چگونه هزینه بخار را محاسبه کنیم

هزينه تولید بخار

اطلاع از هزینه تولید بخار به دلایل متعددی که همه آنها باعث بهبود شرایط کارخانه می شوند، حائز اهمیت است. پاره ای از آنها شامل موارد زیر است:

  • ارزیابی اقتصادی صحیح راندمان فرآیندهای مورد استفاده در هر کارخانه یا پروژه های بهبود ظرفیت تولید. در صورتی که هزینه محاسبه شده صحیح نباشد، ممکن است بسیاری از پروژه های ارتقای راندمان انرژی فراموش شده یا رد شوند.
  • منظور کردن آن بعنوان پایه ای برای بهینه سازی سیستم تولید بخار و کاهش هزینه ها
  • حصول برآورد صحیح برای تعریف پروژه های تولید ترکیبی برق و حرارت
  • بخار در صنعت کاربردهای مختلفی دارد:

تامین حرارت مورد نیاز در فرآیندها (فرآیندهای گرمایشی)

جهت های تامین خلاء

تامین نیروی محوری برای محرک های مکانیکی

تولید برق

تامین حرارت و رطوبت در سیستم تهویه مطبوع

در تجهیزات تولیدی کارخانه های صنعتی، غالبا فرآیندهای گرمایشی با بخار، بیش از ۶۰ درصد انرژی حرارتی مصرفی را تشکیل می دهند. همچنین این فرآیندها بخش قابل توجهی از هزینه های بهره برداری قابل کنترل را شامل می شوند.

لذا این موضوع یکی از فرصت های اصلی برای مدیریت و کاهش هزینه و افزایش سود به حساب می آید.

هزینه تولید بخار

برای تعیین هزینه واقعی بخار، لازم است جزئیات بیشتری از بخار مورد بررسی را بدانیم.

آیا ما در رابطه با بخار در نقطه مصرف صحبت می کنیم؟ یا در محل تولید؟ از کدام بویلر؟ در کدام سطح فشار یا با کدام کیفیت؟ میانگین هزینه های نهایی مورد بررسی است؟ اگر میانگین هزینه ها مورد بررسی باشد، آیا شامل هر دو هزینه های متغیر و ثابت می باشد یا صرفا هزینه های متغیر؟

مقاله مجله صنعت تاسیسات

علاوه بر این باید بین هزینه های تولید و هزینه های مصرف تمیز داده شود. اگر سایت تنها یک مولد بخار (بویلر) داشته باشد که یک نوع سوخت مصرف کرده و تنها در یک فشار کار کند، تعیین هزینه بخار نسبتا ساده است. اما در بسیاری از موارد، مولدهای بخار چندگانه با چند نوع سوخت مصرفی کار می کنند.

همچنین سطوح فشار بخار نیز متفاوت هستند که از روش های مختلف تامین می شوند. برای مثال فشار بخار با استفاده از شیرآلات تقلیل فشار یا توربین های بخار کاسته می شود. در چنین شرایطی محاسبه صحیح هزینه بخار بسیار پیچیده می شود.

روش های برآورد هزینه بخار

تاکنون محاسبات و برآوردها بر اساس چندین روش از جمله روش قانون دوم یا آنالیز انرژی، روش نلسون و روش شبیه سازی صورت گرفته است. در میان روش های مذکور، شیوه مدلسازی و شبیه سازی کامپیوتری بسیار راحت، قابل اعتماد و قوی تر می باشد.

در بسیاری از کارخانه ها هزینه عنوان شده برای بخار، هزینه متوسط تولید بخار برای نرخ خاصی از تولید می باشد. جمع هزینه های عملکردی از قبیل سوخت، آب، افزودنی های شیمیایی، نیروی انسانی، تعمیرات، کهولت و استهلاک، بهره و هزینه های بالاسری اداری و مدیریتی بر کل میزان بخار تولیدی تقسیم می گردد.

این روش ممکن است معیار مالی کلی، راحت و مناسبی باشد، اما بطور خاص برای مدیریت سیستم بخار در راستای کاهش هزینه ها مفید نیست.

برآورد هزینه بخار بر اساس نرخ تولید

لذا روش بهتری جهت محاسبات مذکور مورد نیاز است. یکی از مشکلات مهم بویژه در مجموعه هایی که با چند بویلر وچند سوخت کار می کنند و توربین بخار نیز دارند، برآورد هزینه بخار بر اساس نرخ تولید است.

این موضوع برای غالب افراد ملموس نیست. در این گزیده مقاله تخصصی، ما نشان می دهیم که چگونه می توان هزینه واقعی بخار را در نرخ های مختلف عملکردی فرآیند محاسبه نمود.

همچنین با ذکر مثالی روشن نشان داده می شود که تنها راه درست، برآورد هزینه بخار از روش مدلسازی سیستم بخار است. در شکل ۱، سیستم بخار ساده ای که از یک نمونه واقعی برگرفته شده به نمایش در آمده است.

در معادلات زیر، هزینه عملکرد بویلر co در ساعت بوده و فرآیند به s پوند بخار در ساعت (۱b/hr) نیاز دارد. برای تامین این مقدار بخار، ضروری است به میزانs(1+x) پوند بر ساعت بخار تولید شود که در آن ضریب x عددی از ۵ تا ۲۰% است. بنابراین دو فرمول مشخصی زیر برای تعیین هزینه بخار موجود خواهد بود:

Generating cost cg ,s/1b=co/(۱+x)s – (a)

(consumption cost cc ,s/1b=co/s -(b

کدام معادله هزینه باید استفاده شود؟ زمانی که به سیستم تولید با راندمان بالا تمایل داشته باشیم، معادله دوم زمانی استفاده می شود که تعیین هزینه واقعی کارکرد فرآیند مورد نظر بوده و در حال برآورد پروژه های بقای انرژی باشیم.

الف ) گام اول برآورد هزینه تولید بخار از دیگ بخار می باشد که دارای چندین مولفه است:

  1. سوخت (cf)
  2. تامین آب خام (cw)
  3. فراهم آوری آب تغذیه شامل تصفیه، سختی گیری و تخلیه مواد معدنی (cBFW)
  4. مصرف برق پمپ های تغذیه (CP)
  5. مصرف برق فن های احتراق (CA)
  6. هزینه های احتمالی تخلیه آب بلودان به فاضلاب (CB)
  7. تخلیه دوده ها (CD)
  8. کنترل انتشار آلاینده های زیست محیطی (CE)
  9. اقلام تعمیراتی و نیروی انسانی (CM)

محاسبه هزینه تولید بخار نسبتا ساده است. جمع هزینه های متغیر ایجاد بخار ، CG ، برابر است با جمع تک تک موارد فوق که به شکل دلار بر هزار پوند(S/K1b) تولید بخار بیان می گردد:

CG=CF+ cw+ cBFW+ CP+ CA+ CB+ CD+ CE+ CM

معمولا هزینه سوخت اصلی ترین مولفه معادله فوق بوده که ۹۰% جمع کل را شامل می گردد. این عدد به صورت زیر بدست می آید:

af×(HS-hw)/۱۰۰۰/ηB = CF

af= قیمت سوخت (S/MMBtu)

HS= آنتالپی بخار ،/۱b Btu

hw= آنتالپی آب تغذیه دیگ ، ،/b Btu

ηB= راندمان کلی دیگ بخار ، نسبت

اساسا راندمان کلی بویلر به میزان هوای تغذیه بویلر از دی اریتور بستگی دارد. چنین فرض می شود که دمای آب تغذیه دیگ در محیطی خارج از محوطه دیگ بخار بوسیله تبادل حرارت با یک جریان فرآیندی از دمای محیط تا دمای کندانس (معمولا در حدود ۲۰۰ ۰f) پیش گرم شود.

این پیش گرمایش در مجموعه بازیافت حرارتی آب بلودان دیگ بوسیله مبدل نیز امکان پذیر است. استفاده از بخار جهت پیش گرمایش آب تغذیه دیگ در شرایطی که انرژی ارزان باشد نیز انجام می پذیرد اما استفاده از حرارت اضافی فرایندها بجای آن باعث بهبود چشمگیر راندمان چرخه خواهد شد.

راندمان کلی دیگ بخار

اصولا راندمان کلی دیگ بخار تابعی از دمای نهایی گازهای حاصل از احتراق است که برای نمونه در شرایطی که نسبت هوای اضافه به عدد بهینه آن نزدیک باشد، در حدود ۸۰ تا ۸۵% خواهد بود.

در اصل لازم است تک تک مولفه های فوق برای شرایط خاص هر سایت با دقت و سختی زیاد محاسبه گردد. اما در عمل معمولا استفاده از فرمول تقریبی زیر کفایت می کند : ( CG= CF( ۱+۰.۳۰

عدد ۰.۳۰ بعنوان یک تقریب برای حاصل جمع مولفه های ۹ تا ۲ منظور شده است.

ب) دومین گام برآورد هزینه تولید بخار در فشارهای پایین تر است

تعیین هزینه مذکور بعلت وابسته بودن به روش تقلیل فشار از نقطه مصرف کمی مشکل است.

بخار فشار پایینی که معمولا توسط ایستگاه های تقلیل فشار حاصل می گردد، اساسا آنتالپی برابر با بخار فشار بالای اولیه دارد. بنابراین به حالت سوپرهیت درآمده و در کاربرد با تزریق کندانس به حالت اشباع باز می گردد.

در این صورت هزینه بخار فشار پایین (CL) از هزینه بخار فشار بالای مربوطه (CH) به روش زیر محاسبه می گردد:

hw( HSL-hw)/(HSH– )× CH = CL

HSL=آنتالپی بخار فشار پایین ، Btu/1b

HSH= آنتالپی بخار فشاربالا ، Btu/1b

در بعضی شرایط تامین بخار کم فشار از طریق ایستگاه های تقلیل فشار ناکارامد است. برای ظرفیت های بخار بالای ۵۰۰۰۰ ۱b/hr، معمولا عبور بخار فشار بالا از توربین و تامین بخشی از قدرت مورد نیاز در تولید بسیار موثرتر و مقرون به صرفه تر است.

در صورتی که بخار کم فشار از طریق توربین حاصل شده باشد، هزینه مربوطه به روش زیر محاسبه می گردد:

CH-۱۰۰۰×aE×( HSH– H*SL)/۳۴۱۳/ηTG = CL

aE=هزینه برقS/KWh

H*SL= آنتالپی بخار فشار پایین حاصل از انبساط ایزنتروپیک بخار فشار بالا ، Btu/b

ηT= راندمان ایزنتروپیک توربین بخار ، نسبت

ηG= راندمان ژنراتور ، نسبت

مشکل جدی به جامانده در این مرحله، تعیین هزینه درست برای افزایش یا کاهش مصرف بخار فشار پایین است که به چگونگی تقلیل فشار از نقطه تولید تا محل مصرف (از طریق شیر تقلیل فشار یا توربین بخار) وابسته می باشد.

تنها روش ممکن جهت برآورد دقیق در چنین شرایطی، تشکیل معادله بالانس انرژی و ماده و مدلسازی سیستم بخار خواهد بود.

 

محاسبه هزینه تولید بخار

مدل های بخار می توانند در سطوح مختلف تهیه شوند. مدلی که خیلی ساده باشد ممکن است قادر به تشخیص اثرات و تغییرات مهم نباشد. مدل هایی با جزئیات زیاد، ممکن است بدون دلیل بسیار پیچیده و یا گران بوده و در عین حال ابزار مفیدتری جهت تصمیم گیری های آتی نیز نباشند.

کارخانه شکر نشان داده شده در شکل ۲ که دارای هفت دیگ بخار ، چهار فشار کاری مختلف و سه توربو ژنراتور است نشان دهنده مهم ترین اجزاء جهت اکثر صنایع بوده و با تنها یک لوپ تکراری نتایج قابل قبولی را بدست می دهد.

بدین ترتیب هزینه متوسط تولید بخار تقریبا براحتی بدست می آید ولی هزینه های مصرف را چگونه می توان تخمین زد؟ در ابتدا لازم است تا تمایز بین هزینه های متوسط و هزینه موضعی و یا مرزی مشخص شود.

تعاریف پایه عبارتند از:

هزینه متوسط = هزینه کل بهره برداری/مصرف کل بخار=c۰/s

هزینه موضعی = هزینه راهبری موضعی/مصرف بخار موضعی=r c۰/r s

بمنظور انجام محاسبات بازیافت انرژی و پروژه های بهینه سازی و افزایش راندمان، هزینه مرزی باید محاسبه شود.

قدم اول تصمیم گیری در مورد پارامترهای راهبری پایه جهت سیکل های ترکیبی قدرت و حرارت نظیر: آهنگ بازگشت کندانس، بلودان بویلر، فشار دی اریتور، نوع سوخت، دمای کندانس، دمای آب تغذیه بویلر، پروفیل تقاضای بخار، فشارشکن ها و جریان توربین های بخار می‌باشد.

سپس از مدل مربوطه جهت برآورد هزینه های کل بهره برداری با توجه به مقادیر پایه مشابه جدول ۱ استفاده می شود. بعنوان مثال در صورت کاهش یا افزایش در مصرف بخار فشار پائین (۱۲ psig) نحوه تغییرات هزینه های کل بهره برداری چگونه خواهد بود؟

بدین منظور میزان مصرف بخار فرایند بصورت دستی تغییر داده شده و هزینه جدید راهبری سیستم توسط مدل مشخص می گردد.

مدل مذکور باید بتواند با توجه به تغییر در میزان تقاضای بخار بسته به چگونگی بهره برداری از سیستم در زمان های مختلف، نتایج دقیق را ارائه نماید. پاره های از این اطلاعات مهم سوالاتی مانند زیر می باشند:

آیا تقلیل فشار به کلکتور فشار پائین از طریق شیرشکن انجام می گیرد یا از طریق توربین های بخار؟ آیا درجه سوپرهیت مورد نیاز در خط تامین می شود؟

نوع سوخت و بویلرهای در حال کار بدرستی تعیین شده اند؟ آیا محدودیت های ظرفیتی تجهیزات در نظر گرفته شده اند؟ آیا محدودیت های ظرفیتی تجهیزات در نظر گرفته شده اند؟ آیا راندمان صحیح بویلرها و توربین ها به دقت وارد شده اند؟

روش محاسبه فوق با تغییر مجدد در پارامترهای ورودی مجددا تکرار شده و در نهایت نتایج در جدول ۲ وشکل ۳ خلاصه و درج شده اند.

جدول ۲، نشان می دهد که هزینه تولید بخار فشار پایین بصورت کاملا مشخص با تغییر در شرایط بهره برداری متفاوت می باشد زیرا در این شرایط مسیر ونحوه تامین بخار فشار پایین در داخل سایت تغییر می کند. در کمترین مصارف، در زمانی که مصرف بخار در حدود ۱۵۲/۸ k1b/hr می باشد، بویلر گازی شماره یک در حداقل ظرفیت خود (۳۰%) کار می کند.

در این شرایط با توجه به اینکه گاز گران ترین سوخت می باشد، بویلرهای شماره دو الی شش (با سوخت زغال سنگ) بسته به میزان بار در مدار وارد می شوند تا نیاز به بخار را براورده کنند. به نسبت توربو ژنراتورهای شماره دو و سه در حداقل میزان بار خود یعنی ۲۰k1b/hr و ۴۰ k1b/hr می باشند.

با افزایش تقاضای بخار، میزان بار در بویلرها افزایش یافته و همچنین جریان بخار در توربوژنراتور شماره سه تا حداکثر میزان خود یعنی ۱۱۰k1b/hr افزایش می یابد. با افزایش بیشتر تقاضا، جریان در توربو ژنراتور شماره دو نیز افزایش می یابد. در شرایط نسبتا زیاد درخواست بخار، بویلرهای زغال سوز در میزان ۸۵% تولید بخار خود قرار می گیرند.

اکنون افزایش بیشتر تقاضا باید توسط بویلر گازسوز جبران شود. پس از کسب حداکثر جریان در توربوژنراتور شماره دو تا اندازه ۶۰k1b/hr، تقاضای بیشتر باید از طریق شیرهای تقلیل فشار مابین خطوط فشار بالا و فشار پایین تامین گردد. در این حالت هزینه موضعی تامین بخار فشار پائین چشمگیری می یابد.

با ادامه افزایش مصرف بخار فشار پائین، بویلرهای زغال سوز مجددا با افزایش ظرفیت تا حداکثر میزان ایمن کاری در حدود ۹۵% بخار بیشتری را به مدار وارد می کنند.

توجه نمائید نوع سوخت مصرفی از زغال سنگ شروع شده، سپس به گاز سوئیچ کرده و مجددا به زغال سنگ بر می گردد. هزینه موضعی تولید بخار نه تنها به سوخت بستگی دارد بلکه به نوع مسیر خود بین نقطه تولید تا نقطه مصرف مرتبط است. نتایج جدول ۲ در شکل ۳ بصورت نمودار رسم شده است.

این نمودار نشان می دهد که هزینه بخار ثابت نبوده و در واقع با میزان مصرف(ونوع مسیر) می باشد.در این نمودار، نوع برنامه ریزی راهبری سیستم بصورت ضمنی گنجانده شده است. در مورد بخارهای فشار متوسط و فشار بالا نیز، نمودارهای مشابه جهت هزینه های مقطعی بخار تهیه می گردد.

نتیجه گیری

محاسبه هزینه واقعی بخار در سایت های بزرگ صنعتی به پارامترهائی نظیر: فشار کاری، نحوه تامین بخار فشار پائین و مسیر آن نوع سوخت، نوع بویلر، راندمان بویلرها و توربین ها، نوع پروفیل بهره برداری و …، وابسته است.

بنابراین نفرات محاسب پروژه و افراد تصمیم گیرنده، ضمن جلوگیری از پیچیده شدن مدل باید تمامی عوامل مهم و تاثیرگذار را در نظر بگیرند.

بعلت اینکه این عدد پارامتری مهم جهت تصمیم گیری های مدیریتی بمنظور ایجاد تغییرات در سیستم و یا اجرای پروژه های جدید است، حتما باید با دقت نظر خاص و در نظرگیری کلیه جوانب تعیین گردد.

 

مدل سازی

یک مدل شبیه سازی شده، نمایشی ریاضی از یک فرایند است که شامل اجزائی نظیر معادلات، محدودیت ها و فرض ها می گردد.

این مدل ارتباطات بین انرژی و جرم در اجزای اصلی سیستم نظیر سوخت، دیگ بخار، توربین های بخار، توربین های گاز، دی اریتورها، مخازن فلاش، دی سوپرهیترها، اکونومایزرها، مبدل های حرارتی و تجهیزات مصرف کننده بخار را بیان می کند.

بعنوان مثال در سیستم بخار شکل ۱، مقادیر ورودی و خروجی به محدوده واحد یوتیلیتی بخار عبارت است از:

جریان های ورودی: برگشت کندانس فرایند + آب تغذیه ورودی بویلر

جریان های خروجی: بخار مصرفی فرایند + بلودان + ونت بخار به اتمسفر بمنظور بالانس جرمی با صرف نظر از میزان تلفات، مقادیر ورودی و خروجی برابر در نظر گرفته می شوند. با این وجود در برخی از سیستم ها ممکن است میزان تلفات زیاد بوده که باید در محاسبات لحاظ شود.

عملیات مشابه جهت زیر مجموعه های کوچک تر نیز باید انجام پذیرد:

بویلر

تولید بخار + بلودان بویلر (قبل از ورود به مخزن فلاش ) = آب تغذیه ورودی به بویلر

کلکتور اصلی بخار(کلکتور بخار)

بخار خروجی بویلر = بخار خروجی جهت فرایند + بخار خروجی به سمت ایستگاه دی اریتور = آب جبرانی سیستم + مجموع کندانس برگشتی- ونت A

محاسبه هزینه بخار

بلودان بویلر در فشار و دمای کاری بویلر بوده و در زمان تخلیه به اتمسفر مقدار قابل توجهی بخار فلاش را تولید خواهد نمود. این بخار فلاش می تواند بمنظور استفاده جهت گرمایش دی اریتور بازیافت گردد.

معمولا بلودان بویلر به سمت مخزن فلاش با فشار دی اریتور هدایت شده و میزان گذر بخار با حرف C در شکل ۱ برابر صفر خواهد بود. بنابراین بالانس جرمی جهت مخزن فلاش بلودان برابر است با:

بلودان بویلر = بلودان بویلر خروجی مخزن فلاش + بخار فلاش خروجی به سمت دی اریتور

دی اریتور:

آب تغذیه ورودی بویلر = کندانس برگشتی از تانک کندانس + بخار ورودی از ایستگاه تقلیل فشار + بخار ورودی از طریق توربین های بخار + بخار فلاش حاصل از مخزن بلودان – ونت B

علاوه بر بالانس جرمی، بالانس های انرژی (آنتالپی) نیز جهت هر یک از سیستم ها در نظر گرفته شده و در نهایت مجموعه ترکیبی معادلات بصورت جبری حل خواهد شد.

بررسی عمومی بالانس ها نشان می دهد تعداد بیشتری از یک متغیر مجهول وجود داشته و بنابراین معادلات باید بصورت تکراری حل گردند.

 

مسئله با همگرا شدن محاسبات به سمت یک جواب مشترک حل خواهد شد. بدین منظور توصیه می شود تا در ابتدا برآورد اولیه ای از میران تولید بخار فرض شده و معادلات مربوط به آب جبرانی، برگشت کندانس، بلودان و آب تغذیه بویلر حل شده و سپس بالانس های مستقل جهت زیر مجموعه ها (کلکتور بویلر، مخزن فلاش بلودان تانک کندانس و دی اریتور) حل شوند.

پس از محاسبه میزان گذر بخار جدید، مقدار آن با حدس اولیه مقایسه شده و سپس محاسبات مجددا تکرار می شوند تا نتایج همگرا گردند.

هزینه خالص سیستم

هزینه خالص راهبری سیستم برابر خواهد بود با هزینه تولید بخار، منهای امتیاز تولید برق توسط توربین های بخار. در سیستم های ساده با گذر یکنواخت بخار، انجام محاسبات به تعداد یک مرتبه کافی است.
در صورت تغییر در محدوده ها یا مفروضات، محاسبات بصورت دوره ای تکرار می گردد. در این مورد حتی ممکن است نیازی به مدل کامپیوتری نیز نباشد.

مجموعه های صنعتی بزرگ معمولا پیچیده تر هستند: چندین بویلر، چندین نوع سوخت، چندین سطح فشار و مسیرهای فرعی بین سطوح فشار نظیر شیرهای تقلیل فشار یا توربین های بخار.

در اینگونه مجموعه ها نیاز است تا مدل کامپیوتری تهیه و چندین مرتبه در روز اجرا شود تا نتایج دقیق تری بدست آید.

 

! کپی ممنوع * استفاده از مطالب این سایت فقط با ذکر نام منبع بلامانع می باشد * کپی ممنوع !

فرم درخواست قیمت دریافت کاتالوگ مشتریان ما نقشه فنی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *