بهينه سازی مصرف انرژی در کوره ها و ديگ های بخار با سیستم کنترل 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 اینكه كاربرد هوای اضافی زیاد ،كنترل عملیات را ساده تر می نماید ولی میزان سوخت مصرفی و بالطبع مخارج حاصله افزونتر خواهد شد. سوخت اضافی صرف گرم كردن هوا از دمای محیط تا دمای گازهای داغ داخل كوره می شود.

امروزه با پیشرفت سیستم کنترل هوای اضافی، اكسیژن اضافی در گازهای داغ را می توان به 2 الی 3 درصد تقلیل داد. اگر مقدار اكسیژن اضافی از این مقدار كمتر شود، عمل احتراق ناقص صورت گرفته و دوده در محصولات احتراق مشاهده می شود. احتراق ناقص به شدت دمای شعله را كاهش می دهد و در نتیجه بازده كوره خیلی كم خواهد شد.

لذا در سوخت های گازی حتما باید میزان اكسیژن اضافی در بخش احتراق، معیار عملكرد كوره باشد. بنا به عرف طراحی، در كوره های با مكش طبیعی (Natural Draft) ،معمولا برای سوخت گازی حدود 20% و برای سوخت نفتی 25% هوای اضافی بكار برده می شود. در كوره های با مكش اجباری (Forced Draft) به دلیل كنترل دقیق تر میزان هوا ، مقدار هوای اضافی برابر 15% برای سوخت گازی و 20% برای سوخت نفتی می باشد.

 

• افزایش بازیافت حرارتی بخش جابجایی

یکی از روش های موثر در بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار امكان بازیافت حرارت از بخش جابجایی می باشد. این امر هنگامی كه دمای گازهای داغ خیلی زیاد باشد، وجود دارد. این عمل با افزایش تعداد ردیف لوله ها در بخش جابجایی جهت افزایش سطح حرارتی امكان پذیر است.

نصب مبدل های حرارتی مكمل همچون پیش گرم كردن خوراك كوره ها و سوپر هیترهایی جهت تهیه بخار آب فوق اشباع در صنعت، اغلب از نظر اقتصادی مورد توجه می باشد. باید در نظر داشت كه افزایش سطوح حرارتی باعث كاهش دمای گازهای داغ و در نتیجه كاهش میزان مكش و افت فشار گازها خواهد شد كه ممكن است به افزایش ارتفاع دودكش منتهی گردد.

• استفاده از لوله های پره دار

با تعویض لوله های برهنه با لوله های پره دار، می توان بازده حرارتی كوره ها را تا 10% بهبود داد. این عمل باعث كاهش دمای گازهای داغ تا حدود 300*F می شود. تعویض این لوله ها باعث افزایش افت فشار گازهای داغ و كاهش مكش می گردد پس باید مقدار مكش دودكش را دقیقا ارزیابی نمود.

 

• پیش گرم كردن هوای احتراق

پیش گرم كردن هوای احتراق نیز یكی از طرق بهینه سازی مصرف انرژی دیگ بخار می باشد. هرچه دمای گازهای داغ دودكش كمتر باشد، افت حرارتی از طریق دودكش نیز كمتر خواهد بود. لذا با پیش گرم كردن هوای احتراق، دمای گازهای داغ كاهش و بازده حرارتی كوره افزایش می یابد. لازم به ذكر است كه این سیستم باعث حرارت بیش از حد در برخی نقاط بخش تابشی و تشكیل اكسیدهای 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 كه در موقع سوختن كامل سوخت آزاد می شود. سوخت های حاوی ئیدروژن ،همواره دو ارزش حرارتی دارند بطوریكه اگر یك پوند سوخت در دمای 60*F محترق شده و محصولات احتراق تا 60*F سرد گردند، گرمای حاصله را ارزش حرارتی خالص (NHV) یا پائینی (LHV) می نامند. هرگاه بخار آب موجود در گازهای احتراق را در 60*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 یك كالریمتر در فشار ثابت می توان بطور دقیق تعیین نمود. این ارزش حرارتی برای مواد خالص مشخص است و برای سوخت هایی كه تركیبی از چند ماده می باشند می توان با توجه به ارزش حرارتی اجزاء و درصد وزنی آنها، آن را محاسبه نمود.

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

HHV = 17887+57.5 *API – 10220*So

LHV = HHV – 9720 * 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. ولیكن در صنعت از دستگاه های خودكاری استفاده می گردد كه بطور مداوم درصدهای دی اكسید كربن، منواكسید كربن، اكسیژن و مواد سوختی را نشان می دهند. اكثر این دستگاه ها تغییرات درصد مواد را بصورت آنالیز خشك ارائه می دهند.

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

معادله واكنش سوختن یك هیدروكربور 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 :

100 * 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 یك مول از یك سوخت در نظر گرفته شده و بنابراین مول گازهای حاصل احتراق نیز بدست آمده است.

برای ساده نمودن معادله ها و رسیدن به یك فرمول كلی بجای m , n از نسبت وزنی ئیدروژن به كربن كه معادل n /12m = H/C می باشد استفاده میكنیم. 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 كل مقدار گازهای خروجی و تغییر شكل آنها، معادله های زیر بدست می آید:

WET Basis

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

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

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

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

: %E = {21(100/ %CO2 – (1+6H/C)) / (1+3H/C)}-79 درصد هوای اضافی بر حسب % CO2

 

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

1- درصد هوای اضافی با مشخص بودن یكی از اجزاء گاز خروجی دودكش قابل محاسبه است.

2- با افزایش درصد هوای اضافی، درصد اكسیژن در گازهای خروجی افزایش می یابد.

3- با افزایش درصد هوای اضافی، درصد CO2 درگازهای خروجی كاهش 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 كنیم. انرژی های اتلافی یك بویلر عبارتند از :

1- اتلاف انرژی توسط گازهای خروجی از دودكش ( FLUE GAS )

گازهای خروجی از دودكش عبارتند از، گازهای CO2 حاصل از احتراق ، اكسیژن O2 كه بصورت اضافی جهت بهتر سوختن سوخت وارد شده است و نیتروژن N2 كه 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 دودكش وجود دارد كه قسمتی از آن، بخارآب حاصل ازاحتراق و قسمت دیگرآن بخارآبی است كه در هوای ورودی به صورت رطوبت نسبی وجود دارد.

 

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

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

برای محاسبه اتلاف ها، یك دما را بعنوان مبنای سنجش انتخاب می كنند. این دما معمولا دمای محیط (Ambient) می باشد. بنابراین اتلاف انرژی توسط گازهای خروجی عبارت است از ، انرژی اضافی كه این گازها نسبت به دمای محیط دارا می باشند و از رابطه Q = m Cp ^T محاسبه می شود. برای گازهای خشك می توان از یك Cp متوسط كه حدود 0.24 Btu/lb*F است استفاده نمود. بنابراین اتلاف انرژی توسط گازهای خشك بقرار زیر است:

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

 

اهمیت دمای دودکش دیگ بخار(توربولاتور)

 

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

برای محاسبه این اتلاف، در نظر می گیریم كه آب تولیدی در دمای محیط به بخار تبدیل شده و سپس این بخار به دمای دودكش رسیده است. بنابراین داریم : ( Cp بخار آب برابر 0.46 Btu/lb*F میباشد).

L2 = جرم بخار آب { 1080 + 0.46( 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 *{0.08+2.81*10 توان -7*( دمای محیط *F)به توان 3.25}

14.7- درصد رطوبت نسبی {0.08+2.81*10 توان -7*(دمای محیط *F)توان 3.25}

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 دودكش _ دمای محیط )

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

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

L 4 = 10 به توان (0.62 – 0.1824 log Q) Q = Duty mmBtu / HR

این مقدار معمولا ماكزیمم حدود % 2 از انرژی می باشد.

3- اتلاف های نا خواسته : (L5)

علاوه بر اتلاف هایی كه ذكر شد، ممكن است بطرق دیگری نیز از قبیل نشتی هوا از دیواره های كوره و 000 اتلاف هایی وجود داشته باشد كه به شرایط دیگ بخار بستگی داشته و در محاسبات بازدهی بایستی منظور شود. (معمولا 1 ~ 2 درصد )

 

محاسبه اتلاف ها

جهت بدست آوردن اتلاف های ذكر شده، اساس كار را یك پوند سوخت در نظر گرفته و محاسبات را انجام می دهیم.

الف – اتلاف گازهای خشك ( L1)

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

با توجه به معادله كلی سوختن یك هیدروكربن، جرم گاز خشك بطریق زیر محاسبه می شود :

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

جرم سوخت = 1 lb Mw سوخت = 12m + 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 خشك = 1+11.508(1+E) + (24.524(1+E) -8) * H/C / (1+H/C)

اگر دمای محیط را با Ta و دمای گازهای خروجی از دودكش را با Ts نشان دهیم، معادله اتلاف انرژی توسط گازهای خشك 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 ( 1080+0.46 ( دمای گاز خروجی – دمای محیط )

جرم بخار آب = 9 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 كردن 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

= 100 – ( % L1+ % L2+ % L3+ % L4+ % L5 )

تعیین H/C :

نسبت H/C برای تركیب 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 دریك پوند سوخت i

1 / [1+(H/C)i] : Ci =مقداركربن دریك پوند سوخت i

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

 

Data های لازم جهت محاسبه بازدهی دیگ های بخار :

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

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

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

Ta : 37*C & Ts : 337*C & % رطوبت نسبی : 60 & LOAD : 25 ton/hr

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

 

همچنین تست كروماتوگرافی بعمل آمده از سوخت دیگ های بخار ( L.P.Fuel Gas) و محاسبات آن بشرح زیر می باشد. ( برای تعیین H/C كل 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 واكنش شركت نمی كنند

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

100 lb mole 100 lbm 19.839 lbm 77.361 lbm

————–à H/C = 0.256 برای كل سوخت

 

كل 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 5.52/1 = 5.52 تعداد ئیدروژن

& Ci = 77.361 & 0.77361 *27.81 = 21.52 و 21.52/12 = 1.79 تعداد كربن

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

 

با توجه به این فرمول مشخص است كه این سوخت مصرفی به هیدروكربن اتان نزدیكتر می باشد .

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

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 ئیدروكربن ها : ارزش حرارتی خالص ارزش حرارتی ناخالص

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

متان 910 21540 1011 23920

اتان 1619 20450 1770 22350

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 كنیم(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 كل 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 – 98.6 ))

======è L2 = 2436.8

درصد مولی رطوبت : Y = 0.6 * [ 0.08+ 2.81*10 توان -7 *(98.6) توان 3.25 ]

14.7- 0.6*[ 0.08+2.81*10 توان -7 *(98.6)توان 3.25]

======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 0.5% اتلاف انرژی توسط تابش از دیواره ها و 0.5% 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