Energioptimering av SSAB:s Kraftverk i Oxelösund
Pinchanalys på det befintliga ångsystemet
Energy optimization of SSABs Power plant in Oxelösund Pinch analysis of the integrated steam system
Javad Fayazi
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Civilingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik Examensarbete 30 hp
Handledare: Magnus Ståhl, Intressent:Thorsten Dormann Examinator: Roger Renström
Juni 2018
Sammanfattning
I Oxelösund finns en fullskalig produktionsanläggning, från metallurgi med framställning av stål till valsning, formatering och härdning av plåt. SSAB Oxelösund tillverkar världskända varumärken såsom Hardox som anses vara ett av världens mest avancerade stål. SSAB har som mål att förbättra sin energieffektivitet genom att ta till vara på överskottsvärmen för att minska behovet av köpt energi, både när det gäller bränsle och elektricitet. Idag använder SSAB Oxelösund överskottsvärmen (hyttgas, koksgas och varmvatten) internt och även som tillskottsbränsle i fabrikens kraftverk för produktion av el och fjärrvärme. Den producerade fjärrvärmen och elen används sedan internt och skickas också till Oxelösunds fjärrvärmenät och elnätet. Ett sätt att uppnå SSAB:s mål gällande energieffektivitet är att utföra energioptimering av fabrikens befintliga kraftverk.
Syftet med examensarbetet vid SSAB:s kraftverk är att identifiera möjligheter och hinder för återvinning av överskottsvärme på det befintliga ångsystemet med hjälp av pinchanalys. Detta för att öka elproduktionen i företagets kraftstationsanläggning. Målet är att ta fram ett flödesschema utifrån kraftverkets kartläggning för den befintliga anläggningen. Målet är också att, genom implementering av pinchanalys över det befintliga värmeväxlarnätverket, ta fram förbättringsförslag gällande energiförbrukning i kraftverk som leder till ökad elproduktion samt hur dessa förändringar ska kunna ske i praktiken.
Examensarbetet har utförts hos SSAB och nödvändiga data för analysen har tagits fram med hjälp av databasen IP21, vilket består av loggade data samt uppmätta data med två olika termometrar. Utifrån de data som tagits fram har en pinchanalys utförts för att utreda hur värmeväxling sker i anläggningen och därefter framkommer hur optimerad värmeväxlingen är. Ur pinchanalysen har det framkommit pinchöverträdelser som består av att det sker värmeväxling av strömmar över pinchen med strömmar under pinchen och vice versa med 1.5 MW.
Möjliga åtgärder för att optimera och eliminera pinchöverträdelser har utretts bland annat i värmeväxlarna på OK2. OK2 består av panna 1 och 2 som används för produktion av processånga och fjärrvärme. Högvärdig 5 bars ånga som används i nuvarande OK2 för fjärrvärmeproduktion kan utnyttjas till att göra ett mekaniskt arbete i högtrycks-turbinen inne på OK3. Därefter kan avtappningsångan återanvändas för fjärrvärmeproduktion. OK3 består av hög- och lågt-trycksturbin samt värmekondensorn för fjärrvärmeproduktion. Det föreslagna förbättringsförslaget innebär att hela fjärrvärmeproduktionen ska ske med avtappningsånga, både i värmekondensorn och även föras till OK2:s värmeväxlaren.
Förändringsförslaget resulterar i en minskning av entropigenerering och ökning av exergi-utvinning, vilket innebär ökad elproduktion på 2.8 MW jämfört med nuvarande driftfall. Med antaganden att fjärrvärme kostar 0.22 kr/MWh och el kostar 1 kr/MWh så ger den uppgraderade OK3.2 en extra intäkt på 33 kr/MWh inmatad bränsle. Genomförande av förändringsförslaget bedöms öka anläggningens energieffektivitet överlag och medför ekonomiska fördelar. Utifrån diskussioner med driftteknikerna kräver en eventuell förändring inte så stor investering.
Abstract
In Oxelösunds there is a complete production facility, from metallurgy with the production of steel to rolling, formatting and hardening of sheet metal. SSAB Oxelösunds is producing world-famous trademarks such as Hardox, which is considered one of the world’s most advanced steel. SSAB has a goal to improve its energy efficiency by taking advantage of excess heat to reduce the demand of purchased energy, both in terms of fuel and electricity. Today SSAB Oxelösunds uses excess heat (blast furnace gas, coke gas and hot water) internally and also as additional fuel in the company’s power plant for electricity generation and district heating. The district heating and electricity are used internally and are also sent to Oxelösunds district heating network and the grid. One way to achieve SSAB’s energy efficiency goals is to perform an energy optimization of the factory’s existing power plant. The purpose of the thesis at SSAB’s power plant is to identify opportunities and for recovering excess heat from the existing steam system using Pinch analysis. This is done to increase electricity generation in the factory’s power plant. The aim is to produce flowchart for the existing plant based on an energy survey done on the power plant. The goal is also, by implementation of Pinch analysis over the existing heat exchanger network, to present changes to reduce energy consumption in the power plants that lead to increased power generation and how these changes can be made in practice.
The thesis has been done at SSAB and the necessary data for the analysis has been developed using the IP21 database, which consists of logged data and as well as measured data with two different thermometers. Based on the generated data, a pinch analysis has been performed to investigate how heat exchange occurs in the plant which reveals how optimized the exchange of heat is. The pinch analysis has shown pinch violations consisting of heat exchange of streams over the pinch with streams under the pinch and vice versa by 1.5 MW. Possible measures to optimize and eliminate pinch violations have been investigated in the OK2 heat exchanger.
OK2 consist of two boilers, 1 and 2, which is used for production of process steam and district heating. By using the high-grade 5 bar steam which is used in the current OK2 for district heating production to do a mechanical work in the high- pressure steam turbine in OK3 and then the condensed steam from the turbine can be reused for district heating production. OK3 consists of high and low-pressure steam turbine and district heat condenser. The suggested improvement means that the entire district heating production should be done by the condenses steam from turbine, both in the district heat condenser in OK3 and the heat exchanger in OK2.
The improvement suggestion lead to a decrease in entropy generation and an increase in exergy recovery, which means increased electricity production of 2.8 MW compared with the current operation. Assuming that district heating costs 0.22 kr/MWh and electricity costs 1 kr/MWh, the upgraded OK3.2 gives an extra income of 33 kr/MWh per fed fuel. The implementation of the improvement suggestion is expected to increase the overall energy efficiency of the plant, resulting in economic benefits. Based on discussions with operating technicians in the power plant, a possible change does not require major investment either.
Förord
I denna rapport sammanfattas ett examensarbete utfört på Kraftverk i SSAB Oxelösund. Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng till civilingenjörsprogrammet inom Energi- och Miljöteknik på Karlstads Universitet.
Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.
Inledningsvis vill jag framföra ett tack till ansvariga vid SSAB Oxelösund kraftverk som lät mig genomföra examensarbetet. Därtill vill jag tacka intresset Thorsten Dormann, processingenjör på kraftverket, som funnits till hands och bistått med hjälp då det varit möjligt. Ett stort tack till drifttekniken Mikael Hyvönen, Pasi Syrjänen och Per-Åke Gustafsson samt övriga personer på kraftverket som hjälpt mig på plats i fabriken.
Slutligen vill jag framföra ett stort tack till min handledare Magnus Ståhl på Karlstads universitet som bidragit med synpunkter under arbetets gång.
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ...1
1.2 Syfte och mål ...2
1.3 Avgränsningar ...2
2 Värmeväxling och pinchanalys ... 3
2.1 Värmeväxlare...3
2.1.1 NTU-Metod ... 5
2.2 Konceptet pinchanalys ...5
2.2.1 Bestämning av DTmin ... 8
2.3 Värmeväxlarnätverk ... 10
2.4 Pinchanalys i praktiken ... 11
3 Systembeskrivning SSAB i Oxelösund ... 12
3.1 SSAB:s Kraftverk ... 13
3.1.1 OK2 ... 14
3.1.2 OK3 ... 15
3.1.3 Bränsletillgångar ... 16
3.2 Ångnätverk och ångdistribution ... 16
3.2.1 Fjärrvärme ... 17
4 Metod ... 19
4.1 Tillvägagångssätt ... 19
4.2 Framtagning av data ... 19
4.2.1 Olika källor för data ... 20
4.2.2 Egna mätningar ... 20
4.3 Antagande och framställning av data ... 21
4.3.1 Värmeväxlarna på OK2 och OK3 ... 21
4.3.2 Fördelning av strömmar ... 23
4.4 Programmet Pro_pi ... 24
4.4.1 Bakomliggande teorin för programvaran... 25
4.5 Metod för känslighetsanalys ... 28
5 Resultat ... 29
5.1 Presentation av strömdata ... 29
5.2 Resultat av Pinchanalysen ... 30
5.2.1 Externt kyl- och värmebehov ... 31
5.2.2 Identifierat värmeväxlarnätverk och pinchöverträdelser ... 32
5.3 Känslighetsanalys ... 33
5.4 Möjliga åtgärder ... 36
6 Diskussion ... 41
6.1 Framtagning av strömdata ... 41
6.2 Resultat av pinchanalys ... 42
6.3 Diskussion av åtgärdsförslag ... 43
7 Slutsatser ... 45
8 Fortsatt arbete ... 46
9 Referenser ... 47
1 1 Inledning
Detta arbete har genomförts som ett examensarbete motsvarande 30 högskolepoäng på avancerad nivå inom programmet Civilingenjör Energi- och Miljöteknik vid Karlstad Universitet. Arbetet har utförts på SSAB:s Kraftverk i Oxelösund.
1.1 Bakgrund
Koncentrationen av växthusgaser i atmosfären har ökat till nivåer utan motsvarighet under de senaste åren. Ökade koncentrationer av växthusgaser leder till global uppvärmning vilket i sin tur resulterar i klimatförändringar. Omkring en tredjedel av all energianvändning i Sverige går åt till produktion inom olika industrier, där några få branscher står för en stor andel. Bland dessa branscher finns järn- och stålindustri som har näst störst energianvändning i Sverige, främst baserat på fossila bränslen. Detta motsvarar en tredjedel av den totala industrins koldioxidutsläpp i Sverige (T. M. Johansson, 2013). Under senare år har trycket på klimatfrågor ökat allt mer och för att bromsa klimatförändringarna har bestämda mål satts. Europeiska unionen (EU) har satt upp ett energi- och klimatmål för 2050 som innebär att i jämförelse med år 1990 ska växthusutsläppen ha minskat med 80–
90%. För att uppnå EU:s mål så krävs bland annat minskad förbrukning av fossila bränslen och energieffektiviseringsåtgärder (Viklund Broberg & Johansson, 2014).
Energieffektiviseringsåtgärder innefattar återvinning av processgaser, ånga och varmvatten som kan utnyttjas till andra delar av industrins processer.
Stål tillverkas huvudsakligen på två sätt, järnmalmsbaserad och skrotbaserad stålproduktion. Förädlingen av järnmalm sker i huvudsak via masugnsprocessen (BF-BOF). Där förbrukas i stort sett koks och kol som bränsle i masugnen.
Däremot sker skrotbaserad stålproduktion (DRI-EAF) i ljusbågsugn, där används i princip elektrisk energi för smältning av skrot och järnsvamp. Den sistnämnda tillverkas genom att vid lägre temperaturer avlägsna järnmalmens syre med hjälp av koldioxid och vätgas framställd ur naturgas. Även här förekommer förbränning av fossila bränslen som stödenergi vid uppvärmningsugnar samt för ångproduktion (M. T. Johansson, 2016). År 2014 stod masugnprocessen för cirka 73.9% av den globala stålproduktionen medan skrotbaserad stålproduktion stod för dryg 25.9%
av världens stålproduktion (He & Wang, 2017).
Järn- och stålindustrin arbetar vid några av de högsta temperaturerna av alla industriella processer, vilket innebära stor tillgänglighet av överskottsvärme. Idag använder stålindustrin en del av överskottsvärmen internt som förvärmning och för kylningsprocesser men det finns fortfarande möjligheter för energieffektivisering genom att använda ett bredare integrerat nätverk av värmeväxling över olika processer inom industrin (McBrien, Serrenho, & Allwood, 2016).
Värmeväxlarnätverken har en betydande roll inom energieffektivisering hos industrier och det är av stor vikt att värmeutbytet är högt för att en hög energieffektivitet ska kunna uppnås. Genom anpassning av det befintliga
2
värmeväxlarnätverket kan värmeutbytet ökas samtidigt som kostnaden för energianvändningen minskas (Bonhivers, Svensson, Berntsson, & Stuart, 2014).
SSAB är en global koncern med cirka 15 000 medarbetare i över 50 länder och med omsättningen 2017 på 66 miljarder. I Oxelösund finns en fullskalig produktionsanläggning, från metallurgi med framställning av stål till valsning, formatering och härdning av plåt. SSAB Oxelösund tillverkar världskända varumärken såsom Hardox som anses vara ett av världens mest avancerade stål.
Förutom i Oxelösund finns stora anläggningar i USA, Finland samt i Luleå och Borlänge i Sverige. SSAB har som mål att förbättra sin energieffektivitet genom att ta vara på överskottsvärmen för att minska behovet av köpt energi, både när det gäller bränsle och elektricitet (SSAB, 2018). Idag använder SSAB Oxelösund överskottsvärmen (hyttgas, koksgas och varmvatten) internt och även som tillskottsbränsle i fabrikens kraftverk för produktion av el och fjärrvärme. Den producerade fjärrvärmen och elen används sedan internt och skickas också till Oxelösunds fjärrvärmenät och elnätet. Ett sätt att uppnå SSAB:s mål gällande energieffektivitet är att utföra energioptimering av fabrikens befintliga kraftverk.
Konceptet pinchanalys är ett sätt som används för processintegration och för att maximera den interna värmeåtervinningen av det befintliga värmeväxlarnätverket.
Implementering av pinchanalys kan leda till ökad elproduktion utan ökning av ångbehovet (Bakhtiari, 2015).
1.2 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet vid SSAB:s kraftverk är att identifiera möjligheter och hinder för återvinning av överskottsvärme på det befintliga ångsystemet med hjälp av pinchanalys.
Målet är att:
• Ta fram ett flödesschema utifrån kraftverkets kartläggning för det befintliga ångsystemet och därefter identifiera varma och kalla strömmar.
• Beräkna pinchtemperaturen för det befintliga ångsystemet och därmed föreslå hur värmeväxling borde ske för att öka återanvändning av överskottsvärmen för att därefter öka elproduktionen.
• Ta fram förändringsförslag på förbättringar gällande energiförbrukning i det befintliga ångsystemet och hur dessa förändringar ska kunna ske i praktiken.
1.3 Avgränsningar
Arbetet fokuserar på värmeväxlarnätverk på kraftverket för vinterperioden och kommer inte vara representativt för hela året. För sommarhalvåret kan flödena i balansen vara annorlunda då fjärrvärmebehovet inte är lika stor på grund av utetemperatur och att även kylningsprocesser kan uppstå. Samtidigt är temperaturen på ingående vattnet högre vilket resulterar i generell minskning av uppvärmningsbehovet.
3
Ingen optimeringsbeskrivning gällande driftsätt av respektive panna eller reduceringsförslag presenteras. Endast en beskrivning av hur de föreslagna förändringsförslagen gällande värmeväxlarnätverk ska kunna genomföras. En ekonomisk beräkning på nya reservdelar och genomgående tekniska lösningar kommer även att presenteras.
2 Värmeväxling och pinchanalys
Att utföra energianalyser på stora industrianläggningar är en komplex uppgift. I grunden består den av olika delprocesser såsom pannor, värmeväxlare, domar, turbiner etc., som kopplas ihop och vid drift fungerar som en enda enhet. Metoden gällande energianalys hos befintliga värmeväxlarnätverk består av tre delar:
identifiering och utvärdering av ineffektivitet i nätverket, möjligheter till modifiering av värmeväxlarnätverket för att höja energieffektivitet samt val av den mest lönsamma operativt genomförbara lösningen. En av de mest använda metoderna inom industrier för energioptimering är pinchanalys (Bonhivers et al., 2014). Pinchanalys är en metodik med vars hjälp komplexa industriella processer kan analyseras i syfte att spara energi och kapital. Pinchanalys är en termodynamisk optimeringsmetod som introducerades under 70-talet och har sedan dess utvecklats till ett användbart verktyg vid processdesign och ombyggnadsprojekt (Kemp, 2007). Pinchanalys är den främsta metoden för processintegration och energioptimering av värmeväxlarnätverk inom processindustrier. I det här kapitlet läggs den grundläggande teorin bakom metodiken pinchanalys och dess samband med värmeväxlare som använts i rapporten. Författaren antar att läsaren har grundläggande kunskaper om termodynamik som inte beskrivs i detalj i rapporten.
2.1 Värmeväxlare
Värmeväxling innebär energiöverföring från ett medium till ett annat. Där drivkraften består av temperaturskillnaden mellan de olika medierna. Medier kan bestå av olika vätskor och gaser. Värmeväxlare anordnar termisk energiöverföring från den varma strömmen till den kalla. Värmeövergångstalen visar respektive värmeväxlares prestanda. Resultatet blir temperatursänkning för den varma strömmen och temperaturökning för den kalla.
Det finns olika typer av värmeväxlare beroende på strömningsriktningen och de kan delas in i två olika typer: medströms respektive motströmsvärmeväxlare. I en medströmsvärmeväxlare strömmar flödena parallellt och har samma strömningsriktning. Den varma strömmens utgåendetemperatur kan aldrig bli lägre än utgåendetemperaturen för den kalla strömmen. Däremot kan strömmarnas utgåendetemperatur komma nära varandra, se Fig. 1(a).
I en motströmsvärmeväxlare strömmar flödena parallellt men däremot har de motsatts riktning till varandra. Även utloppstemperatur för den varma strömmen kan understiga utloppstemperaturen för den kalla strömmen. Men den
4
utloppstempraturen för den kalla strömmen kan inte bli högre än inloppstemperaturen för den varma strömmen, se Fig. 1(b).
Det finns en hel del olika geografiska utformningar av värmeväxlare i marknaden idag. Den vanligaste konstruktionen som förekommer i stora industrier består av Tubvärmeväxlare och Plattvärmeväxlare. En Tubvärmeväxlare består av så kallat tube- och shell sida. Värmeväxling sker genom att det ena mediet flödar inne i tuberna medan det andra mediet flödar utanför tuberna, på shell sidan.
Värmeväxlarens prestanda kan öka genom att öka kontaktsarean mellan flödarna med hjälp av så kallade bafflar som kan sättas i värmeväxlarens shell sida.
Plattvärmeväxlaren består av många korrugerade plåtar som hålls ihop av en övre och en nedre bärstång. Varma och kalla strömmar flödar in i varsin kanal, där varje kall ström är omgiven av två varma strömmar som ger en relativ hög effektivitet.
Konstruktion av värmeväxlaren möjliggör även ökade värmeytor vid behov och är rätt anpassad för värmeväxling mellan två vätskor (Çengel, Ghajar, & Kanoglu, 2011).
Fig. 1. Principiellt utseende av temperaturprofil för medström- och motströmsvärmeväxlare.
Inspiration till bilden har hämtats från (Kemp, 2007).
Den termiska energiöverföringen för strömmande medier i en värmeväxlare kan beräknas enligt (1).
𝑄̇ = 𝑈𝐴&∆𝑇)* (1)
där U[W/𝑚,°C] är värmeöverföringskoefficienten för materialet i värmeväxlare, As
[m2] står för värmeväxlarens yta och ∆Tlm [°C] är den logaritmiska medeltemperaturdifferensen. Den logaritmiska medeltemperaturdifferensen kan beräknas enligt (2).
∆𝑇.* =/01,34506,7895/01,78506,349
.:(<1,34=<6,78) (<1,78=<6,34)
(2)
5
Där 𝑇?,@: [°C] och 𝑇?,AB [°C] är in respektive utloppstemperatur för den varma strömmen medan 𝑇F,@: [°C] och 𝑇F,AB [°C] står för den kalla strömmen. Vid antagande att inga energiförluster sker till omgivningen gäller att den energi som den varma fluiden avger tas upp av den kalla fluiden (Çengel et al., 2011).
2.1.1 NTU-Metod
I fall där alla inlopps- och utloppstemperaturer och flödena inte är kända för att räkna den termiska energiöverföringen med den logaritmiska medeltemperaturdifferensen (LMTD), kan effektivitet-NTU metoden användas.
LMTD-metoden kan fortfarande användas men kan komma att kräva overkliga iterationsberäkningar. NTU-metoden bygger på en dimensionslös parameter kallad värmeöverföringseffektivitet (e) som definieras enligt (3). Metoden kan användas bland annat för att bestämma utloppstemperaturer om inloppstemperatur, massflöde, värmeväxlarens typ och storlek är kända. Metoden är användbar då antingen effektiviteten (e) eller om NTU-värdet är kända (Çengel et al., 2011).
e = ĠĠ
HIJ = KLMF)@NO L:LMN@ö?LMQöM@:N
ROS@*O)O *öT)@NO L:LMN@ö?LMQöM@:N (3)
Den verkliga energiöverföringen (𝑄̇) kan beräknas ur energibalansen för varm eller kall strömmen enligt (4)
𝑄̇ = 𝐶𝑃F(𝑇F,AB− 𝑇F,@:) = 𝐶𝑃?(𝑇?,@:− 𝑇?,AB) (4) Flödenas värmeöverföringskapacitet (CP [kW/°C]) definieras med massflöde multiplicerat med den specifika värmekapaciteten (Cp) för varma respektive kalla strömmen. Den teoretiskt maximala energiöverföringen (𝑄̇*OS) kan beräknas enligt (5)
𝑄̇*OS = 𝐶*@:(𝑇?,@:− 𝑇F,@:) (5)
Där 𝐶*@: [kW/°C] är den minsta av de två flödenas värmeöverföringskapacitet (Çengel et al., 2011).
2.2 Konceptet pinchanalys
Pinchanalys används för att utreda det termodynamiskt optimala sättet att konstruera ett värmeväxlarnätverk på. Metoden går ut på att identifiera energilaster och temperaturer för en definierad process och därmed analysera kyl- och uppvärmningsbehov med hjälp av grafer. Metoden utgår från begreppen entalpi som drivande kraft för att ta fram det optimala sättet att använda och återvinna värmeenergi i ett system där ett antal strömmar ska antigen värmas eller kylas.
Entalpiskillnaden mellan ingående och utgående strömmar i en värmeväxlare talar om hur stor värmeeffekt som överförs i värmeväxlaren. Genom att sätta ett rimligt värde på den drivande kraften, temperaturskillnaden mellan varm och kall sida i värmeväxlare, kommer metodiken pinchanalys att innehålla de värmeväxlare som är realistiska att installera.
6
Inledningsvis i en pinchanalys upprättas en mass- och energibalans för processen som optimeras. Strömmarna delas upp på varma och kalla strömmar, där en kall ström har ett behov att öka sitt termiska energiinnehåll medan en varm ström har ett behov att minska det. Då strömmarna har identifierats är det möjligt att skapa en överblick över processen. Start- och maxtemperaturerna hos processens strömmar delar in den i temperaturintervall. Genom en värmebalans över varje intervall delas processen upp i två termodynamiskt separata system, ett över och ett under pinchen. I temperaturområdet över pinchen råder ett underskott av värme som måste tillgodoses med en extern värmekälla. I temperaturområdet under pinchen råder ett överskott av värme som måste kylas bort med en extern kylare. Genom att skapa så kallade varma och kalla kompositkurvor matchas de kalla och varma strömmarna så att maximalt värmeutbyte uppnås. Genom att maximera den interna värmeväxlingen kan det externa värme- och kylbehovet minskas (Jirí Jaromír, Petar Sabev, Sharifah Rafidah Wan Wan, & Zainuddin Abdul, 2014). Utgående från strömdata ger värmebalansberäkningarna värden på det minimala externa värme- och kylbehovet.
Pinchanalysen kan skapa en överblick över processen med hjälp av kompositkurvorna (CC) vilka kombinerar alla varma strömmar för sig och kalla för sig. Den varma kompositströmmen beräknas genom att summera värmeinnehållet i de enskilda varma strömmarna i varje temperaturintervall. Denna summa utgör sedan värmeinnehållet i kompositströmmen i respektive temperaturintervall. Den kalla kompositströmmen beräknas på liknande sätt. I Fig. 2(a) visas ett exempel på tre varma strömmar med start- och måltemperaturerna markerade mellan fem temperaturintervall, T1-T5 med värmekapacitet (Cp) och representeras som A, B och C för respektive ström. Endast ström B finns mellan temperaturintervallet T1- T2 så energin i det intervallet ges av CPB(T1-T2). Däremot mellan temperaturintervallet T2-T3 finns alla tre strömmar och energin består av (T2-T3)(
CPA+ CPB+ CPC), på samma sätt för samtliga temperaturintervall. Kompositkurvan kan sedan konstrueras genom att temperaturen jämförs mot värmeinnehållet för de varma strömmarna, se Fig. 2(b).
7
Fig. 2. Kompositkurva för de varma strömmarna. Bilden har hämtats från (Kemp, 2007).
Värmeinnehållet i en kompositström motsvarar den värmemängd som måste till- eller bortföras för att strömmen ska ändra sin temperatur från start- till målvärdet.
Kompositkurvorna för varma och kalla strömmar kan ritas i samma diagram. För en optimerad process bör värmen i de varma strömmarna värmeväxlas till de kalla strömmarna. För att detta ska vara möjligt måste de varma strömmarna vara varmare än de kalla. Detta innebär:
¾ Där kurvorna överlappar varandra är det möjligt att föra värme från de varma till de kalla strömmarna.
¾ Där kurvorna inte överlappar varandra måste extern värmning eller kylning användas.
8
Fig. 3. Kompositkurvor för de varma (den streckade linjen) och kalla (den heldragna) strömmarna. Bilden har hämtats från (Kemp, 2007).
Det vertikala avståndet mellan den varma och den kalla kurvan representerar temperaturdifferensen vid värmeväxlingen. Teoretiskt kan det minsta tillåtna avståndet vara noll. För att hålla realistiska värmeväxlarareor måste ett värde sättas på denna drivande kraft i praktiken som kallas för minimala tillåtna temperaturdifferensen (∆Tmin). Temperaturen där det kortaste avståndet återfinns kallas för pinchtemperatur. Efter att ∆Tmin är fastställd kan minimalt externt värme- och kylbehov avläsas ur Fig. 3. Även den totala värmeåtervinningen kan avläsas (Kemp, 2007).
2.2.1 Bestämning av DTmin
Ett större DTmin kräver att kompositkurvorna flyttas horisontellt isär, vilket medför en ökning av i både värme- och kylbehov. Dessutom ökar temperaturdifferensen i värmeväxlarna, och den totala värmeväxlareffekten minskar. Detta betyder då DTmin ökar minskar investeringskostnaderna för värmeväxlarna medan energikostnaderna ökar. Därför det är viktigt att ett optimalt DTmin bestäms så som den temperaturdifferens där summan av energi- och investeringskostnaderna är lägst, se Fig. 4 (Kemp, 2007).
9
Fig. 4. Energiåtervinning, värmeväxlarensarea och investeringskostnader med variation av
DTmin. Bilden har hämtats från (Kemp, 2007).
Ytterligare ett verktyg inom pinchanalysen för de externa kyl- och värmebehovet är den sammansatta kompositkurvan (Grand Composite Curve, GCC). GCC visar mängden av överskotts- och underskottsvärme i processens olika temperaturer.
Sammansättningen av GCC bestäms genom skiftade kompositkurvor, där kompositkurvorna justeras genom att halva DTmin subtraheras från de varma strömmarna och adderas till de kalla. I varje temperaturintervall beräknas sedan värmeöverskottet genom att från summan av de varma strömmarnas värmeinnehåll subtrahera summan av de kalla strömmarnas värmeinnehåll. Vid den temperatur där värmeflödet är noll finns pinchen, se Fig. 5, (Kemp, 2007).
10
Fig. 5. Exempel på utformning av en Grand Composite Curve. Bilden har hämtats från (Kemp, 2007).
2.3 Värmeväxlarnätverk
För maximal energiåtervinning i ett värmeväxlarnätverk delas nätverket i två termodynamiska skilda delar, en över pinchen och en under pinchen. I nätverket över pinchen finns ett underskott av värme som måste tillföras med extern värmning. I nätverket under pinchen finns ett överskott av värme som måste bortföras med extern kylning. Sammanfattningsvis kan detta skrivas som:
• Kyl inte någon ström över pinchen med externa kylare
• Värm inte någon ström under pinchen med externa värmare.
• För inte värme från en ström över pinchen till en annan ström under pinchen. Det menas att värmeväxla inte strömmar som befinner sig över pinchen med strömmar som befinner sig under pinchen och tvärtom.
Ovanstående reglerna kan illustreras även som Fig. 6.
11
Fig. 6. Pinchreglerna, där ovanför pinchen är ett värmeunderskott och nedanför pinchen är ett värmeöverskott.
Enligt pinchreglerna så ska inget värme föras genom pinchen och designen av värmeväxlarnätverket ska göras över och under pinchen separat. Vid värmetillförsel under pinchen som finns ett överskott av värme så resulterar ett större kylbehov (QK). Vid värmebortförsel ovanför pinchen som finns ett underskott av värme så resulterar det till ett större värmebehov (QV). En värmeväxlare markeras i Fig. 6 med ett vertikalt streck mellan de två strömmar som värmeväxlas. Om värme förs över pinchen så måste motsvarande värmemängden tillsättas i de externa värmarna över pinchen och kylas bort med de externa kylarna under pinchen (Kemp, 2007).
Vid en energianalys av en befintlig anläggning är det lämpligt att analysera varje existerande värmeväxlare med avseende på pinchreglerna för att få en uppskattning av potentiella energibesparingar. Genom att hitta de värmeväxlare som bryter mot pinchreglerna och samtidigt ge förslag på nya och rätt placerade värmeväxlare. På detta sätt kan det externa värme- och kylbehovet minska. I praktiken kan denna utformning och ombyggnation begränsas av dyra investeringskostnaderna eller olämpliga utrymmen för värmeväxlare (Kemp, 2007).
2.4 Pinchanalys i praktiken
Pinchanalys i en befintlig industri bygger på att man utvärderar det befintliga värmeväxlarnätverket och löser pinch överträdelser. Applicering av pinchanalys i praktiken utförs enligt (Kemp, 2007) i fem steg:
1. Kartläggning av det befintliga värmeväxlarnätverket.
2. Identifiering av viktiga strömmar i det befintliga ångsystemet. Dessa strömmar är där ett värmeutbyte sker. Strömmar med fasövergång delades upp då en linjär approximation av värmeövergångstalet antags vara för grov.
12
3. Insamling av strömdata för processen och bestämning av pinchtemperatur.
4. Målsökning, här skapas de varma och kalla kompositkurvorna (HCC och CCC) samt de stora kompositkurvorna (GCC). Utifrån dessa kompositkurvor kan de externa värme- och kylbehovet teoretiskt bestämmas.
5. Anpassning, Utformningen av det befintliga värmeväxlarnätverket förbättras genom att avlägsna pinch-överträdelser och därmed förbättra målsökningen i steg 4.
I sin ursprungliga form utgår pinchanalysen från att ett nytt system ska designas och att det här nya systemet kommer att arbete vid stationära förhållanden så att varken flöden eller temperaturer kommer att variera med tiden. En ström som värms från en starttemperatur till en högre måltemperatur definieras som en kall ström, medan en ström som kyls från en starttemperatur till en lägre måltemperatur definieras som en varm ström. Av detta följer att strömmens absoluta temperatur inte har något inflytande på om strömmen kallas för varm eller kall. Strömmarna kan även kännetecknas av sin värmekapacitet. I de fall då strömmens temperaturändring är så stor att inte värmekapaciteten kan betraktas som konstant delas strömmen upp i temperaturintervall. Uppdelningen sker i så många intervall att värmekapaciteten kan sättas konstant i varje.
3 Systembeskrivning SSAB i Oxelösund
SSAB Oxelösund AB är ett integrerat verk som innefattas av sinterverk, koksverk, masugnar, LD-konverter, stränggjutning och valsverk inom verksområdet. Vid masugnstillverkning-processen produceras råjärn genom att reducera järnmalm.
Sedan läggs koks från koksverk tillsammans med kalksten för att frigöra föroreningar i masugnen. I masugnen tar kolet bort syret ur järnmalm, denna process ger upphov till koldioxid. Flytande råjärn transporteras sedan till LD- konverter, där tas kolet bort ur råjärnet med hjälp av syrgas. I stålverk tillsätts legeringsämne och därefter sker gjutning och bearbetning av stålet. Beskrivning av huvudkomponenterna för masugnsprocessen stålproduktion, se Fig. 7.
13
Fig. 7. Schematisk bild av produktionen inom verksområdet.
SSAB Oxelösund tillverkar några av världens mest avancerade stål för allt från byggnader, broar, maskiner och mycket mer. Företagets över 2000 medarbetare håller produktionen igång dag som natt utan avbrott. Energirika processgaser från koksverk (koksgas) och masugn (hyttgas) återvinns och används som tillskottsbränsle för produktion av fjärrvärme och el i verkets kraftverk. På så sätt kan SSAB förbättra energieffektiviteten i sin ståltillverkning och minskar behovet av köpt energi, både när det gäller bränsle och elektricitet (SSAB, 2018).
3.1 SSAB:s Kraftverk
Inom verksområdet finns två stycken kraftverk, OK2 och OK3 som ägs och drivs av SSAB Oxelösund. OK2 består av två aktiva pannor 1, 2 och en reservpanna 5 medan OK3 består av en panna 4 och en högtrycksturbin som är sammankopplad med en lågtrycksturbin. OK2 och OK3 har två separata ångnätverk gällande processvatten, där OK3 förbrukar spädvatten som är totalt avsaltat vatten för att undvika korrosion och slitage på turbinen. OK2 förbrukar industrivatten, vilket är kemiskt renat vatten utan någon ytterligare behandling i totalavsaltningsanläggning. Produktion av industrivatten har lägre kostnader men har däremot sämre kvalité jämför med spädvatten. Det finns en rad olika kopplingsmöjligheter på ångnätverken vid behov av ånga från ena till andra.
Ångdistribution sker helst från OK3 till OK2 med anledning att det är sämre kvalité på processvatten i OK2. Se Fig. 8.
14
Fig. 8. Schematisk bild över det befintligt kraftvärmeverk av SSAB Oxelösund.
SSAB Oxelösunds kraftverk kan ses som en egen version av kraftvärmeverk. Detta beror dels på kraftverkets bränsletillgångar och dels leveransånga till övriga verksamheter inom SSAB. Kraftverket är direkt beroende av hyttgas och koksgas från masugnen respektive koksverket. Ett haveri vid masugnen leder till brist på huvudbränsle på kraftverket, vilket resulterar till oljeförbränning för att fortfarande kunna leverera processånga och fjärrvärme till Oxelösunds kommun och inom SSAB. För att hålla oljeförbrukningen nere så prioriteras att inte hålla turbinen i drift då.
3.1.1 OK2
Förutom två aktiva och en reservpanna inne i OK2 finns även en inaktiv panna 3.
Enligt driftteknikerna har inte panna 3 varit i drift på ett tag och kommer troligen inte tas i drift heller i fortsättningar. Panna 5 är en oljepanna som tas i drift endast vid haveri på respektive aktiva pannor i OK2 och OK3 för att täcka just fjärrvärmebehovet. Panna 1 och 2 är nästintill identiska som består av 4 stycken brännare. Varje brännare är utrustad så att det kan eldas med hyttgas, koksgas och olja. Enligt driftteknikerna pannornas verkningsgrad uppskattas idag till 83%.
Rökgaserna passerar respektive pannas Ekonomisern för uppvärmning av matarvatten innan ångdomen. Rökgasernas energi återvinns ytterligare i förvärmare till förbränningsluft för respektive panna innan utsläppen.
Leverans av processånga till olika verksamheter inom SSAB sker främst från OK2, vilket leder till stor förlust i ångsystemet och måste därför fyllas på med nytt vatten
15
eftersom kraftverket inte får tillbaka något kondensatsvatten från de levererade ångan. Det finns två förvärmare för uppvärmning av tillskottsvatten innan matarvattnet når matarvattentanken. Förvärmning sker med hjälp av överskottsånga från Avgasare och kontinuerlig bottenblåsning.
3.1.2 OK3
Panna 4 består av 6 stycken brännare som var och en är utrustad så att det kan eldas med hyttgas, koksgas och olja. Pannas verkningsgrad uppskattas idag till 82%
enligt driftteknikerna. Ångan till atomisering erhålls från OK2 tills ångproduktionen kommit igång och ångtrycket är tillräckligt för övergång till egen ångproduktion. Det är prioriterat att all producerade ånga på OK3 ska föras till turbinerna för elproduktion men under årets kalla perioder tas en del av ångan efter högtrycksturbin till värmekondensorn för uppvärmning av fjärrvärmen. Resterande ånga åker genom lågtrycksturbinen och därefter till kallkondensorn och kondensering sker med hjälp av kylvatten. Uppvärmning av kondensatsvatten efter kallkondensorn sker i flera steg. Första uppvärmningen sker med varmluft från generatorn som måste kylas och värme återvinns från generatorkylaren. Därefter förvärms kondensatvattnet med läckageånga från turbinerna innan förvärmare 1. I förvärmare 1 används avtappningsångan från lågtryckturbinen för uppvärmning av kondensatvattnet. Sista uppvärmnings steg sker i förvärmare 2 som använder avtappningsångan från högtrycksturbinen och återvinner värmen för uppvärmning av kondensaten innan matarvattentanken. Kondensaten från läckage, avtappningsångan vid förvärmare 1 och 2 förs sedan samman med huvudkondensat innan matarvattentanken, se Fig. 9.
Fig. 9. Schematisk bild över det befintligt kraftvärmeverk OK3.
16
Värmeåtervinning av rökgaserna sker i två steg: först strömmar de heta rökgaserna genom Ekonomisern för uppvärmning av matarvatten innan ångdomen och avger det mesta av sitt värmeinnehåll. Därefter förs vidare till luftförvärmaren till förbränningsluft innan den når skorstenen.
3.1.3 Bränsletillgångar
I masugnen omvandlas syret som är bundet i järnmalmen till kolmonoxid och koldioxid genom en reaktion med kolet i koksen och kolpulvret och kallas hyttgas.
Hyttgas är en gasblandning som till största delen består av kolmonoxid och koldioxid som har ett lågt värmevärde som visas i tabell 1. Även om gasen har ett lågt värmevärde så på grund av den stora volymen innehåller gasen ändå en omfattande mängd energi och används som huvudbränsle i SSAB:s kraftverk samt vissa andra verksamheter inom fabriken. Andra förbrukare av hyttgas är masugnens värmeapparater och koksverket. Koksgas produceras i koksverket som är en energirik gas med ett högt värmevärdes, se tabell 1. Förbrukare av koksgas är koksverket för egen förbrukning, masugnen, stålverket, valsverket och kraftverket.
Koksgasen blandas med hyttgasen före förbränningen i kraftverket för att höja värmevärdet på hyttgasen. Hyttgasen kan inte vara ensamt bränsle utan måste ha olja som stödbränsle vid brist på koksgas. Förutom de energirika processgaserna används köpta bränslen som naturgas, gasol och olja som stödbränsle i kraftverket.
I SSAB Oxelösund prioriteras alltid användandet av processgaser framför köpta bränslen för att maximera energieffektiviteten och hålla bränslekostnaderna ner.
Tabell 1. Värmevärde, tillgänglighet och inköpspris för respektive bränsle.
Bränsle Värmevärde Tillgångar Inköpspris Hyttgas ~ 2.8 MJ/N𝑚X 0 – 190 000 N𝑚X/h Gratis Koksgas ~ 18.0 MJ/N𝑚X 0 – 7 000 N𝑚X/h Gratis Förbränningsolja ~ 40.9 MJ/N𝑚X --- ~ 430 kr/MWh
3.2 Ångnätverk och ångdistribution
Ångan inom kraftverket produceras i pannorna 1–2 och 4 med olika temperatur och tryck. Förbrukare av ånga inom kraftverket är fjärrvärme, turbiner, blåsmaskin och externt processånga inom SSAB. Kondensat av levererade processånga till övriga verksamheter inom SSAB kommer inte tillbaka till kraftverket, utan går till avlopp.
OK2 producerar 36 bars överhettad ånga i P1 och P2 med ångtemperatur på 450 °C som dels levereras till valsverkets gassug och dels till olika reduceringsstationer.
Resterande ånga från OK2 reduceras bland annat till mättad ånga (36 bar/250°C), (20 bar/300°C) och till (5 bar/230°C). Reducering av 36 bars överhettad ånga till mättad sker genom insprutningsvatten från matarvatten i reducerstation (R4), se Fig. 8. Den reducerade mättad 36 bars ånga levereras till valsverket, koksverket,
17
syrgasverket och kalkverket. Reducering av 20 bars ångan sker i reducerstation (R5) med kondensatsvatten ifrån värmeväxlarna på OK2. 20 bars ångan används som atomiseringsånga för oljebrännare på panna 1–2 och 4, sotånga till panna 1 och 2 samt skickas till koksverket. 5 bars ånga reduceras i reducerstation (R3), se Fig. 8, och används till största delen för uppvärmning av fjärrvärme på värmeväxlarna på OK2 och även till en rad olika ändamål som tryckhållning av matarvattentank. Följeånga, levereras till masugnen för befruktningsånga, koksverk, biproduktsverk samt andra förbrukare inom verksamhetsområdet.
OK3 producerar 105 bars ånga i panna 4 med ångtemperatur på 530°C som används i första hand till elproduktion i turbinen. Det finns en reducerstation (R1), se Fig. 8, på ångledningen mellan panna 4 och turbinen som reducerar ångan från 105 bar till 36 bar, vilket sedan överförs till 36 barsnätet på OK2. Ångan från P4 prioriteras först till turbinen för elproduktion och skickas endast vid behov till OK2 eller till reducerstation (R2), se Fig. 8, till värmkondensorn för att täcka fjärrvärmebehovet. I normaldrift förs all producerad ånga på P4 till högtrycksturbinen. Därefter beroende på fjärrvärmebehovet fördelas ångan mellan värmekondensorn och lågtrycksturbinen.
3.2.1 Fjärrvärme
SSAB Oxelösunds kraftverk står för fjärrvärmeleverans internt inom SSAB och till Oxelösunds kommun. Produktion av fjärrvärme sker i tre olika enheter, LD-ugnens värmeåtervinningssystem, värmeväxlarna på OK2 och värmekondensorn på OK3.
Framledningstemperaturen på fjärrvärmen är utetemperatur-beroende men ska ligga mellan lägsta temperatur på 80 °C och högsta på 120 °C, enligt avtalet med Oxelösunds kommun. Det är prioriterat att utnyttja LD-värmen så mycket som möjligt under årets kalla period. Därför åker kommunens returledning genom värmeväxlarna på LD:s värmeåtervinningssystem först, som är gratis värme vilket annars går i spillo. Det varma mediet till värmeväxlarna är LD:s interna kylvatten och har varierande tillgänglighet. Uppvärmning av fjärrvärmevattnet sker endast i samband med kylningsprocessensgång i LD som är produktionsberoende i LD- konvertern. Returledning från SSAB:s interna fjärrvärmenät återkopplas med returen från Oxelösunds kommun till ett flöde innan OK2:s värmeväxlare. Inne i OK2 finns tre värmeväxlare för uppvärmning av fjärrvärme, värmeväxlare 5, 6 och 8 som har en kapacitet på cirka 42 MW tillsammans. Värmeväxlarna sitter parallellkopplade i förhållande till varandra, där värmeväxlare 8 har största kapacitet gällande storlek och effekt. Värmekondensorn på OK3 har som uppgift att se till fjärrvärmens framledning ska få den önskade temperaturen till Oxelösunds kommun och intern inom SSAB. Värmekondensorns kapacitet är på cirka 60 MW. Ånga till värmekondensorn tas huvudsakligen ifrån ångan efter högtrycks-turbinen innan lågtrycks-turbinen. Vid behov kan 105 bars ånga från panna 4 reduceras direkt 5 bars till värmekondensorn för att uppfylla fjärrvärmeavtalet. Se Fig. 10.
18
Fig. 10. Schematisk bild över flödesschema för fjärrvärme genom LD och kraftverket.
Flödesschemat presenterar årets kalla perioder när fjärrvärmebehovet är stort. Det kan se annorlunda ut under årets varma perioder där fjärrvärmebehovet är lågt.
Panna 5 är installerat efter värmekondensorn inne i OK3 som används endast för att höja fjärrvärmetemperaturen till önskad temperatur vid behov. Panna 5 används som reservpanna och inte är i drift vid normaldrift där finns inte med på flödesschema för fjärrvärmen, se Fig. 10.
19 4 Metod
Metoden som användes i examensarbetet är enligt den tidigare beskrivningen av applicering av pinchanalys på ett befintligt värmeväxlarnätverk. I det här avsnittet förklaras tillvägagångssättet på hur framtagning av nödvändiga data gått till.
Dessutom förklaras förenklingar och antaganden som gjorts samt bakomliggande resonemangen.
4.1 Tillvägagångssätt
En översiktlig bild över det befintliga värmeväxlarnätverket i kraftverket erhölls.
Detta gjordes genom att studera flödesscheman och processbilder över de intressanta komponenterna inom kraftverket samt diskussioner med drifttekniker och operatörer i kontrollrummet. Dessutom utfördes rundvandringar på kraftverket för att erhålla en uppfattning av hur ledningarna är dragna i det nuvarande värmeväxlarnätverket. En sammanställning över flödesscheman och en schematisk bild över kraftverk gjordes. Eftersom pinchanalysen handlar just om värmeväxling och värmeutbyte så har det fokuserats på viktiga värmeväxlare i kraftverket. En identifiering av viktiga strömmar för respektive värmeväxlaren gjordes. Strömmar med fasövergång delades upp så för att en linjär approximation för hela temperaturintervallet är för grov approximation, därför måste dela upp den sensibla och latenta värmen i olika linjära approximationer. Latent värme innebär den mängd av energi som frigörs vid kondensering av ångan vid en bestämd temperatur, beroende på ångans trycktillstånd. Ångans mättnadspunkt bestäms utifrån vilket tryck den har och därmed kondenseringstemperaturen vid värmeväxling. Det är ytterst viktigt att ha rätt tryck på ångan och vara säkert på kondenseringspunkten så för dels ta vara på latent värme samt undvika korrosionen på pumparna som vanligtvis sitter direkt efter värmeväxlaren.
Start- och måltemperatur samt flödena för respektive ström i värmeväxlarnätverket har identifierats. I analysen har det inte tagits hänsyn till ångförbrukare i form av processer som har ett direkt behov av ånga, exempelvis leverans av olika processånga inom verksamhetsområdet.
4.2 Framtagning av data
På SSAB Oxelösunds kraftverk utförs kontinuerliga mätningar på majoriteten av komponenterna som temperaturer, flöden, elproduktioner, bränsleförbrukning och andra nödvändiga data för processen som loggas på olika sätt. Detta för att OK2 och OK3 har separata kontrollsystem och därmed loggas i olika databaser. Detta på grund av att OK3 har ägts av Vattenfall under en viss period och sedan blivit köpt tillbaka av SSAB. Däremot är OK2 en äldre anläggning med en annan typ av kontrollsystem och färre loggningar utförs i jämförelse med OK3.
De loggade data finns tillgängliga via programvaran AspenTech Citrix OXD (IP21) som möjliggör extrahering av data bakåt i tiden och även få det uträknat som
20
timmedelvärde på en Excel-fil. Databasen har fungerat som huvudkälla för att ta fram information till strömmar och balansberäkningar.
I pinchanalysen valdes ett timmedelvärde för 7 mars 2018, mellan klockan 11.00–
12.00, som är representativ för ett vinterscenario vid en relativ normaldrift i kraftverket. Vid den valda tidsperioden hade LD:s värme låg tillgänglighet. Detta eftersom LD:s värme har ojämn tillgänglighet som tidigare har nämnts. Analysen kan inte vara representativ för ett sommarscenario då fjärrvärmebehovet är betydligt mindre. Val av analysperiod var begränsat eftersom alla mätvärdena inte loggades kontinuerligt på en och samma databas. De loggade bör avläsas i samband med manuella mätningar som skulle utföras vid samma tidpunkt för att energibalansen för hela värmeväxlarnätverket ska stämma. Produktion och förbrukning varierar kontinuerligt beroende på utetemperatur, efterfrågan på processångan och bränsletillgång.
4.2.1 Olika källor för data
Framtagning av data har skett främst via tidigare nämnda programvaran IP21.
Programvaran är den senaste databasen i vilken SSAB Oxelösund lagrar alla mätvärdena för hela anläggningen. Databasen är fortfarande under utveckling och därför finns ännu inte alla mätvärdena loggade. En del av de saknade mätpunkterna finns som momentana värden på operatörernas dataskärmar. För OK3:s del startades loggning på de önskade mätpunkter med hjälp av ÅF som fortfarande har samarbete med kraftverket gällande OK3 kontrollsystem. För OK2 startades loggningar med hjälp av IT- enheten på fabriken. För strömmar som saknade kontinuerliga mätningar till relevanta data för att få ihop balanserna så har de räknats fram med energibalanser över värmeväxlaren eller mätts med mätinstrument. Vid trovärdighetsbedömning av beräknade/uppmätt data har använts kunskap av kunniga ingenjörer, drifttekniker och operatörer på kraftverket använts.
4.2.2 Egna mätningar
I de fall där mätningar fick göras så prioriterades temperaturmätningar, över flödesmätningar, dels på grund av lägre mätosäkerhet och dels svårigheten vid flödesmätning. För att få mätvärdena att stämma med energibalansen, är det viktigt att mätningarna sker samtidigt för de saknade mätvärdena. Därför utfördes temperaturmätningar med en typ av IR-mätare och InfraCAM. Alla mätningar gjordes på utsidan av rören som inte täcks av isoleringsmaterial för de valda flödena.
IR-termometer av typ DCT414 från DEWALT är en laserbaserad termometer med temperaturområde på -30 °C till 550 °C. Termometern har en noggrannhet på +/- 1,5% eller +/- 1,5 °C. IR-termometern mäter yttemperaturer genom att mäta det infraröda ljuset som sänds ut från föremålet. Mätning sker genom att ytans temperatur mäts utan kontakt. Enligt apparatens anvisning kan det vara svårt att få en helt korrekt infraröd mätning av en yta med blank eller metallyta. Eftersom
21
mätningar har gjorts precis på metallyta i det här fallet så kan detta ytterligare påverka mätvärdena.
InfraCAM är en typ av värmekamera som använder termografiteknik, vilket visar ett föremåls infraröda energi och mäter temperaturen beröringsfritt. Värmekameran kan snabbt och enkelt ge en överblick över temperaturförhållandet av föremålet.
Apparaten har en temperaturintervall mellan -20 till 250 °C och noggrannhet på +/- 2% eller 2 °C.
4.3 Antagande och framställning av data
Antaganden har gjorts för att få fram data till strömmar och energibalanser för värmeväxlare. Dessa förenklingar och antagande gjordes efter diskussion med driftteknikerna på kraftverket. Förenklingar och antaganden som har gjorts förklaras i det här avsnittet.
4.3.1 Värmeväxlarna på OK2 och OK3
En av förenkling som har gjorts är värmeväxlarna på OK2. Som tidigare nämndes så består OK2 av tre stycken värmeväxlare för uppvärmning av fjärrvärme. En stor och relativ nyinstallerad värmeväxlare som är parallellkopplade med två små och något äldre värmeväxlare. Vid pinchanalysen har dessa tre värmeväxlare förenklats till en enda värmeväxlare. Förenklingen har baserats främst på värmeväxlarnas gemensamma uppgift om uppvärmning av fjärrvärme samt att det är samma ånga som fördelar sig mellan värmeväxlaren och därefter att kondensatet från alla tre växlaren blandas samma innan den når matarvattentanken. Huvudorsaken till förenklingen är brist på mätvärden på hur fjärrvärme fördelar sig till var och en av värmeväxlarna. Samma resonemang användes vid ångfördelning till varje värmeväxlare. Eftersom värmeväxlaren 8 i Fig. 8 har relativt stor kapacitet jämfört med 5 och 6 så sker den stora delen av värmeväxling just i denna växlare.
22
Fig. 11. Schematisk bild över flödesschema för värmeväxlarna på OK2.
Ingen data återfanns gällande hur mycket ånga som åker in på värmeväxlarna på OK2. Dock fanns data på ång- och kondensattemperaturen. Ångtemperaturen loggades och timmedelvärdet beräknades medan kondensattemperaturen mättes manuellt. Temperatur- och fjärrvärmeflödet in och ut ur OK2 användes för uppskattningen av överförde effekten utifrån de samband som beskrivits i kapitel 2.1. Värmeväxlarens effektivitet vara densamma för alla tre värmeväxlarna enligt NTU-metoden. Temperaturen på kondensatet mättes när kondensatet från alla tre värmeväxlaren ihopblandades. Ångflödet beräknades sedan enligt ekvation 6, utifrån den beräknade effekten till fjärrvärme och entalpiskillnaden mellan ingående ånga och dess kondensatet.
𝑚̇ å:NO = 𝑄̇ö?LMQöMZO LQQLFBL:/(ℎå:NO,@:− ℎF]:ZL:&OB,AB) (6) Beräkning av latent värme vid kondensering av ånga gjordes enligt ekvation 7, där ℎQN står för avdunstning.
𝑄̇ )OBL:?äM*L = 𝑚 ∗̇ ℎQN (7)
Kontinuerlig loggade data saknades för tillskottsvatten som förvärms i två steg innan matarvattentanken inne i OK2. Temperaturmätningar gjordes på tillskottsvatten innan- och efter förvärmare ett samt efter förvärmare två innan vattnet når matarvattentanken. Temperaturmätningar har gjorts på kondensaten för den varma sidan av förvärmarna då det saknas loggade data även på dem.
Tillskottsvattnets flöde, ångtemperaturen för överskottsånga från Avgasare och den kontinuerliga bottenblåsningen fanns loggade. Ångflödet till förvärmare ett och två beräknades då enligt ekvation 6.
Inne på OK3 saknas flödesmätare och temperaturmätare för läckage ånga samt för avtappningsånga från lågtrycks- och högtrycksturbinerna. Däremot finns loggade
23
data för huvudkondensaten både när det gäller temperatur och flöde. Det har gjorts temperaturmätning på läckage ånga och på kondensaten efter växlaren. Detta gäller även för avtappningsånga till förvärmare 1- och 2 samt deras kondensat. Med hjälp av energibalanser så räknades flödena för respektive ånga enligt ekvation 6. För att fastställa deras beräknade flöde så har det diskuterats med driftteknikerna på kraftverk gällande rimlighet av framtagna flöden.
Kallkondensorn på OK3 används för att få ångan kondenseras med kylvatten. Det har gjorts en uppskattning av kylvattnets temperatur innan och efter kallkondensorn med hjälp av driftteknikerna på kraftverket. Därefter har flödet på kylvatten räknats fram enligt ekvation 4 med hjälp av energibalansen för kallkondensorn.
Huvudkondensat förvärms i ett första steg med hjälp av generatorkylare som tidigare också har beskrivits. Det finns loggade data när det gäller temperaturer innan och efter kylaren men det saknas på luftflödet. Vid beräkning av flödet har energibalans gjorts och sedan räknades flödet ut enligt ekvation 4. Vid beräkningar har en specifik värmekapacitet antagits för vatten till 4,18 kJ/kg. K och 1 kJ/kg. K för luft om inget annat angivit. Värmeväxlarnas effektivitet antogs vara detsamma för respektive värmeväxlare enligt NTU-metoden som beskrivits om i kapitel 2.1.
För resterande nödvändiga data fanns loggade data för den bestämda perioden.
4.3.2 Fördelning av strömmar
Från den insamlade information har data för strömmarna som använts i analysen tagits fram som återfinns i bilaga 1. Strömmar som genomgår en fasövergång delades upp i tre delströmmar så att latent värme kan räknas med i balansberäkningar. En del strömmar är sammanslagna som en ström, till exempel går rökgaserna från pannorna i två skilda kanaler som används för uppvärmning av förbränningsluften. Då detta sker under samma förutsättningar representeras de därför som en gemensam ström.
För ett fungerande värmeväxlarnätverk så har DTmin valts utifrån nuvarande värmeväxlarnätverket som presenteras i tabell 2. Där den minsta tillåtna temperaturskillnaden för respektive värmeväxlare har beräknats genom att subtrahera inloppstemperatur på den kalla ström med utloppstemperatur från den varma ström för varje växlare som har tagits med i pinchanalysen. Däremot för ett nydesignat värmeväxlarnätverk kan DTmin väljas utifrån hur stor area av värmeväxlare bör vara gentemot hur mycket värme återvinns.
Tabell 2. Värden på DTmin som använts i analysen.
Värmeväxlare DTmin (°C)
Kallkondensorn 1
Generatorkylare 5
Läckagevärme 6
24
Förvärmare 1 och 2 OK3 7
Värmekondensorn 20
Ekonomisern på OK3 50
Värmeväxlare på OK2 5
LD-värmeväxlare 10
Värmeväxlare för tillskottvatten på OK2 10 Ekonomisern på OK2, panna 1 35 Ekonomisern på Ok2, panna 2 45
I analysdelen har insamlad information från de ovan nämnda källorna använts för analyser av hela anläggningens energisituation och även delanalyser för OK2, OK3 samt uppvärmning av fjärrvärme. Resultaten från pinchanalys ligger till grund för slutsatser gällande konkreta förbättringsförslag för ökad elproduktion i kraftverket.
4.4 Programmet Pro_pi
Vid utförande av pinchanalys användes i början en färdig beräkningsmodell i Microsoft Excel utvecklat av Gabriel Norwood, (Kemp, 2007) användes som ett verktyg. Under arbetets gång upptäcktes att programvaran inte kan hantera stora antal strömmar med stora temperaturintervall. Därför användes en annan programvara som är uppbyggt på samma princip. Programvaran Pro_pi är ett makro till Microsoft Excel, utvecklat av Chalmers Industriteknik AB. I programmet matas start- och måltemperatur samt strömmarnas energiinnehåll in. Beräkning av energiinnehåll för ström vid ångform användes massflöde multiplicerat med entalpiskillnad enligt ekvation 6, medan för vätska och luft har beräkning enligt ekvation 4. Programmet kan sedan för ett givet DTmin beräkna minimala kyl- och värmebehov samt pinchtemperaturen. I programmet kan strömmarna fås presenterade som kompositkurvor, Grand kompositkurva och även möjligt att modellera nuvarande värmeväxlarnätverket. Programmet visar överförda effekter för varje temperaturintervall vid värmeväxling, eventuella pinchöverträdelser i systemet samt med rätt indata räknar den fram värmeöverföringskoefficient tillsammans med area för varje enskild värmeväxlare. Med funktionen för grafisk representation av strömmarna så läggs till värmeväxlare för strömmarna som värmeväxlas med varandra i nuvarande systemet kan identifiering av pinchöverträdelser upptäckas.
25
4.4.1 Bakomliggande teorin för programvaran
Teorin bakom den använda programvaran i Microsoft Excel har redan beskrivits i kapitel 2.2. Däremot beskrivning av hur programvaran tar fram pinchtemperaturen kan förklaras enklast med hjälp av ett exempel enligt tabell 3. Tabellen innehåller två varma respektive kalla strömmar, strömmar har antagits och inte som någon ström i kraftverket. Värmekapacitet (CP) i denna tabell motsvaras av det aktuella massflödet multiplicerat med flödets specifika värmekapacitet.
Tabell 3. Data för varma och kalla flödena som antagits för exemplet.
Flöde nr.
Typ av flöde
CP (kW/°C)
Verkliga temperaturer
Skiftade temperaturer Ts (°C) Tm (°C) Ss (°C) Sm (°C)
1 Varm 3 170 60 165 55
2 Varm 1.3 150 30 145 25
3 Kall 2 20 135 25 140
4 Kall 4 80 140 85 145
Ur strömdata i tabell 3 kan totalt behov av värmning och kylning bestämmas enligt ekvation 4. Det totala värmebehovet har beräknats till 470 kW och totalt kylbehov till 510 kW.
Förutom de verkliga temperaturerna för respektive flöde så visas även det justerade temperaturerna. Den justerade temperaturen används för att ta hänsyn till de minsta tillåtna temperaturskillnaderna (DTmin) mellan de kalla och varma flödena i värmeväxlaren, som tidigare har beskrivits. I det här exemplet är den minsta tillåtna temperaturskillnaden vald till 10 °C. För att kompensera minsta tillåtna temperaturskillnaden så justeras de varma flödena genom att subtrahera start- och måltemperaturen med 5 °C (halva DTmin). Medan start- och måltemperaturen på de kalla flödena adderas med 5 °C. Detta ger sammanlagd en temperaturskillnad på 10
°C mellan strömmarna.
Utifrån data för de kalla och varma flödena i tabell 3 så kan det konstrueras ett flöde och temperaturintervall-diagram för respektive flöde som lodräta linjer mellan start- och måltemperatur, se Fig. 12.
26
Fig. 12. Temperaturintervall för de varma och kalla strömmar som konstruerats på de skiftade temperaturerna.
I varje intervall beräknas sedan ökningen i entalpi genom att från summan av de varma strömmarnas värmeinnehåll subtraheras med summan av de kalla strömmarnas värmeinnehåll, se tabell 4. Entalpiökning i varje intervall beräknades enligt ekvation 8.
DH@ = (S𝐶𝑃? − S𝐶𝑃F)@(𝑆@ − 𝑆@bc) (8)
Tabell 4. Justerad temperaturdifferens samt värme över- och underskott för de fyra valda strömmarna.
Intervalls
nr. Si – Si+1
(°C) SCPv - SCPk (kW/°C)
DHi (kW) Över- eller underskott
S1=165 °C 1 20 + 3 + 60 Överskott
2 5 + 0.5 + 2.5 Överskott
3 55 - 1.5 - 82.5 Underskott
4 30 + 2.5 + 75 Överskott S2=145 °C
S3=140 °C S4=85 °C S5=55 °C
27
S6=25 °C 5 30 - 0.5 -15 Underskott En positiv entalpiökning beskriver att ett överskott av värme finns i intervallet och denna överskottsvärme kan sedan överföras till nedanliggande intervallet. Medan en negativ entalpiökning beskriver att det inte finns tillräckligt med energi i intervallet för att höja temperaturen på den kalla strömmen. Detta för att det finns ett värmeunderskott i intervallet. För att komma upp till rätt temperaturen så måste det användas extern värmning för strömmen.
Utifrån tabell 4 kan ett kaskaddiagram konstrueras, där varje temperaturintervall representeras av en rektangel. I rektangeln markeras värmeöverskottet och värmeöverföring mellan intervallen beräknas med förutsättning att inget värme tillförs till det översta intervallet, se Fig. 13(a). Ett underskott av värmeflöde kan inte överföras till ett nedanliggande intervallet och därmed erhålls ett negativ värmeflöde i kaskaddiagrammet. Detta kan elimineras genom att tillföra extern värmning till det översta intervallet en mängd motsvarande det största negativa värmeflödet som är 20 kW i exemplet, se Fig. 13(b). Detta resulterar positiva värmeflöden mellan alla intervallen.
Fig. 13. Ett kaskaddiagram där varje temperaturintervall representeras av en rektangel.
Vid den temperatur där det största negativa flödet hamnar, se Fig. 13(a) alternativ värmeflödet är noll, se Fig. 13(b), återfinns pinchtemperaturen. Medan det översta
