La mejora del quemador en la planta Simplot beneficia el rendimiento y la energía

Para reducir el consumo y los costos de energía, J.R. Simplot Company completó un proyecto hace varios años que aumentó la eficiencia del sistema de vapor en su planta de procesamiento de papa en Caldwell, Idaho. El proyecto se basó en una evaluación, realizada con la herramienta Steam System Assessment Tool (SSAT), por Bill Moir, un especialista calificado de Steam Engineering Inc. El SSAT fue desarrollado para BestPractices del Programa de Tecnologías Industriales del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Las mejoras a la planta de Caldwell están ahorrando 52,000 MMBtu y 526,000 kilovatios-hora al año. Los ahorros en costos de energía y mantenimiento totalizan $ 329,000 por año. Dado que los costos totales del proyecto fueron de $ 373,000, la recuperación simple es de menos de 14 meses. Se replicaron medidas de eficiencia similares en otras instalaciones de Simplot, luego de análisis realizados con SSAT. Esas mejoras de eficiencia energética están generando ahorros de gas natural de 176,000 MMBtu por año.

Antecedentes de la empresa / planta
The J.R. Simplot Company es una importante corporación agroalimentaria con sede en Boise, Idaho, con ventas anuales de alrededor de $ 3 mil millones. La empresa tiene más de 12.000 empleados en Estados Unidos, Canadá, China, México y Australia. La actividad comercial de Simplot incluye la producción de alimentos, fertilizantes, césped y productos hortícolas; alimentación de ganado; y otras empresas agroindustriales. La empresa tiene un programa continuo de eficiencia energética que se centra en la formación de los empleados. David Hawk, director de energía y recursos naturales, y Alan Christie, gerente de ingeniería del Grupo de Alimentos en Simplot, han trabajado en estrecha colaboración con el DOE, el Programa de Energía de la Universidad Estatal de Washington y la División de Energía del Departamento de Recursos Hídricos de Idaho para crear conciencia sobre la productividad y beneficios económicos de una mayor eficiencia energética en los sistemas industriales.

La instalación de Caldwell es una de las más grandes de la empresa; produce aproximadamente 270 millones de libras de papas fritas congeladas por año. El sitio está equipado con tres calderas tubulares de agua alimentadas con gas natural. Dos están clasificados para 70.000 libras por hora (lb / hr) y el tercero está clasificado para 60.000. Se genera vapor saturado a 275 libras por pulgada cuadrada (psig). El vapor es importante para los procesos de producción de la planta porque apoya directamente las tareas de pelado, escaldado y fritura de patatas.

Descripción general del proyecto
En 2000, Simplot encargó a Steam Engineering Inc. que analizara los sistemas de vapor en sus instalaciones de producción como parte de su programa corporativo de eficiencia energética. En la evaluación inicial en el sitio de Caldwell, los analistas encontraron que la carga de vapor promedio de la planta era de 90,000 lb / hr, y los niveles de aire de combustión en exceso promediaban el 50 por ciento. Además, el contenido de oxígeno de los gases de combustión llegaba al 7,5 por ciento. Las tres calderas funcionaron a carga parcial para satisfacer la demanda máxima de vapor de la planta de 140 000 lb / h. Los niveles de demanda pico y promedio fluctuaron constantemente porque el recipiente de pelado de papas tuvo que llenarse rápidamente para evaporar la humedad en las papas. La reutilización del condensado fue mínima; solo el condensado de alta presión de los intercambiadores de calor de aceite caliente se devolvió a las calderas.

La conclusión inicial fue que la eficiencia del sistema de vapor podría mejorarse drásticamente instalando nuevos quemadores equipados con controles de posicionamiento en paralelo y agregando un sistema de compensación de oxígeno de los gases de combustión para reducir la cantidad de aire excedente necesario para una combustión de calidad.

En 2002, cuando se lanzó el software SSAT, Moir lo utilizó para evaluar el sistema de vapor de la planta de Caldwell. El modelo SSAT indicó ahorros potenciales de gas natural de más de 25,000 MMBtu anualmente si las calderas en la instalación de Caldwell pudieran operar consistentemente a un nivel de oxígeno de los gases de combustión del 3 por ciento. Esto podría lograrse mejorando los quemadores y controles envejecidos e instalando sistemas de compensación de oxígeno de los gases de combustión en las calderas, como se indicó en el análisis anterior. Además, el modelo SSAT mostró que las actualizaciones al sistema de condensado permitirían recuperar más condensado, que las calderas podrían operar a niveles de aire de combustión en exceso del 10 por ciento y que solo dos calderas podrían cumplir con la carga de vapor de la planta.

Implementación del proyecto
La gerencia de Simplot decidió implementar primero las recomendaciones de Steam Engineering, basadas en el análisis SSAT, en las instalaciones de Caldwell. Si el proyecto Caldwell tuvo éxito, se tomarían medidas similares en otros sitios de Simplot después de las evaluaciones basadas en SSAT.

Para minimizar el tiempo de inactividad de la producción, los nuevos quemadores y controles se instalaron en dos calderas durante las interrupciones programadas de la planta. Después de que se quitaron los quemadores existentes, se montaron nuevas placas frontales en el frente de cada caldera antes de que se pudieran instalar los nuevos quemadores. Luego, se instalaron en cada caldera nuevos ventiladores de aire de combustión, conductos de recirculación de gases de combustión, analizadores de oxígeno de gases de combustión y sistemas de control de calderas con sistemas de compensación de oxígeno. Una vez que se completaron todas las mejoras, el personal de la planta pudo cumplir con la carga de vapor de la planta utilizando menos vapor y gas natural sin disminuir la producción.

Resultados del proyecto
El proyecto de la planta de Caldwell ha aumentado significativamente la eficiencia del sistema de vapor de la planta. Debido a que los nuevos quemadores son más eficientes y recirculan mejor los gases de combustión, las calderas ahora funcionan a un nivel promedio de oxígeno de los gases de combustión del 3 por ciento o menos. La carga máxima de vapor de la planta es ahora de 110 000 lb / h, y dos calderas pueden satisfacer esa carga, con niveles de aire de combustión en exceso de solo el 10 por ciento. El proyecto simplificó el proceso de retorno de condensado al llevar el condensado directamente al desaireador y permitir que la presión del desaireador flote. Esto ha permitido que la planta logre una tasa de recuperación de condensado del 50 por ciento y desconecte las cinco bombas de condensado de la planta.

El proyecto de la planta de Caldwell ha reducido el consumo anual de gas natural en 52,000 MMBtu (7.5 por ciento del consumo anual anterior), para un ahorro de costos de $ 279,000 por año. El ahorro anual de electricidad asciende a 526.000 kWh, lo que supone un ahorro de otros 20.000 dólares al año, porque las bombas de condensado y el ventilador de tiro de la caldera de la tercera caldera están fuera de línea. Estos cambios también están ahorrando $ 30,000 en costos de mantenimiento anuales. Los ahorros anuales totales del proyecto son de $ 329,000. Debido a que los costos totales del proyecto fueron de $ 373,000, la recuperación simple es de menos de 14 meses. Además, la producción ahora es más confiable; no se han reportado cortes de calderas desde que se completó el proyecto.

Desde la finalización del proyecto, la administración de Simplot ha ordenado el uso del SSAT para evaluar los sistemas de vapor en todas sus instalaciones de producción. Hasta la fecha, las medidas de eficiencia basadas en el modelo SSAT se han replicado en otras ocho instalaciones de Simplot, lo que ha dado como resultado un ahorro anual de gas natural de 176.000 MMBtu. Además, la participación de Simplot con la Iniciativa de Eficiencia en el Procesamiento de Alimentos del Oeste de EE. UU. (Parte de la Colaboración de Avance de Tecnologías del Estado) ha permitido que la experiencia desarrollada en estos esfuerzos se aproveche con otros esfuerzos exitosos de eficiencia energética en beneficio de otras empresas de procesamiento de alimentos en el oeste. Estados Unidos.

Figura 1. Conjunto de aire de admisión

Lecciones aprendidas
El uso de una metodología y una herramienta uniformes para evaluar y optimizar los sistemas de vapor industriales puede generar estrategias valiosas para mejorar el rendimiento de estos sistemas y ahorrar energía. En la planta Caldwell de J.R. Simplot, un análisis basado en SSAT validó los ahorros de energía potenciales resultantes de una estrategia convencional para optimizar la eficiencia del sistema de vapor. El análisis SSAT también identificó beneficios adicionales de esa estrategia.

Tras el éxito del proyecto, Simplot vio el SSAT como un tipo de herramienta eficaz y de "denominador común" para evaluar oportunidades para mejorar todos los sistemas de vapor de la empresa. Por lo tanto, la gerencia estableció una política corporativa para institucionalizar el uso del SSAT en todas las instalaciones de Simplot que utilizan vapor. Hasta la fecha, el SSAT se ha utilizado en otras ocho instalaciones de Simplot y los análisis resultantes se actualizan anualmente. Herramientas y metodologías uniformes como ésta se pueden adoptar fácilmente en cualquier instalación industrial que utilice vapor.

Figura 2. Quemador y carcasa del quemador

Definición de la eficiencia de combustión
La eficiencia de la combustión es una medida de la eficacia con la que el contenido de calor de un combustible se transfiere al calor utilizable. La temperatura de la chimenea y los niveles de oxígeno de los gases de combustión son indicadores primarios de la eficiencia de la combustión. Operar una caldera con una cantidad óptima de exceso de aire minimiza la pérdida de calor en la chimenea y mejora la eficiencia de la combustión. En la práctica, las condiciones de combustión rara vez son ideales; Se debe suministrar aire adicional o "en exceso" para quemar el combustible por completo.

La cantidad correcta de aire en exceso se determina analizando los niveles de oxígeno de los gases de combustión. Un exceso de aire inadecuado da como resultado combustible no quemado, mientras que un exceso de aire produce una pérdida de calor, lo que indica una menor eficiencia de combustible a vapor de la caldera. Las calderas de gas natural que funcionan de manera eficiente deben tener un nivel de aire en exceso del 10 por ciento. Cuando la composición del combustible o los flujos de vapor son muy variables, se debe considerar un sistema de ajuste de oxígeno en línea. Un sistema de ajuste de oxígeno proporciona información a los controles del quemador para minimizar automáticamente el exceso de combustión

Herramienta de evaluación del sistema Steam de las mejores prácticas de ITP de DOE
BestPractices tiene un conjunto de herramientas para evaluar e identificar oportunidades de ahorro de energía en sistemas de vapor. La principal herramienta relacionada con Steam es Steam System Assessment Tool (SSAT). El SSAT es un paquete de software que permite a los usuarios modelar varios escenarios de mejora y estimar con precisión los ahorros potenciales de energía y costos de las mejoras individualizadas del sistema de vapor. Esta y otras herramientas de software relacionadas con Steam se pueden obtener a través del sitio web de EERE (www.oit.doe.gov/bestpractices/software_tools.shtml), o se pueden solicitar al Centro de información de EERE llamando al 877-337-3463.

Para obtener más información sobre el Programa de Tecnologías Industriales del Departamento de Energía de EE. UU., Visite http://www1.eere.energy.gov.