Evaluación de sistemas de bombeo en una empresa de energía en Cuba

Resumen

Se desarrolló un método de Gestión Energética en la Empresa Comercializadora de Combustibles Las Tunas con el objetivo de identificar potencialidades para el mejoramiento de la eficiencia energética y económica, disminuyendo las emisiones al medio ambiente. Para lograr esto se realizó un diagnóstico energético empleando como herramienta fundamental el diagrama de Pareto en la identificación de los portadores, áreas y equipos que más inciden en el consumo de energía de la entidad hasta llegar a identificar los sistemas de bombeo de combustible como elementos con potencialidades para el ahorro de electricidad. El resultado obtenido permitió proponer soluciones para la elevación de la eficiencia en la operación de estos sistemas, basadas principalmente en la sustitución de algunas bombas que resultan ineficientes en la actualidad; evaluando varias alternativas desde el punto de vista técnico y económico, resultando factible en la actualidad la sustitución de dos de las bombas de manipulación de diesel, permitiendo reducir el consumo anual de electricidad en aproximadamente 23.7 MWh, lo cual además significa dejar de emitir a la atmósfera 25.6 toneladas de CO2 anualmente.

Introducción

A nivel mundial en la industria se trabaja por lograr mayor eficiencia en todos los procesos productivos; y Cuba, país subdesarrollado, dobla sus esfuerzos implementando diferentes herramientas tecnológicas que permiten al empresario tomar decisiones de invertir en Proyectos de Eficiencia Energética y de este modo lograr ahorros y beneficios económicos, reduciendo costos operativos en los equipos y procesos industriales.

La gestión energética es definida por algunos autores como el análisis, planificación y toma de decisiones con el fin de obtener el mayor rendimiento posible de la energía que se necesita; esto es, lograr un uso más racional de la energía, que permita reducir el consumo de la misma sin disminuir la calidad de los servicios y la producción. El objetivo fundamental de la Gestión Energética es la obtención de un rendimiento óptimo, minimizando costos sin afectar la calidad y/o cantidad de producción en cada uno de los procesos o servicios donde el uso de la energía es indispensable. También se plantea que puede ser concebida como un esfuerzo organizado y estructurado, para conseguir la máxima eficiencia en el suministro, conversión y utilización de la energía, es decir, lograr un uso más racional de la energía, que permita reducir el consumo sin perjuicio del confort, productividad, calidad de los servicios y de forma general, sin disminuir el nivel de vida; se considera uno de los mejores caminos para conseguir los objetivos de conservación de energía, tanto desde el punto de vista de la propia empresa como a nivel nacional.

Según algunos autores, Eficiencia Energética implica lograr los requisitos establecidos por el cliente con el menor gasto energético posible y la menor contaminación ambiental por este concepto. La gestión energética eficiente también contribuye a alcanzar una mayor responsabilidad ambiental, al permitir que los efectos negativos que pueden asociarse a la producción y uso de energía, disminuyan por unidad de producto o servicio resultante. En resumen, todas aquellas actividades a realizar para lograr un ahorro sustancial de energía y una mejora en la eficiencia energética de una fábrica se pueden considerar dentro de los sistemas de gestión energética.

En Cuba, el tema de la eficiencia energética adquiere importancia trascendental si se tiene en cuenta las condiciones del ámbito donde se desarrolla el país, donde inciden el insuficiente desarrollo de la industria petrolera, la escasez de financiamiento para acometer los proyectos energéticos y el ambiente de hostilidad a que se encuentra sometido el país desde el triunfo mismo de la Revolución en 1959.

El proyecto centra su actividad investigativa en los siguientes objetivos:

Objetivo general:

Realizar un método de Gestión Energética en la Empresa.

Objetivos específicos:

  1. Realizar un diagnóstico energético de la empresa.
  2. Identificar los portadores, áreas y equipos que más inciden en el consumo de energía de la entidad
  3. Identificar potencialidades para el mejoramiento de la eficiencia energética y económica.

Materiales y métodos

La auditoría o diagnóstico energético constituye una etapa básica, de máxima importancia dentro de todas las actividades incluidas en la organización, seguimiento y evaluación de un programa de ahorro y uso eficiente de la energía, el que a su vez constituye la pieza fundamental en un sistema de gestión energética. Los diagnósticos o auditorías energéticas permiten analizar la situación energética de los diferentes equipos de una instalación, para conocer como se compra, donde, como y con qué eficacia se utiliza; además permiten establecer los costos relativos de las diferentes formas de energía empleadas, el uso que se le da y los puntos de ineficiencia, la información que proporciona es esencial para establecer proyectos de conservación de la energía.

Para el diagnóstico energético se emplean distintas técnicas que evalúan el grado de eficiencia con que se produce, transforma y usa la energía. En una de las etapas del diagnóstico energético se analizan las condiciones de operación en áreas, equipos y sistemas para determinar su eficiencia energética; haciendo énfasis en la identificación de fuentes para el posible mejoramiento en el uso de la energía.

Dentro de los sistemas auxiliares de un proceso tecnológico, se dice que los motores eléctricos que activan equipos, tales como bombas, compresores, ventiladores, sopladores, consumen aproximadamente el 40 % de la energía eléctrica de dichas instalaciones industriales. Es por esta razón que el conocimiento, el control, y el mejoramiento de la eficiencia energética en este tipo de equipamiento son pasos claves para reducir el consumo de energía y las emisiones de gases efecto invernadero (Guía ARPEL No. 32, 2000).

La manipulación de los productos del petróleo se desarrolla en las instalaciones de Producción, Refinación y Distribución, y se complementa con el proceso de su Transportación. En el movimiento del petróleo y sus derivados desde los puntos de producción o manufactura, es decir desde los campos petroleros o refinerías hasta llegar a los consumidores pasa por varias etapas y en todo este proceso los sistemas de bombeo juegan un papel fundamental; y si no se logra un buen funcionamiento de los mismos, se pone en riesgo el desenvolvimiento de las actividades económicas de las demás ramas de la economía.

Parte experimental

Mediante una inspección visual, como parte del diagnóstico preliminar se definen los posibles ahorros de energía que se pueden obtener de forma inmediata, solo con la aplicación de medidas técnico-organizativas ó pequeñas inversiones. Aplicando algunas técnicas matemáticas y estadísticas se determinan gráficamente los portadores, las áreas, los equipos de mayor consumo. Posteriormente se profundiza en el funcionamiento técnico y energético de determinados equipos; evaluando el comportamiento de los mismos. Tomando como referencia este análisis se identifican las oportunidades de mejora y se plantean las alternativas de solución, evaluándolas desde el punto de vista técnico-económico, considerando además la posible reducción de las emisiones al medio ambiente; y finalmente se selecciona la variante más factible según el resultado de los valores obtenidos para cada indicador de evaluación.

Caracterización Energética de la empresa:

El primer paso de este trabajo lo constituyó la determinación de los portadores, las áreas y llegar hasta la identificación de los equipos que más inciden en el gasto energético de la empresa, para luego evaluar algunas propuestas que puedan llevar a la disminución del consumo de cada uno de estos equipos.

Partiendo de los datos del consumo anual de portadores energéticos fue posible determinar que el Diesel y la Electricidad son los más representativos al representar alrededor el 84 % del total de los consumos de la entidad, dentro del cual la electricidad representa cerca de un 20 % del consumo total.

A pesar de ser el diesel el que representa el mayor por ciento en cuanto al consumo total se decidió por parte de los autores, previa coordinación con la entidad, que en este trabajo se profundizara en el estudio del consumo de electricidad al considerar la existencia de reservas de ahorro de energía en este sentido.

Al estratificar el consumo de electricidad por áreas se obtuvo que el área que más incide en el consumo eléctrico es el Depósito de Combustibles con cerca de un 20 % del consumo total, razón por la cual se decidió profundizar en el estudio de sus equipos, buscando potenciales de ahorro a partir de modificaciones tecnológicas o cambio de estrategias de operación.

Graficando el consumo eléctrico de cada equipo del Depósito de Combustibles en un diagrama de Pareto es posible determinar cuáles son los que mayor incidencia tienen en el consumo de energía eléctrica en esta área. Como resultado se determinó que el consumo de los equipos que componen los sistemas de bombeo de combustible, representan el 89 % del consumo de energía eléctrica de esta área, los demás son medios que operan con menor frecuencia o consumen bajos niveles de energía.

Consumo de Electricidad por Equipos – Depósito Combustibles

Consumo de Electricidad por Equipos - Depósito Combustibles
Consumo de Electricidad por Equipos – Depósito Combustibles

Como se aprecia en la figura anterior, existen cuatro bombas donde se concentra cerca del 81 % del consumo de electricidad de esta área, que son las cuatro bombas encargadas de manipular el diesel, que es a la vez el combustible que más se opera en el depósito en estos momentos.

Teniendo en cuenta el análisis expuesto anteriormente, este trabajo se centrará en la evaluación del funcionamiento de estos siete equipos de bombeo, constituidos todos por bombas centrífugas horizontales, con gran cantidad de años de explotación, las cuales nunca se han evaluado desde el punto de vista energético, para determinar posibles potenciales de ahorro de electricidad y contribuir así a la disminución del consumo de portadores energéticos para el país y el mejoramiento del medio ambiente.

Las bombas que serán objeto de estudio en esta investigación son:

  1. Bomba No. 1 de Descarga de Diesel.
  2. Bomba No. 2 de Descarga de Diesel.
  3. Bomba de Descarga de Queroseno.
  4. Bomba de Carga y Descarga de Alcohol.
  5. Bomba No. 1 de Carga de Diesel.
  6. Bomba No. 2 de Carga de Diesel.
  7. Bomba de Carga de Queroseno.

Evaluación del funcionamiento de los equipos de bombeo:

Las bombas instaladas en la actualidad no cuentan con sus curvas características ni otros datos de chapa por lo que será aplicada la metodología descrita por Igor Karassik en su libro “Bombas Centrífugas. Operación, Selección y Mantenimiento” (1968) partiendo de las mediciones físicas de los impelentes.

Datos necesarios que se deben obtener de la bomba instalada:

D1: Diámetro del Ojo de Succión (cm).

D2: Diámetro Exterior del Impulsor (cm).

W2: Ancho de la Ranura de Descarga del Impelente (cm).

S2: Espesor del Álabe (cm).

Z2: Cantidad de Álabes (unidades).

n: Número de Revoluciones por Minuto del Motor Eléctrico (rpm).

Como en el trabajo se evaluaron varias bombas por este método, se empleó el software Table Curve Windows Versión 1.0 como herramienta para ajustar la correlación de los valores que aparecen en cada uno  de los gráficos que es necesario usar según la metodología, así facilitar el trabajo y los cálculos necesarios. Después de obtenidas las ecuaciones a que responden esas relaciones es posible entonces utilizar el Microsoft Excel como herramienta de cálculo. Se seleccionaron las ecuaciones polinomiales de hasta tercer orden por resultar menos complejas para los cálculos y que tuvieran coeficientes de correlación superiores al 99 %.

Fueron obtenidas un total de 92 ecuaciones producto del  ajuste de las diferentes correlaciones, distribuidas de la siguiente manera:

  • 23 en el ajuste de las figuras de la literatura utilizada,
  • 48 para la corrección de los parámetros nominales de las bombas para los fluidos de trabajo por la variación de la viscosidad,
  • y 21 para la obtención de las curvas características de cada una de las siete bombas evaluadas en el trabajo (carga, eficiencia y potencia).

Fueron obtenidos adicionalmente, los gráficos que permiten la corrección de los parámetros de operación de cada uno de los tres modelos de bombas existentes en la empresa, que pueden ser usados como referencia para cuando con alguna de ellas se manipulen líquidos de viscosidad diferente al agua.

La curva de cada uno  de los sistemas de bombeo evaluados fue obtenida a partir de las ecuaciones utilizadas en los cálculos hidráulicos convencionales (ecuaciones de Bernoulli, la Fórmula de Darcy-Weisbach y el Balance Completo de Energía Mecánica). Estas quedan definidas por la carga estática total y las pérdidas de presión en el sistema (carga dinámica).

Para obtener las curvas características de los sistemas asociados a cada una de las bombas, primeramente se realizó una inspección visual  de los mismos para tomar los datos necesarios para la realización de los cálculos correspondientes.

Datos a obtener del sistema de bombeo:

∆Z: Carga estática total, o sea diferencia de altura entre el nivel de producto en la Succión y la Descarga (m).

L: Longitud de cada tramo de tubería (m).

D: Diámetro Nominal de cada tramo de tubería (mm).

Accesorios: Cantidad y tipo de accesorios a lo largo de cada tramo de tubería (unidades).

Densidad (ρ): Densidad del producto que circula por el sistema (kg/m3).

Viscosidad (µ): Viscosidad Dinámica del producto que circula por el sistema (Pa*s).

Flujo (Q): Flujo de los productos a través de cada uno de los sistemas (l/min).

Para realizar los cálculos se utilizó una Hoja  de Cálculo en Microsoft Excel, en la cual se introdujo también el ajuste de las ecuaciones de los gráficos utilizados en el cálculo de sistemas de tuberías, como por ejemplo el usado en la corrección del coeficiente de fricción en régimen turbulento (fturb.) en función de la  rugosidad relativa (İ). Se elaboró  teniendo en cuenta hasta cuatro tramos de tuberías en la succión y la descarga, y todos los accesorios posibles en cada tramo. Los datos de las propiedades físicas de los productos manipulados se obtuvieron de  los análisis de laboratorio y la literatura existente. Los valores de las resistencias locales de cada uno de los accesorios provienen de la bibliografía especializada y en algunos casos de los aportados por la documentación de los fabricantes para los casos específicos de los filtros y los metrocontadores.

Como los niveles de producto en cada sistema son variables, se realizaron los cálculos para las condiciones extremas o sea, en caso de  la succión para los niveles mínimos en los tanques de almacenamientos o carros cisternas y la descarga para niveles máximos de operación en los tanques de almacenamiento, y en el cargadero el nivel es constante en el mismo punto. Bajo estas condiciones, si el sistema opera correctamente no habrá dificultades cuando las mismas cambien y solo bastará regular los flujos. Teniendo en cuenta estas consideraciones, se aplicó el procedimiento de cálculo anteriormente descrito para la evaluación de cada uno de los sistemas constituidos por  siete bombas de combustible y un total de 28 variantes o sistemas de tuberías. Las ecuaciones obtenidas para cada sistema responden al siguiente modelo que representa una parábola desplazada del origen:

H = ∆Z + A * Q²

Resultados obtenidos

Luego de realizar los cálculos pertinentes fue posible resumir el funcionamiento de los sistemas de bombeo evaluados que no operan eficientemente, permitiendo llegar a las conclusiones siguientes:

  1. Las dos bombas de descarga de diesel solo están entregando en la actualidad cerca del 60 % del flujo nominal.
  2. La bomba de descarga de queroseno bombea actualmente alrededor del 75 % del flujo nominal y cuando se reciben camiones cisternas el caudal disminuye aún más, debido a las pérdidas introducidas en la succión.
  3. El caudal entregado por la Bomba No. 1 de Carga de Diesel es insuficiente para el nivel de rapidez que requiere la carga de este producto.
  4. La Bomba No. 2 de Carga de Diesel y la de Carga de Queroseno están entregando alrededor del 70 % del flujo nominal.

Identificación de las oportunidades de mejora en cada una de las bombas evaluadas:

Para las soluciones recomendadas se tomó en cuenta la posibilidad de invertir en equipos nuevos siempre que sea posible, debido al deterioro desde el punto de vista técnico de cada una de estas bombas y la importancia de cada una de ellas para el proceso tecnológico que deben garantizar.

En el planteamiento de cada una de las alternativas propuestas se tuvo en cuenta las bombas de mayor importancia para la entidad y la operatividad de la empresa. Por esta razón fueron evaluadas distintas variantes que consideraron la sustitución de las bombas de diesel, que representa más del 80 % del total de producto manipulado.

La valoración se hizo considerando la comparación de la situación actual contra la situación cuando se sustituyan las bombas, evaluando los beneficios económicos obtenidos por medio de la disminución de los costos operacionales (reducción del tiempo de operación, de los gastos de mantenimiento y el mejoramiento de la eficiencia de los equipos de bombeo) y ambientales que se generarían con la sustitución propuesta.

Planteamiento, evaluación técnico-económica y análisis de la reducción de emisiones al medio ambiente de cada una de las alternativas propuestas:

La valoración de cada variante se realizó considerando la comparación de la situación actual contra la situación cuando se sustituyan las bombas, evaluando los beneficios económicos obtenidos por medio de la disminución de los costos operacionales (reducción del tiempo de operación, de los gastos de mantenimiento y el mejoramiento de la eficiencia de los equipos de bombeo) y ambientales que se generarían con la sustitución propuesta. El análisis económico incluye el cálculo del VAN, TIR y PRD, además de la disminución de la emisiones de CO2 debido al ahorro de energía eléctrica.

Las alternativas analizadas fueron las siguientes:

  1. Sustitución de las cuatro bombas que manipulan diesel.
  2. Sustitución de las dos bombas utilizadas para la descarga de diesel.
  3. Sustitución de la bomba No. 2 de descarga de diesel y la No. 1 usada para la carga.
  4. Sustitución de la bomba No. 2 de descarga de diesel.

A continuación se muestran los indicadores económicos de cada alternativa:

Alternativa Ahorro Anual (kWh/año) Ahorro Anual (%) PRS (Años) VAN (CUC) TIR (%) PRD (Años) Reducción Emisiones (t CO2/año)
I 23890,0 51,7 9.3 -7 274.29 8.8 25.8
II 18240,0 39,5 6.3 3 374.36 14.8 13 19.7
III 23720,0 51,3 5.0 9 364.85 19.5 8 25.6
IV 18240,0 39,5 3.3 11 901.21 30.1 4.5 19.7

Como se observa, desde el punto de vista económico la opción IV es la más recomendable, pues el Período de Recuperación Simple es el más bajo, es con la que se obtiene un VAN más elevado, tiene la mejor Tasa Interna de Retorno y se recupera la inversión en el menor tiempo. Sin embargo, técnicamente se recomienda evaluar la propuesta III teniendo en cuenta el estado técnico de las bombas de diesel instaladas actualmente, dado que requieren un seguimiento constante para garantizar la fiabilidad de la distribución en la provincia y con la aplicación de esta alternativa se garantizaría al menos un equipo nuevo para cada operación (carga y descarga); sin descartar la posibilidad de restaurar, cuando las condiciones lo permitan, las cuatro bombas para la manipulación de diesel, debido a la importancia que representan las mismas para la distribución de este producto a los clientes.

Teniendo en cuenta que los parámetros utilizados para realizar los cálculos económicos pueden cambiar en un futuro, en la figura siguiente es posible observar el análisis de sensibilidad de la sustitución de las cuatro bombas de diesel a la variación de estos factores.

Análisis de Sensibilidad de diferentes parámetros para la sustitución de las bombas de Diesel

Análisis de Sensibilidad de diferentes parámetros para la sustitución de las bombas de Diesel
Análisis de Sensibilidad de diferentes parámetros para la sustitución de las bombas de Diesel

Se observa que para ciertos valores de incremento de diesel manipulado, de aumentos de precio en el combustible, de disminución del costo de la bomba y de disminución de la tasa de descuento en menor medida, se puede acometer la sustitución de estas cuatro bombas desde el punto de vista económico, con el beneficio adicional de la reducción de las emisiones de CO2 al medio ambiente y contribuir a la disminución del daño producido por los gases de efecto invernadero.

Conclusiones

  1. El consumo eléctrico del área estudiada está determinado principalmente por siete equipos de bombeo, que consumen alrededor del 87.7 % de la electricidad, y a su vez las cuatro bombas que manipulan diesel representan el 80.8 % del consumo de la instalación.
  2. En los sistemas de bombeo evaluados existen seis equipos que no operan eficientemente.
  3. La sustitución de las cuatro bombas de mayor importancia para la empresa no es factible económicamente bajo las condiciones actuales y los parámetros utilizados para la evaluación.
  4. De las alternativas analizadas, la más factible desde el punto de vista técnico y económico es la sustitución de la Bomba No. 2 de Descarga de Diesel y la No. 1 de Carga de Diesel, que garantizan además la existencia de un equipo de bombeo nuevo para cada operación.

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Divo Durruthy Martha. (2014, febrero 19). Evaluación de sistemas de bombeo en una empresa de energía en Cuba. Recuperado de http://www.gestiopolis.com/evaluacion-de-sistemas-de-bombeo-en-una-empresa-de-energia-en-cuba/
Divo Durruthy, Martha. "Evaluación de sistemas de bombeo en una empresa de energía en Cuba". GestioPolis. 19 febrero 2014. Web. <http://www.gestiopolis.com/evaluacion-de-sistemas-de-bombeo-en-una-empresa-de-energia-en-cuba/>.
Divo Durruthy, Martha. "Evaluación de sistemas de bombeo en una empresa de energía en Cuba". GestioPolis. febrero 19, 2014. Consultado el 9 de Diciembre de 2016. http://www.gestiopolis.com/evaluacion-de-sistemas-de-bombeo-en-una-empresa-de-energia-en-cuba/.
Divo Durruthy, Martha. Evaluación de sistemas de bombeo en una empresa de energía en Cuba [en línea]. <http://www.gestiopolis.com/evaluacion-de-sistemas-de-bombeo-en-una-empresa-de-energia-en-cuba/> [Citado el 9 de Diciembre de 2016].
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