An optimization model for the operations of steam production in industrial boilers

Un modelo de optimización de las operaciones de producción de vapor en calderas industriales

Este trabajo presenta un modelo de programación lineal entera mixta para soportar algunas de las decisiones clave en la operación de producción de vapor en calderas industriales. El modelo considera decisiones de gestión de combustible: compra a proveedores, transporte a planta y niveles de stock, así como la determinación del modo de funcionamiento de las calderas: tiempos de arranque, calentamiento y parada, y en cuál de ellos habrá producción de vapor. Los ajustes y la validación del modelo se produjeron a través de un estudio de caso realizado en una gran industria alimentaria. Dados los buenos resultados obtenidos con la aplicación del modelo y la ausencia de protocolos o herramientas de optimización para apoyar las decisiones en el sistema estudiado, el modelo propuesto se presenta como una alternativa viable para apoyar algunas de las principales decisiones en el sistema de producción de vapor en calderas industriales.

1. INTRODUCCIÓN

Las agroindustrias en general son grandes consumidoras de vapor de agua saturado en sus procesos de transformación de materias primas en productos industrializados. Entre los principales procesos intensivos en vapor están la concentración y pasteurización de jugos y pulpas, la cocción de alimentos y celulosa, la limpieza de equipos, etc. En Brasil, el vapor industrial es producido generalmente por calderas que funcionan con petróleo, carbón, electricidad o biomasa. Las calderas alimentadas por biomasa son las más utilizadas y consumen diversos tipos de material vegetal, entre los más comunes están el bagazo de caña de azúcar, las astillas de madera, la leña y la paja de arroz.

La gestión de las operaciones de producción de vapor en las industrias suele realizarse con herramientas bastante sencillas, y son pocas las empresas que disponen de sistemas informatizados para controlar los combustibles consumidos en las calderas, lo que suele hacerse con hojas de cálculo de Microsoft Excel®. La explotación sólo se basa en paquetes informáticos para controlar el volumen y la presión del vapor generado por las calderas con el fin de satisfacer la demanda de vapor de forma segura, sin tener en cuenta los costes en que se incurre.

En las fábricas en las que hay más de una caldera para la generación de vapor, los tiempos de arranque, calentamiento y parada de los equipos vienen determinados por la lógica de la posibilidad de aumento o disminución de la demanda de vapor. Si los responsables de las líneas que consumen vapor en la fábrica informan a los operarios de las calderas de que se necesitará más vapor en una semana o un día determinados, los operarios se preparan para poner en funcionamiento calderas adicionales y apagarlas en cuanto dejen de ser necesarias. Otra forma de detectar un aumento de la demanda de vapor es controlar el caudal instantáneo y la presión en la línea de suministro, ya que una vez que la demanda empieza a aumentar, la presión en la línea cae, y sólo vuelve a la normalidad cuando el caudal se restablece al nivel adecuado.