Balikó Sándor–Zsirai Gyula

Párhuzamosan üzemelo kazánok teherelosztásának
optimalizálása

A kazánok – hasonlóan más gépekhez – nem üzemelnek azonos hatásfokkal a teljes terhelési tartományukban. Ha több kazán párhuzamosan ugyanarra a rendszerre dolgozik, lehetoségünk van a terhelések olyan megosztására, hogy mindenkor a leheto legkisebb tüzeloanyag fogyasztást érjük el. Az eloadás a Soproni Futoeromu gozkazánjainak példáján mutat rá arra, hogy optimális teherelosztással a megtakarítás 3–5%-ot is elérheti.

Boilers – like other equipments – doesn’t work on the same efficiency in the whole operating range. If several boilers work in the same system we have the opportunity to divide the load in order to get the least fuel consumption at any time. The paper points to, that the saving can reach 3–5% with the optimal load division, on the example of the steam boilers of the Heating Power Station of Sopron.

Különösen a futési rendszereket kiszolgáló kazánüzemek az év legnagyobb részében részterhelésen üzemelnek. A kazánüzem kiépítettségétol függoen a terhelést – a minimális terhelés kivételével (egykazános üzem) – ketto vagy több kazán között osztják el. Mivel a kazánok hatásfok görbéje a terhelés függvényében változik, a tüzeloanyag fogyasztás szempontjából nem közömbös, egy-egy kazánt milyen munkapontra állítunk be.

Jelen eloadásban arra keressük a választ, hogy egy adott összterhelés esetén, milyen legyen az egyes kazánok egyenkénti terhelése úgy, hogy az összes tüzeloanyag fogyasztás minimális legyen. A feladatot a hatásfokokkal, vagy a kazánonkénti tüzeloanyag fogyasztásokkal fogalmazhatjuk meg. Mivel a hatásfok közvetlenül nem mérheto, az utóbbi megfogalmazást választottuk:

  (1)

ahol B₀ az összes tüzeloanyag fogyasztás, B_i az i-ik kazán tüzeloanyag fogyasztása, Q_i az i-ik kazán terhelése (hasznos ho), Q₀ az összes hoigény és n az üzemeltetett kazánok száma.

Keressük tehát azokat a Q₁,Q₂,...Q_n értékeket, amelyek mellett B₀ értéke minimális. Korlátozó feltétel, hogy az összes terhelés Q₀ és az egyes kazánok terhelése csak a minimális és maximális terhelési tartomány közé eshet.

A feladat megoldásának elengedhetetlen feltétele, hogy a tüzeloanyag fogyasztás görbéit a teljes üzemi tartományra ismerjük.

Két kazán terhelésmegosztásának optimuma

Tételezzük fel, hogy a tüzeloanyag fogyasztás egy másodfokú polinommal elegendo pontossággal közelítheto:

    (2)

Figyelembe véve, hogy Q₂=Q₀–Q₁, az összes fogyasztás:

    (3)

Itt tehát B₀ a Q₁-nek egyváltozós függvénye.

A minimum létezésének feltétele, hogy a (3) függvény elso deriváltja zérus:



Az egyenlet megoldása:

    (4)

A megoldás akkor minimum, ha


Ha , a kapott Q_1s érték az 1 kazán optimális terhelése, ellenkezo esetben vagy a Q_1,min, vagy a Q_1,max érték adja az optimális megoldást.

A Q₂=Q₀–Q₁ összefüggésbol a Q₁ optimális értékének ismeretében a Q₂ optimális értéke már adódik.


Optimalizálás több kazánra

Három, vagy több párhuzamosan kapcsolt kazán esetén a feladat többváltozós optimalizáló feladattá válik:

    (5)

A feladat megoldására többféle numerikus módszer is ismeretes, általában a gradiens módszert [2][4] szoktuk alkalmazni. Lényeges, hogy a megoldási algoritmus vegye figyelembe a kapacitás korlátokat, ne nekünk kelljen egyenként megvizsgálnunk, hogy a kapott minimum egyben lehetséges megoldás is.

További szempontok

Az optimalizálásnál csak a tüzeloanyag fogyasztást vettük figyelembe, ugyanakkor nem számoltunk a segédberendezések (pl. tápszivattyú, füstgázelszívó ventilátor, égéslevego ventilátor stb.) ugyancsak terheléstol függo villamos-energia fogyasztását és az esetleges pótvíz igényt. Az esetek többségében, ha a kazán üzemben van, a segédberendezések nem befolyásolják érzékelhetoen az optimum helyét. Ugrásszeruen változik azonban a célfüggvényünk értéke akkor, ha egy új kazánt beállítunk, vagy kiveszünk az üzembol. Ezért azt a gyakorlati szabályt alkalmazzuk, hogy mindig a leheto legkevesebb számú kazánnal üzemelünk, és csak ezek teherelosztását optimalizáljuk.

A soproni Futoeromu gozkazánjainak optimális teherelosztása

Az ismertetett optimalizálási eljárást alkalmaztuk a Soproni Futoeromu gozkazánjainak teherelosztási feladatán.

Az eromu három gozkazánt üzemeltet, amelyek villamos energia termelés mellett részben közvetlenül gozt szolgáltatnak, részben pedig a forróvizes távfuto rendszer hoforrását adják. A kazánok fobb adatai:

A 3. és 4. kazánok névleges paraméterei:
kazán típusa    DUKLA gozkazán
tüzeloanyag fajtája:    olaj, gáz
kazánnyomás:    31 bar_a
kilépo goz homérséklete : 400°C
tápvíz homérséklete :135°C
gozáram: 35 t/h
teljesítmény: 26 MW
tüzeloberendezés jellemzoi: 4 db TÜKI BGO  8,5 alternatív égo

Az 5. kazán névleges paraméterei:
Kazán típusa:    E–50–40 GM/BM 35 RF Gozkazán
Tüzeloanyag fajtája:    olaj, gáz
Kazánnyomás:    40 bar_a
Kilépo goz homérséklete :    440°C
Tápvíz homérséklete :    139°C
Gozáram:    50 t/h
Teljesítmény:    37 MW
Tüzeloberendezés jellemzoi:    4 db TÜKI GO    12 alternatív égo


A hoigények olyanok, hogy csak rendkívüli esetben van szükség mindhárom kazán üzemére, ezért csak a kétkazános optimalizálással foglalkoztunk. A vizsgálatot csak földgáz fogyasztására végeztük, mivel az éves olajfogyasztás az üzemi ido 1%-át sem éri el.

Az üzem automatikus mérés-adatgyujto rendszerrel rendelkezik, így az órás mérési adatokból közvetlenül meg tudtuk határozni a kazánok tüzeloanyag fogyasztását, amit aztán polinommal közelítettünk*:

3. kazán:
B = 364,5267 + 47,8591m + 0,7739 m²    [m³/h]

4. kazán:
B = 41,7747 + 68,7077m + 0,2482 m²    [m³/h]

5. kazán:
B = 162,318 + 72,8242m + 0,2788 m²    [m³/h]

ahol m a kazán goztermelése t/h-ban.

Az 1–3. ábrákon a kazánok földgáz fogyasztásainak fajlagos értékeit ábrázoltuk. Jól látható, hogy a fajlagos fogyasztások nem csak számértékeikben, de minimum-helyeikben is eltérnek egymástól.

A 4. ábra a 3. és 4. kazán párhuzamos üzeme esetére mutatja, hogy 55 t/h összes gozigény mellett hogyan változik a két kazán együttes fogyasztása a 3. kazán terhelésének változtatása esetén, A minimális fogyasztás ebben az esetben a két szélso érték közé, 67,5%-ra (23,6 t/h-ra) esik. A minimális és maximális érték között az eltérés 2,7%

Az 1. táblázatban kiszámítottuk a lehetséges üzemi tartományokra a fogyasztásokat. Az üzemi tartományokat figyelembe véve gyakorlatilag 25–70 t/h terhelés mellett lehetséges a 3. és 4. kazán, ill. 30–85 t/h terhelés mellett a 4. és 5. kazán együttes üzeme. A 3. és 5. kazán együttes üzemét azért nem vizsgáltuk, mert a 3. kazán tüzeloanyag fogyasztása minden terhelésen rosszabb, mint a 4. kazáné.

A minimális fogyasztás értékek azt mutatják, hogy 35 t/h-ig a 4. kazánt, 35–70 t/h terhelés között a 3. és 4. kazánt és 70–85 t/h között a 4. és 5. kazánt célszeru párhuzamosan üzemeltetni a táblázat szerinti teherelosztásban.

A gyakorlatban a kazánok üzeme közötti váltás nem lehet ilyen éles, hiszen a kazánok üzembe állítása és leállítása nem lehet pillanatszeru. Ha a várható napi csúcs meghaladja a 35 t/h-t, ill. a 70 t/h-t, akkor is át kell térni a nagyobb terheléshez tartozó kombinációra, ha a nap nagyobb részében nem érjük el ezeket a terheléseket. Az 5. ábra azt is megmutatja, hogy az áttéréssel legalább mennyi tüzeloanyagot veszítünk goz tonnánként.

Összefoglalás

A cikkben bemutattuk, hogy kazánok párhuzamos üzeme mellett hogyan számíthatjuk ki a minimális tüzeloanyag fogyasztást eredményezo terhelési kombinációt. Két kazán esetén zárt képlet formájában ki tudjuk fejezni az optimum helyét, több kazán esetén általában valamilyen numerikus módszert kell alkalmazni.



Az eljárás alkalmazását a Soproni Futoeromu példáján mutattuk be. Jelen cikkben csak egy példán keresztul mutattuk be, hogy az optimális teherelosztás 2,7% tüzeloanyag megtakarítást is eredményezhet, de vizsgálataink azt mutatják, hogy ennél nagyobb, 3–5% megtakarítást is el lehet érni.

Lényeges, hogy az optimalizálást mindig a saját kazánunk fogyasztási görbéire végezzük el, mert hasonló kazánoknak is (pl. az égok beállításából adódóan) eltéro jellegu fogyasztási görbéi lehetnek. Ilyenkor a módszer alkalmazása akár veszteséget is okozhat.

A módszer alkalmazásának alapveto feltétele, hogy ismerjük a kazánok tüzeloanyag fogyasztását a teljes szabályozási tartományban. A mérési adatgyujto rendszerek ezt olyan mértékben tudják biztosítani, hogy az elhasználódás következtében megváltozott fajlagosok is követhetok, azaz az optimumot mindig a kazánok aktuális állapotára tudják meghatározni.


Irodalomjegyzék

[1] Soproni Futoeromu energetikai veszteségfeltárása. Tanulmány (Kézirat). Jomuti Kft. Budapest, 2001. március.

[2] Bronstejn, I. N.–Szemengyajev, K. A.: Matematikai zsebkönyv. Muszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987.

[3] Kemény S.–Deák A.: Mérések tervezése és eredményeik értékelése. Muszaki Könyvkiadó, Budapest, 1990.

[4] Bahvalov, N. Sz.: A gépi matematika numerikus módszerei. Muszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977.