I
DVIG ENERGETSKE UČINKOVITOSTI PREMOGOVNEGA KOTLA K4 V
TOVARNI VIPAP
diplomsko delo
Študent: Aleš Lekše
Študijski program: Visokošolski študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor: Red. prof. dr. Jurij Avsec
Somentorica: Milena Resnik, dipl. inţ. kem. Inţ.
Lektorica: Alenka Cizel, prof.
Krško, september 2014
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se somentorici univ. dipl. inž. kem. inž. Mileni Resnik za vso pomoč in
podporo ter podjetju Vipap, ki mi je omogočilo opravljanje diplomskega dela v tovarni.
Zahvala gre tudi mentorju dr. Juriju Avscu, ki me je podpiral pri izdelavi dela ter FE, ki mi
je v času študija ponudila ogromno znanja.
IV
DVIG ENERGETSKE UČINKOVITOSTI PREMOGOVNEGA KOTLA K4 V
TOVARNI VIPAP
Ključne besede: OVE, raba energije, kotel
UDK: 66.013.6:621.311:771.16(497.4)(043.2)
Povzetek
Diplomsko delo se nanaša na znižanje lastne rabe energije na postrojenju kotla K4 ter na
dvig deleža pridobljene energije iz OVE v podjetju Vipap Videm Krško. Na podlagi
ugotovitev, da so izvedeni ukrepi znižali lastno rabo električne energije, večji delež OVE v
strukturi goriva pa je zagotovil željeno toplotno moč kotla K4, nam zaključni del naloge
potrjuje, da so vsi izvedeni ukrepi upravičili ekonomsko in ekološko upravičenost
posodobitve postrojenja kotla K4.
V
THE IMPROVEMENT OF ENERGY EFFICIENCY OF COAL BOILER IN VIPAP
FACTORY
Key words: RES, energy use, boiler
UDK: 66.013.6:621.311:771.16(497.4)(043.2)
Abstract
The diploma thesis deals with reduction of own energy use in the K4 boiler package and
increase of energy recovered from RES (renewable energy sources) in the factory Vipap
Videm Krško. Based on the findings that the measures taken reduced own energy use,
whereas a bigger share of RES in the fuel structure provided the desired calorific power of
the K4 boiler, the final part proves that all the measures taken have justified economic and
ecological eligibility of the K4 boiler package updates.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ............................................................................................................................................... 1
2 PREDSTAVITEV TOVARNE VIPAP VIDEM KRŠKO................................................................ 2
ENERGETSKA OSKRBA TOVARNE ..................................................................................................... 2 2.1
2.1.1 Deponija............................................................................................................................... 3
2.1.2 Transport goriva v K4 ........................................................................................................... 4
2.1.3 Mletje goriva ........................................................................................................................ 4
2.1.4 Kurjenje v kotlu K4 ............................................................................................................... 5
2.1.5 Strojnica ............................................................................................................................... 5
3 ENERGETSKA UČINKOVITOST PODJETJA ............................................................................. 7
4 POSNETEK OBSTOJEČEGA STANJA PREMOGOVNEGA KOTLA K4.................................. 9
MASNI DELEŢ OVE V MEŠANICI GORIVA KOTLA K4 ....................................................................... 10 4.1
TERMIČNI IZKORISTEK KOTLA K4 GLEDE NA OBREMENITEV ........................................................... 12 4.2
VPLIV MASNEGA DELEŢA OVE V MEŠANICI GORIVA NA EMISIJE ŠKODLJIVIH PLINOV ....................... 14 4.3
5 UKREP POVEČATI DELEŽ ENERGIJE OVE V STRUKTURI GORIV NA 20 % .................. 17
6 UKREPI ZA ZNIŽANJE LASTNE RABE ELEKTRIČNE ENERGIJE PREMOGOVNEGA
KOTLA K4 ZA 20 % .............................................................................................................................. 18
VGRADNJA FREKVENČNE REGULACIJE V PROCES VPIHA SVEŢEGA ZRAKA IN VLEKA ZGOREVALNEGA 6.1
ZRAKA .................................................................................................................................................. 18
VGRADNJA FREKVENČNE REGULACIJE NA SISTEMU NAPAJALNE ČRPALKE ....................................... 19 6.2
7 FREKVENČNA REGULACIJA POGONOV PODPIHA IN VLEKA KOTLA K4 TER
NAPAJALNE ČRPALKE ....................................................................................................................... 20
PREDSTAVITEV STANJA LASTNE RABE ELEKTRIČNE ENERGIJE ......................................................... 20 7.1
7.1.1 Lastna raba električne energije pred investicijo................................................................... 20
7.1.2 Frekvenčna regulacija pogonov podpiha in vleka zraka ....................................................... 21
7.1.3 Frekvenčna regulacija napajalne vode ................................................................................ 22
7.1.4 Učinki ukrepov znižanja lastne rabe energije....................................................................... 23
VII
8 REZULTATI IN DISKUSIJA ........................................................................................................ 25
REZULTATI................................................................................................................................... 25 8.1
DISKUSIJA .................................................................................................................................... 25 8.2
9 SKLEP ............................................................................................................................................ 27
VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 28
PRILOGE ................................................................................................................................................ 29
PRILOGA A: PODATKOVNI LIST FREKVENČNO VODENE ČRPALKE ............................................................... 29
PRILOGA B: KRIVULJA ZMOGLJIVOSTI FREKVENČNO VODENE ČRPALKE ............................................... 30
PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVERNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN
OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTA ........................................................................................... 31
PRILOGA D: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ...................................................................... 32
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Deponija goriva K4 ................................................................................................................... 3
Slika 2.2: Prerez mlina kotla K4 ............................................................................................................... 4
Slika 2.3: Turbina z generatorjem ............................................................................................................ 6
Slika 3.1: Blok diagram snovnih in energetskih tokov 4 ........................................................................ 7
Slika 4.1: Graf masnih deležev goriv in proizvedene pare ...................................................................... 11
Slika 4.2: Kepa žlindre, ki je nastala v kanalu pod grelnikom zraka ..................................................... 12
Slika 4.3: Graf termičnega izkoristka in proizvedene pare kotla K4 ..................................................... 13
Slika 4.4: Graf emisij NOx, CO, SOx in deleža OVE ter toplotne moči K4 ........................................... 14
Slika 4.5: Graf emisij O2, prahu in deleža OVE ter toplotne moči K4 ................................................... 16
Slika 5.1: Graf proizvedene pare, izkoristka in deleža OVE .................................................................. 17
Slika 7.1: Shema postrojenja vpiha svežega zraka in vleka izgorevalnega zraka ter ostali ključni
elementi kotla K4 ..................................................................................................................................... 22
Slika 7.2: Shema napajalnih črpalk kotla K4 ......................................................................................... 23
IX
KAZALO TABEL
Tabela 7.1: Poraba lastne rabe električne energije [4].............................................................. 21
Tabela 7.2: Poraba lastne rabe električne energije [4].............................................................. 24
X
UPORABLJENI SIMBOLI
- toplotni tok
- termični izkoristek
Dl - letni dobiček
Dm - mesečni dobiček
DPI - doba povračila investicije
SI - strošek investicije
PE:E - poraba električne energije
CE.E - cena električne energije
NOx - Dušikovi oksidi
CO - Ogljikov monoksid
SOx - Ţveplovi oksidi
O2 - Kisik v plinastem stanju
XI
UPORABLJENE KRATICE
OVE - Obnovljivi viri energije
RES - Renewable energy sources
K4 - Kotel 4
K5 - Kotel 5
PS - Papirni stroj
ČP - Časopisni papir
DIP - Deinking paper
BAT - Best available technology
ELKO - Ekstra lahko kurilno olje
F.R - Frekvenčni regulator
E.F - Elektro filter
EE - Električna energija
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
V sklopu energetike je ena od zelo pomembnih vej učinkovita raba energije. Ker so zaloge
fosilnih goriv omejene in njihove cene nenehno rastejo, je zelo pomembno, da s pomočjo
novejših metod pristopimo k starejšim tehnologijam ter s tem doseţemo energetsko
učinkovitejše procese in boljše izkoristke sistemov, to pa posledično vpliva na manjše
finančne stroške za podjetje. Ker pa v energetiki ne opazujemo problemov samo z
energetske ter finančne plati, je naš cilj tudi, da ob tem minimalno vplivamo na spremembe
v okolju.
Diplomska naloga se nanaša na dvig energetske učinkovitosti na premogovnem kotlu K4 v
tovarni Vipap ter vpliv na sam izkoristek in emisije. Diplomska naloga zajema energetski
pregled obstoječega kotla K4 z vidika električne in toplotne energije. Ločeno se obdela
ukrep regulacije količine in razporeditve zgorevalnega zraka. Zaradi nihanja kalorične
vrednosti goriva je potrebno zagotavljati stalno avtomatsko korektivno prilagajanje
razmerja gorivo/zrak, glede na izmerjeno vrednost O2 na izstopu iz kotla pred
elektrofiltrom. Na obstoječem sistemu podpiha zraka temu ni tako, saj poteka regulacija
preko zaporne lopute, ki je skupna za oba prašna gorilnika, pri čemer se ventilator podpiha
ves čas vrti z maksimalno hitrostjo. Obdela se tudi vpliv O2, saj z optimalno vsebnostjo O2
na izstopu iz kotla vplivamo tudi na emisije škodljivih plinov in izgube kotla s toploto
dimnih plinov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
2 PREDSTAVITEV TOVARNE VIPAP VIDEM KRŠKO
Podjetje Vipap Videm Krško, d. d., je največji proizvajalec časopisnih papirjev in
premaznih grafičnih papirjev v Sloveniji ter eden vodilnih proizvajalcev papirja v
jugovzhodni Evropi. Letno proizvedejo okrog 190.000 t papirja. Osnovna surovina je
odpadni papir, ki ga letno predelajo okoli 204.000 t. Podjetje ima tudi za 60.000 t
inštalirane kapacitete lesovine. 1
Proizvodnja papirja je energetsko intenzivna panoga, saj je poraba električne energije
1.003 kWh/t papirja, poraba toplotne energije pa 1,94 t 1bar para/t papirja oz. 5,19 GJ/t papirja.
Glavni porabnik toplotne energije je proces sušenja papirja.
Ker je večina produktov, izdelanih v tovarni, iz recikliranega papirja, katerim dodajajo od
5 do 20 % mehanskih vlaken in 0–20 % nabavljene beljene celuloze, podjetje za vsako
tono recikliranega papirja prihrani pribliţno tri kubične metre lesa. Dnevna poraba starega
papirja v tovarni je okoli 600 t, kar pomeni 1800 dnevno ohranjenega lesa v naravi. 1
ENERGETSKA OSKRBA TOVARNE 2.1
Vršni kotel za proizvodnjo toplote oz. pare je premogovni kotel K4 Babcock Wilcox 64
t/h, 450 oC, 45 bar. Kotel proizvaja visokotlačno paro, ki vstopa v parno dvostopenjsko
kondenzacijsko turbino, kapacitete 8,5 MWel. Za potrebe tehnologije je potrebna para, ki
ima tlak okoli 4,6 bara abs. in temperaturo okoli 215 °C, masni pretok pri normalnih
pogojih pa je okoli 40 t/h . Pri normalnem obratovanju tovarne kotel K4 zagotavlja okoli
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
50 t/h do 65 t/h pare tlaka okoli 43 bara abs. in temperature 450 °C. Izkoristek kotla je 73–
90 %.
2.1.1 Deponija
Na deponiji poteka priprava mešanice goriva. Mešanica goriva se mora pripraviti čim bolj
enakomerno, da se zagotovi čim bolj konstantna kaloričnost goriva in s tem enakomerno
delovanje K4. Spodnja slika 2.1 prikazuje pripravo mešanice goriva na deponiji.
Posamezna goriva (indonezijski premog –rjavi premog, premog stanari – lignit, lesna
biomasa –lubje, sekanica in odpadni papirniški mulj) se nanašajo v plasteh in s tem se
ustvari ţelena mešanica goriva.
Slika 2.1: Deponija goriva K4
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
2.1.2 Transport goriva v K4
Transport goriva v kotel K4 poteka tako, da s prekladnikom goriva oziroma s poševnim
elevatorjem, ki ima zajemalke oz. korce za zajem goriva, nalagajo le-tega na transportni
trak. Zajemalke imajo kapaciteto, da zajamejo vse plasti naenkrat, kar zagotavlja, da v
kurišče vstopa gorivo z enakomerno povprečno kalorično vrednostjo. Gorivo nato potuje s
pomočjo tračnih transporterjev v dva zalogovnika, ki se nahajajo na vrhu K4.
Transportiranje poteka po zunanjem delu tovarne, kar pa seveda pomeni, da so tudi
transportne naprave izpostavljene zunanjim vremenskim razmeram, kar pa v določenih
vremenskih razmerah negativno vpliva na kurilnost goriva.
2.1.3 Mletje goriva
Za mletje goriva uporabljamo dva električna mlina, ki imata povprečno skupno moč
delovanja okoli 225 kW. Prerez mlina vidimo na sliki 2.2. Mlina sta sestavljena tako, da za
mletje uporabljata kladiva, nameščena v ohišju mlina ter pritrjena na os. Glede na hitrost
dodajalnikov in samo sestavo goriva se spreminja el. moč mlinov. Pri večji masni
obremenitvi mlina je amperaţa motorja mlina večja.
Slika 2.2: Prerez mlina kotla K4
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
Pri pregledu obratovalnih protokolov sem opazil zanimive meritve dne 3. 12. 2013, ko je
potekala zamenjava kladiv na mlinu 1. Ob zagonu mlina 1 se je amperaţa mlina močno
povečala, saj je znašala tudi čez 20 A. Po pregledu obratovalnih protokolov kotla K4 sem
ugotovil, da je bila obremenitev mlina v tem času le 40 %, vendar je amperaţa vseeno tako
visoka, kar je posledica novih neobrabljenih kladiv za drobljenje goriva. [5]
2.1.4 Kurjenje v kotlu K4
V času izvajanja praktičnega preizkusa na premogovnem kotlu K4 smo kurili več različnih
mešanic goriv s ciljem pridobiti padatke, kako mešanica goriv vpliva na toplotno
kapaciteto kotla, emisije škodljivih snovi v dimnih plinih in izkoristkek kotla. Cilj
raziskovalne naloge je bil določiti zgornjo mejo vnosa biomase za zagotavljanje potrebne
toplotne kapacitete kotla in zniţanje emisij škodljivih snovi.[8]
Zniţevanje fosilnega goriva – indonezijskega premoga zniţuje povprečno kalorično
vrednost goriva, zato je bilo zelo teţko zagotavljati maksimalno kapaciteto kotla K4 v času
konične tarife ali povečanih potreb v proizvodnji.
2.1.5 Strojnica
Proizvedena visokotlačna para premogovnega kotla K4, ki ima temperaturo okoli 450 °C,
tlak 43 bar abs. in masni pretok pare okoli 45–65 t/h, nato vstopa v distribucijski sistem, ki
je povezan s parno turbino. Parna turbina je dvostopenjska kondenzacijska s prigrajenim
generatorjem kapacitete 8,5 MWh. Parna turbina poganja generator in ob tem izkorišča
13,5 % toplotne moči pare, kar zagotavlja, da daje generator na sponkah v povprečju okoli
6,5 MWh/h električne energije.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
Slika 2.3: Turbina z generatorjem
Na zgornji sliki 2.3 je prikazana dvostopenjska turbina. Prva stopnja je visokotlačni del,
na katerega vstopa visokotlačna para iz K4, del pare preide v drugo stopnjo ali nizkotlačni
del, ostala para pa zapusti turbino med stopnjama in je namenjena za potrebe v industriji. V
strojnici se nahaja še nekaj drugih elementov, ki jih potrebujemo za varno in nemoteno
delovanje. To so npr.: varnostni ventili, kondenzator, črpalke, ventili za nadzor
obratovanja, razni inštrumenti (merilniki), računalniška oprema za nadzor in ostale
komponente postrojenja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
3 ENERGETSKA UČINKOVITOST PODJETJA
Dvig energetske učinkovitosti podjetja VIPAP je stalna naloga, saj je proizvodnja papirja
energetsko intenzivna panoga in predstavlja strošek energentov v strukturi variabilne cene
papirja, v povprečju 18 %. Slika 3.1 prikazuje snovne in energetske tokove obstoječega
stanja oskrbe podjetja leta 2010 v obliki blok diagrama. 2
Slika 3.1: Blok diagram snovnih in energetskih tokov 4
Podjetje VIPAP danes( Bilanca narejena na letni ravni 2010)
6.200 tms/l
Lubje
44.500 tms/l
Mulj DIP
VIPAP BAT
Toplota papir (GJ/t) 5,28 5,10
15.500 tms/l Toplota skupaj (GJ/t) 6,05
Mulj KMČN Ogrevanje, izgube distribuciskega
sistema (GJ/t) 0,77 (12%)
Bio mulj Elektrika (kWh/t) 942 1000-1500
3.600 tms/l
-PREMOG 79.750t, 46MWt-LUBJE/LES 18.000t, 5,0MWt-ZP 1.200*10^3Sm^3, 1,3MWT
-MULJI 60.000t, 8,3MWt
ENERGETIKAK4 (46t42b/h)+T1 (5,9MWe)K5(8,5t13b/h)
Lastna raba 1,8MWeLastna EE: 52 GWh/l519.000t1bpare/l
VLAKNINE ZA PROIZVODNJ
O PAPIRJA
SUROVINE ZA PROIZVODNJO ENERGENTOV-
GORIVA
PROIZVODNJA PAPIRJAPROPROMIX
-PS1 50%GPP/50%VUPP 61.000 t 196.000-PS2 ČP 65.000 t ton papirja-PS3 ČP 65.000 t
-DIP 159.000 t ass/l-TGW 17.200 t ass/l-NABAVA CBAS 9.000 t st.s/l
45t 4,5b /h, 32 MWt4,1 MEe
NABAVAENERGENTOV
16,1 MWe
144GWh/lCO
2 E
MIS
IJA
15
9.0
00
t/l
INČ(mehansko in biološko)
PEPEL 21.600 t/l
REJEK
T 3.0
00
t/l
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
Ukrepi dviga energetske učinkovitosti podjetja so usmerjeni in sledijo ciljem podnebno
energetske politike EU 20/20/20 do leta 2020.
V praktičnem delu diplomske naloge sem aktivno sodeloval pri izvajanju dveh ukrepov,
vezanih na dvig energetske učinkovitosti premogovnega kotla K4, in sicer:[9]
- Povečati deleţ energije v GJ obnovljivih virov (OVE) v strukturi goriv z današnjih
10,8 % na 20 %.
- Zniţati lastno rabo električne energije za 20 % z vgradnjo frekvenčno vodenih
pogonov namesto mehansko dušenih.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
4 POSNETEK OBSTOJEČEGA STANJA PREMOGOVNEGA
KOTLA K4
Namen mojega dela v tem posnetku je bil, da sem na osnovi ţe opravljenih meritev za
časovno obdobje od 1. 10. 2012 do 31. 10. 2012 izvedel masno in energijsko bilanco ter
analiziral vpliv mešanice goriva na kapaciteto, izkoristek kotla in emisije škodljivih plinov
iz obstoječega kotla Babcock Wilcox 64 t/h, 450 oC, 45 bar. V podjtju VIPAP so v tem
obdobju v mešanici goriva v prvem delu testa povečali deleţ OVE in ob tem zniţali deleţ
fosilnih goriv. [5]
Beleţenje parametrov v intervalnem času ene ure, katerega opravljajo zaposleni v podjetju,
ter on line beleţenje na sistemu energetskega monitoringa mi je omogočilo natančno
izvedbo ţelenega ter načrtovanega preizkusa.
Seznam teţav in ukrepov pri kurjenju v kotlu K4 v času testa: [5]
- 2. in 3. 10. je mešanica zadoščala za proizvodnjo pare od 56 do 58 t/h. V času
električne konice je bilo potrebno dodati čisti premog k mešanici goriva
- 4. 10. je bilo obratovanje zadovoljivo in proizvodnja je bila 57 t/h
- 8. 10. dodajanje premoga v času konice, proizvodnja 60 t/h
- 9. 10. zastoj PS3 v časovnem obdobju 8 h
- 10. 10. potrebno dodati čisti premog za proizvodnjo 51 t/h
- 11. 10. potrebno dodali čisti premog na popoldanski izmeni
- 12. 10. dodali čisti premog in vklop gorilnika na ELKO za proizvodnjo 58 t/h
- 15. 10. dodali premog za proizvodnjo 60 t/h
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
- 16. 10. dodali premog za proizvodno 60 t/h
- 18. 10. dodali premog, saj mešanica ni zadoščala potrebam
- 19. 10. dodali premog
- 21. 10. dodali premog v nočni izmeni
- 22. 10. dodali premog v dopoldanski izmeni
- 23. 10. dodali premog v dopoldanski izmeni
- 24. 10. dodali premog v dopoldanski izmeni za doseganje zadostnih količin
proizvedene pare
- 29. 10. zaustavitev sistema kotla K4
- 30. 10. zagon sistema kotla K4
MASNI DELEŢ OVE V MEŠANICI GORIVA KOTLA K4 4.1
Graf na sliki 4.1 prikazuje vpliv sestave goriva v primerjavi s proizvedeno paro kotla K4.
V grafu je lepo razvidno, da je bil polovico meseca oktobra 2012 povečan vnos OVE v
količinah od 35 % do 40 % glede na celotno masno mešanico goriva. V drugi polovici
meseca oktobra je kotel K4 obratoval z običajno mešanico goriva. Vsi podatki v poročilu
so obdelani na izmenski ravni in jih kot take primerjamo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
Slika 4.1: Graf masnih deleţev goriv in proizvedene pare
Ugotovitve na podlagi opravljenega testa: [2]
- V kolikor je masni deleţ biomase skoraj 40 % ter indonezijskega premoga okoli 60
%, je teţko zagotoviti več kot 450 t pare na izmeno, kar je okoli 56 t/h pare. Za
višje potrebe je nujno dodati podporo s čistim premog iz rezervnega zalogovnika ali
pa podpora s ELKO.
- V primeru mešanice goriva s 25 % biomase, 30f % premoga Stanari in 45 %
indonezijskega premoga se je dosegala proizvodnja do 480 t/izmeno ali do 60 t/h.
- Največja proizvodnja se je dosegla v času, ko je bila mešanica goriva v sestavi 30
% biomase, 17 % premoga Stanari in 53 % indonezijskega premoga. Dosegla se je
proizvodnja pare okoli 500 t/izmeno oziroma okoli 62,5 t/h.
- Količine proizvedene pare v prvi izmeni so najvišje, kar je povezano z nabavno
ceno konične tarife kupljene električne energije iz omreţja. V tem času ima
podjetje cilj proizvesti čim več lastne električne energije, saj s tem zniţa porabo
električne energije iz omreţja v času električne konice in pozitivno vpliva na
stroške.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
- S povečanjem vnosa OVE goriv se povečajo teţave z ţlindro, kar vidimo na sliki
4.2, na kateri je kepa ţlindre, ki je nastala v kanalu pod grelnikom zraka. Nastanek
ţlindre je posledica slabšega mletja, saj kladivna mlina nista namenjena za mletje
OVE. Posledica slabšega mletja je, da pride v kurišče večji kos lubja, ki ne mora
zgoreti v kurišču in pade na rešetke pod kotlom.
Slika 4.2: Kepa ţlindre, ki je nastala v kanalu pod grelnikom zraka
TERMIČNI IZKORISTEK KOTLA K4 GLEDE NA OBREMENITEV 4.2
Pri obdelavi podatkov, kako obremenitev kotla K4 vpliva na termični izkoristek, sem
opazil, da izkoristek niha v odvisnosti od količine pare, proizvedene na izmeno. Graf na
sliki 4.3 nam nazorno prikaţe, da se termični izkoristek kotla K4 spreminja s samo
obremenitvijo kotla.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
Slika 4.3: Graf termičnega izkoristka in proizvedene pare kotla K4
Termični izkoristek je razmerje med delom ali močjo idealno delujočega stroja in toplotno
ali toplotnim tokom, ki je doveden v kroţni proces.[7]
[4.1]
Termični izkoristek, ki ga prikazuje zgornji izračun, se giblje malo nad povprečnim
izkoristkom kotla K4 v času testa. Kot je vidno iz slike 4.3, se termični izkoristek večino
časa giblje med 75 in 90 %.
Za optimalni izkoristek kotla se obremenitev kotla giblje med 300 in 400 tpare proizvedene
na izmeno. Izkoristek ni odvisen le od obremenitve, temveč nanj vplivata pribitek kisika v
kurišče in deleţ vlage, ki jo vsebuje gorivo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
VPLIV MASNEGA DELEŢA OVE V MEŠANICI GORIVA NA EMISIJE 4.3
ŠKODLJIVIH PLINOV
Masni deleţ OVE v mešanici goriva vpliva na emisije škodljivih plinov, ki se ustvarjajo pri
procesu kurjenja v kurišču kotla K4 in jih zaznamo v dimnih plinih. Slika 4.4 nam podaja
primerjavo emisij škodljivih plinov v odvisnosti od masnega OVE in kako toplotna moč
kotla, izraţena v MW/izmeno, vpliva na emisije.
Slika 4.4: Graf emisij NOx, CO, SOx in deleţa OVE ter toplotne moči K4[5]
Ugotovitve na podlagi opravljenega testa:[8]
- Večji deleţ biomase nekoliko zniţuje emisij NOx, vendar so te večinoma odvisne
od toplotne moči kotla. Pri večji toplotni moči emisije NOx naraščajo, kar je
posledica višjih temperatur v kurišču. Vsi piki so povezani z dopoldansko izmeno,
ker je kapaciteta kotla maksimalna zaradi maksimalne proizvodnje električne
energije. Na vrednost emisij NOx vpliva povišana temperatura v kurišču, saj vemo,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
da je nastanek NOx emisij temperaturno odvisen proces, ki je pospešen pri
temperaturi nad 950 °C.
Razvidno je, da so pri vhodni toplotni moči do 400 MW/izmeno emisije NOx v
območju pod 400 mg/m3, kar podjetju omogoča nemoteno obratovanje, saj večino
časa obratuje v tem območju. Zakonsko dovoljenje za emisije NOx za velike
kurilne naprave so maksimalno 600 mg/Nm3, kar podjetje tudi izpolnjuje in je
skladno z izdanim okoljevarstvenim dovoljenjem.
- Pri krivulji emisij CO je opaziti, da je nihanje v času kurjenja s povečanim
deleţem biomase povečano, medtem ko pa se nihanje umiri, ko je deleţ biomase
manjši.
- Krivulja emisije SOx kaţe veliko odvisnost od deleţa biomase. Opazimo, da se
emisije SOx zmanjšajo za več kot 50 % v času, ko imamo masni deleţ biomase
okoli 40 %. V kolikor se deleţ biomase zmanjša, emisije SOx sunkovito narastejo
čez 250 mg/m3, iz česar sklepamo, da emisije SOx lahko zniţamo s povečanjem
masnega deleţa biomase v gorivu.
Za obratovanje kotla in proces kurjenja je pomemben dejavnik tudi deleţ kisika v kurišču.
Spremljal sem deleţ kisika O2, ki se meri pred EF. Na sliki 4.5 je graf, v katerem sem
prikazal, kako deleţ kisika vpliva na emisije ter ali se deleţ kisika spreminja s toplotno
močjo kotla.
Iz krivulje za deleţ prahu je vidno, da se emisija prahu zmanjša, ko je masni deleţ OVE
večji. Opazil sem tudi, da je deleţ prahu povečan, ko je toplotna moč največja, saj
maksimalna obremenitev kurišča poslabša izgorevanje, s tem pa se povečuje tudi deleţ
prahu, ki pa je seveda odvisen tudi od količine goriva, ki ga pokurimo.
V grafu na sliki 4.5 je prikazana tudi krivulja deleţa O2 pred EF. Deleţ kisika je odvisen
od količine dovedenega zraka in zelo vpliva na emisije. Cilj je vzdrţevati deleţ kisika med
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
4–4,5 mg/m3, ker se na ta način vzdrţujejo emisije NOx na spodnji meji, vendar pa nastopi
teţava, ko je obremenitev kotla najvišja. Takrat mora operater povečati vnos kisika, da
lahko zagotavlja maksimalno proizvodnjo pare.
Slika 4.5: Graf emisij O2, prahu in deleţa OVE ter toplotne moči K4[5]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
5 UKREP POVEČATI DELEŽ ENERGIJE OVE V
STRUKTURI GORIV NA 20 %
Za učinkovito sledenje ciljev podnebno energetske politike EU 20/20/20 je podjetje v
mešanici goriva povečalo deleţ OVE, kar vidimo na sliki 5.1, na kateri je graf deleţa
proizvedene energije iz OVE.[9]
Slika 5.1: Graf proizvedene pare, izkoristka in deleţa OVE
Po opravljenih meritvah in izračunih sem ugotovil, da podjetje lahko dosega 20 % energije
iz OVE, ob tem zagotavlja zadostne količine proizvedene pare za potrebe industrije ter
dosega zadovoljiv izkoristek.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
6 UKREPI ZA ZNIŽANJE LASTNE RABE ELEKTRIČNE
ENERGIJE PREMOGOVNEGA KOTLA K4 ZA 20 %
Z izvedo nekaterih ukrepov bi podjetju dvignili energetsko učinkovitost, kar bi imelo tako
kratkoročno kot dolgoročno rešitev za podjetje.
V času izvajanja praktičnega dela sem aktivno sodeloval pri ukrepih za zniţanje lastne rabe
električne energije, kar je predstavljeno v nadaljevanju.
VGRADNJA FREKVENČNE REGULACIJE V PROCES VPIHA SVEŢEGA 6.1
ZRAKA IN VLEKA ZGOREVALNEGA ZRAKA
Z izvedbo frekvenčne regulacije vpiha sveţega zraka in vleke zgorevalnega zraka bi
podjetje zmanjšalo lastno rabo električne energije na postrojenju premogovnega kotla K4,
kar pomeni, da bi s tem ukrepom sledili cilju zniţanja lastne rabe za 20 %. Sedanja
regulacija poteka s pomočjo mehanskih loput za dušenje oziroma reguliranje količine
zraka. Pri takšni regulaciji se pojavlja problem, ko premogovni kotel K4 deluje pri
minimalnih obremenitvah in so potrebne minimalne količine zraka, ki jih dosegamo z
zapiranjem zračnih loput ob maksimalni porabi električne energije. Na poziciji vleke in
podpiha sta vgrajena motorja nazivne moči 250 kW.
Frekvenčna regulacija bi tako rešila problem prevelike količine dovedenega zraka in
omogočala ciljno regulacijo kisika in podtlaka v kurišču ter ob tem ugodno vplivala na
količino škodljivih emisij. Pogonski motor ventilatorja bi se vrtel z niţjimi vrtljaji in s tem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
bi zniţali porabo električne energije, kar pomeni, da bi podjetje zniţalo lastno rabo
električne energije in stroške.[9]
VGRADNJA FREKVENČNE REGULACIJE NA SISTEMU NAPAJALNE 6.2
ČRPALKE
Na postrojenju kotlovne vode kotla K4 imamo 5 črpalk. Vsaka nam zagotavlja proizvodnjo
pare okoli 50 t/h. Črpalke so vodene ročno, ob proizvodnji pare, ki presega 50 t/h, je
potrebno vklopiti še eno črpalko, kar nam zagotavlja proizvodnjo pare okoli 100 t/h. To pa
je absolutno preveč, saj je maksimalna kapaciteta kotla do 65 t/h, zato je potrebno ob
delovanju dveh črpalk sistem mehansko dušiti z ventilom. Cilj ukrepa je najti tehnološko
rešitev nove napajalne črpalke, ki bi kapacitetno pokrivala celo delovno območje kotla od
35 do 65 t/h in bila frekvenčno vodena glede na potrebni tlak v sistemu napajalne vode.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
7 FREKVENČNA REGULACIJA POGONOV PODPIHA IN
VLEKA KOTLA K4 TER NAPAJALNE ČRPALKE
PREDSTAVITEV STANJA LASTNE RABE ELEKTRIČNE ENERGIJE 7.1
Postrojenje kotla K4 zajema električne pogone naprav z veliko rabo električne energije.
Glavni porabniki so pogoni mlinov za mletje goriv, napajalnih črpalk, ventilatorja vleke in
ventilatorja podpiha ter drugi manjši porabniki.
Analiza obstoječih porabnikov električne enerije je pokazala, da je potenciala za zniţanje
veliko. V prvi fazi smo se osredotočili na največje porabnike, ki tudi vplivajo na proces
izgorevanja v kurišču. Mehansko dušene procese vpiha sveţega zraka, vleka izgorevalnega
zraka ter oskrbo z napajalno vodo smo predelali na frekvenčno vodene procese.
7.1.1 Lastna raba električne energije pred investicijo
Tabela 7.1 zajema podatke lastne rabe električne energije celotnega postrojenja kotla K4
ter proizvodnjo pare in papirja, ki so obdelani na mesečni ravni za obdobje od januarja
2012 do decembra 2012. To obdobje predstavlja stanje pred investicijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
Tabela 7.1: Poraba lastne rabe električne energije [4]
7.1.2 Frekvenčna regulacija pogonov podpiha in vleka zraka
Frekvenčno vodena pogona vpiha sveţega zraka in vleka izgorevalnega zraka nam
omogočata regulacijo količine zraka s pomočjo spreminjanja vrtljajev pogonov. Ta način
regulacije količine zraka nam omogoča hitro ter natančno prilagajanje procesu kurjenja v
kotlu K4. Vpih sveţega zraka je avtomatsko vezan na količino zraka, to je obrate
frekvenčno vodenega ventilatorja. Delovanje oz. hitrost ventilatorja podpiha pa je vezana
na ciljni podlak v kurišču.
Na sliki 7.1 imamo prikazano blokovno shemo vpiha sveţega in vleka izgorevalnega zraka
na postrojenju kotla K4, ki sta frekvenčno vodena. Shema vsebuje tudi ostale ključne
elemente postrojenja kotla K4.
mesec/leto
poraba EE
energetika
proizvodnja
papirja
poraba EE
energetika proizvedena para
poraba EE
energetika
(kWh/mesec) (t/mesec) (kWh/t papirja) (t 1bar/mesec) (kWh/t pare)
januar 2012 1.084.711 17.991 60 52.088 20,8
februar 2012 1.083.270 15.255 71 49.367 21,9
marec 2012 1.055.613 16.687 63 49.190 21,5
april 2012 997.828 16.366 61 47.898 20,8
maj 2012 1.102.768 17.751 62 48.512 22,7
junij 2012 1.019.520 16.539 62 45.266 22,5
julij 2012 1.053.684 17.984 59 46.739 22,5
avgust 2012 968.118 14.732 66 39.031 24,8
september 2012 1.004.975 16.102 62 45.007 22,3
oktober 2012 1.125.946 17.111 66 48.373 23,3
november 2012 1.124.783 16.905 67 48.796 23,1
december 2012 1.195.171 16.490 72 51.855 23,0
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
Slika 7.1: Shema postrojenja vpiha sveţega zraka in vleka izgorevalnega zraka ter ostali
ključni elementi kotla K4
7.1.3 Frekvenčna regulacija napajalne vode
Frekvenčno vodena napajalna črpalka zniţuje porabo električne energije, saj pokriva
celotno kapaciteto proizvodnje pare kotla K4, ki je od 35 do 65 t/h. Vodenje pogona
M2
M1
E.F
Kotel K4
Dimnik
F.R
Vlek
Podpih
F.R
Grelnik
zraka
Bunker za
mešanico
goriva
Premog+
OVE
G1
G2
Dimni plini
Hladen zrak
Vroč zrak
Gorivo
+
zrak
Gorivo
+
zrak
Hladna
mešanica
gorivaHladna
mešanica
goriva
Očiščeni
dimni plini
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
črpalke poteka s pomočjo meritve tlaka v cevovodu napajalne vode pred elektromehanskim
ventilom, katerega stanje je odvisno od nivoja vode v kotlovnem bobnu. Frekvenčno
regulirani motor deluje tako, da zagotavlja stalni tlak v cevovodu (46 bar) s pomočjo
spreminjanja vrtljajev v odvisnost od spremembe tlaka. [2]
Celotno črpališče je sestavljeno iz petih ročno vodenih črpalk in ene frekvenčno vodene
črpalke, kar vidimo na sliki 7.2. Ročne črpalke so rezerve za primer okvar.
Slika 7.2: Shema napajalnih črpalk kotla K4
7.1.4 Učinki ukrepov znižanja lastne rabe energije
V mesecu avgustu 2013 je bila izvedena investicija, pri kateri sem sodeloval kot član tima.
Z obdelavo podatkov na mesečni ravni, ki so prikazani v tabeli 7.2, lahko tudi ugotovimo,
ali smo dosegli planirani učinek.
PRIPRAVLJENA KOT. VODA 18,10m
KONDENZATI
PARA
12,30m
3,50m Č1 Č2 Č3 Č4 Č6 Č5
Proizvajalec: KSB Proizvajalec: KSB Proizvajalec: KSB Proizvajalec: KSB Proizvajalec: KSB Proizvajalec: KSB
Leto izdelave: 1979 Leto izdelave: 1975 Leto izdelave: 1980 Leto izdelave: ? Leto izdelave: 1975 Leto izdelave: 2013
Tip: HDA 65/12 st. Tip: HDA 65/12 st. Tip: HDA 65/12 st. Tip: HDA 65/12 st. Tip: HDA 65/12 st. Tip: Multitec B 65/ 9B-6.1 20.81
Q= 52,4 m3/h Q= 52,4 m3/h Q= 52,4 m3/h Q= 52,4 m3/h Q= 52,4 m3/h Q= 17,3 - 95,9 m3/h
H= 622 m H= 622 m H= 622 m H= 622 m H= 622 m H= 607 m
n= 2950 min-1 n= 2950 min-1 n= 2950 min-1 n= 2950 min-1 n= 2950 min-1 n= 2985 min-1
p= 63,4 bar p= 63,4 bar p= 63,4 bar p= 63,4 bar p= 63,4 bar p= 63 bar
Pmotorja= 160 kW Pmotorja= 160 kW Pmotorja= 160 kW Pmotorja= 160 kW Pmotorja= 160 kW Pmotorja= 160 kW
LIC
F.R
P
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
Tabela 7.2: Poraba lastne rabe električne energije [4]
mesec/leto
poraba EE
energetika
proizvodnja
papirja
poraba EE
energetika proizvedena para
poraba EE
energetika
(kWh/mesec) (t/mesec) (kWh/t papirja) (t 1bar/mesec) (kWh/t pare)
1. september 2013 936.814 16.258 58 45.308 20,7
1. oktober 2013 933.339 16.892 55 48.494 19,2
1. november 2013 868.718 16.350 53 48.143 18,0
1. december 2013 915.151 15.748 58 52.030 17,6
1. januar 2014 899.100 17.132 52 52.725 17,1
1. februar 2014 822.923 15.615 53 48.078 17,1
1. marec 2014 872.374 16.931 52 51.037 17,1
1. april 2014 843.565 16.344 52 46.893 18,0
1. maj 2014 878.698 16.717 53 47.866 18,4
1. junij 2014 851.215 16.321 52 45.770 18,6
Povprečna mesečna lastna raba električne energije na postrojenju kotla K4 pred investicijo
je znašala 1.091.250 kWh. Z realizacijo investicije v mesecu avgustu 2013 je podjetje
zniţalo povprečno mesečno porabo na 882.190 kWh, kar je 209.060 kWh/mesec manj kot
pred investicijo. [5]
Vpliv frekvenčne regulacije pogonov pozitivno vpliva na zvezno ter vodljivejše
obratovanje, saj se nekateri parametri spreminjajo samodejno glede na obratovalne razmere
kotla K4 ter obratovalnih potreb ostalega dela tovarne. Po investiciji opazimo tudi, da se
izkoristek kotla K4 nekoliko zviša, saj je količina zraka natančneje regulirana, kar vpliva
na boljše izgorevanje kotla K4.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
8 REZULTATI IN DISKUSIJA
Skozi diplomsko nalogo smo prišli do zaključka, da ukrepi, ki jih je podjetje izvedlo na
področju dviga energetske učinkovitosti, sledijo ciljem podnebno-energetske politike EU
20/20/20 do leta 2020. Podjetje je izvedlo organizacijske spremembe, ki se nanašajo na
pripravo strukture goriva in investicijski ukrep.
REZULTATI 8.1
- Cena investicije 149.600 €
- Vračilo investicije v 1 letu
- Zniţana lastna raba električne energije za 20 %
- Zniţanje hrupa s 104 na 90,4 dBA
- Od 15 do 20 % energije pridobljene iz OVE
- Zagotavljanje emisij NOx pod dovoljeno mejo 600 mg/m3
DISKUSIJA 8.2
Danes podjetje pripravlja mešanico goriv, ki ima masni deleţ OVE od 25 do 30 %, kar
pomeni, da je od 15 do 20 % energije pridobljene iz OVE. Rezulati naloge kaţejo, da ta
struktura goriv zagotavlja zanesljivo oskrbo s paro in zniţa emisije NOx na minimum, kar
je bistveno pod zakonsko dovoljeno mejo, ki je 600 mg/m3.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
Vgradnja frekvenčne regulacije na pogon vpiha sveţega zraka in vleka izgorevalnega zraka
ter vgradnja nove frekvenčno vodene črpalke za napajalno vodo realizirata cilj 20 %
zniţanja lastne rabe električne energije, s tem pa podjetju zniţamo obratovalne stroške za
153.023 € letno, kar potrjujeta enačbi 8.1 in 8.2. To pa pomeni, da se investicija povrne v
enem letu, kot je razvidno po enačbi 8.3.
[8.1]
[8.2]
[8.3]
Vgradnja frekvenčno vodenih procesov je pozitivno vplivala tudi na zniţanje imisij hrupa
v času nizke proizvodnje pare na kotlu K4.
Imisijske vrednosti hrupa, merjene na Aškarčevi, so se zniţale s 104 na 90,4 dBA, kar
prispevava k boljšemu okolju, v katerem tovarna deluje. [3]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
9 SKLEP
Ukrepi za dvig energetske učinkovitosti postrojenja premogovnega kotla K4 v podjetju
Vipap Videm Krško so se izkazali za izvedljive in upravičene. Nadgradnja postrojenja
kotla K4 daje podjetju tako kratkoročne kot dolgoročne rešitve na področju učinkovite rabe
energije. Finančno gledano, se je podjetju investicija izplačala, saj se bodo stroški
investicije povrnili v dobi enega leta, lastna raba električne energije pa se je zmanjšala za
skoraj 20 %.
Dvig deleţa pridobljene energije za proces kurjenja v kotlu K4 iz obnovljivih virov
energije ugodno vpliva na niţje izpuste emisij v dimnih plinih in s tem povezane stroške
ter obratovalne omejitve glede količine izpusta emisij.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
VIRI IN LITERATURA
1 Dostop na: http://www.vipap.si [15.8.2014].
2 Resnik, M. Poslovni informaciski sistem podjetja VIPAP VIDEM KRŠKO,
proizvodnja papirja in vlaknin d.d. Krško: 2012, 2013, 2014.
3 Frekvenčna regulacija ventilatorja vleka kotla K4.
4 Prvine okolja RIP 2017A MFRDF.
[5] Monitoring energetike-EMEO podjetja VIPAP VIDEM KRŠKO, proizvodnja
papirja in vlanin d.d.
[6] Tehnološki preizkus kurjenja lesne mase in analiza vplivov na pripravo goriva,
izkoristek in emisije obstoječega kotla Badcock-Wilcox 64 t/h, 450 °C, 45 bar.
[7] Kraut, B. Krautov strojniški priročnik,Littera picta: 2011.
[8] Poročilo o vplivih na okolje za nameravano posodobitev VIPAP VIDEM KRŠKO,
proizvodnja papirja in vlanin d.d., referat št. 2175, Ljubljana, november 2012.
[9] Resnik, M. Investicijski list Dvig energetske učikovitost podjetja, 20.6. 2013.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
PRILOGE
PRILOGA A: PODATKOVNI LIST FREKVENČNO VODENE ČRPALKE
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
PRILOGA B: KRIVULJA ZMOGLJIVOSTI FREKVENČNO VODENE
ČRPALKE
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVERNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE
VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV
DIPLOMANTA
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
PRILOGA D: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA