Elenergibesparing i pumpsystem
Ambjörn Gillsäter
Andreas Gröndal
EnergisystemHandledare: Mats Söderström
Examensarbete
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
LIU-IEI-TEK-G--10/00161--SE
Sammanfattning
Med stigande elpriser har det blivit allt viktigare att effektivisera processer som använder sig av elektricitet. Ett område inom pappers- och massaindustrin med stora möjligheter till besparing av
elenergi är pumpning. I ett tidigare projekt genomfört av värmeforsk har ett Excelbaserat program för att analysera hela system av pumpar och förbrukare tagits fram. Programmet heter PumpAnalys och med hjälp av detta skall onödigt höga tryck och onödiga strypningar i system gå att visualisera på ett enkelt sätt. Systemet som analyserat är det såkallade sekundärvärmesystemet vid Iggesunds Bruk, vilket har till uppgift att tillvarata värme från terpentin- och tunnlutsflöden.
Den största besparingspotentialen har inte bestått i resultat från PumpAnalys utan i de låga verkningsgraderna (28-65%) hos de pumpar som ingår i systemet. Diagrammet i figur 1 visar energiåtgången i systemet i nuläget samt efter de tre olika effektiviseringsförslagen som tagits fram. Mellan nuläget och förslag 1 har enbart nya pumpar med bättre verkningsgrader föreslagits medan det i förslag 2 och 3 finns med trycksänkning hos startpumpen samt montering av fler pumpar.
Skillnaden i besparing mellan förslag 1 och 2 är marginell trots att en extra tryckförstärkarpump monterats. I förslag 3 ger två extra tryckförstärkarpumpar upphov till ytterligare besparing. Om Effektiviseringsförslag 3 genomförs blir besparingen 612 MWh/år, vilket motsvarar ca 50 % av nuvarande energianvändning i systemet. Denna besparing motsvarar ca 305 000 kr/år. Dock står tryckförändringen endast för ca 131 MWh/år (ca 20 %) av besparingen medan förbättrade
verkningsgrader hos pumparna står för resterande besparing. På grund av den extra kostnad som inköp av ytterligare två tryckförstärkarpumpar i förslag 3 åstadkommer är det främst på förslag 1 som fokus för genomförande bör vara.
Abstract
With rising electricity prices, it has become more important to increase efficiency of processes that use electricity. A place in the pulp and paper industry with high potential for saving of electric energy is pumping. In a previous project conducted by värmeforsk has an excel-based program to analyze systems of pumps and consumers been developed. The program is called PumpAnalys and by using this program it’s possible to visualize excessive and unnecessary pressure throttling in the system in a simple manner. The analyzed system is the so-called secondary heat system at Iggesunds bruk, which is used for
recycling heat from turpentine and black liquor flows.
The biggest savings have not been a result from PumpAnalys but from the low efficiency (28-65%) of the pumps included in the system. The diagram in Figure 1 shows the energy consumed in the system at present and after the three different efficiency increasing recommendations. The only difference between the present situation and suggestion 1 is that new pumps with better efficiencies have been installed instead of the old ones. In suggestion 2 and 3 the pressure differences over the pumps has been altered and more pumps have been installed.
The difference between suggestions 1 and 2 is marginal, despite the extra booster pump. Two additional booster pumps in suggestion 3 cause additional savings. If efficiency suggestion 3 will be implemented it will save 612 MWh / year, representing about 50% of current energy use in the system. This saving is equivalent to approximately 305 000 SEK / year. However, pressure alteration only stands for about 131 MWh / year (about 20%) of savings while the improved efficiencies of pumps account for the rest. As a result of the additional cost of purchasing two additional booster pumps in suggestion three, the focus should be mainly on suggestion one.
Förord
Den här rapporten behandlar resultatet av ett examensarbete som är avslutningen på
högskoleingenjörsutbildningen i maskinteknik vid Linköpings Universitet. Examensarbetet har genomförts på Iggesunds bruk under perioden mars-maj 2010.
Vi vill tacka vår handledare vid Iggesunds bruk Klas Simes och vår handledare vid Linköpings
Universitet Mats Söderström. Under vår tid vid Iggesunds bruk har vi fått hjälp av många personer med stor kunskap om det analyserade systemet, därför vill vi tacka Kjell Zimmerman, Åke Malm samt ett speciellt tack till Jan Hellström och Hans Jacobsson för all hjälp under arbetets gång.
Linköping, maj 2010 Ambjörn Gillsäter Andreas Gröndal
Innehåll
1 Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte ... 1 1.3 Företaget ... 1 1.4 Avgränsningar ... 2 1.5 Felkällor ... 22 Metod och källor ... 3
3 Beskrivning och analys av nuvarande system ... 5
3.1 Översikt av kemikalieåtervinningen ... 5
3.2 Beskrivning av analyserat flöde ... 6
3.2.1 3D-ritning över systemet ... 7
3.2.2 Sodahus ... 7
3.2.3 Linje 3 ... 8
3.2.4 Linje 4 ... 9
4 Tryck och flöden i det nuvarande systemet ... 11
4.1 Beräkningar av flöden ... 11
4.2 Analys av systemet med hjälp av pumpAnalys ... 12
4.2.1 Kommentarer angående programmet PumpAnalys ... 12
4.3 Tekniska uppgifter om ingående pumpar ... 13
4.3.1 Ljumvattenpumpar ... 13
4.3.2 Kallvattenpumpar ... 13
4.4 Energiåtgång i nuvarande system ... 13
5 Åtgärder ... 15
5.1 Effektiviseringsförslag 1 ... 15
5.1.1 Energiåtgång i effektiviserat system ... 15
5.1.2 Besparing ... 15
5.2 Effektiviseringsförslag 2 ... 16
5.2.1 Energiåtgång i effektiviserat system ... 16
5.2.2 Besparing ... 16
5.3 Effektiviseringsförslag 3 ... 17
5.3.1 Energiåtgång i effektiviserat system ... 17
5.3.2 Besparing ... 17
5.4 Övriga åtgärder ... 18
6 Diskussion ... 19
6.1 Förslag till fortsatt arbete ... 19
7 Slutsats ... 20 8 Referenser ... 22 8.1 Litteratur ... 22 8.2 Elektroniska källor ... 22 8.3 Bildkällor ... 22 8.4 Muntliga källor ... 22 1 Bilagor ... 24 1.1 Bilaga 1 ... 24
1.1.1 Grafik från pumpAnalys nuläge ... 24
1.1.2 Grafik från pumpAnalys efter effektviseringsförslag 1 ... 25
1.1.3 Grafik från pumpAnalys efter effektviseringsförslag 2 ... 26
1.2 Bilaga 2, Pumpdata ... 27
1.2.2 Pump 3120=3013 ... 28 1.2.3 Pump 3210=3078 ... 29 1.2.4 Kallvattenpump 3120=3022 ... 30 1.2.5 Kallvattenpump 3210=3077 ... 31 1.3 Bilaga 3, Övervakningsbilder ... 32 1.3.1 Översiktsbild sekundärvärmesystemet ... 32 1.3.2 Terpentinkylare på linje 3 ... 32 1.3.3 Tunnlutkylare på linje 3 ... 33 1.3.4 Terpentinkylare på linje 4 ... 33 1.3.5 Tunnlutkylare på linje 4 ... 34 1.3.6 Årsvariationer för ljumvattentemperatur ... 34
1.4 Bilaga 4 Sekundärvärme ”Basfall vinter” ... 35
1.5 Bilaga 4, Beräkningar av verkningsgrader ... 36
1.6 Bilaga 5, PumpAnalys ... 38
1.6.1 Nuläge ... 38
1.6.2 Effektiviseringsförslag 2 ... 64
1.6.3 Effektiviseringsförslag 3 ... 89
1.7 Bilaga 6, Nod- och strömnumrering ... 114
1.7.1 Sodahus del 1 ... 114
1.7.2 Sodahus del 2 ... 115
1.7.3 Rörbrygga mellan sodahus och cellulosafabrik ... 116
1.7.4 Cellulosafabrik ... 117
1.7.5 Linje 3 ... 118
1.7.6 Linje 4 del 1 ... 119
1.7.7 Linje 4 del 2 ... 120
Tabellförteckning
Tabell 1. Temperaturer och flöden till och från kylare ... 11Tabell 2. Pumpar med respektive data och energiåtgång ... 13
Tabell 3. Pumpar med respektive data och energiåtgång efter effektiviseringsförslag 1 ... 15
Tabell 4. Besparing av energiåtgång och energikostnad efter effektiviseringsförslag 1. Jämförelse med nuläget ... 15
Tabell 5. Pumpar med respektive data och energiåtgång efter effektiviseringsförslag 2. ... 16
Tabell 6. Besparing av energiåtgång och energikostnad efter effektiviseringsförslag 2. Jämförelse med nuläget. Negativa siffror innebär en ökning gentemot nuläget. ... 16
Tabell 7. Pumpar med respektive data och energiåtgång efter effektiviseringsförslag 3. ... 17
Tabell 8. Besparing av energiåtgång och energikostnad efter effektiviseringsförslag 3. Jämförelse gjord med nuläget. Negativa siffror innebär en ökning gentemot nuläget. ... 17
Tabell 9. Beräkning av energiåtgång och energikostnad för kallvattenpump 3120=3022 ... 18
Figurförteckning
Figur 1. Exempel på grafik från pumpanalys ... 3Figur 2. Översikt av kemikalieåtervinningen vid Iggesunds bruk ... 5
Figur 3. Översikt över lokaler, den orangea linjen visar ljumvattenstamledningen ... 6
Figur 4. Schematisk översikt över sekundärvärmesystemet ... 6
Figur 5 Mätpunkt för tryck efter pump 3565=3004 ... 7
Figur 6. Ångkondensor 3565=2005 ... 8
Figur 9. Till vänster: Ovandelen av lutkylare 3210=2081 med lut in och ut samt varmvatten ut. Till höger: Mätpunkt på ljumvattnen och kallvatten innan kylaren. ... 9 Figur 8. Mätpunkt för tryck efter pump 3210=3078 ... 9 Figur 10. Till vänster: Energiåtgång i de olika effektiviseringsförslagen. Till höger: Andelen besparing av respektive besparingsåtgärd i förslag 3. ... 20
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Det allt mer stigande elpriset gör att besparingar vad det gäller elenergi blir viktigare och viktigare. Besparingar på detta område genererar både ekonomiska och miljömässiga vinster. Inom pappers- och massaindustrin finns en rad olika processer som använder elektrisk energi. Ett exempel på en sådan process är de många pumpsystem som ingår i tillverkningen av massa och papper. I flera av dessa system pumpas höga flöden under höga tryck vilket leder till att höga effekter krävs hos pumparna. Tidigare projekt har påvisat stor besparingspotential i dessa system.
Genom ett projekt genomfört som examensarbete vid Chalmers Tekniska Högskola och Stora Enso Hylte har ett program för att beräkna och visualisera tryckförluster i större pumpsystem tagits fram. Detta har sedan testats och kompletterats i ett pilotprojekt drivet av Värmeforsk vid Stora Enso Hylte.
I dagsläget använder Iggesunds bruk ca 460 GWh elenergi varje år och enligt verksamhetsplanen ska elanvändningen minska med 3 GWh fram till och med 2012. Ett sätt att uppnå denna minskning är att analysera de många pumpsystem, både med vatten- och massaflöden, som finns inom Iggesunds bruk. För att göra sådana analyser är programmet från Värmeforsk kallat PumpAnalys till stor hjälp.
1.2 Syfte
Syftet och målet med denna rapport har varit att beskriva huruvida det går att spara elenergi i
pumpsystem. Detta har gjorts främst genom grafisk visualisering av onödigt höga tryck och strypförluster med hjälp av programmet PumpAnalys.
1.3 Företaget
Iggesunds Bruk tillhör Holmen-koncernen och tillverkar kartong till finare förpackningar och grafiska ändamål. Kartongen tillverkas av enbart jungfruliga fibrer vilket betyder att det inte sker någon
inblandning av returfiber. Den massa som används till kartongen tillverkas av Iggesunds Bruk, vilket gör att hela tillverkningsprocessen från trä till färdig kartong sker inom anläggningen. Av den producerade massan, vilket är 355 000 ton/år, används ca 80 % till den egna kartongfabriken medan 20 % säljs till andra pappersbruk. I nära anslutning till kartongbruket finns ett av Holmens sågverk vilket gör att energi i form av ånga från massafabriken kan tillvaratas i sågverket och träspill från sågverket kan tillvaratas i massafabriken. Iggesunds Bruk har idag ca 900 anställda.
Pappers- och massaindustrin hör till det som kallas energiintensiv industri. För Iggesunds Bruk ser energianvändningen och energiframställningen vid produktion av 340 000 ton massa per år och 300 000 ton kartong samt 230 GWh genererad el från mottrycksturbiner ut såhär:
Inköpt Egengenererad
* Förbränning av olja 350 GWh * Förbränning av lut i sodapannor 1255 GWh * Inköpt el 230 GWh * Förbränning av fastbränsle, bark och
sågverksspill 465 GWh
Utöver detta levererar Iggesunds bruk fjärrvärme till Iggesunds fjärrvärmenät, det rör sig årligen om ca 18 GWh varav ca 15 GWh är spillvärme och resterande 3 GWh är prima ånga vilken används för att höja temperaturen på fjärrvärmevattnet vintertid.
När den nya sodapannan står klar 2012 kommer även mottrycksturbinerna att bytas ut så att hela anläggningen blir självförsörjande på elenergi, totalt kommer de nya turbinerna att ge ca 500 GWh/år.1
1
2
1.4 Avgränsningar
Som start för det analyserade flödet har den pump som pumpar ljumvattnet från skrubbervattentanken genom kylare för tunnlut och terpentin samt en ångkondensor valts. Som slutgräns har vi valt två stycken filter i blekeri 3 vilka använder varmvatten samt den varmvattentank till vilket resterande vatten går. Dessa val har gjorts utifrån rekommendationer av handledare Klas Simes samt att möjligheten att finna potentiella besparingar är större om systemet innehåller flera förbrukare och flera pumpar.
Fokus kommer att ligga på huvudflödet W30=3565=1617-300, flöden som normalt sett är avstängda exempelvis spoluttag kommer inte att analyseras. I de fall ett flöde tillkommer systemet kommer det inte att kartläggas fullständigt. Det kommer endast att tas med som dess bidrag av flöde och tryck till det avgränsade systemet.
Vid beräkningar av tryck och flöden i systemet har de kylare som ingår endast tagits med som statiska tryckfall, då det inte för någon av kylarna varit möjligt att mäta upp tryck före och efter samt haft ett känt flöde.
Det driftfall som tas upp i rapporten är ett vinterfall, detta för att det vintertid finns ett ljumvattenflöde som går till lokaluppvärmning för massalinje 4. Sett till hela systemet så är flödet i stort sett detsamma, fördelningen mellan olika strömmar ändrar sig dock något mellan sommar och vinterfall.
Rapporten behandlar endast energiåtgång och energikostnad och tar inte hänsyn till material- och arbetskostnader för föreslagna effektiviseringar.
1.5 Felkällor
De besparingsberäkningar som gjorts har utgått från att ett flöde på 22 t/h går till lokalvärme på linje 4 hela året. Detta sker endast vintertid varför flödesfördelningen mellan strömmar skiljer sig åt mellan vinter och sommar, något som det inte har tagits hänsyn till i rapporten. Hur mycket detta påverkar resultatet är oklart, flödet i systemet som helhet är det samma året runt varför det inte bör vara någon markant skillnad.
När temperaturer och flöden har tagits från övervakningssystem har dessa inte varit möjliga att kontrollera, de bör vara korrekta då andra processer är beroende av dessa värden.
Systemet har mätts upp med måttband och tummstock vilket leder till att mätnoggrannheten är
begränsad. Detta bör inte leda till något stort fel mer än att 3D ritningen inte bör användas till annat än översikt över systemet då det är möjligt med vissa avståndsvariationer på ritningen gentemot
3
2 Metod och källor
Den analysmetod som använts går ut på att ett helt system bestående av flera förbrukare, pumpar och ventiler ska analyseras för att på så vis kunna se besparingspotential som inte syns när enstaka pumpar och förbrukare analyseras. Som hjälpmedel till detta användes Excel-programmet ”PumpAnalys” från Värmeforsk (för mer information om programmet se: www.varmeforsk.se/rapporter rapportnummer 1065).
Första steget i arbetet var att välja ett lämpligt pumpsystem utifrån en driftsfallsbild (se bilaga 6). Det system som valdes ut för analys är det så kallade sekundärvärmesytemet. För att kunna använda ”PumpAnalys” krävs det att faktiska rörlängder och höjdskillnader samt flödena i systemets olika
strömmar är kända. För sekundärvärmesystemet finns endast två stycken flödesmätare vilket har gjort att några flöden har behövt räknas fram. Detta har gjorts genom att använda data från övervakningsbilder för flöde och temperaturer för det varma flöde mot vilket ljumvattnet värmeväxlas. På så vis har vi räknat fram vilket flöde av ljumvatten som måste passera genom värmeväxlaren för att åstadkomma den temperatursänkningen. För terpentinkylaren på linje 4 finns ingen övervakning på flöde, därför har data från driftfallsbilden i Bilaga 4 Sekundärvärme ”Basfall vinter” använts. Vid terpentinkylaren på linje 3 finns en flödesmätare monterad på ljumvattenledningen.
För att få mått på systemets faktiska utseende har det först identifierats på ett flödesschema och sedan lokaliserades det fysiskt för att kunna mäta upp faktiska längder och höjdskillnader. För att på ett tydligt sätt kunna visualisera rörsystemet har rörsystemet ritats upp med både ljum- och varmvattenrör samt ingående komponenter i 3D. För att göra detta så har AutoCad 2006 från utvecklaren Autodesk använts, licensen för programmet har lånats av Iggesunds bruk.
I de fall där det har varit möjligt har trycket i systemet mätts upp med hjälp av en manometer vilken går att ansluta till en klokoppling (mätpunkterna visas i figur 4, 7, 8). Detta har gjorts i syfte att jämföra med senare framräknade värde från PumpAnalys. Trycket har mätts upp i enheten bar medan PumpAnalys använder enheten meter vatten pelare (mvp). 1 bar = 100 000 Pa. 1 mvp =9623,6 Pa (beräknat med densitet 980 kg/m3 och tyngdaccelerationen 9,82 m/s2). På startpump 3565=3004 och på
tryckförstärkarpump 3120=3013 har mätningar av strömstyrkan gjorts för att utifrån dessa värden samt spänningen på 500 V räkna ut den teoretiska effektförbrukningen för pumparna.
Figur 1. Exempel på grafik från pumpanalys2
Utifrån resultatet av den grafiska presentationen (se exempel på sådan i figur 1) i PumpAnalys drogs slutsatser om eventuella besparingsmöjligheter och tillhörande effektiviseringsåtgärder. Vid
2
4 energikostnadsberäkning har ett energipris på 500 kr/MWh använts vilket är i enlighet med Holmens investeringskalkylering3
Varje flöde och varje komponent i systemet är numrerad och i vissa fall även namngiven exempelvis ”Kokarkylare 3210=2081”. De fyra första siffrorna visar på vilken avdelning ett objekt finns. De nummer som börjar med 3120 hör till linje 3 och de som likt exemplet ovan börjar med 3210 hör till linje 4. De fyra sista siffrorna är objektets id-nummer. Startnummer 3565 och 3442 förekommer också i rapporten, de indikerar att objektet finns i Sodahuset. Samtliga våningsplan har nummer som anger dess höjd över havet exempelvis +103,7 betyder 3,7 meter över havet. Dessa höjdangivelser har använts för att beräkna höjdskillnader mellan våningsplan i systemet.
Källor som använts i rapporten redovisas under rubriken ”Referenser” och finns även angivna som fotnoter i texten. De källor som använts är till största delen muntliga kontakter med handledare Klas Simes och personer i verksamheten med kunskap om systemet och dess egenskaper samt teknisk data om ingående komponenter från respektive tillverkare. Sådan teknisk data, övervakningsbilder från Iggesunds bruk samt beräkningar och grafik från pumpAnalys bifogas i bilagor.
Samtliga temperaturer på primär- och vattenflöden är tagna från övervakningssystemet på datorerna med undantag för temperaturen på utvattnet från Tunnlutskylare 3210=2064 som uppmättes med en IR termometer av modellen Raytek Raynger ST.
3
5
3 Beskrivning och analys av nuvarande system
3.1 Översikt av kemikalieåtervinningen
Vid Iggesunds Bruk tillverkas pappersmassa på två så kallade massalinjer, Linje 3 där lövved används och Linje 4 där barrved används.
Vid tillverkning av pappersmassan återvinns stora mängder av de kokkemikalier som krävs. Detta görs genom att den svartlut (tunnlut) som bildas vid kokningen förbränns i en sodapanna. Förbränningen leder till att det bildas något som kallas för grönlut (en blandning av natriumkarbonat och natriumsulfid) vilken sedan späds och leds vidare till kausticeringen. Här görs natriumkarbonaten från grönluten om till
natriumhydroxid med hjälp av kalciumhydroxid. Efter detta fås natriumhydroxid och natruimsulfid vilka är beståndsdelarna i kokkemikalien som kallas vitlut, vilken används i kokeriet för att bryta ned ligninet i veden. Den använda kalciumhydroxiden blir efter kausticeringen till kalciumkarbonat (mesa). I en mesaugn bränns sedan kalciumkarbonat till kalciumoxid (bränd kalk) som i sin tur ”släcks” genom att vatten tillsätts och produkten blir kalciumhydroxid (släckt kalk). Den släckta kalken återanvänds i kausticeringens första steg. Samtliga steg visas i Figur 2 nedan.
Figur 2. Översikt av kemikalieåtervinningen vid Iggesunds bruk4
Det system som har analyserats tillvaratar värme från lutflöden i kemikaliåtervinning och terpentinflöden från kokerierna. Detta flöde har sin början då råvatten (kallvatten) förs in i sodapannans rökgasskrubber i vilken värme från rökgaserna tillvaratas och överförs till vattnet. Detta vatten förs sedan via en
skrubbervattentank (i Figur 2 kallad ljumvattentank) till värmeväxlare främst i terpentin- och tunnlutsflöden från kokerierna men även en ångkondensor ingår i det analyserade systemet.5
4 Från intranätet, Iggesunds bruk. 5
6
3.2 Beskrivning av analyserat flöde
Nedan ges en beskrivning av det analyserade flödet med dess ingående komponenter från startpump till flödets slut vid filter 3 och 6 samt varmvattentanken indelat efter vilken byggnad komponenterna finns placerade i. Med det som här kommer att kallas ljumvatten avses flöde W30-=3565=1617, detta kallas även på vissa av Iggesunds bruks flödesscheman för skrubbervatten då det härstammar från
rökgasskrubbern. Detta flöde utgör basen för sekundärvärmesystemet och går från sodahuset genom en ångkondensor vidare genom kylare för terpentin och tunnlut i både linje 3 och linje 4 samt efter dessa användas som varmvatten i filter i blekeri 3. Det varmvatten som inte åtgår till filtren leds till en varmvattentank för att kunna användas till andra processer. För översikt över lokalerna se figur
Figur 3. Översikt över lokaler, den orangea linjen visar ljumvattenstamledningen
Ljumvattenflödet har sin början i sodahuset där flödets startpump, en tunnlutkylare vilken kyler tunnlut från linje 3 och en ångkondensor finns. Vattnet leds sedan vidare till nästa byggnad som är
cellulosafabriken där pappersmassan tillverkas. Här finns två tryckförstärkarpumpar och det är även här som flödet värmeväxlas mot tunnlut och terpentin från både Linje 3 och Linje 4. En schematisk översikt av sekundärvärmesystemet kan ses i Figur 4.
7 Efter att ljumvattnet, som från början är ca 65 °C6, passerat genom systemet har det blivit till varmvatten med en temperatur på ca 80 °C7. Från startpumpen till cellulosafabriken är avståndet ca 170 m8.
3.2.1 3D-ritning över systemet
Ritningen har delats upp i tre olika versioner. En version där inga mått alls har lagts in för att göra det enklare att se hur systemet ser ut utan några mått som är i vägen. En annan version har endast mått sett från sidan där alla höjdskillnader syns, och ytterligare en version där alla mått på rörlängder som syns uppifrån. I den senare finns även pumpar, cisterner och kylare namngivna. Alla mått på rörlängder, cisterner och kylare är verkliga mått som mätts upp i fabriken eller lästs av från ritningar över komponenter, däremot är pumparna bara visualiserade som sfärer för att visa att de finns där och har därför inga riktiga mått. Alla mått är angivna i centimeter för att underlätta ritningsarbetet.
Ljumvattenledningarna har färgats orangea medan varmvattenledningarna har färgats röda, även
kallvattenpåstick har ritats in på de ställen där de finns och dessa har färgats blå. På så vis syns det tydligt vilka flöden som är vilka och eftersom ljumvattnet alltid går till kylarna och varmvattnet från kylarna så syns det också åt vilket håll strömmarna går.
Även ventiler samt areaökningar och areareduktioner kan ses tydligt, ventilerna är dessutom markerade med olika färger beroende på om de är automatiskt reglerade eller manuellt reglerade. De automatiska är markerade med grönt och är antingen tryckreglerade eller temperaturreglerade medan de manuella är markerade i färgen magenta. 3D-ritningar med och utan mått bifogas i extern bilaga under namnen; Sekundärvärmesystem mått från sidan.dwg, Sekundärvärmesystem mått uppifrån.dwg samt
Sekundärvärmesystem utan mått.dwg. Dessa kan visas med gratisprogrammet DWG TrueView vilket kan laddas hem från http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?id=6703438&siteID=123112.
3.2.2 Sodahus
I sodahuset finns den pump som är starten för det flöde som analyserats. Pumpen (3565=3004) som pumpar vatten från ljumvattentanken vidare i flödet W30=3560=1617 finns placerad på bottenplan i
sodahuset vilket är plan +103,70. Trycket efter denna pump har kunnat uppmätas till knappt 4,2 bar (43 mvp) med manometer ansluten till klokoppling, se Figur 5. I sodahuset finns också en tunnlutkylare 3442=2009 vilken kyler tunnlut från linje 3 (se 0 Linje 3), en kondensor för ånga (3565=2005), avstick till låkcisterner (låk=lutångkondensat) samt en kylare för tallolja. I ledningen till låkcisternerna går endast flöde då spädning av lutångkondensatet krävs. Det flöde som går till talloljekylaren har i analysen försummats då ventiler nästan är helt stängda och rören dessutom är små vilket inte ger utrymme för något större flöde.
Figur 5 Mätpunkt för tryck efter pump 3565=3004
Ångkondensorn 3565=2005 (se Fel! Hittar inte referenskälla.) skiljer sig från övriga värmeväxlare i systemet då den är den enda som inte har i uppgift att kyla något utan enbart används för att värma upp vattnet. Ångan som används är färskånga, vilken egentligen är till för andra processer men den används här då temperaturen på varmvattnet blir för låg. Ljumvattenflödet till ångkondensorn är helt avstängt då
6Bilaga 5 ”Årsvariationer för ljumvattentemperatur” 7 Bilaga 5, medel av samtliga övervakningsbilder.
8 Samtliga mått redovisas i extern bilaga ”Sekundärvärmesystem mått från sidan.dwg”. ”Sekundärvärmesystem mått uppifrån.dwg” samt ”Sekundärvärmesystem utan mått.dwg”.
8 extra uppvärmning av varmvattnet inte är nödvändig. Varmvattnet som vid behov produceras här leds direkt till varmvattentanken.
I sodahuset finns även en ledning till mixeriet där ljumvattnet bland annat används för att späda grönlut. Detta flöde har emellertid försummats då det maximalt rör sig om 10 m3/h9samt att höjdskillnaderna inte kommer att utgöra någon begränsning. Det ljumvatten som fortsätter på stamledningen förbi tunnlutskylaren och avstick till låkcisterner och mixeri går vidare in i cellulosafabriken och där delas den upp med ytterligare ett T-rör, en ledning till linje 3 och en till linje 4.
3.2.3 Linje 3
Det finns en tunnlutkylare (3442=2009) placerad på plan 111,7 i sodahuset, anledningen till att den tas upp här är att tunnlutet som kyls i den kommer från linje 3:s kokeri. Ljumvattnet viker av från
stamledningen i ett T-rör som går in i kylaren. Precis innan ljumvattnet går in i kylaren finns möjlighet att skicka in kallvatten om luttemperaturen stiger för högt, detta kallvattenpåstick används normalt inte. Ventilerna är inställda på att reglera uttemperaturen för luten till 96 °C10. Varmvattnet som tillverkas här
går till största delen direkt till varmvattentanken men det finns även ett rör kopplat till stamledningen vid filter 3 och 6 i blekeri 3 vilket möjliggör varmvattentillskott till filtren från denna lutkylare. Det rör som går till varmvattentanken går i ihop med ett annat varmvattenflöde som kommer från kylare för kolonngas och en reservkondensor som finns placerade på taket till
indunstning 3. Dessa har inte analyserats närmare då de ingår i ett helt annat värmesystem, de har endast tagits med som ett
flödestillskott på ca 50 t/h 11 för att strömningsförlusterna från tunnlutkylare 3442=2009 ska bli korrekta.
På linje 3 finns kallvattenpumpen 3120=3022 placerad på plan +109,2 med påstick till ljumvattnet, vilket är det enda som är kopplat till denna pump. Tillkopplingen sker via en automatisk ventil vilken reglerar på temperatur, den är ca 35° (39 %) öppen12. Detta blandade vatten går till
tryckförstärkarpump(3120=3013) på plan +113,00 vars uppgift är att hålla trycket på ljumvattnet i ledningen tillräckligt högt för att vattenflödet ska kunna nå till två stycken terpentinkylare (3120=2001 och 3120=2002) på plan +125,20 se Figur 7. Största delen av varmvattnet som tillverkas i dessa terpentinkylare går sedan till stamledningen vid filter 3 och 6 i blekeri 3 medan överskottet leds till varmvattentanken.
9 Muntligt Roy Enros, Åke Malm 2010-05-20 10 Muntlig Hans Jacobsson 2010-05-17
11 Bilaga 5 ”Översiktsbild sekundärvärmesystemet” 12
Bilaga 4, ”Terpentinkylare på linje 3” Figur 7. Terpentinkylare 3120=2001/2002
9
3.2.4 Linje 4
På linje 4 finns två tunnlutkylare och en
terpentinkylare samt en tryckförstärkarpump med möjlighet till kallvattenpåstick. Kallvattnet är vid normal drift inte inkopplat, det används bara om temperaturen på lut eller terpentin blir för hög. Både kallvattenpumpen 3210=3077 och
tryckförstärkarpumpen 3210=3078 finns placerade på bottenplan i blekeri 3 (linje 3, vägg i vägg med linje 4) vilket är plan +103,7.
Tryckförstärkarpumpen 3210=3078 är starten på flödet som går till hela linje 4 och är kopplad direkt till den ljumvattenstamledning som kommer från sodahuset, här har trycket kunnat mätas enligt Figur 8
Tunnlutkylaren med nummer 3210=2064 är den första kylaren på linje 4 och finns placerad på plan +109,7, denna har inte något tillskott av kallvatten till skillnad mot de andra två kylarna på linjen. Varmvattnet som produceras i denna kylare leds direkt till stamledningen vid filter 3 och 6.
Tunnlutkylaren, även kallad kokarkylaren, med nummer 3210=2081 är inkopplad som nummer två på linje 4 och finns på plan +115,7. Här finns möjlighet till kallvattenpåstick från kallvattenpumpen
3210=3077. Trycket innan kylaren har uppmätts med hjälp av manometer (se Figur 9). Den sista kylaren på linjen är den terpentinkylare med nummer 3210=2060 som är placerad på takplan +129,2. Detta medför en höjdskillnad på drygt 25 meter vilket är orsaken till att det finns en tryckförstärkarpump placerad vid linje 4. Här finns möjlighet till kallvattenpåstick vilket normalt inte används.
Figur 9. Till vänster: Ovandelen av lutkylare 3210=2081 med lut in och ut samt varmvatten ut. Till höger: Mätpunkt på ljumvattnen och kallvatten innan kylaren.
Varmvattnet som produceras i kokarkylaren 3210=2081 och varmvattnet som tillverkas i
terpentinkylaren 3210=2060 leds i samma ledning fram till stamledningen vilken leder direkt till varmvattentanken. Varmvatten från dessa två kylare används alltså inte till filtren i blekeri 3, det går dock att använda även detta vatten genom att öppna en ventil som vanligtvis hålls stängd.
11
4 Tryck och flöden i det nuvarande systemet
Ljumvattenflödet är inte kritiskt för produktionen av pappersmassa och går med i stort sett samma flöde hela tiden. Massaproduktionen är dock ett krav för att ljumvattnet ska bli varmvatten, då uteblivet terpentin och tunnlut medför att det inte finns några varma flöden att kyla och då finns heller ingen nytta med kylvatten (ljumvatten).
Det enda som påverkar flöden i systemet nämnvärt är flöde till lokaluppvärmningen för linje 4 vilken endast används vintertid. Det finns även spoluttag och uttag till renspolning av pumpar, dessa är dock stängda när de inte används och förbrukningen är låg (smala rör) även då de används.
4.1 Beräkningar av flöden
Då det system som har analyserats i stort sätt helt saknar flödesmätare har indata på några punkter varit tvungna att räknas fram. De flöden som har beräknats är följande:
Tunnlutkylare 3442=2009
Tunnlutkylare 3210=2064
Kokarkylare (tunnlutkylare) 3210=2081
För dessa tre kylare har det varit möjligt att beräkna genomflödet av ljumvatten då tunnlutsflödet samt in- och ut-temperaturer för både vatten och tunnlut var kända. Tabell 1 visar de indata som varit möjliga att ta fram samt de flöden som varit möjliga att beräkna.
Intemp. primärflöde [°C] Uttemp. primärflöde [°C] Primärflöde [m3/min] Intemp. vatten [°C] Uttemp. vatten [°C] Vattenflöde [m3/min] Vattenflöde [t/h] Tunnlutkylare 3442=2009 110 95 2,5 65 89 1,4 84 Tunnlutkylare 3210=2064 112 95 3,6 65 94 1,9 113 Kokarkylare (tunnlutkylare) 3210=2081 88 79 3,8 65 74 3,4 204
Tabell 1. Temperaturer och flöden till och från kylare
Flöden i Tabell 1 har beräknats med hjälp av följande formler:
primär p primär primär C m Q : ) 1
( och QmvattenCpvatten vatten
: ) 2
( .13 Tillsammans ger dessa två
vatten p primär p primär vatten vatten primär C C m m ) 2 ( & ) 1
( . Massflödet räknas om till volymflödet med
V m .
m
, massflöde [kg/s] V
, volymflöde [m3/s] Q, överförd energi [J] Cp, specifik värmekapacitet [J/kgK]
, temperaturdifferensen över kylaren [°C] , densitet [kg/m3]
K m kJ C tunnlut p 3 / 8 , 3 14
(Då detta är angivet i kJ per volymenhet behövs inte densiteten för att beräkna energiinnehållet).
kgK kJ C vatten p 4,2 / 3 / 980kg m vatten
(för temperaturer mellan 65°C och 85°C).15
13
12 För terpentinkylarna på linje 3 har ljumvattenflödet antagits vara de 102 t/h (motsvarade 1 666,7 l/min) som uppges i driftfallsbilden i Bilaga 4 Sekundärvärme ”Basfall vinter”, dock tillkommer kallvatten till terpentinkylare 3120=2001 och 3120=2002 på massalinje 3. Tillflödet av kallvatten sker i detta fallet innan den tryckförstärkarpump (3120=3013) som finns placerad före dessa kylare, vilket leder till att flödet genom tryckförstärkarpumpen blir högre än enbart ljumvattenflödet. Precis efter denna
tryckförstärkarpump finns en flödesmätare som indikerar det totala flödet till terpentinkylarna, mätaren ses i Bilaga 3, Övervakningsbilder och visar på ca 125 m3/h (motsvarande 2 083,3 l/min).
Kallvattentillskottet bör således vara ca 416,7 l/min, vilket kommer från kallvattenpumpen 3120=3013. Även för massalinje 4 har ljumvattenflödet antagits vara de 145 t/h (motsvarande 2 368,3 l/min) som angivits på driftfallsbilden i Bilaga 4 Sekundärvärme ”Basfall vinter”.
4.2 Analys av systemet med hjälp av pumpAnalys
För att utläsa vilka strömnummer som finns placerade på respektive rör i systemet se Bilaga 6.
Med hela systemet inlagt i pumpanalys fås ett komplext system med hela 55 olika strömmar. Tryckfallen och flöden visas grafiskt i Bilaga 1 där varje pil motsvarar en ström. Pilens tjocklek motsvarar flödet i strömmen och pilens längd tryckfallet. Strömmarna har numrerats med början vid startpumpen i sodahuset och sedan vidare därifrån, med undantag för ström nummer 49 till 55 vilka även de finns i början men lades in sist och därför fick högre nummer. I och med de förändringar som gjorts i
förbättringsförslagen har fler strömmar adderats till dessa än vad som finns med i nuläget. Beräkningar från programmet kan ses för nuläge samt effektiviseringsförslag 2 och 3 i Bilaga 5, PumpAnalys. Strömmarna i pumpAnalys kan anses vara av tre olika typer; pumpar, rör eller kylare/förbrukare. Rören ger i stort sett endast upphov till ett tryckfall motsvarande den höjdförändring som görs varför det är pumpar och kylare/förbrukare som utgör de intressantaste punkterna i systemet. Det är även dessa som styr hur tryck och flöden i systemet ser ut nu och vilka krav som finns.
I nuvarande system är det trycket till Filter 3 och 6 i blekeri 3 (ström nummer 45 och 46) som är dimensionerande för startpumpen. De båda filtren är slutförbrukare, vilket betyder att varmvattnet som kommer hit har passerat genom hela det analyserade systemet och detta ger stora möjligheter att genom systemets utformning påverka dessa tryck och flöden. Det går även att utläsa att ström nummer 49 till 55 ger stora tryckfall och att de dessutom ligger tidigt i systemet. Sammantaget minskar detta möjligheterna till att påverka trycket och flödet vid startpumpen. Strömmarna 49 till 55 går till något som kallas
låkcisterner (där låk står för lutångkondensat). Det ljumvattnet används till här är spädning, då det blir för lite lutångkondensat fylls cisternerna på med ljumvatten istället.
4.2.1 Kommentarer angående programmet PumpAnalys
För att kunna köra programmet måste flöden anges, detta gör att system med kända flöden enkelt kan analyseras med programmet. Det resultat som fås ut får ses som en ungefärlig översikt då vi har noterat några punkter som genererar egendomliga värden, tillexempel ger areaökningar en tryckökning i systemet och att t-rör inte ger upphov till några tryckförändringar alls. De tryckökningar som
uppkommer är dock mycket små och påverkar inte helheten nämnvärt. För pumpsystem med många strömmar blir grafiken lätt oöverskådlig och det är tidskrävande att lyckas utläsa vad den visar. En begränsning som finns är att strömmar utan flöde inte går att ha med i programmet, varför det blir svårare att analysera flera driftsfall då det kan tänkas att strömmar behöver stängas av.
14 Sten Valeur, Blockchef, Återvinningen vid Iggesunds bruk. Muntligt genom Klas Siemes 2010-05-10 15
13
4.3 Tekniska uppgifter om ingående pumpar
Samtliga pumpar som ingår i systemet är av typen centrifugalpumpar. Ljumvattenpumparna har det gemensamt att de är över 40 år gamla och att de går med i stort sett samma flöde hela tiden.
Kallvattenpumparna är däremot nyare, tillverkade på 1990-talet. De har ett mer varierat flöde då förbrukningen av kallvatten styrs utifrån temperaturerna på tunnlut och terpentin vilka i sin tur beror på en rad olika faktorer, till exempel hur mycket pappersmassa som produceras.
4.3.1 Ljumvattenpumpar
Startpumpen ska leverera ett flöde på ca 840 m3/h, enligt Bilaga 2, Pump 3565=3004, vid uppmätt tryckökning (drygt 30 mvp). Det flöde som pumpen ger enligt våra beräkningar och enligt Bilaga 4 Sekundärvärme ”Basfall vinter” är i verkligheten ca 630m3
/h. Detta tyder på att pumpens verkningsgrad har försämrats avsevärt sedan den var ny, vilket även är fallet med tryckförstärkarpumpen på linje 3 3120= 3013. Den senare bör ge en tryckhöjning på 45 mvp vid flödet 125 m3/h som flödesmätaren precis efter pumpen visar (se Bilaga 3, Terpentinkylare på linje 3). Den uppmätta tryckökningen över denna pump ligger på drygt 20 mvp alltså under hälften av vad den borde ge. För de här två pumparna har en verkningsgrad beräknats till 55 % för startpump 3565=3004 samt 28 % för förstärkarpump 3120=3013. För beräkningar se Bilaga 4, Beräkningar av verkningsgrader. Vid beräkning av dessa har enbart pumpens verkningsgrad medräknats, ej elmotorns verkningsgrad.
Vad gäller tryckförstärkarpumpen på linje 4, 3210= 3078 så stämmer däremot uppmätta data väl överens med vad pumpen enligt specifikationerna ska leverera, detta trots att pumpen är tillverkad 1967 och alltså är 43 år gammal. Uppmätt tryckökning samt uträknat flöde ger en driftpunkt som ligger mitt på
pumpkurvan för aktuellt pumphjul och visar på en verkningsgrad på 65 % vilket kan ses i Bilaga 2, Pump 3210=3078.
4.3.2 Kallvattenpumpar
Kallvattenpumpen 3120= 3022 är enbart kopplad till terpentinkylarna på linje 3 men detta till trots har den enbart en ventil som stryper flödet, vanligtvis16 ligger denna runt 30-40 % i öppningsgrad vilket kan ses i Bilaga 3, Terpentinkylare på linje 3. Pumpen är relativt ny då den är tillverkad 1999, dock blir verkningsgraden vid ett kallvattenflöde på ca 20 m3/h väldigt låg vilket ses i Bilaga 2,
Kallvattenpump 3120=3022. Kallvattenpumpen på linje 4 3210=3077 är kopplad till flera förbrukare gör att den hela tiden måste gå med så högt tryck som förbrukaren med högst tryckkrav kräver. I detta fall är det terpentinkylaren på plan +129,18 som begränsar trycket. Dock så är denna ventil helt eller nästan helt stängd hela tiden. Den andra kallvattenförbrukaren på linje 4, kokarkylaren 3210=2081, har tillskott av kallvatten men ventilen är i normala fall endast öppen 15-20 %.
4.4 Energiåtgång i nuvarande system
En översikt av pumparna och deras beräknade energiåtgång visas i Tabell 2. Energiåtgång Flöde [l/min] Tryckdifferens [mvp] Verkningsgrad, η Energiåtgång [MWh/år] Kostnad [kr/år] Startpump "3565-3004" 10290 31,8 55% 800 400000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" 2083 24,0 28% 240 120000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" 6680 13,8 65% 190 100000 Total 1230 620000
Tabell 2. Pumpar med respektive data och energiåtgång
För att beräkna energiåtgång för systemets pumpar i Tabell 2 har nedanstående formler använts17:
16 Muntligt enl. Jan Hellström 2010-05-25 17
14 (1): Pteor Qp och (2): pvattengH samt pumpens η ger (3):
g H
Q
P vatten teor
P , pumpens teoretiska effekt [W] Q , Flödet genom pumpen [m3/s]
p
, Pumpens tryckhöjning [Pa] H, Vätskepelarhöjd [m]
g, tyngdaccelerationen (9,82 m/s2) , pumpens verkningsgrad (enl. Bilaga 2, Pumpdata samt Bilaga 4, Beräkningar av verkningsgrader)
För startpumpen finns ett tryck innan på ca 11 mvp då skrubbervattentanken, från vilken vattnet pumpas, står 6 meter över pumpens inlopp och har en ungefärlig vattennivå på 5 meter. Trycket efter startpumpen har uppmätts till 43 mvp (4,1 bar). För pumpen 3120=3013 har trycket efter mätts upp med manometer till 47,8 mvp (4,6 bar) medan trycket innan pumpen beräknats med hjälp av PumpAnalys till 23,8 mvp. För pumpen 3210=3078 har trycken kunnat mätas med manometer både före och efter, dessa var 3,4 bar (ca 35 mvp) samt 4,7 bar (48,8 mvp).
Den högsta energianvändningen återfinns hos startpumpen, detta beror på att det är både högst
tryckökning och högst flöde här. Det som redovisas i tabellen som tryckdifferens är alltså tryckökningen över pumpen, vilken är avgörande för energiåtgången. Trycket efter pumpen beror på det tryck som finns innan pumpen samt denna tryckökning. Värt att notera i tabellen är de genomgående låga
verkningsgraderna hos pumparna och då speciellt hos tryckförstärkarpumpen på linje 3 3120=3013 vilken endast har 28 % verkningsgrad.
15
5 Åtgärder
Det som eftersträvats är att höja pumparnas verkningsgrader samt att sänka trycket vid startpumpen, där ett stort flöde finns och därför ger en trycksänkning här störst energibesparing. Detta går att uppnå genom att byta ut gamla och slitna pumpar till nya samt genom att montera en eller flera
tryckförstärkningspumpar på flöden som är lägre. Dessa kräver inte lika stort energitillskott för samma tryckhöjning som det höga startflödet gör
Förslag till förbättringar och effektiviseringar av sekundärvärmesystemets pumpar har delats upp på tre förslag; Effektiviseringsförslag 1, Effektiviseringsförslag 2 och Effektiviseringsförslag 3. Det första förslaget går ut på att pumparna byts ut till pumpar som är avsedda för sina respektive driftsfall samt har bra verkningsgrad inom dessa områden. Förslag 2 går ut på att tryckdifferensen över startpumpen skall sänkas med hjälp av montering av extra tryckförstärkarpumpar. Förslag 3 är likt förslag 2 men mer omfattande förslag både vad det gäller effektivisering och investering.
5.1 Effektiviseringsförslag 1
Effektiviseringsförslag 1 går ut på att pumparna 3565=3004 (den stora startpumpen), 3120=3013 (tryckförstärkarpump till linje 3) och 3210=3078 (tryckförstärkarpump till linje 4) byts ut.
Utbytesförslaget grundar sig på att de mätningar som gjorts visar på att pumparna levererar under, i vissa fall långt under, de tryck och flöden som finns specificerade i
Bilaga 2, Pumpdata. Detta visas även i 4.4 Energiåtgång i nuvarande system, där de olika pumparnas verkningsgrader finns redovisade.
5.1.1 Energiåtgång i effektiviserat system
Energiåtgång Flöde [l/min]
Tryckdifferens [mvp] Verkningsgrad, η Energiåtgång [MWh/år] Kostnad [kr/år] Startpump "3565-3004" 10290 31,8 85% 520 260000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" 2083 24,0 85% 80 40000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" 6680 13,8 85% 150 75000 Total 750 375000
Tabell 3. Pumpar med respektive data och energiåtgång efter effektiviseringsförslag 1
Tabell 3 ovan visar på den energiåtgång samt energikostnad som uppstår om ljumvattenpumparna byts ut till pumpar med en verkningsgrad på 85 %. Verkningsgraden för pumparna är antagen utifrån bästa värden i pumpkurvor i Bilaga 2, Pumpdata” och får anses som ungerfärliga.
5.1.2 Besparing
Tabell 4 visar att energibesparingen vid ett byte av pumpar skulle uppgå till ca 490 MWh/år och motsvara en ekonomisk besparing på ca 245 000 kr/år. Denna besparing kan uppnås vid investering i nya effektiva pumpar utan att behöva ändra på nuvarande tryck och flöden i systemet. Besparing Minskning av tryckdifferens [mvp] Energibesparing [MWh/år] Besparing [kr/år] Startpump "3565-3004" 0 280 140000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" 0 160 80000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" 0 40 20000 Total 480 240000
16
Tabell 4. Besparing av energiåtgång och energikostnad efter effektiviseringsförslag 1. Jämförelse med nuläget
5.2 Effektiviseringsförslag 2
För att kunna genomföra ytterligare besparingar krävs att tryckförändringar görs i systemet, för att kunna utläsa var eventuella tryckförstärkarpumpar bör placeras har grafiken från pumpanalys (se
Bilaga 1) studerats. Utifrån denna kan man då programmet körs utläsa vilken ström som är dimensionerande för en viss pump, i det här fallet gick det endast att göra mindre justeringar av tryckförstärkarpumparna på linje 3 och 4 innan ström 49 och 53 (till låkcisternerna) blev
dimensionerande för trycket från startpumpen. Därför placeras en tryckförstärkarpump innan dessa strömmar för att på så vis kunna sänka trycket vid startpumpen.
5.2.1 Energiåtgång i effektiviserat system
Energiåtgång Flöde [l/min] Tryckdifferens [mvp] Verkningsgrad, η Energiåtgång [MWh/år] Kostnad [kr/år] Startpump "3565-3004" 10290 27,8 85% 450 230000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" 2083 30 85% 100 50000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" 6680 17 85% 180 90000
Ny Tryckförstärkarpump till låkcisterner 500 5 85% 4 2000
Total 734 372000
Tabell 5. Pumpar med respektive data och energiåtgång efter effektiviseringsförslag 2.
Beräkningar i Tabell 5 har genomförts på samma sätt som i föregående energiåtgångstabeller (tabell 3 och 4) och med samma värde för vattnets densitet.
Värt att notera i Tabell 5 ovan är att den större tryckökningen hos de båda tryckförstärkarpumparna samt den extra tryckförstärkarpumpen till låkcisternerna ger en enskilt ökad energiåtgång. Det är emellertid så att den totala energiåtgången för systemet sänks. Detta beror på den trycksänkning som kan göras i startpumpen samt de förbättrade verkningsgraderna vilka tillsammans leder till större minskning av energianvändning än vad antalet pumpar och deras energiåtgång leder till ökning.
5.2.2 Besparing
Den totala besparingen vid effektiviseringsförslag 2 blir ca 250 000 kr/år i minskad energikostnad. För att uppnå besparingen i Tabell 6 krävs en nyinvestering i pumpar, för att erhålla ökad verkningsgrad vilket står för den största besparingen i effektiviseringsförslag 2. Besparingen för trycksänkningen i systemet är 7 MWh motsvarande ca 3500 kr. Besparing Minskning av tryckdifferens [mvp] Energibesparing [MWh/år] Besparing [kr/år] Startpump "3565-3004" 4 350 170000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" -6 140 70000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" -3 10 5500
Ny Tryckförstärkarpump till låkcisterner -5 -4 -2000
Total -10 496 243500
Tabell 6. Besparing av energiåtgång och energikostnad efter effektiviseringsförslag 2. Jämförelse med nuläget. Negativa siffror innebär en ökning gentemot nuläget.
17
5.3 Effektiviseringsförslag 3
Detta effektiviseringsförslag går ut på att, förutom åtgärder föreslagna i Effektiviseringsförslag 2, även montera en tryckförstärkarpump till filter 3 och filter 6 i blekeri 3. När detta gjorts visar PumpAnalys att det inte längre är strömmarna till filtren som är dimensionerande för systemet, istället är det strömmarna kopplade till förstärkarpump 3120=3013 och 3210=3078 som blir dimensionerande. Detta betyder att tryckdifferensen kan ökas ytterlige över dessa pumpar vilket i sin tur medför en sänkning i
tryckdifferensen hos startpumpen 3004. Dock finns en begränsning för hur mycket tryckdifferensen kan ökas hos tryckförstärkarpumparna, det måste vara ett visst tryck in i pumparna för att inte kavitation skall uppstå. Det krävda intrycket till pumpen kan avläsas från pumpkurvor i Bilaga 2, Pumpdata och beror på flödet genom pumpen. På kurvorna kallas detta tryck för NPSH (Net Positive Suction Head). I detta fall är det lägsta NPSH, alltså intrycket, som finns i systemet ca 9 mvp, detta innan pump 3013. Enligt pumpkurvan för pumpen så krävs ett NPSH på minst 5 mvp (enl. Bilaga 2, Pumpdata”Pump
3120=3013”). Anledningen till att ett NPSH på 9 mvp har valts istället för 5 mvp är att det kan vara bra att ha en marginal att gå på om några förändringar måste göras.
5.3.1 Energiåtgång i effektiviserat system
Energiåtgång Flöde [l/min] Tryckdifferens [mvp] Verkningsgrad, η Energiåtgång [MWh/år] Kostnad [kr/år] Startpump "3565-3004" 10290 12 85% 190 95000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" 2083 23 85% 75 38000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" 6680 29 85% 300 150000
Ny Tryckförstärkarpump till låkcisterner 500 10 85% 2 940
Ny tryckförstärkarpump filter 3 och 6 3940 7 85% 45 22000
Total 612 306000
Tabell 7. Pumpar med respektive data och energiåtgång efter effektiviseringsförslag 3.
Även Tabell 7 har beräknats lika som Tabell 2, Tabell 3 och Tabell 5. I likhet med Tabell 5 får
verkningsgraderna anses ungefärliga. Observera att det är tryckdifferens som anges och inte trycket efter pumpen, för startpumpen är trycket i detta fall 15 mvp efter pumpen.
Här gäller i likhet med effektiviseringsförslag 2 att en större besparing erhålls. I detta fall har ytterligare en tryckförstärkarpump adderats, vilket leder till ökad enskild energiåtgång men minskad energiåtgång för det totala systemet.
5.3.2 Besparing
Den totala ekonomiska besparingen som fås ut av effektiviseringsförslag 3 är ca 300 000 kr/år, vilket ses i Tabell 8 nedan. Av den totala besparingen står tryckförändringen i systemet för ca 60 000 kr resterande besparing kommer från verkningsgradsökningen i effektiviseringsförslag 1.
Besparing Minskning av tryckdifferens [mvp] Energibesparing [MWh/år] Besparing [kr/år] Startpump "3565-3004" 20 600 304000 Tryckförstärkarpump "3120-3013" 1 170 82000 Tryckförstärkarpump "3210-3078" -15 -120 -58000 Ny Tryckförstärkarpump till låkcisterner -5 -2 -2000
Ny tryckförstärkarpump filter 3 och 6 -7 -45 -22000
Total -6 603 304000
Tabell 8. Besparing av energiåtgång och energikostnad efter effektiviseringsförslag 3. Jämförelse gjord med nuläget. Negativa siffror innebär en ökning gentemot nuläget.
18 Av den besparing som görs hos startpumpen står minskningen av tryckdifferens för ca 327 MWh/år motsvarande 163 500 kr. Dessvärre går en stor del av besparingen som görs hos startpumpen förlorad pga. effektökningen hos befintliga förstärkarpumpar samt införskaffande av ytterligare pumpar.
5.4 Övriga åtgärder
Det finns ett antal åtgärder som inte har tagits upp i ovanstående effektiviseringsförslag. De två främsta anledningarna till detta är:
1 De genererar väldigt låga besparingar
2 De kräver noggrannare undersökningar av systemets flöden
Till den första kategorin hör varvtalsreglering av kallvattenpumpen 3120=3022 som levererar kallvatten till terpentinkylarna på linje 3. För att kunna beräkna en eventuell besparing måste noggrannare
mätningar av pumpen göras. Detta har inte kunnat göras då det inte finns möjlighet att mäta tryck vid pumpen. Den totala energiåtgången för pumpen har i nuläget beräknats till ca 32 MWh motsvarande 17 000 kr vilket ses i tabell 9. Tryckdifferensen har antagits till 23 mvp utifrån driftpunkten på pumpkurvan i Bilaga 2, Pumpdata. Detta kan skilja sig mot verkligheten varför vidare analys av tryckförhållandet vid pumpen bör göras innan eventuella åtgärder.
Energiåtgång Flöde [l/min] Tryckdifferens [mvp] Verkningsgrad, η Energiåtgång [MWh/år] Kostnad [kr/år] Kallvattenpump "3120=3022" 417 23,0 40% 32 17000
Tabell 9. Beräkning av energiåtgång och energikostnad för kallvattenpump 3120=3022
Till den andra kategorin hör ventilers öppningsgrader. I dagsläget regleras systemet utifrån tryck- och temperatur med hjälp av ventiler, dessa öppningsgrader har inte ändrats i effektiviseringsförslagen. En förändring skulle kunna ge mer optimerade tryck och flödesförhållanden och det skulle på detta vis gå att ytterligare effektivisera ingående pumpar.
19
6 Diskussion
Sekundärvärmesystemet är ett komplext system som påverkas av en rad olika faktorer. Temperaturförändringar på exempelvis terpentin leder till att tryck och flöden förändras i den
ljumvattengren som kyler terpentin. Denna förändring påverkar även resterande delar av systemet, sker flera sådana förändringar resulterar det i tryck- och flödesförändringar i hela systemet. Det skulle gå att göra en mängd olika driftfall med olika öppningsgrader på olika ventiler och olika flöden. För att genomföra detta skulle flöden för alla dessa driftfall behöva vara kända vilket de i dagsläget inte är, något som begränsar möjligheten till effektivisering.
Då flera kylare placerade på olika våningsplan är kopplade till en och samma pump kommer tryck att behöva strypas bort vid den kylare som finns längst ned. Detta leder till onödiga strypförluster som skulle kunna undvikas om varje kylare hade en individuell pump, eller att kylarna delades in efter höjdplacering istället för efter vilken produktionslinje de tillhör. Problemet som uppstår med individuella pumpar är höga investerings- och underhållskostnader. Med höjdplaceringsindelning skulle flera kylare kunna vara kopplad till en och samma pump utan större strypförluster. Problemet med att inte dela in kylarna efter produktionslinje blir vid olika driftsfall på linje 3 och 4, då stora strypförluster erhålls. Det finns fler fall av indelningsproblematik i systemet, exempelvis med låkcisternerna i sodahuset vilka finns placerade 30 meter över markplan. Flöde går i normala fall inte hit varför det finns en onödigt hög trycknivå i
ljumvattensystemet vilken inte utnyttjas. Låkcisternerna kanske skulle kunna ingå i ett annat system beroende på vilka system som finns representerade på respektive våning. Det vore en intressant fortsättning att se vilka andra vattenflöden som finns i närheten av det som studerats. Om det finns förbrukare med olika krav på trycknivå skulle det vara möjligt att skapa ett lågtryckssystem för förbrukare med lägre krav på tryck samt ett högtryckssystem. Detta skulle leda till ett lägre flöde i högtryckssystemet samt ett lägre tryck i lågtryckssystemet vilket leder till en energibesparing.
Ljumvattenpumparna i det analyserade systemet går i stort sett med samma utflöde hela tiden, varför det inte är lönsamt att varvtalsreglera dessa. Kallvattenpumparna har däremot en mer varierat drift, men dessa pumpar är mindre och kräver inte så mycket energi så att reglering är lönsam. Dessutom går det inte att reglera pumparna mer än vad den förbrukare som är placerad längst upp (störst tryckförlust på vägen) kräver, då denna kylare blir dimensionerande för pumpens tryckhöjning.
Effektiviseringsförslag 2 leder i princip inte till någon mer energibesparing än vad förslag 1 gör trots att en extra tryckförstärkarpump installeras. Detta gör att förslag 2 inte bör genomföras utan fokus bör i första hand ligga på effektiviseringsförslag 1 eller alternativt effektiviseringsförslag 3. Det senare kräver något större investering, men generar även större besparing.
6.1 Förslag till fortsatt arbete
För vidare arbete med PumpAnalys bör system med övervakning av tryck och flöden väljas för att minska arbetstiden och för att få ett säkrare resultat. System med stora flöden och högre tryck ger större utrymme för effektiviseringar. Programmet går med fördel att användas för att analysera massaflöden då det finns en funktion för att ange fiberkoncentrationen i flödet.
Då det finns flertalet pumpsystem på fabriken ser vi stora möjligheter för energibesparingar fortsatt kartläggning och analys med PumpAnalys. Programmet går att använda även vid nyprojektering av system för att på så vis kunna dimensionera ingående komponenter.
20
7 Slutsats
I dagsläget ligger den stora besparingspotentialen i pumparnas låga verkningsgrader varför fokus för effektivisering av sekundärvärmesystemet är utbyte av gamla pumpar.
Energiåtgången redovisad i figur 8 för de olika systemalternativen ser ut som följande:
Nuläget:1230 MWh/år
Effektiviseringsförslag 1: 740 MWh/år
Effektiviseringsförslag 2: 735 MWh/år
Effektiviseringsförslag 3: 620 MWh/år
Av detta framgår det tydligt att skillnaden mellan Effektiviseringsförslag 1 och 2 är väldigt liten, förslag 2 är alltså inget ekonomiskt försvarbart altenativ för att effektivisera systemet, då förslaget kräver att ytterligare en pump köps in. I ett fall där Effektiviseringsförslag 3 genomförs kommer besparingen att uppgå till ca 50 % av nuvarande energianvändning i systemet. Dock står tryckförändringen endast för ca 130 MWh/år (ca 20 %) av besparingen medan verkningsgradsförbättringar hos pumparna står för
resterande del vilket syns i Figur 10 och 11. Även förslag 3 kräver nyinvestering i pumpar men resultatet av detta leder här till ytterligare besparing något som inte är fallet med förslag 2.
Figur 10. Till vänster: Energiåtgång i de olika effektiviseringsförslagen. Till höger: Andelen besparing av respektive besparingsåtgärd i förslag 3.
För att kunna optimera systemet ytterligare krävs bättre övervakning av tryck och flöden, något som i dagsläget är svårt att överblicka. För att större åtgärder skall kunna beräknas krävs att mätdata samlas in noggrannare och under längre tidsperioder, det här i dagsläget endast varit möjligt att få vissa
temperaturer åskådliggjorda på ett dylikt vis. Att få tillgång till sådana mätdata skulle innebära att systemets olika driftfall skulle gå att klargöra och en eventuell ytterligare effektivisering skulle då kunna upptäckas. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 En e rg iåtgån g M Wh/ år
Energiåtgång
Nuläge Effektiviseringsförslag 1 Effektiviseringsförslag 2 Effektiviseringsförslag 3 80% 20%Effektiviseringsförslag 3
Besparing från verkningsgradsförbättring Besparing från tryckdiff. minskning22
8 Referenser
8.1 Litteratur
Storck Karl mfl. 2007. Formelsamling i termo- och fluiddynamik. Linköpings tekniska högskola, s.77 Nygaard Johan. 1990. Energikompendium för massa- och pappersindustrin. Sveriges
skogsindustriförbund, Markaryd, s. 73.
Franzén Thomas, Lundgren Sivert. 2002. Elkraftteknik. Upplaga 1:4. Studentlitteratur, Malmö, s. 138
8.2 Elektroniska källor
Energistatistik och beskrivning av kemikalieåtervinning från: ”Teknisk presentation av Iggesunds bruk” samt ”Processbeskrivning” hämtade från Iggesunds bruks intranät.
Programmet PumpAnalys samt bakomliggande rapport:
www.värmeforsk.se/rapporter Rapportnummer 1065 (2010-03-08)
8.3 Bildkällor
Framsida: http://www.iggesundpaperboard.com/main.aspx?ID=061B9304-B46F-4A95-BB49-0CFD0B0291F1 2010-05-31
8.4 Muntliga källor
Klas Simes, energisamordnare
Jan Hellström, blockchef massablocket Åke Malm, vik. blockingenjör lutblocket Roy Enros, operatör
24
1 Bilagor
1.1 Bilaga 1
25
26
27
1.2 Bilaga 2, Pumpdata
1.2.1 Pump 3565=300428
29
30
31
32
1.3
Bilaga 3, Övervakningsbilder
1.3.1 Översiktsbild sekundärvärmesystemet
33
1.3.3 Tunnlutkylare på linje 3
34
1.3.5 Tunnlutkylare på linje 4
35
36
1.5 Bilaga 4, Beräkningar av verkningsgrader
Verkningsgrad för pump 3120=3013 beräknat utifrån de två driftspunkterna angivna i pumpkurva, Bilaga 2, Pumpdata ”Pump 3120=3013” samt jämförda med den uppmätta effekten.
Driftpunkt 1:
Flödet:Q1125m3/h0,03m3/s Tryckökning: p120mvp192472Pa
Teoretisk effekt: Pteor1Q1p1 Pteor10,03192472Pteor1 6,7kW Driftpunkt 2:
Flödet:Q1Q2125m3/h0,03m3/s Tryckökning: p2 45mvp433062Pa
Teoretisk effekt: Pteor2Q2p2 Pteor2 0,03433062 Pteor2 15,0kW enligt pumpkurvan i driftpunkt 2: 60%verklig effekt Pteor 25kW
6 , 0 15 2
Uppmätt ström förbrukning hos elmotorn var vid mättillfälle 2010-05-24 till 32 A vilket ger den tillförda effekten: cos 3 . H L tillf U I P 18 Ptillf. 3500320,85Ptillf. 23,5kW
Där: U =Huvudspänningen, 500V. H I = Linjeströmmen, 32 A. L cos= Effektfaktorn, har antagits vara 0,8519
Av den senare beräkningen går det att utläsa att pumpen drar ström som om den skulle ge det högre trycket i driftpunkt 2. Verkningsgraden i driftpunkt 1 blir med ovanstående siffror till grund:
tillf teor P P 1 1 kW kW 5 , 23 6 , 6 1 1 28%
Verkningsgrad för pump 3565=3004 beräknat utifrån de två driftspunkterna angivna i pumpkurva, Bilaga 2, Pumpdata ”Pump 3565=3004” samt jämförda med den uppmätta effekten.
Driftpunkt 1:
Flödet:Q1630m3/h0,175m3/s Tryckökning: p131,8mvp299293Pa
Teoretisk effekt: Pteor1Q1p1 Pteor1 0,175299293 Pteor152,4kW Driftpunkt 2:
Flödet:Q2 840m3/h0,233m3/s Tryckökning: p2 p131,8mvp299293Pa
Teoretisk effekt: Pteor2Q2p2 Pteor2 0,175299293Pteor269,8kW enligt pumpkurvan i driftpunkt 2: 76%verklig effekt Pteor 91,8kW
6 , 0 15 2
Uppmätt ström förbrukning hos elmotorn var vid mättillfälle 2010-05-20 till 130 A vilket ger den tillförda effekten: cos 3 . H L tillf U I P 20 Ptillf. 35001300,85Ptillf. 95,7kW Där: U =Huvudspänningen, 500V. H I = Linjeströmmen, 130 A. L
cos = Effektfaktorn, antagits vara 0,8521.
Av den senare beräkningen går det att utläsa att pumpen drar ström som om den skulle ge det högre trycket i driftpunkt 2. Verkningsgraden i driftpunkt 1 blir med ovanstående siffror till grund:
18 Franzén Thomas, Lundgren Sivert. Elkraftteknik s. 138 19 Muntligt Klas Simes 2010-05-20
20 Franzén Thomas, Lundgren Sivert. Elkraftteknik s. 138 21
37 tillf teor P P 1 1 kW kW 7 , 95 4 , 52 1 1 55%
38
1.6 Bilaga 5, PumpAnalys
Nedan redovisas beskrivning av strömmarna i samtliga fall samt beräkningslistor för tryckfall och nodförteckning som visar hur strömmarna är sammankopplade i de olika fallen. Tabellerna är hämtade från programmet PumpAnalys.
1.6.1 Nuläge Strömbeskrivning Strömnr: 1 Flöde [l/min] : 10290 Konc [%]: CSF: Beskrivnin g Rörläng d [m] Höjdski llnad [m] Din [m]
Övrigt Antal ∆H(statis
k) [mvp] ∆H(engångsf örlust) [mvp] ∆H(dynamisk) [mvp] ∆H(ventil) [mvp] ∆H(total) [mvp] Eget tryckfall (mvp) -43 0 -43 0 0 -43 Ny ström 0 0 0 0 0 Summa: 0 -43 0 0 -43 Strömnr: 2 Flöde [l/min] : 10290 Konc [%]: CSF: Beskrivnin g Rörläng d [m] Höjdski llnad [m] Din [m]
Övrigt Antal ∆H(statis
k) [mvp] ∆H(engångsf örlust) [mvp] ∆H(dynamisk) [mvp] ∆H(ventil) [mvp] ∆H(total) [mvp] Vridspjällsventil 0,3 90 0 0 0 0,36995984 5 0,36996 Rör, rakt 9,45 3,8 0,3 3,8 0 0,129918174 0 3,929918 Böj 0,3 90 3 0 0,3600358 0 0 0,360036 Böj 0,3 45 1 0 0,0848613 0 0 0,084861 Ny ström 0 0 0 0 0 Summa: 3,8 0,4448971 0,129918174 0,36995984 5 4,744775 Strömnr: 3 Flöde [l/min] 200 Konc [%]: CSF:
