Tesis Evaluacion de Calderas ASME PTC 4-2008

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

EVALUACIÓN TECNICA DE LOS GENERADORES DE VAPOR Y PLANTEAMIENTO DE MEJORAS PARA LA EFICIENCIA TERMICA EN LA PESQUERA HAYDUK S.A. VEGUETA, 2013

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE I N G E N I E R O

Q U Í M I C O

POR

Bach. NELSON ASENCIO HUAYANAY

ASESOR: Ing. JHON HERBERT OBISPO GAVINO CIP 68007

HUACHO – PERU 2014

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DEDICATORIA

A los lectores de este documento que se esfuerzan continuamente para crecer en el bello y maravilloso mundo del saber

A mis padres y hermanos, por su cariño, comprensión y por sus diversas formas de apoyo incondicional que hicieron posible la culminación y materialización del presente documento

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AGRADECIMIENTOS

Deseo hacer constar mi agradecimiento a todas las personas que directa o indirectamente, han contribuido para la culminación de la presente tesis.

Al Ing. Ángel Villon Ulloa, docente investigador de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la Universidad Nacional de Ingeniería, cuya experiencia, conocimiento y paciencia han inspirado estas páginas.

Al Ing. Jhon Obispo Gavino, docente de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química de la Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión, por el asesoramiento de la presente tesis.

A la empresa Pesquera Hayduk S.A. Planta Vegueta, al Ing. Ismael Silva Albines, Gerente de Planta y al Ing. Fernando Miranda Salazar, Gestor de Productividad, de la empresa, por darme las facilidades para la realización de la presente tesis.

A Pedro Torres y Víctor Samanamud, Operadores de turno de las calderas de la empresa Pesquera Hayduk S.A., por compartir sus experiencias.

A mis maestros y amigos de la Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión, por compartir sus conocimientos y su amistad conmigo.

Y finalmente, gracias a mi familia por el apoyo brindado durante toda mi vida. Gracias.

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INDICE GENERAL INDICE GENERAL ................................................................................................. III INDICE DE FIGURAS ........................................................................................... VII INDICE DE CUADROS........................................................................................ VIII INDICE DE ANEXOS................................................................................................ X RESUMEN ............................................................................................................... XI ABSTRACT .............................................................................................................. XI INTRODUCCION ................................................................................................. XIII CAPITULO I .............................................................................................................14 I.

GENERALIDADES .......................................................................................... 14 1.1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................. 14

1.2

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ....................................................... 15

1.2.1 Problema general ..................................................................................... 15 1.2.2 Problemas específicos ..............................................................................15 1.3

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN .................................................. 16

1.3.1 Objetivo general ....................................................................................... 16 1.3.2 Objetivos específicos ...............................................................................16 1.4

JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .........................................17

1.5

ENFOQUES DE LA TESIS .......................................................................17

CAPITULO II ...........................................................................................................18 II. LA EMPRESA PESQUERA HAYDUK S.A - VEGUETA .............................. 18 2.1

GENERALIDADES ................................................................................... 18

2.2

UBICACIÓN .............................................................................................. 18

2.2.1 Ubicación Política .................................................................................... 18 2.2.2 Ubicación Geográfica ...............................................................................18 2.3

ORGANIZACIÓN DE LA EMPRESA ..................................................... 20

2.4

GENERADORES DE VAPOR ..................................................................21

2.5

PRODUCTOS COMERCIALIZADOS .................................................... 22

iv

2.5.1 Consumo Humano Indirecto .....................................................................22 2.5.2 Consumo Humano Directo .......................................................................25 2.6

PROCESO PRODUCTIVO DE HARINA ................................................26

CAPITULO III ..........................................................................................................36 III.

MARCO TEORICO ...................................................................................... 36

3.1

GENERADORES DE VAPOR: CALDERAS ...........................................36

3.2

CLASIFICACIÓN DE CALDERAS ......................................................... 37

3.2.1 Tipos de calderas...................................................................................... 38

3.3

3.2.1.1

Acuotubulares .................................................................................. 38

3.2.1.2

Ventajas y desventajas, calderas acuotubulares .................................39

3.2.1.3

Pirotubulares. ................................................................................... 40

3.2.1.4

Ventajas y desventajas, caldera pirotubular .......................................42

COMBUSTION. ......................................................................................... 43

3.3.1 Reacciones Químicas ...............................................................................44 3.3.2 Tipos de Combustión ...............................................................................46 3.3.2.1

Según productos que se obtienen: ..................................................... 46

3.3.2.2

Según su desarrollo: .........................................................................47

3.3.3 Rendimiento de Combustión ....................................................................48 3.4

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN CALDERA ... 50

3.4.1 Conducción .............................................................................................. 51 3.4.2 Convección .............................................................................................. 52 3.4.2.1

Conveccion natural ...........................................................................52

3.4.2.2

Conveccion forzada ..........................................................................53

3.4.3 Radiación .................................................................................................53 3.4.4 Recuperación de calor en calderas ............................................................ 54

3.5

3.4.4.1

Economizador .................................................................................. 54

3.4.4.2

Precalentador de aire ........................................................................56

INSTRUMENTACION Y CONTROLES AUTOMATICOS ................... 56

3.5.1 Nivel de agua en la caldera .......................................................................57 3.5.1.1

Instrumentos para el Control del nivel ..............................................57

3.5.1.2

Control del Nivel ..............................................................................57

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3.5.2 Detector de llama en la caldera .................................................................58 3.5.3 Control del Tiro ....................................................................................... 58 3.5.4 Presión de la caldera.................................................................................59 3.5.5 Sensores de temperatura en la caldera....................................................... 60 3.5.6 Purga de la caldera ................................................................................... 61 3.5.7 Combustión en la caldera .........................................................................63 3.5.8 Sistema de seguridad y encendido (S.S.E.) ...............................................64 3.5.9 Dispositivos adicionales instalados en las calderas ................................... 65 CAPITULO IV ..........................................................................................................69 IV.

EVALUACION ENERGETICA DE UNA CALERA PIROTUBULAR

SEGÚN NORMA ASME PTC 4-2008 ......................................................................69 4.1

DESCRIPCION DE LA NORMA ASME PTC 4-2008 ............................. 69

4.1.1 Método Directo (Input-Output) ................................................................ 69 4.1.1.1

Variables de medicion ......................................................................70

4.1.1.2

Modelos matematicos (ASME PTC 4, 2008) ....................................70

4.1.1.3

Creditos de energía (ASME PTC 4, 2008) ........................................71

4.1.1.4

Ventajas y desventajas del Metodo Directo. ......................................75

4.1.2 Método Indirecto (Energy Balance) .......................................................... 76 4.1.2.1

Variables de medicion ......................................................................76

4.1.2.2

Modelos matematicos (ASME PTC 4, 2008) ....................................77

4.1.2.3

Perdidas de energia ...........................................................................77

4.1.2.4

Ventajas y desventajas del Método Indirecto ....................................86

CAPITULO V............................................................................................................87 V.

RESULTADOS ..................................................................................................87 5.1

ANÁLISIS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN A CALDERAS. ................................... 89

5.2

ANÁLISIS DE PURGAS DE CALDERAS............................................................. 92

5.3

ANÁLISIS DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN .................................................... 94

5.4

AISLAMIENTO DE LAS CALDERAS.................................................................97

5.5

EFICIENCIA ENERGÉTICA DE CALDERAS ...................................................... 98

CAPITULO VI ........................................................................................................ 106

vi

VI.

DISCUSIONES, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............. 106

6.1

DISCUSIONES ........................................................................................ 106

6.2

CONCLUSIONES.................................................................................... 107

6.2.1 Análisis de agua de alimentación a calderas. .......................................... 107 6.2.2 Análisis de purgas de calderas ................................................................ 108 6.2.3 Análisis de los gases de combustión ....................................................... 108 6.2.4 Aislamiento de las calderas .................................................................... 108 6.2.5 Eficiencia energética de calderas ............................................................ 109 6.3

RECOMENDACIONES .......................................................................... 110

6.3.1 Análisis de agua de alimentación a calderas. .......................................... 110 6.3.2 Análisis de purgas de calderas ................................................................ 110 6.3.3 Análisis de los gases de combustión ....................................................... 110 6.3.4 Aislamiento de las calderas .................................................................... 111 6.3.5 Eficiencia energética de calderas ............................................................ 111 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 113 VIII.

ANEXOS .................................................................................................. 114

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INDICE DE FIGURAS Figura 1: Capacidades de producción por plantas......................................................... 19 Figura 2: Organigrama de la Corporación Hayduk ....................................................... 20 Figura 3: Harina de Pescado de Anchoveta ..................................................................23 Figura 4: Aceite de pescado de anchoveta ....................................................................24 Figura 5: Sección 1: Gestión de la frescura de la materia prima ................................... 26 Figura 6: Cocinador de materia prima (anchoveta) ....................................................... 27 Figura 7: Esquema de una prensa.................................................................................27 Figura 8: Separador de solidos del caldo ......................................................................28 Figura 9: Centrifuga de aceite ...................................................................................... 28 Figura 10: Planta evaporada de agua de cola. ............................................................... 29 Figura 11: Sección 2: Separación de Aceite .................................................................29 Figura 12: Secador Rota disk ....................................................................................... 30 Figura 13: Secador rotatubo ......................................................................................... 31 Figura 14: Secador de aire caliente de harina. .............................................................. 31 Figura 15: Enfriador de aire harina. .............................................................................32 Figura 16: Sección 3: Relación Proteína – Humedad de Harina de Pescado .................33 Figura 17: Tratamiento de Efluentes (PAMA) ............................................................. 35 Figura 18: Esquema general caldera pirotubular .......................................................... 36 Figura 19: Caldera Acuotubular ................................................................................... 39 Figura 20: Caldera Pirotubular (John Thompson Ltd. England) ................................... 41 Figura 21: Circulación del agua en una Caldera Pirotubular .........................................41 Figura 22: Circulación de humos en el interior de una caldera pirotubular ................... 42 Figura 23: Eficiencia Combustible – Vapor .................................................................44 Figura 24: Indicador de nivel de agua ..........................................................................57

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Figura 25: Manómetro tipo Bourdon............................................................................59 Figura 26: Manómetro de sifón .................................................................................... 60 Figura 27: Termómetro bimetálico ..............................................................................60 Figura 28: Termómetro relleno de líquidos ..................................................................61 Figura 29: Circuito de purgas en calderas ....................................................................63 Figura 30: Válvula de seguridad .................................................................................. 68 Figura 31: Electrodo sumergido ................................................................................... 67 Figura 32: Eficiencias de calderas n°1, 2, 3, 4 y 5 (Método directo) ........................... 100 Figura 33: Créditos de energía por aire seco de calderas n°1, 2, 3, 4 y 5 .................... 100 Figura 34: Créditos de energía por aire humedad de calderas n°1, 2, 3, 4 y 5 ............. 101 Figura 35: Créditos de energía por calor sensible combustible ................................... 101 Figura 36: Perdidas de energía en gases secos de calderas n°1, 2, 3, 4 y 5 .................. 102 Figura 37: Perdidas energía por agua formada en combustión de H2 en combustible .. 102 Figura 38: Perdidas de energía por agua en el combustible ........................................ 103 Figura 39: Perdidas de energía por la humedad en el aire ........................................... 103 Figura 40: Perdidas de energía por monóxido de carbono en los gases de chimenea .. 104 Figura 41: Perdidas energía por convección y radiación de calderas n°1, 2, 3, 4 y 5 ... 104 Figura 42: Eficiencias de calderas n°1, 2, 3, 4 y 5 (Método indirecto) ........................ 105

INDICE DE CUADROS

Cuadro 1: Características fisicoquímicas para Harina de Pescado ............................... 23 Cuadro 2: Características fisicoquímicas para Aceite de Pescado ............................... 24 Cuadro 3: Normas y/o fuentes empleadas ................................................................... 87 Cuadro 4: Parámetros manejados y/o medidos en planta ............................................88

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Cuadro 5: Parámetros de calidad del agua para generadores de alta presión ................89 Cuadro 6: Límites de impurezas del agua en generadores, recomendados por American Boiler and Affiliated Industries. ................................................................................... 90 Cuadro 7: Parámetros de calidad del agua para generadores de hasta 17 bar (250 psi), recomendados por la casa Magnus EE.UU. ..................................................................90 Cuadro 8: Análisis de agua de alimentación a calderas N° 01, 02, 03, 04 y 05 ............91 Cuadro 9: Parámetros promediados en las calderas..................................................... 91 Cuadro 10: Datos de purgas en la caldera N° 01 ......................................................... 92 Cuadro 11: Datos de purgas en la caldera N° 02 ......................................................... 92 Cuadro 12: Datos de purgas en la caldera N° 03 ......................................................... 93 Cuadro 13: Datos de purgas en la caldera N° 04 ......................................................... 93 Cuadro 14: Datos de purgas en la caldera N° 05 ......................................................... 94 Cuadro 15: Parámetros de gases de combustión de la caldera N° 01 ........................... 94 Cuadro 16: Parámetros de gases de combustión de la caldera N° 02 ........................... 95 Cuadro 17: Parámetros de gases de combustión de la caldera N° 03 ........................... 95 Cuadro 18: Parámetros de gases de combustión de la caldera N° 04 ........................... 96 Cuadro 19: Parámetros de gases de combustión de la caldera N° 05 ........................... 96 Cuadro 20: Parámetros de temperatura en la zona radiante .........................................97 Cuadro 21: Parámetros de atomización, combustible – aire/vapor .............................. 98 Cuadro 22: Parámetros medidos del aire (Inspectorate Services Perú S.A.C). .............98 Cuadro 23: Composición del Petróleo Industrial N° 500 (Petroperú S.A.) .................. 99

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INDICE DE ANEXOS

ANEXO 1: Glosario de términos ANEXO 2: Muestra de cálculos según norma ASME PTC 4-2008 ANEXO 3: Relación de instrumentos y/o equipos ANEXO 4: Certificados de calibración ANEXO 5: Esquema energético del generador de vapor (ASME PTC 4, 2008) ANEXO 6: Límites de un generador de vapor de combustible líquido-gas (ASME PTC 4, 2008) ANEXO 7: Informe de ensayo, petróleo industrial n°500 (Petroperú S.A) ANEXO 8: Análisis de gases de chimenea de las calderas ANEXO 9: Informe de ensayo residuos de caldera (Quimtia S.A) ANEXO 10: Sala de calderas y foto monitoreo

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EVALUACIÓN TECNICA DE LOS GENERADORES DE VAPOR Y PLANTEAMIENTO DE MEJORAS PARA LA EFICIENCIA TERMICA EN LA PESQUERA HAYDUK S.A. VEGUETA, 2013

RESUMEN La presente tesis

con título “Evaluación Técnica de los Generadores de Vapor y

Planteamiento de Mejoras para la Eficiencia Térmica en la Pesquera Hayduk S.A. Vegueta, 2013” se engloba dentro de la titulación de Ingeniero Químico, que ha sido desarrollado dentro de las instalaciones de la empresa Pesquera Hayduk. Tiene como objetivo evaluar la eficiencia energética de las cinco calderas pirotubulares en la empresa Pesquera Hayduk, planta Végueta, según la norma ASME PTC 4-2008 para determinar y plantear mejoras para la eficiencia térmica. Con el fin de alcanzar lo propuesto se describieron lo dispuesto por la norma para determinar propiedades del combustible, agua, vapor y aire, así como las pérdidas individuales, créditos y flujo de combustible estimado para generar cierta salida de vapor. Posteriormente se verificó los datos obtenidos con los datos de diseño de las calderas y se obtuvo como resultado una desviación con respecto a la eficiencia, de 5.8%, 6.3%, 5.3%, 5.9% y 6.1% respectivamente para las calderas 1, 2, 3, 4 y 5. Finalmente se localizaron las mayores pérdidas de energía en las cinco calderas que son originadas principalmente por los gases secos, por el agua formada en la combustión de H2 en el combustible, por la humedad en el aire/vapor y por la temperatura del gas de, que podrían ser aprovechadas instalando economizadores y/o calentadores de aire en los gases de escape o chimenea. El complemento de las pérdidas totales se encontró en los fenómenos de radiación y convección, en la formación de monóxido de carbono (CO) y en el agua del combustible.

ABSTRACT This thesis titled " Evaluación Técnica de los Generadores de Vapor y Planteamiento de Mejoras para la Eficiencia Térmica en la Pesquera Hayduk S.A. Vegueta, 2013" is

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included within the Chemical Engineering degree, which has been developed within the premises of Pesquera Hayduk. Aimed to evaluate the energy efficiency of the five shell boilers in Pesquera Hayduk, plant Végueta according to ASME PTC 4-2008 standard to determine and propose improvements to the thermal efficiency. In order to reach the proposed provisions were described by the standard for determining properties of fuel, water, steam and air as well as the individual losses, credits and estimated fuel flow to generate some steam outlet. Afterwards data obtained from the design data of the boiler and it resulted a deviation with respect to efficiency, 5.8%, 6.3%, 5.3%, 5.9% and 6.1% respectively for boilers 1, 2, 3, 4 and 5. Finally, the greatest energy losses were located in five boilers, which are mainly caused by the dry gas, the water formed from the combustion of H 2 in the fuel, the moisture in air / steam, which could be exploited by installing economizers or air heaters in the exhaust or stack. The complement of the total losses were found in the phenomena of radiation and convection, in the formation of carbon monoxide (CO) and water (H2O) in liquid fuel.

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INTRODUCCION

Debido a la escasez de combustibles y su encarecimiento, existe una preocupación creciente en todos los países tanto desarrollados como en vías de desarrollo, sobre el uso racional de los combustibles y de la energía, esta preocupación llevo a que las organizaciones reconocidas internacionalmente como ASME (PTC 4, Ensayos de Performance), ISO (ISO 50001, Gestión energética) entre otros, por sus estándares de ingeniería, publicaran normas relacionadas con el tema. Es por ello que las calderas industriales adquieren una gran importancia ya que la mayor parte de la energía requerida por las industrias para diferentes operaciones unitarias que integran el proceso productivo se genera a partir de la quema de combustibles en las calderas. Lograr una eficiente operación y un adecuado rendimiento es clave para mantener los costos operativos bajos y reducir la contaminación ambiental. Una de las herramientas estandarizadas para lograr estos objetivos es el ensayo o test de performance. A través de este método se evalúa la operación de manera precisa y se fijan pautas para su mejora de la eficiencia térmica. En esta tesis, se evalúa los ensayos de performance de las cinco calderas pirotubulares fabricados por la empresa Johnston Boiler Company bajo el estándar ASME PTC 4-2008, con vistas a establecer posibilidades de mejoras para sus eficiencias térmicas.