بهینه سازی مصرف انرژی در کوره ها و دیگ های بخار با سیستم کنترل هوای اضافی

بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار

بهینه سازی مصرف انرژی در دیگ های بخار با سیستم کنترلی هوای اضافی

روش های بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار

امروزه روش های متنوعی برای بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار معرفی شده اند. صرفه جویی در سوخت به طرق مختلف صورت می پذیرد. روش های کم خرج مانند تنظیم دقیق،

مراقبت و نگهداری صحیح و روش های پرخرجی همچون نصب تاسیسات بازیافت حرارتی روی کوره، باعث کاهش سوخت مصرفی می گردد.

روش های موفقی که باعث این صرفه جویی گردیده اند عبارتند از :

کاهش هوای اضافی

افزایش بازیافت حرارتی بخش جابجایی

استفاده از لوله های پره دار

پیش گرم کردن هوای احتراق

 

  • سیستم کنترل هوای اضافی

هوای اضافی مهم ترین عامل در بازده حرارتی است. با وجود اینکه کاربرد هوای اضافی زیاد ،کنترل عملیات را ساده تر می نماید ولی میزان سوخت مصرفی و بالطبع مخارج حاصله افزونتر خواهد شد. سوخت اضافی صرف گرم کردن هوا از دمای محیط تا دمای گازهای داغ داخل کوره می شود.

امروزه با پیشرفت سیستم کنترل هوای اضافی، اکسیژن اضافی در گازهای داغ را می توان به ۲ الی ۳ درصد تقلیل داد. اگر مقدار اکسیژن اضافی از این مقدار کمتر شود، عمل احتراق ناقص صورت گرفته و دوده در محصولات احتراق مشاهده می شود. احتراق ناقص به شدت دمای شعله را کاهش می دهد و در نتیجه بازده کوره خیلی کم خواهد شد.

لذا در سوخت های گازی حتما باید میزان اکسیژن اضافی در بخش احتراق، معیار عملکرد کوره باشد. بنا به عرف طراحی، در کوره های با مکش طبیعی (Natural Draft) ،معمولا برای سوخت گازی حدود ۲۰% و برای سوخت نفتی ۲۵% هوای اضافی بکار برده می شود.

در کوره های با مکش اجباری (Forced Draft) به دلیل کنترل دقیق تر میزان هوا ، مقدار هوای اضافی برابر ۱۵% برای سوخت گازی و ۲۰% برای سوخت نفتی می باشد.

 

  • افزایش بازیافت حرارتی بخش جابجایی

یکی از روش های موثر در بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار امکان بازیافت حرارت از بخش جابجایی می باشد. این امر هنگامی که دمای گازهای داغ خیلی زیاد باشد، وجود دارد.

این عمل با افزایش تعداد ردیف لوله ها در بخش جابجایی جهت افزایش سطح حرارتی امکان پذیر است. نصب مبدل های حرارتی مکمل همچون پیش گرم کردن خوراک کوره ها و سوپر هیترهایی جهت تهیه بخار آب فوق اشباع در صنعت، اغلب از نظر اقتصادی مورد توجه می باشد.

باید در نظر داشت که افزایش سطوح حرارتی باعث کاهش دمای گازهای داغ و در نتیجه کاهش میزان مکش و افت فشار گازها خواهد شد که ممکن است به افزایش ارتفاع دودکش منتهی گردد.

  • استفاده از لوله های پره دار

با تعویض لوله های برهنه با لوله های پره دار، می توان بازده حرارتی کوره ها را تا ۱۰% بهبود داد. این عمل باعث کاهش دمای گازهای داغ تا حدود ۳۰۰*F می شود. تعویض این لوله ها باعث افزایش افت فشار گازهای داغ و کاهش مکش می گردد پس باید مقدار مکش دودکش را دقیقا ارزیابی نمود.

 

  • پیش گرم کردن هوای احتراق

پیش گرم کردن هوای احتراق نیز یکی از طرق بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار می باشد. هرچه دمای گازهای داغ دودکش کمتر باشد، افت حرارتی از طریق دودکش نیز کمتر خواهد بود.

لذا با پیش گرم کردن هوای احتراق، دمای گازهای داغ کاهش و بازده حرارتی کوره افزایش می یابد. لازم به ذکر است که این سیستم باعث حرارت بیش از حد در برخی نقاط بخش تابشی و تشکیل اکسیدهای ازت (Nox) بیشتری خواهد شد.

جهت دریافت فایل pdf مقاله لینک زیر را کلیک کنید:

افزایش بازده کوره ها و دیگ های بخار با سیستم های کنترلی هوای اضافی

 

گرمای احتراق یا ارزش حرارتی : Heat Of Combustion & Heating Value

ارزش حرارتی سوخت عبارت است از مقدار انرژی که در موقع سوختن کامل سوخت آزاد می شود. سوخت های حاوی ئیدروژن ،همواره دو ارزش حرارتی دارند بطوریکه اگر یک پوند سوخت در دمای ۶۰*F محترق شده و محصولات احتراق تا ۶۰*F سرد گردند، گرمای حاصله را ارزش حرارتی خالص (NHV) یا پائینی (LHV) می نامند. هرگاه بخار آب موجود در گازهای احتراق را در ۶۰*F تبدیل به آب نمائیم، گرمای حاصله را ارزش حرارتی ناخالص (GHV) یا بالایی (HHV) می گویند.

عموما ارزش حرارتی سوخت های گازی را توسط یک کالریمتر در فشار ثابت می توان بطور دقیق تعیین نمود. این ارزش حرارتی برای مواد خالص مشخص است و برای سوخت هایی که ترکیبی از چند ماده می باشند می توان با توجه به ارزش حرارتی اجزاء و درصد وزنی آنها، آن را محاسبه نمود.

همچنین مکلر ( Mekler )روابط ساده ای جهت تخمین ارزش حرارتی خالص و ناخالص سوخت های گازی برحسب چگالی Sp.Gr که نسبت وزن مولکولی گاز به وزن مولکولی هوا است، پیشنهاد نموده است :

HHV = 17887+57.5 *API – ۱۰۲۲۰*So

LHV = HHV – ۹۷۲۰ * H (Btu/lb) ” برای سوخت مایع ”

HHV = 215 + 1500 Sp.Gr

LHV = 155 + 1425 Sp.Gr (Btu/ft3) ” برای سوخت گاز”

Sp.Gr = Specific Gravity of gas = Mw gas/ Mw air = Mw gas/ 29

So و H درصد وزنی گوگرد و ئیدروژن می باشد.

آنالیز گازهای داغ حاصل از احتراق

شایع ترین دستگاه آنالیز محصولات احتراق، دستگاه ارسات می باشد. ولیکن در صنعت از دستگاه های خودکاری استفاده می گردد که بطور مداوم درصدهای دی اکسید کربن، منواکسید کربن، اکسیژن و مواد سوختی را نشان می دهند. اکثر این دستگاه ها تغییرات درصد مواد را بصورت آنالیز خشک ارائه می دهند.

جهت بدست آوردن رابطه بین درصد هوای اضافی و آنالیز گاز خروجی از دودکش بطریق ذیل عمل می شود:

معادله واکنش سوختن یک هیدروکربور بصورت زیر می باشد :

Cm Hn + ( m+n/4 ) O2 ———-à m CO2 + n/2 H2O

 

و اگر سوخت به همراه هوای اضافی (Exess Reactant) مصرف شده و درصد هوای اضافی E باشد ، معادله سوختن بصورت زیر خواهد بود :

۱۰۰ * هوای لازم/ هوای اضافی = % E

Cm Hn + (m+n/4) (1/0.21) (1+ %E /100) AIR ————à

m CO2 + n/2 H2O + 79/21 (m+n/4) (1+ %E /100) N2 + (m+n/4) ( %E /100) O2

 

معادله بالا بر اساس سوختن یک مول از یک سوخت در نظر گرفته شده و بنابراین مول گازهای حاصل احتراق نیز بدست آمده است.

برای ساده نمودن معادله ها و رسیدن به یک فرمول کلی بجای m , n از نسبت وزنی ئیدروژن به کربن که معادل n /12m = H/C می باشد استفاده میکنیم. در اینصورت جمع گازهای حاصل چنین است :

SUM. = (m+n/4)(79/21 + %E /21) + m + n/2 بصورت WET

——–à SUM. = m(1+3n/12m)(79/21 + %E /21) +m(1+ 6n/12m)

 

حال با تقسیم مقدار CO2& O2 به کل مقدار گازهای خروجی و تغییر شکل آنها، معادله های زیر بدست می آید:

WET Basis

“مول” کل گازهای خروجی = m{(1+3H/C)(79/21 + %E /21) + (1+6H/C)}

درصد اکسیژن در گازهای خروجی : %O2 =(1+3 H/C)%E *100/(1+3H/C)(79/21+%E/21)+(1+6H/C)

درصد دی اکسید کربن در گازهای خروجی : %CO2 = 100 / (1+3H/C)(79/21+ %E / 21) + (1+6H/C)

۲۱/ %O2-1 79 + 21(1+6H/C)/1+3H/C / %E = : درصد هوای اضافی برحسب % O2

: %E = {21(100/ %CO2 – (۱+۶H/C)) / (1+3H/C)}-79 درصد هوای اضافی بر حسب % CO2

 

با توجه به این فرمول ها سه نتیجه کلی بدست می آید :

۱- درصد هوای اضافی با مشخص بودن یکی از اجزاء گاز خروجی دودکش قابل محاسبه است.

۲- با افزایش درصد هوای اضافی، درصد اکسیژن در گازهای خروجی افزایش می یابد.

۳- با افزایش درصد هوای اضافی، درصد CO2 درگازهای خروجی کاهش می یابد.

 

انرژی های اتلافی

در این قسمت با توجه به روابط بین درصد هوای اضافی و آنالیز گازهای خروجی قسمت قبل، روشی را جهت بدست آوردن بازدهی بویلرها به روش غیر مستقیم دنبال می کنیم. انرژی های اتلافی یک بویلر عبارتند از :

۱- اتلاف انرژی توسط گازهای خروجی از دودکش ( FLUE GAS )

گازهای خروجی از دودکش عبارتند از، گازهای CO2 حاصل از احتراق ، اکسیژن O2 که بصورت اضافی جهت بهتر سوختن سوخت وارد شده است و نیتروژن N2 که توسط هوا وارد شده و بی هیچ تغییری با گرفتن حرارت خارج می شود.

علاوه بر این گازها، بخار آب نیز در گازهای خروجی از دودکش وجود دارد که قسمتی از آن، بخارآب حاصل ازاحتراق و قسمت دیگرآن بخارآبی است که در هوای ورودی به صورت رطوبت نسبی وجود دارد.

 

اتلاف انرژی توسط گازهای خروجی از دودکش بطریق زیر محاسبه می شود.

الف – اتلاف گازهای خشک ( O2 , N2 , CO2 ) : (L1)

برای محاسبه اتلاف ها، یک دما را بعنوان مبنای سنجش انتخاب می کنند. این دما معمولا دمای محیط (Ambient) می باشد. بنابراین اتلاف انرژی توسط گازهای خروجی عبارت است از ، انرژی اضافی که این گازها نسبت به دمای محیط دارا می باشند و از رابطه Q = m Cp ^T محاسبه می شود.

برای گازهای خشک می توان از یک Cp متوسط که حدود ۰.۲۴ Btu/lb*F است استفاده نمود. بنابراین اتلاف انرژی توسط گازهای خشک بقرار زیر است:

L1 = 0.24 ( جرم گاز خشک خروجی )( دمای گاز خروجی _ دمای محیط )

 

اهمیت دمای دودکش دیگ بخار

 

ب – اتلاف انرژی توسط بخار آب حاصل از احتراق : (L2)

برای محاسبه این اتلاف، در نظر می گیریم که آب تولیدی در دمای محیط به بخار تبدیل شده و سپس این بخار به دمای دودکش رسیده است. بنابراین داریم : ( Cp بخار آب برابر ۰.۴۶ Btu/lb*F میباشد).

L2 = جرم بخار آب { ۱۰۸۰ + ۰.۴۶( دمای گاز خروجی _ دمای محیط )}

 

ج – اتلاف انرژی توسط بخار آب همراه هوا : (L3)

برای بدست آوردن مقدار رطوبت هوا بایستی درصد رطوبت نسبی و دمای محیط را داشته باشیم. با مشخص بودن این دو مقدار می توان از معادله زیر درصد مولی رطوبت بدست آورد.

درصد مولی رطوبت : Y= درصد رطوبت نسبی *{۰.۰۸+۲.۸۱*۱۰ توان -۷*( دمای محیط *F)به توان ۳.۲۵}

۱۴.۷- درصد رطوبت نسبی {۰.۰۸+۲.۸۱*۱۰ توان -۷*(دمای محیط *F)توان ۳.۲۵}

وزن آب ورودی توسط هوا : Wa = 18 * Y * ( وزن هوای ورودی )

بنابراین اتلاف انرژی توسط بخار آب موجود در هوا بصورت زیر می باشد.

L3 = 0.46 *Wa *( دمای گاز خروجی از دودکش _ دمای محیط )

۲- اتلاف انرژی توسط تابش از دیواره ها : L4))

این اتلاف معمولا به مقدار بار حرارتی یک کوره و به سطوح آن بستگی دارد که در منحنی های ASME بیان شده است. می توان با داشتن بار حرارتی کوره از معادله زیر استفاده نمود:

L 4 = 10 به توان (۰.۶۲ – ۰.۱۸۲۴ log Q) Q = Duty mmBtu / HR

این مقدار معمولا ماکزیمم حدود % ۲ از انرژی می باشد.

۳- اتلاف های نا خواسته : (L5)

علاوه بر اتلاف هایی که ذکر شد، ممکن است بطرق دیگری نیز از قبیل نشتی هوا از دیواره های کوره و ۰۰۰ اتلاف هایی وجود داشته باشد که به شرایط دیگ بخار بستگی داشته و در محاسبات بازدهی بایستی منظور شود. (معمولا ۱ ~ ۲ درصد )

 

محاسبه اتلاف ها :

جهت بدست آوردن اتلاف های ذکر شده، اساس کار را یک پوند سوخت در نظر گرفته و محاسبات را انجام می دهیم.

الف – اتلاف گازهای خشک ( L1) :

L1 = 0.24( جرم گاز خشک )( دمای گاز خروجی _ دمای محیط )

با توجه به معادله کلی سوختن یک هیدروکربن، جرم گاز خشک بطریق زیر محاسبه می شود :

جرم گاز خشک = جرم هوای ورودی + جرم سوخت _ جرم بخار آب

جرم سوخت = ۱ lb Mw سوخت = ۱۲m + n

جرم هوای ورودی = ( m+n/4)(1+ E/100) /0.21 *29 /(12m+n) =11.508(1+3H/C)(1+E)/(1+H/C)

جرم بخار آب = ( n/2 * 18) /(12m+n) = (9* H/C) / ( 1+H/C)

جرم گاز خشک = ۱+۱۱.۵۰۸(۱+E) + (24.524(1+E) -8) * H/C / (1+H/C)

اگر دمای محیط را با Ta و دمای گازهای خروجی از دودکش را با Ts نشان دهیم، معادله اتلاف انرژی توسط گازهای خشک بصورت زیر بدست می آید.( برحسب *F )

L1 = 0.24{(12.508+11.508 %E) + (26.524+34.524 %E) * H/C} *(Ts-Ta) / (1+H/C)

 

ب – اتلاف انرژی توسط بخار حاصل از احتراق ( L2 ) :

L2 = جرم بخارآب ( ۱۰۸۰+۰.۴۶ ( دمای گاز خروجی – دمای محیط )

جرم بخار آب = ۹ H/C / 1+ H/C

————–à L2 = 9 H/C (1080 + 0.46( Ts-Ta)) / (1+H/C)

 

ج – اتلاف انرژی توسط بخار همراه هوا ( L3 ) :

با جانشین کردن مقدار جرم هوای ورودی بر حسب نسبت H/C در معادله زیر، این اتلاف بدست می آید :

L3 = 0.46* Wa* ( Ts – Ta )

————-à L3 = 3.286 *Y*(1+3H/C)(1+ %E)(Ts-Ta) / (1+H/C)

 

د – اتلاف های تابش دیواره ها و اتلاف های ناخواسته به نوع سوخت بستگی ندارد و تغییری در معادله L4 نیاز نیست.

محاسبه بازدهی یا راندمان دیگ های بخار

با توجه به معادله های بدست آمده برای اتلاف ها، راندمان را از معادله زیر بدست می آورند.

% Eff. = HHV – ( L1+L2+L3+L4+L5 )*100 / HHV

OR % Eff. = LHV – ( L1 +L2+L3+L4+L5 )*100 / LHV

= ۱۰۰ – ( % L1+ % L2+ % L3+ % L4+ % L5 )

تعیین H/C :

نسبت H/C برای ترکیب چند سوخت به روش زیر محاسبه می شود :

Xi = Wi / SUM. Wi : نسبت وزنی سوخت i

Hi = (H/C)i / [1+(H/C)i] : مقدار ئیدروژن دریک پوند سوخت i

۱ / [۱+(H/C)i] : Ci =مقدارکربن دریک پوند سوخت i

H/C = SUM. Xi Hi / SUM. Xi Ci : نسبت H/C برای ترکیب چند سوخت

 

Data های لازم جهت محاسبه بازدهی دیگ های بخار :

مواردی که در جهت بررسی بازدهی دیگ های بخار به آنها نیاز می باشد عبارتند از :

آزمایش گازهای خروجی از دودکش، تست کروماتوگراف از سوخت مصرفی دیگ های بخار، دمای محیط (Ta) ، دمای گاز دودکش (Ts) ،درصد رطوبت نسبی در هنگام تست گازهای دودکش و بار ( LOAD) بویلر در همان زمان مشخص میباشد.

جهت مثال، تست هایی که از BOILER `B` در یک زمان معین گرفته شده اند، به قرار زیرند :

Ta : 37*C & Ts : 337*C & % رطوبت نسبی : ۶۰ & LOAD : 25 ton/hr

CO2 : 4.8 & O2 : 12.4 & CO : 0.6 & N2 : 82.2

 

همچنین تست کروماتوگرافی بعمل آمده از سوخت دیگ های بخار ( L.P.Fuel Gas) و محاسبات آن بشرح زیر می باشد. ( برای تعیین H/C کل سوخت )

Component Formula(CmHn) mole% mass%(Xi) H/Ci وزنی `H`: Xi*H/C /1+H/C `C` : Xi*1 /1+H/C

Nitrogen N2 1.16 1.17 – – در واکنش شرکت نمی کنند

Dioxid carbon CO2 1.03 1.63 – – –

Methan CH4 54.38 31.29 0.33 7.764 23.526

Ethan C2H6 18.57 20.03 0.25 4.006 16.024

Propane C3H8 14.90 23.58 0.22 4.252 19.328

Iso-butane C4H10 3.31 6.90 0.21 1.198 5.702

N-butane C4H10 4.24 8.84 0.21 1.534 7.306

Iso-pantane C5H12 1.27 3.29 0.20 0.548 2.742

N-pantane C5H12 0.68 1.76 0.20 0.293 1.467

Hegzan C6H14 0.30 0.93 0.194 0.151 0.779

Heptan + C7H16 0.16 0.58 0.19 0.093 0.487

۱۰۰ lb mole 100 lbm 19.839 lbm 77.361 lbm

————–à H/C = 0.256 برای کل سوخت

 

کل جرم سوخت : m = SUM. (mole % * Mw) =2780.68

& Mw ave. = m / n = 2780.68 /100 = => Mw ave. = 27.81

همچنین : Hi = 19.839 & 0.19839 *27.81 = 5.52 و ۵.۵۲/۱ = ۵.۵۲ تعداد ئیدروژن

& Ci = 77.361 & 0.77361 *27.81 = 21.52 و ۲۱.۵۲/۱۲ = ۱.۷۹ تعداد کربن

======è FORMULA : C 1.79 H 5.52 فرمول کلی سوخت مصرفی بویلر

 

با توجه به این فرمول مشخص است که این سوخت مصرفی به هیدروکربن اتان نزدیکتر می باشد .

اما جهت بدست آوردن ارزش حرارتی سوخت مصرفی بطریق زیر عمل می کنیم :

Specific gravity gas = Mw gas / Mw air = 27.81 / 29 = 0.96

طبق روابط Mekler for fuel gas :

NHV OR LHV = 155 + 1425 Sp.G = 1523 Btu /ft3

GHV OR HHV = 215 + 1500 Sp.G = 1655 Btu /ft3

طبق جداول خواص ئیدروکربن ها : ارزش حرارتی خالص ارزش حرارتی ناخالص

Btu/ft3 Btu/lb Btu/ft3 Btu/lb

متان ۹۱۰ ۲۱۵۴۰ ۱۰۱۱ ۲۳۹۲۰

اتان ۱۶۱۹ ۲۰۴۵۰ ۱۷۷۰ ۲۲۳۵۰

پس با در نظر گرفتن خواص سوخت اتان ، ارزش حرارتی سوخت فوق عبارت است از :

NHV OR LHV = 19237 Btu/lb

GHV OR HHV = 20898 Btu/lb

برای تعیین درصد Exess Air از فرمول قبلی بر حسب % O2 استفاده می کنیم(درحالت Dry Basis ).

% E = [79+( 21/1+3H/C)] / [21/ O2-1] ====è % E = 49.34

= m[(1+3H/C)(79/21 + %E /21)+1] = 21.13 mole کل گازهای خروجی بر حسب مول( Dry Basis )

 

تعیین انرژی های اتلافی :

FOR 1 lb fuel gas :

L1 = 0.24 * [(12.508 + 11.508 %E) + (26.524+ 34.524 %E)*H/C]*(Ts – Ta) / 1+H/C

======è L1 = 3027

L2 = 9 * 0.256/1.256 ( 1080 + 0.46 ( 638.6 – ۹۸.۶ ))

======è L2 = 2436.8

درصد مولی رطوبت : Y = 0.6 * [ 0.08+ 2.81*10 توان -۷ *(۹۸.۶) توان ۳.۲۵ ]

۱۴.۷- ۰.۶*[ ۰.۰۸+۲.۸۱*۱۰ توان -۷ *(۹۸.۶)توان ۳.۲۵]

======è Y = 0.04

L3 = 3.286 * 0.04 * [ (1+ 3*0.256)(1+ 0.4936) / 1.256 ] * ( 638.6 – 98.6 )

======è L3 = 149.2

با در نظر گرفتن ۰.۵% اتلاف انرژی توسط تابش از دیواره ها و ۰.۵% اتلاف های ناخواسته ، داریم :

====== è L4 = 0.5% & L5 = 0.5%

با این شرح درصد اتلاف انرژی برای L1 & L2 & L3 بدین قرار می باشد :

L1 = 3027*100 / 19237 ====è L1 = 15.8%

L2 = 2436.8*100 / 19237 ====è L2 = 12.7%

L3 = 149.2*100 / 19237 ==== è L3 = 0.8%

=è Eff.% =100-( L1+L2+L3+L4+L5)== è LHV Eff.% = 70 %راندمان بویلر

دیدگاهتان را بنویسید

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