صرفه جويی با به سازی مشعل

اگر پکیج بویلر/مشعل شما شبیه بیش از 200000 پکیج دیگ بخار صنعتی تجاری باشد که هم اکنون در حال کارند. احتمالا متجاوز از 20 سال عمر دارد. چنین پکیجی به احتمال زیاد فقط با راندمان 60 تا 70 درصد کار می کند و مقادیر متنابعی سوخت و پول با هر دقیقه کارکرد اینگونه تجهیزات به هدر می روند. هدر دادن غیرضروری پول آن هم در جو اقتصادی حاکم غیرقابل قبول است.

اگرچه یک پکیج بویلر جدید به این مشکل سر و سامان می دهد، اما چنین سرمایه گذاری کلانی (معمولا 100000دلار یا بیشتر) با توجه به بحران اقتصادی فعلی ممکن است به سختی قابل توجیه باشد. خوشبختانه با بهسازی و ارتقای کارایی پکیج بویلرهای موجود که کم هزینه تر تمام می شوند می توان راندمان را افزایش و مصرف سوخت را کاهش داد.

با فرض اینکه مخزن بویلر در وضعیت خوبی باشد. بهترین فرصت برای کاستن از مصرف سوخت موتورخانه و هزینه های برق عبارت از بهسازی مشعل، اجزای مشعل و کنترل ها می باشد. این مقاله انواع گزینه های بهسازی مشعل را مورد بررسی قرار می دهد.

• تعویض مشعل

مشعل عامل اصلی مصرف سوخت و هزینه های یک سیستم بویلر است. یک مشعل معمولا بعد از 20 سال سرویس دهی فرسوده می شود. اجزای مکانیکی مشعل از قبیل اتصالات لینکیج (لینکیج اهرم یا بازوی متحرکی است که از آن برای کنترل نسبت هوا به سوخت استفاده می شود-مترجم)، بادامک ها و سایر قطعات متحرک، مستهلک می شوند و توانایی مشعل در کنترل دقیق نسبت هوا به سوخت افت می کند.

نتیجه چنین وضعیتی عموما بعنوان “پسماند”شناخته می شود که به نوبه خود منجر به آن می گردد که مشعل در حفظ سطوح مطلوب هوای اضافه در سراسر دامنه اشتعال به منظور احتراق بهینه ناتوان شود.

هوای اضافه بالاتر به منزله راندمان احتراق پایین تر است. یک مشعل کهنه متحمل مسائل دیگری نیز می شود از جمله: گرفتگی یا خراب شدن نازل ها و اریفیس های گاز و خرابی سایر اجزای راس احتراق که مسئول اختلاط صحیح سوخت و هوا هستند.

همه اینها منجر به سوختِ سوزانده نشده (مونوکسید کربن، هیدروکربن، و غیره) و سطوح هوای اضافه بالاتر از حد نیاز می شوند که نهایتا موجب کارایی ضعیف، کاهش راندمان کلی صرف هزینه های غیرضروری خواهد شد.

اگر یک مشعل دارای قطعات فرسوده بسیار زیادی بوده یا از فناوری منسوخی برخوردار باشد، افزون کنترل های جدید احتمالا چاره ساز مشکلات زیربنایی نخواهد بود. در عوض، مشعل قدیمی را می توان با یک مشعل جدید که واجد کنترل های پیشرفته ، قابلیت Turndown بالاتر (Turndown عبارت است از نسبت ظرفیت در اشتعال کامل به پایین ترین نقطه اشتعال قبل از خاموشی مشعل)، و مقتضیات هوای اضافه پایین تر باشد تعویض نمود.

بسته به فاکتورهای مختلف منحصربه فرد هر سیستم،تعویض یک مشعل می تواند سوخت را 5 تا 10 درصد کاهش دهد. مشعل های قدیمی همچنین با مقررات جدید و سخت گیرانه تر انتشار آلاینده ها که توسط سازمان محیط زیست آمریکا (EPA) وضع شده اند، سازگاری ندارند.

برای سیستم هایی که شامل مشعل کهنه هستند، تهدید جرائم مالی تخطی از استانداردهای EPA شاید خیلی بیشتر نمود پیدا کند تا چربش احتمالی هزینه اولیه تعویض مشعل های قدیمی با مدل های جدیدتر که آلاینده های بسیار منتشر می کنند.

• Turndown بالا

تعویض یک مشعل قدیمی با یک مشعل جدید که واجد قابلیت Turndown بالا باشد یکی از سودمندترین بهسازی های موجود است. در حالی که مشعل های قدیمی معمولا در دامنه Turndown باریکی کار می کنند، مشعل های با Turndown بالا حتی در نرخ های اشتعال پایین تر به عملکرد خود ادامه می دهند تا بارهای کمتر را تامین نمایند.

یک مشعل با قابلیت Turndown بالاتر سیکل های کمتری را تجربه می کند. قبل از هر سیکل اشتعال، یک مشعل باید یک “پیش تخلیه” کنترل شده خودکار را سپری کند که طی آن هوای تازه از داخل مجاری گاز دودکش برای مدت زمان مشخص دمیده می شود.

بسته به چند فاکتور از قبیل کسب تائیدیه های بیمه و سازمان های نظارتی (در ایالات متحده)، ممکن است لازم باشد مشعل یک مرحله “پس تخلیه را نیز طی کند. این تخلیه ها کوره را از شر هرگونه سوخت سوزانده نشده ای که ممکن است انباشته شده باشد در شرایط کنترل نشده ای محترق شود،خلاص می سازند.

در بسیاری کاربردها، پس از تخلیه باید به محض اینکه یک بار تامین گردید آغاز شود که بعد از آن، مشعل به خاموشی با وضعیت استندبای می رود هر زمانی که هوای خنک تر به داخل یک دیگ یا مبدل حرارتی دمیده می شود از اتلاف گرما اتفاق می افتد.

بنابراین مشعل در سیکل های اشتعال بعدی باید دمای آب یا سیال گرم شونده را بالاتر ببرد تا تلفات گرمایی مربوط به پیش تخلیه و پس تخلیه را جبران کند. موتور بادزن نیز باید برای هر تخلیه فعال شود که این هم بر هزینه های غیرضروری انرژی می افزاید.

مشعل های با قابلیت Turndown می توانند وقوع ایت سیکل ها و هزینه های مربوطه را بطور چشمگیری کاهش دهند. در صورت استفاده از یک مشعل با Turndown بالا ،دیگ هنگامی که یک سیکل جدید آغاز می شود گرمتر خواهد بود که این، مقدار انرژی مورد نیاز برای برگشتن به نقطه تنظیم را کاهش می دهد.

علاوه بر این، حین نوسان مشعل جهت تامین فشار یا دمای مطلوب یک مشعل با Turndown بالا به احتمال خیلی کمتری از نقطه تنظیم مطلوب فراتر می رود و بدین ترتیب مانع اتلاف سوخت بیشتر می‌شود. سیکل ها همچنین به منزله کاهش خرابی ناشی از خستگی سیکلی می باشد که این نیز موجب کاهش هزینه های نگهداری خواهد شد.

• ارتقای کارایی مشعل موجود

اگر یک مشعل استانداردهای انتشار آلاینده ها را رعایت کرده و از توانایی رضایت بخشی در حفظ سطوح مطلوب هوای اضافه در سراسر دامنه اشتعال خود برخوردار باشد، در این صورت کاندیدای مناسبی برای ارتقای کارایی با انواع فناوری های بهسازی خواهد بود.

کنترل‌های جدید مشعل شامل “کنترل کننده با منطق برنامه پذیر “(plc) یا فناوری مبتنی بر ریزپردازنده، فرصت های بیشتری را جهت بهبود کارایی و راندمان یک پکیج دیگ بخار ، دیگ آب گرم و دیگ روغن داغ از طریق کنترل دقیق ارائه می دهند.

• وضعیت دهی موازی

کنترل های سنتی از سیستم وضعیت دهی “تک نقطه ای “(شکل1) استفاده می کنند که شامل شفت ها و لینکیج هایی برای کنترل نسبت هوا به سوخت در سراسر دامنه اشتعال است: در حالی که در سیستم وضعیت دهی موازی (شکل2) امکان کنترل مستقل جریان هوا و سوخت (از طریق محرک های مستقل ) را فراهم می کند. به دلیل اینکه با این سیستم می توان نسبت های مطلوب و دقیق هوا به سوخت را در هر نقطه از دامنه اشتعال تنظیم نمود، اکسیداسیون صحیح تضمین می گردد.

سیستم های سنتی وضعیت دهی تک نقطه ای معمولا سطوح هوای اضافه را در نرخ های بین اشتعال پایین و بالا به مخاطره می‌اندازند که این بعلت دشواری ذاتی تنظیم لینکیج های متصل به یک نقطه وضعیت دهی منفرد، با موتور”مدولاسیون”است.

سیستم های وضعیت دهی موازی قادرند شیرهای سنجشگر مقدار هوا، سوخت و باز چرخش گاز دودکش (FGR) محتوی اکسید نیتروژن پایین را به طور مستقل از طریق یک سیستم کنترل برنامه ریزی شده برای منحنی های مشخص نسبت به هوا –سوخت- FGR ،تحریک کنند.

موتورهای وضعیت دهی موازی یا “موتورهای خود فرمان” با دقت یک دهم از یک درجه زاویه ای، برای وضعیت های از پیش تعیین شده در سراسر دامنه اشتعال تنظیم می شوند تا شرایط بهینه هوا-سوخت- FGR را فراهم کرده و توانایی مشعل را با شرایط بار تطبیق دهند.

سیستم های اصلاح اکسیژن

با توجه به اینکه حفظ سطح هوای اضافه در یک حداقل در سراسر دامنه اشتعال امری ضروری جهت راندمان احتراق است. قابلیت وضعیت دهی موازی می تواند تکرارپذیری را بهبود بخشیده و مصرف سوخت را به میزان 5 درصد کاهش دهد. علاوه بر این، سیستم های اصلاح اکسیژن نیز می توانند همراه سیستم وضعیت دهی موازی کار کنند تا سطوح هوا اضافه را حتی دقت بیشتری مدیریت نمایند(شکل2).

تغییرات در فشار بارومتریک، دما، ارزش حرارتی سوخت و سایر شرایط محیطی می توانند سطوح هوای اظافه را در طول گرمایش بالا و پایین برانند. وقتی از سیستم اصلاح اکسیژن استفاده می شود، یک سنسور اکسیژن غلظت اکسیژن در گاز دودکش را اندازه گیری کرده و آن را با مقدار نقطه تنظیم در هر وضعیت در دامنه اشتعال مقایسه می کند.

اگر این غلظت با مقدار نقطه تنظیم مطابقت نکند، موتورها یا شیرها و دمپرهای محرک سوخت و هوا به نحوی اصلاح می شوند که نسبت های هوا-سوخت- FGR به نقطه تنظیم برگردند. این قابلیت نیز می تواند مصرف سوخت سیستم را 5 درصد بهبود بخشد.

• VSD/VFD

افزودن يک محرک سرعت متغير(VSD) يا محرک فرکانس متغير (VFD) نيز می تواند باعث بهبود راندمان سيستم احتراق شود. در سيستم های قديمی، هوای احتراق يا بادزن/موتورها صرفنظر از بارسيستم در سرعت ثابتی تنظيم می شوند.

نرخ های جريان هوای احتراق توسط دمپرها سنجيده و کنترل می شوند. بنابراين در حالی که بار گرمايشی ممکن است 30 درصد بار کامل باشد، بار الکتريکی بر روی موتور بادزن می تواند به 70 درصد يا بيشتر برسد.

ديگی که قادر نباشد آب گرم يا بخار کافی را در مواقع نياز تحويل دهدعملا بی فايده است و به همين خاطر، ديگ ها (دیگ بخار ، دیگ آبگرم و دیگ روغن داغ ) معمولا برای کاربردهای خود بزرگتر از حد نياز اندازه گيری می شوند.

اسراف انرژی الکتریکی

هزينه های سرمايه ای و نصب نيز مانع از نصب ديگ های با اندازه کوچک می شوند. از اين رو در بسياری از موارد، مشعل برای دوره های زمانی قابل توجهی در اشتعال پايين کار می کند در حاليکه بارهای الکتريکی کشنده بر روی موتور بادزن خيلی نزديک به وضعيت اشتعال بالا می باشند که اين منجر به اسراف انرژی الکتريکی و بالا رفتن بی مورد هزينه های برق خواهد شد.

VSD جريان الکتريکی اضافی کمتری می کشند چرا که آنها سرعت بادزن ها را تا حد نرخ های اشتعال پايين تر کند می کنند. مطابق با قانون بادزن ها اين امر منجر به کاهش مقتضيات اسب بخار موتور و مصرف برق خواهد شد.

بسياری از ديگ ها از ابتدا بزرگتر از حد نياز اندازه گيری می شوند و بنابراين تقريبا در تمامی اوقات در بارهای پايين تری کار می کنند. وقتی از VSD استفاده شود، صرفه جويی های برق سريعا بر هم افزوده می شوند بطوري که غالبا هزينه اين بهسازی ظرف کمتر از دو سال مستهلک می گردد.

VSD/VFD ها به دليل اينکه بادزن را در سرعت های پايين تری بکار می اندازند، می توانند سطوح نويز (سر و صدا) را نيز کاهش دهند. بطور کلی هر چه يک بادزن سريع تر بچرخد، نويز بيشتری منتشر می کند. ديگ ها معمولا در نرخ های اشتعال کمتر از حداکثر کار می کنند و بنابراين وقتی VSD/VFD افزوده می شود کارکرد آرام تری خواهد داشت.

علاوه بر ايجاد يک محيط آرام تر، اين امر می تواند هزينه های نگهداری را نيز کاهش دهد زيرا از تنش بر روی قطعات متحرک کاسته می شود.

• کنترل های PLC يا مبتنی بر ريزپردازنده

سيستم های کنترلی PLC و مبتنی بر ريز پردازنده مخصوصا برای مرحله بندی ديگ و مشعل در سيستم های پيچيده HVAC که شامل دو يا چند ديگ هستند،بسيار سودمند واقع می شوند. در سيستم های چند ديگی به جای اندازه گذاری هر يک از ديگ ها برای تامين مقتضيات بار کامل (بار اوج که ندرتا اتفاق می افتد)،می توان ديگ ها را به نحوی اندازه گذاری نمود که بخشی از بار را تامين نموده و تنها در صورت نياز ، روشن/مدوله شوند.

در طول عمر هر يک از ديگ ها، مرحله بندی موجب می شود مصرف انرژی و استهلاک مربوط به عملکرد سيکلی ديگ ها و نيز فرسودگی اجزای ديگ/ مشعل کاهش پيدا کند. مرحله بندی همچنين اطمينان از وجود تجهيزات يدکی و نيز انعطاف پذيری برای نگهداری زمانبندی شده را فراهم می کند.

• يکپارچه سازی مشعل

يکپارچه سازی درست مشعل با ديگ و سيستم های جانبی موتورخانه امکان کنترل بهينه جهت تامين نيازهای مجموعه و همچنين يکپارچگی با سيستم های پيشرفته ارتباطی و مديريت را ميسر می سازد. بهسازی های مشعل چنانچه درست يکپارچه شوند، می‎توانند به 15 تا 20 درصد صرفه جويی انرژی منجر شوند. يک سيستم ديگ اغلب متشکل از تجهيزاتی است که از فروشندگان مختلف و يا با پروتکل های ارتباطی متفاوت تهيه می‌شوند.

بنابراين بخشی از يکپارچگی سازی مشعل شامل سازگار کردن تجهيزات گوناگون و پروتکل های ارتباطی مختلف و واداشتن آنها به کار با يکديگر است تا نتايج بهينه را حاصل کنند. تنها پرسنل آگاه و مجرب در زمينه ديگ/ مشعل و مهندسين کنترل های احتراق صلاحيت رسيدگی به اين امور را دارند.

اين افراد برای اينکه کارشان را درست انجام دهند بايد بر نيازهای يک کاربرد خاص و فناوری های موجود برای تامين اين نيازهای يک کاربرد خاص و فناوری های موجود برای تامين اين نيازها اشراف کامل داشته باشند.

انطباق مشعل با ديگ

اهميت انطباق مشعل با ديگ را نمی توان دست کم گرفت. شايد مهم ترين فاکتور، مشخصه های شعله مشعل باشد. شکل و طول شعله ،يا شعله پوش، بايد به گونه ای با کوره يا محفظه احتراق تطبيق داده شود که بيشترين انتقال حرارت ممکن است صورت گيرد بدون تصادم با ديواره های مخزن که می تواند به مخزن با مواد سمت آتش آسيب برساند.

يکی ديگر از جنبه های انطباق مشعل با ديگ يا مبدل حرارتی به پديده ای مربوط می شود که بعنوان نويز احتراق، ارتعاش احتراق يا “غرش احتراق” معروف است. هر مجموعه ديگ فرکانس ارتعاش خودش را دارد، بنابراين مشخصه های احتراقی مشعل بايد به خوبی با ماهيت آگوستيک ديگ يکپارچه شود.

از آنجا که اکثر مشعل ها برای هر کاربرد به طور سفارشی طراحی نمی شوند، مشعل بايد در طرح خودانعطاف پذير باشد تا هر گونه نويز احتراقی ناخوشايند را بتوان با تنظيم مشعل برطرف نمود و عملکرد آرام در سراسر دامنه اشتعال ميسر گردد.

ویژگی های مشعل

علاوه بر اينکه مشعل بايد از قطعات ريختگی، مواد ضخيم و مقاوم و فلزات شکل گرفته با عمليات چرخانش ساخته شود. اين مواد سطوح مشعل را مستحکم می سازند و ارتعاشات ناخواسته با فرکانس بالا و پايين را کاهش می دهند. بدون ساختار مقاوم و سخت کار،کل پکيج ممکن است دربارهای مشخصی به ارتعاش درآيد.

اين نويزهای غيرقابل قبول و استهلاک و فرسودگی مفرط سيستم منجر خواهد شد. مشعل هايی که از ورق فلزی نازک و سطوح ضعيف ساخته می شوند شايد از لحاظ قيمت اوليه ارزانتر باشند، اما پر سروصداتر بوده و عمر کوتاهتری دارند و عموما با گذشت زمان پر هزينه تر خواهندشد.

نهايتا اينکه، مشعل جديد بايد طوری طراحی شود که بازرسی و نگهداری منظم آن به سهولت انجام گيرد. دسترسی آسان به منظور بازرسی و تعويض قطعات از جنبه های کليدی طراحی درست مشعل بشمار می‌رود.

پرسنل سرويس نبايد مجبور باشند. برای امور نگهداری، مشعل را از يک مجرا بيرون بکشند يا بدتر اينکه، برای رسين به مشعل به صورت سينه خيز از داخل يک مجرا حرکت کنند. حتی با وجود به کارگيری آخرين فناوری ها در يک مشعل پيشرفته، نگهداری منظم امری ضروری جهت تضمين نسبت بهينه هوا به سوخت در سراسر دامنه اشتعال ديگ و عمر تجهيزات است. اگر شما از تجهيزات خود به دقت مراقبت کنيد در سال های آينده شاهد بهبود راندمان و کاهش هزينه های سوخت خواهيد بود.