تلفن تماس : 05135411722      09157607106      09151150958  telegram6

صرفه جويي سوخت در موتورخانه

بخش اول:

رسيدن اوج قيمت نفت به بشكه اي 147 دلار در ماه جولاي 2008 نشان داد كه قيمتهاي سوختهاي با پايه نفتي بي ثبات بوده و در معرض نوسانات شديدي قرار دارند.

از اين رو لازم است  مالكين ديگ ها ومهندسين تاسيسات نسبت به راندمان ديگ وآنچه كه بايد براي صرفه جويي سوخت در موتورخانه ها انجام دهند آگاهي كامل داشته باشند.

 جدول1 مقدار سوختي كه يك ديگ معمولي كوچك مصرف مي كند را با هزينه سرمايه اي (هزينه اوليه) ديگ ، مشعل وكنترلها مورد مقايسه قرار مي دهد.

داده هاي اين جدول بر مبناي گاز طبيعي با قيمت 10 دلار بر يك ميليون بي تي يو (MBTU) و گازوئيل با قيمت 3/63 دلار بر گالن (0.97دلار بر ليتر)تنظيم شده اند.

همانطور كه در جدول ديده مي شود ، وقتي ديگ گازسوز با فاكتور ظرفيت25% كار مي كند ، سالانه حداقل دو برابر هزينه اوليه خود سوخت مصرف خواهد كرد.

ديگ گازوئبل سوز نيز هر ساله حداقل 4 برابر هزينه اوليه خود سوخت مصرف مي كند.بهسازي هاي مشعل وكنترل احتراق به دليل هزينه اوليه نسبتا پائين شان وتاثير بالايي كه بر راندمان ديگ دارند ، براساس صرفه جوئي حاصله در مصرف انرژي سريعترين دوره استهلاك هزينه را براي مالكين ديگ ها فراهم مي كنند.

-درك تلفات گرماي ديگ

براي درك بهتر تاثير كارايي مشعل وكنترلها بر راندمان ، لازم است از تلفات گرماي ديگ آگاهي داشته باشيم.با استفاده از داده هاي عملياتي يك ديگ پكيج نمونه ، راندمان ديگ مطابق با بخشPTC 4.1 انجمن مهندسين مكانيك آمريكا(ASME) تحت عنوان "مقررات تست توان براي واحدهاي مولد بخار "محاسبه مي شود وتلفات معمول ديگ به دست مي آيند كه در جدول2 نشان داده شده اند

ASMEPTC4.1 شامل دستورالعمل هايي براي محاسبه راندمان ديگ براساس روش مستقيم خروجي بخار در مقابل ورودي گرما مي باشد.

اين همچنين راندمان ديگ توسط روش غير مستقيم محاسبه مي كند كه طي آن تلفات ديگ به طور جداگانه محاسبه شده وبا هم جمع زده مي شوند.

روش محاسبه"توسط تلفات"فقط به محتواي اكسيژن ودماي دودكش نياز دارد كه مي توان آنها را به آساني با يك آناليزور احتراق پرتابل يا آناليزور بكاررفته در كنترلهاي احتراق محاسبه نمود

استانداردANSI Z21.130 نيز محاسبات راندمان براي ديگ هاي آب گرم را تشريح كرده است.مكانيزمهاي تلفات در ديگ ها مشابهند.جدول 3 معادلات مورد استفاده براي محاسبه سه مورد از عمده ترين تلفات ديگها را نشان داده ومشخص مي كند كه چگونه اين تلفات مي توانند تحت تاثير كارايي ديگ/مشعل قرار بگيرند.

سه معادله اي كه در جدول3 براي محاسبه تلفات مختلف ديگ نشان داده شده اند داراي چند جزء مشترك مي باشند كه اين ، يك راهبرد مشترك براي كاهش تلفات ديگها را پيشنهاد مي كند كه شامل موارد زير است:

-كاهش دادن دماي دودكش ؛

-به حداقل رساندن سطوح هواي اضافه ؛

-بالا بردن دماي آب تغذيه ديگ ؛

-بالا بردن دماي هواي احتراق در مشعل.

كاهش دماي دودكش وافزايش دماي آب تغذيه در سطح ديگ وبا انتخاب يك ديگ راندمان بالاي مجهزبه اكونومايزر(يك مبدل حرارتي كه گرما را از گازهاي خروجي از دودكش به آب تغذيه ديگ منتقل مي كند-مترجم)محقق مي شوند.

اگر يك ديگ بخار فاقد اكونومايزرباشد مي توان آن را مورد بهسازي قرارداده و به اكونومايزر مجهز نمود.بنابرقاعده تجربي Kenneth Mekelvyاز شركت  Babcock and Wilcox هر 400f  يا 220c كاهش در دماي دودكش معادل است با 1% افزايش راندمان ديگ.يك اكونومايزر معمولا مي تواند راندمان ديگ را 4% تا6% افزايش دهد.

استفاده از يك گرمكن هوا براي بالا بردن دماي هواي احتراق يك امر معمول براي ديگهاي يوتيليتي است اما در مورد ديگهاي پكيج انجام نمي شود.شبكه كانال مورد نياز بسيار پرهزينه بوده و ميتواند بر عملكردNOX پايين مشعل تاثير بگذارد.

افزودن پيش گرمكن هاي هوا به ديگ هاي پكيج معمولا غيرعملي در نظر گرفته مي شود.اما يك ترفند حرفه اي موسوم به "دودكش هوا" مي تواند راندمان ديگ را افزايش دهد.

دودكش هوا صرفا كانالي است كه از ورودي هواي احتراق تا قسمت فوقاني موتورخانه كه هواي آن ممكن است200fيا 110cگرمتر باشد ، كشيده مي شود.اين اصلاح كم هزينه وصرفا مكانيكي راندمان ديگ را در موتورخانه هاي محصور افزايش خواهد داد.

-تاثير كاهش هواي اضافه مشعل بر صرفه جويي سوخت

يكي از مقرون به صرفه ترين راهبردهاي صرفه جويي سوخت براي يك ديگ پكيج بهسازي آن توسط يك مشعل با هواي اضافه پايين است.

مشعل هاي استانداردي كه معمولا توسط سازندگان ديگ عرضه مي شوند داراي گارانتي عملكرد با هواي اضافه15 تا 20 درصد فقط در نرخ اشتعال بالا هستند(هواي اضافه 5% تقريبا معادل 1% اكسيژن در دودوكش است).

به دليل اينكه 79 درصد هواي محيط خنثي وبي اثر است(شامل نيتروژن ، آرگن ، وبخار آب) ؛ بسيار مهم است كه مقدار سوخت تلف شده بابت گرم كردن هوايي كه بخش عمده آن خنثي است به حداقل برسد.مشعلهاي با كارايي بالا از اشتعال متوسط(midfire) تا اشتعال بالا(highfire) با 12/5 تا 15 درصد هواي اضافه عمل ميكنند.

اين عملكرد با هواي اضافه پايين تر در سراسربار بزرگ ديگ موجب صرفه جويي قابل توجهي در سوخت خواهد شد زيرا سوخت كمتري بابت گرم كردن هواي احتراقي كه بخش عمده آن خنثي است تلف مي شود.

بسياري از مشعل ها در محل پروژه تنظيم نمي شوند تا مقادير تجويز شده براي هواي اضافه را براورده سازند ومالكين ديگ ها نيز سازندگان ديگ را مسئول دستيابي به اين مقادير نمي دانند ؛ مخصوصا در مورد مشعلهاي NOXيا مونوكسيدكربن وضع واعمال مي گردند ؛ گاهي اوقات مقادير تجويز شده برايTurndown مشعل وهواي اضافه قرباني مي شوند.

مالكين ديگ ها (در ايالات متحده) چنانچه مقادير مواد منتشره خارج از حدود مقرر باشند ، مجاز نيستند كه ديگ ها را به كار اندازند.اما تنها تاوان عملكرد ديگ با هواي اضافه بيشتر از حد تجويز شده يا turndown كمتر از حد تجويز شده ، مصرف اضافي سوخت خواهد بود.

اگرچه مصرف سوخت يكي از ملاحضات مهم به شمار مي رود ، اما اهميت آن كمتر از تهديدي است كه از سوي سازمانهاي ناظر دولتي مبني بر تعطيل كردن ديگ به دليل تخطي از حد مجاز آلوده سازي هوا صورت مي گيرد.

  بخش دوم:

 -راهبري ديگ در جهان

حتي براي مشعل هايي كه در محدوده مجاز مواد منتشره خودكار مي كنند ، تكنسين مسئول تنظيم ديگ بايد هواي اضافه را پايش كرده وآن را با دماي بالاتر محيط  ،  تغييرات  در فشار سوخت ، وساير تغييرات پيش بيني نشده اي كه بر استوكيومتري مشعل تاثير مي گذارند ، منطبق سازد.

 براي كاستن از ميزان پايش هواي تازه  ، مشعلهاي جديد به سيستم كنترل احتراق مجهز مي شوند كه مي تواند تغييرات در شرايط محيط را موازنه وجبران كند(شكل1).

  بسيار مهم است كه بدانيم گارانتي هاي راندمان سازندگان ديگ ، ومحاسبات راندمان ASME PTC4.1  بر مبناي فرضيات زير مي باشند:

-ديگ بطور دستي روشن مي شود ؛

 -نرخ اشتعال در 100% ثابت مي شود وبه حالت پايدار مي رسد ؛

-هيچ تغييراتي در شرايط محيطي اتفاق نمي افتد.

 اما عملا ديگ هاي كمي تحت اين شرايط كار مي كنند.هدف از كاربرد كنترلهاي احتراق مشعل اين است كه مشعل در شرايط واقعي تا حد امكان نزديك به شرايط بهينه كار كند ؛ صرف نظر از تغيير كردن بارهاي ديگ ، نوسان دماي محيط ، وساير فاكتورهاي محيطي.

سيستمهاي كنترل احتراق با قابليت سنجش كامل قادرند سوخت وجريان هوا را پايش كرده وشيرهاي سوخت ودمپرهاي هوا را به نحوي تنظيم كنند كه نرخهاي جريان مشعل عليرغم تغيير شرايط ثابت بمانند.

 سيستم اصلاح كننده اكسيژن را نيز مي توان به اين سيستمها اضافه كرد تا تضمين نمايد كه نقطه تنظيم اكسيژن دودكش كه طي فرآيند"تحويل" مشعل تعيين مي شود ، در تمامي اوقات حفظ خواهد شد.

 در گذشته سيستمهاي كنترل احتراق به دليل هزينه اوليه بالاي خود به ديگه اي بزرگ واترتيوب محدود مي شدند.اما امروزه سيستمهاي جديدتر كنترل احتراق كه كنترل وسنجش كامل پارامترهاي احتراق را همراه با جبران اكسيژن ارائه مي دهند در قيمتهاي بسيار پايين تري عرضه مي شوند.

 سيستمهاي كنترل احتراق از نوع وضعيت دهنده موازي قادرند اصلاح اكسيژن را بدون كنتورهاي سوخت وهوا ارائه دهند.اين سيستمها بطور ايمن تغيير شرايط محيطي را جبران كرده وعملكرد بهينه با هواي اضافه پايي را در تمامي اوقات حفظ مي كنند.

 اين سيستمها بسيار مقرون به صرفه بوده ودر حال حاضر اغلب براي ديگ هاي به كوچكي 1470 kwيا 150 hp بكار برده مي شوند(شكل3).

 -تاثير Turndown مشعل بر راندمان

 Turndown مشعل از نظر صرفه جويي سوخت حائز اهميت است ؛ مخصوصا طي شرايط بار پايين.مشعلها معمولا باTurndown برابر6:1 براي اشتعال با گاز طبيعي وTurndown برابر4:1 براي اشتعال گازوئيل طراحي مي شوند.

 Turndown برابر6:1 به اين معني است كه جريان سوخت در حالت اشتعال بالا (high-fire)، شش برابر جريان سوخت در حالت اشتعال پايين(low- fire) است.

 در عمل بسياري از مشعلها در Turndown برابر3:1 كار مي كنند ؛ يعني در 33 درصد ورودي گرماي اشتعال بالا روشن مي شوند.اگر نرخ اشتعال 33% بخار يا آب گرم بيشتري از بار سيستم توليد كند ، مشعل نهايتا در فشار بالاي بخار يا دماي بالاي آب خاموش خواهد شد وكليه تلفات مربوط به دوره هاي پس تخليه ، حالت استندباي ، وتخليه مجددا ايجاد مي شوند.

 سيكلهاي مكرر روشن وخاموش شدن ديگ همچنين شوك حرارتي به لوله ها ومواد نسوز ديگ وارد كرده وباعث كوتاهي عمر ديگ مي شوند.از آنجا كه ديگها معمولا بزرگتر از حد نياز (5%بزرگتر) اندازه گيري مي شوند ، روشن وخاموش شدن سيكلي ديگها طي شرايط بار پايين امري شايع است.هر بار كه ديگ خاموش مي شود ، هواي سرد احتراق را طي دوره هاي پس تخليه واستندباي به داخل خود مي كشد.

 وقتي كه ديگ مجددا روشن مي شود بايد يك دوره تخليه را طي كند كه در آن هواي سرد بيشتري داخل ديگ به گردش در مي آيد تا كوره را قبل از اشتعال ، از گازهاي قابل احتراق تخليه كند.كليه گرماي تلف شده به اين هواي سرد بايد توسط مشعل هنگامي كه مجددا روشن مي شود جبران گردد.

 

ديگهاي كوچك طي دوره هاي بار پايين تا10 بار در ساعت به صورت سيكلي روشن وخاموش مي شوند.اما يك مشعل با كارايي بالا با Turndown برابر10:1 براي گاز و Turndownبرابر8:1 براي گازوئيل بطور ايمن كار خواهد كرد.نسبت Turndown برابر10:1 به اين معني است كه ورودي گرماي اشتعال پايين فقط 10 درصد ورودي گرماي اشتعال بالاست.

 

يك مشعل با Turndownبالا به احتمال بسيار زياد طي شرايط بار پايين روشن باقي مي ماند ومتحمل تلفات سيكلي مشعلهاي معمولي نخواهد شد.براي تعيين Turndown مشعل ، ديگ را بر روي نرخ اشتعال دستي قرار دهيد ؛ آن را در اشتعال بالا قفل كنيد ؛ و از روي كنتور سوخت ، جريان سوخت را براي مدت زمان معين بسنجيد.

اين عمليات را براي اشتعال پايين نيز تكرار كنيد.سپس جريان سوخت اشتعال بالا را بر جريان سوخت اشتعال پايين تقسيم كنيد.اگر مشعل يك كنتور اختصاصي گاز يا گازوئيل نداشته باشد ، معادله برنولي راه مناسبي براي تعيين تقريبي Turndown مشعل هنگام اشتعال با گاز فراهم مي كند.

 براي اين منظور كافي است كه فشار منيفولد گاز (واقع در پايين دست شير كنترل جريان گاز )را در اشتعال بالا اندازه گرفته وبر فشار منيفولد گاز در اشتعال پايين تقسيم كنيد ، وجذر آن را محاسبه نمائيد.عددي كه بدست مي آيد Turndown مشعل خواهد بود.

-تاسيسات چندديگي

در تاسيسات چند ديگي با نصب يك كنترل كننده مدرن تقدم/تاخر مي توان به صرفه جويي اضافي در مصرف سوخت دست يافت.يك سيستم كنترل معمولا فشار هدر يا ترانسيمتر دما را پايش كرده ؛ تعداد بهينه اي از ديگ ها را براي تامين بار موجود سيستم نباشد.

ديگ موخر را روي خط مي آورد.به دليل اينكه ديگ هاي بخار و دیگ های آبگرم غير چگالشي در اشتعال بالا بيشترين راندمان را ارئه مي دهند ؛ كنترل كننده مقدم /موخر اين ديگها را در بالاترين نرخ اشتعال ممكن بكار مي اندازد تا بيشترين راندمان بدست آيد.

ديگ هاي چگالشي در اشتعال پايين راندمان بالاتري دارند ، بنابراين راهبرد مذكور براي ديگهاي چگالشي معكوس مي شود.با توجه به قيمتهاي بالاي سوخت در ايالات متحده ، كنترلها ومشعل هاي با كارايي بالا در مقايسه با هزينه سوخت تلف شده توسط ديگ هاي معمولي ارزان مي باشند.

مالكين ديگ هايي كه قبلا مشعل هاي كار آمد وكنترلهاي احتراق نصب كرده بودند هم اينك مي توانند منافع آنها را برداشت كنند.

به دليل بي ثباتي قيمت سوخت ، بايد اين ضرب المثل قديمي را به كار برد كه"به بهترينها اميدوار باشيد ؛ اما براي بدترينها برنامه ريزي كنيد."