Scopri come efficientare il tuo impianto vapore

1. Minimizzare l’eccesso d’aria di combustiones

Un combustione corretta richiede di immettere in camera di combustione una quantità di aria che contenga abbastanza ossigeno per ossidare tutto il combustibile ma non di più, al fine di minimizzare le perdite di energia.

Ci sono due modalità principali per il controllo della combustione

Controllo di posizione
Il controllo del flusso d’aria di combustione è realizzato collegando meccanicamente il dispositivo di controllo della serranda di immissione dell’aria (al ventilatore) al dispositivo di controllo del flusso di carburante. Questa modalità di controllo non include nessuna misura attiva dell’ossigeno e del combustibile. Le misure di ossigeno e combustibile sono effettuate soltanto periodicamente per tarare l’apertura della serranda in funzione del flusso di combustibile.
Regolatore automatico dell’ossigeno
Il flusso dell’aria di combustione è regolato in considerazione dell’apertura della valvola di immissione del combustibile (più o meno combustibile richiesto dal processo) e del quantitativo di ossigeno presente nei gas di scarico al camino. Il contenuto di ossigeno nei gas di scarico è misurato in continuo e questo permette una regolazione più puntuale dell’eccesso d’aria così da minimizzarne la quantità. In molte istallazioni questo meccanismo di controllo è accoppiato con un inverter sul ventilatore di immissione dell’aria che porta ad un addizionale risparmio di energia elettrica

2. Pulire le superfici di scambio del generatore

Le superfici di scambio termico si sporcano durante il funzionamento.
Superfici di scambio sporche implicano una resistenza termica addizionale al trasferimento dell’energia dai fumi di combustione all’acqua da evaporare; l’effetto principale si concretizza in una più alta temperatura dei fumi che fuoriescono al camino.
Più alta la temperatura dei fumi al camino più bassa l’efficienza globale del generatore, poiché una significativa quota di energia associata a gas di scarico viene persa.
Per cui è necessario predisporre procedure di manutenzione che, periodicamente, puliscano le superficie di scambio del generatore.

Superfici di scambio lato fumi
L’entità dello «sporcamento» delle superfici di scambio lato fumi dipende dal tipo di combustibile. Per combustibili gassosi può essere trascurabile o inesistente ma per combustibili liquidi o solidi può essere considerevole (polveri e fuliggine si attaccano infatti ai tubi del generatore). Lo «sporco» viene rimosso con l’utilizzo di opportune «soffianti» che sono lance con ugelli che utilizzano vapore ad alta pressione o aria compressa per frantumare la fuliggine formatasi sui tubi. I Generatori industriali hanno impostata una tempistica di pulizia per le varie sezioni lato fumi dello scambiatore. E’ molto importante che questo sistema di pulizia funzioni correttamente. Un indicatore diretto dello «sporcamento» dei tubi lato fumi è la temperatura degli stessi al camino e il suo andamento che fornisce preziose informazioni sull’effettiva performance del sistema di soffiaggio.
Superfici di scambio lato acqua
Lo «sporcamento» dei tubi lato acqua è costituito da incrostazioni sulla superficie dei tubi. Tali incrostazioni portano ad un aumento della resistenza allo scambio termico oltre ad un aumento della temperatura dei tubi con conseguente rottura degli stessi; hanno pertanto un impatto diretto sulla funzionalità e affidabilità del generatore e sulla efficienza totale. Lo «sporcamento» lato acqua è controllato attraverso l’analisi della composizione chimica dell’acqua del generatore ed è una funzione diretta della pressione del generatore, della qualità dell’acqua di alimento e del numero degli spurghi. Le incrostazioni vengono rimosse per via chimica o meccanica quando il boiler è spento e, solitamente, durante la fermata annuale.

3. Istallare dispositivi per il recupero di calore

Ci sono 3 tipi principali di recuperatore di calore dai gas di scarico di un generatore di vapore industriale

Economizzatori per il preriscaldo dell’acqua di alimento
È uno scambiatore di calore che trasferisce energia termica dai gas di scarico all’acqua di alimento del generatore. Lo stato dell’arte della tecnologia degli scambiatori di calore e i materiali utilizzati permettono di ridurre al minimo la caduta di pressione lato gas di scarico e operare con differenze di temperatura tali da minimizzare la superficie di scambio. Inoltre, sono compatti e non hanno pertanto limitazione dovuti alla dimensione. Anche se il generatore di vapore non è dotato di economizzatore direttamente dalla casa costruttrice, è molto semplice istallarlo nella corrente di gas di scarico che fuoriesce al camino.
Preriscaldatori aria di combustione
Un preriscaldatore dell’aria di combustione recupera energia dai gas di scarico che fuoriescano dal camino. Lo scambio termico è identico a quello che avviene nell’economizzatore per il preriscaldo dell’acqua di alimento. In conseguenza della natura dello scambio termico, aria-aria, i preriscaldatori di aria sono di grandi dimensioni e tipicamente comportano un elevata caduta di pressione. La maggior parte dei generatori industriali hanno un ventilatore per superare la caduta di pressione e evitare una significativa contropressione in camera di combustione. Il risultato netto è una riduzione dell’uso di combustibile, a parità di servizio reso, e di conseguenza un miglioramento dell’efficienza del generatore. E’ importante che la temperatura dei gas di scarico non scenda al di sotto del punto di rugiada per evitare la condensazione del vapor d’acqua contenuto nei fumi che combinandosi con la SO3 forma acido solforico che può condurre al deterioramento sia dello scambiatore che del generatore stesso se i materiali con cui sono stati realizzati non tollerano la condensazione dei gas di scarico. Questo limite di temperatura dipende dal contenuto di zolfo nel combustibile. Oltre all’acido solforico un’ulteriore riduzione della temperatura dei gas di scarico porta alla formazione di acido carbonico. La formazione dell’acido carbonico non influenza la durata del generatore, poiché l’acido carbonico è un acido debole ma con il tempo può dare luogo a problemi di funzionalità.
Economizzatori per il preriscaldo della condensa
Essendo il vapore d’acqua un prodotto della combustione esso è nello stato gassoso e fuoriesce al camino. Tuttavia questo vapore d’acqua contiene una significativa quantità di energia che può essere recuperata se si permette al vapore d’acqua di condensare. In commercio sono disponibili dispositivi, specificamente progettati per la combustione di combustibili puliti (gas naturale, gas metano, propano, olio combustibile, …), per recuperare il calore latente del vapore d’acqua dai fumi di scarico. Questi dispositivi sono i cosiddetti economizzatori a condensazione e a seconda del combustibile, possono migliorare l’efficienza del generatore anche più del 10%. Per avere la condensazione nella corrente dei gas di scarico è necessario che la temperatura scenda al di sotto del punto di rugiada. Questo è tipicamente a circa 60°C per la combustione del gas naturale e più la temperatura diminuisce più vapore d’acqua condensa permettendo un più alto recupero di calore. Deve evidenziarsi che il recupero di energia dalla condensazione del vapore d’acqua dei gas di scarico è vantaggioso se l’impianto richiede calore a bassa temperatura. Applicazioni industriali che richiedono calore a bassa temperatura, come industrie agroalimentari, impianti a vapore senza recupero delle condense (100% acqua di alimento), industrie tessili, impianti per il teleriscaldamento, etc., costituiscono il target per gli economizzatori a condensazione.

4. Istallare un sistema automatico di spurgo

L’acqua di alimento del generatore, principalmente costituita da acqua di reintegro e condensato, deve essere trattata prima dell’ingresso nel generatore in quanto:

  • nell’acqua di alimento sono sempre disciolte sostanze che non sono solubili nel vapore e la loro concentrazione aumenta durante il funzionamento del generatore.
  • un’elevata concentrazione di sostanze insolubili può produrre seri inconvenienti al generatore durante il funzionamento che possono comprometterne l’integrità e causarne danneggiamenti.

Tali inconvenienti consistono nella:

  • formazione di schiuma con trasporto di liquido nella rete vapore,
  • incrostazione delle tubazioni lato acqua che possono dare luogo a perdite e malfunzionamenti,
  • presenza di fanghi disciolti nell’acqua, etc.

Il controllo della concentrazione delle sostanze disciolte e precipitate nel generatore avviene attraverso lo «spurgo» di parte dell’acqua di alimento. Generalmente, l’entità dello spurgo è controllata attraverso la misura della conducibilità dell’acqua del generatore. La conducibilità e i risultati di test specifici sull’acqua aiutano ad aggiustare la portata degli spurghi.
In linea generale:

  • Più è alta la qualità dell’acqua di reintegro disponibile minore sarà il numero di spurghi richiesti.
  • Più condensa si recupera minore sarà il numero di spurghi richiesti.

Lo spurgo è costituito da liquido saturo alla pressione del generatore. Contiene pertanto una significativa quantità di energia termica.

Poiché lo spurgo è scaricato dal generatore l’energia termica associata (che è stata fornita con il combustibile) è persa.
Il rapporto tra l’energia persa e l’energia in ingresso al generatore è la perdita dovuta allo spurgo.

Utilizzare i misuratori di portata convenzionali per misurare la portata degli spurghi è difficile essendo lo spurgo costituito da acqua satura che evapora alla minima caduta di pressione (la maggior parte dei misuratori di portata impongono una caduta di pressione sufficiente per cui il flusso risulta composto da una fase vapore e una fase liquida pertanto impossibile da misurare).
Pertanto, al fine di misurare lo spurgo si misura la composizione chimica dell’acqua di alimento e quella dell’acqua nel boiler.

5. Recuperare energia dagli spurghi

L’energia termica associata agli spurghi può essere virtualmente tutta recuperata per mezzo di due tecniche:

  • Recupero termico dal flash di vapore
  • Preriscaldo dell’acqua di reintegro

Nel primo caso lo spurgo ad alta pressione viene inviato al serbatoio di raccolta che si trova a bassa pressione (generalmente leggermente superiore alla pressione del degasatore). Parte del liquido ri-evapora a pressione più bassa. Questo vapore è pulito e può alimentare il collettore di vapore a bassa pressione o fornire vapore al degasatore o al sistema di riscaldo dell’acqua di alimento.

Il liquido che rimane nel serbatoio si trova alla temperatura di saturazione (>100°C) e può ancora essere usato per preriscaldare l’acqua di reintegro per mezzo di uno scambiatore di calore.
L’acqua di spurgo può essere successivamente scaricata in fogna ad una temperatura molto simile a quella dell’acqua di reintegro (temperatura ambiente).

Le perdite associate agli spurghi possono pertanto essere teoricamente quasi nulle.

Dal punto di vista dei materiali, il serbatoio di raccolta degli spurghi è un componente molto semplice e a basso costo. Tuttavia, lo scambiatore di calore deve essere scelto con accuratezza in quanto il flusso di spurgo sporca le superfici di scambio e pertanto è necessario che le stesse siano facilmente accessibili per la pulizia.

6. Ottimizzare il funzionamento del degasatore

Il degastore funziona a pressione fissa, stabilita in fase di progetto.
La funzione principale del degasatore, rimuovere l’ossigeno dall’acqua, richiede un’azione di strippaggio. L’azione di strippaggio è data dal vapore. In aggiunta il vapore preriscalda l’acqua di reintegro per cui riduce la solubilità dell’ossigeno nell’acqua prima dell’azione di strippaggio.
Il degasatore, pertanto, richiede iniezione diretta di vapore vivo. La quantità di vapore richiesto dipende dalla:

  • Pressione del degasatore;
  • La quantità di condensa recuperata e dall’acqua di reintegro;
  • La temperatura della condensa;
  • La temperatura dell’acqua di reintegro;
  • Il tasso di sfiato del degasatore

La degasazione termica è basata sul principio secondo il quale la solubilità dei gas nell'acqua diminuisce con l'aumento della temperatura fino a raggiungere le condizioni di saturazione alle quali la quantità di gas disciolti in essa è praticamente nulla. Il tipo più comune di degasatore è quello a torretta. In tale macchina si individuano tre zone di processo diverse:

  1. Zona di preriscaldamento: generalmente è costituita dalla parte più alta della torretta nella quale viene nebulizzata l'acqua da trattare a mezzo di ugelli spruzzatori, in questo modo l'acqua viene preriscaldata, condensando il vapore proveniente dalla base della torretta trascinato dai gas che sono già stati liberati in precedenza.
  2. Zona di riscaldamento e degasaggio: l'acqua che era stata nebulizzata, scende per gravità nella zona centrale della torretta dove viene liberata dei gas in essa contenuti mediante frazionamento ottenuto in piatti forati durante la sua fase di caduta.
  3. Zona di ribollimento: le ultime tracce di gas presenti vengono eliminate riscaldando l'acqua fino alla sua temperatura di saturazione ad una pressione più elevata rispetto a quella regnante nel degasatore. Questo è possibile alimentando la base della torretta con vapore proveniente dalla turbina, ottenuto mediante opportuni spillamenti. Facendola successivamente espandere ed evaporare.

Se la pressione del degasatore aumenta, è necessario più vapore e la quantità di vapore che sfiata aumenta. Tuttavia, se il condensato ritorna a alta temperatura o se esiste la possibilità di preriscaldare l’acqua di reintegro con calore altrimenti non utilizzato, allora è conveniente operare con il degasatore a pressione più alta.

Operare a pressione più alta richiede un degasatore di dimensioni più piccole a parità di carico di vapore.
Ci sono parecchi esempi di processi che sono cambiati nel tempo o che gli impianti si sono modificati. Questo a sua volta può cambiare la quantità di condensato recuperato, la temperatura della condensa e il preriscaldo dell’acqua di reintegro. Per cui, è molto importante valutare la funzionalità del degasatore e assicurarsi che stia lavorando alla più bassa pressione possibile e con la più alta efficienza.

Inoltre, riducendo la pressione del degasatore si ridurrà la temperatura d’ingresso dell’acqua di alimento all’eventuale economizzatore e questo riduce la temperatura dei fumi che escono al camino aumentando l’efficienza globale del generatore.
Attenzione deve essere posta sul valore della temperatura dell’acqua di alimento in ingresso all’economizzatore in modo da evitare che la temperatura dei fumi scenda sotto il punto di rugiada.

7. Minimizzare gli sfiati di vapore

Avvengono quando le valvole di sicurezza o altri dispositivi di controllo della pressione sfiatano vapore in ambiente direttamente dal collettore. Questo generalmente avviene quando la quantità di vapore che arriva al collettore è maggiore di quella utilizzata dal processo.

  • Avvengono automaticamente quando nel collettore si superano i limiti di pressione stabiliti.
  • Qualche volta gli sfiati sono effettuati manualmente per ragioni di processo.
  • Gli sfiati di vapore non devono essere confusi con le perdite.

Gli sfiati di vapore sono molto più frequenti in impianti industriali di cogenerazione di calore e elettricità che utilizzano turbine a contropressione, mentre sono assenti in impianti che utilizzano turbine a condensazione.

Le perdite di vapore dovute agli sfiati possono essere calcolate con lo stesso metodo che si utilizza per la valutazione delle perdite da fori o orifizi.

8. Coibentazione tubazioni/valvole/raccordi

La coibentazione delle superfici calde è estremamente importante nei sistemi vapore per le ragioni che seguono:

  • Sicurezza del personale addetto all’impianto;
  • Riduzione delle perdite di energia ;
  • Mantenimento delle caratteristiche del vapore alle condizioni richieste dal processo e dagli utilizzatori finali;
  • Protezione dei dispositivi, tubazioni, ecc. dai fattori ambientali;
  • Mantenimento dell’integrità complessiva del sistema

Tra le ragioni per cui la coibentazione è mancante o danneggiata si possono elencare:

  • Attività di manutenzione;
  • Scarsa cura degli impianti;
  • Non prevista in fase di progetto (valvole, raccordi,…);
  • Usura dovuta alle condizioni ambientali;
  • Danneggiamenti accidentali.

Le aree più comuni di mancanza/danneggiamento della coibentazione includono:

  • Collettori;
  • Valvole;
  • Utilizzatori finali;
  • Accumulatori e serbatoi;
  • Tubazioni della condensa.

I fattori principali che influiscono sulla quantità di energia persa per mancanza o inadeguata coibentazione sono:

  • Temperatura del vapore richiesto dal processo;
  • Temperatura ambiente;
  • La superficie esposta alla temperatura ambientale;
  • La ventosità della zona;
  • Le ore annuali di attività;
  • Le caratteristiche di conducibilità termica della tubazione/dispositivi;
  • La resistenza termica del materiale coibente.

9. Opportunità di ottimizzazione nel recupero della condensa

Una volta che il vapore ha trasferito la sua energia termica si trasforma in condensa.
La condensa deve essere rimossa di continuo dall’impianto

La condensa non è uno scarto del processo ma la forma più pura dell’acqua ed, inoltre, ha un significativo valore economico in quanto:

  • È più calda dell’acqua di reintegro
  • Non necessita di nessun trattamento chimico per essere riutilizzata nell’impianto
  • Può essere inviata direttamente in fogna senza necessità di asportare il suo contenuto termico

Il recupero della condensa è considerato «buono» quando eccede l’80%, in processi laddove non è richiesto vapore a perdere.
I principali componenti di un sistema di recupero della condensa sono;

  • Gli scaricatori di condensa (trappole di vapore, condensini,..)
  • Le tubazioni di recupero
  • I serbatoi di recupero e di flash
  • Le pompe
  • I filtri

In un impianto industriale con una rete di vapore molto estesa e molti utilizzatori, il recupero della condensa dipende dai seguenti fattori:

  • Il livello di contaminazioni della stessa
  • Il costo dei componenti attrezzature necessari
  • Il costo della rete di tubazioni per il recupero

Recuperare più condensa possibile porta a ridurre:

  • l’energia richiesta nel degasatore
  • l’acqua di reintegro
  • le sostanze chimiche per il trattamento dell’acqua
  • gli spurghi.