por el combustóleo (21%) y el coque (11%). Este requerimiento energético demandado por la industria lo conforman principalmente los sistemas de combustión directa, como son los calentadores a fuego directo y calderas, donde estas últimas se utilizan para la generación de vapor, el cual se requiere para suministrar trabajo mecánico y calor a los procesos.

Caldera. Generador de vapor: Es un aparato que se utiliza para generar vapor de agua o para calentar un fluido en estado líquido, mediante la aplicación de calor producido por la combustión de materiales, reacciones químicas, energía solar o eléctrica, utilizando el vapor de agua o los líquidos calentados fuera del aparato (figura 1).

Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión, como se indicó al inicio, no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado.

Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado.http://3.bp.blogspot.com/-noxmrb-anpm/typ1xflbjei/aaaaaaaadwy/0xog133ighu/s1600/figura1-%2bcaldera%2bh.%2bbriones%2bmodelo%2bcftc_redim.jpg

Figura 1: Caldera

Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:

Cámara de agua.

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.

El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.

Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua.

Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua.

Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción.

Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.

Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción.

Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.

Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

 Cámara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

1.2 Descripción del Sistema de generación y distribución de vapor

La figura 1.2, muestra un sistema de generación y distribución de vapor, cuyas partes principales se describen a continuación.

FIGURA 1.2: Sistema de generación y distribución de vapor.


  1. Sistema de alimentación y tratamiento del agua para la caldera.

Conformado por equipo, tubería y accesorios que permiten el suministro del agua bajo condiciones adecuadas al sistema de vapor.

  1. Quemadores.

Dispositivos de la caldera, donde se lleva a cabo la reacción química del aire con el combustible fósil, para transformarse en calor, mismo que posteriormente servirá para cambiar las propiedades del agua líquida a vapor.

  1. Hogar de la caldera.

En el caso de las calderas tipo “tubos de agua”, el hogar está formado por paredes hechas con "bancos de tubos"; en calderas tipo “tubos de humo”, el hogar está formado por una envolvente metálica interna. En ambos casos, es en el hogar donde se inicia la transformación del agua en estado de saturación a vapor y donde se termina de realizar el proceso de combustión iniciado en el quemador, liberando calor del combustible.

  1. Sistema de distribución del vapor.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de vapor", que permite llevar el vapor a los puntos donde el proceso lo requiere, con la calidad y en la cantidad demandada.

  1. Sistema de retorno de condensados.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de condensado", que regresan parte del agua que se ha condensado en el proceso. Esta agua, de gran valor por su pureza, se retorna al sistema de generación de vapor con un previo tratamiento. Es muy recomendable la instalación de este sistema, ya que permite recuperar la mayor cantidad posible de condensados.

Considerando que, entre el 40 y 60% de toda la energía empleada por algunas industrias, es consumida para la generación de vapor, la operación eficiente del sistema y su mantenimiento adecuado pueden representar una gran oportunidad para disminuir sus insumos energéticos y, por ende, sus costos de operación.

Existen reglas que, en general, deben seguirse para generar vapor con eficiencia:

  • Operar la caldera a condiciones normales o máximas (según la carga demandada por el proceso), las cuales alcancen la mayor eficiencia especificada. Los grados de sobrecalentamiento del vapor deberán ser los establecidos desde diseño; de lo contrario, afectarán el área de transferencia de calor en el equipo de proceso.

  • Cuando se requiera utilizar vapor en turbinas, ya sea para la generación de energía eléctrica o para movimiento rotatorio, es necesario suministrarlo a su máxima potencia, tomando en cuenta algunos otros niveles que se necesiten en instalaciones de proceso; esto, con la finalidad de que se puedan realizar las extracciones correspondientes de la turbina. Dicha acción permitirá no utilizar válvulas reductoras de presión, lo que origina se eleve la eficiencia del ciclo.

1.3 El agua en la industria

En los procesos industriales el agua realiza importantes funciones: se utiliza para transportar otros materiales en diferentes procedimientos de lavado, como prima y en un sin número de otras aplicaciones que pueden ser exclusivas de una sola industria e incluso de una sola planta.

El agua es un medio adecuado y económico para el lavado general de equipos industriales. Además de la estética, lavar el equipo en la industria es muy importante ya que evita que se contaminen los productos con el polvo o con basura, como medida de seguridad (evita que se acumulen los desechos en el piso y no resbalarse o caerse y lastimarse) y para evitar el polvo que puede dañar al equipo. En la industria nuclear, en donde los procedimientos de lavado son mucho más complejos que en otras industrias, el equipo expuesto a la acumulación de partículas radiactivas se lava minuciosamente con detergentes y se enjuaga abundantemente con agua.

Usos del agua en las industrias

Los usos principales del agua en la industria son: 

  • Sanitario: Emplean en inodoros, duchas e instalaciones que garanticen la higiene personal. 

  •  Transmisión de calor o refrigeraciones, como mucho, el uso industrial que mayor cantidad de agua emplea. Aproximadamente el 80 % del agua industrial corresponde a esta aplicación siendo las centrales térmicas y nucleares las instalaciones que más agua necesitan.

  • Producción de vapor: suele estar dirigida a la obtención de un medio de calentamiento del producto que se desea elaborar. 

  •  Materia prima: el agua puede ser incorporada al producto final, como en el caso de la producción, acción de bebidas, o puede suministrar un medio adecuado a determinadas reacciones químicas. 

  •  Utilización como disolvente en los diferentes procesos productivos. 

  •  Labores de limpieza de las instalaciones. 

  • Obtención de energía referida a las centrales hidroeléctricas y- a las actividades que usan vapor de agua para el movimiento de turbinas.

    1. Sistemas de alimentación y tratamiento del agua para la caldera.

Si bien el agua en forma de vapor es un vehículo para distribuir calor a diversos procesos, nunca se encuentra pura y los elementos que contiene pueden afectar las tuberías y limitar la transferencia de calor en los equipos de proceso. Para mantener la eficiencia de la caldera e incrementar su vida útil es necesario un acondicionamiento que consiste en reducir los depósitos de sólidos e incrustaciones en las superficies de calefacción, así como el evitar su corrosión.

Cada caldera y su agua de alimentación representan una condición única y específica, por lo que la información y recomendaciones que a continuación se listan, son de carácter genérico.

Operar adecuadamente el sistema de alimentación de agua

El agua alimentada en el sistema de vapor tiene que ser transportada, desde su punto de suministro o almacenamiento, hasta el interior de la caldera, pasando a través de los economizadores, mediante un sistema de bombeo.

Para una operación eficiente se recomienda:

  • Mantener en operación el mínimo número de bombas, según se requiera

  • Mantener la operación de las bombas produciendo la presión de descarga de diseño.

  • Aprovechar el flujo por gravedad, siempre que sea posible.

  • Si los requerimientos de presión varían considerablemente por los cambios de estación en el año o en la producción, evaluar la posibilidad de cambiar los impulsores de las bombas.

  • Usar dispositivos para variar la velocidad en los motores de las bombas de agua de alimentación.

Por lo general, se utiliza un mínimo de dos bombas de alimentación, dependiendo del grado de confiabilidad para mantener la caldera trabajando en caso de falla del suministro de agua. El hecho de disponer de dos bombas permite realizar trabajos de reparación y mantenimiento en una de ellas, mientras que la otra continúa suministrando el agua necesaria para la operación de la caldera. Cuando se utilizan turbinas de vapor para suministrar el agua de alimentación, se recomienda regular al mínimo requerido la presión de su descarga.

Dar tratamiento al agua de alimentación y agua retornada (Condensado)

Es recomendable dar diversos tratamientos al agua antes de introducirla al sistema de generación y distribución de vapor. Se citan los más importantes.

  • En el agua cruda, que forma parte de la alimentación a la caldera, deben eliminarse los sólidos en suspensión, reducir “la dureza” (provocada por las sales de calcio, magnesio y silicio) y eliminar otras impurezas solubles.

  • Aplicar productos químicos, para eliminar el oxígeno disuelto en el agua y controlar su grado de acidez.

Gran parte del oxígeno contenido en el agua alimentada a la caldera, es eliminado en el deaereador. Sin embargo, pequeñas cantidades -trazas de éste- aún se encontrarán en el agua, causando la corrosión en el metal de la caldera. Para prevenir esto, un secuestrante de oxígeno debe ser adicionado al agua, de preferencia en el tanque de almacenamiento del deaereador. Así, el secuestrante dispondrá de un tiempo mayor para reaccionar con el oxígeno residual.

Otra forma de reducir la corrosión en la caldera es controlando el “pH” (grado de acidez) en el agua, mediante la adición de químicos.

  • Purgar adecuadamente la caldera, para limitar la concentración de impurezas del agua en la caldera.

Las purgas pueden ser localizadas en distintos puntos; éstas pueden ser desde abajo del nivel de agua en el tanque de vapor (o domo del vapor), desde el domo de lodos o cabezal inferior, o también desde el fondo de la caldera. Las purgas pueden ser continuas o intermitentes. A continuación, se establecen algunos principios para llevar a cabo un programa efectivo de purgas.

  • En calderas tipo tubos de agua (acuotubulares),

la concentración de impurezas debe controlarse purgado desde el domo de vapor. Es preferible realizar purgas continuas. También para este tipo de calderas, el purgar desde el domo de lodos o del cabezal inferior elimina los sólidos en suspensión del agua en la caldera. El tratar de controlar la concentración de impurezas purgando en este lugar, puede causar fallas severas en la circulación dentro de la caldera, lo cual causa serios daños. La purga en el fondo debe ser de poca duración, sobre una cantidad ya establecida. Esta cantidad es determinada por el diseño de la caldera, las condiciones de operación y la velocidad de acumulación de sólidos suspendidos.

  • La purga en calderas del tipo tubos de humo (pirotubulares), puede hacerse de manera continua o intermitente, como también realizarse abajo del nivel de agua o desde el fondo. El tipo de purga, su frecuencia y duración dependen del diseño de la caldera, las condiciones de operación y el tipo de programa de tratamiento de agua.

  • Dar tratamiento a los condensados que retornan.

Tome en cuenta algunas recomendaciones:

  • Adicione productos químicos para controlar el grado de acidez.

  • Elimine el oxígeno de los condensados a través de un deaereador, antes de que vuelvan a entrar junto con el agua de reposición, al sistema de agua de alimentación.

  • Reduzca el venteo en el deaereador a menos del 0,1% del flujo de agua o menos del 0,5% del flujo de vapor (esta recomendación dependerá del tamaño del sistema de vapor y condensado, así como de la capacidad demandada por el proceso).

  • Retorne todos los condensados posibles al sistema de agua de alimentación.

1.5 Componentes básicos de un sistema de agua y/o vapor

Existen diversos tipos de bombas, y diferentes aplicaciones. Bombas Cárcamo, bombas de diesel, bombas de agua neumáticas, bombas sumergibles etc.

Bomba sumergible.

Usada en sistemas de retorno o desagüe, ya sean tinas, charolas tanques etc. estas son activadas por medio de flotadores (opcional).http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:and9gcrsuncn1hgkyorpvozuvjcsnx4ap0hm81xq07dnaadqig_ghisumq

Figura 1.3: Bomba sumergible

Motobombas.

Este tipo de bombas se emplea en lugares donde no existe la electricidad o para desaguar pozos inundados, funcionan por medio de combustión a gasolina.http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:and9gcqawsakuutvlp-vdersoktrmiguy_3ukgo5xrddbuvcpuk450zu

Figura 1.4: Motobomba

Bombas de proceso.

Estas vienen en diferentes capacidades de caballaje y volumen, se usan comúnmente en sistemas de agua de proceso, esto es para Recirculación de agua en los sistemas de producción o de agua de uso de empresas, estas bombas mantienen las presiones de agua en los sistemas.http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:and9gcrsnq4xxjcyiviq_43xjr0rp3xgdgnvkygghwa1fmcvsu_lfbvh

Figura 1.6: Bomba de proceso

Impulsor tipo sobresaliente:

En este grupo, el impulsor (o impulsores) está montado en el extremo de un eje que está en “cantilevered”, o colgando de sus rodamientos (bearings) de apoyo.

Figura 1.7: Impulsor sobresaliente

Impulsor tipo entre “bearings”:

En este grupo, el impulsor o impulsores están montados en un eje con rodamientos (bearings) a ambos extremos. El impulsor está montado entre los bearings.

Figura 1.8: Impulsor tipo bearings

Suspensión vertical

  1. Las bombas verticales son iguales que otras bombas centrífugas excepto que el impulsor descarga en un difusor (tipo campana) en lugar de una voluta.

  2. El difusor tiene álabes múltiples que dirigen el líquido bombeado a la columna o al próximo impulsor.

  3. Debe bombearse líquido desde aguas subterráneas.

  4. El uso de un difusor equilibra las cargas de empuje radiales en el eje/difusor.

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Figura 1.9: Suspensión vertical

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