UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS” UNIVERSIDAD DON BOSCO “DESARROLLO DE MODELO DE MANTENIMIENTO CENTRADO EN LA EFICIENCIA ENERGETICA (EECM)” TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PREPARADO PARA EL DECANATO DE POSTGRADO UCA Y CENTRO DE ESTUDIO DE POSTGRADO UDB PARA OPTAR AL GRADO DE MAESTRO EN GERENCIA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL POR HERNÁNDEZ GRANDE, ERICK ABILIO LUNA RODRIGUEZ, RENÉ EDGARDO ABRIL 2017 ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A. RECTORES ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J. JOSÉ HUMBERTO FLORES MUÑOZ SECRETARIAS GENERALES SILVIA ELINOR AZUCENA DE FERNÁNDEZ YESENIA XIOMARA MARTÍNEZ OVIEDO DECANA DE POSTGRADO UCA NELLY ARELY CHÉVEZ REYNOSA VICERRECTOR DE POSTGRADO HERBERT BELLOSO DIRECTORES DE LA MAESTRÍA EN GERENCIA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL LAURA ORELLANA NELSON QUINTANILLA DIRECTOR DEL TRABAJO ISMAEL ANTONIO SÁNCHEZ FIGUEROA INDICE RESUMEN .......................................................................................................................... i ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... iii ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................... v SIGLAS ............................................................................................................................ vii ABREVIATURAS ............................................................................................................. viii 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1 1.1 Descripción del trabajo ......................................................................................... 2 1.2 Hipótesis .............................................................................................................. 3 1.3 Objetivo General .................................................................................................. 4 1.4 Metodología de investigación a aplicar y temario a desarrollar ............................. 4 2. MARCO TEÓRICO...................................................................................................... 7 2.1 Normas de eficiencia energética .......................................................................... 8 2.2 Herramientas de análisis e indicadores de eficiencia energética ........................ 11 2.3 Metodología de mantenimiento .......................................................................... 14 2.1 Puntos claves para mantener y mejorar la eficiencia energética ........................ 18 2.2 Tipos y modelos de mantenimiento .................................................................... 19 2.3 Plan de mantenimiento....................................................................................... 20 3. METODOLOGÍA UTILIZADA PARALA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO PROPUESTO ................................................................................................................... 23 3.1 Diagnóstico de situación actual .......................................................................... 23 3.2 Análisis de deficiencias detectadas y definición del proceso de solución ........... 24 3.2.1 Análisis estadístico y matemático. ............................................................... 24 4. ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................... 33 4.1 Modelo de mantenimiento basado en eficiencia para una caldera .......................... 33 4.1.1 Mantenimiento de la caldera a analizar ....................................................... 35 4.1.2 Línea base del sistema ............................................................................... 36 4.1.3 Modelo de predicción de pérdida de eficiencia ............................................ 38 4.1.4 Frecuencia de mantenimiento ..................................................................... 40 4.1.5 Monitoreo de condición ............................................................................... 41 4.1.6 Indicadores ................................................................................................. 41 4.2 Modelo de mantenimiento basado en eficiencia para un sistema de refrigeración tipo “chiller” ................................................................................................................... 42 4.2.1 Mantenimiento del “chiller” a analizar .......................................................... 44 4.2.2 Línea base del sistema ............................................................................... 45 4.2.3 Modelo de predicción de pérdida de eficiencia ............................................ 50 4.2.4 Frecuencia de mantenimiento ..................................................................... 51 4.2.5 Indicadores ................................................................................................. 53 4.3 Modelo de mantenimiento basado eficiencia para un compresor. ...................... 54 4.3.1 Mantenimiento del compresor a analizar ..................................................... 56 4.3.2 Línea base del sistema ............................................................................... 57 4.3.3 Modelo de predicción de pérdida de eficiencia ............................................ 58 4.3.4 Frecuencia de mantenimiento ..................................................................... 61 4.3.5 Monitoreo de condición ............................................................................... 62 4.3.6 Indicadores recomendados para el modelo ................................................. 63 4.4 Modelo de mantenimiento para tanques de calentamiento. ................................ 64 4.4.1 Modo de falla .............................................................................................. 66 4.4.2 Análisis de supervivencia ............................................................................ 66 4.4.3 Análisis de costo ......................................................................................... 68 4.4.4 Tipo de mantenimiento recomendado ......................................................... 69 4.5 Resumen de resultados ..................................................................................... 70 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 73 REFERENCIAS ................................................................................................................ 75 i RESUMEN El trabajo de graduación consiste en el desarrollo de un modelo de mantenimiento centrado en la eficiencia energética que complemente otros sistemas como el Mantenimiento Centrado en Fiabilidad, conocido por RCM (Reliability Centred Maintenance) o el Mantenimiento Productivo Total, conocido por las siglas TPM (Total Productive Maintenance) en busca de disminuir el costo energético y mejorar la competitividad de la empresa. Se seleccionaron 4 sistemas, clave para la operación de la planta que se estudió, los cuales se detallan en sus respectivos capítulos donde se realizaron las mediciones de los parámetros críticos de trabajo con equipos especializados de monitoreo en línea que ayudó a la obtención de los datos a analizar. Se estructuró un modelo matemático donde se consideran para cada caso específico las variables que afectan la eficiencia del equipo y la manera en que disminuye dicha eficiencia con el paso del tiempo y variación de esos parámetros. Para este modelo se consideraron los siguientes factores: 1. El retorno de inversión de un suministro/cambio oportuno de repuestos claves, este factor es importante, debido a que es el que demuestra, si aumentar frecuencias de mantenimiento es económicamente sostenible. Y se consideró con una fórmula de valor acumulado. 2. Identificar o desarrollar indicadores que permitan conocer el estado del equipo y observar las tendencias del mismo. Este factor es importante, debido a que en la mayoría de ocasiones se busca establecer un único indicador, que sirva para poder programar mantenimientos, sin tener que llevar contabilizadas las horas de operación del equipo. Además puede aplicarse a gestión del mantenimiento basado en condición. 3. La velocidad de pérdida de eficiencia, este factor es la base de la predicción del retorno de inversión, debido a que puede aumentar o disminuir las frecuencias de mantenimiento. ii 4. Los costos base de la operación del equipo y el mantenimiento. Junto con la pérdida de eficiencia, estos valores, pueden manipular el retorno de inversión y son los que reflejan en el modelo la situación económica. Por ejemplo los costos de combustibles o costo de energía eléctrica. Para cada sistema, también se presenta un análisis, en el cual se logra observar el costo por falta de mantenimiento o mantenimiento innecesario, esto con el fin de determinar la frecuencia óptima del mantenimiento en cuanto a los costos. Finalmente se presentan recomendaciones y herramientas que ayudan a implementar este modelo y comparaciones con respecto a los modelos RCM y TPM, bajo los cuales se les evalúan las ventajas de aplicación, en relación a cómo se reducen los costos, cómo mejoran la productividad y cómo se cierra el círculo de la mejora continua, para cada modelo. iii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Ciclo de mejora continua. ................................................................................. 8 Figura 2.2. Comparación de estructura tradicional vs. Estructura enfocada en la gestión energética ........................................................................................................................ 12 Figura 2.3 Diagrama de proceso de análisis de modos de falla y efecto .......................... 14 Figura 2.4 Ejemplo de diagrama de decisión RCM ........................................................... 16 Figura 3.1 Triángulo de costo acumulado de mantenimiento ............................................ 30 Figura 3.2 Triángulo de costo de mantenimiento con descripciones ................................. 31 Figura 4.1 Grafica de consumo de diésel diario ................................................................ 34 Figura 4.2 Presión de línea en psi .................................................................................... 34 Figura 4.3 Temperatura de chimenea de caldera ............................................................. 34 Figura 4.4 Gráfica de eficiencias de Oxigeno vrs Temperatura de chimenea ................... 37 Figura 4.5 Valores de eficiencia diaria de caldera ............................................................ 38 Figura 4.6 Curva de regresión lineal para la pérdida de eficiencia en el tiempo ............... 39 Figura 4.7 Comparación de frecuencias de mantenimiento .............................................. 40 Figura 4.8 Gráfica de consumo de energía diaria ............................................................. 43 Figura 4.9 Gráfica de promedio de toneladas de refrigeración diaria ................................ 43 Figura 4.10 Gráfica de temperatura ambiente promedio diaria ......................................... 43 Figura 4.11 Datos de desempeño según temperatura ...................................................... 46 Figura 4.12 Gráfica de eficiencia de chiller. ...................................................................... 49 Figura 4.13 Curva de regresión ajustada .......................................................................... 50 Figura 4.14 Comparación de frecuencias de mantenimiento ............................................ 52 Figura 4.15 Gráfica de consumo eléctrico del compresor. ................................................ 55 Figura 4.16 Gráfica del flujo volumétrico entregado por el compresor .............................. 55 Figura 4.17 Gráfica de la presión diferencial de filtro separador. ...................................... 55 file:///C:/Users/usuario/Desktop/Maestría/TRABAJO%20DE%20GRADUACIÓN/Tesis%20Modelo%20de%20mantenimiento%20basado%20en%20eficiencia%20V06%20EH.docx%23_Toc460778225 iv Figura 4.18 Gráfica de rendimiento del compresor ........................................................... 58 Figura 4.19 Gráfica de pérdida de eficiencia del compresor representada en el rendimiento. ......................................................................................................................................... 58 Figura 4.20 Curva de regresión ajustada .......................................................................... 59 Figura 4.21 Gráfica de comparación de frecuencia de mantenimiento ............................. 60 Figura 4.22 Comportamiento del diferencial de presión después del mantenimiento ........ 62 Figura 4.23 Ciclo de trabajo de las resistencias del tanque .............................................. 64 Figura 4.24 Controles de temperatura de tanques ............................................................ 65 Figura 4.25 Relé de estado sólido .................................................................................... 65 Figura 4.26 Diagrama de funcionamiento del sistema de calentamiento .......................... 65 Figura 4.27 Gráfica de regresión ajustada para ciclos TOF .............................................. 67 Figura 4.28 Curva de probabilidad de supervivencia ........................................................ 68 Figura 4.29 Diagrama de conexión para modificación de monitoreo................................. 69 v ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Normas de gestión de eficiencia energética. ..................................................... 9 Tabla 2.2 Ejemplo de hoja de decisión ............................................................................. 18 Tabla 4.1 Especificaciones de caldera ............................................................................. 33 Tabla 4.2 Datos medidos de la caldera ............................................................................ 33 Tabla 4.3 Costo de mantenimiento del lado de fuego ....................................................... 35 Tabla 4.4 Medición de eficiencia ...................................................................................... 36 Tabla 4.5 Tabla de eficiencias basadas en temperatura de chimenea ............................. 36 Tabla 4.6 Indicadores de control y monitoreo de caldera.................................................. 41 Tabla 4.7 Datos del chiller ................................................................................................ 42 Tabla 4.8 Datos medidos del chiller .................................................................................. 42 Tabla 4.9 Costo de mantenimiento de chiller .................................................................... 44 Tabla 4.10 Datos antes y después de mantenimiento del chiller ...................................... 45 Tabla 4.11 Muestras de temperatura ambiente y temperatura de salida del agua. ........... 45 Tabla 4.12 Interpolación para COP 30°C ......................................................................... 47 Tabla 4.13 Interpolación para COP 35°C ......................................................................... 47 Tabla 4.14 Interpolación entre COP a 30°C y COP a 35°C .............................................. 48 Tabla 4.15 Datos para interpolación de COP real ............................................................ 49 Tabla 4.16 Resumen de costo de energía tomado de pliego tarifario ............................... 51 Tabla 4.17 Indicadores de control de chiller ..................................................................... 53 Tabla 4.18 Datos del compresor ....................................................................................... 54 Tabla 4.19 Mediciones realizadas al compresor ............................................................... 54 Tabla 4.20 Detalle del mantenimiento del compresor ....................................................... 56 Tabla 4.21 Datos antes y después de mantenimiento de compresor ................................ 57 Tabla 4.22 Datos para el cálculo de frecuencia óptima de mantenimiento ....................... 61 vi Tabla 4.23 Valores de las variables resultantes del análisis estadístico ........................... 62 Tabla 4.24 Indicadores de control para compresor ........................................................... 63 Tabla 4.25 Datos de los tanques de calentamiento .......................................................... 64 Tabla 4.26 Análisis de modo de falla y efecto ................................................................... 66 Tabla 4.27 Valores de variables de distribución de Weibull .............................................. 67 Tabla 4.28 Tabla de simulación de revisiones para análisis de costo ............................... 68 Tabla 4.29 Ejemplo de análisis de costo por simulación de revisiones ............................. 69 Tabla 4.30 Resultados de simulación y análisis de costo ................................................. 69 Tabla 4.31 Detalle de inversión de sistema propuesto...................................................... 69 Tabla 4.32 Tabla comparativa entre modelos de mantenimiento comunes y el modelo centrado en eficiencia ...................................................................................................... 71 vii SIGLAS ASHRAE, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (Sociedad americana de ingenieros en calentamiento, refrigeración y aire acondicionado) ASME, American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos) CFM, Cubic feet per minute (Pies cúbicos por minuto) Cm, Costo de mantenimiento. COP, Coefficient of performance FMEA, Failure Modes and Effects Analysis (Análisis de modo de falla y efecto) gph, galones por hora kW, Kilo watt kWh, Kilo watt hora MGI, McKinsey Global Institute (Instituto global McKinsey) NEMA, National Electrical Manufacturers Association (Asociación nacional de manufacturadores eléctricos) DP, Diferencial de presión psi, Pounds per square inch. (Libras por pulgada cuadrada) psig, Pounds per square inch gauge. (Libras por pulgada cuadrada manométricas) RCA, Root cause analysis (Análisis de causa raíz) RCM, Reliability Centred Maintenance (Mantenimiento centrado en confiabilidad) TPM, Total Productive Maintenance (Mantenimiento productivo total) TR, Toneladas de Refrigeración. USD, United States dollar (Dolar de Estados Unidos) USE, Uso Significativo de Energía. viii ABREVIATURAS C, Grados Celsius e, Eficiencia E, Energía F, Grados Fahrenheit K, Constante kg, Kilogramo P, Potencia r, Rendimiento T, Temperatura 1 1. INTRODUCCIÓN Durante años, las empresas de manufactura, no sólo en El Salvador, sino en el mundo, al realizar mantenimientos a sus equipos; típicamente el grupo de mantenimiento y producción desmontan los equipos para su reparación sin medir el impacto de la eficiencia energética en cada mantenimiento. La razón por la cual hacen esto, está basada en el hecho de que no pueden diagnosticar cuál de los activos necesita mejorar su eficiencia energética para optimizar los procesos de producción. Es aquí donde una estrategia de gestión funciona. El incremento en eficiencia energética, representa para la industria un aumento significativo en su margen de utilidad, lo que le mejora su flujo de caja; y le posibilita, capitalizar para invertir en otros aspectos de las operaciones y mantenimiento de sus activos. Una mayor eficiencia energética se traduce inmediatamente en incremento en la capacidad de producción para cumplir con los incrementos en la demanda, mayor confiabilidad y reducción en el coste de mantenimiento, reducción de tiempo extra por imprevistos, reducción en costes de control ambiental y disposición de desperdicios, mayor productividad y los ingresos consecuentes. El reto de la industria salvadoreña a mediano plazo es la implementación de una estrategia de mantenimiento centrada en la eficiencia energética que proporcione confiabilidad operacional para ir evolucionando junto con las necesidades de la gestión de activos y las tendencias del mercado de pequeñas y grandes compañías. Con esto las empresas percibirán cada vez más la necesidad de obtener el mayor retorno posible de la inversión empleando tecnología para lograr el máximo rendimiento con el mínimo coste de producción y con sostenibilidad (seguridad medioambiental y del personal). 2 1.1 Descripción del trabajo La idea central del trabajo de graduación, está orientada a innovar la forma en que se planifican los mantenimientos, tomando como base indicadores que relacionen la eficiencia energética y de recursos, versus los costos del mantenimiento. Esto con el objetivo de optimizar el rendimiento económico de la empresa. Lo novedoso que ofrece el modelo es que no solamente se propone prevenir fallas o controlarlas con estudios de confiabilidad, sino también considera contrarrestar las pérdidas de eficiencia como objetivos del mantenimiento. Como medida de efectividad del modelo, se han realizado mediciones de 4 sistemas muy utilizados en la industria, estos son:  Sistema de aire comprimido.  Sistema de generación de vapor.  Sistema de calentamiento de tanques.  Sistema de refrigeración basado tanto en expansión directa como en agua fría conocido comúnmente como “chiller”. Para ello se parte de mediciones en la empresa AVX Industries LTD y manuales de fabricantes de equipos. Con los cuales se obtuvieron frecuencias de mantenimiento recomendadas por fabricantes, que aseguran el buen funcionamiento del equipo; y cómo influyen en la eficiencia de los equipos. Finalmente se determinó basándose en el modelo de mantenimiento propuesto, si estos son eficaces y eficientes en mantener los equipos. Seguidamente, se estableció las buenas prácticas de mantenimiento que optimizan la eficiencia de los equipos, con el objetivo de incorporarse en el modelo y con ello generar indicadores y herramientas propias del modelo para estos 4 sistemas que se utilizaron de ejemplo. Además de lo anterior, se crearon herramientas que facilitan el seguimiento del sistema para cerrar el ciclo de mejora continua, con evaluaciones frecuentes y realizando actividades que permiten realizar los mantenimientos de forma óptima. 3 Finalmente, se obtuvo un modelo completo, que al ser implementado generaría una reducción tanto en el consumo energético como el de materias primas debido al mantenimiento e incremento de la eficiencia. 1.2 Hipótesis Actualmente muchos enfoques de mantenimiento son aplicados para devolver los equipos a sus condiciones funcionales, sin embargo esto no asegura que lo hagan de una forma energéticamente eficiente. Muchas industrias en el país y a nivel mundial, utilizan el mantenimiento para prevenir el daño de los activos, pero no siempre evalúan su eficiencia energética y el uso de la materia prima como principal indicador de planificación. Es un hecho que el costo completo de los equipos es la suma de los siguientes factores:  Costo de adquisición.  Costo de mantenimiento preventivo y correctivo.  Costo de operación. Si se analiza el porcentaje en el que cada uno influye a lo largo del ciclo de vida del activo, es normal que los costos de operación en la mayoría de ocasiones supera con creces la suma de adquisición y mantenimiento. Esto significa que mantenerlos eficientes se traduce en ahorros a lo largo del ciclo. Es por lo anterior, que al crear un modelo que asegure alcanzar puntos de eficiencia económicamente viables después de los mantenimientos donde se reemplacen repuestos críticos, nos ayudará en el mejor desempeño de los equipos, reduciendo pérdidas de tiempo, materiales, energía, entre otros. Enfoques de mantenimiento tales como RCM (Reliability Centred Maintenance, Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad por sus siglas en inglés) utilizan indicadores claves como el tiempo promedio antes de falla o tiempo promedio o de reparación para estimar tiempos operativos, se propone en este caso un modelo que optimice el uso de recursos como combustibles, materias primas y energía eléctrica. 4 En la investigación inicial que se llevó a cabo, se determinó que actualmente no existe un modelo que cumpla con tener indicadores claves como la eficiencia de la máquina y el retorno de inversión de un mantenimiento como herramienta de planificación. Por consiguiente, este nuevo enfoque que no se ha abordado en el estado de la técnica actual, posee potencial para mejorar el rendimiento económico en la industria. Lo que se pretende solucionar y responder con esta propuesta, son los siguientes problemas:  Es posible crear un modelo de mantenimiento que combine los beneficios de mantener equipos con alta eficiencia y prevenir fallas, siendo este económicamente viable.  ¿Qué herramientas son efectivas para analizar mantenimientos oportunos que tengan un buen retorno de inversión?  ¿Cuáles indicadores serán necesarios para evaluar el buen desempeño de la implementación del modelo? 1.3 Objetivo General  Desarrollar un modelo de mantenimiento centrado en índices de eficiencia que optimice los recursos del proceso con especial énfasis en los energéticos, utilizando como herramientas, análisis de retorno de inversión para mejorar el rendimiento económico. 1.4 Metodología de investigación a aplicar y temario a desarrollar Para desarrollar el modelo de mantenimiento basado en eficiencia, se hizo una investigación previa del estado de la técnica, para verificar los últimos avances en las herramientas de estudio de eficiencia de equipos y métodos de predicción. Seguidamente, se investigaron los modelos actuales de mantenimiento y sus tendencias, para establecer las claras diferencias del modelo propuesto. 5 Se desarrollaron nuevas herramientas y se adaptaron herramientas para crear matrices de decisión y, de esta manera ayudar al modelo a crear un conjunto de pasos que lleven a la implementación. El documento tiene los siguientes resultados de la investigación y desarrollo: 1. Marco teórico, que es un resumen de toda la investigación. 2. Investigación sobre el estado actual de la técnica y la propuesta del modelo. 3. Modelo de mantenimiento centrado en eficiencia, que contendrá los pasos para la aplicación y mejora continua. 4. Herramientas para la implementación del modelo. 5. Indicadores para el modelo de mantenimiento centrado en eficiencia. 6. Comparativa del modelo contra otros modelos de mantenimiento. Además de lo anterior, se incluye portada, objetivos, conclusiones, recomendaciones y bibliografía. 6 7 2. MARCO TEÓRICO Los costes de la energía continúan incrementándose en todo el mundo, por lo que bajo estas condiciones es muy importante mejorar la eficiencia de su uso a través de estrategias de confiabilidad integral de activos. La eficiencia energética con que operan los equipos, se puede definir como las acciones que se planifican para lograr que estos alcancen su mayor rendimiento con el menor consumo de energía, asegurando el abastecimiento y fomentando un comportamiento sostenible en su uso y por tanto la protección del medio ambiente. Lo más interesante de las iniciativas de eficiencia energética es que, además de existir un gran potencial de impactos positivos en el medio ambiente, muchas son rentables, ya que el ahorro que se deriva del menor consumo de energía es superior a los costos de las inversiones. La Comisión Europea, por ejemplo, presenta en su Libro Verde sobre eficiencia energética, que se puede ahorrar un 20% del consumo energético de toda la Unión Europea de forma rentable. Sólo por constituirse como una acción vital para la lucha contra el cambio climático de forma rentable merecería la pena dedicar el máximo esfuerzo a mejorar la eficiencia energética de nuestra sociedad, pero es que, además, el ser más eficiente se constituye como una fuente de generación de riqueza y empleo. El McKinsey Global Institute (MGI), en su informe "Capturing European Energy Productivity Opportunity" de septiembre de 2008, identifica siete áreas con importantes oportunidades de negocio asociadas a la mejora de la eficiencia energética: elementos constructivos, aparatos eléctricos, transporte, gestión de demanda, soluciones energéticas particularizadas por tipo de cliente, servicios energéticos y financiación de inversiones. Junto a estas oportunidades de negocio, también la eficiencia energética se presenta como un elemento de competitividad para las empresas existentes, y más en un contexto de crecientes precios energéticos. En nuestro caso nos referiremos a la gestión integral del mantenimiento de activos. 8 2.1 Normas de eficiencia energética El desarrollo del mantenimiento enfocado en la eficiencia energética es una nueva filosofía que ha surgido producto del aumento del precio de la energía en la industria y la necesidad de reducir la contaminación ambiental por la vía de su menor consumo. Sin embargo, en la actualidad no existe una metodología y mucho menos un manual que permita al personal técnico de las diversas empresas aprovechar esta nueva práctica. La mayor dificultad que se tiene es que se requieren conocimientos acerca de las áreas de mantenimiento, eficiencia energética y gestión, que adecuadamente combinados y desarrollados producen la nueva filosofía de gestión del mantenimiento enfocado en la eficiencia energética. En el año 2008 la ISO conformó un Project Committee (PC) con el único fin de desarrollar una norma de sistemas de gestión sobre Gestión Energética, la ISO 50001. Esta Norma Internacional es aplicable a organizaciones de todo tipo y tamaño, independientemente de sus condiciones geográficas, culturales o sociales. La implementación exitosa depende del compromiso de todos los niveles y funciones de la organización y, especialmente, de la alta dirección. Esta Norma Internacional se basa en el ciclo de mejora continua Planificar – Hacer – Verificar – Actuar (PHVA) e incorpora la gestión de la energía a las prácticas habituales de la organización tal como se muestra en la figura 2.1. Figura 2.1. Ciclo de mejora continua. 9 En la tabla 2.1 se presenta un cuadro resumen de normas vigentes de eficiencia energética y aplicaciones de las mismas. NORMA SE APLICA A ISO 50001 Industrias y busca mejorar la gestión energética incorporándole en las políticas de las empresas. Energy Star Equipos y busca asegurar un estándar de eficiencia en equipos según el consumo. ASHRAE 90.1 Edificios comerciales y edificios residenciales, aporta claves en la construcción y diseño de edificios. ASHRAE 100 Eficiencia energética en edificios ya construidos, busca mejorar la eficiencia en edificaciones. ASHRAE Procedimientos para auditorías energéticas en edificios comerciales Da las pautas y procedimientos para auditorías energéticas de nivel 1, 2 y 3. Tabla 2.1. Normas de gestión de eficiencia energética. Además de estas, existen otras normas como las NEMA, en equipos eléctricos que contempla el etiquetado de equipos de alta eficiencia y regulan las clases de los equipos basados en eficiencia, como los motores Premium que actualmente son los motores con mayor eficiencia en el mercado común. Como se puede observar en la Tabla 2.1, existen varias normas que buscan aplicar la eficiencia energética a diferentes niveles. 10 La ISO 50001, es la que engloba a mayor nivel la gestión de eficiencia energética, sin embargo por el hecho de ser norma deja muy abierta su aplicación. Es por ello que esta se puede complementar con muchas otras normas y herramientas que dependen de las empresas e industrias adoptarlas. Por lo anterior, se puede ver que ninguna de ellas está explícitamente orientada al mantenimiento, a pesar que el mantenimiento es uno de los grandes contribuyentes en el buen funcionamiento de los equipos y la eficiencia energética. Un concepto importante en esta norma internacional es el Uso Significativo de la Energía (USE), que se refiere al uso de la energía que ocasiona un consumo substancial de energía y/o que ofrece un potencial considerable para la mejora del desempeño energético, el cual es determinado según el criterio de significación por la organización. Los parámetros de control de mantenimiento que impactan el desempeño energético de los equipos o procesos que son Usuarios Significativos de Energía (USE), no han sido tratados a profundidad en las organizaciones nacionales, ya que el mantenimiento hasta hoy está dirigido principalmente a mantener la disponibilidad y confiabilidad de los equipos y no la eficiencia. Esto provoca que un equipo puede pasar de un consumo estándar de energía a un alto consumo de energía, por problemas de deterioro del estado técnico como, desajustes mecánicos, desbalanceo, desajuste del sistema de control operacional, ensuciamiento de filtros o superficies de transferencia de calor etc. y mientras que esto no afecte la producción o disponibilidad del equipo, el mismo no se interviene. Lo anterior es provocado por dos limitaciones de la gestión de mantenimiento. La primera, que no se mide la eficiencia energética del equipo o proceso en operación y por tanto no se conocen sus cambios y las causas de estos en tiempo real. La segunda, que no existen criterios y/o actividades de mantenimiento para mantener el desempeño energético del equipo o proceso en los niveles adecuados o estándares. 11 2.2 Herramientas de análisis e indicadores de eficiencia energética Un punto importante para los sistemas de eficiencia energética, es la implementación de herramientas que faciliten la priorización, predicción e interpretación de datos para toma de decisiones. Muchos ejemplos pueden encontrarse en el documento “A Tool to Prioritize Energy Efficiency Investments” de los laboratorios de energía renovable de Estados Unidos. Otras herramientas como:  Pareto, para la priorización de esfuerzos.  Histogramas, para ver frecuencias de datos de consumos de equipos o sistemas.  Curva monótona, para determinar la cantidad de tiempo en que permanece un equipo operando en diferentes puntos.  Cartas de control, para determinación y monitoreo de parámetros normales de operación.  Análisis de consumos con equipos de log de energía. Entre otras herramientas estadísticas, pero lo más importante en los estudios de eficiencia energética, son los cálculos de ingeniería, los cuales buscan mejorar y reutilizar energía de desperdicio o llevar a puntos de mayor eficiencia los sistemas. Ahora bien, una estrategia centrada en la eficiencia energética requiere revisar los escenarios, conocer nuestras debilidades y fortalezas, observar nuestras oportunidades y amenazas, tener metas claras, alcanzables y posibles y contar con las herramientas de Confiabilidad (RCM, RCA, Six Sigma, TPM, Lean Manufacturing, etc.) adecuadas. Plantearnos objetivos que nos conduzcan a alcanzar las metas, requiere del conocimiento de todos los involucrados, pero más allá del conocimiento de saber exactamente qué queremos y donde queremos estar. En la actualidad uno de los grandes retos que están afrontando las organizaciones, independientemente del tamaño, es la reducción en el coste del mantenimiento mediante la aplicación de técnicas y herramientas de gestión. 12 Las industrias están en una encrucijada, los empleados están bajo presión para aumentar la rentabilidad de las inversiones y a la vez mejorar la productividad de las organizaciones. Muchas empresas están revisando sus organizaciones y procesos, lo que muchas veces implica acabar con estructuras tradicionales en busca de mayor productividad y definitivamente la reducción de los costes por mantenimiento, mirando el presente -futuro o el pasado, en la figura 2.2 se presenta un esquema de ambos tipos de gestiones. Figura 2.2. Comparación de estructura tradicional vs. Estructura enfocada en la gestión energética La mejor forma de control del rendimiento energético en sistemas o equipos, es con el uso de Indicadores. Pero, para que estos en realidad se puedan utilizar, estos se deben estandarizar, basado en lo que se quiere medir y cómo se va a medir. Además debe determinarse la frecuencia, de lo contrario los resultados en la mejora y monitoreo del sistema no serán buenos. 13 Para diferentes sistemas se utilizan indicadores específicos, a continuación se colocan algunos ejemplos por sistemas:  Sistemas de vapor: o Vapor generado/ Consumo de combustible. o Vapor generado/ Volumen de producción. o Eficiencia de combustión. o Porcentaje de recuperación de condensado.  Aire comprimido: o Energía eléctrica consumida/ volumen de aire comprimido generado. o Volumen de aire generado/ volumen de producción. o Porcentaje de pérdida de aire. o Eficiencia de compresor.  Rendimiento eléctrico: o Energía consumida/ volumen de producción. o Factor de potencia. o Eficiencia de transformadores y equipos electromecánicos.  Sistemas térmicos y de refrigeración: o Volumen de agua consumida en Sistema de Refrigeración / Energía Entregada al Sistema. o Energía eléctrica consumida en Sistema de Refrigeración / Volumen de producción. o Energía Entregada al Sistema / Energía eléctrica consumida en sistema de refrigeración. o Eficiencia de compresores. 14 2.3 Metodología de mantenimiento Existen algunas metodologías para la gestión del mantenimiento como por ejemplo la metodología propuesta por el Mantenimiento Centrado en Fiabilidad, conocido por RCM (Reliability Centred Maintenance) la cual parte de un análisis tipo FMEA (Failure Modes and Effects Analysis), desarrollado en un formato denominado “Hoja de Información RCM” como se muestra en la figura 2.3, y donde se describe para cada equipo la siguiente información:  Función.  Falla Funcional.  Modo de Falla.  Efecto de la Falla. Figura 2.3 Diagrama de proceso de análisis de modos de falla y efecto Las fallas funcionales se definen como la incapacidad de un sistema para satisfacer un estándar de funcionamiento deseado, 15 Los modos de falla son los eventos que pueden causar una pérdida de función o una falla funcional. Los modos de falla deben ser determinados bajo los siguientes factores:  Deben ser razonablemente probables de ocurrir.  Deben incluirse los modos de falla que han ocurrido previamente, los que son prevenidos con el plan de mantenimiento actual y los que no han ocurrido pero son razonablemente probables de ocurrir.  Se debe incluir los modos de falla relacionados con el desgaste, defectos de diseño y errores humanos durante la operación y mantenimiento. Los efectos de las fallas, indican lo que pasaría si ocurriera cada modo de falla. Se debe considerar los siguientes factores cuando se describen los efectos de las fallas:  Se debe describir el efecto de un modo de falla como si ninguna tarea específica se estuviera haciendo para anticiparse o prevenir la falla.  Se debe incluir la evidencia de que el modo de falla se haya presentado.  Se debe describir como podría el modo de falla poner en riesgo la seguridad de las personas y la integridad del medio ambiente.  Se debe describir como podría el modo de falla tener un efecto adverso sobre la operación.  Se debe indicar los pasos para restaurar la función del sistema luego que se dé la falla funcional. A partir de la Hoja de Información, se utiliza el “Diagrama de Decisión RCM” (Moubray, 1997) que se muestra en la figura 2.4, a través de una secuencia lógica de análisis, se obtiene el listado de las tareas de mantenimiento a desarrollar. Para la Falla de la Función establecida en la Hoja de Información, se recorre el Diagrama de Decisión, desde la parte superior izquierda hacia la parte derecha y hacia abajo respondiendo a las preguntas planteadas en dicho diagrama. 16 Figura 2.4 Ejemplo de diagrama de decisión RCM 1. Para la primera pregunta si ¿es evidente a los operarios?, lo que se busca son consecuencias de fallas ocultas. Este tipo de consecuencias no tienen un impacto directo, pero exponen a la organización a fallas múltiples con consecuencias serias y catastróficas. La mayoría se encuentra asociada a sistemas de protección. 2. Las consecuencias ambientales y para la seguridad. Este tipo de consecuencias son producidas por modos de falla que posiblemente causen daño o muerte a alguna persona. Así mismo, este tipo de consecuencia se relaciona con modos de falla que infringen alguna normativa o reglamento ambiental. 3. Consecuencias operacionales. Este tipo de consecuencias tienen una afectación con la producción, calidad del producto, atención al cliente o costos operacionales. 4. Costos no operacionales. Involucra a todos los modos de falla que en caso de que suceda, solo se relaciona con el costo de reparación de la misma. 17 Luego se procede a determinar la estrategia de mantenimiento con la definición de las siguientes preguntas del diagrama de decisión (figura 2.4). 1. Tarea a condición. Este tipo de tarea se define en el monitoreo de condiciones físicas identificables que indican que una falla está por ocurrir o están en proceso de ocurrir. 2. Tarea de reacondicionamiento cíclico. Este tipo de tarea consiste en fabricar un componente o reparar un conjunto antes de un límite de tiempo específico sin importar su condición en ese momento. 3. Tarea de sustitución cíclica. Este tipo de tarea implica sustituir un componente antes de un límite de tiempo específico, más allá de su condición en ese momento. 4. Tarea de búsqueda de fallas. Este tipo de tarea implica la revisión periódica de funciones ocultas para determinar si han fallado. 5. Rediseño. Este tipo de tarea implica hacer cambios de una sola vez a las capacidades iniciales de un sistema. Esto incluye cambios en la instalación y de procedimientos. 6. Ningún mantenimiento programado. Este tipo de tarea implica dejar que ocurra el modo de falla para luego realizar un mantenimiento correctivo. Como resultado de este análisis que se hace utilizando la figura 2.4, se elabora la “Hoja de Decisión” como se muestra el ejemplo en la tabla 2.2, en la cual para cada modo de falla se define la actividad de mantenimiento correspondiente. Las actividades o tareas de mantenimiento según RCM pueden ser de dos tipos: 1. Tareas Proactivas (preventivas), que corresponden a una estrategia de prevención de fallas:  Sustitución y Reacondicionamiento Cíclico (Time Based Maintenance).  Condicionales o Predictivas (Conditional Based Maintenance). 2. Acciones a falta de una tarea proactiva efectiva, que corresponden a una estrategia de acción contra la falla:  Búsqueda de fallas ocultas.  Rediseño.  Mantenimiento a rotura o avería. 18 Tabla 2.2 Ejemplo de hoja de decisión Finalmente se establece el “Plan de Mantenimiento”, resultante de la aplicación del método, en un formato lo más simple posible, donde se especifica el listado de tareas de mantenimiento, su frecuencia de implementación y la fecha estimada de ejecución. Este plan se añade al Programa de mantenimiento del equipo o proceso seleccionado como uso significativo de energía donde se aplicó el método. 2.1 Puntos claves para mantener y mejorar la eficiencia energética Existen muchas formas para mejorar y mantener la eficiencia energética de sistemas y equipos, de manera general se pueden enlistar de la siguiente forma: 1. Cambio de equipos como compresores, calderas, aires acondicionados, etc. 2. Mantenimientos de equipos y sistemas, limpiezas en intercambiadores, calderas, cambio de piezas móviles desgastadas. 3. Reutilizar energía de rechazo, como aire caliente, vapor o condensado de sistemas. 4. Cambiar de fuentes de energía. 19 Muchos avances se han realizado en los puntos de análisis de tecnologías nuevas como motores, unidades compresoras más eficientes o incluso calderas con mejores eficiencias. Sin embargo cambiar de tecnologías es un paso que puede significar un gran costo inicial, pero el resto de pasos pueden significar ahorros sin tener que invertir grandes cantidades iniciales. Analizar puntos de pérdida de eficiencia o diseñar sistemas de reutilización de energía puede dar grandes retornos de inversión, si estos son técnicamente factibles y utilizables. La mayor parte de las industrias poseen el mantenimiento como un proceso de funcionamiento, que por lo general busca mantener los equipos funcionando, esto no significa energéticamente eficientes, pero si funcionales. Es por ello, que este es un punto en que todas las industrias pueden mejorar, si, poseen las herramientas adecuadas. 2.2 Tipos y modelos de mantenimiento El mantenimiento dependiendo desde la óptica que se evalúe, puede diversificarse en modelos concretos y tipos de mantenimiento, esto puede hacerse por el momento en que se realiza el mantenimiento, por lo que se tiene como objetivo lograr, etc… Como principales tipos de mantenimiento se tienen:  Mantenimiento correctivo: Es el conjunto de operaciones de mantenimiento que buscan corregir una falla, que por lo general es comunicado por el mismo operador del equipo.  Mantenimiento preventivo: Este busca evitar que se dé una falla y mantener el equipo a un cierto nivel de servicio. Para esto, se buscan programar intervenciones al equipo previo a fallas por lo general basados, en tiempos resultados de estudios de históricos de fallas o también pueden realizarse con base al monitoreo de condición.  Mantenimiento predictivo: El mantenimiento predictivo busca por medio del monitoreo de constantes físicas de los equipos y sistemas, de tal manera que se trate de obtener un estimado del tiempo en que fallara, para poder planificar una intervención en el equipo. 20 Además de lo anterior, existen modelos y metodologías de mantenimiento, que poseen enfoques específicos y pueden ser aplicados para diseños de planes de mantenimiento, los principales exponentes son:  Mantenimiento centrado en confiabilidad (RCM por sus siglas en inglés), que posee una serie de funciones, para sistemas donde los fallos no son tolerables, donde se buscan minimizar la cantidad de fallos a cero, debido a que estos pueden ser desastrosos.  Mantenimiento productivo total (TPM, por sus siglas en inglés), que a diferencia de otros modelos de mantenimiento, este propone 3 tipos de mantenimiento, el autónomo, el profesional y el de calidad que se basa en inspecciones. Busca principalmente eliminar fallos y mantener la calidad. 2.3 Plan de mantenimiento El Plan de mantenimiento centrado en la Eficiencia no se aplica a todos los activos de la organización, sino sólo a aquellos que son Usuarios Significativos de la Energía. Los USE son aquellos equipos o sistemas que impactan significativamente el consumo de energía de la organización. Una forma de identificar los USE puede ser realizando un diagrama de Pareto estimado de consumo de energía por áreas y por equipos. Un USE es aquella área, proceso o equipo que ocasiona un consumo sustancial de energía y/o que ofrece un potencial considerable para la mejora del desempeño energético. Una vez identificados los USE y las actividades de mantenimiento, se cierra con el Seguimiento, medición y análisis del desempeño del Plan de mantenimiento. El objeto de esta actividad es:  Registrar la tendencia del desempeño energético del USE.  Analizar desviaciones significativas de las tendencias del buen desempeño energético, cuando ocurren, cuáles son sus posibles causas, verificar las mismas, actuar sobre las causas controlables y verificar la corrección de la tendencia hacia el buen desempeño energético. 21  Cuantificar los ahorros que produce la aplicación del Plan de mantenimiento.  Cuantificar los ahorros que produce la implementación de mejoras a través de inversiones. El Procedimiento del seguimiento y medición es el siguiente:  Se establece para cada USE una línea de base del consumo energético.  Se establece el gráfico de tendencia del indicador de desempeño energético que es la descripción gráfica de la suma acumulativa de las desviaciones del consumo energético real con respecto a la línea de base.  Se actualiza el gráfico de tendencia con periodicidad, horaria, por turno o diaria.  Se correlacionan las fechas de los cambios en la tendencia del gráfico con las fechas de las actividades de la gestión del mantenimiento realizada o dejada de realizar.  Se actúa sobre las actividades que no se han realizado de acuerdo al plan y que han provocado incrementos del consumo, o se realizan análisis para la identificación de nuevas causas de incremento de consumo asociadas al mantenimiento.  Se aplican acciones correctivas o preventivas, según el caso, para evitar nuevas desviaciones. Para los procedimientos de medición y seguimiento, se estudiarán los sistemas desde 2 enfoques: 1. El enfoque teórico, que son las especificaciones del fabricante, que estipulen los controles operativos y los parámetros, con los cuales el propone medir su eficiencia. 2. El enfoque de campo, que se basa en los parámetros reales de operación y la medición de eficiencia por medios directos o indirectos. En el caso de que el fabricante no proporcione los datos de eficiencia o no se encuentren disponibles, lo más recomendable es dar mantenimiento completo al equipo y tomar la eficiencia máxima sostenida durante un tiempo como línea base. 22 23 3. METODOLOGÍA UTILIZADA PARALA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO PROPUESTO Existen múltiples tendencias para establecer los sistemas de mantenimiento y generalmente se seleccionan atendiendo a la política de la empresa y los requerimientos de calidad, seguridad y mercado, además de las características del proceso productivo. En principio un sistema de mantenimiento bien diseñado debe adecuarse a las características de cada máquina lográndose un sistema de mantenimiento dinámico, tanto a nivel de fábrica como a nivel de máquina. En este sentido se ha desarrollado una metodología empleando criterios de selección generalmente a nivel de máquina, donde se siguen los siguientes pasos:  Diagnóstico de situación actual.  Análisis de deficiencias detectadas y definición del proceso de solución.  Identificación de frecuencias de mantenimiento y ahorros potenciales. 3.1 Diagnóstico de situación actual Se estableció para cada equipo a estudiar la caracterización energética y los datos del fabricante. Además se define la situación actual para cada equipo, que incluye los puntos siguientes:  Se identificó la forma de cómo se lleva a cabo el mantenimiento.  Se identificó las personas responsables de la labor de mantenimiento.  Se extrajo datos e información de registros de mantenimiento de cada equipo.  Se diagnosticó el funcionamiento del equipo.  Se definieron los parámetros de trabajo del sistema, tales como temperatura, presiones, consumo de energía, etc…  Se realizaron mediciones de los parámetros críticos que afectan la eficiencia energética. 24 3.2 Análisis de deficiencias detectadas y definición del proceso de solución En esta etapa se realizó un análisis estadístico y matemático para generar un modelo que se puede aplicar a la gran mayoría de equipos industriales con los cuales cuentan las plantas de producción. Existen casos especiales en los cuales los análisis se abordan desde otra perspectiva. En el documento se presenta uno de esos casos particulares. Las actividades que se realizaron fueron las siguientes:  Se identificaron las ecuaciones para determinar la eficiencia del sistema en su conjunto y de cada elemento del sistema.  Se evaluó el impacto en los costos operacionales en la variación de la eficiencia.  Se aplicó un método para evaluar la variación de la eficiencia en el tiempo.  Se identificaron las rutinas de mantenimiento a aplicar para recuperar la eficiencia.  Se determinó los costos de las rutinas de mantenimiento para recuperar eficiencia.  Se definió un “check list” de control de eficiencia para el operador y de cálculo de eficiencia en el tiempo.  Se formularon indicadores de monitoreo. 3.2.1 Análisis estadístico y matemático. En este apartado se realizan las deducciones, ecuaciones y fórmulas estadísticas y matemáticas que ayudaron para el análisis de cada uno de los sistemas. Se realizan de manera general a fin de generar el modelo de mantenimiento basado en la eficiencia energética. A lo largo del documento se hará referencia a varias de las ecuaciones que se presentan. 25  Línea base de análisis Se parte de la observación que la pérdida de eficiencia, posee un comportamiento lineal a lo largo del paso del tiempo y que existe variación de los parámetros críticos de operación de cada equipo. Se toma una medición antes y después de mantenimiento para tener un punto de partida. Utilizando la ecuación punto pendiente, se pude escribir una ecuación que representa la perdida de eficiencia. 𝑚 = (𝑦2 − 𝑦1) (𝑥2 − 𝑥1) (𝐸𝑐. 1) Donde: 𝑚 = 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 = 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒, 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑠𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑟á 𝑙𝑎 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎. 𝑥 = 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒, 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑙 𝑝𝑢𝑒𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜, 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎, 𝑒𝑡𝑐 Luego, se toma la pendiente y se evalúa en un punto conocido, para obtener el intercepto de la ecuación lineal. 𝑏 = 𝑦(𝑥) − 𝑚. 𝑥 (𝐸𝑐. 2) 𝑏 = 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙 Ahora se conoce completamente la ecuación lineal que relaciona temperatura y eficiencia, la cual es propia de cada equipo. 𝑦(𝑥) = 𝑚. 𝑥 + 𝑏 (𝐸𝑐. 3) Utilizando la ecuación 3 podemos conocer, la eficiencia del equipo para cualquier momento, conociendo los valores de los parámetros críticos. Posteriormente, se construye la serie de datos de eficiencia diaria para cada uno de los equipos, los cuales se estudiarán en su respectivo análisis. 26  Modelo de predicción de pérdida de eficiencia Con la serie de datos seleccionada, se realiza una regresión lineal para conocer la razón de pérdida de eficiencia en el tiempo estimada para futuros eventos. Una vez obtenida la regresión lineal. Se puede iniciar a construir un modelo de predicción de pérdida económica basado en la variación del parámetro crítico o el tiempo, que servirá como principal indicador del modelo. Para la construcción del modelo se requieren los siguientes datos: 𝑛 = 𝐷𝑖𝑎𝑠 (𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒) 𝐸 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) 𝑚 = 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) 𝑒𝑚 = 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑢𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) 𝑃 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝑈𝑆𝐷 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) 𝑒(𝑛) = 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑎 𝑛 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ) 𝐶(𝑛) = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ) 𝐶𝑎(𝑛) = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ) 𝐾𝑐 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 Las ecuaciones y fórmulas para la construcción del modelo para la línea de pérdida de eficiencia, basado en la regresión lineal del modelo son: 𝑒(𝑛) = 𝑒𝑚 + 𝑚. 𝑛 (𝐸𝑐. 4) La eficiencia en un día “n” será la eficiencia máxima (justo después del mantenimiento), más la pendiente multiplicada por el número de días, según la ecuación 3. 𝐶(𝑛) = (𝑒𝑚 − 𝑒(𝑛)). 𝑃. 𝐸 (𝐸𝑐. 5) El costo diario por ineficiencia se calcula restando la eficiencia máxima menos la eficiencia en un día “n”, lo cual nos dará la pérdida de eficiencia. El resultado se multiplica por el precio promedio de la energía o combustible y se multiplica también por el consumo diario promedio. 27 En caso que el consumo sea de energía eléctrica se debe evaluar el pliego tarifario vigente en las fechas y horarios establecidos. Para nuestro caso se analiza de la siguiente manera: 𝐸𝑝 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑃𝑝 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 𝐸𝑟 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑜 𝑃𝑟 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑜 𝐸𝑣 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑙𝑒 𝑃𝑣 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑙𝑒 Horarios: Punta: 18:00 – 22:59 5h Valle: 23:00 – 04:59 6h Resto: 05:00 – 17:59 13h Por lo tanto retomando la ecuación 5 para el caso de energía eléctrica tenemos: 𝐶(𝑛) = (𝑒𝑚 − 𝑒(𝑛)). (𝑃𝑃 . 𝐸𝑃 + 𝑃𝑟 . 𝐸𝑟 + 𝑃𝑣 . 𝐸𝑣) (𝐸𝑐. 6) De igual manera si existen variaciones en el pliego tarifario a lo largo del período de análisis de los equipos, se deben tomar en consideración dichas variaciones al momento de realizar la aplicación del modelo propuesto. 28 Para calcular el costo acumulado de todos los días en los cuales se ha ido perdiendo eficiencia se realiza la sumatoria desde el día 0 hasta el día “n” de todos los costos diarios. 𝐶𝑎(𝑛) = ∑ 𝐶(𝑖) 𝑛 𝑖=0 (𝐸𝑐. 7) Debido a que no se trabaja con valores discretos, se pasa la sumatoria del costo acumulado a forma integral para trabajar los datos de una mejor manera con valores continuos. 𝐶𝑎(𝑛) = ∑ 𝐶(𝑖) 𝑛 𝑖=0 = ∫ [𝐶(𝑖) + 𝛾]𝑑𝑖 𝑛 0 (𝐸𝑐. 8) 𝛾 = 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙 Sustituyendo la ecuación del costo diario (Ec. 5). 𝐶𝑎(𝑛) = ∫ [(𝑒𝑚 − 𝑒(𝑖)). 𝑃. 𝐸 + 𝛾]𝑑𝑖 𝑛 0 (𝐸𝑐. 9) Sustituyendo la ecuación de la eficiencia (Ec. 4) 𝐶𝑎(𝑛) = ∫ [(𝑒𝑚 − (𝑒𝑚 + 𝑚. 𝑖)). 𝑃. 𝐸 + 𝛾]𝑑𝑖 𝑛 0 = ∫ [(−𝑚. 𝑖). 𝑃. 𝐸 + 𝛾]𝑑𝑖 𝑛 0 (𝐸𝑐. 10) Realizando la integral de la ecuación 10. 𝐶𝑎(𝑛) = ∫ [(−𝑚. 𝑖). 𝑃. 𝐸 + 𝛾]𝑑𝑖 𝑛 0 = 𝛾. 𝑛 − 𝑚. 𝑃. 𝐸. 𝑛2 2 (𝐸𝑐. 11) De la ecuación anterior, se pueden obtener 2 reglas generales: 1. Para sistemas donde la pérdida de eficiencia en el tiempo es lineal y manteniendo constantes el consumo promedio y el precio por unidad de energía consumida, podemos obtener una constante y una ecuación característica para todos los sistemas que cumplan los requisitos previamente mencionados. 𝐾𝑐 = −𝑚. 𝑃. 𝐸 (𝐸𝑐. 12) 29 2. Todos los valores para encontrar el resultado de la constante del costo (Ec. 12), se deberán tomar de los promedios de los datos del sistema a evaluar y la pendiente se encontrará aplicando una regresión lineal del promedio de datos de la pérdida de eficiencia. De no tener suficientes datos para realizar una regresión lineal, se puede utilizar la ecuación punto pendiente en los valores de 2 mediciones al equipo, preferiblemente justo después del mantenimiento y lo más cerca posible del mantenimiento siguiente. Continuando con el modelo, el valor de la constante 𝛾 se encuentra igualando la ecuación del costo acumulado en forma de sumatoria (Ec. 7) con la ecuación del costo acumulado ya integrado (Ec. 11) se despeja 𝛾. A continuación se muestra la ecuación (Ec. 13.) con 𝛾 despejada, donde n es cualquier valor mayor a cero. 𝛾 = ∑ 𝐶(𝑖)𝑛 𝑖=0 + 𝑚. 𝑃. 𝐸. 𝑛2 2 𝑛 = ∑ [−𝑚. 𝑃. 𝐸. 𝑖]𝑛 𝑖=0 + 𝑚. 𝑃. 𝐸 𝑛2 2 𝑛 𝛾 = ∑ [𝐾𝑐 . 𝑖]𝑛 𝑖=0 − 𝐾𝑐 𝑛2 2 𝑛 = 𝐾𝑐 𝑛 (∑[𝑖] 𝑛 𝑖=0 − 𝑛2 2 ) (𝐸𝑐. 13) Por propiedades de sumatoria: ∑[𝑖] 𝑛 𝑖=0 = 𝑛(𝑛 − 1) 2 Entonces 𝛾 = 𝐾𝑐 𝑛 (∑[𝑖] 𝑛 𝑖=0 − 𝑛2 2 ) = 𝐾𝑐 𝑛 ( 𝑛(𝑛 − 1) 2 − 𝑛2 2 ) = 𝐾𝑐 2 (𝐸𝑐. 14) 30 Sustituyendo la Ec. 12 y Ec. 14 en la Ec. 11, se obtiene laecuación16 que es base para el análisis que se llevará acabo para encontrar la frecuencia óptima de mantenimiento. 𝐶𝑎(𝑛) = 𝛾. 𝑛 − 𝑚. 𝑃. 𝐸. 𝑛2 2 = 𝐾𝑐 2 . 𝑛 + 𝐾𝑐 2 𝑛2 (𝐸𝑐. 15) Como recordatorio, estas ecuaciones solamente aplican si la pérdida de eficiencia es lineal y se usan unidades de energía y costo por unidad de energía como promedios y constantes en todo el análisis.  Frecuencia de mantenimiento Es necesario encontrar una forma de optimizar la frecuencia de mantenimiento. Por lo que, se analiza la pendiente de crecimiento de las curvas y se puede analizar como un triángulo (Figura 3.1), como se muestra a continuación: Figura 3.1 Triángulo de costo acumulado de mantenimiento La curva de color rojo, representa la medición de pérdida económica por 1 periodo entre mantenimientos. Se analiza de esta manera, debido a que el costo del mantenimiento afecta la frecuencia de mantenimiento, por que disminuye el retorno de la inversión. Una vez establecido lo anterior, se trata de encontrar la menor pendiente posible, pues presenta el mayor ahorro. 31 Figura 3.2 Triángulo de costo de mantenimiento con descripciones Siendo las descripciones de los símbolos de la Figura 3.2, los siguientes: 𝑛 = 𝐷𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜. 𝐶𝑎(𝑛) = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜. 𝐶𝑚 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) Aplicando la fórmula del punto pendiente: 𝑚𝑛 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝐷𝑖𝑎𝑠 = 𝐶𝑎(𝑛) + 𝐶𝑚 𝑛 (𝐸𝑐. 16) Sustituyendo la ecuación del Costo acumulado (Ec. 15.) en la ecuación de la pendiente (Ec. 16.) y reduciendo obtenemos: 𝑚𝑛 = ( 𝐾𝑐 2 . 𝑛 + 𝐾𝑐 2 𝑛2) + 𝐶𝑚 𝑛 = 𝐾𝑐 2 𝑛 + 𝐾𝑐 2 + 𝐶𝑚 𝑛 (𝐸𝑐. 17) Finalmente optimizando la ecuación (Ec. 17.) utilizando la primera derivada de la función e igualándola a 0, obtenemos: 𝑑(𝑚𝑛) 𝑑𝑛 = 𝑑 ( 𝐾𝑐 2 𝑛 + 𝐾𝑐 2 + 𝐶𝑚 𝑛 ) 𝑑𝑛 = 𝐾𝑐 2 − 𝐶𝑚 𝑛2 𝑑(𝑚𝑛) 𝑑𝑛 = 𝐾𝑐 2 − 𝐶𝑚 𝑛2 = 0 (𝐸𝑐. 18) 32 Despejando la frecuencia de la ecuación 18, se obtiene: 𝑛 = √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 (𝐸𝑐. 19) Con la ecuación 19 se puede determinar la frecuencia óptima de mantenimiento. Es decir el número de días a los cuales se debe realizar el mantenimiento para tener los menores costos de pérdidas de eficiencia y costos de mantenimiento.  Monitoreo por condición Este monitoreo aplica para equipos en los cuales frecuencia de mantenimiento dependa del valor de un parámetro crítico de operación (temperatura, presión, flujo, etc.). A partir de la frecuencia óptima de mantenimiento conocida (Ec. 19), se puede trasladar esta ecuación y evaluarla en la ecuación de eficiencia (Ec. 4). 𝑒(𝑛) = 𝑒𝑚 + 𝑚. 𝑛 = 𝑒𝑚 + 𝑚. √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 (𝐸𝑐. 20) Posteriormente utilizando la ecuación que relaciona el parámetro crítico de operación con la eficiencia, que es característica de cada equipo, podemos conocer el valor de dicho parámetro que optimiza el retorno de inversión, tal que ahora se puede mantener un monitoreo de condición. Evaluando la eficiencia (Ec. 20.) en la ecuación lineal que relaciona el valor del parámetro crítico con la eficiencia (Ec. 3.) y despejando el parámetro, obtenemos la ecuación 21. 𝑦(𝑥) = 𝑒(𝑛) 𝑀. 𝑥 + 𝑏 = 𝑒𝑚 + 𝑚. √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 𝑥 = 𝑒𝑚 + 𝑚. √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 − 𝑏 𝑀 (𝐸𝑐. 21) 33 4. ANALISIS DE RESULTADOS Para el análisis de los resultados de los sistemas, se presentarán sub capítulos. 4.1 Modelo de mantenimiento basado en eficiencia para una caldera Las especificaciones del equipo que se analizó se muestran en la tabla 4.1: Descripción del equipo analizado Código de equipos Caldera 3 Potencia 50 BHP Modelo Wee Chieftain Marca Cochran Consumo nominal 12.5 gph Flujo máximo 784 kg/h Presión máxima de trabajo 150 psig Tabla 4.1 Especificaciones de caldera Se realizó una recopilación de datos desde el 30/01/2016 hasta el 01/08/2016, resumidos en la tabla 4.2: Datos medidos Medición Descripción Unidades Combustible El combustible diario utilizado por la caldera galones (g) Temperatura Temperatura de chimenea cada minuto Celsius ( C ) Presión Presión manométrica de la línea por minuto psig (psi) Eficiencia Eficiencia antes y después mantenimientos % Tabla 4.2 Datos medidos de la caldera A continuación las figuras 4.1, 4.2 y 4.3, muestran los datos a analizar, los datos completos pueden encontrarse en el disco adjunto que forma parte integral del presente documento. 34 Figura 4.1 Grafica de consumo de diésel diario Figura 4.2 Presión de línea en psi Figura 4.3 Temperatura de chimenea de caldera 00 50 100 150 200 250 300 350 30/01/2016 29/02/2016 31/03/2016 30/04/2016 31/05/2016 30/06/2016 31/07/2016 C o n su m o d e co m b u st ib le (g al o n es ) Fecha Consumo Diesel diario 95 105 115 125 135 145 30/01/2016 29/02/2016 31/03/2016 30/04/2016 31/05/2016 30/06/2016 31/07/2016 P re si ó n p ro m ed io ( p si ) Fecha Presion de linea diario 0 50 100 150 200 250 300 30/01/2016 29/02/2016 31/03/2016 30/04/2016 31/05/2016 30/06/2016 31/07/2016Te m p er at u ra d e ch im en ea ( °C ) Fecha Temperatura de chimenea de caldera 35 4.1.1 Mantenimiento de la caldera a analizar Para el caso de estudio, se analizó el mantenimiento de lado de fuego del equipo, que es el que posee mayor impacto en el rendimiento y eficiencia en el consumo de combustible. Este mantenimiento consta de los siguientes pasos: 1. Apagado de la caldera 2. Espera para enfriamiento 3. Apertura de lado de fuego de la caldera 4. Limpieza con hidrolavadora 5. Limpieza con cepillo 6. Cambio de filtro de diésel y limpieza de bomba de diésel. 7. Cambio de empaquetadura. 8. Cambio de tubos visores. 9. Engrase de pernería y cierre. 10. Calentamiento hasta punto de trabajo. El costo de este mantenimiento se encuentra descrito en la siguiente tabla 4.3: Costeo de mantenimiento del lado de fuego Ítem Descripción Costo Mano de obra 1 técnico calderero + 2 ayudantes (1 día) $ 44.00 Herramientas Cepillo para limpieza de 2 1/2 más cable de acero $ 35.00 Juego de empaques Trenza cuadrada y trenza redonda teflonada $ 130.00 Agua 4 metros cúbicos de agua $ 8.00 Diésel de calentamiento 37 galones de diésel $ 84.00 Wipe Para limpieza $ 12.00 Filtro Cambio de repuesto de filtro $ 35.00 Otros Grasa grafitada y desengrasantes $ 12.00 TOTAL= $ 360.00 Tabla 4.3 Costo de mantenimiento del lado de fuego Actualmente dicho mantenimiento se basa en condición y se programa cuando la temperatura de chimenea sobrepasa los 250 grados Celsius (482 grados Fahrenheit). 36 4.1.2 Línea base del sistema Para establecer la línea base de este sistema, se realizó un mantenimiento y se tomaron medición de eficiencia de la transferencia de los gases de chimenea al vapor cuyos datos se presentan en la tabla 4.4. La medición la realizó la empresa Hidrotérmica S.A de C.V. Día de mantenimiento 5/23/2016 Medición después de mantenimiento Fecha T máx. (F) Eficiencia medida 5/24/2016 419 86.5% Medición antes de mantenimiento Fecha T máx. (F) Eficiencia medida 5/12/2016 470 82.0% Tabla 4.4 Medición de eficiencia Al conocer la eficiencia obtenida antes del mantenimiento, y la eficiencia obtenida después del mantenimiento, se puede aplicar el procedimiento el método de medición indirecta de eficiencia por temperatura de chimenea, basado en el documento “ASME PTC-4” (Tabla 4.5). Tabla 4.5 Tabla de eficiencias basadas en temperatura de chimenea CO O2 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 550 600 15.6 0 88.0 87.6 87.2 86.8 86.4 86.0 85.6 85.2 84.8 84.4 84.0 83.0 82.1 14.1 2 87.5 87.1 86.6 86.2 85.8 85.3 84.9 84.5 84.0 83.6 83.2 82.1 81.0 13.4 3 87.2 86.8 86.3 85.9 85.4 85.0 84.5 84.1 83.6 83.2 82.7 81.6 80.5 12.6 4 86.9 86.4 85.9 85.4 85.0 84.5 84.0 83.5 83.1 82.6 82.1 80.9 79.7 11.9 5 86.5 86.0 85.5 85.0 84.5 84.0 83.5 83.0 82.5 82.0 81.5 80.3 79.0 11.1 6 86.0 85.5 85.0 84.5 83.9 83.4 82.9 82.3 81.8 81.3 80.7 79.4 78.1 10.4 7 85.6 85.0 84.5 83.9 83.3 82.8 82.2 81.7 81.1 80.5 80.0 78.6 77.2 9.6 8 85.0 84.4 83.8 83.2 82.6 82.0 81.4 80.8 80.2 79.6 79.0 77.5 76.0 Región lineal Temperatura en Farenheit Eficiencias basadas en temperatura de chimenea y exceso de oxígeno(Para Diesel) 37 Con la tabla 4.5 podemos obtener la gráfica que se presenta en la figura 4.4 Figura 4.4 Gráfica de eficiencias de Oxigeno vrs Temperatura de chimenea Por lo anterior, si nos mantenemos dentro de la región lineal de operación, podemos hacer una muy buena aproximación de las líneas de eficiencia. Esta región abarca desde los 300 hasta los 500 grados Fahrenheit. Utilizando las ecuaciones 1, 2 y 3 se pude escribir una ecuación que representa la pérdida de eficiencia según temperatura de chimenea. 𝑚 = (𝑒𝑇2 − 𝑒𝑇1) (𝑇2 − 𝑇1) = (0.865 − 0.820) (419 − 470) = −0.000882 Para una temperatura de 419°C, se obtuvo una eficiencia de 86.5%, sustituyendo esos valores en la ecuación 2: 𝑏 = 𝑦(𝑥) − 𝑚. 𝑥 = 0.865 − (−0.000882)(419) = 1.235 75 77 79 81 83 85 87 89 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 550 600 Ef ic ie n ci a Temperatura en Fahrenheit Eficiencia de caldera según el oxígeno y temperatura de chimenea O2=0 O2=2 O2=3 O2=4 O2=5 O2=6 O2=7 O2=8 38 Ahora se conoce completamente la ecuación lineal que relaciona temperatura y eficiencia, que es propia del equipo. Con valores de temperatura en °C que se encuentren en la región lineal. 𝑒𝑇(𝑇) = −0.000882. 𝑇 + 1.235; 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 300º𝐶 𝑎 500º𝐶 Utilizando la ecuación de eficiencia podemos conocer, la eficiencia del equipo para cualquier momento, sabiendo la temperatura máxima de chimenea. Posteriormente, se construye la serie de datos de eficiencia diario para la caldera como se presenta en la figura 4.5. Figura 4.5 Valores de eficiencia diaria de caldera 4.1.3 Modelo de predicción de pérdida de eficiencia De la nueva serie de datos, debe de seleccionarse el rango de fechas a evaluar, tratando de eliminar, puntos que no sean estadísticamente representativos o eventos que interfieran el análisis. Se realiza una regresión lineal para conocer la razón de pérdida de eficiencia en el tiempo (Figura 4.6). 75 77 79 81 83 85 87 89 30/01/2016 29/02/2016 31/03/2016 30/04/2016 31/05/2016 30/06/2016 Ef ic ie n ci a (% ) Fecha Eficiencia diaria 39 Figura 4.6 Curva de regresión lineal para la pérdida de eficiencia en el tiempo Una vez obtenida la regresión lineal a través del paquete estadístico que facilita el software de Microsoft Excel, se puede iniciar a construir el modelo de predicción de pérdida económica basado en el aumento de la temperatura de una caldera, que servirá como principal indicador del modelo. De la regresión lineal de la figura 4.6 se obtienen los siguientes datos del comportamiento lineal: 𝑚 = −0.0001638 𝑏 = 0.833 Con estos datos se puede obtener el valor de eficiencia a medida pasa el tiempo desde el último mantenimiento así como lo presenta la ecuación 4. 𝑒(𝑛) = 𝑒𝑚 + 𝑚. 𝑛 = 0.833 − (0.0001638)𝑛 Ahora se saca el costo por ineficiencia por medio de la ecuación 5 para cada día pasado desde el mantenimiento con los siguientes datos:  Consumo diario promedio de combustible: 273.86 galones  Costo de combustible por galón: 2.1 USD/gal Luego se calcula el costo acumulado para todos los días que han pasado desde el último mantenimiento. 74 76 78 80 82 84 86 1 5 9 1 3 1 7 2 1 2 5 2 9 3 3 3 7 4 1 4 5 4 9 5 3 5 7 6 1 6 5 6 9 7 3 7 7 8 1 8 5 8 9 9 3 9 7 1 0 1 1 0 5 1 0 9 Ef f Dia Curva de regresión ajustada Eff Pronóstico Eff 40 4.1.4 Frecuencia de mantenimiento Para este análisis se utilizó la ecuación19, para obtener la frecuencia óptima de mantenimiento. A continuación se presentan una gráfica (Figura 4.7) comparativa entre frecuencias de mantenimiento comunes en la planta. Con un valor de costo de mantenimiento de $360.00 Figura 4.7 Comparación de frecuencias de mantenimiento Como se puede observar, las distintas curvas, demuestran que para varias frecuencias existen pérdidas económicas, sea por la falta de mantenimiento o por el exceso de mantenimiento. Sustituyendo la ecuación 12 en la ecuación 19, tenemos: 𝑛 = √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 = √ 2 (360) −(−0.0001638)(2.1)(273.86) = 87.40 𝑑í𝑎𝑠 ≈ 88 𝑑í𝑎𝑠 $- $1,000.00 $2,000.00 $3,000.00 $4,000.00 $5,000.00 $6,000.00 $7,000.00 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 301 321 341 361 C o st o t o ta l a cu m u la d o Comparación entre frecuencias de mantenimiento $USD Acum 365 $USD Acum 30 $USD Acum 60 $USD Acum 120 $USD Acum 180 $USD Acum 210 41 4.1.5 Monitoreo de condición Utilizando la ecuación 21 y definiendo como parámetro crítico la temperatura de la caldera, sustituimos los valores: 𝑇 = 𝑒𝑚 + 𝑚. √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 − 𝑏 𝑀 = 0.833 + (−0.0001638)(87.40) − 1.235 (−0.000882) = 472.01º𝐶 Es decir que, por monitoreo de condición se debe realizar el mantenimiento cuando la temperatura de la chimenea esté arriba de los 472.01°C. Por el comportamiento de la caldera a esta temperatura, la eficiencia ha bajado tanto como si hubieran pasado 88 días desde el último mantenimiento y es necesario realizar nuevamente el mantenimiento descrito para evitar mayores pérdidas por ineficiencia del sistema. 4.1.6 Indicadores Los indicadores que se consideran utilizar para el control y monitoreo del equipo son los que se presentan en la tabla 4.6. Nombre Cálculo Unidades Eficiencia de vapor generado Presión de vapor generado/Presión de vapor nominal % Eficiencia de combustible 1- (Galones de combustible perdido/Galones de combustible consumido) % Temperatura de chimenea Medición física de temperatura de chimenea °C Tabla 4.6 Indicadores de control y monitoreo de caldera. 42 4.2 Modelo de mantenimiento basado en eficiencia para un sistema de refrigeración tipo “chiller” Las especificaciones del equipo que se analizó se muestran en la tabla 4.7: Descripción del equipo analizado Código de equipos Compresor2 Potencia 200 TR Modelo RTAC-200 HE Marca Trane Voltaje Nominal 440V , 3F Tabla 4.7 Datos del chiller Se realizó una recopilación de datos desde el 11/02/2016 hasta el 01/08/2016, las mediciones que se realizaron se presentan en la tabla 4.8. Datos medidos Medición Descripción Unidades Consumo El consumo de energía por hora Kilowatts por hora (kWh) Refrigeración Toneladas de refrigeración que entrega la máquina Toneladas de refrigeración (TR) Temperatura Ambiente Medición de Temperatura ambiente Celsius (°C) Eficiencia Eficiencia del equipo % Tabla 4.8 Datos medidos del chiller A continuación las figuras 4.8, 4.9 y 4.10, muestran los datos a analizar, los datos completos pueden encontrarse en el disco adjunto que forma parte integral del presente documento. 43 Figura 4.8 Gráfica de consumo de energía diaria Figura 4.9 Gráfica de promedio de toneladas de refrigeración diaria Figura 4.10 Gráfica de temperatura ambiente promedio diaria 0 50 100 150 200 250 300 11/02/2016 11/03/2016 11/04/2016 11/05/2016 11/06/2016 11/07/2016 Kw diario 0 50 100 150 200 250 Promedio de Toneladas de refrigeración 25 26 27 28 29 30 31 32 33 1 0 /0 4 /2 0 1 6 1 1 /0 4 /2 0 1 6 1 2 /0 4 /2 0 1 6 1 3 /0 4 /2 0 1 6 1 4 /0 4 /2 0 1 6 1 5 /0 4 /2 0 1 6 1 6 /0 4 /2 0 1 6 1 7 /0 4 /2 0 1 6 1 8 /0 4 /2 0 1 6 1 9 /0 4 /2 0 1 6 2 0 /0 4 /2 0 1 6 2 1 /0 4 /2 0 1 6 2 2 /0 4 /2 0 1 6 2 3 /0 4 /2 0 1 6 2 4 /0 4 /2 0 1 6 2 5 /0 4 /2 0 1 6 2 6 /0 4 /2 0 1 6 2 7 /0 4 /2 0 1 6 2 8 /0 4 /2 0 1 6 2 9 /0 4 /2 0 1 6 3 0 /0 4 /2 0 1 6 0 1 /0 5 /2 0 1 6 0 2 /0 5 /2 0 1 6 0 3 /0 5 /2 0 1 6 0 4 /0 5 /2 0 1 6 0 5 /0 5 /2 0 1 6 0 6 /0 5 /2 0 1 6 0 7 /0 5 /2 0 1 6 0 8 /0 5 /2 0 1 6 T Amb Prom ( C ) 44 4.2.1 Mantenimiento del “chiller” a analizar Para el caso de estudio, se analizará el mantenimiento que incluye la limpieza en 2 lados del chiller, que es el que posee mayor impacto en el rendimiento y eficiencia en el consumo de energía. Este mantenimiento consta de los siguientes pasos: 1. Apagado del chiller. 2. Desconexión eléctrica (Bajar interruptores eléctricos por seguridad). 3. Apertura del equipo. 4. Limpieza con hidrolavadora. 5. Limpieza con químicos. 6. Limpieza aire comprimido. 7. Armado del equipo. 8. Prueba de funcionamiento. El costo de este mantenimiento se encuentra descrito en la siguiente tabla 4.9: Costeo de mantenimiento del chiller Ítem Descripción Costo Mano de obra 1 técnico + 1 ayudantes (2 días) $ 92.00 Agua 35 metros cúbicos de agua $ 75.25 Aire comprimido Aire comprimido para limpieza $ 20.00 Químicos Ácido limpiador 25 galones $ 340.00 Detergente neutro 25 galones $ 225.00 Otros Equipo de protección personal $ 28.00 TOTAL= $ 780.25 Tabla 4.9 Costo de mantenimiento de chiller 45 4.2.2 Línea base del sistema Para establecer la línea base de este sistema, se realizó un mantenimiento y se tomaron medición de eficiencia de la refrigeración generada que se muestran en la tabla 4.10. Estos equipos se miden a través del COP que es el coeficiente de desempeño (Coeficient of Performance), que se refiere a la relación entre el enfriamiento generado y la energía consumida. Día de mantenimiento 10/04/2016-11/04/2016 Medición después de mantenimiento Fecha P prom (kW ele) P prom TR(kW ref) T Día COP 12/04/2016 271 644.135 30.22 2.376 Medición antes de mantenimiento Fecha P prom (kW ele) P prom TR(kW ref) T Día COP 09/04/2016 238.87 564.638 30.11 2.363 Tabla 4.10 Datos antes y después de mantenimiento del chiller Se tomaron tres datos de temperatura ambiente para ver de qué manera afecta la temperatura de salida del agua del evaporador como se muestra en la tabla 4.11. T AMB T OUT COP 37.2 8.39 2.608 30.8 8.56 2.672 27.0 8.00 3.357 Tabla 4.11 Muestras de temperatura ambiente y temperatura de salida del agua. . Se observa que en el rango de temperatura ambiente la variación de la temperatura de salida del agua del evaporador es baja, sin embargo se realiza la interpolación para determinar el valor de temperatura que tendría el agua para cada valor de temperatura ambiente en ese rango. De igual manera se realiza con el COP para determinar los valores reales de desempeño que tuvo para cada día este sería un COP real. 46 Figura 4.11 Datos de desempeño según temperatura Con los datos de desempeño que se muestra en la figura 4.11 se observa que el coeficiente de desempeño depende mucho de la temperatura ambiente. Se han marcado en rojo los datos que corresponden al modelo del equipo analizado: 200 HE. 47 Utilizando los valores del COP y las temperaturas ambiente y de salida del agua de la figura 4.11 (valores ideales, con el 100% de eficiencia), se realizan dos interpolaciones para determinar el coeficiente de desempeño para cada valor de temperatura ambiente y cada valor de salida de agua. Se sacan los datos de la figura 4.11 para obtener las tablas 4.12 y 4.13 para interpolación a 30°C y 35°C respectivamente donde las variables independientes son la temperatura del agua y las variables dependientes el COP. INTERPOLACIÓN COP 30°C X1 7°C Y1 3.44 X2 9°C Y2 3.54 Tabla 4.12 Interpolación para COP 30°C INTERPOLACIÓN COP 35°C X1 7°C Y1 3.05 X2 9°C Y2 3.14 Tabla 4.13 Interpolación para COP 35°C Para la interpolación se utilizan las ecuaciones 1, 2 y 3 con las cuales se pude escribir una ecuación que representa el comportamiento del COP con respecto a la temperatura de salida del agua.  Para 30°C de temperatura ambiente: 𝑚 = (𝐶𝑂𝑃2 − 𝐶𝑂𝑃1) (𝑇𝑆𝐴𝐿2 − 𝑇𝑆𝐴𝐿1) = (3.54 − 3.44) (9 − 7) = 0.05 Para una temperatura de 9°C, se obtuvo un COP de 3.54, sustituyendo esos valores en la ecuación 2: 𝑏 = 𝑦(𝑥) − 𝑚. 𝑥 = 3.54 − (0.05)(9) = 3.09 Ahora se conoce completamente la ecuación lineal que relaciona temperatura salida del agua y el COP. Con valores de temperatura en °C. 𝐶𝑂𝑃(𝑇)30°𝐶 = 0.05(𝑇) + 3.09 48  Para 35°C de temperatura ambiente: 𝑚 = (𝐶𝑂𝑃2 − 𝐶𝑂𝑃1) (𝑇𝑆𝐴𝐿2 − 𝑇𝑆𝐴𝐿1) = (3.14 − 3.05) (9 − 7) = 0.045 Para una temperatura de 9°C, se obtuvo un COP de 3.14, sustituyendo esos valores en la ecuación 2: 𝑏 = 𝑦(𝑥) − 𝑚. 𝑥 = 3.14 − (0.045)(9) = 2.735 Ahora se conoce completamente la ecuación lineal que relaciona temperatura salida del agua y el COP. Con valores de temperatura en °C. 𝐶𝑂𝑃(𝑇)35°𝐶 = 0.045(𝑇) + 2.735 Finalmente hacemos una tercera interpolación entre el COP a 30° y el COP a 35°C según los datos de la tabla 4.14 para obtener el valor de COP a una temperatura ambiente diferente de 30°C o 35°C. INTERPOLACION X1 30 Y1 COP a 30°C X2 35 Y2 COP a 35°C Tabla 4.14 Interpolación entre COP a 30°C y COP a 35°C Utilizando la ecuación 1, 2 y 3, podemos determinar el COP para cualquier temperatura ambiente, sabiendo la temperatura de salida. 𝑚 = (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) (𝑇𝐴𝑀𝐵2 − 𝑇𝐴𝑀𝐵1) = (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) (35 − 30) = (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) 5 𝑏 = 𝑦(𝑥) − 𝑚. 𝑥 = 𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − ( (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) 5 ) (35) 𝐶𝑂𝑃(𝑇) = (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) 5 (𝑇) + 𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − ( (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) 5 ) (35) 𝐶𝑂𝑃(𝑇)𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = ( (𝐶𝑂𝑃35°𝐶 − 𝐶𝑂𝑃30°𝐶) 5 ) (𝑇 − 35) + 𝐶𝑂𝑃35°𝐶 (𝐼𝑑𝑒𝑎𝑙) Este procedimiento se realiza para cada valor de temperatura de salida y para cada valor de temperatura ambiente. Recordando que estos son valores según tablas (Ideales) 49 Para obtener el COP real se utilizan los datos de la tabla 4.11, realizando la interpolación como se hizo anteriormente con las ecuaciones 1, 2 y 3, tomando para ello los datos de la tabla 4.15. INTERPOLACION X1 37.2 Y1 2.608 X2 30.8 Y2 2.672 Tabla 4.15 Datos para interpolación de COP real 𝑚 = (𝑦2 − 𝑦1) (𝑥2 − 𝑥1) = (2.608 − 2.672) (30.8 − 37.2) = −0.064 −6.4 = 0.01 𝑏 = 𝑦(𝑥) − 𝑚. 𝑥 = 2.608 − (0.01)(30.8) = 2.3 𝐶𝑂𝑃(𝑇)𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.01 (𝑇) + 2.3 (𝑅𝑒𝑎𝑙) Este procedimiento se realiza para cada valor de temperatura ambiente. Ahora que tenemos ambos coeficientes de desempeño (Real e Ideal), la eficiencia la calculamos con la ecuación 22. %𝐸𝐹 = 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 𝐶𝑂𝑃𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑥 100 (𝐸𝑐. 22) Posteriormente, se construye la serie de datos de eficiencia diario del chiller como se presenta en la figura 4.12. Figura 4.12 Gráfica de eficiencia de chiller. 70.00% 72.00% 74.00% 76.00% 78.00% 80.00% 82.00% 1 0 /0 4 /2 0 1 6 1 1 /0 4 /2 0 1 6 1 2 /0 4 /2 0 1 6 1 3 /0 4 /2 0 1 6 1 4 /0 4 /2 0 1 6 1 5 /0 4 /2 0 1 6 1 6 /0 4 /2 0 1 6 1 7 /0 4 /2 0 1 6 1 8 /0 4 /2 0 1 6 1 9 /0 4 /2 0 1 6 2 0 /0 4 /2 0 1 6 2 1 /0 4 /2 0 1 6 2 2 /0 4 /2 0 1 6 2 3 /0 4 /2 0 1 6 2 4 /0 4 /2 0 1 6 2 5 /0 4 /2 0 1 6 2 6 /0 4 /2 0 1 6 2 7 /0 4 /2 0 1 6 2 8 /0 4 /2 0 1 6 2 9 /0 4 /2 0 1 6 3 0 /0 4 /2 0 1 6 0 1 /0 5 /2 0 1 6 0 2 /0 5 /2 0 1 6 0 3 /0 5 /2 0 1 6 0 4 /0 5 /2 0 1 6 0 5 /0 5 /2 0 1 6 0 6 /0 5 /2 0 1 6 0 7 /0 5 /2 0 1 6 0 8 /0 5 /2 0 1 6 %EF 50 4.2.3 Modelo de predicción de pérdida de eficiencia De la nueva serie de datos de eficiencia, debe de seleccionarse el rango de fechas a evaluar, tratando de eliminar, puntos que no sean estadísticamente representativos o eventos que interfieran el análisis. Con la serie de datos seleccionada, se realiza una regresión lineal para conocer la razón de pérdida de eficiencia en el tiempo estimada para futuros eventos que se muestra en la figura 4.13. Figura 4.13 Curva de regresión ajustada De la regresión lineal de la figura 4.13 se obtienen los siguientes datos del comportamiento lineal: 𝑚 = −0.0005306 𝑏 = 0.779 Con estos datos se puede obtener el valor de eficiencia a medida pasa el tiempo desde el último mantenimiento así como lo presenta la ecuación 4. 𝑒(𝑛) = 𝑒𝑚 + 𝑚. 𝑛 = 0.779 − (0.0005306)𝑛 70.00% 72.00% 74.00% 76.00% 78.00% 80.00% 82.00% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Ef ic ie n ci a Días Curva de regresión ajustada Eficiencia Pronóstico de eficiencia 51 Ahora se saca el costo por ineficiencia por medio de la ecuación 5 para cada día pasado desde el mantenimiento con los siguientes datos:  Consumo diario promedio de energía por hora es de: 269.61kW o Consumo Punta: 269.61kW x 5h = 1348.05 kWh o Consumo Resto: 269.61kW x 13h = 3504.93 kWh o Consumo Valle: 269.61kW x 6h = 1617.66 kWh  Costo de energía por kWh: Período 01/01/16 - 14/01/16 15/01/16-14/04/16 15/04/16-14/07/16 Punta 0.135069 0.111059 0.093106 Resto 0.136257 0.110628 0.093190 Valle 0.131230 0.108020 0.092459 Tabla 4.16 Resumen de costo de energía tomado de pliego tarifario Los datos de la tabla 4.16 se tomaron del pliego tarifario vigente en el período de análisis, considerando que el consume corresponde al rubro de gran demanda y la compañía distribuidora es CAESS. Con los datos de consumo y costo de energía, se calcula el costo acumulado para todos los días que han pasado desde el último mantenimiento utilizando la ecuación 6. 4.2.4 Frecuencia de mantenimiento Para este análisis se utilizó la ecuación19, para obtener la frecuencia óptima de mantenimiento. A continuación se presentan una gráfica (Figura 4.14) comparativa entre frecuencias de mantenimiento comunes en la planta. Con un valor de costo de mantenimiento de $780.25 52 Figura 4.14 Comparación de frecuencias de mantenimiento Como se puede observar, las distintas curvas, demuestran que para varias frecuencias existen pérdidas económicas, sea por la falta de mantenimiento o por el exceso de mantenimiento. Sustituyendo la ecuación 11 en la ecuación 19, tenemos: 𝑛 = √ 2𝐶𝑚 𝐾𝑐 = √ 2𝐶𝑚 −𝑚. 𝑃. 𝐸 = √ 2𝐶𝑚 −𝑚. (𝑃𝑃 . 𝐸𝑃 + 𝑃𝑟. 𝐸𝑟 + 𝑃𝑣 . 𝐸𝑣) √ 2 (780.25) −(−0.0005306)[(0.093106)(1348.05) + (0.093190)(3504.93) + (0.092459)(1617.66)] = 69.91 𝑑í𝑎𝑠 ≈ 70 𝑑í𝑎𝑠 $- $5,000.00 $10,000.00 $15,000.00 $20,000.00 $25,000.00 $30,000.00 1 1 3 2 5 3 7 4 9 6 1 7 3 8 5 9 7 1 0 9 1 2 1 1 3 3 1 4 5 1 5 7 1 6 9 1 8 1 1 9 3 2 0 5 2 1 7 2 2 9 2 4 1 2 5 3 2 6 5 2 7 7 2 8 9 3 0 1 3 1 3 3 2 5 3 3 7 3 4 9 3 6 1 C o st o t o ta l a cu m u la d o Días Comparación entre frecuencias de mantenimiento $USD Acum 30 días $USD Acum 45 días $USD Acum 60 días $USD Acum 120 días $USD Acum 180 días $USD Acum 210 días $USD Acum 365 días 53 En este caso no podemos realizar monitoreo por condición ya que la eficiencia además de ser afectada por el paso del tiempo, es afectada también por la temperatura ambiente que es una variable sobre la cual no podemos tener control. 4.2.5 Indicadores Los indicadores que se consideran utilizar para el control del equipo son los que se presentan en la tabla 4.17. Nombre Cálculo Unidades Temperatura ambiente Medición de temperatura ambiente °C Energía consumida Medición de consumo de energía del chiller kWh Capacidad de refrigeración Medición de toneladas de refrigeración generada TR Energía refrigerada Toneladas de refrigeración * 3.517 kW COP kW de refrigeración/kW de Energía adimensional Tabla 4.17 Indicadores de control de chiller 54 4.3 Modelo de mantenimiento basado eficiencia para un compresor. Las especificaciones del equipo que se analizó se muestran en la tabla 4.18: Descripción del equipo analizado Código de planta Compresor 2 Potencia 75HP Modelo LS-16-75H Marca Sullair Voltaje nominal 440V/3F Flujo a máx. presión (cfm) 326 cfm Presión máxima 125 psig Eficiencia especifica máxima a 125psig (kw/cfm) 0.17 Presión de trabajo del equipo 100 psig Presión de trabajo de la línea 90 psig Tabla 4.18 Datos del compresor Se realizó una recopilación de datos desde el 20/02/2016 hasta el 07/08/2016, resumidos en la tabla 4.19: Datos medidos Medición Descripción Unidades Energía Energía diaria consumida por hora kWh CFM Pies cúbicos por minuto entregados por el equipo CFM DP Diferencial de presión del separador psig (psi) Tabla 4.19 Mediciones realizadas al compresor Las figuras 4.15, 4.16 y 4.17 muestran los datos a analizar: 55 Figura 4.15 Gráfica de consumo eléctrico del compresor. Figura 4.16 Gráfica del flujo volumétrico entregado por el compresor Figura 4.17 Gráfica de la presión diferencial de filtro separador. 600 800 1000 1200 1400 1600 20/02/2016 20/03/2016 20/04/2016 20/05/2016 20/06/2016 20/07/2016 kW h kWh diarios 310 315 320 325 330 335 1 2 :0 0 :0 0 a .m . 0 1 :0 0 :0 0 a .m . 0 2 :0 0 :0 0 a .m . 0 3 :0 0 :0 0 a .m . 0 4 :0 0 :0 0 a .m . 0 5 :0 0 :0 0 a .m . 0 6 :0 0 :0 0 a .m . 0 7 :0 0 :0 0 a .m . 0 8 :0 0 :0 0 a .m . 0 9 :0 0 :0 0 a .m . 1 0 :0 0 :0 0 a .m . 1 1 :0 0 :0 0 a .m . 1 2 :0 0 :0 0 p .m . 0 1 :0 0 :0 0 p .m . 0 2 :0 0 :0 0 p .m . 0 3 :0 0 :0 0 p .m . 0 4 :0 0 :0 0 p .m . 0 5 :0 0 :0 0 p .m . 0 6 :0 0 :0 0 p .m . 0 7 :0 0 :0 0 p .m . 0 8 :0 0 :0 0 p .m . 0 9 :0 0 :0 0 p .m . 1 0 :0 0 :0 0 p .m . 1 1 :0 0 :0 0 p .m . 1 2 :0 0 :0 0 a .m . 0 1 :0 0 :0 0 a .m . 0 2 :0 0 :0 0 a .m . 0 3 :0 0 :0 0 a .m . CFM 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 03/03/2016 03/04/2016 03/05/2016 03/06/2016 03/07/2016 03/08/2016 p si DP Filtro separador 56 Cabe aclarar que este compresor es parte de una red de compresores que operan para mantener una presión constante en el sistema. El compresor seleccionado permanece a plena carga el 100% del tiempo y solo es detenido mientras dura el mantenimiento. Adicional a lo anterior, este compresor se controla con un sistema de modulación flujo de aire de entrada, por lo que al llegar a la presión de operación configurada, esta empieza a disminuir el caudal de entrada. Sin embargo para este equipo, la válvula nunca entra en operación debido a que el valor de presión configurado es mayor al presión de línea, esto asegura que el opera siempre a plena carga. Debe considerarse el tipo de modulación del compresor y si está trabajando a plena carga o modula según demanda. Los mejores resultados para ahorro de eficiencia por mantenimiento oportuno, se reciben en los compresores base, es decir que siempre están trabajando a plena carga. 4.3.1 Mantenimiento del compresor a analizar Los compresores constan de varios filtros, que por lo general se cambian cada 8000 horas de trabajo continuo o 1 año, según recomendaciones del fabricante. El costo de este mantenimiento para el compresor analizado se detalla en la tabla 4.20: Ítem Descripción Costo Filtro de aire Filtro en el lado de succión de aire $ 150.00 Filtro separador primario Filtro del lado de aceite $ 320.00 Filtro separador secundario Filtro del lado de aceite $ 190.00 Kit de cambio Incluye empaques para cambio de filtros $ 120.00 Aceite 25 galones de aceite para compresor $ 575.00 Mano de obra 2 Días de técnico especialista más mecánico $ 112.00 TOTAL= $ 1,467.00 Tabla 4.20 Detalle del mantenimiento del compresor Actualmente este mantenimiento se realiza en la empresa cada año calendario o cuando la caída de presión PD alcanza 10 psi. 57 4.3.2 Línea base del sistema Para el compresor, se toma de línea base la inversa de la eficiencia específica según el “Instituto de aire comprimido y gas” (CAGI, por sus siglas en ingles). Para calcular la eficiencia específica se utiliza la ecuación 23: 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 = 𝑐𝑓𝑚 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑘𝑊 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠 (𝐸𝑐. 23) Pero por facilidad de análisis, utilizaremos el rendimiento, que se calcula con el inverso de la eficiencia específica (ecuación 24). 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑘𝑊 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑓𝑚 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 (𝐸𝑐. 24) Según las especificaciones técnicas el equipo al operar en el rango de 90 psig, este desarrolla una eficiencia específica de 0.17 cfm/kW y un rendimiento 5.88 kW/cfm. En la tabla 4.21 se muestran los datos antes y después de realizar el mantenimiento: Medición antes de mantenimiento Fecha Energía kWh CFM Prom Pot prom kW Ef (kW/CFM) DP 3/1/2016 1459.35 322.83 60.81 0.1884 8.8 Medición después de mantenimiento Fecha Energía kWh CFM Prom Pot prom kW Ef (kW/CFM) DP 3/4/2016 1508.23 370.07 62.84 0.1698 1.7 Tabla 4.21 Datos antes y después de mantenimiento de compresor Se observa que tras realizar el mantenimiento se logra una eficiencia ligeramente mayor que la que indican las tablas del fabricante, sin embargo, esta se pierde al poco tiempo. 58 En la figura 4.18 se muestran los datos de rendimiento del compresor. Figura 4.18 Gráfica de rendimiento del compresor 4.3.3 Modelo de predicción de pérdida de eficiencia Para el caso del compresor, se utilizará el rendimiento para predecir la perdida de eficiencia total del sistema. Por lo que se aplica una regresión lineal a los datos de rendimiento, la gráfica se muestra en la figura 4.19. Figura 4.19 Gráfica de pérdida de eficiencia del compresor representada en el rendimiento. 4.8000 5.0000 5.2000 5.4000 5.6000 5.8000 6.0000 20/02/2016 20/03/2016 20/04/2016 20/05/2016 20/06/2016 20/07/2016 cf m /k W h Rendimiento (cfm/kW) 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 R en d im ie n to Dia Rendimiento (kW/cfm) 59 Tras aplicar la regresión lineal, obtenemos los datos mostrados en la figura 4.20. Figura 4.20 Curva de regresión ajustada Los datos de la regresión line