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
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.
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
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:
- 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.
- 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.
- 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.