krško, september 2014 - connecting repositories · 2.1.2 transport goriva v k4 transport goriva v...

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

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.


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


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


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


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.


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.


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


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.


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


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.


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.


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.


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.


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,


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


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]


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.


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


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.


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.


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


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


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


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.


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.


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]


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.


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.

http://www.vipap.si/


29

PRILOGE

PRILOGA A: PODATKOVNI LIST FREKVENČNO VODENE ČRPALKE


30

PRILOGA B: KRIVULJA ZMOGLJIVOSTI FREKVENČNO VODENE

ČRPALKE


31

PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVERNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE

VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV

DIPLOMANTA


32

PRILOGA D: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

krško, september 2014 - connecting repositories · 2.1.2 transport goriva v k4 transport goriva v...

Documents