EL MUNDO DE LAS BOMBAS A EXAMEN (03/2009 vs 1.2)
EL MUNDO DE LAS BOMBAS A EXAMEN 1.- Antecedentes A lo largo de su ciclo de vida útil el rendimiento de cualquier equipo de bombeo se deteriora debido principalmente a desgastes mecánicos y fenómenos de oxidación, incrustaciones e incluso cavitaciones. Según el “SAVE report” elaborado por la Comisión Europea los rendimientos suelen disminuir entre un 10 y un 15 por ciento en comparación con sus valores originales. Se han dado casos en donde el rendimiento ha perdido hasta un 20 por ciento en los dos primeros años de operación. En la siguiente gráfica se ilustra la evolución típica del rendimiento en un equipo de bombeo:
Deterioro del rendimiento en bombas
Rendimiento original
10 – 15 %
η (rendimiento)
10 años
T (años)
Como puede observarse la disminución principal de rendimiento ocurre en los primeros cinco años de operación. En el mencionado SAVE report se determina que los consumos eléctricos de los equipos de bombeo suponen un 14 por ciento de la demanda anual de electricidad en la Unión Europea. En la siguiente tabla hemos evaluado tanto este consumo eléctrico así como el potencial de ahorro económico por mejoras en el rendimiento en bombas:
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Año 2008 Demanda energética (GWhr) 14% Consumo por bombas (GWhr) Mejora en el rendimiento un 10% (GWhr) Potencial de ahorro económico (*) (euros) Producción eólica (GWhr) % ahorro en bombas en producción eólica
CANARIAS ESPAÑA 9.392 279.868 1.315 39.182 131 3.918 10.519.040 313.452.160 399 31.508 33% 12%
(*) tarifa estimada en 0,08 euros / kWhr
Nótese que tan solo en Canarias estos ahorros supondrían un 33% de la producción eólica del pasado 2008. En este artículo describiremos las causas principales que originan la pérdida de rendimiento en bombas y expondremos la tecnología del método termodinámico para su supervisión. 2.- Causas que afectan el deterioro de una bomba y las pérdidas en rendimiento En esta sección se describen brevemente las causas que provocan el deterioro de una bomba y las pérdidas de rendimiento, a saber:
Selección errónea de la bomba: la bomba no fue elegida para su punto óptimo de rendimiento (POR), ni con los materiales adecuados al fluido que maneja. Para el ajuste del punto de funcionamiento en un gran número de casos es necesario una válvula de regulación en la impulsión de la bomba con la consecuente pérdida energética.
Deficiencias en el montaje de la bomba: que afectan principalmente al alineamiento del eje.
Colector de aspiración mal dimensionado: No se deben crear vértices en el flujo en la tubería de aspiración de la bomba. Diámetros de tubería inadecuadas pueden provocar el fenómeno de cavitación.
Purga de aire deficiente: Tan solo un 2% de aire en el fluido que se bombea puede afectar dramáticamente la operación de una bomba.
Funcionamiento en seco: Puede producir sobrecalentamientos y roturas.
Funcionamiento alejado del Punto Óptimo de Rendimiento (POR): En el POR el fluido se presuriza lo más eficientemente posible. Cuando el punto de trabajo se aleja del POR, se producen fenómenos de recirculación interna en la bomba que causan desequilibrios en los empujes que soporta. Este fenómeno
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EL MUNDO DE LAS BOMBAS A EXAMEN (03/2009 vs 1.2) incrementa la velocidad con que se deterioran los sellos mecánicos, aros de desgaste y rodamientos provocados a su vez por desalineamientos del eje.
Grasa de rodamientos contaminada: Ocasiona un desgaste más rápido de los rodamientos.
Aceite de lubricación de rodamientos contaminada: Para este tipo de rodamientos es imprescindible respetar los plazos de substitución establecidos. Algunos ensayos han demostrado que apenas 20 ppm de agua en el aceite pueden reducir la vida media de los rodamientos de 24.000 a 2.200 horas.
De una manera gráfica y según la guía para selección de bombas de la Asociación Europea de Fabricantes de Bombas se ilustra en la siguiente figura una curva característica en donde se representan los puntos de trabajo alejados del Punto Óptimo de Rendimiento (POR) y los efectos perjudiciales que ocasionan:
Efectos perjudiciales por desviaciones del Punto Óptimo de Rendimiento (P.O.R.) 1
H (altura)
2
3
4
5
6
1.- Calentamiento excesivo 2.- Cavitación por bajo caudal 3.- Vida reducida de sellos mecánicos y rodamientos 4.- Vida reducida de impulsor 5.- Recirculación en la aspiración 6.- Recirculación en la impulsión 7.- Cavitación por falta de NPSHA
P.O.R. 7
Q (caudal)
3.- Necesidad del mercado. Cómo INEXA se interesó por este servicio INEXA ha realizado desde principio de 2007 numerosos estudios y auditorías energéticas en compañías de tratamiento, distribución y gestión del agua especializándose en (por favor véase AUDITORIAS ENERGETICAS REFERENCIAS INEXA.pdf): • • •
Auditorías energéticas en plantas desaladoras por Osmosis Inversa Auditorías energéticas en EDAR Auditorías energéticas en Estaciones de Bombeo.
Estos estudios han sido apoyados por la línea de subvenciones provista por la Consejería de Industria, Comercio y Nuevas Tecnologías del Gobierno de Canarias en diversas convocatorias desde finales del año 2006. En la realización de estos estudios se ha detectado, que si bien existe una clara conciencia y necesidad de ahorro energético en estas compañías, en numerosas ocasiones no INEXA, Ingeniería y Exportación de Tecnología S.L., Tel. +34 928 45 70 81,
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EL MUNDO DE LAS BOMBAS A EXAMEN (03/2009 vs 1.2) existe una gestión adecuada de la información generada por los procesos. En concreto se aprecian en la mayoría de los casos deficiencias en: • • •
Instrumentación necesaria para la supervisión energética Calibración de la instrumentación Sistemas SCADA insuficientes o centralización de datos inapropiada
Debido al enorme potencial de ahorro energético detectado en algunas instalaciones, especialmente en los equipos de bombeo de alta presión de las plantas desaladoras, INEXA se interesó por aquellas tecnologías existentes en el mercado para determinar el rendimiento en estos equipos. Es fácil entender que el rendimiento de una bomba está directamente relacionado con su consumo energético, si la precisión de este primer parámetro no es la máxima posible no será posible determinar las correctas acciones para su mantenimiento en aras de mejorar su rendimiento energético. Hoy en día el mercado debe demandar aquellos sistemas de medición y gestión de datos que proporcionen la mayor fiabilidad en los resultados obtenidos. INEXA ha buscado la mayor precisión posible en los cálculos de rentabilidad económica que aseguren las inversiones propuestas.
4.- Método termodinámico de medición de rendimiento El método termodinámico para la medición de rendimiento en bombas y turbinas fue desarrollado entre la década de los 60 y 70 por los siguientes organismos:
National Engineering Laboratory, UK Electricité de France Chamber of Mines, South Africa Su estándar se ha especificado en las siguientes normativas internacionales, a saber:
ISO 5198:1999 (para bombas) IEC60041 (para turbinas, centrales hidroeléctricas)
El método termodinámico es muy usado en países como el Reino Unido donde se estima que alrededor de un 95 por ciento de los nuevos equipos de bombeo son ensayados in situ de esta manera para una correcta evaluación del rendimiento. Ventajas del método termodinámico A diferencia del método que denominaremos “convencional”, que necesita la medición de tres parámetros (altura, caudal y potencia absorbida), en el método termodinámico únicamente es necesario la medición de dos parámetros en la aspiración y descarga de la bomba para calcular el rendimiento, a saber:
Presión Temperatura
No es objeto de este documento describir exhaustivamente este método ni desarrollarlo matemáticamente. A modo general se añade que el aumento de la temperatura que experimenta el fluido (entre la aspiración y descarga) está directamente relacionado con el rendimiento hidráulico de la bomba. De manera que, a mayor diferencia de temperatura, existen mayores pérdidas e indica que la conversión de la energía mecánica en el eje en energía de presión al fluido es menos eficiente. INEXA, Ingeniería y Exportación de Tecnología S.L., Tel. +34 928 45 70 81,
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EL MUNDO DE LAS BOMBAS A EXAMEN (03/2009 vs 1.2) En el método convencional la medida del caudal es el parámetro más problemático. En muchas ocasiones no existe un caudalímetro por equipo de bombeo (solo uno en el colector general) especialmente en diámetros grandes de tuberías (>400 mm). En otros casos los equipos existentes no han sido nunca calibrados desde su puesta en marcha y no es factible su calibración. Además en algunas instalaciones no es posible la medida in situ por equipos portátiles debido a problemas de ensuciamiento u oxidación en las paredes interiores de los colectores o simplemente falta de espacio en los mismos. INEXA puede corroborar que en la práctica se le puede atribuir una precisión a cada uno de los parámetros del método convencional del 95%. Esto equivaldría aproximadamente a un 9 % de error en el cálculo del rendimiento. Esto quiere decir que si el cálculo de un rendimiento resulta en 87 % (con los datos de altura, caudal y potencia absorbida) puede ser en realidad tan bajo como un 78 %. Podemos imaginar las desviaciones tan importantes que estos errores provocarían en los cálculos económicos, de forma particular en aquellos equipos con potencias importantes. INEXA recomienda ajustar al máximo la precisión de la medición y cálculo del rendimiento para equipos con potencias superiores o iguales a los 50 kW. Con el método termodinámico según el estándar ISO 5198:1999 y la tecnología empleada por INEXA se consigue una precisión en el cálculo del rendimiento inferior al 1,5 %. Las sondas de temperatura y presión empleadas tiene una precisión en el rango de +/- 0,001 ºC y +/- 0,001 bar respectivamente y el periodo de calibración de éstas se garantiza en cinco años. 5.- La medición de rendimientos y sus beneficios para el mantenimiento preventivo
El método termodinámico de medición del rendimiento es una herramienta valiosísima para llevar a cabo un mantenimiento preventivo eficaz en nuestros equipos de bombeo. De esta manera se controla o previene el deterioro redundando en una disminución de los costes de ciclo de vida útil de las bombas. Esta metodología nos reporta los siguientes beneficios en el mantenimiento preventivo:
Ensayo del rendimiento en los equipos nuevos (comparación con valores de fábrica). Cuantificar de una manera precisa los ahorros económicos por futuros incrementos en el rendimiento. Planificar las labores de mantenimiento preventivo, paradas y optimización de sus costes. Evaluar la calidad de las reparaciones efectuadas para mejora del rendimiento. Control y supervisión de la/s empresa/s subcontrata/s para la realización de los mantenimientos y/o reparaciones. Mejora en la contratación de los servicios de mantenimiento.
El método termodinámico bajo el estándar ISO 5198:1999 se recomienda asimismo en el ya mencionado “SAVE report” de la Comisión Europea:
“In situ measurement of pump efficiency is costly, but where it is economic it is often done using the thermodynamic method of pump efficiency determination. This method is already used in the UK and elsewhere by pump users with large energy bills, in particular water companies. For best accuracy, this technique does need to be done by trained personnel, and so it is usually done by consultants rather than company personnel”. Por ultimo presentamos de una manera gráfica la evolución “en diente de sierra” del rendimiento de una bomba con una adecuada supervisión del rendimiento y planificación de los trabajos de mantenimiento preventivo. INEXA, Ingeniería y Exportación de Tecnología S.L., Tel. +34 928 45 70 81,
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Deterioro del rendimiento en bombas
Rendimiento original
10 – 15 % Mantenimiento preventivo
Sin mantenimiento
η (rendimiento)
10 años
T (años)
6.- Caso de estudio En este último apartado se muestran los resultados de una test realizado en el bombeo de envío ciudad de la EDAM de Las Palmas III. En este ensayo se comparó el rendimiento de dos equipos de bombeo : • •
Bomba D : instalada hace menos de 8 meses Bomba B : instalada hace 20 años aunque reformada hace unos 7 años aproximadamente
En ambas bombas se instalaron sendas sondas de medida de presión y temperatura tanto en la aspiración como en la descarga de las bombas tal y como se muestras en estas fotos (para más detalles véase video TEST P22 INEXA EMALSA.wmv) :
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EL MUNDO DE LAS BOMBAS A EXAMEN (03/2009 vs 1.2) En la siguiente gráfica se representan las curvas obtenidas de rendimiento así como la curva del fabricante en el caso de la bomba nueva.
A continuación se evalúa económicamente el potencial de ahorro económico para la bomba B de menor rendimiento: Potencial de ahorro energético en la bomba B : 0,83/0,76 = 1,09 (esto es un 9%) Se evalúa asimismo el consumo energético actual a partir del caudal en el punto de trabajo y su consumo específico que también son medidos en el test : • •
Q: C.E. :
680 m3 / hr 0,57 kWhr / m3
Consumo energético = 0,57 x 680 x 24 x 365 = 3.390.000 kWhr / año Finalmente se evalúa el potencia de ahorro económico como sigue : Potencial de ahorro económico = 0,09 x 3.390.000 x 0,08 (*) = 24.400 euros / año (*) tarifa eléctrica media
Referencias: 1.- SAVE “Study on improving the energy efficiency of pumps” European Commission, February 2001. 2.- “Guide to the selection of rotodynamic pumps” European Association of Pump Manufacturers. 3.- Bombas, selección, uso y mantenimiento, Kenneth J. McNaughton, McGraw-Hill, 1987 ISBN 968-422036-7 (“The Chemical Engineering guide to pumps” McGraw-Hill, 1984). 4.- BS EN ISO 5198:1999 “Centrifugal, mixed flow and axial pumps. Code for hydraulic performance tests. Precision class”. 5.- ISO 9906:1999 “Rotodynamic pumps -- Hydraulic performance acceptance tests -- Grades 1 and 2”. 6.- “El sistema eléctrico español” Avance del informe 2008 Red eléctrica de España
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