Større gasfyrede kedlers virkningsgrad Resultater fra feltmålinger Projektrapport Maj 2012 RAPPORT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf. 2016 9600 Fax 4516 1199 www.dgc.dk dgc@dgc.dk
Større gasfyrede kedlers virkningsgrad Resultater fra feltmålinger Jan de Wit Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2012
Titel : Større gasfyrede kedlers virkningsgrad, resultater fra feltmålinger Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : Jan de Wit Dato for udgivelse : 25.05.2012 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : 737-53; H:\737\53 Større kedlers virkningsgrad\rapport- Analyse\storekedlervirkgrad_FINAL_UDENFORSIDE.docx Sagsnavn : Større gasfyrede kedlers virkningsgrad, feltmålinger ISBN : 978-87-7795-350-7
DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Baggrund... 2 2 Større gasfyrede kedler, generelt... 3 3 Analysens resultater... 8 3.1 Datamaterialet... 8 3.2 Metode... 10 3.3 Virkningsgrad versus alder... 11 3.4 Virkningsgrad versus kedelstørrelse... 12 3.5 Forbrændingsforhold... 13 3.6 Sammenligning af ens kedler... 15 4 Sammenfatning... 16 5 Referencer... 18
DGC-rapport 2 1 Baggrund Der er ofte brug for viden omkring praktisk virkningsgrad for kedler. Denne viden bruges ved forsyningsanalyser, dimensionering og i forbindelse med miljøberegninger, herunder CO 2 -verifikation. For mindre kedler foreligger fabrikantoplysninger, afprøvninger og mærkningsordninger, der giver oplysninger herom. For større kedler foreligger fabrikantoplysninger for de kedler, der nu er på markedet. Dog er det her væsentligt, at kedlerne undertiden forsynes med brændere efter kundens valg, eller at der foretages anlægsspecifikke ændringer, som eksempelvis påbygning af eksterne røgkølere, isætning af retardere mv. En del af de større gasfyrede kedler, der er i drift i Danmark, er udgået af produktion, og fabrikantoplysninger lader sig sjældent finde. DGC har i denne rapport sammenstillet og analyseret måledata fra praktiske feltmålinger foretaget i perioden 2008 til 2012 på danske naturgasfyrede kedelenheder > 120 kw. Analysearbejdet er finansieret af gasselskabernes Fagudvalg for Gasanvendelse og Installationer (FAU GI). Rapporten er udarbejdet af Jan de Wit, DGC, og kvalitetssikret af Steen D. Andersen, DGC.
DGC-rapport 3 2 Større gasfyrede kedler, generelt Med større gasfyrede kedler menes normalt kedler med en indfyret effekt over 120 kw (nedre brændværdi). Sådanne kedler anvendes til opvarmning i bolig-, kontor- og industriejendomme (såkaldte blokvarmeanlæg), på fjernvarmecentraler og til opvarmning i forbindelse med procesformål. Mange af kedlerne, der anvendes i Danmark, er opbygget som kanalrøgrørskedler, se Figur 1. Figur 1 Kanalrøgrørskedel, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Varmeståbi, /1/) I disse kedler sker forbrændingen i forbrændingsrummet (ildkanalen), og siden passerer de varme røggasser et antal rørsektioner (rørslag), hvor de slutafkøles. Brænderne, der anvendes, er gasblæseluftbrændere, hvor gas tilføres den korrekte mængde forbrændingsluft styret af en indbygget blæser i brænderen mv.
DGC-rapport 4 Figur 2 Gasblæseluftbrænder, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Gasståbi /2/) Varmeovergangen i kedlen kan øges ved at anvende brændere med kraftig rotation af flammen og/eller ved at isætte turbulatorer/retardere i røgrørssektionerne, sidste kan ses på Figur 3. Figur 3 Turbulatorer/retardere til forøgelse af varmeovergang i røgrørssektion Kanalrøgrørskedler er normalt ikke i sig selv bygget til kondenserende drift, og returvandet må derfor have en temperatur, så der ikke dannes kondens på kedlens vandkølede vægge. Dette klares vanligvis ved anvendelse af en kedelshunt, hvor en andel varmere fremløbsvand opblandes i kedelreturen umiddelbart inden indløb til kedel. Hermed øges også vandgennemstrømning i kedlen, hvorved risiko for lokal kogning mindskes. Hvis man ønsker kondenserende drift på kedelanlæg baseret på kanalrøgrørskedler, udføres dette oftest ved påbygning af en ekstern røgkøler/economizer umiddelbart efter kedlen, se Figur 4. Denne røgkøler skal
DGC-rapport 5 forsynes med så koldt returvand som muligt for at opnå størst afkøling af røgen og størst kondensation af røggassens vandindhold. Det efterfølgende aftræks- og skorstenssystem skal da naturligvis være i stand til at arbejde med kold og fugtig røggas. Figur 4 Installation af ekstern røgkøler på naturgasfyret kedelanlæg, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Varmeståbi /1/) En række mindre og mellemstore kedler er udført som støbejernskedler, se Figur 5. Til disse kedler er også udviklet turbulatorer/retardere for at forøge varmeovergangen. Også denne kedeltype anvender gasblæseluftbrænder. Der kan i lighed med kanalrøgrørskedler påbygges efterfølgende kondenserende røgkøler/economizer.
DGC-rapport 6 Figur 5 Støbejernskedel, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Gasståbi /2/) Der er udviklet mellemstore kedler specielt til naturgas. Disse kedler har oftest en kondenserende sektion integreret og anvender specialbrændere med lav emission og lavt støjniveau. Kedlerne har oftest også den nødvendige styringselektronik integreret. Et eksempel på en sådan kedel er vist i Figur 6. Figur 6 Gaskedel med integreret kondenserende sektion og med specialgasbrænder, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Varmeståbi, /1/)
DGC-rapport 7 Der har også været større gaskedler på markedet med atmosfærisk brændersystem; et eksempel på en sådan kedel ses på Figur 7. Figur 7 Ældre atmosfærisk mellemstor specialgaskedel, udstyret med trækafbryder, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Gasståbi /2/)
DGC-rapport 8 3 Analysens resultater 3.1 Datamaterialet Der indgår målinger på i alt ca. 100 forskellige naturgasfyrede varmtvandskedler i materialet, der præsenteres i det følgende. Målingerne er alle udført i perioden 2008 2012. Langt de fleste af målingerne er udført i vintermånederne. Kedelanlæggene repræsenterer både blokvarmecentraler og fjernvarmecentraler. Målingerne er udført i forbindelse med andre projektarbejder og lignende. Kedlerne dækker effektmæssigt et område fra ca. 250 kw til 18 MW i nominel ydelse; de fleste af kedlerne har en ydelse i effektområdet 0,5-5 MW. De ældste kedler er fra 1968 og de nyeste fra 2010. Figur 8 og 9 viser data for kedelpopulationen, der indgår i analysen. Der indgår 15 forskellige kedelfabrikater og 9 forskellige brænderfabrikater, se oversigt i Tabel 1. Mange af både kedel- og brænderfabrikaterne har flere typer og modeller repræsenteret. De ældste brændere er fra 1978, de nyeste fra 2008, se Figur 9. Af kedlerne har 27 mulighed for at arbejde med kondenserende drift, de fleste ved at der er installeret en ekstern røgkøler/economizer. Enkelte af disse 27 har dette indbygget. Tabel 1 Kedel- og brænderfabrikater repræsenteret i analysen Kedelfabrikater, alfabetisk Brænderfabrikater, alfabetisk 1 Buderus 1 Bentone 2 Dano 2 Dunphy 3 A/S Dansk Stoker 3 KB 4 Dansk Stoker og 4 Ray Varmekedel Kompagni 5 Danstoker A/S 5 RBL 6 De Dietrich 6 Riello 7 ECO Boilers 7 Saacke 8 HETO 8 Weishaupt 9 Hollensen 9 Zantingh 10 ParcaNorrahammer 11 Remeha 12 Rendamax 13 Sempar 14 Tasso 15 Viessman
DGC-rapport 9 Antal kedler Kedelstørrelse,fordeling 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nominel effekt (MW) Figur 8 Størrelsesfordeling for de kedler, der indgår i analysen. En enkelt kedel er på 18 MW. 60 50 40 % 30 20 10 % Kedler % GB Brændere 0 Årstal, byggeår Figur 9 Produktionsår for kedler samt gasblæseluftbrændere (GB) for de installationer, der indgår i datamaterialet Det ses af ovenstående Figur 9, at kedlerne har god holdbarhed og ofte er ældre end brænderne.
DGC-rapport 10 3.2 Metode Bestemmelse af virkningsgrad for kedelenhederne er foregået ved den såkaldt indirekte metode (= tabsbestemmelse). Der er tale om virkningsgrad for den enkelte kedel under drift og ikke årsvirkningsgrad, centralvirkningsgrad eller andet. Dette betyder, at røggastab for kedlen måles og bestemmes med udgangspunkt i røgtemperatur og luftoverskud (O 2 -måling). Både det tørre røggastab og et eventuelt energiudbytte ved kondensation af røgen bestemmes. Det sidste baseres på en måling af kondensatmængde over et tidsrum (oftest en time). Kedlens overfladetab bestemmes med udgangspunkt i DIN norm 1942 /3/ på basis af kedlens nominelle last (mærkepladens varmeeffekt). Erfaringsmæssigt synes denne norm at vurdere tabet lidt for højt (se fx målinger i /4/); der er dog ikke foretaget revision af DIN 1942 i nyere tid eller forelagt andre anerkendte/anvendte metoder eller normer. Skønt langt de fleste af målingerne i materialet er foretaget i vintersæsonen, har det ikke altid været muligt at arbejde med fuld og kontinuert last på alle kedlerne. Der er for alle målingerne kørt den maksimalt mulige ydelse under de dagsaktuelle driftsbetingelser. Visse af kedlerne kørte intermitterende under målingen. Der er i disse tilfælde naturligvis ikke anvendt en simpel middelværdi for røgtemperatur, men derimod anvendt den højeste, målte røgtemperatur (baseret på grafisk analyse) i driftsforløbene. Med ovenstående metode kan røgtabet være beregnet lidt for lavt, men som nævnt er overfladetabet formentlig sat lidt for højt og trækker dermed den anden vej i virkningsgradsbestemmelsen. Et generelt billede af traditionelle olie- og gaskedlers virkningsgradsforløb ved forskellig last kan ses i Figur 10.
DGC-rapport 11 Figur 10 En kedels virkningsgrad i forhold til last, generel figur, figur bragt med tilladelse fra Nyt Teknisk Forlag (Gasståbi /2/) 3.3 Virkningsgrad versus alder Figur 11 viser de kedler, der har fuldgyldige datasæt vedr. kedlens produktionsår og den målte virkningsgrad.
DGC-rapport 12 110 105 100 95 Uden eco Med Eco 90 85 80 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Figur 11 Kedelenhedernes virkningsgrad (visse evt. inkl. economizer) versus alder for kedlen. Kun afbildninger for kedler, hvor der foreligger fuldgyldige datasæt vedr. produktionsår og virkningsgrad, er medtaget. Det ses ganske tydeligt, at kedler, der er udstyret med røgkøler/economizer, har en markant højere virkningsgrad (ca. 8,5 procentpoint i gennemsnit) end kedler uden ekstra køling af røggassen, herunder mulig kondensering af denne. Der ses ikke nogen tydelig trend, mht. at ældre kedler nødvendigvis skulle have lavere virkningsgrad end nyere kedler. 3.4 Virkningsgrad versus kedelstørrelse I Figur 12 ses den målte kedelvirkningsgrad i forhold til nominel kedeleffekt. Figuren viser, at de større kedler i datamaterialet generelt har højere virkningsgrad end de mindre. De større kedler i materialet er generelt fjernvarmekedler. Den højere virkningsgrad kan skyldes, at disse er velpassede, at der er øget fokus på god forbrændingsøkonomi, og at man netop har ønsket en måling foretaget for at dokumentere dette.
DGC-rapport 13 % 110 105 100 95 90 85 80 100 1000 10000 kw Figur 12 Kedelvirkningsgrad vs. nominel kedeleffekt 3.5 Forbrændingsforhold På Figur 13 er den målte iltprocent i røggasen afbildet for alle kedler, der indgår i datamaterialet. Som anført tidligere har der ikke kunnet realiseres kontinuert fuldlastdrift på alle kedler. Den afbildede værdi er derfor ikke nødvendigvis fuldlastværdien. Der er stor spredning på de målte iltprocenter. Værdien, der ligger helt i top, er fra en særlig atmosfærisk kedel med trækafbryder, hvor der indsuges friskluft fra rummet - derfor netop den høje værdi i målepunktet. Øvrige værdier går for størstedelen fra ca. 1 % til omkring 6 %. Det simple aritmetiske gennemsnit er 4,1 % med en spredning på 1,5 procentpoint. Statistisk betyder dette også, at ca. 95 % af målingerne vil ligge inden for 1,1 7,1 %.
DGC-rapport 14 O 2 (% tør) O 2 versus nom. effekt 12 10 8 6 4 2 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Nominel kedeleffekt (kw) Figur 13 Målt iltprocent vs. nominel effekt Afbildes den målte iltprocent i forhold til målt virkningsgrad, ses en tendens til, at de højeffektive kedler har en lav iltprocent, se Figur 14. Virkningsgrad % Kedelvirkningsgrad versus O 2 110 105 100 95 90 85 80 0 2 4 6 8 10 12 O 2 (% tør) Figur 14 Virkningsgrad vs. iltprocent Dette er for så vidt logisk nok, høj iltprocent betyder øget røgmængde pr. indfyret energimængde og dermed øget røgtab. Øget iltprocent vil også
DGC-rapport 15 kunne betyde øget røgtemperatur og dermed yderligere bidrage til at øge røgtabet og således reducere installationens virkningsgrad. Generelt gælder, at mange af kedlerne næppe på måletidspunktet var indreguleret til drift på importgasser mv. Dette må umiddelbart formodes at være tilfældet for alle anlæg, hvor iltprocenten har været under ca. 3,5 til 4. Gasblæseluftbrændere skal pr. 2012 indreguleres efter nye kippunktskurver, se /6/. Også anlæg med iltstyring er omfattet. 3.6 Sammenligning af ens kedler Målingerne, der indgår i analysen, viser, at for nogle kedeltyper måles så godt som samme virkningsgrad på samme kedeltype, hvis kedlerne er udstyret med samme brændertype. For andre kedeltyper kan der godt optræde forskel i virkningsgrad, uagtet at kedlerne er udstyret med ens brændere. For visse kan dette helt eller delvis skyldes, at der er eftermonteret economizer. På Figur 15 er vist sådanne sammenstillede måleresultater for fire kedeltyper. Her er der anvendt samme brænder til de enkelte kedelgrupper. Disse er for de fire afbildede måleserier opstillet sammensteds, hvilket formentlig betyder, at vedligeholdsstandarden (fx rensning) er ens. For type 4 gælder det, at sidste viste kedel er uden economizer, modsat de to første i gruppen. 110 105 100 Virkningsgrad (%) Virkningsgrad (%) Virkningsgrad (%) Virkningsgrad (%) 95 90 85 Kedel Type 1 Kedel Type 2 Kedel Type 3 Kedel Type 4 Figur 15 Sammenligning af ens kedler
DGC-rapport 16 4 Sammenfatning Der indgår i alt ca. 100 større naturgasfyrede kedler i datamaterialet. Kedlerne er fra ca. 250 kw til 18 MW, de fleste dog i intervallet 0,5 5 MW. Et antal af kedlerne (27) er udstyret med ekstern røgkøler, enkelte har indbygget en røgkølersektion, der er i stand til at arbejde med kondenserende drift. De ældste kedler i undersøgelsen er bygget i perioden 1965 1970 og har derfor først været oliefyrede og er siden konverteret til naturgasfyring. Halvdelen af kedlerne er mere end 25 år gamle. Brænderne (hvor disse ikke er en integreret del af kedlen) introduceres af gode grunde først med naturgassens indtog i de tidlige firsere. Cirka 80 % af gasblæseluftbrænderne er fra før 1990. Den gennemsnitlige virkningsgrad (aritmetisk middelværdi) for alle kedlerne er på 93 % (ref. nedre brændværdi). Standardafvigelsen er ca. 4,5 procentpoint for samme. Vægter man med kedeleffekten, får man en gennemsnitsvirkningsgrad på 95,99 % (ref. nedre brændværdi), hvilket indikerer, at de større kedler her generelt har bedre virkningsgrad end de mindre. Dette kan skyldes, at det i datamaterialet fortrinsvis er de større kedler, der er udstyret med ekstra røgkøler/economizer. Grupperer man kedlerne henholdsvis med og uden røgkøler, får man en aritmetisk gennemsnitsvirkningsgrad på 90,7 % for kedlerne uden røgkøler og 99,3 % i simpelt aritmetisk gennemsnit for gruppen af kedler med røgkøler evt. integreret. Der er således ca. 8,6 procentpoint i forskel. Målinger på kedlerne er gennemført i henholdsvis 2008, 2009, 2010 og hen over årsskiftet 2011/2012. Der måles stor spredning i iltprocent i røggasserne. Dette kan både betyde et unødigt energispild, hvis der optræder høj iltprocent, og for de lave værdier kan det betyde risiko for CO-dannelse og manglende parathed i forhold til anvendelse af importgasser med lav brændværdi/wobbetal. Gasblæseluftbrændere skal pr. 2011 indreguleres efter nye kippunktskurver grundet lejlighedsvis gasimport, se fx nærmere i /6/.
DGC-rapport 17 Præsentationen af kedelvirkningsgrad, der er vist her i rapporten, vedrører alene kedlernes virkningsgrad under produktion. Kedelcentralers udstyrsbestykning, isoleringsstandard og driftsstrategi for kedelanlægget kan i høj grad påvirke den samlede årlige virkningsgrad. Kedelcentralers samlede virkningsgrad vil evt. kunne vurderes ved anvendelse af /7/.
DGC-rapport 18 5 Referencer 1. Varmeståbi, Nyt Teknisk Forlag, 6. udg., 2012 2. Gasståbi, Teknisk Forlag A/S 1993 3. DIN 1942 vedr. kedeloverfladetab (Abnahmeversuche an Dampferzeugern (zu Bestimmung von Wirkungsgraden) 4. Optimal anvendelse af naturgas på blokvarmecentraler; årsvirkningsgrader ved gas- og oliefyring; Teknologisk Institut samt Birch & Krogboe 1989 5. Artikel: Kraftig rotation af forbrændingsluft, VVS Bladet nr 10, 1988 6. DGC Vejledning nr. 5, februar 2012: Indregulering af større gasblæseluftbrændere, kan bestilles hos DGC eller downloades fra hjemmesiden www.dgc.dk under faneblad Publikationer 7. GasProSA beregningsprogram for større kedelanlæg, udviklet af Dansk Gasteknisk Center, DGC, (www.dgc.dk) 8. Dansk Gasteknisk Center anonymiserede data fra 100 målinger af kedelvirkningsgrad for større naturgasfyrede kedler i perioden 2008 2012.