صرفه جويی سوخت در موتورخانه

رسیدن اوج قیمت نفت به بشكه ای 147 دلار در ماه جولای 2008 نشان داد كه قیمت های سوخت های با پایه نفتی بی ثبات بوده و در معرض نوسانات شدیدی قرار دارند.

از این رو لازم است مالكین دیگ ها و مهندسین تاسیسات نسبت به راندمان دیگ و آنچه كه باید برای کاهش مصرف سوخت موتورخانه انجام دهند، آگاهی كامل داشته باشند.

جدول 1، مقدار سوختی كه یك دیگ معمولی كوچك مصرف می‌كند را با هزینه سرمایه ای (هزینه اولیه) دیگ، مشعل و كنترل ها مورد مقایسه قرار می دهد.

داده های این جدول بر مبنای گاز طبیعی با قیمت 10 دلار بر یك میلیون بی تی یو (MBTU) و گازوئیل با قیمت 3/63 دلار بر گالن (0.97دلار بر لیتر) تنظیم شده اند.

همانطور كه در جدول دیده می شود، وقتی دیگ گازسوز با فاكتور ظرفیت 25% كار می كند، سالانه حداقل دو برابر هزینه اولیه خود، سوخت مصرف خواهد كرد.

آشنایی با موتورخانه ها

کاهش مصرف سوخت موتورخانه

دیگ گازوئیل سوز نیز هر ساله حداقل 4 برابر هزینه اولیه خود سوخت مصرف می كند. بهسازی های مشعل و كنترل احتراق به دلیل هزینه اولیه نسبتا پائین شان و تاثیر بالایی كه بر راندمان دیگ و صرفه جویی مصرف سوخت دارند، بر اساس کاهش مصرف حاصله در مصرف انرژی سریع ترین دوره استهلاك هزینه را برای مالكین دیگ ها فراهم می‌كنند.

 

درک تلفات گرمای دیگ

برای درك بهتر تاثیر كارایی مشعل و كنترل ها بر راندمان و در نتیجه کاهش مصرف سوخت موتورخانه، لازم است از تلفات گرمای دیگ آگاهی داشته باشیم.

با استفاده از داده های عملیاتی یك دیگ پكیج نمونه، راندمان دیگ مطابق با بخش PTC 4.1 انجمن مهندسین مكانیك آمریكا(ASME) تحت عنوان “مقررات تست توان برای واحدهای مولد بخار” محاسبه می شود و تلفات معمول دیگ به دست می آیند كه در جدول 2 نشان داده شده اند.

ASMEPTC4.1 شامل دستورالعمل هایی برای محاسبه راندمان دیگ بر اساس روش مستقیم خروجی بخار در مقابل ورودی گرما می‌باشد.

این همچنین راندمان دیگ توسط روش غیر مستقیم را محاسبه می كند كه طی آن تلفات دیگ به طور جداگانه محاسبه شده و با هم جمع زده می شوند.

روش محاسبه “توسط تلفات” فقط به محتوای اكسیژن و دمای دودكش نیاز دارد كه می توان آنها را به آسانی با یك آنالیزور احتراق پرتابل یا آنالیزور بكار رفته در كنترل های احتراق محاسبه نمود.

استاندارد ANSI Z21.13 نیز محاسبات راندمان برای دیگ آب گرم را تشریح كرده است. مكانیزم های تلفات در دیگ ها مشابهند. جدول 3 معادلات مورد استفاده برای محاسبه سه مورد از عمده ترین تلفات دیگ ها را نشان داده و مشخص می كند كه چگونه این تلفات می توانند تحت تاثیر كارایی دیگ مشعل قرار بگیرند.

كاهش تلفات دیگ ها

سه معادله‌ای كه در جدول 3 برای محاسبه تلفات مختلف دیگ نشان داده شده اند دارای چند جزء مشترك می باشند كه این یك راهبرد مشترك برای كاهش تلفات دیگ ها را پیشنهاد می كند كه شامل موارد زیر است:

• كاهش دادن دمای دودكش
• به حداقل رساندن سطوح هوای اضافه
• بالا بردن دمای آب تغذیه دیگ
• بالا بردن دمای هوای احتراق در مشعل

 

مشکلات دیگ آبگرم در سیستم حرارت مرکزی ساختمان

كاهش دمای دودكش

كاهش دمای دودكش و افزایش دمای آب تغذیه در سطح دیگ و با انتخاب یك دیگ راندمان بالای مجهز به اكونومایزر (یك مبدل حرارتی كه گرما را از گازهای خروجی از دودكش به آب تغذیه دیگ منتقل می كند-مترجم) محقق می شوند.

اگر یك دیگ بخار فاقد اكونومایزر باشد می توان آن را مورد بهسازی قرار داده و به اكونومایزر مجهز نمود. بنابر قاعده تجربی Kenneth Mekelvy از شركت Babcock and Wilcox هر 40⁰f یا 22⁰c كاهش در دمای دودكش معادل است با 1% افزایش راندمان دیگ یك اكونومایزر معمولا می‌تواند راندمان دیگ را 4% تا 6% افزایش دهد.

استفاده از یك گرمكن هوا برای بالا بردن دمای هوای احتراق یك امر معمول برای دیگ های یوتیلیتی است اما در مورد دیگ های پكیج انجام نمی شود. شبكه كانال مورد نیاز بسیار پرهزینه بوده و می تواند بر عملكرد NO_X پایین مشعل تاثیر بگذارد.

 

دودكش هوا

افزودن پیش گرمكن های هوا به دیگ های پكیج معمولا غیرعملی در نظر گرفته می شود. اما یك ترفند حرفه ای موسوم به “دودكش هوا” می تواند راندمان دیگ را افزایش دهد.

دودكش هوا صرفا كانالی است كه از ورودی هوای احتراق تا قسمت فوقانی موتورخانه كه هوای آن ممكن است 20⁰f یا 11⁰c گرمتر باشد، كشیده می شود. این اصلاح كم هزینه و صرفا مكانیكی راندمان دیگ را در موتورخانه های محصور افزایش خواهد داد.

 

تاثیر كاهش هوای اضافه مشعل بر صرفه جویی سوخت موتورخانه

یكی از مقرون به صرفه ترین راهبردهای صرفه جویی سوخت برای یك دیگ پكیج، بهسازی آن توسط یك مشعل با هوای اضافه پایین است.

مشعل های استانداردی كه معمولا توسط سازندگان دیگ عرضه می شوند دارای گارانتی عملكرد با هوای اضافه 15 تا 20 درصد فقط در نرخ اشتعال بالا هستند (هوای اضافه 5% تقریبا معادل 1% اكسیژن در دو دوكش است).

به دلیل اینكه 79 درصد هوای محیط خنثی و بی اثر است (شامل نیتروژن، آرگن، و بخار آب) بسیار مهم است كه مقدار سوخت تلف شده بابت گرم كردن هوایی كه بخش عمده آن خنثی است به حداقل برسد. مشعل های با كارایی بالا از اشتعال متوسط (midfire) تا اشتعال بالا (highfire) با 12/5 تا 15 درصد هوای اضافه عمل می كنند.

این عملكرد با هوای اضافه پایین تر در سراسر بار بزرگ دیگ موجب صرفه جویی قابل توجهی در سوخت خواهد شد، زیرا سوخت كمتری بابت گرم كردن هوای احتراقی كه بخش عمده آن خنثی است تلف می شود.

بسیاری از مشعل ها در محل پروژه تنظیم نمی شوند تا مقادیر تجویز شده برای هوای اضافه را برآورده سازند و مالكین دیگ ها نیز سازندگان دیگ را مسئول دستیابی به این مقادیر نمی دانند، مخصوصا در مورد مشعل های NO_X یا مونوكسیدكربن وضع و اعمال می گردند.

گاهی اوقات مقادیر تجویز شده برای Turndown مشعل و هوای اضافه قربانی می شوند.

 

مالكین دیگ ها (در ایالات متحده) چنانچه مقادیر مواد منتشره خارج از حدود مقرر باشند، مجاز نیستند كه دیگ ها را به كار اندازند. اما تنها تاوان عملكرد دیگ با هوای اضافه بیشتر از حد تجویز شده یا turndown كمتر از حد تجویز شده، مصرف اضافی سوخت خواهد بود.

اگرچه مصرف سوخت یكی از ملاحضات مهم به شمار می رود اما اهمیت آن كمتر از تهدیدی است كه از سوی سازمان های ناظر دولتی مبنی بر تعطیل كردن دیگ به دلیل تخطی از حد مجاز آلوده سازی هوا صورت می گیرد.

 

حتی برای مشعل هایی كه در محدوده مجاز مواد منتشره خود كار می كنند، تكنسین مسئول تنظیم دیگ باید هوای اضافه را پایش كرده و آن را با دمای بالاتر محیط، تغییرات در فشار سوخت و سایر تغییرات پیش بینی نشده ای كه بر استوكیومتری مشعل تاثیر می‌گذارند، منطبق سازد.

برای كاستن از میزان پایش هوای تازه، مشعل های جدید به سیستم كنترل احتراق مجهز می شوند كه می تواند تغییرات در شرایط محیط را موازنه و جبران كند (شكل1).

بسیار مهم است كه بدانیم گارانتی‌های راندمان سازندگان دیگ و محاسبات راندمان ASME PTC4.1 بر مبنای فرضیات زیر می باشند:

• دیگ بطور دستی روشن می‌شود.
• نرخ اشتعال در 100% ثابت می شود و به حالت پایدار می‌رسد.
• هیچ تغییراتی در شرایط محیطی اتفاق نمی‌افتد.

اما عملا دیگ های كمی تحت این شرایط كار می كنند. هدف از كاربرد كنترل های احتراق مشعل این است كه مشعل در شرایط واقعی تا حد امكان نزدیك به شرایط بهینه كار كند. صرف نظر از تغییر كردن بارهای دیگ، نوسان دمای محیط و سایر فاكتورهای محیطی.

 

سیستم های كنترل احتراق

سیستم های كنترل احتراق با قابلیت سنجش كامل قادرند سوخت و جریان هوا را پایش كرده و شیرهای سوخت و دمپرهای هوا را به نحوی تنظیم كنند كه نرخ های جریان مشعل علیرغم تغییر شرایط ثابت بمانند.

سیستم اصلاح كننده اكسیژن را نیز می توان به این سیستم ها اضافه كرد تا تضمین نماید كه نقطه تنظیم اكسیژن دودكش كه طی فرآیند “تحویل” مشعل تعیین می شود، در تمامی اوقات حفظ خواهد شد.

در گذشته سیستم های كنترل احتراق به دلیل هزینه اولیه بالای خود به دیگ های بزرگ واترتیوب محدود می شدند. اما امروزه سیستم های جدیدتر كنترل احتراق كه كنترل و سنجش كامل پارامترهای احتراق را همراه با جبران اكسیژن ارائه می دهند در قیمت های بسیار پایین تری عرضه می شوند (شكل2).

سیستم های كنترل احتراق از نوع وضعیت دهنده موازی قادرند اصلاح اكسیژن را بدون كنتورهای سوخت و هوا ارائه دهند. این سیستم ها بطور ایمن تغییر شرایط محیطی را جبران كرده و عملكرد بهینه با هوای اضافه پایی را در تمامی اوقات حفظ می كنند.
این سیستم ها بسیار مقرون به صرفه بوده و در حال حاضر اغلب برای دیگ های به كوچكی 1470 kw یا 150 hp بكار برده می شوند. (شكل 3)

 

بالا بردن دمای هوای احتراق در مشعل

تاثیر Turndown مشعل بر راندمان

Turndown مشعل از نظر صرفه جویی سوخت حائز اهمیت است، مخصوصا در طی شرایط بار پایین. مشعل ها معمولا با Turndown برابر 6:1 برای اشتعال با گاز طبیعی و Turndown برابر 4:1 برای اشتعال گازوئیل طراحی می شوند.

Turndown برابر 6:1 به این معنی است كه جریان سوخت در حالت اشتعال بالا (high-fire)، شش برابر جریان سوخت در حالت اشتعال پایین (low- fire) است.

در عمل بسیاری از مشعل ها در Turndown برابر 3:1 كار می كنند، یعنی در 33 درصد ورودی گرمای اشتعال بالا روشن می شوند. اگر نرخ اشتعال 33% بخار یا آب گرم بیشتری از بار سیستم تولید كند، مشعل نهایتا در فشار بالای بخار یا دمای بالای آب خاموش خواهد شد و كلیه تلفات مربوط به دوره های پس تخلیه، حالت استندبای و تخلیه مجددا ایجاد می شوند.

 

عوامل موثر در کاهش عمر دیگ

سیكل های مكرر روشن و خاموش شدن دیگ همچنین شوك حرارتی به لوله ها و مواد نسوز دیگ وارد كرده و باعث كوتاهی عمر دیگ می شوند. از آنجا كه دیگ ها معمولا بزرگتر از حد نیاز (5%بزرگتر) اندازه گیری می شوند، روشن و خاموش شدن سیكلی دیگ ها طی شرایط بار پایین امری شایع است.

هر بار كه دیگ خاموش می شود، هوای سرد احتراق را طی دوره های پس تخلیه و استندبای به داخل خود می كشد.

وقتی كه دیگ مجددا روشن می شود باید یك دوره تخلیه را طی كند كه در آن هوای سرد بیشتری داخل دیگ به گردش در می آید تا كوره را قبل از اشتعال از گازهای قابل احتراق تخلیه كند. كلیه گرمای تلف شده به این هوای سرد باید توسط مشعل هنگامی كه مجددا روشن می شود جبران گردد.

دیگ های كوچك طی دوره های بار پایین تا 10 بار در ساعت به صورت سیكلی روشن و خاموش می شوند. اما یك مشعل با كارایی بالا با Turndown برابر 10:1 برای گاز و Turndownبرابر8:1 برای گازوئیل بطور ایمن كار خواهد كرد.

نسبت Turndown برابر10:1 به این معنی است كه ورودی گرمای اشتعال پایین فقط 10 درصد ورودی گرمای اشتعال بالاست.

 

یك مشعل با Turndown بالا به احتمال بسیار زیاد طی شرایط بار پایین روشن باقی می ماند و متحمل تلفات سیكلی مشعل های معمولی نخواهد شد.

برای تعیین Turndown مشعل، دیگ را بر روی نرخ اشتعال دستی قرار دهید. آن را در اشتعال بالا قفل كنید و از روی كنتور سوخت، جریان سوخت را برای مدت زمان معین بسنجید. این عملیات را برای اشتعال پایین نیز تكرار كنید. سپس جریان سوخت اشتعال بالا را بر جریان سوخت اشتعال پایین تقسیم كنید. اگر مشعل یك كنتور اختصاصی گاز یا گازوئیل نداشته باشد، معادله برنولی راه مناسبی برای تعیین تقریبی Turndown مشعل هنگام اشتعال با گاز فراهم می كند.

برای این منظور كافی است كه فشار منیفولد گاز (واقع در پایین دست شیر كنترل جریان گاز ) را در اشتعال بالا اندازه گرفته و بر فشار منیفولد گاز در اشتعال پایین تقسیم كنید، و جذر آن را محاسبه نمائید، عددی كه بدست می آید Turndown مشعل خواهد بود.

 

تاسیسات چند دیگی

در تاسیسات چند دیگی با نصب یك كنترل كننده مدرن تقدم/تاخر می توان به صرفه جویی اضافی در مصرف سوخت دست یافت. یك سیستم كنترل معمولا فشار هدر یا ترانسیمتر دما را پایش كرده تعداد بهینه ای از دیگ ها را برای تامین بار موجود سیستم نباشد.

دیگ موخر را روی خط می آورد. به دلیل اینكه دیگ بخار و دیگ آبگرم غیر چگالشی در اشتعال بالا بیشترین راندمان را ارئه می دهند. كنترل كننده مقدم/موخر این دیگ ها را در بالاترین نرخ اشتعال ممكن بكار می اندازد تا بیشترین راندمان بدست آید.

دیگ های چگالشی در اشتعال پایین راندمان بالاتری دارند، بنابراین راهبرد مذكور برای دیگ های چگالشی معكوس می شود. با توجه به قیمت های بالای سوخت در ایالات متحده، كنترل ها و مشعل های با كارایی بالا در مقایسه با هزینه سوخت تلف شده توسط دیگ های معمولی ارزان می باشند.

مالكین دیگ هایی كه قبلا مشعل های كار آمد و كنترل های احتراق نصب كرده بودند هم اینك می توانند منافع آنها را برداشت كنند.

به دلیل بی ثباتی قیمت سوخت، باید این ضرب المثل قدیمی را به كار برد كه”به بهترین ها امیدوار باشید اما برای بدترین ها برنامه ریزی كنید.”

از : David

ماخذ:ASHARE JOUrnal

ترجمه:دكتر سیدعلی اكبر طباطبایی

 

برای کسب اطلاعات بیشتر مقالات مربوطه را مطالعه فرمایید:

صرفه جویی انرژی و مصرف سوخت

کاهش مصرف سوخت بویلر با نصب توربولاتور

سوخت رسانی دیگ بخار (steam pot) تولید برق نیروگاه

نگهداری دیگ بخار و کاهش مصرف سوخت -بخش اول

 

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

فرم درخواست قیمت دریافت کاتالوگ مشتریان ما نقشه فنی