Höyry- ja lauhdejärjestelmien käytännön esimerkkejä. Jouni Vainio Spirax Sarco Engineering plc

Transkriptio

1 Höyry- ja lauhdejärjestelmien käytännön esimerkkejä Jouni Vainio Spirax Sarco Engineering plc

2 Miksi höyryä käytetään? Hyvin korkea energiasisältö massayksikköä kohti edullinen käyttää ja investoida. Helppo hallita lämmönsiirto ja hyvin helppo säätää. Nopea, tehokas ja edullinen tapa siirtää energiaa. Vesihöyry on turvallista. Hyvin joustava tapa siirtää energiaa turvallisesti. Höyryn siirto ilman pumppuja.

3 H&L järjestelmä

4 Haasteita nyt ja tulevaisuudessa? Puutteellinen koulutus ja höyry- ja lauhdejärjestelmien vanhanaikainen imago. Tietotaito katoaa eläköitymisen seurauksena yrityksissä ei siten ole tarvittavaa uskallusta investoida edullisiin höyryjärjestelmiin = kilpailuhaitta suomalaiselle teollisuudelle. Höyry- ja lauhdejärjestelmä toimii vaikka se olisi erittäin huonossa kunnossa ikävä kyllä? Huono ja hoitamaton höyry- ja lauhdejärjestelmä aiheuttaa imago ongelman ja nostaa kustannuksia Modernin höyry- ja lauhdejärjestelmän joustavuutta ja energiatehokkuutta ei osata arvostaa, koska sitä ei tunneta.

5 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Höyryjärjestelmät ovat suomalaisen energiansiirron moottoriteitä! Suomessa höyryä siirretään putkistossa 50 TWh/v ja erillistuotanto on 12 TWh/v. Siis yhteensä käytetyn höyryn energiasisältö on 62 TWh/v.

6 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Häviöt kg/h + lämpöhäviöt W Höyryvuodot Lämpöhäviöt Polton hyötysuhde Johtuminen Lämpöhäviöt Hönkähöyry suoraan ulos Suorahöyryn käyttö suoraan tuotteeseen Lämpöhäviöt Pintapuhallus Pohjapuhallus Lauhdevuotoja Lauhde viemäriin

7 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Käytännössä tilanne on näin kun 100% lauhteesta palautetaan häviöt ovat noin 25% polttoaineen lämpötehoon verrattuna joten polttoainetta tarvitaan = 100% = 133% % höyrystyslämpö 120% lauhdelämpö 100% höyrystyslämpö 25% häviöt 133% lämpöteho 20% lauhdelämpö Tarvitaan 33% enemmän polttoainetta kuin lämpöä käytetään

8 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Energiatehokkuus kun lauhdetta ei palauteta lainkaan 100% höyrystyslämpö 120% lauhdelämpö 100% höyrystyslämpö 25% häviöt 20% lauhdelämpö 153% lämpöteho Polttoainetta kuluu 53% enemmän kuin lämpöä käytetään

9 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Energiatehokkuus kun 50% lauhteesta palautetaan 100% höyrystyslämpö 120% lauhdelämpö 100% höyrystyslämpö 25%häviöt 147% lämpöteho 10% lauhdelämpö 10% lauhdelämpö viemäriin Polttoainetta kuluu 47% enemmän kuin lämpöä käytetään

10 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Yhteenveto Verrattuna 100%:seen lämmöntarpeeseen 100% lauhteesta palautetaan kattilaan 50% lauhteesta palautetaan kattilaan 0% lauhteesta palautetaan kattilaan Polttoaineen kulutus 33% enemmän 47% enemmän 53% enemmän Kuinka lauhteenpalautus vaikuttaa 100% lauhteesta palautetaan 50% lauhteesta palautetaan 0% lauhteesta palautetaan Polttoaineen kulutus - 14% enemmän 20% enemmän

11 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Mitkä tekijät vaikuttavat kustannuksiin? Häviöt kg/h (massavirtaushäviöt) Kattilan puhallukset Höyryvuodot Lauhteenpalautus kannattaa. Lauhteen laskeminen viemäriin Lauhdevuodot Paisuntahöyryä ei käytetä Lämpöhäviöt W Lämpöhäviöt Kattilan puhallukset Vuodot ja tuotantohävikki

12 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Mitkä tekijät vaikuttavat kustannuksiin? Häviöt kg/h (massavirtaushäviöt) Kattilan puhallukset Höyryvuodot Lauhteenpalautus nostaa energiatehokkuutta Lauhteen laskeminen viemäriin Lauhdevuodot Paisuntahöyryä ei käytetä Lämpöhäviöt W Lämpöhäviöt Kustannustehokkuuteen voidaan vaikuttaa näillä tekijöillä Kattilan puhallukset Vuodot ja tuotantohävikki

13 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Mitkä tekijät vaikuttavat kustannuksiin? Häviöt kg/h (massavirtaushäviöt) Kattilan puhallukset Höyryvuodot Lauhteenpalautus nostaa energiatehokkuutta Lauhteen laskeminen viemäriin Lauhdevuodot Paisuntahöyryä ei käytetä Lämpöhäviöt W Lämpöhäviöt Kattilan puhallukset Vuodot ja tuotantohävikki Kustannustehokkuuteen voidaan vaikuttaa näillä tekijöillä Mistä kannattaa aloittaa?

14 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Mitkä tekijät vaikuttavat kustannuksiin? Häviöt kg/h (massavirtaushäviöt) Kattilan puhallukset Höyryvuodot Lauhteen laskeminen viemäriin Lauhdevuodot Paisuntahöyryä ei käytetä Lämpöhäviöt W Lämpöhäviöt Kattilan puhallukset Vuodot ja tuotantohävikki Kattilan höytysuhde Vaikuttavat tekijät: Käsikäyttöiset puhallukset Poksit, liitokset, vuotavat lauhteenpoistimet Palauta aina kun mahdollista Putket, liitokset, venttiilit Esilämmitys hönkälauhduttimella Eristys Lämmöntalteenotto Huolto ja tuotantotekniikka Polttotekniikka ja ekonomaiserin käyttö

15 Lämmönsiirtoon vaikuttavat tekijät 1. Höyrynpaine / lämpötila 2. Oikea höyrymäärä 3. Ilma ja lauhtumattomat kaasut 4. Höyryn puhtaus 5. Höyryn kuivuus 6. Lauhteen poistuminen

16 Höyryn paineenalennus Ote höyrytaulukosta Kokonaislämpö Mittaripaine Lämpötila Energia kj/kg Nestelämpö Höyrystymislämpö Höyryn tilavuus bar ºC h lauhde h fg h höyry dm 3 /kg Lämpötila muuttuu => höyryn laatu paranee Höyrystymislämpöenergia kasvaa => tarvitaan vähemmän höyryä Höyryn tilavuus kasvaa => suurempi putkikoko

17 Paineen vaikutus höyrymäärään 10 bar g, 1000 kw Höyrymäärä = / Lämpöteho Höyrystymislämpö D höyry (kg/h) = Q(kW) / h fg (kj/kg) x 3600 Höyrystymislämpö h fg = 2000 kj/kg Höyrymäärä kg/h = 1000 kj/s x 3600 s/h 2000 kj/ kg Höyrymäärä = 1800 kg/h

18 Paineen vaikutus höyrymäärään 2 bar g, 1000 kw Höyrymäärä = / Lämpöteho Höyrystymislämpö D höyry (kg/h) = Q(kW) / h fg (kj/kg) x 3600 Höyrystymislämpö h fg = 2163 kj/kg Höyrymäärä kg/h = 1000 kj/s x 3600 s/h 2163 kj/ kg Höyrymäärä = 1664 kg/h

19 Höyrytaulukko, paineen vaikutus Höyrymäärä = / Lämpöteho Höyrystymislämpö D höyry (kg/h) = Q(kW) / h fg (kj/kg) x bar (184 C) höyrystymislämpö h fg = 2000 kj/kg bar (134 C) höyrystymislämpö h fg = 2163 kj/kg Höyrymäärä 10 bar Höyrymäärä 2 bar ( 1000 / 2000 ) x 3600 = 1800 kg/h ( 1000 / 2163 ) x 3600 = 1664 kg/h ERO = 136 kg/h Huom! 8 h x 5 p x 48 vk = 1920 x 136 = kg!!! (höyryä )

20 Höyryn paineenalennus Lämmönsiirto Yhteenveto Korkea siirtopaine: pienempi putkisto, venttiilit, lämpöhäviöt Matala käyttöpaine: enemmän höyrystymislämpöä käytössä eli pienempi höyrynkulutus kylläinen höyry kuivuu painetta alentaessa (mutta ei tulistu!!) Siirretään korkeassa, käytetään matalassa => parempi hyötysuhde

21 Oikea höyrymäärä Laitteen tarvitsema höyrymäärä / teho Höyrylinjan mitoitus / painehäviö Säätöventtiilin mitoitus / painehäviö Lauhteenpoistimen ja lauhdelinjan mitoitus

22 Höyryn kosteuden suhde höyrymäärään Höyrynlaatu (%) Virtaama (kg/h) x = x = x = x = x =

23 Lämmön siirtyminen Kerrostumat Höyry Seinämä Lämmitettävä vesi Ilmakerros Likakerros Lauhdekerros Seisova vesi

24 Käytännön esimerkki ilma- ja vesikerrostumien vaikutuksesta 121 C Höyry 1.0 bar 116 C Höyry 0.7 bar C veden haluttu arvo kuva C veden haluttu arvo 1 - Ilmakerros 2 - Lauhdekerros 3 - Lämmönsiirtopinta 4 - Vesikerros Parempi hyötysuhde kuva 2.

25 Lämmönsiirto käytännössä kj / kg

26 Syöttövesi Valintakriteerit Valintakriteerit ja kokoluokan määritys Raakaveden laatu Lauhteen osuus Kattilan suorituskyky ja paine Höyryn laatuvaatimukset Taloudelliset seikat - suolanpoiston nopeus - veden/happojen kulutus Investointikustannukset

27 Syöttövesi Kaasujen liukoisuus Kuvaaja 1: Hapen liukoisuus suhteessa lämpötilaan (ilmakehän paineessa) Kuvaaja 2: Hiilidioksidin liukoisuus suhteessa lämpötilaan (ilmakehän paineessa) O² in mg/l Temperatur in C Lämpötila C CO² in mg/l Temperatur in C Lämpötila C Lähde: WABAG Water handbook Lähde: TÜV Nord

28 Daltonin laki Kaasun kokonaispaine on kaasun osapaineiden summa Jos höyryn ja ilman seoksen paine on 1 bar g (2 bar a) ja seos sisältää kolme osaa höyryä ja yhden osan ilmaa, niin: osapaine ilmalle = 0.25 x 2 bar a = 0.5 bar a osapaine höyrylle = 0.75 x 2 bar a = 1.5 bar a

29 Daltonin laki Höyrytaulukosta: Kylläisen höyryn lämpötila 1.5 bar a (0.5 bar g) on C. Kylläisen höyryn lämpötila 2.0 bar a (1.0 bar g) on C. Tällaisella höyry/ilma -seoksella on todellisuudessa käytettävissä vain 0.5 bar g höyrynpaine ja sitä vastaava lämpötila, vaikka painemittarista voidaan lukea 1 bar g höyrynpaine! Jos laitteen tai laitoksen teho on mitoitettu 1 bar g mukaan, niin tuotteen valmistus saattaa epäonnistua. Teho on joka tapauksessa laskenut. Esim. vulkanointiprosessit ja kuivaussylinterit.

30 Ilma ja lauhtumattomat kaasut Mistä ilma ja muut kaasut tulevat? Kun kattila suljetaan, syntyy tyhjö. Syöttöveden mukana Lisäveden mukana Avoimesta lauhdesäiliöstä

31 Ilmanpoistin pisaranerottimessa Ilmanpoistin Johdetaan turvalliseen paikkaan Höyry Lauhde

32 Ilmanpoistin runkolinjan päässä Ilmanpoistin Höyry Lauhde Johdetaan turvalliseen paikkaan

33 Ilma ja lauhtumattomat kaasut Miten vältetään ilman liukeneminen veteen? Lisäveden kemiallinen käsittely Kuumentamalla syöttövesi lähelle kiehumispistettä

34 Syöttövesi Kaasunpoistomenetelmät (1) Täydellinen kaasunpoisto Osittainen kaasunpoisto Tehtävä: Hapen / hiilidioksidin / typen poistaminen Toiminta-alue: C Mieluiten 90 C barg Arviointiparametri: 1 bar / 120 C Paineistamaton Säätävä parametri: Paine Lämpötila (pieni lämpötilan muutos suurella paineen muutoksella) (suuri lämpötilan muutos ilman paineen muutosta)

35 Syöttövesi Kaasunpoistomenetelmät (2) Optimaaliset käyttöolosuhteet: Täydellinen kaasunpoisto vakio paine tasainen vaikutus ei ylikuormitusta (tai ali-) Osittainen kaasunpoisto vakio lämpötila 90 C tasainen vaikutus riittävä eristys oikein suunniteltu savukanavan sulkupelti (n. 3 % kuuman höyryn määrästä) Savukanavan pelti on usein säädetty käsin ja tämän seurauksena höyryn häviöt ovat yleensä merkittävän suuret.

36 Lauhdelaitokset Paisuntahaihdutushöyryn diagrammi mbar neste T kiehunta (p) C kaasu Source: Gestra Wegweiser Kiehuvan lauhteen höyrystyminen paineen alennuksen johdosta Ylipaine (bar) ennen lauhdevesiputkea.

37 Hönkähöyry Hönkähöyryä muodostuu kylläisestä vedestä aina kun paine laskee. Hönkähöyry on samanlaista höyryä kuin mitä höyrykattila tuottaa. Lauhteesta muodostunut hönkähöyrymäärä ja sen arvo ovat helposti määritettävissä. Toimivassa höyry-lauhdejärjestelmässä muodostuu aina hönkähöyryä, jota usein luullaan tuorehöyryvuodoksi. Ottamalla hönkähöyry talteen parannetaan laitoksen hyötysuhdetta.

38 1000 kg/h Hönkähöyryn määrä Nestelämpö 721 kj/kg Nestelämpö 419 kj/kg 7 bar g, 170 C 0 bar g, 100 C Höyrystyvä nestelämpö = kj/kg = 302 kj/kg

39 Hönkähöyryn määrä? Höyrymäärä = 1000 kg/h Höyrynpaine = 7 bar g Lauhteenpaine = 0 bar g Nestelämpö 7 bar g = 721 kj/kg Nestelämpö 0 bar g = 419 kj/kg Höyrystymislämpö 0 bar g = 2257 kj/kg Hönkähöyry % = ( ) kj/kg / 2257 kj/kg = 13,4 % Hönkähöyryä 134 kg/h

40 Hönkähöyrymäärä lauhdekiloa kohti Hönkähöyry % = ( nestelämpö P1 nestelämpö P2 ) x 100 höyrystymislämpö P2 Oheisesta käyrästöstä voidaan lukea suoraan hönkähöyrymäärä lauhdekiloa kohti. Esim. höyrynpaine ennen lauhteenpoistinta on 10 bar g ja poistimen jälkeen 0,5 bar g. Hönkähöyryä muodostuu 0,141 kg lauhdekiloa kohti eli 14,1 %.

41 Lauhde sisään 5000 kg/h Lauhde ulos 4295 kg/h Hönkähöyrysäiliö Hönkähöyry 705 kg/h Erottaa lauhdeputkessa virtaavan höyryn ja lauhteen. Hönkähöyryn virtausnopeus säiliössä on enintään 3 m/s. Säiliössä vallitsevan pienen virtausnopeuden ansiosta höyry ja lauhde erottuvat hyvin. Lauhde putoaa pohjalle ja höyry virtaa ylös. Lauhde poistetaan säiliöstä uimuripoistimella.

42 Höngän talteenotto lämmityssovelluksesta Patterit 5 bar g PAV 0,5 bar g patterit Ilma FTpoistimet FTpoistimet Hönkähöyrysäiliö FT 0 bar g lauhde

43 Höngän talteenotto posessista KP höyry KP höyry prosessiin Hönkäsäiliö MP höyry pattereille Prosessikuorma Paineenalennusventtiili Lämmityskuorma Hönkähöyry Ylivirtausventtiili Lauhde

44 Höngän talteenotto lauhdeputkesta

45 Höngän talteenotto säiliöstä

46 Hönkähöyryn arvo, esimerkki Lauhdemäärä = 5000 kg/h Hönkähöyryä = 14 % (10 -> 0,5 bar g) Höyryn arvo = 30 /t Käyntitunnit vuodessa = 2000 h/v Hönkähöyryn arvo = 5 t/h x 0,14 x 2000 h/v x 30 /t = /vuosi Vaihdinpaketti = Asennuskulut = Takaisinmaksuaika alle puoli vuotta.

47 Hönkähöyryn käyttö Tyypillisiä kohteita: Käyttö- ja prosessiveden lämmitys Prosessin lämmitys Syöttöveden lämmitys Ilman esilämmitys Ilmankostutus

48

49

50

51

52 Kattilan ulospuhalluksen lämmöntalteenotto Vaihtoehtoisesti hönkähöyry johdetaan hapenpoistotorniin. Hönkähöyrysäiliö Lämmönvaihdin Kattilan pintapuhallus Höyryhajoitin purkaa matalapainehöyryn suoraan säiliöön. Termostaatti

53 Kattilan ulospuhalluksen lämmöntalteenotto

54 Syöttöveden lämpötila Kylläisen veden entalpia Höyryn entalpia Höyryn entalpia Kylläisen veden entalpia Höyryntuotto 1 kg, paine 10 bar g, syöttövesi 10 o C Höyryntuotto 1 kg, paine 10 bar g, syöttövesi 100 o C 2000 kj 2000 kj Kylläisen höyryn entalpia 740 kj 363 kj 42 kj Tarvitaan 13.8 % vähemmän polttoainetta. 419 kj

55 Neljä höyrynlaatua 1. Tehdashöyry - Höyrykattilasta 2. Suodatettu - Mekaanisesti suodatettu 1 25 mikrometriä 3. Puhdashöyry (clean) - RO vedestä höyrystetty, AISI316, EN285, HTM Kliininen höyry (pure) - VFI tislatusta vedestä höyrystetty

56 Tehdashöyry

57 Vesihöyry Höyryn laatuun vaikuttavia tekijöitä: Raakaveden laatu - Veden pehmennys Syöttöveden käsittely - RO, pintapuhallus Höyrykattilan kuormitus - Höyryverkoston rakenne Lauhteenpoistinten kunnonvalvonta - Saastumisen estäminen

58 Saastumisen ehkäisy Lauhteen laadun mittauksella maksimoidaan palautettavan lauhteen määrä ja mahdollistetaan korjaavat toimenpiteet.

59 Ratkaisu: Höyrystimen jatkuvan ulospuhalluksen lämmöntalteenotto

60 Ratkaisu: Lauhteenpalautus - pastoroinnista aktiivisella lauhteenpoistolla

61 Suodatetun höyryn käyttöratkaisut

62 Ratkaisu: Jätelämmöntalteenotto kuivauksessa

63 Ratkaisu: Lauhteenpalautus prosessiveden tuotannosta

64 Puhdashöyry (clean) Elintarvikkeen saastuminen estetään käyttämällä puhdashöyryä: Käytetään puhdashöyrykehitintä (välihöyrystin) Ei käytetä vedenkäsitelykemikaaleja Syöttövetenä höyrystimelle käytetään korkealaatuista puhdasta vettä

65 Puhdashöyrykehitin elintarviteollisuudessa Rakenne

66 EN285, HTM 2031, HTM2010 Clean steam to process Level probes Pressure control Safety valve Plant steam Bottom blowdown Condensate Steam trap stations Condensate Water level control valve and feedpump Side TDS control

67 Puhdashöyryratkaisu: Sterilisointi, tuotteen kostutus

68 Puhdashöyryratkaisu: UHT suorahöyry tuotteeseen

69 Puhdashöyryratkaisu: Aseptinen pakkaus

70 Lämmötalteenottoratkaisu: Jätelämpö lauhteesta Flash exchanger Flash vessel 120 C to boiler High pressure returns from corrugator approx 2 bar backpressure Dearation system Condensate exchanger Spillback line Feedtank Recirculation line 97 C feedwater Boiler Feedpump By-pass valve

71 Syöttövesi lämmitetään lauhteen jätelämmöllä FREME

72 Ennen & Jälkeen

73 Säästö 10% 20% Säästö polttoaineessa riippuen tuotantotavasta

74 Jatkuva pintapuhallus höyrystimestä EN Oikella johtokyvyn tasolla varmistetaan paras energiatalous ja hyvä höyryn laatu höyrystimestä/kattilasta.

75 Pintapuhalluksen lämpöenergian talteenottoratkaisu 1. Jatkuva pintapuhallus on automatisoitu realiaikaisella kattilaveden johtokyvyn mittauksella. 2. Pohjapuhallus tulee tehdä kerran kahdeksassa tunnissa 3-4s. Automatisoidun pintapuhalluksen säätökäyrä.

76 Likaisen lauhteen välihöyrystys ja uusiokäyttö Puhdas ja likainen lauhde erotettu.

77 Likaisen lauhteen höyrystys Syöttövesi Separaattori Höyrystin Likaisen lauhteen pumput

78 Höyry-ja lauhdejärjestelmän energiatehokkuus Tyypillinen laskelma investoinnille: Automaattinen pintapuhallus kattilalle ja lämmöntalteenotto pintapuhalluksesta Asennuskustannus... Höyrykustannus... /tonni Mitä maksaa jos mitään ei tehdä... Takaisinmaksuaika... kuukautta

79 Kuinka voit helposti määritellä palautuvan lauhteen määrän? Laskenta Mittaa johtokyky MS1 seuraavista vesistä: Lisävesi Syöttövesi Palautuvasta lauhteesta Arvio (%) laskelma palautuvasta lauhteenmäärästä tehdään näin: Palautuvan lauhteen määrä ~% = lisävesi TDS syöttövesi TDS x 100 lisävesi TDS palautuva lauhde TDS Laskenta voidaan helposti suorittaa lauhteenpoistinmittauksen yhteydessä.

80 Kiitos!