IL RISPARMIO DI ENERGIA CON I SISTEMI DI CONTROLLO COMBUSTIONE O 2. eco

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1 IL RISPARMIO DI ENERGIA CON I SISTEMI DI CONTROLLO COMBUSTIONE O 2 eco

2 IL RISPARMIO DI ENERGIA CON I SISTEMI DI CONTROLLO COMBUSTIONE O 2 eco controllo O2 L IMPORTANZA DI OTTIMIZZARE LA COMBUSTIONE PLUS CONTROLLO O 2 ELEVATI RENDIMENTI DI COMBUSTIONE PRESTAZIONI COSTANTI NEL TEMPO VELOCE AMMORTAMENTO DEL CONTROLLO O 2 RIDUZIONE DEI TEMPI DI MANUTENZIONE DEL GENERATORE DI CALORE Controllare continuamente il contenuto di ossigeno nello scarico dei fumi (camino) di una caldaia, comporta reali risparmi di combustibile perché consente al bruciatore di funzionare, su tutto il campo di lavoro, con un eccesso d aria minimo. Si contiene quindi il fabbisogno energetico senza rinunciare alle prestazioni, migliora l efficienza di tutto il sistema combustione, si ottiene una riduzione delle emissioni e una diminuzione dei costi generali di esercizio. Pensando ad una applicazione industriale, dove il costo dell energia è fondamentale, è evidente quanto il risparmio energetico possa incidere sensibilmente sul costo del prodotto finale. 2 Bruciatore mod. GI 510 ME CO V Funzionamento a gas metano Installato su caldaia ad acqua calda da 5 MW

3 UNO SPRECO DI ENERGIA Se le condizioni ambientali fossero costanti, potremmo regolare il bruciatore con un eccesso d aria minimo senza alcun problema ed essere certi di mantenerli nel tempo. Nella realtà, i valori di combustione tarati dal tecnico in fase di accensione non rimangono costanti per lunghi periodi a causa dell effetto dei fattori ambientali che, influenzano nel tempo la composizione della miscela combustibile/aria, peggiorando l efficienza del sistema combustione. controllo O 2 Ma quali sono questi fattori di disturbo della combustione? Per quanto riguarda il lato aria comburente, l eccesso d aria cambia se cambia la temperatura, la pressione, la contropressione nel focolare o il tiraggio al camino. Per quanto riguarda il combustibile, nel tempo possiamo avere variazioni di potere calorifico, temperatura, pressione, viscosità, densità o anche variazioni di portata dovute, ad esempio, allo sporcamento dei filtri. Anche dal punto di vista meccanico, le isteresi meccaniche (giochi), creano inevitabilmente variazioni di regolazione della combustione. Come si compensano i fattori di disturbo della combustione? Aumentando l eccesso d aria...che si traduce in una diminuzione del rendimento di combustione! Un bravo tecnico si accontenta di un 10-15% di eccesso di portata d aria di sicurezza, per compensare i sopracitati fattori di disturbo sempre presenti negli impianti, ma è pratica comune fornire eccessi d aria decisamente più abbondanti proprio per essere sicuri di non avere problemi di combustione durante la stagione invernale. Questa massa d aria riscaldata che esce dal camino non fornisce alcun contributo calorico ed è la principale causa di perdita di efficienza. Utilizzando la formula di Siegert possiamo calcolare l efficienza della combustione A2 Q s = (t f - t a ) + B [%] 21 - O 2 η = Q S Q S = perdita di calore al camino T f = temperatura fumi T a = temperatura aria comburente η = rendimento combustione O 2 = ossigeno misurato A2, B = valori tipici del combustibile (vedi tabella) COMBUSTIBILE A2 B GAS METANO 0,66 0,009 GASOLIO 0,68 0,007 OLIO COMBUSTIBILE 0,61 0,010 Da questa formula possiamo vedere che ad ogni riduzione di 1% di O 2 corrisponde un aumento di efficienza di circa 0,6% per il gas, 0,7% per il gasolio e 0,75% per l olio combustibile considerando che, ad una riduzione di ossigeno, corrisponde un cambiamento della temperatura dei fumi. 3

4 controllo O2 UNA SOLUZIONE EFFICIENTE IL CONTROLLO OSSIGENO Il controllo ossigeno ha il compito di mantenere invariata la miscela di combustibile e aria comburente anche a fronte di condizioni ambientali sfavorevoli. Mantiene quindi costante l eccesso d aria su valori ottimali. Il bruciatore lavorerà, su tutto il campo di lavoro, seguendo una curva dell ossigeno impostata dal tecnico in fase di avviamento del bruciatore (vedi grafico sotto). E comunque possibile escludere la regolazione O 2 in questo caso il bruciatore continuerà a funzionare su una curva di base con eccesso d aria di sicurezza (impostata in fase di avviamento bruciatore). CURVA DI REGOLAZIONE O 2 IN FUNZIONE DELLA POSIZIONE DI CARICO I valori di ossigeno sono indicativi e sono riferiti a generatori di calore a 3 giri di fumo. I valori di ossigeno ottimali possono cambiare in funzione della tipologia della caldaia COME FUNZIONA IL CONTROLLO O 2 4 Il valore di ossigeno rilevato dalla sonda viene continuamente confrontato con il valore di set point impostato sulla curva. L eventuale scostamento fra i 2 valori di ossigeno (rilevato/set point) genera un segnale di correzione che può essere trasmesso al servomotore dell aria comburente o, se presente, ad un inverter che provvederà a regolare la portata d aria modificando i giri del ventilatore. La correzione dell ossigeno avviene in modo continuo ed automatico e garantisce un alto rendimento di combustione ed un basso inquinamento. Si potranno così ottenere, alti rendimenti di combustione in quanto, mediante la misurazione continua del contenuto di O 2 nei fumi e la conseguente correzione dell aria comburente, possono venire rilevati e compensati tutti i fattori di disturbo che influenzano nel tempo la composizione della miscela combustibile/aria. Le sonde utilizzate per la rilevazione dell ossigeno sono al biossido di zirconio che, nel tempo hanno dimostrato di essere affidabili, precise nella misura, stabili nel tempo e dotate di una risposta quasi istantanea. Non richiede manutenzione e non richiede calibrazione con gas campione neanche in caso di sostituzione. Costituiscono uno dei sistemi più affidabili per la misura dell ossigeno nei fumi. Il controllo ossigeno può essere applicato a qualsiasi combustibile.

5 SCHEMA DI PRINCIPIO CONTROLLO O 2 E CONTROLLO CO controllo O 2 QUANTIFICHIAMO IL RISPARMIO Per calcolare il risparmio energetico derivato dall utilizzo del controllo O 2 è necessario conoscere tipo di caldaia, potenza focolare, il tipo di combustibile, il costo del combustibile, il valore attuale di O 2 nei fumi, le ore di esercizio ed una stima della ripartizione dei carichi. Ipotizziamo di avere un generatore di calore a 3 giri di fumo da 3MW con bruciatore modulante di gas metano utilizzato con rapporto di modulazione 1/3. Il bruciatore lavora ore all anno con una spesa annuale di combustibile di circa euro. Il bruciatore lavora con un O 2 di 6,5% al carico minimo, 6% al carico medio e 5% al carico massimo. Come stima della ripartizione dei carichi ipotizziamo che, per il 33% del tempo di esercizio, il bruciatore lavori al carico minimo, 33% al carico medio e 34% al carico massimo. Ipotizziamo anche i valori di ossigeno che potremo garantire con il controllo O 2 installato 3% al minimo, 2.5% al carico medio e 2% al massimo. Riassumiamo il tutto in una tabella. POTENZA FOCOLARE 3MW TIPO DI CALDAIA 3 GIRI COMBUSTIBILE GAS VALORE ATTUALE DI O 2 CARICO MIN 6,5% CARICO MED 6% CARICO MAX 5% ORE DI ESERCIZIO h/anno STIMA RIPARTIZIONE DEI CARICHI CARICO MIN 33% CARICO MED 33% CARICO MAX 34% VALORE O 2 CON REGOLAZIONE O 2 CARICO MIN 3% CARICO MED 2,5% CARICO MAX 2% Considerando che, con combustibile gas, ad ogni riduzione di 1% di O 2, corrisponde un miglioramento dell efficienza di circa 0,6%, è semplice calcolare il risparmio ottenuto ogni anno. Al carico minimo otterrò un miglioramento dell efficienza del (6,5-3) x 0,6 x 0,33 = 0,693% Al carico medio del (6-2,5) x 0,6 x 0,33 = 0,693% Al carico massimo del (5-2) x 0,6 x 0,34 = 0,612% Mediamente ho un risparmio del 2% (0, , ,612) ogni anno che corrisponde, nel caso specifico a euro/anno. Nella realtà il calcolo del risparmio energetico con controllo O 2 è un po più complesso in quanto bisognerebbe tener conto anche della variazione del potere calorifico del combustibile, della variazione di temperatura tra estate ed inverno sia per quanto riguarda il combustibile che il comburente, ma la semplificazione attuata è sufficientemente precisa e comunque fornisce una indicazione di rendimento minimo garantito. L esperienza sul campo ci dimostra che con il controllo O 2 si può ottenere un miglioramento complessivo che può arrivare al 3% Ma torniamo ai nostri euro/anno La considerazione da farsi a questo punto è...ma quanto è la vita media di un bruciatore? Almeno anni. Vuol dire che, nel caso specifico, il risparmio nel tempo di vita media del bruciatore, si può quantificare in un valore compreso fra e euro. Ma sono sicuramente di più se considerate che non è pensabile che il prezzo del combustibile rimanga stabile al valore di oggi per anni! A questo punto è palese quanto sia veloce l ammortamento del sistema controllo O 2. 5

6 controllo CO OLTRE IL CONTROLLO O 2... IL CONTROLLO CO IL MASSIMO DEL RISPARMIO ENERGETICO NELLA GESTIONE DEI BRUCIATORI A GAS COME FUNZIONA IL CONTROLLO CO 6 La sola misurazione del contenuto O 2 nei gas di scarico non riesce ad indicare la combustione completa. Per questo motivo diventa importante poter rilevare e ridurre i contenuti degli incombusti nel gas di scarico. Il sistema combustione con controllo CO ha, come filosofia di regolazione, di cercare il punto di lavoro ottimale del bruciatore con bassissimo eccesso d aria, vicino al lato emissioni, fissarlo, mantenerlo e, se necessario, continuare nell ottimizzazione e nella sorveglianza. Con il controllo CO, il tecnico non deve neanche programmare la curva di lavoro in quanto il punto di miglior rendimento di combustione possibile, in ogni istante ed in modo automatico, lo cerca il sistema elettronico. Il controllo fiamma elettronico regolerà la combustione del bruciatore, senza intervenire sul regolatore di carico, riducendo continuamente l aria comburente, tramite inverter se presente (soluzione consigliata) o attraverso il servomotore dell aria in ogni punto della curva di carico, fino a quando al camino non viene rilevata la presenza di alcune decine di ppm di CO. A questo punto la regolazione della combustione si orienta verso un lambda leggermente maggiore trovando il punto di lavoro ottimale. In pratica il bruciatore lavorerà, su tutto il campo di lavoro ed in modo totalmente autonomo, sul confine delle emissioni di CO riducendo quindi al minimo l eccesso d aria (vedere a titolo di esempio il grafico nella pagina seguente). I punti di lavoro ottimali sono soggetti ad una verifica di plausibilità e i punti troppo fuori campo vengono eliminati e ricalcolati. Questa procedura viene ripetuta ciclicamente per mantenere i punti di lavoro ottimali anche in condizioni climatiche e di impianto avverse. Mantenere i punti di lavoro ottimali è fondamentale per assicurare un risparmio energetico, soprattutto quando si tratta di bruciatori di gas. Il bruciatore di gasolio o di olio combustibile quando lavora con valori di combustione non corretti lascia uscire dal camino un segno inconfondibile il fumo. Anche l utente meno competente si accorge che qualcosa non funziona bene e chiama il tecnico per un controllo combustione e per una nuova regolazione. Nel bruciatore di gas dal camino non si vede niente. Che il bruciatore lavori con forti eccessi d aria o con difetto d aria (il CO è inodore ed incolore) la caldaia continuerà a fornirci acqua calda o vapore stiamo perdendo soldi e non lo sappiamo. Con il monitoraggio del CO potremo garantire alte prestazioni nel tempo, I valori di ossigeno sono indicativi e sono riferiti a generatori di calore a 3 giri di fumo. consistenti risparmi di combustibile e ridotte emissioni inquinanti. Il sistema rileva in simultanea anche il valore di O 2 ma, per quanto riguarda la regolazione dei bruciatori a gas, non viene utilizzato per la regolazione della combustione ma unicamente per il monitoraggio e visualizzazione. Nel caso di bruciatori multi combustibili esiste la possibilità di attivare, in funzione del tipo di combustibile, la regolazione CO oppure O 2 (controllo CO per funzionamento a gas e controllo O 2 per funzionamento a gasolio-olio comb.). Dal punto di vista elettronico la tipologia di apparecchiature è identica al controllo O 2. L unica differenza è che, in questo caso, al camino abbiamo una sonda con doppio elettrodo per misurare il CO e l O I valori di ossigeno ottimali possono cambiare in funzione della tipologia della caldaia.

7 QUANTIFICHIAMO IL RISPARMIO Riferendoci all esempio precedente con il controllo O 2 POTENZA FOCOLARE 3MW TIPO DI CALDAIA 3 GIRI COMBUSTIBILE GAS VALORE ATTUALE DI O 2 CARICO MIN 6,5% CARICO MED 6% CARICO MAX 5% ORE DI ESERCIZIO h/anno STIMA RIPARTIZIONE DEI CARICHI CARICO MIN 33% CARICO MED 33% CARICO MAX 34% VALORE O 2 CON REGOLAZIONE O 2 CARICO MIN 3% CARICO MED 2,5% CARICO MAX 2% VALORE O 2 CON REGOLAZIONE CO CARICO MIN 2,4% CARICO MED 1,9% CARICO MAX 1,5% Rispetto al controllo O 2, al carico minimo otterrò un miglioramento dell efficienza del (3-2,4) x 0,6 x 0,33 = 0,12% Al carico medio del (2,5-1,9) x 0,6 x 0,33 = 0,12% Al carico massimo del (2-1,5) x 0,6 x 0,34 = 0,1% Nel caso specifico, con il controllo CO ho un ulteriore risparmio (rispetto al controllo O 2 ) dello 0,34% (0,12 + 0,12 + 0,1) ogni anno che corrispondono a euro/anno che vanno a sommarsi ai euro/anno, per un totale di euro/anno. Generalmente su caldaie a 3 giri si possono ottenere regolazione di combustione con un eccesso d aria un po inferiore ai valori indicati in tabella, per cui possiamo affermare che il controllo combustione con CO può incrementare l efficienza energetica dello 0,5% rispetto al controllo O 2. Consideriamo infine che, nel caso si utilizzi l inverter per la correzione dell ossigeno, otteniamo anche un sensibile risparmio energetico elettrico quantificabile in 35-45% rispetto al consumo del motore del ventilatore ed una forte riduzione del livello di pressione sonora soprattutto ai carichi minimi del bruciatore. Riferendoci all esempio specifico, il bruciatore da 3MW (es. BGN 300 LX) è alimentato da un ventilatore con motore da 7,5 kw e funziona per 5000 ore all anno. Per semplificare ipotizziamo che al massimo della potenza focolare, quindi 3 MW, anche nella versione con inverter il bruciatore funzioni a 50 Hz. In questo caso al massimo del carico il consumo elettrico sarà identico per le due versioni. Chiaramente, per la versione con inverter, i 50 Hz si avranno solo al massimo della portata bruciata; appena il bruciatore inizierà a modulare avremo una riduzione progressiva del numero dei giri del ventilatore e comincerà il risparmio di energia elettrica. controllo CO Potenza elettrica assorbita BGN 300 LX con e senza inverter 9,0 8,0 7,0 50 Hz Misure eseguite in laboratorio su tubi di prova secondo EN676. 6,0 Potenza assorbita [kw] 5,0 4,7 4,0 3,0 2,4 2,0 senza inverter con inverter 1,3 1,0 0, Potenza bruciata [kw] 7

8 controllo CO Valutiamo il risparmio energetico a medio e minimo carico tenendo conto delle stime di carico indicate precedentemente. A carico medio (2MW) senza inverter avremo un consumo approssimativo di 4,7 kw x 1650 h = kwh Ipotizzando un costo dell energia elettrica di 0,15 euro/kwh avremo un costo energetico annuo di kwh x 0,15 Euro/KWh = 1.163,25 Euro Utilizzando l inverter avremo un consumo annuo di 2,43 kw x h = 4.009,5 kwh ed un costo energetico annuo di 4.009,5 kwh x 0,15 Euro/kWh = 601,43 Euro A carico minimo (1MW) senza inverter avremo un consumo approssimativo di 3 kw x 1650 h = kwh Ipotizzando un costo dell energia elettrica di 0,15 euro/kwh avremo un costo energetico annuo di kwh x 0,15 Euro/KWh = 742,5 Euro Utilizzando l inverter avremo un consumo annuo di 1,3 kw x h = kwh ed un costo energetico annuo di kwh x 0,15 Euro/kWh = 321,75 Euro Riassumendo, il risparmio annuale, ma va considerato evidentemente anche il tempo di vita media del bruciatore, ottenuto al carico medio e minimo sarà di ( )-( )= 983 euro/anno Come già accennato, l uso dell inverter per attuare la correzione dell ossigeno, consente di ridurre il livello di pressione sonora soprattutto ai carichi parziali. Riferendoci ai valori di potenza bruciata indicati nell esempio precedente, vediamo che a 2MW la rumorosità si è ridotta di 6 db(a) e al carico minimo considerato a 1MW di 7 db(a). Per dare un ordine di idea di quanto importante sia la riduzione di 6 db(a) a livello di percezione sonora, ricordiamo che, se in un ambiente, si rileva una diminuzione di 3 db(a) il rumore di fatto dimezza. Rumorosità BGN 300 LX con e senza inverter Misure eseguite in laboratorio su tubi di prova secondo EN676 ad 1 metro di distanza dal bruciatore. Rumorosità [db(a)] Hz senza inverter con inverter Potenza bruciata [kw] 8

9 MAGGIOR RISPARMIO ENERGETICO (fino al 0,5% rispetto al controllo O 2 ) INDIPENDENTE DA ARIA ESTERNA la misurazione e regolazione della combustione è estremamente affidabile in quanto indipendente da aria esterna. Rispetto al controllo O 2 che, in caso di non perfetta tenuta del raccordo caldaia camino, si avrebbero infiltrazioni di aria esterna che andrebbero a falsare la lettura e la conseguente regolazione della combustione, il controllo CO è indipendente da aria esterna in quanto la sonda non tiene conto dell ossigeno ai fini della regolazione, bensì CO. SICUREZZA ASSOLUTA DI FUNZIONAMENTO con questo sistema viene anche garantita la sicurezza assoluta di funzionamento dal momento che gli incombusti vengono misurati direttamente (senza essere presupposti in funzione di un valore di ossigeno rilevato, come avviene nel controllo O 2 ). DETERMINAZIONE AUTOMATICA DEL MINIMO ECCESSO D ARIA POSSIBILE GRANDE RISPARMIO DI ENERGIA ELETTRICA E FORTE RIDUZIONE DEL RUMORE nel caso si utilizzi l inverter per la correzione O 2 Le tecnologie si evolvono e la diffusione di apparecchiature elettroniche a costi sempre più contenuti offrono la possibilità concreta di realizzare sistemi di regolazione della combustione sempre più raffinati e nel contempo di ottenere, in modo completamente autonomo, prestazioni sempre migliori dalle caldaie di media e alta potenza. Inoltre, l opportunità di realizzare bruciatori con all interno integrati i sistemi di ottimizzazione della combustione risulta certamente la soluzione migliore per poter garantire un funzionamento più affidabile. Vantaggi del controllo CO rispetto al controllo O 2 Con l entrata in vigore del protocollo di Kyoto, che penalizzerà, in termini economici, le aziende in funzione dell emissione di CO 2 nell ambiente, diventa ancora più importante prestare attenzione all efficienza energetica del sistema combustione installato. 9

10 MODULO PER IL CALCOLO DEL RISPARMIO ENERGETICO TIPO DI CALDAIA 3 GIRI INVERSIONE DI FIAMMA ALTRO (specificare) POTENZA FOCOLARE MW COMBUSTIBILE COSTO ANNUO COMBUSTIBILE euro/anno VALORE ATTUALE DI O 2 CARICO MIN % CARICO MED % CARICO MAX % ORE DI ESERCIZIO (ANNO) h/anno STIMA RIPARTIZIONE DEI CARICHI CARICO MIN % CARICO MED % CARICO MAX % VALORE O 2 CON REGOLAZIONE O 2 CARICO MIN % CARICO MED % CARICO MAX % VALORE O 2 CON REGOLAZIONE CO CARICO MIN % CARICO MED % CARICO MAX % RISPARMIO ENERGETICO ANNUO PREVISTO % 10

11 Bruciatore mod. TS 3G AC ME CO V ( kw) Funzionante a gas naturale, esecuzione con aria comburente 150 C. Installato su caldaia ad olio diatermico da kw. Monitoraggio remoto con protocollo MOD BUS. Impianti e applicazioni Bruciatori mod. BGN 250 ME CO V (2.500 kw) Funzionanti a gas naturale. Installati su caldaie ad acqua calda da kw ad uso riscaldamento. Bruciatori mod. GI MIST 510 ME CO V (6.500 kw) Funzionanti alternativamente a gas naturale e gasolio. Installati su caldaie ad acqua calda da kw ad uso riscaldamento.

12 Baltur S.p.A. Via Ferrarese, Cento (Fe) - Italy Tel Fax /28 info@baltur.it I dati riportati su questo catalogo sono da ritenersi indicativi e non impegnativi; Baltur si riserva la facoltà di apportare modifiche senza obbligo di preavviso. Cod Rev. 2 - Ediz. 09/07