Optimering af dampproduktion Affaldscenter Aarhus. René Poulsen m09686

Transkript

1 Optimering af dampproduktion Affaldscenter Aarhus m

2 Projekt: Bachelorprojekt Placering: 6. semester Fagområde: Maskin Uddannelse: Maskinmester Uddannelsesinstitution: Aarhus Maskinmester skole Vejleder: Niels Bruun Clausen Aflevering: 6 juni 2012 Projektets omfang: 30,8 normal sider a 2400 tegn Udarbejdet af: m09686.

3 Abstract This report is made as the final part of my education as Bachelor of Marine and Technical Engineering. It is made in extension of an internship at a CHP (Combined Heat and Powerplant), placed in Lisbjerg near Aarhus. The primary fuel for the CHP is waste from households and the industry in Aarhus. A minor part is delivered from places around in Denmark. Waste is also imported from Norway. As the name CHP suggests the energy is from burning waste exploited for two purposes, electricity and district heating for the city Aarhus. When the waste is burned in the oven, the heat from the fire is used to produce steam and then the steam is going through a steam turbine which is connected to a generator and the electricity is produced. After the steam has been through the turbine it is going further through a heat exchanger to exploit as much of the energy as possible to district heating. At the CHP there are three ovens, two of them are built in 1978 and the last one is built in During my fifty days internship at the CHP, it became clear that the two old ovens from 1978 did not produce the amount of steam that they used to do. The reason is that in 2009 it was decided to mount wear zones (Translated to Danish: slidzoner ) in the ovens. There were problems with too high temperatures in the ovens, because of too much energy in the waste. Then the wear zones are a wall of pipes and inside the pipes, return water from district heating is running and in that way remove some of the energy from the oven. When the district heating removes some of the energy from the oven, it means that this energy cannot be exploited for steam production. As a result the electric power production was reduced. This project is an analysis of what the consequences are of the wear zones and what are opportunities to increase the steam production to the originally level. The reason why it is interesting for the company to increase the steam production and further the electricity production, is because of the fact that the only income is sale of electricity. Three methods are mentioned in this report to increase the steam production and then one of the methods is analyzed. To have a bigger view at the subject, other companies is contacted since they have installed the same wear zones to see what experiences they have. The result of all the analysis shows that there are big potential to optimize the steam production. When the income from sale of electricity in 2008 is compared to 2011 there is a difference in the region of 5 million, which shows how big the consequences are of mounting wear zones. All the methods to increase the steam production include wear zones, because of their positive qualities. 1

4 Indhold 1 Forord Tak til Baggrund Læsevejledning Ordforklaringer Indledning Formål Problemformulering Problem Afgrænsning Metode Empiri Lisbjerg forbrænding Anlægsbeskrivelse Ovn/ Kedel linje 1 og Fødevand Røgrens Røggaskondensering Kort beskrivelse af linje Problemanalyse Slidzonerne Delkonklusion Det økonomiske perspektiv i at øge dampproduktionen Potentiale vurdering Optimeringsmuligheder Afgrænsning Dampproduktionen Analyse af fødevandstanks opvarmning Udtags dampens indflydelse på turbinen Alternativ opvarmning af fødevandstanken Konsekvenser ved lukning af udtags damp Delkonklusion

5 9 Sammendrag Konklusion Perspektivering Litteratur Bøger Bilag

6 1 Forord Dette projekt er udarbejdet i forbindelse med det afsluttende 6 semester på maskinmester uddannelsen, på Aarhus Maskinmester Skole. Jeg har i den forbindelse gennemført en 50 dages praktikperiode på Affaldscenter Aarhus (Lisbjerg forbrænding). På baggrund af den tilegnede viden omkring en relevant problemstilling, udarbejdes dette afsluttende bachelorprojekt. 1.1 Tak til Jeg vil gerne rette en stor tak til følgende som har bidraget til udarbejdelsen af dette projekt: Erik Bech, Forbrændingschef affaldscenter Aarhus. Kenneth Egeskov, Projektingeniør affaldscenter Aarhus. Jens Kristensen, Vedligeholdelsesleder affaldscenter Aarhus. Anders Jensen, Laboratoriekordinator Studstrup værket. Leif Sørensen, Service Engineer Babcock Wilcox Vølund A/S. Jesper Nielsen, Lektor. Niels Bruun Clausen, Lektor. Derudover skal lyde en stor tak til driftsmestrene på Affaldscenter Aarhus som har været meget hjælpsomme til opnåelse af stor forståelse omkring virkemåden af anlægget, både i praktikperioden men også undervejs i projektskrivningsfase, når der opstod nye spørgsmål omkring forskellige problemstillinger. Til sidst vil jeg gerne sige tak til operatørerne på affaldscenter Aarhus som har været meget hjælpsomme i praktikperioden til at tage mig rundt på anlægget både under drift, men også under stop som var meget udbytterigt til at opnå forståelse af hvordan anlægget er bygget op. 1.2 Baggrund I forbindelse med min 50 dages praktik periode fulgte jeg med i den daglige drift og fik derved et godt kendskab til hele den overordnede drift. I løbet af praktikperioden blev der undersøgt diverse problemstillinger og derved var der en problemstilling som sprang meget i øjnene, da denne var noget der var diskuteret meget på ACÅ. Den omhandler 2 ud af de 3 ovnlinjer på ACÅ, de 2 gamle ovnlinjer fra 1978 producerer damp til den samme dampturbine hvor den sidste linje leverer til én turbine. Det blev klart at de 2 gamle linjer efter montering af slidzoner i ovn rummet i 2009, ikke længere kan producere den mængde damp som de kunne før monteringen af slidzonerne, derved er el produktionen blevet reduceret. Dette medfører samtidig nedsat indkomst for ACÅ. 4

7 1.3 Læsevejledning Der henvises under alle grafer og figurer til kilden, først står angivet hvad figuren illustrerer og dernæst i parentes er kilden angivet. Hvis der ikke er angivet nogen kilde, er det forfatteren selv som har produceret denne. I begyndelsen af hvert afsnit vil det være angivet hvad/ hvem der er kilden til det i afsnittet beskrevne, for på denne måde at gøre det overskueligt for læseren at se hvor den tilegnede viden kommer fra. Der er vedlagt en cd til rapporten, denne indeholder samtlige exel ark som er blevet brugt til fremstilling af diverse grafer og til at analysere diverse målinger for eksempelvis gennemsnits værdier. Dette er for at læseren kan se hvordan forfatteren har brugt de indsamlede data til opbygning af graferne og hvordan værdierne i beregningerne er analyseret. Alle de hjemmelavede grafer i rapporten har et figur navn øverst på grafen, dette navn kan findes på cd én og derved kan læseren se opbygningen deraf. Derudover er der hentet data til diverse beregninger, i beregningerne er der henvist til hvor værdierne kommer fra, nogle af værdierne er analyserede i exel for eksempelvis gennemsnits værdier. Disse værdier henvises også til et navngivet exel ark som ligger på cd én. I rapporten er fundet entalpier til diverse udregninger, entalpierne er fundet vha. programmet EEP (Properties Calculator) ud fra temperaturer og tryk. Flere steder i rapporten er der indsat SRO skærmbilleder hvor tryk og temperaturer indgår, der gøres opmærksom på at disse tryk er bar g, altså manometer tryk og derfor er der lagt 1 bar til ved brug af EEP da der skal bruges bar a (absolut tryk). For at bruge EEP skal man kende 2 tilstande, eksempelvis tryk og temperatur. Kapitel 1 til og med 4 må anses som indledning og beskrivelse af det aktuelle anlæg, hvor kapitel 5 til og med 9 ses som hoveddelen af rapporten. 1.4 Ordforklaringer ACÅ: Affalds Center Århus (Lisbjerg forbrænding) OH: Overheder ECO: Economiser HT: Højtryk LT: Lavtryk SSV: StudStrup Værket SRO: Styring Regulering Overvågning FV: FjernVarme 5

8 2 Indledning Den tilegnede viden omkring anlægget er tilegnet i forbindelse med mit ophold på ACÅ, som både indbefatter praktikperioden og projektskrivningsperioden. Det er både i form af egne erfaringer ved den daglige drift, men i stor grad også meget præget af driftspersonalet, som har været meget behjælpsomme med diverse samtaler for at forklare virkemåden af de forskellige delprocesser i anlægget. Derudover er der blevet gennemgået en stor mængde data omkring opbygningen og virkemåden af anlægget, som er vel dokumenteret for hele det komplette anlæg. 2.1 Formål Denne rapport har til formål at anskueliggøre konsekvenserne ved monteringen af slidzonerne og den dermed nedsatte dampproduktion. Derudover vil der blive fremlagt forskellige optimeringsforslag, hvoraf det kun er det ene der vil blive analyseret nærmere på. 2.2 Problemformulering Hvilke konsekvenser har slidzonerne haft? -Hvorfor er damproduktionen nedsat? -Hvad er den økonomiske konsekvens af nedsat dampproduktion? -Hvilke optimerings muligheder er der, for at øge dampproduktionen? 2.3 Problem Afgrænsning I dette projekt vil der udelukkende blive analyseret på det tekniske perspektiv, der vil blive set bort fra økonomien i forbindelse med anlægsudgifter. Der vil ikke inddrages forhold omkring afgift systemet, her tænkes på el produktion i forhold fjernvarme produktion, da dette vil omfatte et projekt i sig selv. Specifikke afgrænsninger vil komme løbende i projektet. 6

9 3 Metode Dette projekt vil blive opbygget efter positivismens måde at tænke på : Hvis man fjerner alt det, som man har troet og vide, men som man egentlig ikke ved, så er der en kerne af sikker viden tilbage, hårde fakta. Positivismen har en kritisk grundindstilling til verden omkring sig(thurén 1995.) Positivismen opererer med 2 grundsten til at komme frem til en erkendelse: Iagttagelse eller logik. Iagttagelsen betyder den empiriske viden, altså den viden som kan tilegnes vha. vores 5 sanser, for på denne måde at kunne fastslå kendsgerninger. Logikken derimod betyder at 2 plus 2 altid vil give 4. Thurén beskriver at positivismen er en metode til at nå frem til en så sikker viden som muligt. Deraf menes at det uopnåeligt at nå frem til en 100 % sikker viden, men at positivismen er en metode til at komme tættere på målet om sikker viden, finde frem til erkendelse enten vha. empiriske erfaringer eller logikkens vej. Thurén beskriver endvidere 2 måder at drage sine slutninger (ræsonnementet) på, Induktion (empirisk viden) og Deduktion (logik), dette er i forlængelse af ovenstående. Dette projekt vil være opbygget efter princippet: Induktion som betyder: at man drager almene, generelle slutninger ud fra empiriske fakta (Thurén 1995).For at man kan bruge den indsamlede empiri til at drage sine slutninger efter induktions princippet, skal det klarlægges hvordan man er kommet frem til den indsamlede empiri, altså hvilke rammer/ antagelser der er sat op forud for de empiriske undersøgelser for at på denne måde at sandsynliggøre (validere) kvaliteten. 3.1 Empiri Som tidligere nævnt kan det aldrig vides med 100 % sikkerhed om den indsamlede viden er sand, derfor er følgende en beskrivelse af to forhold som jeg vil bruge i rapporten til at sandsynliggøre/ verificere hvor sand den indsamlede empiri er. Ifølge Thurén skal man ved kvantitative, induktive undersøgelser være opmærksom på følgende: Reliabilitet og validitet Reliabiliteten er pålideligheden af målinger/ interviews, altså at de er udført på en korrekt måde, det vil sige at det undersøges inden eksempelvis en måling udføres, hvilke krav der stilles til udstyret. For på denne måde at sikre høj reliabilitet af den pågældende måling. Validiteten betyder at man virkelig også undersøger/ måler det man egentlig ville, dette vil i praksis betyde at der ved eksempelvis ved en flowmåling, vil blive undersøgt at det nu også er det rigtige sted der måles. Når dette overholdes, skabes der også høj validitet af målingerne. Det vil løbende i rapporten ved undersøgelser/ målinger, blive sandsynliggjort overfor læseren hvilke overvejelser forfatteren har gjort sig for at sikre høj reliabiblitet og validitet af målinger og interviews. 7

10 4 Lisbjerg forbrænding Virksomheden er et affaldsfyret kraftvarmeværk, dette betyder at der produceres el til 15 og 60 kv nettet og fjernvarme til Aarhus by og omegn. Der er i alt 36 ansatte, som består af div. administrationspersonale, elektrikere, smede, ingeniører, operatører og driftsmestre. Værket er i drift 24 timer i døgnet året rundt. Der arbejdes i 3 holds skift, hvor der altid er 1 driftsmester (maskinmester) som har det overordnede ansvar for driften og en operatør på vagt. I hverdagene indenfor almindelig arbejdstid, er resten af staben på værket. Tilegnet empiri omkring første del af kapitel 4 er fremkommet i form af et interview med forbrændings chef Erik Bech, som må anses for at være yderst valid kilde da han har haft sin gang på ACÅ i 32 år og er uddannet maskinmester. Derudover er div. materiale omkring ACÅ blevet gennemgået for historisk overblik. Til selve anlægsbeskrivelsen, som starter i kap. 4.1 er det driftsmestrene som har bidraget til forståelsen og derudover er en mængde data for anlægget blevet gennemgået. Der bliver brændt både husholdnings-, samt erhvervs-affald. Alt det kommunalt indsamlede husholdningsaffald kommer til ACÅ. Der modtages samtidig erhvervsaffald fra Danmark og udlandet, da dette er et frit marked. Det medfører at man importerer affald fra Norge. Desuden er undersøgelser i gang, som belyser mulighederne for modtagelse af affald fra flere lande. Grunden til dette, er at der siden finanskrisens start opleves en faldende affalds mængde. Derudover er brændværdien blevet markant dårligere i affaldet, grundet den især faldende mængde af erhvervsaffald. Der er opstået en slags pris krig forbrændingerne imellem over hele landet, da man sænker priserne på at modtage erhvervsaffald i håbet om at få affaldet fra et større område og på denne måde få en større mængde. Værket er kommunalt og er ejet af Aarhus kommune. Nedenstående er en kort overordnet beskrivelse af den historiske udvikling på ACÅ Forbrændingsanlægget blev idriftsat i 1978, som dengang bestod af 2 ovnlinjer, linje 1 og 2, som hver kunne brænde 7,6 tons affald/time, røggassen blev kun renset vha. et elektrofilter. Anlægget var lagt ud med hedt vands kedler, derfor blev der kun produceret fjernvarme de første mange år. Dengang kunne man køre helt op på 180 graders fremløbstemperatur ind til Aarhus, i dag kører man maks. op 130 grader om vinteren Ovnlinje 3 tages i brug, som igen er udlagt med tilhørende hedt vands kedel. Denne havde en kapacitet 8 tons affald/time 8

11 1994 Linje 1 og 2 bliver bygget om til damp kedler og der installeres én dampturbine, som bliver forsynet af begge ovne, således man først laver el af dampen og derefter fjernvarme af den energi der forlader turbinen. Turbinen trækker en 10,6 MW generator Derudover monteres våd røggasrensning Linje 4 bliver opført og er udlagt til at kunne brænde 16 tons affald/time, desuden bliver endnu én dampturbine sat op, denne bliver kun forsynet med damp fra linje 4. Ved idriftsættelse af linje 4 bliver linje 3 taget ud af drift, da denne stadig kører som hedt vands kedel og derfor ikke er energi effektiv nok til nutidens krav, grundet den kun producerede fjernvarme. ACÅ i dag I dag er den samlede max producerede el effekt ca. 20MW og ca. 60MW fjernvarme, ud af dette ses at ca. ¼ af energien bliver til el og de resterende ¾ bliver udnyttet til fjernvarme. Fjernvarmen som bliver produceret er delt op i 2 strenge, 1 der forsyner til byen Trige og resten forsynes ind til Aarhus hvor man shunter det sammen med en streng fra studstrupværket. Da ACÅ er et affaldsfyret kraftvarmeværk har man en slags første prioritet, det vil sige at hvis der er nok affald til rådighed, så har man lov til at køre max last og levere al den el og fjernvarme der kan produceres. Dette medfører at der er andre der skal regulere ned i de perioder, hvor udbuddet af varme er større end efterspørgslen. Det er typisk i sommer månederne hvor behovet ikke er så stort. I dette tilfælde er det studstrupværket der skal regulere ned for produktionen, dog har Studstrup én teknisk minimums last på 30MW hvor der ikke kan skrues længere ned, derfor kan det i enkelte tilfælde risikeres at denne grænse nås. Når grænsen er nået er der andre som skal nedregulere produktionen. Hvem der skal nedregulere, bestemmes af prisen på fjernvarmen hvor at man skubber de dyreste ud først. Dette er samtidig grunden til at ACÅ har den føromtalte første prioritet da man altid er billigst. De andre værker som kan risikere at skulle nedregulere er: Renosyd, Skanderborg Fjernvarme, Aarhus olie og Nordlim som alle bidrager med fjernvarme. I nogle tilfælde kan nedreguleringen opvejes med revision af ovnlinjerne, hvor man lukker én linje ad gangen for eftersyn og vedligehold. Alle 3 ovnlinjer bliver lukket ned for revision i løbet af sommeren, hvor man som før nævnt lukker én ovn ad gangen. ACÅ har en kontrakt som siger at der i fyringssæsonen fra d.1 november til d.30 april, køres nonstop på alle 3 linjer. Dette er for at opretholde stor forsyningssikkerhed på fjernvarmenettet. Der kan selvfølgelig ske uforudsete nedbrud i produktionen, men det tilstræbes at dette undgås, derfor arbejdes der også i døgndrift under nedbrud for hurtigst muligt at genoprette fuld produktion. 9

12 4.1 Anlægsbeskrivelse Dette afsnit har til formål at give læseren en overordnet forståelse for, hvordan processen foregår igennem anlægget på Lisbjerg forbrænding. Der vil i beskrivelsen blive set bort fra vandrensningen, som omhandler rensning af kedelvand og spildevand. Først laves en beskrivelse af værkets linje 1 og 2, da projektet tager udgangspunkt i de 2 linjer. Afslutningsvis vil der komme en kort overordnet beskrivelse af linje 4 samt hvilke forskelle denne har i forhold til linje 1 og 2. Alle 3 linjer er udstyret med ammoniak indsprøjtning til fjernelse af NOX i røggassen. 4.2 Ovn/ Kedel linje 1 og 2 Figur 1 Illustrerer princip skitse af ovn og kedel linje 1 og 2 Ovenstående figur 1 illustrerer ovnen og kedlen. Affaldet bliver vha. en grab hentet fra affaldssiloen og læsset ned i affaldstragten. I bunden af affaldstragten sidder pusherne, dette er hydrauliske cylindre der skubber affaldet ind på ristene hvor forbrændingen begynder. I ovnrummet er hele bunden udført af hydrauliske riste der er delt op i 3 riste, som sørger for at holde flytte affaldet ind i 10

13 bålet. I bunden af ristene falder ikke brændbare fragmenter (slagger) ned i et vandbad og derefter videre ud i en slagge silo. Loftet i ovnrummet har indbyggede rør som er koblet på fordamper kredsen. Endvidere trækker man energi ud af ovnrummet vha. slidzonerne, som dog afleverer energien direkte til fjernvarmevandet. Efter ovnrummet starter kedlen, der består af 1,2 (de tomme træk, da der kun er rør i væggene) og 3 træk, i det 3 træk sidder overhederne, til sidst kommer economiserne. Væggene i 1, 2 og 3 træk er opbygget af rør som er selve fordamper kredsen, vandet fra overbeholderen bliver via. faldrør ledt ind samlekasser i bunden af kedlen, hvorfra vandet begynder at fordampe og vha. naturlig cirkulation ender i toppen af overbeholderen som mættet damp. Fra toppen af overbeholderen føres dampen videre igennem overhederne og som navnet antyder, overheder dampen før det ledes til HT turbinen. I den sidste del af kedlen sidder economiseren som forvarmer fødevandet, inden det ledes til overbeholderen. 4.3 Fødevand Som forlængelse af beskrivelsen af ovnen og kedlen, vil det være naturligt og se på fødevandets vej igennem processen. Figur 2 illustrerer fødevandets vej igennem processen 11

14 I forlængelse af figur 1, kan det ses på ovenstående figur 2, at den overhedede damp bliver ledt til HT turbinen hvor den største del af energien bliver overført til generatoren som er koblet på turbinen. Derefter går det ind i LT turbinen, som udnytter resten af den er energi som det er muligt at afsætte i turbinen. Efter LT turbinen deles damp strømmen op i 2 tryk trin, der henholdsvis leder til LT og HT vekslerne. I disse vekslere bliver den resterende energi afsat til fjernvarmevandet. Både HT og LT turbinen har udtag til forvarmning af fødevandstanken med udtags damp. I forbindelse med at der trækkes energi ud i vekslerne kondenserer dampen og bliver pumpet videre til fødevandstanken af kondensatpumperne. Fra fødevandstanken ledes det nu til fødevandspumperne, som pumper det til economiseren og videre til overbeholderen hvor processen starter forfra. 4.4 Røgrens Efter røggassen har forladt kedlen bliver det ledt til røgrens bygningen, hvor det ledes igennem en såkaldt NID reaktor (Novel Integrated Deacidification). NID systemet er et såkaldt semitørt system, som fjerner HCL, SO2, HF, Støv, tungmetaller og dioxiner (dioxin er en samlet betegnelse for en række giftige stoffer). Figur 3 Illustrerer NID anlægget, (hentet fra ALSTOM dokumentation) I NID reaktoren bliver der tilført brændt kalk, vand og aktivt kul. Kalken og vandet bliver dog først blandet sammen i NID mixeren. Kalken reagerer (absorberer) med HCL og SO 2, det aktive kul adsorberer dioxiner og kviksølv, det vil sige at det sætter sig på overfladen af kulstoffet. 12

15 Derefter ledes røggassen videre til posefiltret, her vil partiklerne sætte sig på filterposerne og derved dannes en filterkage der forstærker absorption og adsorption. Tykkelsen af filterkagen styres ved hjælp af rensning af filtrene, som virker ved at man skyder trykluft ned i filterposerne med et fastindstillet interval. Under filtrene havner de partikler som falder af filtrene under rensning, ca. 80 % recirkuleres ned i NID mixeren og resten lukkes ned i depac senderen som sender det videre til restprodukt siloen. Depac senderen styres af en niveau måling i tragten under filtrene. Det recirkulerede materiale blandes derefter med frisk kalk og vand, hvorefter processen fortsætter. Der blæses 80 grader varm fluidiseringsluft ind i NID mixeren og op under filtrene, der en dug under filtrene hvor fluidiseringsluften blæses op igennem. Den varme fluidiseringsluft sørger for, som navnet antyder, at blandingen af kalk, aktivt kul og recirkuleret restprodukt forbliver på flydende (pulver form), derved opnås optimal forbindelse med røggassen. Efter posefiltrene sidder sugetræksblæseren som sørger for at suge røggassen igennem hele processen og videre igennem røggas kondenseringen. Ovenstående figur 3 illustrerer kun NID anlægget som blev bygget først, derfor er røggaskondenseringen ikke indtegnet da det kun er nogle få år gammelt. 4.5 Røggaskondensering Efter sugetræksblæseren kommer røggassen ind i røggaskondenseringen. Figur 4 viser princippet i røggaskondenseringen. Figur 4 viser en principskitse af røggaskondenseringen (fra anlægs dokumentation) 13

16 Figur 5 er et billede af én Adiox (fra anlægs dokumentation) Røggaskondenseringen har til formål at udnytte den sidste varme i røggassen, først kommer røggassen ind i det der hedder en Quench, hvor der forstøves skrubbervand ud over røggassen i medstrøm. Derefter vender røggassen og går opad igennem et helt lag af adiox (figur 5 viser én adiox) som er belagt med kul, derved fjernes dioxiner. Det tykke lag af adiox giver en meget stor overflade og på denne måde kommer al røggassen i berøring med dem. Der ind dyses skrubbervand ovenfor laget af adiox fra skrubber sumpen, til sidst kommer røggassen igennem et dråbefang som tager de sidste dråber inden røggassen ledes ud i skorstenen. Der ud kondenseres en mængde vand som bruges til slaggekøling, den resterende mængde vand sendes til vandrensningen. Energien i skrubbervandet udnyttes ved at køre det igennem en pladeveksler, hvor retur fjernvarmevandet køres igennem på den anden side og derved forvarmes. Det er ca. 3 MW der afsættes pr. linje. 4.6 Kort beskrivelse af linje 4 Dette er en kort overordnet beskrivelse af Lisbjerg forbrændings linje 4. Denne linje er som tidligere beskrevet den nyeste på værket og ovnen er udlagt til at kunne brænde 16 tons/ time. Princippet i linje 4 er det samme som i linje 1 og 2, derfor lægges der i denne beskrivelse kun vægt på forskellene imellem disse. Figur 6 Princip skitse af linje 4 (hentet fra affaldvarme.dk) 14

17 Som det ses af figur 6 er kedlen og ovnen bygget sammen. Det vil sige at kedlen er placeret direkte ovenover ovnrummet. Derfor er der intet murværk i ovnen, væggene er opbygget af rør som er koblet på fordamper kredsen, som består af de vertikale 1, 2 og 3 træk, dernæst kommer 4 træk. Dette er horisontalt og indeholder først overhederne og derefter economiserne. Videre kommer nu posefilterne med tilsætning af aktivt kul (i dag er det aktivt koks), herefter sidder en ekstern economiser til opvarmning af fødevandet, bagefter kommer endnu en veksler som er en LUFO (luftforvarmer af primær/ sekundær luft). Efter LUFOén kommer røggassen igennem HCL skrubberen i medstrøm. I HCL skrubberen bliver røggassen nedkølet til mætnings temperatur (60-70 grader) ved inddysning af skrubbervæsken (vand) som absorberer HCl. Dernæst fortsætter røggassen videre over i SO 2 skrubberen som er udstyret med en demistor der forhindrer HCL dråber i at komme med i SO 2 skrubberen, her kommer røggassen i modstrøm. I toppen af SO 2 skrubberen bliver der inddysset en blanding af kalksten og vand som fungerer som absorbent af SO 2. Derefter sidder endnu en demistor som skal forhindre dråber/ gips/ slam rester i at komme til sugetræksblæseren 15

18 5 Problemanalyse Formålet med problemanalysen er at afdække det initierende problem, altså hvad er problemet og hvordan er det er opstået. Mit 10 ugers praktikophold på ACÅ har givet mig en god overordnet forståelse af processen igennem et affaldsfyret kraftvarmeværk. Derigennem er det blevet klart for mig at ovnlinje 1 og 2 ikke producerer den mængde damp som de tidligere har gjort. Nnedenstående beskrivelse har til formål at belyse og afdække hvorfor dampproduktionen ikke er på det tidligere niveau. Igennem den seneste årrække har man på ACÅ oplevet en tendens til stigende brændværdi i det modtagne affald, tendensen vendte dog da den såkaldte Finanskrise indtræf. Hvis der analyseres på hvorfor brændværdien har haft en faldende tendens siden krisens start, kan der findes flere årsager. En ressource som bidrager til dårlig brændværdi er dagrenovation, da det indeholder meget organisk materiale såsom madrester, så er stor koncentration af dagrenovation ville have indflydelse på den dårlige brændværdi. Som nedenstående figur 7 illustrerer, har mængden af dagrenovation været stigende fra 2010, dog startede den stigende mængde dagrenovation allerede i 2009, dette er bare ikke vejet ind som dagrenovation og derfor ses det ikke af mængden af dagrenovation i Grunden til stigende dagrenovationsmængde er at man pga. krisen har faldende affaldsmængder og derfor modtages også dagrenovation som er blevet indsamlet uden for kommunens grænse. En anden årsag kan være erhvervsaffaldet og dennes sammensætning, da der også her er konstateret faldende mængder og hvor alt det gode, for eksempelvis træet i affaldet i højere grad er blevet genanvendt. Der er også importeret erhvervsaffald fra udlandet, hvor man også begynder at genanvende mere og mere, dette giver igen en sænket brændværdi. Affaldet er blevet importeret fra henholdsvis Tyskland og Norge. Grunden til større og større genanvendelse er at man i dag med faldende affaldsmængder ikke længere ser affald som en byrde der bare skal bortskaffes, men i stedet som en ressource og derfor prøver at få flest muligt penge ud af det, ved eksempelvis større genanvendelse. Den tredje mulige årsag til faldende brændværdi er stigende mængder af biomasse, som kommer fra genbrugspladserne, hvor det kan være en meget udefinerbar sammensætning som genbrugspladsen får ind. Det kan være grene, hækafklip og ellers hvad folk kommer med fra haven, inden det køres til forbrændingen bliver det neddelt. Neddeleren er en form for stor persillehakker. Da biomassen sandsynligvis ikke altid er 100 % tør og kan indeholde lidt jord, har den ikke altid den bedste brændværdi. Figur 6 nøgletal for Lisbjerg forbrænding (hentet fra affaldvarme.dk) Dette var nogle af de mulige årsager til hvorfor brændværdien skiftede fra at være stigende, til i stedet at have faldende tendens. 16

19 5.1 Slidzonerne Tilbage i 2009 blev der monteret vandkølede slidzoner på ovnlinje 1 og 2 grundet de føromtalte meget høje brændværdier. Dette gav for høje temperaturer inde i ovnen såfremt der produceres på nominel indfyret affaldsmængde. Dette er en analyse af slidzonernes virkemåde og hvilke problemer det har givet. Erfaringerne med slidzone problematikken og opbygningen heraf, er tilegnet i form af interviews med driftsmestrene og egne erfaringer fra praktikperioden. Hvad er slidzoner? Figur 7 Billede af ovnrummet med slidzoner (fra ÅCÅ s billede arkiv) Som ovenstående billede viser, er slidzonerne monteret på væggen langs ristene i stedet for murværk som resten af ovnrummet er beklædt med. Slidzonerne er opbygget af rør der sidder tæt sammen. På denne måde kan en del af strålingsvarmen fra bålet optages i slidzonerne. Når affaldet bliver fremført i ovnen vha. ristene kommer det i berøring med væggene og dermed også slidzonerne, deraf navnet da de skal kunne modstå sliddet fra affaldsmængderne. Driften før monteringen af slidzonerne Op imod krisens start i 2008 var brændværdien helt oppe i nærheden af 13-14MJ/kg, hvor den førhen lagde på omkring 6-7MJ/kg. Dette gav imidlertid problemer da de 2 gamle ovne var lagt ud til ved 100 % last svarende til 7,6 tons affald/ time, ville kunne brænde affald med en brændværdi på 10,5MJ/kg. Konsekvensen var herefter at der ikke kunne brændes 7,6 tons/ time, da man ellers ville komme udenfor 17

20 kapacitets diagrammet (nedenstående figur 9) som ovnene er udlagt til. Der ville dermed blive afsat for meget energi i ovnen, såfremt der kørtes op på nominel ind fyret affaldsmængde. Kapacitetsdiagrammet bruges af driftsmestrene til at skabe et overblik over, hvordan man overholder den kapacitet som ovnene er udlagt til og derved ikke overbelaster dem. Som det ses af kapacitetsdiagrammet kan der køres op til 110 % ydelse som er max last. Dette er dog ikke kontinuerlig drift men kan tillades i kortere perioder uden det medfører overbelastning. Den direkte konsekvens af for meget afsat energi i ovnen var for høje temperaturer og nedsmeltet murværk. Hele ovnrummet i de 2 gamle ovne er opbygget af murværk, som betyder at al energien bliver afsat i kedlen og ikke som nutidens anlæg hvor kedlen står ovenpå ovnrummet Figur 8 Oprindeligt kapacitets diagram (oprindelig dokumentation) Derfor besluttede man at kontakte Babcock Wilcox Vølund som er kedelproducent. Dette firma havde erfaring med at eftermontere vandkølede slidzoner i ovnen, som kunne fjerne energi fra processen og derved sænke de høje temperaturer. En anden fordel ved at montere slidzonerne var at de kunne forhindre slaggedannelse (skæg) på murværket, som i nogle tilfælde kunne blive så omfattende at det kunne danne en bro fra ovnvæggene og ind mod midten af ovnrummet og derved bremse fremføringen af affaldet på risten. Dannelsen af skæg er slagge partikler på gasform, der sætter sig på siden af ovnvæggen og på grund af de høje temperaturer smelter og løber ned af væggen, derved dannes denne bro af smeltet slagge. 18

21 Driften efter monteringen af slidzonerne Inde i ovnrummet på linje 1 og 2 blev der monteret slidzoner på siderne af ovnen i hele risternes længde. Slidzonerne er en væg der er opbygget af rør, i rørene løber der fjernvarmevand til at fjerne den optagne energi fra slidzonerne og derved holde dem nedkølede til den temperatur de er udlagt til. Der blev i samme omgang også lavet køling i ovn loftet, dette kører dog over dampkredsen og da der ingen flowmåling er på hvor meget damp ovnloftet producerer, er der ingen overblik over hvor stort energioptaget er i ovnloftet. Der bliver ca. overført 2,6 MW fra slidzonerne pr linje, denne effekt bliver direkte taget ud af processen og overført til fjernvarmevandet. Figur 9 SRO billede af slidzonerne (hentet fra anlæggets SRO) Som det ses af ovenstående figur 10, er slidzonerne et lukket system hvor der cirkuleres vand rundt, det er dog også fjernvarme vand der cirkuleres i slidzonerne da man spæder til fra fjernvarme siden. Dette betyder at der er monteret en veksler til at fjerne den optagne energi fra slidzonerne. Det fjernvarmevand som køres igennem veksleren for at optage energien kommer ind med en retur temperatur fra fjernvarmenettet på ca grader og opnår en afgangstemperatur på 116 grader. Det er en delstrøm af retur fjernvarmevand der køres igennem slidzoneveksleren. Det kan ses ud af at den samlede fjernvarme mængde er omkring 1000m 3 /time og der køres ca m 3 /time igennem slidzoneveksleren pr. linje. Der sidder en frekvensstyret cirkulations pumpe på fjervarmeretursiden, til at pumpe vandet igennem veksleren og videre ud på 19

22 fjernvarmenettet igen. Pumpens omdrejninger er styret af afgangstemperaturen på de 116 grader og derfor vil flowet igennem veksleren afhænge af belastningen på kedlen. I forbindelse med monteringen blev der lavet et nyt kapacitets diagram for ovnen/ kedlen da kapaciteten blev øget som følge af monteringen af slidzonerne. Figur 10 nyt/ gammelt kapacitets diagram (dokumentation fra ovn ombygningen) Af figur 11 ses det at ved nominel indfyret affaldsmængde på 7,6 tons/ time, har man nu flyttet driftspunktet til at kunne håndtere en brændværdi på op til 11,5 MJ/kg, dette er en forøgelse på 1 MJ/kg. Der blev i 2011 installeret en måling på brændværdien så denne blev tilgængelig på SRO en. Dette er en beregnet værdi ud fra flere forskellige faktorer. Bilag 1 viser niveauet for brændværdien siden målingen blev tilgængelig i juni 2011 og til april Grafen viser at den gennemsnitlige brændværdi ligger på omkring 9,2 MJ/kg som er ca. 2 MJ/kg under det niveau som det nye kapacitets diagram viser for nominelt driftspunkt. 20

23 Dampflow kg/s Konsekvenser ved montering af slidzoner Efter slidzonerne blev monteret kunne man igen opretholde nominel indfyret affaldsmængde på 7,6 tons/time, desuden kunne der helt slukkes for vandindsprøjtningen som ellers tidligere kørte i høj grad for at holde temperaturen nede i kedlen. Derudover var en anden klar fordel at opbyggelsen af skæg på siden af ovnvæggen, ikke længere var et problem i ristehøjde. Dette gav længere drift tid da der ikke længere var behov for unødige stop for rensning af skæg, da opbygningen nu kommer hvor slidzonerne stopper. Men i forbindelse idriftsætningen af slidzonerne blev de hurtigt klart, at der bliver taget for meget energi ud i ovnrummet, som derved går tabt i kedlen. Dette har resulteret i at der ikke kan opretholdes nominel damp produktion på 6,85 kg/s, når der indfyres 7,6 tons/ time som kedlen er lagt ud til at kunne producere og som turbinen har behov for at kunne producere max effekt. Nedenstående figur 12 viser niveauet for damp produktionen i 2008 inden slidzonerne blev monteret. 7,5 Dampproduktion ,5 6 5,5 5 4,5 4 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Linje 1 (6,5 kg/s gennemsnitlig) Linje 2 (6,54 kg/s gennemsnitlig) Nominel last= 6,85 kg/s Figur 11 Damp produktion 2008 (data er hentet fra SRO) Som det ses af figur 12 var damp produktionen i 2008 tæt på nominel ydelse som den grønne linje indikerer på 6,85 kg/s. Den gennemsnitlig produktion i 2008 var nemlig 6,5 kg/s pr. linje. Gennemsnittet er taget fra driftssituationer som ligger over 5,5 kg/s, da alle situationer under dette niveau betyder opstart eller nedkørsel af kedlen. Da grafen for 2008 viser en damp produktion som er tæt på nominel ydelse, vil det være relevant og se på hvordan en lignende graf for damp produktionen i dag ser ud, for at kunne sammenligne de 2 grafer. Derfor viser næste figur 13 hvordan situationen ser ud i dag. 21

24 Damflow kg/s 7 Dampproduktion ,5 6 5,5 5 4,5 Linje 1 (5,28kg/s gennemsnitlig) Linje 2 (5,27kg/s gennemsnitlig) Nominel last = 6,85 kg/s 4 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Figur 12 Dampproduktion 2011 (data hentet fra SRO) Ovenstående grafer viser igen en grøn linje som indikerer nominel dampproduktion på 6,85 kg/s og det ses at damp produktionen er langt fra at komme i nærheden af nominel produktion. Det kan ses af 2011 niveauet af den gennemsnitlige produktion på begge linjer ligger omkring 5,3kg/s, som er betydeligt lavere en nominel last, der ligger på 6,85kg/s og igen ses ud fra den grønne linje. Det er tydeligt at se konsekvensen af slidzonernes energi optag til fjernvarme nettet, som før nævnt at energien der bliver afsat til fjernvarmen, mangler til damp produktion og resulterer i nedsat ydelse på kedlen. Endvidere har det også konsekvenser for el produktionen, da turbinen ikke får den mængde damp den er udlagt til, derfor viser nedenstående figur 14 og 15 produceret el effekt for 2008 og Det kan ses af figur 7 aflæses at der er brændt omkring 9000 tons affald mere af i 2011, derfor er forskellen endnu mere markant, dette kan dog igen skyldes faldende brændværdi. 22

25 MW MW Generator effekt jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Generator effekt 2008 (7,86 MW gennemsnitlig) Figur 13 Generator effekt 2008 (data hentet fra SRO) 8 Generator effekt Generator effekt 2011 (6,17 MW gennemsnitlig) jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Figur 14 Generator effekt 2011 (data hentet fra SRO) 23

26 Alle de drifts situationer som ligger under 2 MW, anses for at være situationer hvor anlægget enten er ved at lukke ned eller køre op i last, derfor er gennemsnittet lavet for situationer der ligger over dette niveau. Som det ses af generator effekt graferne, var den gennemsnitlige effekt i ,86MW og i ,17MW. Denne store forskel i produceret el effekt skyldes i stor grad montagen af slidzonerne og i mindre grad faldende brændværdi. 5.2 Delkonklusion Som problemanalysen viser, er der en markant nedgang i damproduktionen og dermed også i el produktionen, 2008 set i forhold til Ud fra problemanalysen kan det konkluderes at bidraget til nedsat dampproduktion kan deles op i to: 1 man har valgt og koble slidzonerne på fjernvarme kredsen, i stedet for at koble slidzonerne på dampkredsen så energien kunne udnyttes til dampproduktion. 2 Efter ombygningen blev ovnenes kapacitet udvidet, til at kunne håndtere affald med brændværdier på helt op til 11,5 MJ/kg ifølge det nye kapacitets diagram. Men grundet krisen udeblev disse høje brændværdier og som bilag 1 viste var brændværdien i gennemsnit 9,2 MJ/kg, dette bidrager derfor også til at dampproduktionen er nedsat. El produktionen i 2011 er altså nedsat med: 7,86MW 6,17MW = 1,69 MW i gennemsnit. 24

27 6 Det økonomiske perspektiv i at øge dampproduktionen Dette afsnit har til formål at klarlægge hvorfor man hellere vil optimere el produktionen end fjernvarme produktionen, set ud fra et økonomisk perspektiv. På ACÅ har man kun én indtægt, nemlig salg af den el man producerer. Alle udgifterne bliver delt op i to kategorier, affald og varme. Affald dækker over de kunder som leverer affald til værket, varme er fjernvarme kunderne. Indtægten bliver delt på samme måde. Fordeling af udgifter Affald 40% Varme 60% Figur 15 viser fordelingen af udgifterne Inden udgifterne bliver delt 60/ 40 er der nogle særomkostninger (afgifter) for både affald og varme delen, som skal opgøres separat for begge områder og de resterende fælles udgifter bliver delt 60/40. Figur 16 illustrerer fordelingen af udgifterne, hvor det er opdelt 60/40 til henholdsvis varme og affald. Dette betyder at varme skal betale for 60 % af udgifterne og affald skal betale de resterende 40 % af udgifterne. Forbrændingsanlægget er underlagt det der hedder hvile i sig selv princippet, hvilket beskytter fjernvarme kunderne, da det betyder man ikke må tjene penge på at producere fjernvarme, altså skal det løbe i et nul hvert år når det hele opgøres. Det vil sige at hvert år opgøres det hvor meget fjernvarme kunderne har betalt aconto for varmen og hvis de har betalt for meget skal det for meget betalte refunderes til kunden. Hvis der er betalt for lidt i aconto, bliver prisen det højere i det efterfølgende år. Som det tidligere blev nævnt kommer den eneste indtægt overordnet set fra salg af den producerede el, det der produceres, sælges til norpool igennem nordjysk elhandel som er balance ansvarlige. ACÅ fik i 1995 den første damp turbine med tilhørende generator og i forbindelse med opførelsen af ovnlinje 4 i 2005 blev endnu en turbine og generator idriftsat. I 2007 blev el markedet gjort frit, det vil sige at det er et marked ligesom på mange andre områder hvor det er en vare der handles med. Det betyder at prisen på el afhænger af udbud og efterspørgsel. Dette har betydet at prisen på el hele tiden svinger op og ned, alt efter hvor meget eksempelvis vindmøllerne producerer i forhold til efterspørgslen. Da generatorerne 25

28 på ACÅ blev idriftsat før markedet blev frigjort får man i dag et fast grundbeløb fra energinet.dk, som er statsejet, uanset markedsprisen, grundprisen er 415kr/ MWh. Figur 16 Varme pris 2011 og forventet pris 2012 (oplysningerne kommer fra kommunens økonomiafdeling) Ovenstående figur 17 viser netto prisen pr. MWh fjernvarme i 2011 og forventet pris i På baggrund af ovenstående kan det ses at det er mest fordelagtigt at producere el, da det er den eneste indtægtskilde og jo mere el der kan produceres jo billigere kan fjernvarmen sælges til kunderne. 26

29 7 Potentiale vurdering For at klarligge det økonomisk grundlag for potentialet i optimering af dampproduktionen, kan det ses ud af problemanalysen at el produktion er nedsat med 1,69MW i 2011 i forhold til 2008, det ses i kapitel 6 at ACÅ altid er sikret en grundpris på 415kr/MW el der sælges. Der regnes med en årlig driftstid på ca timer (ifølge Erik Bech, forbrændings chef), dette giver et årligt tab på: 1,69*415*8000= 5,61 millioner om året sammenlignet med produktionen i Dette afsnit har til formål at afdække hvilke optimerings muligheder der er for at øge dampproduktionen på linje 1 og 2 med bibeholdelse af de eftermonterede slidzoner. Det skal danne beslutnings grundlagfor hvilke muligheder der findes relevante og arbejde videre med. Desuden vil der i denne forbindelse blive foretaget en yderligere afgrænsning for at optimere arbejdsprocessen til at rette fokus på det relevante. Først vil jeg inddrage et kort afsnit omkring hvilke erfaringer andre værker har med slidzonerne, for på denne måde at have flere tilgangs vinkler til emnet, udover den i forvejen tilegnede viden fra praktikperioden og erfaringen fra interviews med driftsmestrene på ÅCÅ. Hvilke erfaringer har andre værker med slidzonerne? I forbindelse med analysen af hvilke driftmæssige konsekvenser slidzonerne har givet ÅCÅ, synes det relevant og klarlægge om andre værker har lignende slidzoner og se på deres driftmæssige erfaringer. Da det som tidligere nævnt er Babcock Wilcox Vølund der har monteret slidzonerne, blev der skabt en kontakt til Leif Sørensen som er Service Engineer hos Vølund. Leif kunne videregive flere eksempler på anlæg med tilsvarende eftermonterede slidzoner, nedenstående er listet en kort beskrivelse af hvilke anlæg der har dem og hvordan de oplever de driftmæssige konsekvenser. Aars Fjernvarme Besøgt: (Driftsmester Allan Mortensen) hos Aars fjernvarme fik man monteret slidzonerne af den grund at de havde store problemer med det føromtalte skæg på murværket, dette har imidlertid afhjulpet problemet efter monteringen af slidzonerne. I Aars har man også koblet slidzonerne på fjernvarmesiden, kedlen er dog en hedt vands kedel og derfor er det uden betydning hvor meget energi der bliver afsat til fjernvarmen. Affald plus Næstved Telefon interview: (Maskinmester Tommy Fer) På Affaldplus i Næstved fik man monteret slidzonerne fordi man også her oplevede problemer med slagge dannelse på murværket det såkaldte skæg. Da man her har koblet slidzonerne på dampkredsen, har man ikke ændret på kapaciteten af damp produktionen. 27

30 Horsens forbrænding Telefon interview: (Maskinmester Ebbe kristensen) I Horsens var formålet med slidzonerne at kunne opretholde nominel indfyret affaldsmængde, da man også her oplevede stigende brændværdi og derfor ikke kunne trække nok energi ud af ovnen. Her blev de igen koblet på dampkredsen og dette gav øget dampproduktion. Det er blevet klart at det faktisk kun er ÅCÅ der oplever forringelse af driften pga. montagen af slidzonerne, da man kører den optagede energi på fjernvarmkredsen, samtidig med at der produceres damp. Da slidzonerne stadig har positiv indvirkning på slagge dannelsen og stadig vil kunne have positiv indvirkning på varmeoptaget, hvis man igen i fremtiden ville opleve høje brændværdier, findes det ikke relevant at overveje en eventuel drift situation uden slidzonerne koblet på. Derfor vil nedenstående optimeringsforslag omhandle fortsat drift med slidzonerne inkluderet. 7.1 Optimeringsmuligheder Dette er en kort beskrivelse af nogle udvalgte optimerings muligheder der er for optimering af damp produktionen på linje 1 og 2. Opvarmning af fødevandstank Vandet i fødevandstanken bliver opvarmet fra 95 grader til en afgangs temperatur på 130 grader, denne energiforøgelse sker vha. udtagsdamp fra henholdsvis høj/ lav tryks turbinen og derved går udtags dampen tabt i turbinen. Hvis fødevands tanken helt eller delvist ville kunne opvarmes på alternative måder kunne der afsættes mere energi i turbinen. Sænke fødevands temperatur Det har altid været alment kendt at fødevandstemperaturen skal ligge på 130 grader, da man ellers vil kunne risikere korrosion af kedel rørene, Alfa Laval (Kedel producent) har dog fået lavet nogle undersøgelser af Force (Forsknings institut) som viser at man kan i nogle tilfælde kan gå helt ned til 110grader, dette afhænger dog af koncentrationen af svovlsyre i rågassen som skal være < 0,1 %, da man ellers ville kunne risikere svovlsyre kondensering på economiseren. Ved sænkning af temperaturen vil man igen kunne spare på udtagsdampen. Der har været kørt forsøg på ACÅ med sænkning af temperaturen. Koble slidzonerne på fordamperkredsen Hvis slidzonerne blev koblet på fordamperkredsen som på andre værker, ville man kunne udnytte alt energioptaget i ovnen til dampproduktionen. Hvis slidzonerne skal kobles på dampkredsen vil det kræve en ombygning af rør forbindelserne af overbeholderen og selve slidzonerne skal have pålagt inconel som er et højtemperatur lag der beskytter rørene mod de høje temperaturer, Ifølge Leif Sørensen Babcock Wilcox 28

31 Vølund A/S. Slidzonerne er de samme som andre værker har monteret og er derfor godkendt til et tryk på 100 bar, derfor vil de også kunne holde til damp trykket på 60 bar. 7.2 Afgrænsning Da dette projekt er af et begrænset omfang, vil der kun blive set nærmere på opvarmningen af fødevandstanken og om der er et optimerings potentiale ved alternativ opvarmning af fødevandstanken. Der vil blive set bort fra anlægsudgifter ved eventuel implementering af løsningsforslag, derudover tages der ikke højde for de fysiske forhold med hensyn til rør føringer osv. ved en ombygning. 29

32 8 Dampproduktionen På alle 3 ovnlinjer er der flowmålinger på den totale dampproduktion som kedlen producerer, der er dog ikke nogle målinger på hvor meget der går til turbinen, da der går en del udtags damp fra til opvarmning af fødevandstanken og en del til spærredamp i turbinen. Derfor laves en analyse af hvor meget damp der går til opvarmning af fødevandet og hvor stor indflydelse denne damp ville have på turbinen hvis den fulde mængde kunne udnyttes i turbinen. Analysen af dampmængden ville også kunne bruges positivt som beslutningsgrundlag for hvorvidt man skulle sænke fødevandstemperaturen, fordi når dampmængden til opvarmning kendes vil det kunne udregnes hvor meget damp der spares ved en evt. sænkning af temperaturen. På denne måde vil det også være muligt og se hvilken ekstra produktion turbinen/ generatoren ville bidrage med og derved skabe ekstra indtjening. Den ekstra indtjening vil bidrage til at danne beslutningsgrundlaget for om det vil være rentabelt at sænke temperaturen, da den skal holdes op mod evt. kortere levetid af economiseren. Ved sænkning af fødevandstemperaturen kan der risikeres svovlsyre korrosion i den første economiser, da en koldere fødevandstemperatur inde i economiseren vil medføre at svovlsyren i røggassen vil komme under dugpunkts temperaturen. Det er dog nogle af disse usikkerheder omkring konsekvenserne ved temperatur sænkning som skal undersøges yderligere, hvis man overvejer en sænkning af temperaturen. 8.1 Analyse af fødevandstanks opvarmning Denne analyse har til formål at fastligge hvor meget damp der går til opvarmning af fødevandstanken. Til dette formål er det nødvendigt at lave en energi balance over fødevandstanken, for på denne måde at fastligge dampmængden og energibehovet til opvarmning. Først skal det klarligges opbygningen af fødevandstanken og hvad der går ind/ ud af tanken. Linje 1 og 2 er koblet på samme dampkreds og derved også samme fødevandstank. Den overordnede proces for fødevandet blev beskrevet i afsnittet Fødevand, derfor er dette en specifik beskrivelse af hvad der går ind/ ud af tanken. Ud af tanken: Begge fødevands pumperne bliver forsynet med fødevand fra fødevandstanken og er derfor det eneste der går fra tanken. Ind i tanken: Kondensat til tanken kommer fra LT og HT veksleren, derudover skal der spædes ekstra vand til da der altid vil gå noget tabt rundt i processen. Spædevandet (dionat) er behandlet kedelvand som kun mangler at blive af luftet. Dionatet bliver spædet til i LT veksleren og vil derfor være inkluderet vandmængden ind i tanken både: dionat, kondensat fra LT og HT veksleren. Desuden bliver udtags dampen ledt til tanken, som opvarmer vandet. Der vil ske en energi afsætning i aflufteren som vil være et tab i processen, da den ilt der trækkes ud af vandet vil indeholde energi og dette bliver ledt direkte ud i atmosfæren. I energibalancen ses der bort fra 30

33 dette tab samt strålings tab fra tanken, da disse tab må anses for ubetydelige for det overordnede formål med energibalancen. Energi balance Efter ovenstående antagelser er fastlagt er der 3 hovedforsyninger til og fra tanken, 1 ud fra tanken og 2 til forsyning. I alle 3 rør strækninger er der tilgængelige målinger på temperatur og tryk, desuden er der tryk og temperatur i tanken, der er flowmålinger på fødevandet efter begge fødevandspumperne. Der er 2 niveau målere i tanken som har en fastindstillet værdi for lavt niveau og højt niveau. Når niveauet er på lav værdi starter spædningen af dionat indtil højt niveau nås. Dette betyder at over tid vil niveauet være konstant i tanken, når der foretages dynamiske målinger på flowet. Nedenstående tryk og temperaturer er hentet fra SRO anlægget og deraf er entalpierne fundet vha. EEP. 31

34 Varmelærens 1. hovedsætning kan bruges til at opsætte en energibalance: Energien i et isoleret system er konstant og bortføres der energi fra systemet, aftager dets energiindhold med en størrelse, der svarer til den mængde der fjernes. (termodynamik bogen s. 63) Det er dog i dette tilfælde et åbent system, idet der strømmer en masse til og fra tanken, men derfor kan den 1. hovedsætning stadig bruges da energibalancen udføres som var det et lukket system med statiske tilstande. Derved fastslås det at det der strømmer ud fra tanken er lig med det der strømmer til tanken. Den overordnede energibalance vil derfor se således ud: Q Q Q ud k d m * h m * h m * h ud ud k k d d m d m h m * h h ud* ud k k d Q effekt kw kg m masseflow s kj h entalpi kg u = flow ud af fødevandstanken k = kondensat /dionat ind i fødevandstanken d = opvarmnings damp ind i fødevandstanken Som det ses af energi balancen kan massen af damp findes hvis entalpierne kendes ud og ind i tanken, da alle tryk og temperaturer er tilgængelige, kan entalpierne findes vha. EEP (Programmet properties calculator). Derudover skal flowet for kondensatet og fødevandet bruges, da der kun er flowmålinger tilgængelig på udtaget af fødevand, er det nødvendigt at lave en flow måling af kondensatet til tanken. Derfor blev firmaet Insatech kontaktet da det er et firma med stor erfaring med div. målinger. Her blev lejet en ultralyds flowmåler som er en clamp on flowmåler. 32

35 Figur 17 Billede af flowmåling på kondensat til fødevandstank Figur 18 Princip skitse af virkemåden af flowmåleren (fra instruktionen til flowmåleren) For at få en så nøjagtig flowmåling som muligt, blev instruktionen til flow måleren gennemgået nøje. Der er en række indstillinger der skal foretages for at få en præcis flowmåling, for den interesserede læser er der i bilag 2 en quick guide til hvilke grundindstillinger der blev foretaget før målingen kunne begyndes. Derudover er der helt specifikke krav til hvor måleren placeres, da der skal være laminar strømning ved målerens placering. Dette vil sige at der er visse afstande fra bøjninger der skal overholdes før og efter placeringen af måleren. I den tekniske dokumentation af flowmåleren er angivet en unøjagtighed på + - 1,6 % ved standard kalibrering, dette vurderes og være fint til dette, da formålet er at få en overordnet idé om flowet. De fast monterede flowmålere på værket bruges til at logge på flowet efter fødevandspumperne, disse flowmålere bliver tilset og kalibreret af eksterne specialister med at et fast defineret interval og derfor vurderes det at også disse målinger er brugbare til formålet. Flow målingerne med ultralydsmåleren blev foretaget over weekenden d. 21/4 til d. 22/4. I perioden kørte begge kedler 100 % last for på denne måde at få et billede af hvordan flowet er ved nominal last. Da flowet svinger hele tiden blev flowmåleren indstillet at logge værdierne med 10 sekunders interval, det vurderes at det på denne måde vil give et retvisende billede af ændringer i flowet. Da brændværdien for affaldet svinger for hver eneste grab indfyret affald, vil det ikke kunne undgås at damp produktionen og derved fødevands 33

36 flowet svinger en smule. Da der spædes med dionat 1-2 gange hver halve time, vil flowet også variere ind i tanken, dette kompenseres der for ved at lave målingerne over 2 dage. Målingerne fra SRO anlægget hentes også ud med et 10 sekunders interval, for at have sammenlignelige målinger. På den vedlagte cd findes et exel ark Flowmålinger samlet, dette indeholder både flow fra fødevandspumper og flow ultralydsmåleren og hvordan nedenstående gennemsnits værdier er fremkommet. Målingerne så således ud: Massen af damp giver derfor følgende: m m ud k kg 11,7 s kg 9,9 s m d 11, 7*546 9,9*398 kg 0, s Hvis der lavedes en ren masse balance ville resultatet blive følgende: kg md mud mk 11, 7 9,9 1,8 s Det ses at der er ca. 1 kg/s i forskel på de 2 resultater, dette kan skyldes det tab der er i aflufteren på fødevandstanken, måleusikkerhed og det fakta at systemet ikke er statisk som det i denne beregning er antaget. Energibalancer vil aldrig være helt i balance i virkeligheden og hvis der ændres på flowene af kondensat og fødevand, med en faktor inden for % kan den totale energibalance gå op, til dette formål er en usikkerhed på % fint. Derfor vælger jeg at tage en gennemsnitlig værdi for damp flowet, det giver følgende: m d _ gennemsnit 0,86 1,80 kg 1,33 2 s Dette viser en dampmængde til opvarmning af fødevandstanken på 1,33kg/s, det skal dog huskes at dette er udtags damp, således er det ikke høj kvalitets damp, entalpien er på 2854kj/kg. 8.2 Udtags dampens indflydelse på turbinen Dette afsnit vil analysere på hvor meget ekstra energi der ville kunne trækkes ud af turbinen, såfremt der blev lukket helt af for udtags dampen til fødevandsopvarmning. De derved opståede konsekvenser vil blive belyst i næste afsnit (8.3). Nedenstående figur 20 illustrerer HT/ LT turbinen og hvor udtags dampen tages fra. 34

37 Figur 19 SRO billede af HT/ LT turbine, dog redigeret af forfatteren Hvis der lukkes helt af for udtags dampen vil de 1.33 kg/s i stedet fortsætte til LT turbinen og udføre et ekstra arbejde der. For at finde det ekstra arbejde der udføres i LT turbinen kan følgende formel benyttes: Q m * h* * ekstra udtagsdamp EL Mek m udtagsdamp er den ekstra mængde damp der vil gå til lavtryks turbinen, hvis der lukkes for udtags dampen til fødevands opvarmning. h er entalpi forskellen fra udtag dampens entalpi (fundet ud fra tilstanden som udtags dampen har ved 1,75 bar og 194 grader, kan ses på figur 20 ved den blå pil) til den tilstand dampen har efter turbinen, som det ses af figur 20 er der dog 2 udtag fra LT turbinen, derfor antages det at dampmassestrømmen deler sig ligeligt i turbinen. For at finde de 2 entalpier efter turbinen er det nødvendigt at kende tilstanden på dampen ud af turbinen, der kendes tryk og temperatur ved udtagene, de kan dog ikke bruges da tørhedsgraden er faldet til under 1(termodynamik bogen s. 139). Det vil sige at dampen er begyndt at kondensere en smule og derfor er inde i det våde område. Når tilstanden er i det våde område skal EEP kende x værdien (tørhedsgraden). Ifølge termodynamik bogen anbefales det at x værdien ikke kommer under 0,85, derfor antager jeg en tørhedsgrad på 0,9 ud fra dette og trykkene findes entalpierne. Derefter tages et gennemsnit at de 2 entalpier ved de 2 udtag fra turbinen for at få én samlet. 35

38 h samlet hudtag 1 hudtag kj kg Til sidst i ligningen er indsat 2 virkningsgrader, én for mekanisk virkningsgrad og én el virkningsgrad på generatoren, en isentropisk virkningsgrad er ikke nødvendig da den fundne delta h er den faktiske. Ifølge Jesper Nielsen (Aarhus Maskinmester skole) vil virkningsgraderne ligge på imellem 95 og 98 % for anlæg af denne størrelse, da de ikke er tilgængelige på anlægget vælger jeg at antage en worst case værdi for begge virkningsgrader på 95 %. Qekstra 1,33*( )*0,95*0,95 493kW Det er den ekstra afgivne effekt ud af generatoren hvis der lukkedes helt af, for udtags dampen til opvarmning af fødevandstanken. Som tidligere nævnt går ca. ¼ af energien til el produktionen og ¾ til fjernvarme, hvis det anslås at det ca. forholder sig således vil det give en ekstra fjernvarme produktion på: 0,493*3=1,5 MW fjernvarme ekstra. Dette har eftervist hvor meget ekstra el der kan produceres hvis, der findes en alternativ metode til opvarmning af fødevandstanken, der skal dog stadig bruges en udefinerbar mængde damp til spærredamp i turbinen og noget til afluftning i fødevandstanken. 8.3 Alternativ opvarmning af fødevandstanken Dette afsnit vil kort overordnet beskrive en alternativ metode til opvarmning af fødevandstanken. Der ses bort fra det økonomiske perspektiv og konstruktionsmæssige udfordringer. Hvis der lukkedes af for opvarmning af fødevandstanken vha. udtags damp, skal den opvarmes på en anden måde. Dette vil kunne gøres med fjernvarme ved at montere en varmeveksler på rørstrengen der fører kondensatet tilbage til fødevandstanken. Fjernvarmen som skal bruges til opvarmning af fødevandstanken skal udtages et sted efter at det har været igennem HT veksleren, da det her er oppe på den temperatur som sendes ud til kunderne. For at kunne fastlægge hvor langt fjernvarmen kan varme fødevandet op, er det nødvendigt at kende størrelsen og U værdien for veksleren. Da denne ikke kendes bruges HT veksleren som et eksempel på hvor langt op man kan komme i temperatur med en veksler, på denne måde kan man få en idé om hvor lille en delta temperatur der skal tages udgangspunkt i, for de 2 medier i veksleren. 36

39 Grader celcius Delta temperatur 2011/ okt okt okt novnovdecdec jan jan feb feb gennemsnit for værdier under 10 grader= 5,59 grader Figur 20 delta temperatur imellem FV temp og HT veksler temp Figur 21 er lavet ved at finde temperatur forskellen imellem temperaturen ind i HT veksleren og afgangstemperaturen på fjernvarmevandet, da det er HT veksleren der varmer fjernvarmevandet op til den temperatur som det leveres ud på nettet med. Som det ses i højre side af figuren er gennemsnitsforskellen 5,59 grader, denne er lavet for værdier der ligger under 10 grader da alle værdier over anses for driftssituationer der ligger udenfor normal drift. Derfor bruges dette eksempel til at fastligge, en delta temperatur på ca. 6 grader imellem fjernvarmevandet og fødevandet. Når denne delta temperatur er fastlagt er det muligt at se på diverse driftssituationer, her vælges 2 situationer som ligger i begge ender af drift skalaen, nemlig maks. Vinterdrift og sommerdrift da disse er de yderliggående situationer. Ved sommerdrift er fremløbs temperaturen helt nede på ca. 105 grader og vinterdrift når der er koldest er fremløbs temperaturen oppe på ca. 125 grader. Da fødevands temperaturen på nuværende tidpunkt ligger på 130 grader kan det hurtigt ses, ved vinter drift ville fjernvarmen kunne varme fødevandet op til = 119 grader og ved minimum temperatur om sommeren ville det se således ud: 105 6= 99 grader. Det ses at det selvfølgelig er ved vinterdrift at fjernvarmevandet vil kunne varme fødevandet længst op, fødevandet varmes op fra 95 grader. Dette giver ved vinterdrift en opvarmning på = 24 grader og sommerdrift: = 4 grader. For at finde frem til hvilken ekstra gevinst dette vil give på bundlinjen vil det være nødvendigt at lave en analyse af hvordan temperaturen vil svinge hen over året, der regnes med en årlig drift tid pr. linje på 8000 timer (Erik Bech forbrændingschef). Deraf kan det analyseres på hvor længe temperaturen ligger på de forskellige niveauer og dermed gevinsten ved alternativ opvarmning. Når den ekstra el produktion skal findes endeligt, vil det være nødvendigt at anvende resultaterne i analysen af fødevandstanken. På denne måde vil det kunne regnes ud hvor meget damp der kan spares til opvarmning og hvilken indflydelse dette vil have på turbinen. 37

40 8.4 Konsekvenser ved lukning af udtags damp Hvis der lukkes helt af for udtags dampen til opvarmning af fødevandstanken vil dette give nye problemstillinger. Dette afsnit vil belyse dem overordnet. Dampen der går til fødevandstanken har 2 formål, det første er at varme fødevandet op fra 95 grader til 130 grader, det andet er at aflufte fødevandet. Det første formål er blevet beskrevet i forrige afsnit, derfor vil der blive set nærmere på af luftningen. Det er vigtigt at fødevandet bliver afluftet da det ellers vil kunne medføre korrosion i kedlen, ifølge håndbog for kedelpassere (Brunn 2010) anbefales et ilt niveau i fødevandet på under 20 mikrogram/liter. Figur 21 Princip skitse fødevandstank/ aflufter (taget fra Krüger.dk) Ovenstående figur 22 illustrer princippet i hvordan dampen trækker ilten og kultveilten ud af fødevandet, dog er der på ACÅ også mulighed for at tillede damp i bunden af fødevandstanken, dette er ved opstart fra helt kold tilstand. Vandet bliver opvarmet til en temperatur som svarer til vandets kogepunkt ved fødevandstankens driftstryk, derved frigives ilten (Bruun 2010). I forbindelse med analysen på alternativ opvarmning af fødevandstanken, blev det klart at det ville give problemer med at få afluftet fødevandet hvis der lukkedes helt af for opvarmningsdampen. Derfor blev Anders Jensen fra studstrupværket kontaktet. Anders Jensen er laboratorie kordinator på studstrupværket og det er ham ACÅ ringer til hvis der er spørgsmål til vandkemi. Anders Jensen havde en idé om at den primære afluftning skete i LT veksleren, da der er vacuum pumper koblet på denne, i teorien er det også kun her at ilten kan komme til systemet, da det er her at dionaten 38