چگونه هزينه بخار را محاسبه كنيم

اطلاع از هزینه تولید بخار به دلایل متعددی كه همه آنها باعث بهبود شرایط كارخانه می شوند، حائز اهمیت است. پاره ای از آنها شامل موارد زیر است:

• ارزیابی اقتصادی صحیح راندمان فرآیندهای مورد استفاده در هر كارخانه یا پروژه های بهبود ظرفیت تولید. در صورتی كه هزینه محاسبه شده صحیح نباشد، ممكن است بسیاری از پروژه های ارتقای راندمان انرژی فراموش شده یا رد شوند.
• منظور كردن آن بعنوان پایه ای برای بهینه سازی سیستم تولید بخار و كاهش هزینه ها
• حصول برآورد صحیح برای تعریف پروژه های تولید تركیبی برق و حرارت
• بخار در صنعت كاربردهای مختلفی دارد:

تامین حرارت مورد نیاز در فرآیندها (فرآیندهای گرمایشی)

جهت های تامین خلاء

تامین نیروی محوری برای محرك های مكانیكی

تولید برق

تامین حرارت و رطوبت در سیستم تهویه مطبوع

در تجهیزات تولیدی كارخانه های صنعتی، غالبا فرآیندهای گرمایشی با بخار، بیش از 60 درصد انرژی حرارتی مصرفی را تشكیل می دهند. همچنین این فرآیندها بخش قابل توجهی از هزینه های بهره برداری قابل كنترل را شامل می شوند.

لذا این موضوع یكی از فرصت های اصلی برای مدیریت و كاهش هزینه و افزایش سود به حساب می آید.

هزينه تولید بخار

برای تعیین هزینه واقعی بخار، لازم است جزئیات بیشتری از بخار مورد بررسی را بدانیم.

آیا ما در رابطه با بخار در نقطه مصرف صحبت می كنیم؟ یا در محل تولید؟ از كدام بویلر؟ در كدام سطح فشار یا با كدام كیفیت؟ میانگین هزینه های نهایی مورد بررسی است؟ اگر میانگین هزینه ها مورد بررسی باشد، آیا شامل هر دو هزینه های متغیر و ثابت می باشد یا صرفا هزینه های متغیر؟

علاوه بر این باید بین هزینه های تولید و هزینه های مصرف تمیز داده شود. اگر سایت تنها یك مولد بخار (بویلر) داشته باشد كه یك نوع سوخت مصرف كرده و تنها در یك فشار كار كند، تعیین هزینه بخار نسبتا ساده است. اما در بسیاری از موارد، مولدهای بخار چندگانه با چند نوع سوخت مصرفی كار می كنند.

همچنین سطوح فشار بخار نیز متفاوت هستند كه از روش های مختلف تامین می شوند. برای مثال فشار بخار با استفاده از شیرآلات تقلیل فشار یا توربین های بخار كاسته می شود. در چنین شرایطی محاسبه صحیح هزینه بخار بسیار پیچیده می شود.

روش های برآورد هزینه بخار

تاكنون محاسبات و برآوردها بر اساس چندین روش از جمله روش قانون دوم یا آنالیز انرژی، روش نلسون و روش شبیه سازی صورت گرفته است. در میان روش های مذكور، شیوه مدلسازی و شبیه سازی كامپیوتری بسیار راحت، قابل اعتماد و قوی تر می باشد.

در بسیاری از كارخانه ها هزینه عنوان شده برای بخار، هزینه متوسط تولید بخار برای نرخ خاصی از تولید می باشد. جمع هزینه های عملكردی از قبیل سوخت، آب، افزودنی های شیمیایی، نیروی انسانی، تعمیرات، كهولت و استهلاك، بهره و هزینه های بالاسری اداری و مدیریتی بر كل میزان بخار تولیدی تقسیم می گردد.

این روش ممكن است معیار مالی كلی، راحت و مناسبی باشد، اما بطور خاص برای مدیریت سیستم بخار در راستای كاهش هزینه ها مفید نیست.

برآورد هزینه بخار بر اساس نرخ تولید

لذا روش بهتری جهت محاسبات مذكور مورد نیاز است. یكی از مشكلات مهم بویژه در مجموعه هایی كه با چند بویلر وچند سوخت كار می كنند و توربین بخار نیز دارند، برآورد هزینه بخار بر اساس نرخ تولید است.

این موضوع برای غالب افراد ملموس نیست. در این گزیده مقاله تخصصی، ما نشان می دهیم كه چگونه می توان هزینه واقعی بخار را در نرخ های مختلف عملكردی فرآیند محاسبه نمود.

همچنین با ذكر مثالی روشن نشان داده می شود كه تنها راه درست، برآورد هزینه بخار از روش مدلسازی سیستم بخار است. در شكل 1، سیستم بخار ساده ای كه از یك نمونه واقعی برگرفته شده به نمایش در آمده است.

در معادلات زیر، هزینه عملكرد بویلر c_o در ساعت بوده و فرآیند به s پوند بخار در ساعت (1b/hr) نیاز دارد. برای تامین این مقدار بخار، ضروری است به میزانs(1+x) پوند بر ساعت بخار تولید شود كه در آن ضریب x عددی از 5 تا 20% است. بنابراین دو فرمول مشخصی زیر برای تعیین هزینه بخار موجود خواهد بود:

Generating cost c_g ,s/1b=c_o/(1+x)s – (a)

(consumption cost c_c ,s/1b=c_o/s -(b

كدام معادله هزینه باید استفاده شود؟ زمانی كه به سیستم تولید با راندمان بالا تمایل داشته باشیم، معادله دوم زمانی استفاده می شود كه تعیین هزینه واقعی كاركرد فرآیند مورد نظر بوده و در حال برآورد پروژه های بقای انرژی باشیم.

الف ) گام اول برآورد هزینه تولید بخار از دیگ بخار می باشد که دارای چندین مولفه است:

1. سوخت (c_f)
2. تامین آب خام (c_w)
3. فراهم آوری آب تغذیه شامل تصفیه، سختی گیری و تخلیه مواد معدنی (c_BFW)
4. مصرف برق پمپ های تغذیه (C_P)
5. مصرف برق فن های احتراق (C_A)
6. هزینه های احتمالی تخلیه آب بلودان به فاضلاب (C_B)
7. تخلیه دوده ها (C_D)
8. كنترل انتشار آلاینده های زیست محیطی (C_E)
9. اقلام تعمیراتی و نیروی انسانی (C_M)

محاسبه هزینه تولید بخار نسبتا ساده است. جمع هزینه های متغیر ایجاد بخار ، C_G ، برابر است با جمع تك تك موارد فوق كه به شكل دلار بر هزار پوند(S/K1b) تولید بخار بیان می گردد:

C_G=C_F+ c_w+ c_BFW+ C_P+ C_A+ C_B+ C_D+ C_E+ C_M

معمولا هزینه سوخت اصلی ترین مولفه معادله فوق بوده كه 90% جمع كل را شامل می گردد. این عدد به صورت زیر بدست می آید:

a_f×(H_S-h_w)/1000/η_B = C_F

a_f= قیمت سوخت (S/MMBtu)

H_S= آنتالپی بخار ،/1b Btu

h_w= آنتالپی آب تغذیه دیگ ، ،/b Btu

η_B= راندمان كلی دیگ بخار ، نسبت

اساسا راندمان كلی بویلر به میزان هوای تغذیه بویلر از دی اریتور بستگی دارد. چنین فرض می شود كه دمای آب تغذیه دیگ در محیطی خارج از محوطه دیگ بخار بوسیله تبادل حرارت با یك جریان فرآیندی از دمای محیط تا دمای كندانس (معمولا در حدود 200 ⁰f) پیش گرم شود.

این پیش گرمایش در مجموعه بازیافت حرارتی آب بلودان دیگ بوسیله مبدل نیز امكان پذیر است. استفاده از بخار جهت پیش گرمایش آب تغذیه دیگ در شرایطی كه انرژی ارزان باشد نیز انجام می پذیرد اما استفاده از حرارت اضافی فرایندها بجای آن باعث بهبود چشمگیر راندمان چرخه خواهد شد.

راندمان كلی دیگ بخار

اصولا راندمان كلی دیگ بخار تابعی از دمای نهایی گازهای حاصل از احتراق است كه برای نمونه در شرایطی كه نسبت هوای اضافه به عدد بهینه آن نزدیك باشد، در حدود 80 تا 85% خواهد بود.

در اصل لازم است تك تك مولفه های فوق برای شرایط خاص هر سایت با دقت و سختی زیاد محاسبه گردد. اما در عمل معمولا استفاده از فرمول تقریبی زیر كفایت می كند : ( C_G= C_F( 1+0.30

عدد 0.30 بعنوان یك تقریب برای حاصل جمع مولفه های 9 تا 2 منظور شده است.

ب) دومین گام برآورد هزینه تولید بخار در فشارهای پایین تر است

تعیین هزینه مذكور بعلت وابسته بودن به روش تقلیل فشار از نقطه مصرف كمی مشكل است.

بخار فشار پایینی كه معمولا توسط ایستگاه های تقلیل فشار حاصل می گردد، اساسا آنتالپی برابر با بخار فشار بالای اولیه دارد. بنابراین به حالت سوپرهیت درآمده و در كاربرد با تزریق كندانس به حالت اشباع باز می گردد.

در این صورت هزینه بخار فشار پایین (C_L) از هزینه بخار فشار بالای مربوطه (C_H) به روش زیر محاسبه می گردد:

h_w( H_SL-h_w)/(H_SH– )× C_H = C_L

H_SL=آنتالپی بخار فشار پایین ، Btu/1b

H_SH= آنتالپی بخار فشاربالا ، Btu/1b

در بعضی شرایط تامین بخار كم فشار از طریق ایستگاه های تقلیل فشار ناكارامد است. برای ظرفیت های بخار بالای 50000 1b/hr، معمولا عبور بخار فشار بالا از توربین و تامین بخشی از قدرت مورد نیاز در تولید بسیار موثرتر و مقرون به صرفه تر است.

در صورتی كه بخار كم فشار از طریق توربین حاصل شده باشد، هزینه مربوطه به روش زیر محاسبه می گردد:

C_H-1000×a_E×( H_SH– H*_SL)/3413/η_T/η_G = C_L

a_E=هزینه برقS/KWh

H*_SL= آنتالپی بخار فشار پایین حاصل از انبساط ایزنتروپیك بخار فشار بالا ، Btu/b

η_T= راندمان ایزنتروپیك توربین بخار ، نسبت

η_G= راندمان ژنراتور ، نسبت

مشكل جدی به جامانده در این مرحله، تعیین هزینه درست برای افزایش یا كاهش مصرف بخار فشار پایین است كه به چگونگی تقلیل فشار از نقطه تولید تا محل مصرف (از طریق شیر تقلیل فشار یا توربین بخار) وابسته می باشد.

تنها روش ممكن جهت برآورد دقیق در چنین شرایطی، تشكیل معادله بالانس انرژی و ماده و مدلسازی سیستم بخار خواهد بود.

 

محاسبه هزینه تولید بخار

مدل های بخار می توانند در سطوح مختلف تهیه شوند. مدلی كه خیلی ساده باشد ممكن است قادر به تشخیص اثرات و تغییرات مهم نباشد. مدل هایی با جزئیات زیاد، ممكن است بدون دلیل بسیار پیچیده و یا گران بوده و در عین حال ابزار مفیدتری جهت تصمیم گیری های آتی نیز نباشند.

كارخانه شكر نشان داده شده در شكل 2 كه دارای هفت دیگ بخار ، چهار فشار كاری مختلف و سه توربو ژنراتور است نشان دهنده مهم ترین اجزاء جهت اكثر صنایع بوده و با تنها یك لوپ تكراری نتایج قابل قبولی را بدست می دهد.

بدین ترتیب هزینه متوسط تولید بخار تقریبا براحتی بدست می آید ولی هزینه های مصرف را چگونه می توان تخمین زد؟ در ابتدا لازم است تا تمایز بین هزینه های متوسط و هزینه موضعی و یا مرزی مشخص شود.

تعاریف پایه عبارتند از:

هزینه متوسط = هزینه كل بهره برداری/مصرف كل بخار=c₀/s

هزینه موضعی = هزینه راهبری موضعی/مصرف بخار موضعی=r c_0/r s

بمنظور انجام محاسبات بازیافت انرژی و پروژه های بهینه سازی و افزایش راندمان، هزینه مرزی باید محاسبه شود.

قدم اول تصمیم گیری در مورد پارامترهای راهبری پایه جهت سیكل های تركیبی قدرت و حرارت نظیر: آهنگ بازگشت كندانس، بلودان بویلر، فشار دی اریتور، نوع سوخت، دمای كندانس، دمای آب تغذیه بویلر، پروفیل تقاضای بخار، فشارشكن ها و جریان توربین های بخار می‌باشد.

سپس از مدل مربوطه جهت برآورد هزینه های كل بهره برداری با توجه به مقادیر پایه مشابه جدول 1 استفاده می شود. بعنوان مثال در صورت كاهش یا افزایش در مصرف بخار فشار پائین (12 psig) نحوه تغییرات هزینه های كل بهره برداری چگونه خواهد بود؟

بدین منظور میزان مصرف بخار فرایند بصورت دستی تغییر داده شده و هزینه جدید راهبری سیستم توسط مدل مشخص می گردد.

مدل مذكور باید بتواند با توجه به تغییر در میزان تقاضای بخار بسته به چگونگی بهره برداری از سیستم در زمان های مختلف، نتایج دقیق را ارائه نماید. پاره های از این اطلاعات مهم سوالاتی مانند زیر می باشند:

آیا تقلیل فشار به كلكتور فشار پائین از طریق شیرشكن انجام می گیرد یا از طریق توربین های بخار؟ آیا درجه سوپرهیت مورد نیاز در خط تامین می شود؟

نوع سوخت و بویلرهای در حال كار بدرستی تعیین شده اند؟ آیا محدودیت های ظرفیتی تجهیزات در نظر گرفته شده اند؟ آیا محدودیت های ظرفیتی تجهیزات در نظر گرفته شده اند؟ آیا راندمان صحیح بویلرها و توربین ها به دقت وارد شده اند؟

روش محاسبه فوق با تغییر مجدد در پارامترهای ورودی مجددا تكرار شده و در نهایت نتایج در جدول 2 وشكل 3 خلاصه و درج شده اند.

جدول 2، نشان می دهد كه هزینه تولید بخار فشار پایین بصورت كاملا مشخص با تغییر در شرایط بهره برداری متفاوت می باشد زیرا در این شرایط مسیر ونحوه تامین بخار فشار پایین در داخل سایت تغییر می كند. در كمترین مصارف، در زمانی كه مصرف بخار در حدود 152/8 k1b/hr می باشد، بویلر گازی شماره یك در حداقل ظرفیت خود (30%) كار می كند.

در این شرایط با توجه به اینكه گاز گران ترین سوخت می باشد، بویلرهای شماره دو الی شش (با سوخت زغال سنگ) بسته به میزان بار در مدار وارد می شوند تا نیاز به بخار را براورده كنند. به نسبت توربو ژنراتورهای شماره دو و سه در حداقل میزان بار خود یعنی 20k1b/hr و 40 k1b/hr می باشند.

با افزایش تقاضای بخار، میزان بار در بویلرها افزایش یافته و همچنین جریان بخار در توربوژنراتور شماره سه تا حداكثر میزان خود یعنی 110k1b/hr افزایش می یابد. با افزایش بیشتر تقاضا، جریان در توربو ژنراتور شماره دو نیز افزایش می یابد. در شرایط نسبتا زیاد درخواست بخار، بویلرهای زغال سوز در میزان 85% تولید بخار خود قرار می گیرند.

اكنون افزایش بیشتر تقاضا باید توسط بویلر گازسوز جبران شود. پس از كسب حداكثر جریان در توربوژنراتور شماره دو تا اندازه 60k1b/hr، تقاضای بیشتر باید از طریق شیرهای تقلیل فشار مابین خطوط فشار بالا و فشار پایین تامین گردد. در این حالت هزینه موضعی تامین بخار فشار پائین چشمگیری می یابد.

با ادامه افزایش مصرف بخار فشار پائین، بویلرهای زغال سوز مجددا با افزایش ظرفیت تا حداكثر میزان ایمن كاری در حدود 95% بخار بیشتری را به مدار وارد می كنند.

توجه نمائید نوع سوخت مصرفی از زغال سنگ شروع شده، سپس به گاز سوئیچ كرده و مجددا به زغال سنگ بر می گردد. هزینه موضعی تولید بخار نه تنها به سوخت بستگی دارد بلكه به نوع مسیر خود بین نقطه تولید تا نقطه مصرف مرتبط است. نتایج جدول 2 در شكل 3 بصورت نمودار رسم شده است.

این نمودار نشان می دهد كه هزینه بخار ثابت نبوده و در واقع با میزان مصرف(ونوع مسیر) می باشد.در این نمودار، نوع برنامه ریزی راهبری سیستم بصورت ضمنی گنجانده شده است. در مورد بخارهای فشار متوسط و فشار بالا نیز، نمودارهای مشابه جهت هزینه های مقطعی بخار تهیه می گردد.

نتیجه گیری

محاسبه هزینه واقعی بخار در سایت های بزرگ صنعتی به پارامترهائی نظیر: فشار كاری، نحوه تامین بخار فشار پائین و مسیر آن نوع سوخت، نوع بویلر، راندمان بویلرها و توربین ها، نوع پروفیل بهره برداری و …، وابسته است.

بنابراین نفرات محاسب پروژه و افراد تصمیم گیرنده، ضمن جلوگیری از پیچیده شدن مدل باید تمامی عوامل مهم و تاثیرگذار را در نظر بگیرند.

بعلت اینكه این عدد پارامتری مهم جهت تصمیم گیری های مدیریتی بمنظور ایجاد تغییرات در سیستم و یا اجرای پروژه های جدید است، حتما باید با دقت نظر خاص و در نظرگیری كلیه جوانب تعیین گردد.

 

مدل سازی

یك مدل شبیه سازی شده، نمایشی ریاضی از یك فرایند است كه شامل اجزائی نظیر معادلات، محدودیت ها و فرض ها می گردد.

این مدل ارتباطات بین انرژی و جرم در اجزای اصلی سیستم نظیر سوخت، دیگ بخار، توربین های بخار، توربین های گاز، دی اریتورها، مخازن فلاش، دی سوپرهیترها، اكونومایزرها، مبدل های حرارتی و تجهیزات مصرف کننده بخار را بیان می كند.

بعنوان مثال در سیستم بخار شكل 1، مقادیر ورودی و خروجی به محدوده واحد یوتیلیتی بخار عبارت است از:

جریان های ورودی: برگشت كندانس فرایند + آب تغذیه ورودی بویلر

جریان های خروجی: بخار مصرفی فرایند + بلودان + ونت بخار به اتمسفر بمنظور بالانس جرمی با صرف نظر از میزان تلفات، مقادیر ورودی و خروجی برابر در نظر گرفته می شوند. با این وجود در برخی از سیستم ها ممكن است میزان تلفات زیاد بوده كه باید در محاسبات لحاظ شود.

عملیات مشابه جهت زیر مجموعه های كوچك تر نیز باید انجام پذیرد:

بویلر

تولید بخار + بلودان بویلر (قبل از ورود به مخزن فلاش ) = آب تغذیه ورودی به بویلر

كلكتور اصلی بخار(کلکتور بخار)

بخار خروجی بویلر = بخار خروجی جهت فرایند + بخار خروجی به سمت ایستگاه دی اریتور = آب جبرانی سیستم + مجموع كندانس برگشتی- ونت A

بلودان بویلر در فشار و دمای كاری بویلر بوده و در زمان تخلیه به اتمسفر مقدار قابل توجهی بخار فلاش را تولید خواهد نمود. این بخار فلاش می تواند بمنظور استفاده جهت گرمایش دی اریتور بازیافت گردد.

معمولا بلودان بویلر به سمت مخزن فلاش با فشار دی اریتور هدایت شده و میزان گذر بخار با حرف C در شكل 1 برابر صفر خواهد بود. بنابراین بالانس جرمی جهت مخزن فلاش بلودان برابر است با:

بلودان بویلر = بلودان بویلر خروجی مخزن فلاش + بخار فلاش خروجی به سمت دی اریتور

دی اریتور:

آب تغذیه ورودی بویلر = كندانس برگشتی از تانك كندانس + بخار ورودی از ایستگاه تقلیل فشار + بخار ورودی از طریق توربین های بخار + بخار فلاش حاصل از مخزن بلودان – ونت B

علاوه بر بالانس جرمی، بالانس های انرژی (آنتالپی) نیز جهت هر یك از سیستم ها در نظر گرفته شده و در نهایت مجموعه تركیبی معادلات بصورت جبری حل خواهد شد.

بررسی عمومی بالانس ها نشان می دهد تعداد بیشتری از یك متغیر مجهول وجود داشته و بنابراین معادلات باید بصورت تكراری حل گردند.

 

مسئله با همگرا شدن محاسبات به سمت یك جواب مشترك حل خواهد شد. بدین منظور توصیه می شود تا در ابتدا برآورد اولیه ای از میران تولید بخار فرض شده و معادلات مربوط به آب جبرانی، برگشت كندانس، بلودان و آب تغذیه بویلر حل شده و سپس بالانس های مستقل جهت زیر مجموعه ها (كلكتور بویلر، مخزن فلاش بلودان تانك كندانس و دی اریتور) حل شوند.

پس از محاسبه میزان گذر بخار جدید، مقدار آن با حدس اولیه مقایسه شده و سپس محاسبات مجددا تكرار می شوند تا نتایج همگرا گردند.

هزینه خالص سیستم

هزینه خالص راهبری سیستم برابر خواهد بود با هزینه تولید بخار، منهای امتیاز تولید برق توسط توربین های بخار. در سیستم های ساده با گذر یكنواخت بخار، انجام محاسبات به تعداد یك مرتبه كافی است.
در صورت تغییر در محدوده ها یا مفروضات، محاسبات بصورت دوره ای تكرار می گردد. در این مورد حتی ممكن است نیازی به مدل كامپیوتری نیز نباشد.

مجموعه های صنعتی بزرگ معمولا پیچیده تر هستند: چندین بویلر، چندین نوع سوخت، چندین سطح فشار و مسیرهای فرعی بین سطوح فشار نظیر شیرهای تقلیل فشار یا توربین های بخار.

در اینگونه مجموعه ها نیاز است تا مدل كامپیوتری تهیه و چندین مرتبه در روز اجرا شود تا نتایج دقیق تری بدست آید.

 

! 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