چگونه اکونومایزرهای بویلر صنعتی راندمان انرژی را بهبود می بخشند و هزینه های سوخت را کاهش می دهند

افزایش هزینه های انرژی و تشدید مقررات انتشار گازهای گلخانه ای، تاسیسات صنعتی را مجبور می کند تا هر BTU را از سیستم دیگ بخار خود حذف کنند. یکی از اثبات شده ترین و مقرون به صرفه ترین راه حل ها این است اکونومایزر شوفاژ صنعتی - یک دستگاه تبادل حرارت که گرمای اتلاف گازهای دودکش را جذب می کند و آن را به پیش گرم کردن آب ورودی هدایت می کند. نتیجه سوخت کمتر برای خروجی بخار یکسان، هزینه های عملیاتی کمتر و کاهش انتشار کربن است.

این راهنما توضیح می‌دهد که اکونومایزرها چگونه کار می‌کنند، چقدر بازدهی واقعی ارائه می‌دهند، انواع مختلفی در دسترس هستند و چه عواملی موفقیت نصب را تعیین می‌کنند.

اکونومایزر صنعتی بویلر چیست و چگونه کار می کند؟

یک اکونومایزر در مسیر دودکش اگزوز، پایین دست بخش احتراق اصلی دیگ نصب شده است. همانطور که گازهای دودکش داغ به سمت پشته حرکت می کنند، از روی یک سری لوله عبور می کنند که آب تغذیه سرد از طریق آنها جریان می یابد. گرما از گاز به آب منتقل می شود و دمای آب تغذیه را قبل از ورود به درام دیگ افزایش می دهد. از آنجایی که آب به دمای بالاتری می رسد، دیگ به انرژی سوخت کمتری برای تبدیل آن به بخار نیاز دارد.

برای درک نحوه عملکرد اکونومایزر روی دیگ بخار در عمل، یک نصب معمولی گاز طبیعی را در نظر بگیرید: گاز دودکش در حدود 350 درجه فارنهایت (177 درجه سانتیگراد) وارد اکونومایزر می شود و در حدود 280 درجه فارنهایت (138 درجه سانتیگراد) خارج می شود، در حالی که دمای آب تغذیه از تقریباً 220 درجه فارنهایت (104 درجه سانتیگراد) به 290 درجه فارنهایت (143 درجه سانتیگراد) افزایش می یابد. افزایش 70 درجه فارنهایت در دمای آب تغذیه مستقیماً بار مشعل مورد نیاز برای رسیدن به شرایط بخار را کاهش می دهد.

راندمان انتقال حرارت در درجه اول به تفاوت دمایی بین گاز دودکش و آب تغذیه و به کل سطح موجود برای تبادل بستگی دارد. لوله های پره دار معمولاً برای ضرب کردن مساحت سطح مؤثر بدون افزایش ردپای فیزیکی اکونومایزر استفاده می‌شوند - یک مزیت حیاتی در مقاوم‌سازی‌های با محدودیت فضا.

یک اکونومایزر چقدر می تواند کارایی را اضافه کند؟

دستاوردهای بهره وری قابل اندازه گیری و به خوبی مستند شده است. به ازای هر 40 درجه فارنهایت (22 درجه سانتیگراد) کاهش دمای گازهای خروجی، راندمان دیگ بخار تقریباً 1٪ افزایش می یابد. در تاسیسات صنعتی معمولی، یک اکونومایزر با اندازه مناسب، راندمان کلی دیگ بخار را بین 2 تا 5 درصد بهبود می بخشد. اکونومایزرهای چگالشی - که گاز دودکش را در زیر نقطه شبنم آب خنک می کنند تا گرمای نهان و همچنین گرمای محسوس را بازیابی کنند - می توانند بازده دیگ بخار گاز طبیعی را به بالای 90 درصد (بر اساس HHV) در مقایسه با 78 تا 82 درصد برای یک دیگ استاندارد بدون بازیابی گرما، برسانند.

چند رقم معیار به نشان دادن مقیاس این دستاوردها کمک می کند:

• کاهش دمای گاز دودکش تا 50 درجه فارنهایت (28 درجه سانتیگراد) راندمان را تقریباً 1.25 درصد افزایش می دهد.
• کاهش دمای اگزوز از 450 درجه فارنهایت به 300 درجه فارنهایت (232 درجه سانتیگراد تا 149 درجه سانتیگراد) با یک اکونومایزر خوب طراحی شده، تقریباً 3.75 درصد بهبود راندمان را به همراه دارد.
• به ازای هر 6 درجه سانتی گراد افزایش دمای آب تغذیه، مصرف سوخت حدود 1 درصد کاهش می یابد.
• نصب یک اکونومایزر می تواند 30 تا 50 درصد از اتلاف انرژی پشته موجود را بازیابی کند که معمولاً 18 تا 22 درصد از کل انرژی ورودی در یک دیگ بخار استاندارد را نشان می دهد.

با توجه به داده های مربوط به کاربردهای دیگ بخار نیروگاه صنعتی، همراه با یک پیش گرم کن هوا، یک سیستم اکونومایزر و پیش گرمکن می تواند بازده حرارتی کلی را 3 تا 7 درصد افزایش دهد.

کمی سازی صرفه جویی در هزینه سوخت

درصد کارایی مستقیماً به دلار تبدیل می شود. برای یک دیگ بخار 200 اسب بخار که 6000 ساعت در سال با گاز طبیعی کار می کند، بهبود بازده 3 درصدی باعث صرفه جویی در حدود 3000 MMBtu در سال می شود - معادل تقریباً 30000 دلار هزینه سوخت با 10 دلار / MMBtu. تاسیسات بزرگتر با تقاضای بخار مداوم بازدهی نسبتاً بیشتری دارند.

جدول زیر سناریوهای معمولی صرفه جویی در اندازه دیگ بخار را خلاصه می کند:

داده‌های وزارت انرژی ایالات متحده نشان می‌دهد که سیستم‌های بازیابی گرمای اتلاف می‌توانند مصرف سوخت را بین ۵ تا ۱۰ درصد کاهش دهند، با دوره بازپرداخت اغلب کمتر از دو سال. برای تاسیسات با ساعت کاری بالا مانند کارخانه های نساجی، بازپرداخت می تواند در عرض 12 تا 18 ماه اتفاق بیفتد. یک مورد مستند از یک نیروگاه چینی نشان داد که اضافه کردن یک اکونومایزر لوله H-fin باعث صرفه جویی سالانه 12000 تن زغال سنگ استاندارد می شود در حالی که انتشار CO2 را تا 31000 تن کاهش می دهد - با دوره بازپرداخت کامل فقط 11 ماه.

انواع دیگ اکونومایزر صنعتی

همه اکونومایزرها یکسان ساخته نمی شوند. نوع مناسب به سوخت سوزانده شده، فضای موجود، ویژگی های گاز دودکش و هدف بازده مورد نظر بستگی دارد.

اکونومایزرهای غیر متراکم ساده تر هستند و به طور گسترده در انواع سوخت قابل استفاده هستند. آنها دمای گاز دودکش را بالاتر از نقطه شبنم اسیدی نگه می‌دارند و از خطر تشکیل میعانات خورنده روی سطوح لوله جلوگیری می‌کنند - یک نکته مهم برای سوخت‌های حاوی گوگرد مانند نفت سنگین یا زغال سنگ. اکونومایزرهای چگالشی بالاترین بهره وری را ارائه می دهند اما به انتخاب دقیق مواد (معمولاً فولاد ضد زنگ یا سایر آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی) نیاز دارند و برای سیستم های گاز طبیعی با سوخت تمیز مناسب هستند.

در کاربردهای انرژی و تولید همزمان در مقیاس بزرگ، اکونومایزرها بخش اصلی آن هستند HRSG (Heat Recovery Steam Generator)، که در آن آب تغذیه را به عنوان بخشی از یک چرخه چند مرحله ای بازیابی گرما گرم می کنند.

مزایای زیست محیطی: کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در کنار صرفه جویی در هزینه

صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به طور مستقیم مرتبط هستند - سوخت کمتری بسوزانید، CO2 کمتری منتشر کنید. افزایش راندمان 3 درصد خروجی CO2 را به میزان 3 درصد برای بار بخار معادل کاهش می دهد. در طول یک سال کامل کار، این امر باعث کاهش قابل توجه انتشار گازهای گلخانه ای در کل تاسیسات می شود.

اکونومایزرها همچنین با کاهش میانگین دمای احتراق و کاهش توان سوخت کل به کاهش اکسید نیتروژن (NOₓ) و انتشار ذرات کمک می کنند. برای تأسیساتی که تحت محدودیت های انتشار گازهای گلخانه ای کار می کنند یا اهداف کاهش کربن را دنبال می کنند، موارد زیست محیطی برای نصب اکونومایزر به اندازه مورد مالی قانع کننده است.

ملاحظات کلیدی طراحی و نصب

بهترین استفاده از یک اکونومایزر نیاز به مهندسی دقیق در مراحل انتخاب و نصب دارد. چندین عامل تعیین می کنند که آیا یک واحد با پتانسیل رتبه بندی شده خود عمل می کند یا خیر:

• مدیریت نقطه شبنم اسیدی: برای سوخت های حاوی گوگرد، دمای دیواره لوله باید بالاتر از نقطه شبنم اسیدی (معمولاً 120 تا 150 درجه سانتیگراد برای سوخت های حاوی گوگرد) باقی بماند تا از تراکم اسید سولفوریک و خوردگی لوله جلوگیری شود. این محدودیت کمتری را در مورد چگونگی خنک کردن گاز دودکش تعیین می کند.
• افت فشار سمت گاز: اکونومایزرها مقاومت جریان را در مسیر اگزوز معرفی می کنند. واحدهای استاندارد 0.5 تا 2 اینچ افت فشار ستون آب اضافه می کنند - در برخی موارد برای جبران نیاز به فن القایی دارند.
• کیفیت آب تغذیه: جرم گیری در سمت آب از آب سخت یا تصفیه نشده به طور قابل توجهی انتقال حرارت را کاهش می دهد و می تواند به لوله ها آسیب برساند. تصفیه آب مناسب یک پیش نیاز برای عملکرد پایدار است.
• اندازه و ادغام: اکونومایزر باید با ظرفیت دیگ بخار، چرخه کاری و طرح لوله های موجود مطابقت داشته باشد. بزرگ شدن بیش از حد می تواند باعث نزدیک شدن آب تغذیه به دمای اشباع شود و تولید بخار در لوله های اکونومایزر را به خطر بیندازد.

الزامات نگهداری برای پایداری عملکرد

اکونومایزری که به درستی نگهداری نشود به مرور زمان به دلیل رسوب گیری، پوسته شدن و خوردگی کارایی خود را از دست می دهد. برنامه تعمیر و نگهداری زیر بهترین عملکرد صنعت را منعکس می کند:

1. لوله ها و باله ها را سالانه از نظر تجمع دوده، سوراخ شدن خوردگی یا آسیب مکانیکی بررسی کنید.
2. سطوح سمت گاز را هر 3 تا 6 ماه یکبار برای دیگ های بخار که سوخت های کثیف می سوزانند، با استفاده از دوده بخار یا هوای فشرده تمیز کنید.
3. دمای ورودی و خروجی آب تغذیه را به طور مداوم کنترل کنید. کاهش اختلاف دما اولین نشانگر رسوب یا پوسته پوسته شدن داخلی است.
4. اتصالات ورق لوله و واشرها را در طول قطعی های برنامه ریزی شده دیگ بررسی کنید تا نشت های اولیه را تشخیص دهید.

یک اکونومایزر نظارت شده و به خوبی نگهداری می شود می تواند کارایی طراحی خود را برای 15 تا 20 سال حفظ کند و باند طولانی صرفه جویی در هزینه را در طول عمر عملیاتی خود فراهم کند.

صنایعی که بیشترین سود را از نصب اکونومایزر می برند

در حالی که اکونومایزرها تقریباً در هر تأسیساتی با دیگ بخار یا دیگ آب گرم سودمند هستند، بخش های خاصی به دلیل ساعات کار بالا و مصرف زیاد سوخت، بازپرداخت سریع نامتناسبی دارند:

• تولید برق: نیروگاه های برق و تولید همزمان از بخش های اکونومایزر در داخل HRSG ها برای به حداکثر رساندن راندمان چرخه حرارتی استفاده می کنند.
• مواد شیمیایی و پتروشیمی: تقاضای بخار مداوم و پرفشار باعث می شود که اکونومایزرها در پالایشگاه ها و کارخانه های فرآوری بسیار مقرون به صرفه باشند.
• خمیر و کاغذ: آسیاب های دارای دیگ های بازیابی برای بازیابی گرما از جریان های خروجی با حجم بالا به اکونومایزرها متکی هستند.
• غذا و نوشیدنی: عملیات لبنیات، دم کردن و کنسرو کردن معمولاً اکونومایزرها را روی دیگ های آتش-لوله بهسازی می کنند تا هزینه های انرژی را کاهش دهند و معیارهای پایداری را بهبود بخشند.
• تولید نساجی: ساعات کار طولانی به معنای بازپرداخت معمولی 12 تا 18 ماهه است که موضوع سرمایه گذاری را ساده می کند.

نتیجه گیری

اکونومایزرهای دیگ بخار صنعتی یکی از قابل اعتمادترین و کم ریسک ترین سرمایه گذاری های موجود برای کاهش هزینه سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در تاسیسات تولید بخار هستند. با افزایش بهره وری معمولی 2 تا 5 درصد، صرفه جویی در سوخت 15000-100000 دلار یا بیشتر در سال بسته به اندازه دیگ بخار و ساعات کارکرد، و دوره های بازپرداخت معمولاً کمتر از دو سال، پرونده مالی ساده است. هنگامی که با اندازه مناسب، انتخاب صحیح مواد و یک برنامه تعمیر و نگهداری سازگار ترکیب شود، یک اکونومایزر چندین دهه بازده قابل اندازه گیری را ارائه می دهد.

برای امکاناتی که گزینه‌های بازیابی گرما را ارزیابی می‌کنند، نقطه شروع، ممیزی دقیق دمای گاز دودکش و ارزیابی دمای آب تغذیه است - از آنجا، مناسب‌ترین نوع اقتصادساز و پیکربندی را می‌توان با برنامه خاص مطابقت داد.