كاهش مصرف سوخت در ديگ هاي بخار به ازاء هر تن بخار توليدي 2 2 1 فرشاد پناهي زاده شهرام هاشمي مرغزار محمود فرزانه گرد پروين فرخ فر مركز پژوهش پتروشيمي بندر امام (ره) تحقيقات فني و مهندسي f_panahizadeh@yahoo.com چكيده در مقاله حاضر ضمن بررسي عوامل موثر بر راندمان ديگ هاي بخار و اراي ه روشهاي گوناگون جهت محاسبه آنها عملكرد ديگ هاي بخار مجتمع پتروشيمي بندر امام مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. هر يك از اجزاء ديگ هاي بخار بعنوان يك حجم كنترل مورد بررسي قرار گرفته و ضمن اعمال معادلات حاكم بازده سيستم و بويژه بازده حاصل از موازنه اگزرژي آنها بدست آورده شده است. تاثير پارامترهاي مختلف ترموديناميكي بر ميزان اتلافات اگزرژي و نيز بازده انرژي به تفصيل مورد بررسي قرار گرفته است. بازده اگزرژي ديگ هاي بخار به دليل نابودي اگزرژي روي داده در اثر بازگشت ناپذيريهاي سيستم از بازده انرژي آنها كمتر است. عوامل اساسي خارجي موثر در عملكرد ديگ هاي بخار شامل اتلاف حرارتي درصد هواي اضافي آب تخليه اظطراري و نيز رويكرد كاري اجزاء بشكل توأمان بوده كه خود به تفكيك ارزيابي شده اند. نتايج نشان مي دهند كه بازيافت انرژي حرارتي گازهاي دودكش نه تنها باعث صرفه جويي مالي قابل توجه شده بلكه سبب بالا رفتن راندمان انرژي و اگزرژي ديگ هاي بخار مورد مطالعه به دليل بهره مندي بيشتر از گرماي حاصل از احتراق سوخت كاهش آلودگي محيط زيست به دليل مصرف سوخت كمتر و بالا رفتن ظرفيت عملي توليد بخار به واسطه افزايش يافتن سطح حرارتي مي گردد. در خاتمه نيز راهكارهاي جهت دستيابي به بازده اگزرژي و انرژي بالا و بالطبع آن كاهش مصرف سوخت در ديگ هاي بخار اراي ه شده است. واژههاي كليدي: بازده اگزرژي اتلافات اگزرژي هواي اضافي بازيافت انرژي - 1 مقدمه صنعت پتروشيمي كشور در بين صنايع داخلي به سبب شرايط و جايگاه خاص در اقتصاد ملي نيازمندي بيشتري به ابزار صرفه جويي انرژي براي ارتقاء و تثبيت وضعيت خود در منطقه و جهان دارد. شركت ملي صنايع پتروشيمي با اتخاذ سياستهاي مناسب و توجه خاص به صرفه جويي انرژي و در نظر گرفتن ملاحظات زيست محيطي در اين زمينه ها در كشور پيشرو بوده و بدون شك در مجموع شركتهاي پتروشيمي شركت پتروشيمي بندر امام از اين حيث پيشتاز مي باشد. ديگ هاي بخار از جمله تجهيزاتي هستند كه براي توليد بخار در پتروشيمي بندر امام مورد استفاده قرارمي گيرند. با توجه به هزينه بر بودن توليد بخار و ارزش اقتصادي آن بررسي و بهبود عملكرد آنها از اهميت ويژه اي برخوردار مي باشد. بر اين اساس بهبود راندمان ديگ هاي بخار با توجه به حجم توليد بخار و بالطبع آن كاهش مصرف سوخت و نيز اهميت آن در فرايند توليد ضروري مي نمايد. 1- كارشناس ارشد مهندسي مكانيك 2- دكتري در مهندسي مكانيك - كارشناس ارشد مهندسي شيمي
- 2 مشخصات طراحي ديگ هاي بخار مورد مطالعه واحد توليد آب برق بخار مجتمع پتروشيمي بندر امام داراي پنج ديگ بخار از نوع لوله آبي بوده كه ظرفيت توليد بخار هر 0 C كدام 00 تن در ساعت با فشار 52 /cm 2 در دماي 440 مي باشد. اين ديگ هاي بخار توسط شركت كاواساكي ژاپن ساخته شده و در سال 169 با بازده اي در حدود 80 درصد راه اندازي شده اند. هر ديگ بخار داراي دو پمپ توربيني و يك پمپ برقي جهت تامين آب درام بخار و يك فن مكش اجباري توربيني مي باشد. - روشهاي محاسبه بازده ديگ هاي بخار 1-- بازده انرژي(بازده بر اساس قانون اول ترموديناميك ( بازده حرارتي ديگ بخار مي تواند از رابطه حرارت اضافه شده به سيال عامل تقسيم بر انرژي سوخت تعريف گردد. در اين بخش ضمن تعريف كامل بازده مشخص مي گردد كه چگونه هواي مورد نياز احتراق محصولات احتراق كار مصرفي ديگ بخار و همچنين رطوبت هوا در اين تعريف نقش ايفاء مي نمايند. در شكل شماتيك 1 عناصر درگير در راندمان ديگ بخار(به استثناء محيط η Ι, B m& vhv m& w hw out in = m& LHV η + m& h + w& + m& h f C dry, air a in, B wet, air w, a ( نشان داده شده است[ 7 ]. ميزان راندمان قانون اول بقرار زير قابل محاسبه مي باشد. ( 1) بخار گازهاي دودكش ديگ بخار تخليه اضطراري شكل 1 -عناصر درگير در بازده ديگ بخار (به استثناء محيط)[ 7 ] آب DM مخلوط سوخت و هوا عناصراصلي رابطه فوق الذكر در ذيل تعريف شده اند. s &m = &m, &m, دبي جرمي بخار خروجي دبي آب DM ورودي و دبي جرمي سوخت ورودي f w v
s &m = &m, دبي جرمي هواي خشك و مرطوب ورودي wet, air dry, air kj, hwa = آنتالپي بخار خروجي آب ورودي هوا خشك و هوا مرطوب, ha, hw, hv η= C راندمان احتراق كار ورودي ديگ بخار KW و = w& in, B η Π, B = out m& e m& e v x, v w x, w in m& e + m& e + w& f ch, f dry, air x, a in, B kj = LHV ارزش حرارتي پايين سوخت در شكل 2 ميزان انحراف از متوسط بازده انرژي ديگ بخار E بر اساس 15 درصد هواي اضافي(حالت طراحي) در اسفند ماه سال 185 نشان داده شده است. نتايج نشان دهنده حداكثر 5/5% ± انحراف از متوسط بازده انرژي مي باشند. 70 69 68 67 66 65 64 6 62 61 1 5 7 9 11 1 15 17 19 21 2 25 27 29 روز بازده انرژي متوسط بازده انرژي شكل 2- ميزان انحراف از متوسط بازده انرژي ديگ بخارΕ 2-- محاسبه بازده اگزرژي (بازده بر اساس قانون دوم ترموديناميك) مقدار بازده اگزرژي ديگ بخار برابر با ميزان اگزرژي اضافه شده به سيال عامل تقسيم بر مجموع اگزرژي سوخت كار مصرفي ديگ بخار و اگزرژي ورودي هوا است. اين ميزان از رابطه زير بدست مي آيد[ 6 ]. درصد (2)
در رابطه ياد شده عناصر حاضر بقرار ذيل تعريف شده اند. kj اگزرژي بخار خروجي و اگزرژي آب ورودي kj اگزرژي شيميايي سوخت و اگزرژي هواي ورودي = e, e xw, xv, = e, e x, a ch, f در شكل ميزان انحراف از متوسط بازده اگزرژي ديگ بخار E در اسفند ماه سال 185 نشان داده شده است. نتايج نشان دهنده حداكثر % 5 ± انحراف از متوسط بازده اگزرژي مي باشند. 4- بررسي عوامل موثر بر عملكرد ديگ هاي بخار شكل - ميزان انحراف از متوسط بازده اگزرژي بويلرΕ بطور كلي ديگ هاي بخار تحت تاثير عوامل متفاوتي قرار دارند. به منظور شناخت مكان هاي هدر رفت انرژي در ديگهاي بخار مجتمع پتروشيمي بندر امام لازم است هر يك از عوامل مذكور شناساي ي گردند. لذا در ادامه به معرفي اين عوامل مي پردازيم. 1-4- اتلاف حرارت از بدنه ديگ بخار بازده اگزرژي متوسط بازده اگزرژي 2 1.5 1 0.5 0 29.5 29 28.5 1 5 7 9 111151719212252729 روز درصد اتلاف حرارت از بدنه ناشي از دو مكانيزم انتقال حرارت تشعشعي و جابجاي ي بوده كه به علت بالاتر بودن دماي بدنه ديگ بخار از دماي محيط ايجاد مي شود. انتقال حرارت تشعشعي به محيط با توان چهارم دماي بدنه و همچنين ضريب صدور سطح بستگي دارد. بنابراين با كاهش دماي بدنه مي توان ميزان قابل ملاحظه اي از اتلاف انرژي از اين طريق را كاهش داد. انتقال حرارت جابجاي ي به محيط نيز به اختلاف دماي بدنه و محيط و سرعت باد وابسته مي باشد. در مجموع كاهش انرژي از بدنه تنها با كاهش دماي بدنه قابل دسترسي مي باشد. لازم به ذكر است درصد اتلاف حرارت از بدنه ديگهاي بخار بزرگ با توجه به نرخ جهاني حدود
1 تا 1/5 درصد مي باشد. در شكل 4 تغييرات تلفات انتقال حرارت جابجاي ي و تشعشع برحسب بارهاي مختلف نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده مي گردد در بارهاي كم اين تلفات بيشتر مي باشند[ 2 ] 2-4 -آب تخليه اضطراري شكل 4- تلفات جابجاي ي و تشعشع ديگ هاي بخار[ 1 ] آب تغذيه ديگ هاي بخار شامل كندانس ها و آب جبراني مي باشد. از آنجاي ي كه در اين آب ها همواره ذرات جامد غير محلول وجود دارد لذا براي بالابردن كيفيت عملكرد ديگ هاي بخار لازم است مقداري از آب در گردش ديگ بخار تخليه شود. معمولا" تخليه اظطراري ديگ هاي بخار بين 15- درصد ظرفيت بخار توليدي را به خود اختصاص مي دهد. مقدار انرژي تلف شده در اثر تخليه اضطراري از رابطه () محاسبه مي شود[ 5 ]. () در رابطه فوق m& BD. دماي محيط مي باشد. -4- اتلاف حرارت از دودكش دبي جرمي تخليه اضطراري. BD C P, گرماي ويژه در فشار ثابت. BD T دماي بخار تخليه اضطراري و T a ( ) Blowdown = m& C T T losses B. D P, B. D B. D a گازهاي خروجي از دودكش يكي از مهمترين پتانسيل هاي بازيافت انرژي در ديگ هاي بخار محسوب مي شوند. از آنجاي ي كه گازهاي خروجي از دودكش داراي دماي نسبتا" بالايي هستند مي توان از انرژي آنها براي گرم كردن آب تغذيه يا هواي ورودي به ديگ بخار استفاده كرد. مطالعات نشان مي دهند كه به ازاء هر 20 0 C راندمان ديگ بخار اضافه مي شود. كاهش دماي گازهاي خروجي دودكش يك درصد به
لازم به ذكر است پارامتر محدودكننده ميزان كاهش دماي گازهاي خروجي از دودكش دماي نقطه شبنم اسيد سولفوريك محصولات حاصل از احتراق مي باشد. بديهي است كه كاهش بيش از حد دما باعث ايجاد اسيد سولفوريك شده و خوردگي تجهيزات را به دنبال خواهد داشت. در شكل 5 تاثير مقدار گوگرد موجود در سوخت گازي بر روي نقطه شبنم گازهاي خروجي از ديگ بخار نشان داده شده است[ 9 ]. + 20 دماي نقطه شبنم = حداقل دماي مجاز گازهاي خروجي 0 C (4) شكل 5- دماي نقطه شبنم اسيد سولفوريك حاصل از احتراق سوخت گازي[ 9 ] - 5 راهكارهاي بهبود راندمان ديگ هاي بخار مجتمع پتروشيمي بندر امام 1-5- نصب اكونومايزر جهت بازيافت انرژي حرارتي گازهاي دودكش براي مشخص سازي توجيه منطقي بودن اجراي پروژه لازم است كه ميزان صرفه جوي ي مربوطه به طور دقيق مشخص شود. براي اين كار از آمار و اطلاعات سال 185 كه در جدول 1 (ميزان توليد بخار مصرف سوخت و آب DM واحد بخار ( آورده شده استفاده مي گردد.
جدول 1 - ميزان مصرف سوخت آب DM و بخار توليدي در سال 85 بخار توليدي( TON ) 9255440000 آب DM مصرفي (TON) 9597540000 سوخت مصرفي ) (Nm 710142100 با در نظر گرفتن متوسط راندمان 70 درصد از آنجاي يكه نصب اكونومايزر 10-5 درصد راندمان را افزايش مي دهد مصرف جديد سوخت در واحد بخار براي توليد اين مقدار بخار قابل محاسبه خواهد بود. با توجه با اينكه ديگ هاي بخار سوخت گازي (Mixed gas) مصرف مي كنند در حاليكه مجتمع گاز طبيعي gas) (Lean را خريداري مي كند لذا براي معادل سازي اين دو از ارزش V V Rial مي باشد. Nm old mixed g as, new mixed g as, old ηnew mixed g as, new η = V 0.7 Nm = 710142100 = 621748 0.8 year حرارتي پايين آنها استفاده شده است. قيمت گاز طبيعي مورد استفاده ديگ هاي بخار مجتمع 115 ريال بر نرمال متر مكعب Nm Vmixed gas = Vmixed g as, old Vmixed g as, new = 710142100 621748 = 8876776 year LHV mixed gas 48177.28 V mixedgas LHV leangas 4815.462 Nm V leangas = = 8876776 = 8851976 year Nm Rials Rials Saving = 8851976 115 = 10179107240 year Nm year miliontomans Saving 1000 year Investment 000 Payback Period= years,6months Saving 1000 ( 6) (4) (5)
2-5 -نصب مبدل بازيافت حرارت آب تخليه اضطراري بازيافت حرارت از آب تخليه اضطراري از ديگر روشهاي بازيافت انرژي بوده كه از اهميت ويژه اي برخوردار مي باشد. با توجه به بالا بودن دماي آب تخليه اضطراري مي توان با قرار دادن يك مبدل از اين انرژي به منظور پيش گرم كردن آب جبراني استفاده نمود. در صورت نصب مبدل بازيافت حرارت با توجه به شرايط كاري ديگ بخار با توجه به محاسبات ذيل حداقل به ميزان 817158014 ريال در سال ذيل صرفه جويي كرد. Ton Ton m& blowdown = 00 0.05 = 15 hr hr 15000 Q& blowdown = m& blowdown ( h2 h1) = (1195.9 50.2) = 277.972Kw 600 Q& = m& LHV m& blowdown mixedgas mixedgas mixedgas mixedgas Nm N 277.972 = = 0.058 1.274 = 0.045 48177.28 s mixedgas Nm = 1425277.678 year 48177.28 1425277.678 115 1641602.878 5 817158014 Nm Rials Rials = = year 4815.462 Nm year m s 6- نتيجه گيري بازده اگزرژي از بازده انرژي به دليل نابودي اگزرژي رخ داده در ديگ بخار كمتر است. نابودي اگزرژي به دليل كاهش سريع دما بين محصولات احتراق و بخار است. بطور متوسط بازده اگزرژي ديگ بخار در حدود يك سوم بازده انرژي است. تلفات گاز دودكش با افزايش هواي اضافي و دماي گاز دودكش افزايش مي يابد. اما اثر افزايش هواي اضافي به اندازه دماي گاز دودكش نيست. تلفات ديگر كه در اثر نشر سطوح ديگ بخار و تخليه اضطراري اتفاق مي افتند خيلي كوچك هستند. بطور كلي تلفات اگزرژي در ديگ بخار در اثر نابودي اگزرژي رخ داده ناشي از بازگشت ناپذيريهاي سيستم است. غير ممكن است بتوان نرخ بازگشت ناپذيريها را در ديگ بخار بدون تغيير دادن ساختار و سيستم آن كاهش داد. اما تلفات موجود در جريان هاي ديگر همانند گاز دودكش تخليه اضطراري و نشر سطوح را مي توان با تنظيم كردن پارامترهاي نگهداري حداقل كرده و در شرايط بهينه نگهداشت.
طراحي ساخت و نصب اكونومايزر جهت بازيافت انرژي حرارتي گازهاي دودكش اجراي اين طرح نه تنها باعث صرفه جويي مالي بالغ بر 10 ميليارد ريال در سال شده بلكه سبب بالا رفتن راندمان انرژي و اگزرژي ديگ هاي بخار مورد مطالعه به دليل بهره مندي بيشتر از گرماي حاصل از احتراق سوخت كاهش آلودگي محيط زيست به دليل مصرف سوخت كمتر و بالا رفتن ظرفيت عملي توليد بخار به واسطه افزايش يافتن سطح حرارتي مي گردد. لذا اجراي اين طرح نه تنها منطقي و قابل قبول بلكه نياز روز مي باشد. نصب سيستم بازيافت حرارت از آب تخليه اظطراري (صرفه جوي ي مالي 817 ميليون ريال در سال) كنترل هواي اضافي احتراق با نصب فن دور متغير از آنجاي يكه درصد هواي اضافي تابع بار ديگ بخار مي باشد با نصب فن دور متغير مي توان در هر بار ميزان هواي اضافي احتراق را بطور بهينه كنترل نمود. رسوبات در سطوح انتقال حرارت در ديگ بخار موجب افزايش مقاومت حرارتي مي گردند لذا سرويس و تميزكاري منظم اين سطوح سبب افزايش راندمان آن مي گردد. تشكر و قدرداني با تشكر و سپاس فراوان از مركز پژوهش پتروشيمي بندر امام كه حمايت مالي اين تحقيق را بر عهده داشتند. مراجع 1- Kaewboonsong,W., Kuprianov,I., 2006,Minimizing fuel and environmental costs for a variable-load power plant (co- )firing fuel oil and natural gas,journal of Fuel processing technology,vol. 87,PP.1085-1094 2- Abdallah, A.M., Ismail,A.L., 2001,Saving energy lost from steam boiler vessels,journal of Renewable energy, Vol. 2,PP.57-550 - Pathmasiri,MMR.,Attalage RA., 2006,Exergy analysis of steam boilers in Srilanka,Department of mechanical engineering, university of Moratuwa 4- Dincer, I. and Cengel, Y., 2001, Energy, Entropy and Exergy Concepts and Their Roles in Thermal Engineering,Journal of Entropy,PP.116-149 5- Gunn, D. and Horton, R., 2001,Industrial Boiler,Wiley 6- Bejan,A., 1996, Advanced thermodynamics,wiley 7- Wark,K., 1998, Advanced thermodynamics for engineers,mcgraw-hill
8- Glassman,I., 1996,Combustion,Third edition,academic press 9- Kam W.Li,A. Paul Priddy, Power plant system design,john Wiley&Sons 10- CRC Handbook of Thermal Engineering,1999 by CRC press LLc 11- Özisik,M., 1998,Heat transfer, McGraw-Hill 12- Shield,D., 1981,Boilers,first published, McGraw-Hill 1- Aroa,V., 1985, Cheek fired heater performance",hyd. Proc. Journal vol. 64,PP.85-87 14- Perry's, 1999,Chemical engineers,hand book,mcgraw-hill