Relazione specialistica

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1 Relazione specialistica Dipl.-Ing. Hardy Ernst Dipl.-Wirtschaftsing. (FH), Dipl.-Informationswirt (FH) Markus Tuffner, Bosch Industriekessel GmbH Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore Il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni non sono soltanto visioni dei nostri politici, ma, già da un punto di vista di interesse personale, sono gli obbiettivi di chi gestisce una caldaia. Con i moderni impianti per la produzione di energia e gli efficaci dispositivi di recupero del calore di scarto, le perdite si riducono al minimo. Troppo spesso, però, non vengono presi in considerazione gli effetti di influenza dinamici. Nel presente articolo si parlerà della riduzione dei costi di investimento e di esercizio per un generatore di vapore e di calore per il settore industriale e municipale fino ad una potenza di 55 t / h o 38 MW /unità. Programma di riscaldamento invece di una grande caldaia L attenta rilevazione della quantità di calore /vapore costituisce il fondamento di una qualsiasi ottimizzazione. Unità che vengono dimensionate con elevata potenza per coprire rari momenti di picco di avviamento? nelle fasi con carico leggero lavorano spesso in modo antieconomico e inquinante a causa delle frequenti disattivazioni /attivazioni dell impianto di combustione. Grazie ai programmi di riscaldamento e di avvio controllati in base al consumo, attraverso i quali si differenzia dal punto di vista dell orario tra utenze con diverse priorità, è possibile dimensionare il generatore di calore con una potenza inferiore. Allo stesso tempo viene anche ampliato il campo di regolazione per un avviamento economico delle fasi a carico leggero. La separazione del vapore di produzione e del riscaldamento dell edificio riduce i costi d esercizio L utenza di calore con il massimo livello di temperatura /pressione è determinante per la pressione di progetto del generatore di calore. Con l aumento della pressione di progetto crescono i costi dell intero impianto. Quindi, nella maggior parte dei casi è antieconomico se con l impianto di generazione di alta pressione e vapore orientato alla produzione si copre anche il fabbisogno di riscaldamento dell edificio. Il basso livello di temperatura e il fabbisogno di calore per riscaldamento al di fuori degli orari di produzione giustificano una produzione di calore separata.

2 2 Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore In aggiunta vi sono possibili risparmi sui costi attraverso il monitoraggio e la sorveglianza per impianti con una temperatura massima di 110 C. In queste circostanze ha persino senso assegnare un proprio generatore di vapore ad una singola utenza con una pressione estremamente elevata e una quantità di calore proporzionalmente inferiore. Un carico estremamente piccolo richiede la suddivisione dell interno impianto Oltre alla sicurezza dell approvvigionamento, il divario tra il consumo minimo e massimo di calore è la ragione che porta a suddividere l intero impianto in diverse unità. Il fabbisogno di potenza minimo coincide spesso con il carico minimo di un unità, quindi ha senso una suddivisione della potenza adattata al carico leggero. In questo modo si evitano attivazioni e disattivazioni dell impianto di combustione che causano perdite e sono inquinanti, oltre a portare ad un usura anticipata dei componenti. Con impianti di grandi dimensioni il numero di unità è determinato dai limiti di potenza del generatore di calore. La suddivisione ottimale sarebbe in unità delle stesse dimensioni costruttive. Un ridotto numero di pezzi di ricambio e l intercambiabilità dei componenti sono ragioni sufficienti. Soltanto se con l unità più piccola così trovata non è possibile un esercizio economico con il carico minimo si dovrebbe ricorrere ad una unità a carico piccolo adattata. Per elevate esigenze di potenza le caldaie a doppio tubo focolare sono più economiche. La potenza di una caldaia a tubo focolare singolo è limitata a causa di possibilità e disposizioni costruttive. Bosch Industriekessel costruisce caldaie con tubo focolare singolo fino a potenze di circa 19 MW o 28 t /h. Per potenze complessive che non possono essere coperte con una singola caldaia è spesso più economico l impiego di una caldaia a doppio tubo focolare rispetto all uso di diverse caldaie con tubo focolare singolo. Motivi sufficienti per fare così sono le minori spese di installazione, manutenzione e verifica. Caldaia con doppio tubo focolare per il funzionamento singolo di entrambe gli impianti di combustione Dalla maggior parte delle centrali di approvvigionamento di calore viene richiesto un adattamento dinamico del carico in caso di forti oscillazioni di consumo. Per questa ragione si dovrebbero utilizzare caldaie a doppio tubo focolare che siano idonee e certificate per il funzionamento illimitato con bruciatore singolo. Queste caldaie a doppio tubo focolare non sono solo dotate di doppio camino, ma sono costruite in modo speciale anche per il caso di carico con funzionamento a tubo focolare singolo. Gli impianti di combustione sono completamente autonomi e possono essere azionati singolarmente o in parallelo. Tramite l attivazione e la disattivazione automatica del bruciatore in base al fabbisogno di calore con circuito sequenziale, per ogni unità caldaia è disponibile un campo di regolazione dal carico minimo di un bruciatore fino al carico massimo di entrambe i bruciatori in automatico. In questo modo il campo di regolazione modulante si raddoppia e la frequenza di attivazione del bruciatore a carico leggero si dimezza. L alimentazione combustibile continua attraverso un grande campo di regolazione garantisce un processo di trasferimento del calore ininterrotto e una circolazione dinamica dell acqua della caldaia. In caso di anomalie ad un impianto di combustione rimane sempre a disposizione un 50 % della potenza della caldaia (Figura 1). Una combinazione ottimale caldaia / bruciatore aumenta i vantaggi del cliente a costo 0 Per un determinato fabbisogno di calore il produttore di caldaie orientato verso i clienti offre diverse combinazioni di caldaia / bruciatore. Per trovare la combinazione caldaia /bruciatore con i maggiori vantaggi per il cliente è necessaria una ricerca delle alternative. Nella tabella 1 sono messi a confronto due tipi di caldaia per un fabbisogno di calore di kw, 90 / 70 C, riscaldate a metano. Con l impiego dei tipi di caldaia più grandi UT-L 16 con una prestazione massima di kw di potenza calorifica vi sono maggiori benefici per i clienti, grazie ai seguenti vantaggi: impiego di un bruciatore più piccolo potenza allacciata inferiore del motore bruciatore maggiore campo di regolazione del bruciatore ridotta frequenza di attivazione del bruciatore a carico leggero maggiore grado di rendimento della caldaia consumo di combustibile ridotto minori emissioni di inquinanti (NO x ) nel gas di scarico minori costi di investimento, perché il maggiore costo della caldaia è compensato dal minore costo del bruciatore Figura 1: caldaia a tre passaggi a tubi di fumo con doppio tubo focolare con condotti del gas di scarico separati per il funzionamento singolo del bruciatore e economiser integrato per il riscaldamento dell acqua di alimentazione.

3 Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore 3 Tabella 1: raffronto tra due combinazioni di caldaia/bruciatore Combinazione di caldaia ad acqua riscaldata / bruciatore A B Tipo caldaia UT-L Potenza nominale kw Prestazione massima kw Prestazione massima mbar 7,5 5 Tipo di bruciatore necessario G 9 20 Motore del bruciatore kw 6,5 3 Campo di regolazione del bruciatore 1 : 3,9 1 : 5,6 Rendimento caldaia % 91,14 92,37 Quantità di combustibile m³/h Carico focolare spec. MW/m³ 1,77 1,08 Contenuto di NO x nei gas di scarico mg/m³ Costi di investimento Caldaia + bruciatore a gas % ,2 La scelta dei tipi di caldaia più grandi non sempre consente l impiego di un bruciatore più piccolo. Per questo conviene valutare anche le possibilità di una riduzione della potenza calorifica, in particolare con la suddivisione della potenza complessiva di impianti su più caldaie in diverse unità. Grafico 1: ottimizzazione del rendimento raggiungibile attraverso lo scambiatore di calore per il funzionamento a secco t A Coefficiente di efficienza (%) Aumento del coefficiente di efficienza 5 7 % Temperatura del gas combusto ( C) t A ECO III ECO II ECO I Senza ECO III ECO II ECO I Senza Carico %

4 4 Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore Con gli scambiatori di calore si guadagna denaro L impiego di uno scambiatore di calore offre possibilità ideali per il risparmio energetico e il rispetto dell ambiente. Scambiatore di calore per un funzionamento a secco I generatori di vapore sono generalmente alimentati con acqua di alimentazione degasata con temperature di circa 103 C. La temperatura del gas di scarico sull uscita della caldaia si regola in base alla temperatura dell acqua della caldaia e del relativo carico caldaia. Per l ottimizzazione della prestazioni il calore del gas di scarico viene condotto nell acqua di alimentazione attraverso un economiser nel flusso del gas di scarico. Con le caldaie a vapore UNIVERSAL UL-S (sistema a tubo focolare singolo fino a 28 t /h) e ZFR (sistema a doppio tubo focolare fino a 55 t /h) con scambiatore di calore integrato l economiser è integrato nella camera a fumo ed è preinstallato pronto per essere collegato, ammesso che le dimensioni per il trasporto lo consentano. Quindi non è necessaria una fondazione supplementare e non serve nemmeno un montaggio sul posto. Per eventuali modifiche lo scambiatore di calore ECO Stand Alone può essere installato e collegato direttamente dietro la caldaia. Il tipo di funzionamento a secco è ideale per olio combustibile e metano, anche in combinazione con camini sensibili all umidità. Il superamento del punto di condensazione si può evitare tramite un dispositivo di regolazione della temperatura del gas di scarico. L economiser con carcassa, canali del gas di scarico ed eventualmente il silenziatore del gas di scarico possono essere realizzati in acciaio. Con gli economiser per il funzionamento a secco è possibile raggiungere gradi di rendimento della caldaia oltre il 95 % (Grafico 1). I boiler ad alta pressione per i sistemi di processo o riscaldamento remoto sono azionati generalmente con temperature di ricircolo del sistema superiori a 100 C, quindi è possibile utilizzare eventualmente uno scambiatore di calore per il funzionamento a secco. Facendo ciò viene generalmente condotto un flusso parziale dal ritorno attraverso lo scambiatore di calore per gas di scarico. I sistemi eco per il boiler ad alta pressione per la nuova caldaia sono integrati nella camera a fumo e per eventuali modifiche successive sono disponibili con installazione direttamente dietro la caldaia. Come dotazione opzionale possono disporre nell ECO e /o nel camino di un accessorio per la regolazione della temperatura sul lato acqua e /o gas di scarico per evitare il superamento del punto di condensazione. Il boiler per il riscaldamento diretto dell edificio viene azionato con il livello di temperatura più basso possibile. In base alla temperatura di ingresso /uscita della caldaia e al loro divario si ottengono le temperature medie dell acqua della caldaia, comprese tra C. Con caldaie che lavorano in modo economico sull uscita della caldaia si possono raggiungere temperature comprese tra C a pieno carico e tra C a carico piccolo. Le caldaie di riscaldamento per edifici vengono utilizzate alla massima potenza soltanto per qualche giorno all anno. Le massime ore di esercizio annuali rientrano nel campo di carico medio e basso. I gradi di rendimento della caldaia raggiungibili in questi campi a carico parziale arrivano già al %. Uno scambiatore di calore installato a valle per il funzionamento a secco riduce le temperature del gas di scarico fino a 75 C e garantisce un ulteriore aumento del grado di rendimento fino al 98 %. Scambiatore di calore per un funzionamento a umido I generatori di calore riscaldati a metano producono gas di scarico senza fuliggine e zolfo. Intanto è disponibile anche il combustibile a basso contenuto di zolfo rappresentato dall olio leggero (contenuto di zolfo max. 50ppm = 0,005 della percentuale del peso) che ha una combustione priva di residui simile al metano. Con questi fumi di scarico è possibile inoltre utilizzare il calore della condensazione come potenza di riscaldamento. Figura 2: Generatore di vapore con funzionamento a due livelli Economiser / condensatore gas di scarico; Risparmio di combustibile fino al 15% Economiser: preriscaldatore acqua di alimentazione caldaia per il tipo di funzionamento a secco. Condensatore gas di scarico: preriscaldatore acqua industriale / di reintegro per il tipo di funzionamento a umido. Moduli pompe di alimentazione Variante A Variante B Camino Condensatore gas di scarico Modulo condizionamento acqua Vapore Neutralizzazione della condensa Economiser Moduli pompe per il trasporto al dispositivo di scarico-detriti Caldaia a vapore Acqua di reintegro Acqua fredda

5 Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore 5 Con i generatori di calore industriali, dopo l economiser per il funzionamento a secco per il riscaldamento dell acqua di alimentazione viene utilizzato un secondo scambiatore di calore in acciaio inox come condensatore dei fumi di scarico. Tutte le vie di scarico successive sono realizzate in acciaio inox e sono dotate di tubazioni di condensa resistenti alla corrosione. Un requisito per l impiego di una condensazione dei fumi di scarico è costituito da utenze con temperature basse. Esempio: con funzionamenti ad elevata produzione di acqua calda con utenze di vapore dirette, senza ritorno di condensa, l acqua di reintegro preparata chimicamente può essere riscaldata e /o si può produrre o preriscaldare acqua industriale (Figura 2). Per boiler ad alta pressione non si può utilizzare la condensa dei fumi di scarico, perché le temperature di ricircolo della rete sono nettamente al di sopra del punto di rugiada. Per l ottimizzazione delle prestazioni i boiler con riscaldamento a metano o riscaldamento a olio leggero a basso contenuto di zolfo possono essere eventualmente dotati di scambiatori di calore per gas di scarico per il funzionamento a umido (Figura 3). I circuiti di riscaldamento a bassa temperatura sono realizzati con scambiatori di calore in acciaio inox e provocano la condensa dei fumi di scarico. Il grado di rendimento della caldaia può essere aumentato in base alla temperatura di ricircolo fino a oltre il 105 %, in riferimento al valore inferiore di riscaldamento del combustibile (Grafico 2). Con un riscaldamento selezionabile con impianto di combustione a gas /olio lo scambiatore di calore viene dotato di bypass e valvola di regolazione su lato gas di scarico per bypassare lo scambiatore di calore in caso di olio combustibile contenente zolfo. Smaltimento della condensa Misurato con il valore del ph come grado di acidità per liquidi, la condensazione del gas di scarico prodotta dalla combustione del metano ha un valore compreso tra 2,8 e 4,9, mentre quella prodotta dalla combustione di olio leggero ha un valore del ph tra 1,8 e 3,7. Le temperature della condensa sono comprese tra 25 e 55 C. Per la neutralizzazione per gli impianti piccoli è utilizzato un filtro a dolomite rinnovabile, mentre per gli impianti grandi si utilizza un serbatoio con dispositivi di dosaggio per la soluzione di soda caustica. Con la scelta e il dimensionamento corretti del dispositivo di neutralizzazione è possibile rispettare i valori ammessi per l immissione nelle reti fognarie pubbliche. L immissione deve essere autorizzata dalle autorità competenti. Impianti multicaldaia con circuito sequenziale ottimizzante Il concetto dell impianto multicaldaia offre possibilità per migliorare il rendimento complessivo e per l ottimizzazione delle prestazioni. Viene preso come esempio un impianto multicaldaia per il riscaldamento di edifici. Rispetto ad un impianto a una caldaia sono necessari requisiti più elevati per il circuito idraulico e la tecnica di regolazione. Regolazione del circuito di riscaldamento Con la massima sicurezza di approvvigionamento le utenze richiedono il miglior adattamento possibile ai diversi fabbisogni di calore. Le quantità di calore oscillanti sono approntate al meglio con flussi di volume costanti e temperature variabili. Per questo negli impianti di riscaldamento sono utilizzati miscelatori a tre vie per l immissione di acqua di ricircolo nella mandata. La regolazione della temperatura di mandata del circuito di riscaldamento in funzione delle condizioni atmosferiche agisce sulle unità di comando del miscelatore a tre vie e alimenta l utenza con la temperatura media di riscaldamento richiesta proprio per una quantità di calore sufficiente. Figura 3: caldaia ad acqua surriscaldata a tubi di fumo con singolo tubo focolare, con principio a tre passaggi con scambiatore di calore

6 6 Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore Grafico 2: curve del grado di rendimento per la caldaia ad acqua surriscaldata UNIMAT con mandata / ritorno caldaia 70 / 50 C 108 Campo di carico con le massime ore di esercizio annuali Unità di regolazione del circuito caldaia La caldaia ad acqua surriscaldata richiede come priorità la conservazione della temperatura minima di ricircolo per evitare superamenti del punto di rugiada. Per questo nei circuiti idraulici della caldaia sono utilizzati per esempio i miscelatori a tre vie per l immissione dell acqua di mandata nel ritorno (mantenimento della temperatura di ritorno). La quantità di calore da produrre da parte di una o più caldaie ad acqua surriscaldata viene aumentata o ridotta in base alla temperatura esterna, alla temperatura di mandata del sistema e al divario tra temperatura di mandata e di ritorno del sistema. Grado di rendimento della caldaia riferito a (H u ) % Se la quantità di calore della caldaia guida non è sufficiente, sono attivate in successione la pompa di circolazione caldaia e il bruciatore della caldaia a valle. La caldaia a valle viene innanzitutto riscaldata alla temperatura minima di ritorno nel circuito caldaia. Successivamente avviene il rilascio di calore nella mandata del sistema attraverso il miscelatore a tre vie (Figura 4). In caso di abbassamento del fabbisogno di calore avviene la riduzione della potenza del bruciatore. Per evitare attivazioni frequenti, l attivazione e la disattivazione del bruciatore sono ritardate (livelli). Portate Con il sistema idraulico di questo impianto multicaldaia attraverso le unità di regolazione del circuito caldaia si ottiene una portata primaria e attraverso le regolazioni del circuito di riscaldamento una portata secondaria che sono diverse tra loro e che si influenzano a vicenda. Tramite un lato primario e secondario rigido attivato in serie è possibile, ad esempio attraverso l afflusso del miscelatore del circuito di riscaldamento, portare a zero la portata primaria, in modo che non sia soddisfatta la richiesta di una portata minima per la caldaia ad acqua surriscaldata e un alimentazione continua del sensore di mandata per la serie di caldaie Rendimento globale normalizzato 95,9 % Carico caldaia % 1 caldaia senza scambiatore di calore 2 Caldaia con scambiatore di calore per un funzionamento a secco 3 Caldaia con scambiatore di calore per funzionamento a condensazione 3.1 Temperatura ingresso acqua 50 C 3.2 Temperatura ingresso acqua 40 C 3.3 Temperatura ingresso acqua 30 C 1 Compensatore idraulico Una soluzione assolutamente affidabile per questo problema è costituita dall impiego di un compensatore idraulico. In questo modo le portate del lato primario e secondario vengono perfettamente separate a livello idraulico, escludendo così un influenza reciproca. Con l assegnazione dell intera sonda di mandata sull uscita secondaria si garantisce un alimentazione alla sonda con la prima richiesta di calore. Le caldaie non in funzione vengono bloccate idraulicamente in base al regolamento dell impianto di riscaldamento. Ogni caldaia è alimentata con una portata approssimativamente costante. Le pompe di circolazione caldaia devono essere suddivise in base alla produzione nominale della caldaia ad acqua riscaldata. Lo scarico complessivo deve essere almeno di 1,1 volte, al massimo di 1,5 volte rispetto alla portata complessiva del circuito di riscaldamento. Regolazione Un funzionamento sicuro e la possibilità di ottimizzazione di un impianto multicaldaia richiedono l impiego di un potente sistema di regolazione. Oltre a soddisfare i compiti di regolazione per un perfetto funzionamento, si deve poter ottenere un basso consumo energetico con il minimo impatto ambientale. Il sistema di regolazione deve essere nella condizione di portare l impianto caldaia nel circuito sequenziale indipendentemente dalle condizioni atmosferiche (regolato sulla temperatura di mandata di rete o regolazione in base alla quantità di calore). Il controllo della caldaia ad acqua riscaldata, la regolazione e l attivazione e disattivazione del bruciatore e delle pompe di circolazione caldaia comprende la rispettiva unità di regolazione del circuito caldaia. Attraverso un sistema bus comune avviene il continuo scambio di dati dei singoli comandi caldaia BOILER CONTROL (BCO) per il sistema di gestione principale SYSTEM CONTROL (SCO), in modo che l impianto sia azionato automaticamente con la richiesta più elevata.

7 Basi di progettazione per una generazione ottimale di vapore e calore 7 Figura 4: impianto con caldaia ad acqua surriscaldata in funzione delle condizioni meteo con compensatore idraulico 1 2 SCO HW BCO BCO Temperatura esterna 2 Temperatura di afflusso di rete per il comando della serie di caldaie 3 Teleservice 4 Sistema di controllo centralizzato 5 Protezione temperatura di ritorno 6 Temperatura di mandata 7 Temperatura di ritorno 8 ECO/Temperatura di ingresso 9 Regolazione della potenza 10 Mantenimento della temperatura 11 ECO/Regolazione della temperatura di ingresso 12 Mandata 13 Ritorno Riassunto L ottimizzazione delle prestazioni comincia con un preciso rilevamento dei parametri di rendimento, quali la quantità di calore, la pressione e la temperatura. Sono importanti il fabbisogno massimo e il carico leggero. Per questo avviene un adeguata suddivisione in diverse unità caldaia con potenza adattata. Va definita la questione della separazione di calore per la produzione e per il riscaldamento. Con potenze elevate l impiego di caldaie con tubi da fumo con doppio tubo focolare offre vantaggi di ottimizzazione per il funzionamento singolo di entrambe gli impianti di combustione. La caldaia e il bruciatore vanno considerate unità funzionali separate, affinché il produttore della caldaia possa determinare una combinazione caldaia/bruciatore ottimale per le proprie esigenze. A seconda del combustibile disponibile è possibile utilizzare diversi sistemi di recupero del calore dei fumi di scarico. La migliore ottimizzazione della potenza si ottiene con lo sfruttamento della condensa dei fumi di scarico. Gli impianti multicaldaia, grazie all impiego di comandi a memoria programmabile, offrono versatili possibilità per l ottimizzazione del rendimento. Le caldaie ad acqua surriscaldata possono essere sfruttate al meglio in base alle condizioni atmosferiche se è stato selezionato il circuito idraulico corrispondente. Il progettista dell impianto ha diverse possibilità a disposizione per realizzare impianti per la produzione di calore con rendimento ottimizzato. Si dovrebbero fare considerazioni dettagliate soppesando le alternative sul piano energetico e dei materiali.

8 Impianti di produzione: Stabilimento di produzione 1 Gunzenhausen Bosch Industriekessel GmbH Nürnberger Straße Gunzenhausen Germania Stabilimento di produzione 2 Schlungenhof Bosch Industriekessel GmbH Ansbacher Straße Gunzenhausen Germania Stabilimento di produzione 3 Bischofshofen Bosch Industriekessel Austria GmbH Haldenweg Bischofshofen Austria Bosch Industriekessel GmbH Figure solo a titolo di esempio Con riserva di modifiche 04/2013 TT/SLI_it_FB-Planungsgrundsätze_02