مقدمة عن استرداد المكثفات

مقدمة عن أسباب استرداد المكثفات وإعادتها، بما في ذلك تكاليف الطاقة ورسوم المياه وقيود الصرف وتكاليف معالجة المياه. تتضمن حسابات نموذجية للتوفير المحتمل

مقدمة عن استرداد المكثفات

يُنتَج البخار عادة لأحد سببين:

• لإنتاج الطاقة الكهربائية، على سبيل المثال في محطات الطاقة أو محاصات التوليد المشترك.
• لتوفير الحرارة لأنظمة التدفئة والعمليات. عندما يتكثف كيلوغرام واحد من البخار بالكامل، يتكون كيلوغرام واحد من المكثفات بنفس الضغط ودرجة الحرارة (الشكل 14.1.1). نظام بخار فعال سيُعيد استخدام هذه المكثفات. عدم استرداد وإعادة استخدام المكثفات لا يملك أي منطق مالي أو تقني أو بيئي.

البخار المشبع المستخدم للتدفئة يُطلق حرارة كامنة (حرارة التبخر)، وهي نسبة كبيرة من إجمالي الحرارة التي يحتويها. يتبقى الحرارة في المكثفات كحرارة محسوسة (حرارة الماء) (الشكل 14.1.2).

بالإضافة إلى احتوائه على حرارة، فإن المكثفات هي في الأساس ماء مقطر، وهو مثالي للاستخدام كتغذية غلاية. نظام بخار فعال سيجمع هذه المكثفات ويعيدها إما إلى مزيل الغازات أو إلى خزان تغذية الغلاية أو يستخدمها في عملية أخرى. فقط عندما يكون هناك خطر حقيقي على التلوث يجب ألا تُعاد المكثفات إلى الغلاية. حتى في هذه الحالة، قد يكون من الممكن جمع المكثفات واستخدامها كماء عمليات ساخن أو تمريرها عبر مبادل حراري حيث يمكن استرداد محتواها الحراري قبل تصريف كتلة الماء إلى المصرف.

تُنفَّذ المكثفات من منشأة البخار والمعدات عبر صمامات البخار من ضغط أعلى إلى ضغط أ更低. نتيجة لانخفاض الضغط هذا، ستعاد بعض المكثفات إلى البخار كبخار متسارع. يتحدد نسبة البخار الذي ‘سيتسارع’ بهذه الطريقة من خلال مقدار الحرارة التي يمكن أن تحتفظ بها في البخار والمكثفات. نسبة 10% إلى 15% من البخار المتسارع بالكتلة هي نسبة نموذجية (انظر الوحدة 2.2). ومع ذلك، قد يكون التغير في النسبة الحجمي أكبر بكثير. المكثفات عند 7 بار ضغط مطلق ستفقد حوالي 13% من كتلتها عند التسارع إلى الضغط الجوي، لكن البخار المُنتَج سيتطلب مساحة أكبر بحوالي 200 مرة من المكثفات التي تشكل منها. هذا يمكن أن يُسبب انسداد خطوط تصريف الصمامات الصغيرة، ويجب أخذه في الاعتبار عند تحجيم هذه الخطوط. مثال 14.1.1 حساب كمية البخار المتسارع من المكثفات المكثفات الساخنة عند 7 بار ضغط مطلق لها محتوى حراري يبلغ حوالي 721 كيلوجول/كجم. عند إطلاقها إلى الضغط الجوي (0 بار ضغط مطلق)، يمكن لكل كيلوغرام من الماء الاحتفاظ بحوالي 419 كيلوجول من الحرارة فقط. الطاقة الزائدة في كل كيلوغرام من المكثفات هي 721 - 419 = 302 كيلوجول. هذه الطاقة الزائدة متاحة لتبخر بعض المكثفات إلى بخار، وتحدد كمية البخار المتبخرة من خلال نسبة الحرارة الزائدة إلى كمية الحرارة المطلوبة لتبخر الماء عند الضغط الأخفض، وهي في هذا المثال حرارة التبخر عند الضغط الجوي، 2258 كيلوجول/كجم.

يُناقَش موضوع البخار المتسارع بمزيد من العمق في الوحدة 2.2، ‘ما هو البخار؟’. يُستخدم رسم بياني بسيط (الشكل 14.1.3) في هذه الوحدة لحساب نسبة البخار المتسارع. مثال: نسبة البخار المتسارع باستخدام الشكل 14.1.3: الضغط على الصمام = 4 بار ضغط مطلق ضغط البخار المتسارع = 0 بار ضغط مطلق % البخار المتسارع = 10% كمية البخار المتسارع في الأنبوب هي العامل الأكثر أهمية عند تحجيم خطوط تصريف الصمام.

البخار المُنتَج في الغلاية بإضافة حرارة إلى الماء غالبًا ما يُشار إليه بالبخار الحقيقي. المصطلحات البخار الحقيقي والبخار المتسارع تُستخدم فقط للتمييز بين أصلهما. سواء أُنتِج البخار في غلاية أو من عملية التسارع الطبيعية، فلديها نفس القدرة تمامًا على إطلاق الحرارة، وكلاهما يُستخدم بنجاح لهذا الغرض. يمكن أن يحتوي البخار المتسارع المُنتَج من المكثفات على نصف الطاقة الإجمالية للمكثفات. نظام بخار فعال سيسترد ويستخدم البخار المتسارع. المكثفات والبخار المتسارع المُفرَغان إلى الهدر يعني مزيدًا من ماء التغذية، ومزيدًا من الوقود، وزيادة تكاليف التشغيل.

ستنظر هذه الوحدة في مجالين أساسيين - إدارة المكثفات واسترداد البخار المتسارع. سيتم توضيح بعض مناطق المشكلات الظاهرة واقتراح حلول عملية. ملاحظة: يُستخدم مصطلح ‘صمام’ للإشارة إلى جهاز صمام البخار، الذي يمكن أن يكون صمام بخار أو مضخة-صمام أو مزيج من مضخة وصمام. يعتمد قدرة أي صمام على تمرير المكثفات على فرق الضغط عبره، بينما المضخة-صمام أو مزيج المضخة والصمام سيتمكنان من تمرير المكثفات بغض النظر عن فروقات الضغط التشغيلية (وفقًا لتصنيفات الضغط التصميمية).

إرجاع المكثفات

نظام استرداد مكثفات فعال، يجمع المكثفات الساخنة من معدات استخدام البخار ويعيدها إلى نظام تغذية الغلاية، يمكن أن يسد تكلفته في فترة قصيرة بشكل ملحوظ. يُظهر الشكل 14.1.4 دورة بخار ومكثفات بسيطة، مع إرجاع المكثفات إلى خزان تغذية الغلاية.

لماذا إرجاع المكثفات وإعادة استخدامها؟

أسباب مالية المكثفات مورد قيم وحتى استرداد كميات صغيرة غالبًا ما يكون مبررًا اقتصاديًا. التصريف من صمام بخار واحد غالبًا ما يستحق الاسترداد. المكثفات غير المُسترَدة يجب استبدالها في بيت الغلاية بماء تغذية بارد مع تكاليف إضافية لمعالجة المياه والوقود لتسخين الماء من درجة حرارة أقل. رسوم المياه أي مكثفات غير مُعادة تحتاج إلى استبدال بماء تغذية، مما يُسبب رسوم مياه إضافية من مورد المياه المحلي. قيود الصرف في المملكة المتحدة على سبيل المثال، لا يمكن إعادة الماء الذي يزيد عن 43 درجة مئوية إلى المجاري العامة بموجب القانون، لأنه ضار بالبيئة وقد يُتلف الأنابيب الفخارية. المكثفات فوق هذه درجة الحرارة يجب تبريدها قبل تصريفها، مما قد يُسبب تكاليف طاقة إضافية. قيود مماثلة تنطبق في معظم البلدان، وقد تفرض موردو المياه رسوم صغرى وغرامات على عدم الامتثال. تعظيم إنتاج الغلاية مياه التغذية الباردة للغلاية ستُقلل من معدل تبخر الغلاية. كلما انخفضت درجة حرارة ماء التغذية، زادت الحرارة المطلوبة، وبالتالي الوقود اللازم لتسخين الماء، مما يترك حرارة أقل لإنتاج البخار. جودة ماء تغذية الغلاية المكثفات ماء مقطر يحتوي على القليل جدًا من المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS). تحتاج الغلايات إلى النفخ لتقليل تركيز المواد الذائبة في ماء الغلاية. إعادة المزيد من المكثفات إلى خزان التغذية تقلل الحاجة إلى النفخ وبالتالي تقلل الطاقة المفقودة من الغلاية. لماذا إرجاع المكثفات وإعادة استخدامها؟

• ملخص أسباب استرداد المكثفات:
• تُقلَّل رسوم المياه.
• تُقلَّل رسوم الصرف وتكاليف التبريد المحتملة.
• تُقلَّل تكاليف الوقود.
• يمكن إنتاج المزيد من البخار من الغلاية.
• يُقلَّل نفخ الغلاية - تُفقد طاقة أقل من الغلاية.
• تُقلَّل المعالجة الكيميائية لماء التغذية الخام. يُقارن الشكل 14.1.5 بين كمية الطاقة في كيلوغرام واحد من البخار والمكثفات عند نفس الضغط. نسبة الطاقة في المكثفات إلى البخار تتراوح من 18% عند 1 بار ضغط مطلق إلى 30% عند 14 بار ضغط مطلق؛ من الواضح أن المكثفات السائلة تستحق الاسترداد.

يُوضَّح المثال التالي (مثال 14.1.2) القيمة المالية لإرجاع المكثفات. مثال 14.1.2 تُنتج غلاية: 10000 كجم/ساعة من البخار 24 ساعة/يوم، 7 أيام/أسبوع و50 أسبوعًا/سنة (8400 ساعة/سنة). ماء التغذية الخام عند 10 درجات مئوية. حاليًا تُفرَغ جميع المكثفات إلى الهدر عند 90 درجة مئوية. تكلفة الماء الخام 0.61 جنيه إسترليني/م3، وتكاليف الصرف 0.45 جنيه إسترليني/م3 الغلاية بكفاءة 85%، وتستخدم الغاز بتعريفة قابلة للانقطاع تُشحن بـ 0.01 جنيه إسترليني/كيلوواط ساعة (2.77 جنيه إسترليني/جيجاجول). البخار المُنتَج في الغلاية بإضافة حرارة إلى الماء غالبًا ما يُشار إليه بالبخار الحقيقي. المصطلحات البخار الحقيقي والبخار المتسارع تُستخدم فقط للتمييز بين أصلهما. سواء أُنتِج البخار في غلاية أو من عملية التسارع الطبيعية، فلديها نفس القدرة تمامًا على إطلاق الحرارة، وكلاهما يُستخدم بنجاح لهذا الغرض. يمكن أن يحتوي البخار المتسارع المُنتَج من المكثفات على نصف الطاقة الإجمالية للمكثفات. نظام بخار فعال سيسترد ويستخدم البخار المتسارع. المكثفات والبخار المتسارع المُفرَغان إلى الهدر يعني مزيدًا من ماء التغذية، ومزيدًا من الوقود، وزيادة تكاليف التشغيل. ستنظر هذه الوحدة في مجالين أساسيين - إدارة المكثفات واسترداد البخار المتسارع. سيتم توضيح بعض مناطق المشكلات الظاهرة واقتراح حلول عملية. ملاحظة: يُستخدم مصطلح ‘صمام’ للإشارة إلى جهاز صمام البخار، الذي يمكن أن يكون صمام بخار أو مضخة-صمام أو مزيج من مضخة وصمام. يعتمد قدرة أي صمام على تمرير المكثفات على فرق الضغط عبره، بينما المضخة-صمام أو مزيج المضخة والصمام سيتمكنان من تمرير المكثفات بغض النظر عن فروقات الضغط التشغيلية (وفقًا لتصنيفات الضغط التصميمية). إرجاع المكثفات نظام استرداد مكثفات فعال، يجمع المكثفات الساخنة من معدات استخدام البخار ويعيدها إلى نظام تغذية الغلاية، يمكن أن يسد تكلفته في فترة قصيرة بشكل ملحوظ. يُظهر الشكل 14.1.4 دورة بخار ومكثفات بسيطة، مع إرجاع المكثفات إلى خزان تغذية الغلاية.

تحديد القيمة السنوية لإرجاع المكثفات

الجزء 1 - تحديد تكلفة الوقود كل كيلوغرام من المكثفات غير المُعادة إلى خزان تغذية الغلاية يجب استبداله بـ 1 كجم من ماء التغذية البارد (10 درجات مئوية) الذي يجب تسخينه إلى درجة حرارة المكثفات البالغة 90 درجة مئوية. (ΔT = 80 درجة مئوية). احسب الحرارة المطلوبة لزيادة درجة حرارة 1 كجم من ماء التغذية البارد بمقدار 80 درجة مئوية، باستخدام المعادلة 2.1.4.

m هو الوحدة؛ ΔT هو الفرق بين ماء التغذية البارد ودرجة حرارة المكثفات المُعادة؛ cp هو الحرارة النوعية للماء عند 4.19 كيلوجول/كجم درجة مئوية. 1 كجم x 4.19 كيلوجول/كجم درجة مئوية x 80 درجة مئوية = 335 كيلوجول/كجم بناءً على الحسابات بمتوسط معدل تبخر 10000 كجم/ساعة، لمنشأة تعمل 8400 ساعة/سنة، الطاقة المطلوبة لاستبدال الحرارة في ماء التغذية هي: 10000 كجم/ساعة x 335 كيلوجول/كجم x 8400 ساعة/سنة = 28140 جيجاجول/سنة إذا كانت متوسط كفاءة الغلاية 85%، فإن الطاقة المُمَدَّدة لتسخين ماء التغذية هي:

بتكلفة وقود 2.77 جنيه إسترليني/جيجاجول، تكون قيمة الطاقة في المكثفات:

التكلفة السنوية للوقود = 33106 جيجاجول/سنة x 2.77 جنيه إسترليني/جيجاجول = 91704 جنيه إسترليني الجزء 2 - تحديد تكلفة المياه يُباع الماء بالحجم، وكثافة الماء عند درجة حرارة الغرفة العادية حوالي 1000 كجم/م3. الكمية الإجمالية للماء المطلوبة في سنة واحدة لاستبدال المكثفات غير المُعادة هي:

إذا كانت تكلفة الماء 0.61 جنيه إسترليني للمتر المكعب، فإن التكلفة السنوية للمياه هي:

التكلفة السنوية للمياه = 84000 م3/سنة x 0.61 جنيه إسترليني/م3 = 51240 جنيه إسترليني الجزء 3 - تحديد تكلفة الصرف المكثفات التي لم تُسترد يجب تصريفها إلى الهدر، وقد تُشحن أيضًا من هيئة المياه. الكمية الإجمالية للماء الهدر في سنة واحدة تساوي أيضًا 84000 م3 إذا كانت تكلفة الصرف 0.45 جنيه إسترليني للمتر المكعب، فإن التكلفة السنوية للصرف هي: التكلفة السنوية للصرف = 84000 م3/سنة x 0.45 جنيه إسترليني/م3 = 37800 جنيه إسترليني الجزء 4 - القيمة الإجمالية للمكثفات القيمة السنوية الإجمالية لـ 10000 كجم/ساعة من المكثفات المفقودة إلى الهدر موضحة في الجدول 14.1.1:

الجدول 14.1.1 القيمة المحتملة لإرجاع المكثفات في المثال 14.1.2

على هذا الأساس، يتبين أنه لكل 1% من المكثفات المُعادة لكل 10000 كجم/ساعة متبخرة كما في المثال 14.1.2، سيكون توفير 1% من كل من القيم الموضحة في الجدول 14.1.1 ممكنًا. مثال 14.1.3 إذا تقرر استثمار 50000 جنيه إسترليني في مشروع لإعادة 80% من المكثفات في منشأة مشابهة للمثال 14.1.2، لكن إجمالي معدل التبخر كان 5000 كجم/ساعة فقط، فإن التوفير وفترة الاسترداد البسيطة ستكون:

هذا الحساب النموذجي لا يتضمن قيمة للتوفير الناتج عن التحكم الصحيح في TDS ونفخ مُقلَّل، الذي سيخفض مزيدًا من خسائر المياه وتكاليف كيمياء الغلاية. يمكن أن تتنوع هذه بشكل كبير من موقع لآخر، لكن يجب دائمًا أخذها في الاعتبار في التحليل النهائي. من الواضح أنه عند تقييم إدارة المكثفات لمشروع محدد، يجب تحديد مثل هذا التوفير وتضمينه.

تمت مناقشة التحكم في TDS ومعالجة المياه بالفعل في الكتلة 3. يمكن تطوير الروتين الموضح في الأمثلة 14.1.2 و14.1.3 لتشكيل أساس لحساب مسار مُجبر لتعيين قيمة نقدية للمشاريع المخصصة لتحسين استرداد المكثفات. يمكن استخدام المعادلة 14.1.1 لحساب توفير الوقود سنويًا:

يمكن تحديد توفير تكاليف المياه باستخدام المعادلة 14.1.2:

يمكن تحديد توفير تكاليف الصرف باستخدام المعادلة 14.1.3:

مثال 14.1.4 مشروع إدارة مكثفات كبير تكلفته 70000 جنيه إسترليني يُتوقع أن يسترد إضافي 35% من المكثفات المُنتَجة في منشأة. متوسط معدل تبخر الغلاية 15000 كجم/ساعة، وتعمل المنشأة 8000 ساعة/سنة. الوقود المستخدم هو الغاز بتعريفة ثابتة 0.011 جنيه إسترليني/كيلوواط ساعة، وكفاءة الغلاية مقدرة بـ 80%. درجة حرارة ماء التغذية 10 درجات مئوية وخطوط إرجاع المكثفات المعزولة تضمن وصول المكثفات إلى بيت الغلاية عند 95 درجة مئوية. ضع في اعتبارك تكلفة الماء 0.70 جنيه إسترليني/م3 وتكاليف الصرف الإجمالية 0.45 جنيه إسترليني/م3. حدد فترة الاسترداد للمشروع. الجزء 1 - تحديد توفير الوقود استخدم المعادلة 14.1.1:

الجزء 2 - تحديد توفير المياه والصرف

استخدم المعادلة 14.1.2 لحساب توفير تكاليف المياه/السنة:

الجزء 3 - تحديد فترة الاسترداد