صرفه جویی سوخت در موتورخانه

کاهش مصرف سوخت موتورخانه

رسیدن اوج قیمت نفت به بشکه ای ۱۴۷ دلار در ماه جولای ۲۰۰۸ نشان داد که قیمت های سوخت های با پایه نفتی بی ثبات بوده و در معرض نوسانات شدیدی قرار دارند.

از این رو لازم است مالکین دیگ ها و مهندسین تاسیسات نسبت به راندمان دیگ و آنچه که باید برای کاهش مصرف سوخت موتورخانه انجام دهند، آگاهی کامل داشته باشند.

هزینه های سوخت دیگ در مقایسه با هزینه های تجهیزات

جدول ۱، مقدار سوختی که یک دیگ معمولی کوچک مصرف می‌کند را با هزینه سرمایه ای (هزینه اولیه) دیگ، مشعل و کنترل ها مورد مقایسه قرار می دهد.

داده های این جدول بر مبنای گاز طبیعی با قیمت ۱۰ دلار بر یک میلیون بی تی یو (MBTU) و گازوئیل با قیمت ۳/۶۳ دلار بر گالن (۰.۹۷دلار بر لیتر) تنظیم شده اند.

همانطور که در جدول دیده می شود، وقتی دیگ گازسوز با فاکتور ظرفیت ۲۵% کار می کند، سالانه حداقل دو برابر هزینه اولیه خود، سوخت مصرف خواهد کرد.

آشنایی با موتورخانه ها

کاهش مصرف سوخت موتورخانه

دیگ گازوئیل سوز نیز هر ساله حداقل ۴ برابر هزینه اولیه خود سوخت مصرف می کند. بهسازی های مشعل و کنترل احتراق به دلیل هزینه اولیه نسبتا پائین شان و تاثیر بالایی که بر راندمان دیگ و صرفه جویی مصرف سوخت دارند، بر اساس کاهش مصرف حاصله در مصرف انرژی سریع ترین دوره استهلاک هزینه را برای مالکین دیگ ها فراهم می‌کنند.

 

درک تلفات گرمای دیگ

برای درک بهتر تاثیر کارایی مشعل و کنترل ها بر راندمان و در نتیجه کاهش مصرف سوخت موتورخانه، لازم است از تلفات گرمای دیگ آگاهی داشته باشیم.

با استفاده از داده های عملیاتی یک دیگ پکیج نمونه، راندمان دیگ مطابق با بخش PTC 4.1 انجمن مهندسین مکانیک آمریکا(ASME) تحت عنوان “مقررات تست توان برای واحدهای مولد بخار” محاسبه می شود و تلفات معمول دیگ به دست می آیند که در جدول ۲ نشان داده شده اند.

تلفات معمول دیگ

ASMEPTC4.1 شامل دستورالعمل هایی برای محاسبه راندمان دیگ بر اساس روش مستقیم خروجی بخار در مقابل ورودی گرما می‌باشد.

این همچنین راندمان دیگ توسط روش غیر مستقیم را محاسبه می کند که طی آن تلفات دیگ به طور جداگانه محاسبه شده و با هم جمع زده می شوند.

روش محاسبه “توسط تلفات” فقط به محتوای اکسیژن و دمای دودکش نیاز دارد که می توان آنها را به آسانی با یک آنالیزور احتراق پرتابل یا آنالیزور بکار رفته در کنترل های احتراق محاسبه نمود.

استاندارد ANSI Z21.13 نیز محاسبات راندمان برای دیگ آب گرم را تشریح کرده است. مکانیزم های تلفات در دیگ ها مشابهند. جدول ۳ معادلات مورد استفاده برای محاسبه سه مورد از عمده ترین تلفات دیگ ها را نشان داده و مشخص می کند که چگونه این تلفات می توانند تحت تاثیر کارایی دیگ مشعل قرار بگیرند.

محاسبات تلفات دیگ

کاهش تلفات دیگ ها

سه معادله‌ای که در جدول ۳ برای محاسبه تلفات مختلف دیگ نشان داده شده اند دارای چند جزء مشترک می باشند که این یک راهبرد مشترک برای کاهش تلفات دیگ ها را پیشنهاد می کند که شامل موارد زیر است:

  • کاهش دادن دمای دودکش
  • به حداقل رساندن سطوح هوای اضافه
  • بالا بردن دمای آب تغذیه دیگ
  • بالا بردن دمای هوای احتراق در مشعل

 

مشکلات دیگ آبگرم در سیستم حرارت مرکزی ساختمان

کاهش دمای دودکش

کاهش دمای دودکش و افزایش دمای آب تغذیه در سطح دیگ و با انتخاب یک دیگ راندمان بالای مجهز به اکونومایزر (یک مبدل حرارتی که گرما را از گازهای خروجی از دودکش به آب تغذیه دیگ منتقل می کند-مترجم) محقق می شوند.

اگر یک دیگ بخار فاقد اکونومایزر باشد می توان آن را مورد بهسازی قرار داده و به اکونومایزر مجهز نمود. بنابر قاعده تجربی Kenneth Mekelvy از شرکت Babcock and Wilcox هر ۴۰۰f یا ۲۲۰c کاهش در دمای دودکش معادل است با ۱% افزایش راندمان دیگ یک اکونومایزر معمولا می‌تواند راندمان دیگ را ۴% تا ۶% افزایش دهد.

استفاده از یک گرمکن هوا برای بالا بردن دمای هوای احتراق یک امر معمول برای دیگ های یوتیلیتی است اما در مورد دیگ های پکیج انجام نمی شود. شبکه کانال مورد نیاز بسیار پرهزینه بوده و می تواند بر عملکرد NOX پایین مشعل تاثیر بگذارد.

 

دودکش هوا

افزودن پیش گرمکن های هوا به دیگ های پکیج معمولا غیرعملی در نظر گرفته می شود. اما یک ترفند حرفه ای موسوم به “دودکش هوا” می تواند راندمان دیگ را افزایش دهد.

دودکش هوا صرفا کانالی است که از ورودی هوای احتراق تا قسمت فوقانی موتورخانه که هوای آن ممکن است ۲۰۰f یا ۱۱۰c گرمتر باشد، کشیده می شود. این اصلاح کم هزینه و صرفا مکانیکی راندمان دیگ را در موتورخانه های محصور افزایش خواهد داد.

 

تاثیر کاهش هوای اضافه مشعل بر صرفه جویی سوخت موتورخانه

یکی از مقرون به صرفه ترین راهبردهای صرفه جویی سوخت برای یک دیگ پکیج، بهسازی آن توسط یک مشعل با هوای اضافه پایین است.

مشعل های استانداردی که معمولا توسط سازندگان دیگ عرضه می شوند دارای گارانتی عملکرد با هوای اضافه ۱۵ تا ۲۰ درصد فقط در نرخ اشتعال بالا هستند (هوای اضافه ۵% تقریبا معادل ۱% اکسیژن در دو دوکش است).

به دلیل اینکه ۷۹ درصد هوای محیط خنثی و بی اثر است (شامل نیتروژن، آرگن، و بخار آب) بسیار مهم است که مقدار سوخت تلف شده بابت گرم کردن هوایی که بخش عمده آن خنثی است به حداقل برسد. مشعل های با کارایی بالا از اشتعال متوسط (midfire) تا اشتعال بالا (highfire) با ۱۲/۵ تا ۱۵ درصد هوای اضافه عمل می کنند.

این عملکرد با هوای اضافه پایین تر در سراسر بار بزرگ دیگ موجب صرفه جویی قابل توجهی در سوخت خواهد شد، زیرا سوخت کمتری بابت گرم کردن هوای احتراقی که بخش عمده آن خنثی است تلف می شود.

بسیاری از مشعل ها در محل پروژه تنظیم نمی شوند تا مقادیر تجویز شده برای هوای اضافه را برآورده سازند و مالکین دیگ ها نیز سازندگان دیگ را مسئول دستیابی به این مقادیر نمی دانند، مخصوصا در مورد مشعل های NOX یا مونوکسیدکربن وضع و اعمال می گردند.

گاهی اوقات مقادیر تجویز شده برای Turndown مشعل و هوای اضافه قربانی می شوند.

 

مالکین دیگ ها (در ایالات متحده) چنانچه مقادیر مواد منتشره خارج از حدود مقرر باشند، مجاز نیستند که دیگ ها را به کار اندازند. اما تنها تاوان عملکرد دیگ با هوای اضافه بیشتر از حد تجویز شده یا turndown کمتر از حد تجویز شده، مصرف اضافی سوخت خواهد بود.

اگرچه مصرف سوخت یکی از ملاحضات مهم به شمار می رود اما اهمیت آن کمتر از تهدیدی است که از سوی سازمان های ناظر دولتی مبنی بر تعطیل کردن دیگ به دلیل تخطی از حد مجاز آلوده سازی هوا صورت می گیرد.

 

حتی برای مشعل هایی که در محدوده مجاز مواد منتشره خود کار می کنند، تکنسین مسئول تنظیم دیگ باید هوای اضافه را پایش کرده و آن را با دمای بالاتر محیط، تغییرات در فشار سوخت و سایر تغییرات پیش بینی نشده ای که بر استوکیومتری مشعل تاثیر می‌گذارند، منطبق سازد.

برای کاستن از میزان پایش هوای تازه، مشعل های جدید به سیستم کنترل احتراق مجهز می شوند که می تواند تغییرات در شرایط محیط را موازنه و جبران کند (شکل۱).

سیستم کنترل احتراق از نوع وضعیت دهنده تک نقطه ای

بسیار مهم است که بدانیم گارانتی‌های راندمان سازندگان دیگ و محاسبات راندمان ASME PTC4.1 بر مبنای فرضیات زیر می باشند:

  • دیگ بطور دستی روشن می‌شود.
  • نرخ اشتعال در ۱۰۰% ثابت می شود و به حالت پایدار می‌رسد.
  • هیچ تغییراتی در شرایط محیطی اتفاق نمی‌افتد.

اما عملا دیگ های کمی تحت این شرایط کار می کنند. هدف از کاربرد کنترل های احتراق مشعل این است که مشعل در شرایط واقعی تا حد امکان نزدیک به شرایط بهینه کار کند. صرف نظر از تغییر کردن بارهای دیگ، نوسان دمای محیط و سایر فاکتورهای محیطی.

 

سیستم های کنترل احتراق

سیستم های کنترل احتراق با قابلیت سنجش کامل قادرند سوخت و جریان هوا را پایش کرده و شیرهای سوخت و دمپرهای هوا را به نحوی تنظیم کنند که نرخ های جریان مشعل علیرغم تغییر شرایط ثابت بمانند.

سیستم اصلاح کننده اکسیژن را نیز می توان به این سیستم ها اضافه کرد تا تضمین نماید که نقطه تنظیم اکسیژن دودکش که طی فرآیند “تحویل” مشعل تعیین می شود، در تمامی اوقات حفظ خواهد شد.

در گذشته سیستم های کنترل احتراق به دلیل هزینه اولیه بالای خود به دیگ های بزرگ واترتیوب محدود می شدند. اما امروزه سیستم های جدیدتر کنترل احتراق که کنترل و سنجش کامل پارامترهای احتراق را همراه با جبران اکسیژن ارائه می دهند در قیمت های بسیار پایین تری عرضه می شوند (شکل۲).

سیستم کنترل احتراق با قابلیت سنجش کامل

سیستم های کنترل احتراق از نوع وضعیت دهنده موازی قادرند اصلاح اکسیژن را بدون کنتورهای سوخت و هوا ارائه دهند. این سیستم ها بطور ایمن تغییر شرایط محیطی را جبران کرده و عملکرد بهینه با هوای اضافه پایی را در تمامی اوقات حفظ می کنند.
این سیستم ها بسیار مقرون به صرفه بوده و در حال حاضر اغلب برای دیگ های به کوچکی ۱۴۷۰ kw یا ۱۵۰ hp بکار برده می شوند. (شکل ۳)

 

بالا بردن دمای هوای احتراق در مشعل

تاثیر Turndown مشعل بر راندمان

Turndown مشعل از نظر صرفه جویی سوخت حائز اهمیت است، مخصوصا در طی شرایط بار پایین. مشعل ها معمولا با Turndown برابر ۶:۱ برای اشتعال با گاز طبیعی و Turndown برابر ۴:۱ برای اشتعال گازوئیل طراحی می شوند.

Turndown برابر ۶:۱ به این معنی است که جریان سوخت در حالت اشتعال بالا (high-fire)، شش برابر جریان سوخت در حالت اشتعال پایین (low- fire) است.

در عمل بسیاری از مشعل ها در Turndown برابر ۳:۱ کار می کنند، یعنی در ۳۳ درصد ورودی گرمای اشتعال بالا روشن می شوند. اگر نرخ اشتعال ۳۳% بخار یا آب گرم بیشتری از بار سیستم تولید کند، مشعل نهایتا در فشار بالای بخار یا دمای بالای آب خاموش خواهد شد و کلیه تلفات مربوط به دوره های پس تخلیه، حالت استندبای و تخلیه مجددا ایجاد می شوند.

 

عوامل موثر در کاهش عمر دیگ

سیکل های مکرر روشن و خاموش شدن دیگ همچنین شوک حرارتی به لوله ها و مواد نسوز دیگ وارد کرده و باعث کوتاهی عمر دیگ می شوند. از آنجا که دیگ ها معمولا بزرگتر از حد نیاز (۵%بزرگتر) اندازه گیری می شوند، روشن و خاموش شدن سیکلی دیگ ها طی شرایط بار پایین امری شایع است.

هر بار که دیگ خاموش می شود، هوای سرد احتراق را طی دوره های پس تخلیه و استندبای به داخل خود می کشد.

وقتی که دیگ مجددا روشن می شود باید یک دوره تخلیه را طی کند که در آن هوای سرد بیشتری داخل دیگ به گردش در می آید تا کوره را قبل از اشتعال از گازهای قابل احتراق تخلیه کند. کلیه گرمای تلف شده به این هوای سرد باید توسط مشعل هنگامی که مجددا روشن می شود جبران گردد.

دیگ های کوچک طی دوره های بار پایین تا ۱۰ بار در ساعت به صورت سیکلی روشن و خاموش می شوند. اما یک مشعل با کارایی بالا با Turndown برابر ۱۰:۱ برای گاز و Turndownبرابر۸:۱ برای گازوئیل بطور ایمن کار خواهد کرد.

نسبت Turndown برابر۱۰:۱ به این معنی است که ورودی گرمای اشتعال پایین فقط ۱۰ درصد ورودی گرمای اشتعال بالاست.

 

یک مشعل با Turndown بالا به احتمال بسیار زیاد طی شرایط بار پایین روشن باقی می ماند و متحمل تلفات سیکلی مشعل های معمولی نخواهد شد.

برای تعیین Turndown مشعل، دیگ را بر روی نرخ اشتعال دستی قرار دهید. آن را در اشتعال بالا قفل کنید و از روی کنتور سوخت، جریان سوخت را برای مدت زمان معین بسنجید. این عملیات را برای اشتعال پایین نیز تکرار کنید. سپس جریان سوخت اشتعال بالا را بر جریان سوخت اشتعال پایین تقسیم کنید. اگر مشعل یک کنتور اختصاصی گاز یا گازوئیل نداشته باشد، معادله برنولی راه مناسبی برای تعیین تقریبی Turndown مشعل هنگام اشتعال با گاز فراهم می کند.

برای این منظور کافی است که فشار منیفولد گاز (واقع در پایین دست شیر کنترل جریان گاز ) را در اشتعال بالا اندازه گرفته و بر فشار منیفولد گاز در اشتعال پایین تقسیم کنید، و جذر آن را محاسبه نمائید، عددی که بدست می آید Turndown مشعل خواهد بود.

 

تاسیسات چند دیگی

در تاسیسات چند دیگی با نصب یک کنترل کننده مدرن تقدم/تاخر می توان به صرفه جویی اضافی در مصرف سوخت دست یافت. یک سیستم کنترل معمولا فشار هدر یا ترانسیمتر دما را پایش کرده تعداد بهینه ای از دیگ ها را برای تامین بار موجود سیستم نباشد.

دیگ موخر را روی خط می آورد. به دلیل اینکه دیگ بخار و دیگ آبگرم غیر چگالشی در اشتعال بالا بیشترین راندمان را ارئه می دهند. کنترل کننده مقدم/موخر این دیگ ها را در بالاترین نرخ اشتعال ممکن بکار می اندازد تا بیشترین راندمان بدست آید.

دیگ های چگالشی در اشتعال پایین راندمان بالاتری دارند، بنابراین راهبرد مذکور برای دیگ های چگالشی معکوس می شود. با توجه به قیمت های بالای سوخت در ایالات متحده، کنترل ها و مشعل های با کارایی بالا در مقایسه با هزینه سوخت تلف شده توسط دیگ های معمولی ارزان می باشند.

مالکین دیگ هایی که قبلا مشعل های کار آمد و کنترل های احتراق نصب کرده بودند هم اینک می توانند منافع آنها را برداشت کنند.

به دلیل بی ثباتی قیمت سوخت، باید این ضرب المثل قدیمی را به کار برد که”به بهترین ها امیدوار باشید اما برای بدترین ها برنامه ریزی کنید.”

از : David

ماخذ:ASHARE JOUrnal

ترجمه:دکتر سیدعلی اکبر طباطبایی

 

برای کسب اطلاعات بیشتر مقالات مربوطه را مطالعه فرمایید:

صرفه جویی انرژی و مصرف سوخت

کاهش مصرف سوخت بویلر با نصب توربولاتور

سوخت رسانی دیگ بخار (steam pot) تولید برق نیروگاه

نگهداری دیگ بخار و کاهش مصرف سوخت -بخش اول

 

! کپی ممنوع * استفاده از مطالب این سایت فقط با ذکر نام منبع بلامانع می باشد * کپی ممنوع !

فرم درخواست قیمت دریافت کاتالوگ مشتریان ما نقشه فنی

دیدگاهتان را بنویسید

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