2015 Matúš Habánek

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ

TECHNOLÓGIE

EVIDENČNÉ ČÍSLO: FCHPT-5431-61028

ANALÝZA PRÍPRAVY NAPÁJACEJ VODY

BAKALÁRSKA PRÁCA

Bratislava 2015 Matúš Habánek

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ

TECHNOLÓGIE

ANALÝZA PRÍPAVY NAPÁJACEJ VODY

BAKALÁRSKA PRÁCA

FCHPT-5431-61028

Študijný program: chemické inžinierstvo

Číslo študijného odboru: 2831

Názov študijného odboru: 5.2.17. chemické inžinierstvo

Školiace pracovisko: Oddelenie chemického a biochemického inžinierstva

Školiteľ: doc. Ing. Otto Mierka, CSc.

Konzultant: Ing. Ján Fris

Poďakovanie

Týmto by som rád poďakoval doc. Ottovi Mierkovi a Ing. Jánovi Frisovi za odborné vedenie,

rady a konzultácie pri písaní tejto práce.

Abstrakt

Prvým cieľom tejto práce je charakterizovanie súčasného stavu výroby pomocou materiálových

a entalpických bilancií a následné prevedenie pinch analýzy pre identifikáciu maximálnych

dosiahnuteľných úspor. Pinch analýza je nasledovaná návrhom investičných projektov, ktoré by

realizáciou vyvolali zníženie nákladov na energie. Projekty sú porovnané na základe ekonomickej

analýzy. Táto práca obsahuje základy pinch analýzy a navrhovania kotlových výmenníkov tepla.

Vhodné projekty boli identifikované a porovnané na základe cien za energie a jednoduchej miery

návratnosti. Ďalším logickým krokom je získavanie ďalších informácii pre spresnenie výsledkov

a presnejší odhad kapitálových nákladov.

Kľúčové slová: pinch analýza; úspora energie; kapitálové náklady

Abstract

The first goal of this thesis is to determine the current state of production by using mass and

energy balances, which is followed by performing a pinch analysis to identify maximal potential

savings. Pinch analysis is followed by design of investment projects, which would bring reduction

of energy costs upon their realization. Economic analysis is used to compare projects. This thesis

contains basic principles of pinch analysis and basics of designing a shell and tube heat exchanger.

Suitable projects have been identified and compared by energy costs and simple rates of return.

The next logical step is to gather more information for more accurate results and obtaining a more

accurate estimate of capital costs.

Key words: pinch analysis; energy savings; capital costs

Obsah

Zoznam skratiek a značiek .................................................................................................... 13

Úvod ...................................................................................................................................... 14

1 Pinch analýza ................................................................................................................. 15

1.1 Analýza ................................................................................................................. 15

1.2 Syntéza .................................................................................................................. 16

1.3 Pinch point ............................................................................................................ 16

1.3.1 Ponuka a dopyt tepla .................................................................................... 16

1.3.2 Zostrojenie kriviek ponuky a dopytu tepla ................................................... 17

1.3.3 Stanovenie energetických nárokov ............................................................... 18

1.3.4 Voľba ∆Tmin .................................................................................................. 20

1.3.5 Základné princípy ........................................................................................ 21

2 Návrh výmenníkov tepla ............................................................................................... 22

2.1 Kotlový výmenník tepla ........................................................................................ 22

2.1.1 Počet chodov ................................................................................................ 22

2.1.2 Zarážky ........................................................................................................ 22

2.1.3 Rozmiestnenie rúrok .................................................................................... 23

2.1.4 Rýchlosť prúdenia ........................................................................................ 24

2.1.5 Hnacia sila prechodu tepla ........................................................................... 24

2.1.6 Koeficient prestupu tepla na strane rúrok ..................................................... 26

2.1.7 Koeficient prestupu tepla na strane plášťa ................................................... 26

3 Schéma systému ............................................................................................................ 28

4 Výpočtová časť .............................................................................................................. 31

4.1 Materiálová a entalpická bilancia ......................................................................... 31

4.1.1 Zmiešavanie ................................................................................................. 31

4.1.2 Výmenník tepla ............................................................................................ 31

4.1.3 Napájacia nádrž ............................................................................................ 31

4.2 Generácia elektrickej energie ................................................................................ 32

4.3 Návrh výmenníka tepla ......................................................................................... 32

4.4 Ekonomická analýza ............................................................................................. 33

4.4.1 Nákup zariadení ........................................................................................... 33

4.4.2 Odhad fixných kapitálových nákladov ......................................................... 33

4.4.3 Časový nárast cien........................................................................................ 34

4.4.4 Ročné náklady .............................................................................................. 34

4.4.5 Návratnosť projektu ..................................................................................... 35

5 Výsledky ........................................................................................................................ 36

6 Diskusia ......................................................................................................................... 45

7 Záver .............................................................................................................................. 46

Zoznam použitej literatúry .................................................................................................... 47

13

Zoznam skratiek a značiek

‘ strana plášťa

‘’ strana rúrok

A plocha

C cena

CI cenový index

D priemer

d priemer

E ročné prevádzkové náklady

f faktor faktorovej metódy

h súčiniteľ prestupu tepla prúdením

h špecifická entalpia

I jednoduchá miera návratnosti

i vstup

jh koeficient prestupu tepla

k smernica charakteristiky turbíny

L dĺžka

mɺ hmotnostný prietok

MER minimálne energetické nároky na ohrev MERH alebo chladenie MERC

N počet

Nu Nusseltovo kritérium

NV napájacia voda

o výstup

P výkon

Pr Prandtlovo kritérium

pt vzdialenosť stredov rúrok

Qɺ tepelný tok

Re Reynoldsovo kritérium

T teplota

U úhrnný koeficient prechodu tepla

λ súčiniteľ prestupu tepla vedením

14

Úvod

Pred výrobou napájacej vody je nutné vodu zo zdroja podrobiť viacerým úpravám. Prvou

úpravou je filtrácia cez vrstvu zrnitého materiálu alebo na sitách.

Ďalšou operáciou je čírenie, ktoré je spojené s usadzovaním alebo filtráciou. Princípom je

pridávanie chemických zlúčenín, ktoré vytvoria vločky, ktoré prostredníctvom elektrostatických

síl viažu koloidné a veľmi jemné čiastočky.

Následne sa používajú procesy iónovej výmeny, kde môže dochádzať ku zmäkčovaniu,

dekarbonizácii, deionizácii, desilikácii a demineralizácii.

Kvôli zníženiu miery korózie je taktiež nevyhnutné znížiť obsah kyslíka a CO2 vo vode.

Používané metódy sú termické a chemické odplynenie[1].

Prvým cieľom tejto práce je zostavenie materiálovej a entalpickej bilancie systému

v súčasnom stave. Po splnení tohto cieľa je možné uskutočniť pinch analýzu systému, ktorej

výstupom budú minimálne energetické nároky na ohrev a chladenie prislúchajúce zvolenej

minimálnej hnacej sile vo výmenníkoch tepla. Po stanovení minimálnych energetických nárokov

procesu, logicky nasleduje hľadanie zmien, ktoré umožnia dosiahnutie alebo aspoň priblíženie sa

k stanoveným minimálnym energetickým nárokom. Vplyv zmeny teploty vratných kondenzátov

na energetickú náročnosť výroby môže byť taktiež zaujímavý. Výsledkom predchádzajúcich

cieľov sú projekty, ktoré by priniesli úsporu prevádzkových nákladov. Na vyhodnotenie

vhodnosti jednotlivých projektov je potrebné zhodnotiť ekonomickú náročnosť a návratnosť

daných projektov.

15

1 Pinch analýza

Integrácia procesov je prístup v navrhovaní procesov, pri ktorom sa kladie dôraz na súhru

jednotlivých jednotkových operácií namiesto optimalizácie každého procesu osobitne. Integrácia

procesov môže byť použitá na riešenie širokého spektra problémov ako napríklad úspora energie,

redukcia emisií skleníkových plynov, minimalizácia spotreby vody a produkcie odpadových vôd,

zníženie tvorby odpadov, redukcia investičných nákladov a iné. Tento prístup má najväčší prínos

pre veľké priemyselné podniky.

Najčastejšie používaná metodológia integrácie procesov je pinch analýza, ktorá je často

používaná v chemickom, petrochemickom, papierenskom a potravinárskom priemysle. Najvhodnejší čas na aplikovanie pinch analýzy je pred finalizáciou návrhu projektu, kedy je

možné dosiahnuť maximálne úspory energie pri nižších investičných nákladoch zmenou dizajnu

prevádzky, zatiaľ čo pri analýze existujúcej prevádzky môžu vyššie investičné náklady zabrániť

optimalizácii. Dôležitou časťou tohto prístupu je stanovenie minimálnej spotreby energie, vody

alebo vodíka na začiatku analýzy, čo umožňuje zistiť maximálne potenciálne úspory,

identifikovať zdroje neefektívnosti, ktoré limitujú aké úspory môžu byť dosiahnuté a určiť

kľúčové oblasti pre budúce projekty.

Problém sa väčšinou delí na dve fázy: analýza a syntéza.

1.1 Analýza

Prvými krokmi sú zber a verifikácia údajov. Zdrojmi údajov môžu byť merania, simulácie

alebo projektové dáta. Merania popisujú súčasný stav procesu, preto sú najvhodnejšie pre

vyhodnotenie navrhovaných zmien, avšak niekedy môžu byť merania navzájom nekonzistentné.

Simulácia umožňuje predpovedať výsledky a dopad projektov, no s ohľadom na komplexnosť

procesu, požadovanej presnosti výsledkov môže vyžadovať veľa prostriedkov. Projektové údaje

je možné použiť tam, kde nie je možné uskutočniť merania, avšak je potrebné vziať do úvahy

fakt, že prevádzka nemusí pracovať pri pôvodných plánovaných podmienkach. Tieto údaje

taktiež umožňujú zhodnotiť, či je možné zmeny uskutočniť so stávajúcim vybavením alebo je

nutný nákup nového vybavenia.

V tejto fáze je taktiež dôležitý prínos operátorov. Po prvé vedia zhodnotiť správnosť údajov

na základe skúseností s prevádzkovaním. Tiež môžu vedieť o niektorých špecifických

obmedzeniach, ako je maximálna vstupná teplota alebo tlakové limitácie rôznych prúdov alebo

16

zariadení. Taktiež sú oboznámení s rôznymi problémami, ako je napríklad zanášanie teplo-

výmenných plôch.

Ďalším krokom je tvorba modelov, ktoré pomáhajú pri pochopení problémov, simulácii

procesu, stanovení cien a potvrdení výsledkov.

1.2 Syntéza

Tvorba optimálnej integračnej schémy a jej porovnanie s existujúcim procesom dovoľuje

identifikovať nedostatky systému. Cieľom tejto fázy je návrh projektov, ktoré napravujú tieto

nedostatky s pomocou expertov na dané procesy. Môžu sa objaviť nové poznatky, ktoré je

potrebné spätne zahrnúť do modelov a riešenia sú teda často iteratívne.

1.3 Pinch point

Vo všeobecnosti pri použití pracovných látok (ohrevná para, chladiaca voda a iné) vstupuje

do procesu médium o vysokej kvalite a z procesu vystupuje odpad o nižšej kvalite. Základným

princípom optimalizácie je vhodné párovanie ponuky a dopytu danej komodity. Vhodnosť závisí

od požadovanej a dostupnej kvality. Ak je komoditou teplo, kvalitu možno zhodnotiť teplotou,

pre vodu alebo vodík, to môže byť čistota alebo tlak.

1.3.1 Ponuka a dopyt tepla

Grafické znázornenie dopytu a ponuky tepla v závislosti od teploty, umožňujú určiť

maximálne možné využitie tepla a minimálne nároky na ohrev alebo chladenie. Prekrytie týchto

kriviek znázorňuje spätné využitie tepla, neprekryté časti znázorňujú minimálne energetické

nároky (obr. 1). Kótovaním vľavo, resp. vpravo sú na nasledujúcom obrázku (obr. 1) vyznačené

oblasti, kde je nutné len chladenie, resp. ohrev.

17

Obr. 1 Grafické znázornenie pinch anlýzy

1.3.2 Zostrojenie kriviek ponuky a dopytu tepla

Pre zostavenie týchto kriviek je nutná materiálová a entalpická bilancia procesu. Materiálové

prúdy sa rozdelia na studené, ktoré je nutné ohriať a horúce, ktoré je nutné ochladiť a každému

prúdu sa pridelí vstupná a cieľová teplota (tab. 1). Krivky znázorňujú celkovú zmenu entalpie

všetkých prúdov v jednotlivých teplotných intervaloch (obr. 2).

Tab.1 Príklad vstupných údajov pre pinch analýzu

Prúd Typ prúdu Vstupná

teplota/°C Cieľová

teplota/°C Tepelný

výkon/kW Tepelná

kapacita/ kWK-1 1 Horúci 200 100 2000 20 2 Horúci 150 60 3600 40 3 Studený 80 120 3200 80 4 Studený 50 220 2550 15

18

Obr. 2 Zostrojenie kriviek dopytu a ponuky tepla

1.3.3 Stanovenie energetických nárokov

Krivka spotreby tepla je posúvaná smerom ku krivke dostupnosti tepla až pokiaľ najmenšia

vzdialenosť medzi nimi je rovná minimálnej hnacej sile vo výmenníku tepla ∆Tmin (obr. 3). Tento

bod nazývame pinch point a rozdeľuje problém na dve osobitné zóny. Je nutné poznamenať, že

v grafoch vystupuje zmena entalpie prúdov a teda horizontálny posun kriviek žiadnym spôsobom

nemení vlastnosti prúdov.

19

Obr.3 Stanovenie polohy pinch pointu

Oblasť nad úzkym miestom vyžaduje len ohrev a naopak oblasť pod úzkym miestom vyžaduje

len chladenie. Je preto dôležité neprenášať teplo medzi týmito oblasťami (to znamená, neohrievať

prúdom s teplotou nad pinch pointom prúd s teplotou pod pinch pointom), pretože každý takýto

prenos tepla (α) vyvolá zvýšenie energetických nárokov na chladenie aj ohrev o množstvo tepla

prenesené cez pinch point (obr.4 ).

Obr.4 Prenos tepla cez pinch point

20

1.3.4 Voľba ∆Tmin

Zvyšovanie minimálnej hnacej sily vedie ku vzďaľovaniu kriviek, tým sa zmenšuje ich

prekrytie, čo má za následok zmenšenie maximálneho využitia tepla a teda zníženie

potenciálnych úspor (obr. 6). Na druhej strane vyššia hnacia sila vedie k zmenšeniu veľkosti

výmenníkov tepla a teda zníženej kapitálovej investícii. Preto musí existovať optimálne ∆Tmin,

ktoré je možné odhadnúť so známych cien výmenníkov tepla a energií (obr. 5). V praxi táto voľba

závisí od tvaru kriviek a od skúseností.

Obr.5 Voľba minimálnej hnacej sily

Pre krivky, ktoré sú takmer rovnobežné je vhodnejšia vyššia hnacia sila, ako pre krivky ktoré

ostro divergujú. V opačnom prípade by to znamenalo nutnosť nákupu veľkých výmenníkov pre

všetky teplotné oblasti, nie len pre výmenníky tepla pracujúce v okolí pinch pointu.

Pre procesy, kde dochádza k zanášaniu teplo-výmenných plôch sa používajú hodnoty ∆Tmin

okolo 30-40 K, pre prenos tepla pracovnými médiami s vyššou teplotou je to 10-20 K, pre procesy

pri nízkych teplotách 3-5 K, kvôli minimalizácii energetických požiadaviek chladiacich

systémov[2].

21

Obr.6 Vplyv voľby minimálnej hnacej sily na minimálne energetické nároky

1.3.5 Základné princípy

Prúdy s odlišnými teplotami by sa nemali miešať. Priame neizotermické zmiešavanie sa

správa ako výmenník tepla a teda by mohlo dôjsť k prenosu tepla cez pinch point. Preto je nutné

prúdy posudzovať osobitne.

Prúdy pracovných médií (para, chladiaca voda, atď.) by nemali byť zahrnuté v pinch analýze,

pokiaľ nie sú priamo zahrnuté v procese a nedajú sa nahradiť. V opačnom prípade by boli

posudzované ako nutné súčasti a žiadna úspora týchto médií by nebola identifikovaná.

Súčasný plán prevádzky by z počiatku nemal byť braný do úvahy. Existujúci plán by mal byť

posúdený až po stanovení minimálnych energetických nárokov.

Niektoré teplotné obmedzenia prúdov nie je možné meniť (teplota produktov z reaktora),

avšak iné (teplota produktov odchádzajúcich do skladu) je možné meniť a tým zmeniť aj

minimálne energetické nároky[2].

22

2 Návrh výmenníkov tepla

2.1 Kotlový výmenník tepla

Vo všeobecnosti tepelný tok Qɺ cez povrch A závisí od hnacej sily ∆TS a úhrnného

koeficientu prechodu tepla U vztiahnutého na povrch A.

sQ UA T= ∆ɺ (2.1)

Hlavnou úlohou pri návrhu výmenníka tepla je výpočet plochy postačujúcej na požadovaný

tepelný tok pri známych hnacích silách na začiatku a konci výmenníka. Koeficient prechodu tepla

je funkciou všetkých odporov voči prestupu tepla, čo je možné vyjadriť s využitím koeficientu

prestupu tepla v rúrkach resp. v plášti hi resp. ho, vonkajšieho a vnútorného priemeru rúrok do

resp. di a súčiniteľa tepelnej vodivosti stien rúrok λw nasledovne

ln1 1 1

2

oo

i o

o w i i

dd

d d

U h d hλ

= + + (2.2)

Typické hodnoty U pre výmenu tepla medzi dvoma vodnými fázami v kotlovom výmenníku

tepla sú v rozsahu 800-1500 Wm2K-1[3].

2.1.1 Počet chodov

Tekutiny v kotlovom výmenníku tepla, môžu prejsť celou dĺžkou výmenníka tepla viac ako

raz. Typický počet chodov v rúrkach je v rozsahu 1 až 16, najčastejšie sa používajú párne

hodnoty, počet závisí od požadovanej rýchlosti prúdenia v rúrkach. Na strane plášťa dochádza

väčšinou len k jednému prechodu[3].

2.1.2 Zarážky

Zarážky sú umiestňované do plášťa (obr. 7) s účelom zvýšenia rýchlosti prúdenia tekutiny a

teda aj zlepšenia podmienok pre prestup tepla. Vzdialenosť zarážok je väčšinou v rozsahu 0,2 až

1 násobku priemeru plášťa. Veľkosť zarážok sa často vyjadruje ako percentuálny podiel priemeru

plášťa, ktorý nie je vyplnený zarážkou („baffle cuts“)[3].

23

Obr. 7 Zarážky vo výmenníku tepla

2.1.3 Rozmiestnenie rúrok

Priemer zväzku rúrok závisí od počtu rúrok, ich rozmiestnenia a počtu chodov v rúrkach.

Odhadnúť ho možno pomocou empirickej rovnice

1

1

1

nt

b o

ND d

K

=

(2.3)

Parametre K1 a n1 závisia od počtu chodov v rúrkach a usporiadania rúrok. Štandardná

vzdialenosť stredov rúrok je 125% vonkajšieho priemeru rúrky[3].

Tab. 2 Parametre pre odhad priemeru zväzku rúrok

Trojuholníkový rozstup Počet chodov 1 2 4 6 8

K1 0,319 0,249 0,175 0,0743 0,0365 n1 2,142 2,207 2,285 2,499 2,675

Štvorcový rozstup Počet chodov 1 2 4 6 8

K1 0,215 0,156 0,158 0,0402 0,0331 n1 2,207 2,291 2,263 2,617 2,643

Priemer plášťa musí byť väčší ako priemer zväzku rúrok, potrebná rezerva závisí od typu

výmenníka tepla a priemeru balíka rúrok (obr. 8)[3].

24

Obr. 8 Závislosť potrebnej rezervy v plášti od priemeru balíka rúrok

2.1.4 Rýchlosť prúdenia

Rýchlosť prúdenia musí byť dostatočná na to, aby nedochádzalo k usádzaniu častíc, no

zároveň dostatočne nízka, aby nedochádzalo k mechanickému poškodeniu výmenníka tepla

a straty tlaku boli na prijateľnej úrovni. Rýchlosť prúdenia vody v rúrkach by mala byť v rozsahu

1,5 až 2,5 ms-1, typická rýchlosť prúdenia v plášti je v rozsahu 0,3 až 1 ms-1[3].

2.1.5 Hnacia sila prechodu tepla

Hnacou silou v kotlovom výmenníku nie je obyčajný logaritmický stred hnacích síl na vstupe

a výstupe do výmenníka ∆Tls. Hnacia sila závisí aj od korekčného faktora Ft, ktorý je funkciou

parametrov R a S (obr. 9). Hnaciu silu ∆Ts možno pre protiprúdny výmenník tepla vyjadriť za

predpokladu, že teplejší prúd prúdi v rúrkach nasledovne

s t lsT F T∆ = ∆ (2.4)

25

kde

2 2 1 1

2 2

1 1

( '' ') ( '' ')( '' ')

ln( '' ')

ls

t t t tT

t t

t t

− − −∆ = −−

(2.5)

Teploty t’ charakterizujú prúd v plášti, zatiaľ čo teploty t’’ charakterizujú prúd v rúrkach.

Parametre R,S závisia len od teplôt prúdov na vstupe a na výstupe.

2 1

2 1

' '

'' ''

t tR

t t

−=−

(2.6)

2 1''

1 1

' '

'

t tS

t t

−=−

(2.7)

Parameter R vyjadruje pomer zmeny teploty prúdu v plášti ku zmene teploty prúdu v rúrkach.

Parameter S vyjadruje účinnosť ohrevu chladnejšieho média[3].

Najčastejšie používaným usporiadaním je výmenník s jedným chodom v plášti a párnym

počtom chodov v rúrkach.

Obr. 9 Závislosť korekčného faktoru od parametrov R a S

26

2.1.6 Koeficient prestupu tepla na strane rúrok

Prestup tepla prúdením pri ustálenom turbulentnom prúdení v rúrkach s rovnakým prierezom

možno opísať Nusseltovým kritériom Nu pomocou Reynoldsovho Re resp. Prandtlovho kritéria

Pr nasledovne

0,80,023Re PrbNu = (2.8)

kde hodnota parametra b je 0,4 pre ohrev a 0,3 pre chladenie. Túto rovnicu možno použiť, ak je

splnená podmienka Re>10000. Charakteristickým rozmerom je priemer rúrky, určujúcou

teplotou je stredná teplota medzi vstupom a výstupom z rúrky[3].

2.1.7 Koeficient prestupu tepla na strane plášťa

Tok tekutiny na strane plášťa je zložitejší ako na strane rúrok, pretože prúdenie nie je možné

opísať ako prúdenie kolmo na rúrky. Prúdenie na strane plášťa je zmesou krížového toku medzi

zarážkami a axiálneho toku cez zarážky.

Prierez, cez ktorý dochádza ku krížovému toku cez strednú radu rúrok As, možno vyjadriť

pomocou vzdialenosti stredu rúrok pt, vonkajšieho priemeru rúrky do, priemeru plášťa Ds,

a vzdialenosti zarážok IB nasledovne[3]

( )t o s Bs

o

p d D IA

d

−= (2.9)

Charakteristický rozmer (ekvivalentný priemer) de pre určenie Re možno vyjadriť na základe

zmáčaného obvodu a prierezu. Pre štvorcový rozstup platí

( )2 21.270.785e t o

o

d p dd

= − (2.10)

Pre rovnostranný trojuholníkový rozstup platí

( )2 21.10.917e t o

o

d p dd

= − (2.11)

Prestup tepla je možné charakterizovať nasledovne

0.33RePrhNu j= (2.12)

Koeficient prestupu tepla jh závisí od turbulencie toku a veľkosti zarážok, no líši sa pre rôzne

rozstupy rúrok (obr. 10)[3]

27

Obr. 10 Závislosť koeficientu prestupu tepla od Re

28

3 Schéma systému

Ohriata voda z Váhu je čerpaná cez čírič a pieskové filtre do čírenej jamy. Jej priemerná

teplota je 19,2°C. Ďalej je čerpaná cez demineralizačnú linku do zásobnej nádrže na

demineralizovanú vodu. Demineralizovaná voda je ohrievaná vo výmenníku tepla č.1, vodou z

várne, ktorá sa môže ochladiť zo 70°C na 50°C. Váreň je schopná poskytnúť väčšie množstvo

teplej vody, ako je v súčasnosti využívané. Ohriata demineralizovaná voda je privádzaná pred

zmiešané filtre, kde sa zmiešava s ochladeným kondenzátom. Maximálna prípustná teplota v

zmiešaných filtroch je 50°C.

Horúci kondenzát z regenerácie a z papierenských strojov je prečerpávaný cez výmenníky

tepla č.2 resp. č.3 do zásobných nádrží na ochladený kondenzát, odkiaľ je ochladený kondenzát

prečerpávaný cez antracitové a katexové filtre a následne zmiešavaný s demineralizovanou

vodou. Priemerné teploty horúcich kondenzátov sú 106°C, resp. 85°C.

Voda upravená na zmiešaných filtroch sa následne ohrieva vo výmenníkoch tepla č.2 resp.

č.3 a je ďalej čerpaná do zásobných nádrží na prevádzke Regenerácia, resp. Energy. Časť vody

na Energy je čerpaná do napájacej nádrže pre SK kotle, v ktorej je udržiavaná teplota 105°C.

Zvyšná časť je čerpaná z Energy na Regeneráciu. Na Regeneráciu je privádzaný taktiež kondenzát

z turbíny TG-8. Časť vody z Regenerácie je vedená priamo do napájacej nádrže pre RK3 kotol,

kde je udržiavaná teplota 140°C. Zvyšná časť vody sa ohrieva v peci na vápno, ktorá dodáva

tepelný výkon 4 MW, odkiaľ je čerpaná do napájacích nádrží pre RK2, resp. KDO kotol, kde je

udržiavaná teplota 120°C resp. 130°C. Projekt pece na vápno ešte nie je realizovaný.

Para je privádzaná do napájacích nádrží pri tlaku 0,6 MPa a teplote 210°C, alebo predtým

expanduje na točivých redukciách. Točivé redukcie v súčasnosti nie sú prevádzkované.

Z napájacích nádrží je odčerpávaná napájacia voda (NV).

Tab. 3 Parametre točivých redukcií

Napájacia nádrž

Maximálny prietok/ th-1

Maximálny výkon/ kW

Minimálny prietok/ th-1

Smernica charakteristiky/

kWht-1

Výstupný tlak/MPa

RK2 8 360 2 60 0,2 KDO 20 510 7,25 40 0,35

29

Obr. 11 Schéma prevádzky

A) voda z Váhu, B) čírič a pieskové filtre, C) čírená jama, D) demineralizovaná voda, E)

zásobná nádrž na demineralizovanú vodu, F),K),L) výmenník tepla č.1,č.2,č.3, G) voda z várne,

H) zmiešané filtre, I) kondenzát z regenerácie, J) kondenzát z papierenských strojov, M)

zásobné nádrže na ochladený kondenzát, N) zásobná nádrž na Energy, O) zásobná nádrž na

Regenerácii, P) turbína TG-8, Q) pec na vápno, R) napájacia nádrž pre RK3, S) napájacia nádrž

pre RK2, T) napájacia nádrž pre KDO, U) napájacia nádrž pre SK, V) točivé redukcie, W)

vodná para

Tab. 4. Priemerné prietoky a teploty jednotlivých prúdov

Prúd Prietok/th-1 Teplota/°C Voda z Váhu 170 19,2 Demineralizovaná voda 170 34,6 Kondenzát z regenerácie 241,4 106 Ochladený kondenzát z regenerácie 241,4 50,5 Kondenzát z papierenských strojov 90,8 85 Ochladený kondenzát z papierenských strojov 90,8 63,7 TG-8 kondenzát 34 38 Voda do napájacej nádrže RK3 242,6 - NV SK 42,4 105 NV RK2 134,5 120

30

Tab. 5 Maximálne výkony kotlov

Kotol Produkcia pary/ th-1 RK2 160 RK3 380 KDO 170 SK 120

31

4 Výpočtová časť

4.1 Materiálová a entalpická bilancia

Vzhľadom na to, že nie sú k dispozícii všetky údaje, hlavne prietoky vyrobených napájacích

vôd, je nutné pred pinch analýzou vykonať materiálovú a entalpickú bilanciu systému. Hlavné

procesy v systéme sú zmiešavanie prúdov, prestup tepla vo výmenníku tepla a v napájacej nádrži.

Pre zjednodušenie je vo všetkých výpočtoch používaná hodnota 4,2 kJkg-1K-1, ako špecifická

tepelná kapacita vody cp nezávisle od teploty.

4.1.1 Zmiešavanie

Pri zmiešavaní n prúdov o hmotnostných prietokoch imɺ a so špecifickými entalpiami ih

spočíva riešenie materiálovej a entalpickej bilancie v riešení nasledovnej sústavy rovníc

11

0n

i ni

m m +=

− =∑ ɺ ɺ (4.1)

1 11

0n

i i n ni

m h m h+ +=

− =∑ ɺ ɺ (4.2)

4.1.2 Výmenník tepla

Pre výmenník tepla možno po zanedbaní strát tepla do okolia napísať entalpickú bilanciu

v tvare

'( ' ' ) ''( '' '' ) 0o i i om h h m h h− − − =ɺ ɺ (4.3)

4.1.3 Napájacia nádrž

Pri predpoklade, že celé množstvo pary skondenzuje možno materiálovú a entalpickú bilanciu

napájacej nádrže vyjadriť v tvare

0V P NVm m m+ − =ɺ ɺ ɺ (4.4)

0V V P P NV NVm h m h m h+ − =ɺ ɺ ɺ (4.5)

Odhadnutý percentuálny podiel úniku pary možno následne zohľadniť pri ekonomickej

analýze systému.

32

4.2 Generácia elektrickej energie

Množstvo elektrickej energie generovanej expanziou vodnej pary na točivých redukciách je

stanovené na základe parametrov turbíny. Je predpokladaná lineárna závislosť výkonu turbíny od

prietoku vodnej pary, avšak nulový výkon dosahuje turbína až pri minimálnom prietoku pary.

Preto pre výkon turbíny P platí

,min( )p PP k m m= −ɺ ɺ (4.6)

kde k je smernica charakteristiky turbíny, pmɺ je prietok vodnej pary, ,minPmɺ je minimálny

prietok vodnej pary.

4.3 Návrh výmenníka tepla

Prvým krokom návrhu je výpočet celkového tepelného toku Qɺ vo výmenníku.

( )' o iQ m h h= −ɺ ɺ (4.7)

Ďalej nasleduje určenie hnacej sily ∆Ts, na čo je nutný výpočet parametrov R,S podľa vzťahov

(2.6) a (2.7). Ak je parameter S príliš vysoký, je možné, že korekčný faktor bude príliš nízky,

prípadne nebude možné korekčný faktor stanoviť z grafickej závislosti (obr. 9). Ak je hnacia sila

∆Tmin pozdĺž výmenníka tepla konštantná, môžeme vypočítať ohriatie ohrievaného prúdu ∆T,

potrebné na dosiahnutie požadovanej hodnoty parametra S.

min

11

TT

S

∆∆ = −

(4.8)

Potom pre nutný počet rovnako veľkých výmenníkov tepla N platí

o it tN

T

−=∆

(4.9)

Odhadom úhrnného koeficienta prestupu tepla U sa dá na základe vzťahu (2.1) určiť potrebnú

teplo-výmennú plochu A. Po voľbe dĺžky L, svetlosti a hrúbky rúrok môžeme odhadnúť počet

rúrok Nt, priemer zväzku rúrok pomocou vzťahu (2.3) a po pripočítaní nutnej rezervy aj priemer

plášťa. Pri výpočtoch v práci boli používané 32/25 mm rúrky o dĺžke 6m (prípustné podľa normy)

v pravidelnom trojuholníkovom rozstupe.

33

to

AN

d Lπ= (4.10)

Na opis prestupu tepla boli použité kriteriálne vzťahy (2.8) a (2.12), podľa vzťahu (2.2) bola

vypočítaná prislúchajúca hodnota úhrnného koeficientu prestupu tepla U. Ak sa vypočítaná

hodnota líšila od odhadnutej o viac ako 10%, potrebná teplo-výmenná plocha bola stanovená

iteratívne, pričom vypočítaná hodnota U sa stala novým odhadom.

4.4 Ekonomická analýza

4.4.1 Nákup zariadení

Cena výmenníka tepla Ce závisí od potrebnej teplo-výmennej plochy S. Na odhad ceny je

možné použiť vzťah

neC a bS= + (4.11)

Parametre a, b, n pre výpočet ceny v amerických dolároch v roku 2010 sú uvedené v nasledujúcej

tabuľke(tab. 6)[3].

Tab. 6 Parametre pre odhad ceny zariadení

Typ výmenníka tepla a b n Kotlový s plávajúcou hlavou 32000 70 1,2

4.4.2 Odhad fixných kapitálových nákladov

Fixné kapitálové náklady môžeme odhadnúť napríklad podľa faktorovej metódy, ktorá

vyjadruje celkové fixné náklady CFC na realizáciu projektu a cenu zariadení s inštaláciou C ako

funkciu nákupnej ceny hlavných zariadení ΣCe a rôznych faktorov f.

( ) ( )1e p er el i c s IC C f f f f f f f = + + + + + + + ∑ (4.12)

( )( )1 1FC OS DE XC C f f f= + + + (4.13)

Hodnoty jednotlivých faktorov pre prevádzky, ktoré spracúvajú tekutiny je možné nájsť

v nasledujúcej tabuľke[3].

34

Tab. 7 Použité hodnoty faktorov

Faktor Hodnota Inštalácia zariadenia fer 0,3 Potrubia fP 0,8 Meranie a regulácia fi 0,3 Elektrotechnické zariadenia fel 0,2 Stavebné náklady fc 0,3 Budovy fS 0,2 Izolácia a nátery fI 0,1 Náklady na dočasné stavby fOS 0,3 Projektovanie fDE 0,3 Rezerva fX 0,1

Pre existujúcu prevádzku je možné považovať náklady na dočasné stavby, elektrotechnické

zariadenia a stavebné náklady za nulové, taktiež nebude nutná výstavba nových budov. Po

zohľadnení týchto zmien, môžeme vyjadriť výšku kapitálových nákladov CFC zo vzťahov

(4.12) a (4.13) nasledovne

3,5FC eC C= (4.14)

4.4.3 Časový nárast cien

Časový nárast cien opisujú cenové indexy CI, ktoré umožňujú prepočet nákladov v jednom

časovom období na iné časové obdobie.

22 1

1

CIC C

CI= (4.15)

Používané cenové indexy sú v nasledujúcej tabuľke[3].

Tab. 8 Použité cenové indexy

Rok CI 2010 532,9 2014 580,1

4.4.4 Ročné náklady

Pri ročných nákladoch má zmysel rozlišovať prevádzkové a kapitálové náklady. Do

prevádzkových nákladov boli zahrnuté náklady na použitú vodnú paru a potom boli zmenšené

o cenu za nákup generovanej elektrickej energie.

35

Ročné kapitálové náklady predstavujú fixné kapitálové náklady rozdelené na dobu životnosti

zariadení tzn. odpisy. Pre výmenníky tepla bola predpokladaná životnosť 14 rokov, z dôvodu

použitia neagresívnych médií.

Tab. 9 Použité ceny energií

Položka Cena Vodná para 0,6MPa 210°C 20 €/t Elektrická energia 100 €/MWh

4.4.5 Návratnosť projektu

Jednoduchá miera návratnosti projektu I je vyjadrená ako podiel celkových kapitálových

nákladov na realizáciu projektu CFC a ročného zisku, resp. ročných úspor projektu ∆E.

FCCI

E=

∆ (4.16)

36

5 Výsledky

Zo sústavy materiálových a entalpických bilancií je možné určiť prietoky a teploty všetkých

prúdov. Pre nasledujúcu pinch analýzu sú najdôležitejšie prietoky teplej vody do jednotlivých

napájacích nádrží. Výsledky z bilancovania systému pri priemerných hodnotách za mesiace

január a február sú v nasledujúcej tabuľke. Celkový tepelný príkon je 32,9 MW.

Tab. 10 Výsledky bilancovania súčasného stavu

Prúd Prietok/th-1 Teplota/°C NV RK2 141,7 120 NV KDO 112,9 130 NV RK3 271,3 140 NV SK 42,4 105 Para RK2 7,2 210 Para KDO 7,6 210 Para RK3 28,7 210 Para SK 1,6 210 Celková spotreba pary 45,1 210 Napájacia nádrž RK2 134,5 90 Napájacia nádrž KDO 105,3 90 Napájacia nádrž RK3 242,6 75,7 Napájacia nádrž SK 40,8 82,3

Vstupom do pinch analýzy sú prietoky vody, prietoky vratných kondenzátov, vody z Váhu,

kondenzátu z turbíny TG-8 a prietoky vody do jednotlivých napájacích nádrží. Keďže nie je

využitá všetka dostupná teplá voda z várne, mohlo by byť zaujímavé sledovať zmenu výsledkov

pinch analýzy v závislosti od prietoku vody z várne. Najjednoduchším spôsobom výpočtu je

regulácia teploty vody v zmiešaných filtroch na 50°C.

Tab. 11 Vstupné údaje pre pinch analýzu

Prúd Ti/°C To/°C m/th-1 Napájacia nádrž RK2 50 120 134,5 Napájacia nádrž KDO 50 130 105,3 Napájacia nádrž RK3 50 140 208,6 Napájacia nádrž SK 50 105 40,8 Kondenzát TG-8 38 140 34 Voda z Váhu 19,2 50 170 Kondenzát z papierenských strojov 85 50 90,8 Kondenzát z regenerácie 106 50 241,4 Voda z várne 70 50 0 až 400

37

Výstupom z pinch analýzy sú minimálne energetické nároky na ohrev a chladenie MERH

resp. MERC a poloha pinch pointu. Poloha pinch pointu, aj minimálne energetické nároky závisia

od prietoku vody z várne. Energetické nároky na ohrev dosahujú minimum nad určitým

prietokom vody z várne (obr. 13). V nasledujúcej tabuľke sú uvedené minimálne energetické

nároky pre rôzne minimálne hnacie sily ∆Tmin a prietok vody z várne potrebný na ich dosiahnutie.

Tab. 12 Výstupné údaje pinch analýzy súčasného stavu

∆Tmin/°C MERH/MW MERC/MW Pinch point/°C Prietok/th-1 5 28,0 0 65 343,4 6 28,6 0 64 319,2 7 29,2 0 63 290,9 8 29,9 0 62 266,7 9 30,5 0 61 238,4 10 31,1 0 60 214,1 12 32,3 0 58 193,9

Obr. 12 Príklad pinch analýzy pri hnacej sile 5°C

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0

Te

plo

ta t

/°C

Tepelný tok Q/MW

Dopyt tepla Ponuka tepla

38

Obr. 13 Závislosť potrebného tepelného príkonu od spotreby vody z várne pri hnacej sile

rovnej 5°C

Na základe výsledkov pinch analýzy (tab. 12) je jasné, že pri minimálnej hnacej sile 12°C

a menšej je možné prevádzkovať výrobu pri nižších nákladoch na ohrev ako v súčasnom stave.

Ďalej je možné vidieť, že energetické nároky lineárne rastú s rastúcou minimálnou hnacou silou

a spotreba vody z várne podlieha opačnému trendu. Poloha pinch pointu je rovná teplote teplej

vody z várne zmenšenej o minimálnu hnaciu silu.

Je nutné si uvedomiť, že MERC závisí od teploty vody z Váhu a teda v lete by mali byť vyššie

nároky na chladenie. Ak však uvažujeme, že teplota vody vo Váhu v lete je približne 20°C, po

odpojení pred-ohrevu vody v lete budú energetické nároky na chladenie približne rovnaké ako v

zime, kedy je voda pred-ohrievaná na 19,2°C.

Aby bolo možné dosiahnuť minimálne náklady, je nutné na základe pravidiel pinch analýzy

upraviť schému prevádzky.

Keďže teplota kondenzátu z turbíny TG-8 je pod pinch pointom, nie je vhodné zmiešavať

tento kondenzát s prúdmi nad pinch pointom, ako je tomu v súčasnom stave. Vhodnými

alternatívami sú zmiešavanie s vodou z Váhu alebo zmiešavanie s vodou pred zmiešanými

filtrami. Keďže kondenzát nie je potrebné ďalej upravovať bude postačujúce zmiešavanie pred

zmiešanými filtrami. Voda z Váhu môže byť naďalej ohrievaná vodou z várne, teplota, na ktorú

bude ohriata by mala byť regulovaná tak, aby po zmiešaní so všetkými ochladenými kondenzátmi

teplota v zmiešaných filtroch nepresiahla 50°C.

25

27

29

31

33

35

37

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Te

pe

lný

prí

ko

n/M

W

Spotreba vody z várne/th-1

39

Teplo z horúcich kondenzátov možno naďalej použiť na ohrev vody odchádzajúcej zo

zmiešaných filtrov, pravdepodobne najjednoduchšou možnosťou je ohrievať rovnaký prietok

vody ako je ochladzovaný, čo zabezpečí minimálnu hnaciu silu pozdĺž celého výmenníka.

Voda zo zmiešaných filtrov, ktorá nie je ohrievaná kondenzátmi môže byť ohriata vodou

z várne, na čo však je potrebné zaradenie nového výmenníka tepla. Upravená schéma je na

nasledujúcom obrázku (obr. 14). Zmeny oproti súčasnosti sú vyznačené červenou.

Obr. 14 Schéma s úpravami po pinch analýze

A) voda z Váhu, B) čírič a pieskové filtre, C) čírená jama, D) demineralizovaná voda, E)

zásobná nádrž na demineralizovanú vodu, F),X),K),L) výmenník tepla č.1 až 4, G) voda z

várne, H) zmiešané filtre, I) kondenzát z regenerácie, J) kondenzát z papierenských strojov, M)

zásobné nádrže na ochladený kondenzát, N) zásobná nádrž na Energy, O) zásobná nádrž na

Regenerácii, P) turbína TG-8, Q) pec na vápno, R) napájacia nádrž pre RK3, S) napájacia nádrž

pre RK2, T) napájacia nádrž pre KDO, U) napájacia nádrž pre SK, V) točivé redukcie, W) para

Pri hnacej sile vyššej ako 9°C už nie je možné pri maximálnom zaťažení prevádzky dochladiť

vratné kondenzáty tak, aby na zmiešaných filtroch bola teplota maximálne 50°C. Vtedy je

výhodné ohriať vodu z Váhu kondenzátmi. Tým však pri maximálnom zaťažení stále

nedosiahneme teplotu 50°C na zmiešaných filtroch, kondenzáty by bolo nutné ešte dochladiť. Pri

súčasnom zaťažení prevádzky však chladenie nie je nutné. Toto zapojenie je možné vidieť na

40

nasledujúcom obrázku (obr. 15). Zmeny oproti súčasnému stavu sú znázornené červenou, zmena

v chladení kondenzátov je znázornená čiarkovanými čiarami.

Obr. 15 Schéma pri vyšších hnacích silách

A) voda z Váhu, B) čírič a pieskové filtre, C) čírená jama, D) demineralizovaná voda, E)

zásobná nádrž na demineralizovanú vodu, F),X),K),L) výmenník tepla č.1 až 4, G) voda z

várne, H) zmesné filtre, I) kondenzát z regenerácie, J) kondenzát z papierenských strojov, M)

zásobné nádrže na ochladený kondenzát, N) zásobná nádrž na Energy, O) zásobná nádrž na

Regenerácii, P) turbína TG-8, Q) pec na vápno, R) napájacia nádrž pre RK3, S) napájacia nádrž

pre RK2, T) napájacia nádrž pre KDO, U) napájacia nádrž pre SK, V) točivé redukcie, W) para,

Y) nutné chladenie

Pri dimenzovanií výmenníkov tepla pre nové zapojenia je nutné najskôr riešiť materiálovú

a entalpickú bilanciu pri maximálnom zaťažení prevádzky. Základom pre tento výpočet sú už

uvedené maximálne produkcie pary jednotlivých kotlov a návratnosť kondenzátu. Podľa

dostupných údajov návratnosť kondenzátu je približne 70%, pričom asi 70% z tohto kondenzátu

prichádza z regenerácie. Bilancie boli riešené za predpokladu, že voda z Váhu bude pred-

ohrievaná na rovnakú teplotu a aj kondenzáty budú prichádzať pri rovnakej teplote ako

v súčasnom stave.

41

Na základe bilancovania prevádzky pri maximálnom zaťažení, je možné iteratívne stanoviť

teplo-výmennú plochu pre každý výmenník tepla. Výmenníky tepla, v ktorých by bol korekčný

koeficient Ft nižší ako 0,5 boli rozdelené na niekoľko rovnakých výmenníkov tepla s vyšším

korekčným koeficientom, v nasledujúcej tabuľke (tab. 13) sú uvádzané celkové teplo-výmenné

plochy pre jednotlivé výmenníky tepla.

Tab. 13 Potrebné teplo-výmenné plochy

∆Tmin/°C A1/m2 A2/m2 A3/m2 A4/m2 5 87,0 81,3 118,4 63,8 6 46,0 76,6 113,2 62,0 7 21,2 75,5 110,4 59,3 8 9,3 75,1 110,4 59,3 9 2,9 80,3 116,5 62,8 10 29,6 80,0 116,5 62,8 12 15,7 75,0 111,1 59,6

Teplo-výmenné plochy niektorých výmenníkov sa príliš nelíšia, avšak líši sa počet sériovo

zapojených výmenníkov, čo následne spôsobí aj rozdielnu cenu projektov. V stĺpci s teplo-

výmennou plochou A1 (tab. 13) je možné vidieť skokovú zmenu, ktorá je spôsobená použitím

iného zapojenia pre vyššie hnacie sily (iné dochladzovanie kondenzátu (obr. 15)).

Pre určenie optimálnej voľby minimálnej hnacej sily je nutná ekonomická analýza

jednotlivých projektov. Na odhad fixných kapitálových nákladov bola použitá faktorová metóda,

do ceny hlavných zariadení boli zahrnuté len ceny výmenníkov tepla. Do prevádzkových

nákladov boli zahrnuté náklady na vodnú paru a následne boli znížené o cenu generovanej

elektrickej energie. Najskôr je však nutné analyzovať, či je vôbec výhodné prevádzkovať točivé

redukcie, keďže elektrická energia je generovaná na úkor entalpie vodnej pary. Pri ohreve

expandovanou vodnou parou s nižšou entalpiou automaticky vzrastie spotreba vodnej pary.

Prevádzkové náklady boli počítané pre 8000 hodinový ročný pracovný fond, pri produkcii

rovnakého množstva NV ako v súčasnosti.

Zo systému materiálových a entalpických bilancií systému boli stanovené spotreby pary

v prípade prevádzkovania (tab. 14) alebo neprevádzkovania (tab. 15) točivých redukcií.

42

Tab. 14 Energetická náročnosť bez prevádzkovania točivých redukcií

∆Tmin/°C Spotreba pary/th-1 5 39 6 39,9 7 40,8 8 41,6 9 42,5 10 43,4 12 45,1

Tab. 15. Energetická náročnosť s prevádzkovaním točivých redukcií

∆Tmin/°C Spotreba pary/th-1 Elektrická energia/MW 5 40,1 0,375 6 41 0,397 7 41,3 0,404 8 42,2 0,411 9 43,1 0,418 10 44 0,425 12 46,3 0,439

V predchádzajúcej tabuľke (tab. 15) je možné vidieť spomalenie rýchlosti generovania

elektrickej energie pri hnacej sile nad 6°C. To je spôsobené tým, že jedna turbína už pracuje pri

maximálnom výkone.

Tab. 16 Porovnanie prevádzkových nákladov podľa prevádzkovania turbín

∆Tmin/°C Bez turbín/€h-1 S turbínami/€h-1 5 781,0 763,8 6 798,3 779,5 7 815,6 785,6 8 832,9 802,9 9 850,1 820,2 10 867,3 837,5 12 901,4 882,1

Z porovnania (tab. 16) je vidieť, že prevádzkovať točivé redukcie sa oplatí, ak je možné

prevádzkovať obe, tento odhad však veľmi závisí od použitých cien pre vodnú paru a elektrickú

energiu.

Kapitálové náklady klesajú s rastúcou minimálnou hnacou silou, zatiaľ čo prevádzkové

náklady vykazujú opačný trend (obr. 16). Výsledky ekonomických analýz možno vidieť

v nasledujúcej tabuľke (tab. 17). Súčasné prevádzkové náklady sú na úrovni 7,21 mil. € za rok.

43

Tab. 17 Prehľad ročných nákladov jednotlivých projektov

∆Tmin/°C Kapitálové/mil. € Prevádzkové/mil. € Celkové/mil. € Úspora/mil. € 5 0,47 6,12 6,59 1,09 6 0,37 6,24 6,60 0,97 7 0,31 6,28 6,60 0,93 8 0,26 6,42 6,68 0,79 9 0,23 6,56 6,79 0,65 10 0,26 6,70 6,96 0,51 12 0,21 7,06 7,27 0,15

Obr. 16 Závislosť ročných nákladov od hnacej sily

Najnižšie celkové ročné náklady sú približne rovnaké pri hnacej sile 5 až 7°C. Pravdepodobne

by bol najvýhodnejší projekt navrhnutý na hnaciu silu 5°C, pretože skutočné prevádzkové

náklady budú vyššie minimálne o náklady spôsobené stratami tepla do okolia. Pri sledovaní

kapitálových nákladov (tab. 17) je znovu možné všimnúť si zmenu trendu pri vyšších hnacích

silách rovnako ako pri teplo-výmenných plochách výmenníkov tepla (tab. 13)

Napriek tomu by mohla zohrať veľkú úlohu návratnosť týchto projektov. Jednoduchá miera

návratnosti I je podielom celkových kapitálových nákladov na realizáciu projektu a úspory

prevádzkových nákladov, ktorú tento projekt vyvolá (tab. 17).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ro

čné

ná

lad

y/m

il.€

Minimálna hnacia sila ΔTmin/°C

Kapitálové Prevádzkové Celkové

44

Tab. 17 Návratnosť projektov

∆Tmin/°C Miera návratnosti I/rok 5 6,0 6 5,4 7 4,7

V súčasnosti by zmiešaním vratných kondenzátov vznikol kondenzát o teplote 102°C. Za

predpokladu, že v prevádzke dochádza len ku kondenzácií pary vyrobenej na kotloch, teplota

tohto kondenzátu vzniknutého zmiešaním by bola 130°C. Bolo by zaujímavé zistiť, aké úspory

by bolo možné dosiahnuť vracaním kondenzátu pri vyšších teplotách.

Na nasledujúcom obrázku (obr. 17) je znázornená závislosť prevádzkových nákladov od

teploty zmesi kondenzátov, prevádzkové náklady približne lineárne klesajú s rastúcou teplotou

zmesi kondenzátov.

Obr. 17 Závislosť prevádzkových nákladov od teploty zmesi kondenzátov

100 105 110 115 120 125 130 135

Pre

vád

zko

vé n

ák

lad

y/m

il.€

Teplota zmesi kondenzátov t/°C

45

6 Diskusia

Vzhľadom na nedostatok údajov, nebolo možné preveriť, či by niektoré existujúce výmenníky

tepla neboli postačujúce. Ak by bolo možné využiť aspoň niektoré z nich, tak by to mohlo

ovplyvniť výsledky ekonomickej analýzy, z ktorej by vyplývalo iné optimálne riešenie.

Do cien hlavných nakupovaných zariadení neboli zahrnuté potrebné čerpadlá. Pri každom

projekte by boli potrebné nové čerpadlá, no pravdepodobne maximálne 2 až 3, avšak cena

čerpadiel je oveľa nižšia ako cena výmenníkov tepla a teda aj chyba spôsobená nezohľadnením

tejto sumy, je nižšia ako chyba samotnej metódy odhadu.

Vzhľadom k dostupnosti údajov nebolo možné navrhnúť doskové výmenníky tepla. Tieto

výmenníky tepla sú oveľa menšie, majú vyššie úhrnné koeficienty prestupu tepla, ale sú drahšie.

Taktiež dokážu pracovať pri ešte nižšej minimálnej hnacej sile až 3°C.

Všetky odhady prevádzkových nákladov, silne závisia od odhadu cien energetických médií,

tieto ceny kolíšu, takže ak aj dôjde k realizácii projektu, prevádzkové náklady a tým aj celá

ekonomika projektu sa môžu značne líšiť.

Je otázne, či by sa dosiahla úspora odoberaním kondenzátu pri vyššej teplote. Ak sa

v súčasnosti v prevádzke využíva viac ako kondenzačné teplo vyrobenej vodnej pary, takéto

opatrenie by spôsobilo zvýšenie spotreby pary. Avšak, ak sa využíva len kondenzačné teplo,

a k zníženiu teploty dochádza stratami tepla do okolia, dosiahnutie úspory by bolo isté. Na

zodpovedanie tejto otázky by bolo nutné zhromaždenie ďalších informácii o jednotlivých

kondenzátoch.

Táto práca naráža na jeden nedostatok pinch analýzy a to pri výrobách s napájacími nádržami.

Zmenou zapojenia systému sa zníži spotreba pary v napájacích nádržiach a spolu s tým sa musí

logicky zmeniť prietok vody do napájacej nádrže. Prietok vody do napájacej nádrže však bol

vstupom pre pôvodnú pinch analýzu. Výsledky pinch analýzy prvotného zapojenia by teda nemali

tvoriť základ ďalších analýz, mali by slúžiť len na identifikáciu možnej úspory, ktorá by mala

byť potvrdená pinch analýzou novo-vytvoreného systému.

46

7 Záver

Na základe analýzy súčasného prevádzkovania systému je počas prevádzkovania potrebný

tepelný príkon 32,9 MW. Minimálne energetické nároky na ohrev stanovené na základe pinch

analýzy sú 28 až 32,3 MW v závislosti od zvolenej minimálnej hnacej sily vo výmenníkoch tepla.

Na zníženie potrebného príkonu bude využitá voda z várne, ktorá je využívaná aj v súčasnosti,

avšak jej produkcia je vyššia ako spotreba a v systéme je potenciál na jej využitie.

Podľa princípov pinch analýzy boli vytvorené schémy systému, ktoré umožňujú dosiahnuť

nižšiu energetickú náročnosť systému oproti súčasnosti. Tieto projekty, zahŕňajú nákup nových

kotlových výmenníkov tepla, takisto bolo prevedené aj dimenzovanie a odhad ich cien.

Porovnanie projektov na základe ročných celkových nákladov ukázalo, že optimálne

prevádzkovanie je možné dosiahnuť pri minimálnej hnacej sile vo výmenníkoch tepla rovnej 5

až 6 °C. Kapitálové náklady na zrealizovanie projektov boli odhadnuté pomocou faktorovej

metódy.

Zvyšovanie teploty, pri ktorej je vracaný kondenzát do systému, môže predstavovať

potencionálny zdroj úspory, avšak na presnejšie závery je potrebné zhromaždiť viac informácií

o stave jednotlivých kondenzátov a spôsobe využitia tepla z vyrobenej vodnej pary v podniku, či

sa nejedná len o straty vodnej pary, ktorá vznikla expanziou v otvorených zberných nádržiach

kondenzátu.

47

Zoznam použitej literatúry

1. LANGFELDER, I. et al. Energetika chemického a potravinárskeho priemyslu. Bratislava:

Alfa, 1992. s. 196 – 200. ISBN 80-05-00998-4.

2. Pinch Analysis: For the Efficient Use of Energy, Water and Hydrogen. Dostupné na internete:

<http://www.nrcan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/canmetenergy/pdf/fichier.php/codect

ec/En/2009-052/2009-052_PM-FAC_404-DEPLOI_e.pdf>. s. 5 – 32. ISBN 0-662-34964-

4.

3. SINNOTT, R. K. Chemical Engineering Design. Dostupné na internete:

<http://www.sciencedirect.com/science/book/9780080966595>. s. 307 – 1098. ISBN 978-

0-08-096659-5.