بهينه سازي مصرف انرژي در کوره ها و ديگهاي بخار با سیستم کنترلی هوای اضافی

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

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

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

روشهاي صرفه جويي در انرژي و مصرف سوخت : 

صرفه جويي در سوخت به طرق مختلف صورت مي پذيرد. روشهاي کم خرج مانند تنظيم دقيق، مراقبت و نگهداري صحيح و روش هاي پرخرجي همچون نصب تاسيسات بازيافت حرارتي روي کوره، باعث کاهش سوخت مصرفي مي گردد. روشهاي موفقي که باعث اين صرفه جويي گرديده اند عبارتند از : کاهش هواي اضافي، افزايش بازيافت حرارتي بخش جابجايي، استفاده از لوله هاي پره دار، پيش گرم کردن هواي احتراق.

هواي اضافي مهم ترين عامل در بازده حرارتي است. با وجود اينكه كاربرد هواي اضافي زياد ،كنترل عمليات را ساده تر مي نمايد ولي ميزان سوخت مصرفي و بالطبع مخارج حاصله افزونتر خواهد شد. سوخت اضافي صرف گرم كردن هوا از دماي محيط تا دماي گازهاي داغ داخل كوره مي شود. امروزه با پيشرفت سيستم هاي كنترل كننده ، اكسيژن اضافي در گازهاي داغ را مي توان به ۲ الي ۳ درصد تقليل داد. اگر مقدار اكسيژن اضافي از اين مقدار كمتر شود ، عمل احتراق ناقص صورت گرفته و دوده در محصولات احتراق مشاهده مي شود. احتراق ناقص به شدت دماي شعله را كاهش مي دهد و در نتيجه بازده كوره خيلي كم خواهد شد. لذا در سوخت هاي گازي حتما بايد ميزان اكسيژن اضافي در بخش احتراق، معيار عملكرد كوره باشد. بنا به عرف طراحي، در كوره هاي با مكش طبيعي (Natural Draft) ،معمولا براي سوخت گازي حدود ۲۰% و براي سوخت نفتي ۲۵% هواي اضافي بكار برده مي شود. در كوره هاي با مكش اجباري (Forced Draft) به دليل كنترل دقيق تر ميزان هوا ، مقدار هواي اضافي برابر ۱۵% براي سوخت گازي و ۲۰% براي سوخت نفتي مي باشد.

امكان بازيافت حرارت از بخش جابجايي ، هنگامي كه دماي گازهاي داغ خيلي زياد باشد، وجود دارد. اين عمل با افزايش تعداد رديف لوله ها در بخش جابجايي جهت افزايش سطح حرارتي امكان پذير است. نصب مبدل هاي حرارتي مكمل همچون پيش گرم كردن خوراك كوره ها و سوپر هيترهايي جهت تهيه بخار آب فوق اشباع در صنعت ، اغلب از نظر اقتصادي مورد توجه مي باشد. بايد در نظر داشت كه افزايش سطوح حرارتي باعث كاهش دماي گازهاي داغ و در نتيجه كاهش ميزان مكش و افت فشار گازها خواهد شد كه ممكن است به افزايش ارتفاع دودكش منتهي گردد.

با تعويض لوله هاي برهنه با لوله هاي پره دار، مي توان بازده حرارتي كوره ها را تا ۱۰% بهبود داد. اين عمل باعث كاهش دماي گازهاي داغ تا حدود ۳۰۰*F مي شود. تعويض اين لوله ها باعث افزايش افت فشار گازهاي داغ و كاهش مكش مي گردد پس بايد مقدار مكش دودكش را دقيقا ارزيابي نمود.

پيش گرم كردن هواي احتراق نيز يكي از طرق كاهش مصرف سوخت مي باشد. هرچه دماي گازهاي داغ دودكش كمتر باشد، افت حرارتي از طريق دودكش نيز كمتر خواهد بود. لذا با پيش گرم كردن هواي احتراق، دماي گازهاي داغ كاهش و بازده حرارتي كوره افزايش مي يابد. لازم به ذكر است كه اين سيستم باعث حرارت بيش از حد در برخي نقاط بخش تابشي و تشكيل اكسيدهاي ازت (Nox) بيشتري 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

گرماي احتراق يا ارزش حرارتي : Heat Of Combustion & Heating Value

ارزش حرارتي سوخت عبارت است از مقدار انرژي كه در موقع سوختن كامل سوخت آزاد مي شود. سوخت هاي حاوي ئيدروژن ،همواره دو ارزش حرارتي دارند بطوريكه اگر يك پوند سوخت در دماي ۶۰*F محترق شده و محصولات احتراق تا ۶۰*F سرد گردند، گرماي حاصله را ارزش حرارتي خالص (NHV) يا پائيني (LHV) مي نامند. هرگاه بخار آب موجود درگازهاي احتراق را در ۶۰*F تبديل به آب نمائيم، گرماي حاصله را ارزش حرارتي ناخالص (GHV) يا بالايي (HHV) مي گويند.

عموما ارزش حرارتي سوخت هاي گازي را توسط يك كالريمتر در فشار ثابت مي توان بطور دقيق تعيين نمود. اين ارزش حرارتي براي مواد خالص مشخص است و براي سوخت هايي كه تركيبي از چند ماده مي باشند مي توان با توجه به ارزش حرارتي اجزاء و درصد وزني آنها ، آن را محاسبه نمود. همچنين مكلر ( Mekler )روابط ساده اي جهت تخمين ارزش حرارتي خالص و ناخالص سوخت هاي گازي برحسب چگالي Sp.Gr كه نسبت وزن مولكولي گاز به وزن مولكولي هوا است، پيشنهاد نموده است :

HHV = 17887+57.5 *API – ۱۰۲۲۰*So

LHV = HHV – ۹۷۲۰ * H (Btu/lb) ” براي سوخت مايع ”

HHV = 215 + 1500 Sp.Gr

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

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

So و H درصد وزني گوگرد و ئيدروژن ميباشد.

آناليز گازهاي داغ حاصل از احتراق :

شايعترين دستگاه آناليز محصولات احتراق ، دستگاه ارسات مي باشد. وليكن در صنعت از دستگاه هاي خودكاري استفاده مي گردد كه بطور مداوم درصدهاي دي اكسيد كربن، منواكسيد كربن، اكسيژن و مواد سوختي را نشان مي دهند. اكثر اين دستگاه ها تغييرات درصد مواد را بصورت آناليز خشك ارائه مي دهند.

جهت بدست آوردن رابطه بين درصد هواي اضافي و آناليز گاز خروجي از دودكش بطريق ذيل عمل مي شود:

معادله واكنش سوختن يك هيدروكربور بصورت زير مي باشد :

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

و اگر سوخت به همراه هواي اضافي (Exess Reactant) مصرف شده و درصد هواي اضافي E باشد ، معادله سوختن بصورت زير خواهد بود : ۱۰۰ * هواي لازم/ هواي اضافي = % 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 براساس سوختن يك مول از يك سوخت در نظر گرفته شده و بنابراين مول گازهاي حاصل احتراق نيز بدست آمده است. براي ساده نمودن معادله ها و رسيدن به يك فرمول كلي بجاي m , n از نسبت وزني ئيدروژن به كربن كه معادل n /12m = H/C مي باشد استفاده ميكنيم. در اينصورت جمع گازهاي حاصل چنين 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 تقسيم مقدار CO2& O2 به كل مقدار گازهاي خروجي و تغييرشكل آنها، معادله هاي زير بدست مي آيد:

WET Basis

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

درصد اكسيژن در گازهاي خروجي : %O2 =(1+3 H/C)%E *100/(1+3H/C)(79/21+%E/21)+(1+6H/C)

درصد دي اكسيد كربن در گازهاي خروجي : %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 هواي اضافي برحسب % O2

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

با توجه به اين فرمول ها سه نتيجه كلي بدست مي آيد :

۱- درصد هواي اضافي با مشخص بودن يكي از اجزاء گاز خروجي دودكش قابل محاسبه است.

۲- با افزايش درصد هواي اضافي، درصد اكسيژن در گازهاي خروجي افزايش مي يابد.

۳- با افزايش درصد هواي اضافي، درصد CO2 درگازهاي خروجي كاهش مي يابد.

انرژي هاي اتلافي:

در اين قسمت با توجه به روابط بين درصد هواي اضافي و آناليز گازهاي خروجي قسمت قبل، روشي را جهت بدست آوردن بازدهي بويلرها به روش غير مستقيم دنبال مي كنيم. انرژي هاي اتلافي يك بويلر عبارتند از :

۱- اتلاف انرژي توسط گازهاي خروجي از دودكش ( FLUE GAS ) :

گازهاي خروجي از دودكش عبارتند از، گازهاي CO2 حاصل از احتراق ، اكسيژن O2 كه بصورت اضافي جهت بهتر سوختن سوخت وارد شده است و نيتروژن N2 كه توسط هوا وارد شده و بي هيچ تغييري با گرفتن حرارت خارج مي شود. علاوه بر اين گازها، بخار آب نيز در گازهاي خروجي از دودكش وجود دارد كه قسمتي از آن، بخارآب حاصل ازاحتراق و قسمت ديگرآن بخارآبي است كه در هواي ورودي به صورت رطوبت نسبي وجود دارد.

اتلاف انرژي توسط گازهاي خروجي از دودكش بطريق زير محاسبه مي شود.

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

براي محاسبه اتلاف ها، يك دما را بعنوان مبناي سنجش انتخاب مي كنند. اين دما معمولا دماي محيط (Ambient) مي باشد. بنابراين اتلاف انرژي توسط گازهاي خروجي عبارت است از ، انرژي اضافي كه اين گازها نسبت به دماي محيط دارا مي باشند و از رابطه Q = m Cp ^T محاسبه مي شود. براي گازهاي خشك مي توان از يك Cp متوسط كه حدود ۰٫۲۴ Btu/lb*F است استفاده نمود. بنابراين اتلاف انرژي توسط گازهاي خشك بقرار زير است:

L1 = 0.24 ( جرم گاز خشك خروجي )( دماي گاز خروجي _ دماي محيط )

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

براي محاسبه اين اتلاف، در نظر مي گيريم كه آب توليدي در دماي محيط به بخار تبديل شده و سپس اين بخار به دماي دودكش رسيده است. بنابراين داريم : ( Cp بخار آب برابر ۰٫۴۶ Btu/lb*F ميباشد).

L2 = جرم بخار آب { ۱۰۸۰ + ۰٫۴۶( دماي گاز خروجي _ دماي محيط )}

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

براي بدست آوردن مقدار رطوبت هوا بايستي درصد رطوبت نسبي و دماي محيط را داشته باشيم. با مشخص بودن اين دو مقدار مي توان از معادله زير درصد مولي رطوبت بدست آورد.

درصد مولي رطوبت : Y= درصد رطوبت نسبي *{۰٫۰۸+۲٫۸۱*۱۰ توان -۷*( دماي محيط *F)به توان ۳٫۲۵}

۱۴٫۷- درصد رطوبت نسبي {۰٫۰۸+۲٫۸۱*۱۰ توان -۷*(دماي محيط *F)توان ۳٫۲۵}

وزن آب ورودي توسط هوا : Wa = 18 * Y * ( وزن هواي ورودي )

بنابراين اتلاف انرژي توسط بخار آب موجود در هوا بصورت زير مي باشد.

L3 = 0.46 *Wa *( دماي گاز خروجي از دودكش _ دماي محيط )

۲- اتلاف انرژي توسط تابش از ديواره ها : L4))

اين اتلاف معمولا به مقدار بار حرارتي يك كوره و به سطوح آن بستگي دارد كه در منحني هاي ASME بيان شده است. مي توان با داشتن بار حرارتي كوره از معادله زير استفاده نمود :

L 4 = 10 به توان (۰٫۶۲ – ۰٫۱۸۲۴ log Q) Q = Duty mmBtu / HR

اين مقدار معمولا ماكزيمم حدود % ۲ از انرژي مي باشد.

۳- اتلاف هاي نا خواسته : (L5)

علاوه بر اتلاف هايي كه ذكر شد، ممكن است بطرق ديگري نيز از قبيل نشتي هوا از ديواره هاي كوره و ۰۰۰ اتلاف هايي وجود داشته باشد كه به شرايط ديگ بخار بستگي داشته و در محاسبات بازدهي بايستي منظور شود. (معمولا ۱ ~ ۲ درصد )

محاسبه اتلاف ها :

جهت بدست آوردن اتلاف هاي ذكر شده، اساس كار را يك پوند سوخت در نظر گرفته و محاسبات را انجام مي دهيم.

الف – اتلاف گازهاي خشك ( L1) :

L1 = 0.24( جرم گاز خشك )( دماي گاز خروجي _ دماي محيط )

با توجه به معادله كلي سوختن يك هيدروكربن، جرم گاز خشك بطريق زير محاسبه مي شود :

جرم گاز خشك = جرم هواي ورودي + جرم سوخت _ جرم بخار آب

جرم سوخت = ۱ lb Mw سوخت = ۱۲m + n

جرم هواي ورودي = ( 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 = ۱+۱۱٫۵۰۸(۱+E) + (24.524(1+E) -8) * H/C / (1+H/C)

اگر دماي محيط را با Ta و دماي گازهاي خروجي از دودكش را با Ts نشان دهيم، معادله اتلاف انرژي توسط گازهاي خشك بصورت زير بدست مي آيد.( برحسب *F )

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

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

L2 = جرم بخارآب ( ۱۰۸۰+۰٫۴۶ ( دماي گاز خروجي – دماي محيط )

جرم بخار آب = ۹ H/C / 1+ H/C

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

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

با جانشين كردن مقدار جرم هواي ورودي بر حسب نسبت H/C در معادله زير، اين اتلاف بدست مي آيد :

L3 = 0.46* Wa* ( Ts – Ta )

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

د – اتلاف هاي تابش ديواره ها و اتلاف هاي ناخواسته به نوع سوخت بستگي ندارد و تغييري در معادله L4 نياز نيست.

محاسبه بازدهي يا راندمان ديگ هاي بخار :

با توجه به معادله هاي بدست آمده براي اتلاف ها، راندمان را از معادله زير بدست مي 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 )

تعيين H/C :

نسبت H/C براي تركيب چند سوخت به روش زير محاسبه مي شود :

Xi = Wi / SUM. Wi : نسبت وزني سوخت i

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

۱ / [۱+(H/C)i] : Ci =مقداركربن دريك پوند سوخت i

H/C = SUM. Xi Hi / SUM. Xi Ci : نسبت H/C براي تركيب چند سوخت

Data هاي لازم جهت محاسبه بازدهي ديگ هاي بخار :

مواردي كه در جهت بررسي بازدهي ديگ هاي بخار به آنها نياز مي باشد عبارتند از :

آزمايش گازهاي خروجي از دودكش، تست كروماتوگراف از سوخت مصرفي ديگ هاي بخار، دماي محيط (Ta) ، دماي گاز دودكش (Ts) ،درصد رطوبت نسبي در هنگام تست گازهاي دودكش و بار ( LOAD) بويلر در همان زمان مشخص ميباشد.

جهت مثال، تست هايي كه از BOILER `B` در يك زمان معين گرفته شده اند، به قرار زيرند :

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

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

همچنين تست كروماتوگرافي بعمل آمده از سوخت ديگ هاي بخار ( L.P.Fuel Gas) و محاسبات آن بشرح زير مي باشد. ( براي تعيين H/C كل سوخت )

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

Nitrogen N2 1.16 1.17 – – در واكنش شركت نمي 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

۱۰۰ lb mole 100 lbm 19.839 lbm 77.361 lbm

————–à H/C = 0.256 براي كل سوخت

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

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

همچنين : Hi = 19.839 & 0.19839 *27.81 = 5.52 و ۵٫۵۲/۱ = ۵٫۵۲ تعداد ئيدروژن

& Ci = 77.361 & 0.77361 *27.81 = 21.52 و ۲۱٫۵۲/۱۲ = ۱٫۷۹ تعداد كربن

======è FORMULA : C 1.79 H 5.52 فرمول كلي سوخت مصرفي بويلر

با توجه به اين فرمول مشخص است كه اين سوخت مصرفي به هيدروكربن اتان نزديكتر مي باشد .

اما جهت بدست آوردن ارزش حرارتي سوخت مصرفي بطريق زير عمل مي كنيم :

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 ئيدروكربن ها : ارزش حرارتي خالص ارزش حرارتي 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 حرارتي سوخت فوق عبارت است از :

NHV OR LHV = 19237 Btu/lb

GHV OR HHV = 20898 Btu/lb

براي تعيين درصد Exess Air از فرمول قبلي بر حسب % O2 استفاده مي كنيم(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 گازهاي خروجي بر حسب مول( Dry Basis )

تعيين انرژي هاي اتلافي :

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 مولي 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 انرژي توسط تابش از ديواره ها و ۰٫۵% اتلاف هاي ناخواسته ، داريم :

====== è L4 = 0.5% & L5 = 0.5%

با اين شرح درصد اتلاف انرژي براي L1 & L2 & L3 بدين قرار مي 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 بويلر