Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding bachelor in de elektromechanica Afstudeerrichting elektromechanica
Voorstudie verhogen condensorcapaciteit bij de energierecuperatie van de verbrandingsoven
Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van bachelor in de elektromechanica door
Yannick Vanhooren
o.l.v. dhr. Patrick Declerck dhr. Daniel Vandenberghe Academiejaar 2007 - 2008
Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding bachelor in de elektromechanica Afstudeerrichting elektromechanica
Voorstudie verhogen condensorcapaciteit bij de energierecuperatie van de verbrandingsoven
Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van bachelor in de elektromechanica door
Yannick Vanhooren
o.l.v. dhr. Patrick Declerck dhr. Daniel Vandenberghe Academiejaar 2007 - 2008
Mededeling Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen.
4
Abstract De mogelijkheid bestaat dat de verbrandingsoven te Oostende “IVOO” in 2010 een derde oven bijplaatst. Deze oven verbrandt huisvuil in de regio Oostende, met energierecuperatie d.m.v. elektriciteitsopwekking. Enkele aanpassingen in de stoomcyclus zullen dus nodig zijn. Ik kreeg de kans om daar op in te zoomen, want vele aspecten uit mijn opleiding komen erbij aan bod. Een 20% hogere stoomopbrengst wordt verwacht. Dit vraagt een hogere condensorcapaciteit en groter debiet van de voedingspomp. De vraag naar hogere condensorcapaciteit moet vergeleken worden met de beschikbare capaciteit. Indien die niet voldoet moet onderzocht worden hoe dat zo economisch mogelijk kan uitgevoerd worden. Bij de condensor is een luchtdebietsverhoging misschien voldoende en bij de pomp is een hoger toerental eventueel mogelijk. Na een korte voorstudie blijkt dat enkel snelheidsverhoging in beide gevallen niet voldoende is. Een permanente capaciteitsverhoging van een goed ontworpen condensor resulteert dus in een groter oppervlak om aan een zeker optimum te voldoen. Ook de huidige voedingspomp werd ontworpen voor zijn toepassing. Dat betekent dat de pomp al op zijn maximum toerental draait omdat daar het beste rendement ligt. Een ruime condensorcapaciteit geeft meerdere voordelen. Bij zomertemperaturen van bijvoorbeeld 28°C kan de verbranding en dus ook de elektriciteitsopbrengst op volle capaciteit blijven werken. De verbranding van het afval zorgt immers voor 75% van de inkomsten van het bedrijf, de elektriciteit voor 25%. Ook een ruime marge voor de voedingspomp is gewenst daar het een cruciaal onderdeel in de stoomcyclus is, uitval van deze pomp leidt namelijk tot gevaarlijke situaties.
5
Inhoudsopgave 1. Algemene werking van het bedrijf ............................................. 9 1.1 Algemeen............................................................................ 9 1.1.1 Doel.............................................................................. 9 1.1.2 Energierecuperatie .......................................................... 9 1.1.3 Organigram...................................................................10 1.1.4 Technische gegevens......................................................11 1.1.5 Doorsnede van het bedrijf ...............................................12 1.2 Verbranding........................................................................13 1.2.1 Aanvoer........................................................................13 1.2.2 Bunker .........................................................................13 1.2.3 Ovens ..........................................................................13 1.2.4 Asbehandeling ...............................................................13 1.2.5 Verbrandingslucht ..........................................................13 1.2.6 Stoomketels ..................................................................14 1.2.7 Plan rooster ..................................................................14 1.3 Energierecuperatie ..............................................................15 1.3.1 Turbo-groep ..................................................................15 1.3.2 Water-stoom circuit........................................................15 1.3.3 Elektriciteit ...................................................................16 1.3.4 Rookgaszuivering...........................................................16 2 Eerste voorstudie......................................................................17 2.1 Fazendiagram toegepast op de opdracht .................................17 2.2 Probleemdefinitie ................................................................18 2.3 Huidige installatie ................................................................18 2.4 Werkwijzenbepaling .............................................................19 2.4.1 Onderzoek ....................................................................19 2.4.2 Grafiek .........................................................................20 2.4.3 Conclusie grafiek ...........................................................21 2.5 Besluit van de werkwijze ......................................................21 3 Structuurmogelijkheden.............................................................22 3.1 Een volledige condensor bij...................................................22 3.2 Een “halve” condensor bij .....................................................25 4 Verplaatsen van de koelgroep.....................................................26 4.1 Algemeen over de huidige opstelling ......................................26 4.2 Situering van de koelgroep in zijn technische cyclus .................27 4.3 Praktisch ............................................................................28 4.4 Huidige situatie ...................................................................29 4.4.1 Leidingen buiten ............................................................29 4.4.2 Verplaatsen van de ventilator ..........................................30 4.4.3 Leidingen binnen ...........................................................31 4.5 Besluit werkwijze ................................................................32 5 De condensor ...........................................................................33 5.1 Algemeen over de huidige condensors ....................................33 5.2 Technische gegevens huidige condensor .................................35 5.3 Toelichting stoomcyclus........................................................36 5.3.1 Vereenvoudigd schema ...................................................36 6
5.3.2 Schema van het vacuüm gedeelte (alles tussen de turbine en de condensaatpompen) .............................................................37 5.3.3 Schema stoom en condensaat .........................................38 5.3.4 Volledig schema van het stoomcircuit met technische parameters ..............................................................................39 5.3.5 Mollier H20 ....................................................................40 5.4 Eerste contact met condensorleverancier ................................41 5.5 Eerste onderzoek door “ACC-team” ........................................42 5.5.1 Inleiding .......................................................................42 5.5.2 Capaciteitsbepaling ........................................................42 5.5.3 Specificaties nieuwe condensor ........................................42 5.5.4 Invloed op de huidige capaciteit .......................................43 5.5.5 Prijsstelling (budget) ......................................................43 5.6 Toelichting van het gebouw ..................................................44 5.6.1 Situering nieuw deel constructie.......................................44 5.6.2 Gelijkvloers ...................................................................45 5.6.3 Eerste verdiep ...............................................................46 5.7 Statische berekeningen op constructie....................................47 5.7.1 Inleiding .......................................................................47 5.7.2 Werkwijze.....................................................................47 5.7.3 Opmerking....................................................................47 5.7.4 Belasting ......................................................................48 5.7.5 Reacties .......................................................................48 5.7.6 Dimensioneren constructie ..............................................49 5.7.7 Boutverbindingen...........................................................49 5.7.8 Verbindingshulpstukken ..................................................50 5.7.8.1 Hoekplaat ..................................................................50 5.7.8.2 Samengesteld hoekstuk ...............................................50 5.7.9 Analysis of Construction New Part ....................................51 6 De voedingspompen ..................................................................56 6.1 Inleiding ............................................................................56 6.2 Algemeen...........................................................................57 6.2.1 Gedetailleerde eigenschappen van de voedingspompen .......57 6.2.1.1 De ‘Terry-pomp” .........................................................57 6.2.1.2 De huidige Multitec pompen..........................................59 6.2.1.3 Mogelijke toekomstige Multitec pompen .........................61 6.2.1.4 Het Schroeder-ventiel ..................................................63 6.2.2 Aandrijving nieuwe pompen ............................................64 7 Besluiten .................................................................................66 7.1 De condensor......................................................................66 7.1.1 Vergroten van de condensorcapaciteit...............................66 7.1.2 Verplaatsen van de koelgroep ..........................................66 7.2 De voedingspompen ............................................................66 8 Literatuurlijst ...........................................................................67
7
Inleiding Na de positieve reacties van een student dat al eerder stage liep bij IVOO kwam ik erbij om daar te informeren voor een stageonderwerp. Een voorstel kwam vroeg uit de bus, waarop mijn antwoord snel duidelijk was. De zoektocht naar een stageplaats hield dan ook op in juni vorig jaar. Een eerste bezoek aan het bedrijf was gepland eind september. Daar werd het voorstel verduidelijkt in een rondleiding. Er was keuze tussen het aanpassen van de vliegasafvoer, of het verhogen van de condensorcapaciteit. De laatste opdracht leek mij het interessantst omdat daarin meer aspecten uit mijn opleiding aan bod komen. In mijn eindwerk komt vooral de functie van IVOO als elektriciteitscentrale naar voor. De verbranding van het afval en zuivering van de rookgassen wordt dus op de achtergrond gehouden. Het is zo dat de kans bestaat dat er in 2010 een derde oven bijkomt. Deze zou een stukje groter zijn dan de huidige twee ovens. De huidige ovens kunnen elk ongeveer 14 ton stoom per uur produceren, maar de nieuwe oven zou er 20 aankunnen. Nu is het niet zo dat de totale capaciteit dan plots in dergelijke mate stijgt, maar de twee oude ovens zullen maar om beurten meer werken. Dit om onderhoud op te kunnen uitvoeren. Zo kan de nieuwe op volle capaciteit draaien en de andere wordt zodanig afgeregeld dat er 32 ton stoom wordt geproduceerd. Meer kan de turbine niet aan. Deze verhoging van stoomproductie zorgt voor een nood aan aanpassingen in heel de stoomcyclus. Hierbij is de condensorcapaciteit de belangrijkste en de meest omvangrijke, maar ook de voedingspompen zullen moeten herbekeken worden.
8
1. Algemene werking van het bedrijf
1.1 Algemeen 1.1.1 Doel De verbrandingsoven “IVOO” is een intergemeentelijke vereniging van 6 gemeenten: Bredene, Gistel, Ichtegem, Middelkerke, Oostende en Oudenburg. Het staat in voor de verwerking en de verwijdering van het huisvuil van de particuliere bewoner en doet dit op een wijze die zowel economisch als ecologisch verantwoord is. Het huisvuil dat hier bedoeld wordt is enkel het restafval “=het afval dat rest na het verwijderen van recyclebare stoffen”. Voorbeelden: • • • • • • • • • • •
niet-recyclebare kunststoffen en verpakkingsafval beenderen en dierlijk afval porselein en aardewerk behangpapier, stofzuigerzakken hygiënisch verzorgingsafval, wegwerpluiers mosselschelpen kattenbakvulling as, asbakinhoud, CD’s, klein speelgoed, Wegwerpproducten kaarsen, kauwgom...
Dit verbranden gaat natuurlijk gepaard met allerlei afvalstoffen, onder de vorm van uitlaatgassen en assen. Deze worden er in de loop van het proces uitgefilterd, op die manier komt men aan de gestelde milieunorm.
1.1.2 Energierecuperatie Bij het verbranden van het afval komt veel energie vrij onder de vorm van warmte. Deze energie kunnen we dan maar zo goed mogelijk gaan benutten. Dit gaat volgens het principe van alle thermische energiecentrales. Er wordt water opgewarmd tot stoom onder hoge druk, die dan op zijn beurt een turbine gaat aandrijven die een elektrische spanning genereert. Zo draagt IVOO een steentje bij aan de productie van elektriciteit waar wij allemaal van meegenieten
9
1.1.3 Organigram DIRECTEUR / MILIEUCOÖRDINATOR: FONS DOMS
STAF
STAFMEDEWERKER ADMINISTRATIE: VICKY HANDSAEME
PREVENTIE EN RECYCLAGE: INGE MAKELBERGE
TECHNIEK / KWALITEIT- EN SYSTEEMCOÖRDINATOR: FRANKY VANHINSBERG
ADMINISTRATIE
ADMINISTRATIEF BEDIENDE: ELS DEVETTERE
BOEKHOUDER: ANNELIE BALFOORT
ONDERHOUD & BEDIENING INSTALLATIE
BRIGADIER PRODUCTIE EN ELEKTRISCH BRIGADIER MECHANISCH ONDERHOUD: ONDERHOUD: DANIEL VANDENBERGHE JAN DU GARDEIN (MIJN STAGEMENTOR)
VERANTWOORDELIJKE MAGAZIJN EN ALGEMEEN ONDERHOUD/ PREVENTIEADVISEUR: ERIC DE SMEDT 10
1.1.4 Technische gegevens * verbrandingsovens
2 ovens met vast, schuifbare + kantelbare roosters type roosteroven Seghers C E C
* capaciteit huisvuil
2 x 5 ton/uur (per oven 120 ton/dag)
* maximum capaciteit
met een gemiddelde bezetting van 90 %, kan 62.000 à 65.000 ton huisvuil per jaar verwerkt worden
* calorische waarde huisvuil
5.000 à 9.200 kJ/kg (1200 à 2200 kcal/kg)
* capaciteit stoomketel
2 x 14,5 ton stoom/uur aan 35 bar en 240°C
* capaciteit interne oververhitter
2 x 14,5 ton stoom/uur aan 360° C
* vermogen turbo-alternator
5500 kW bij cos phi = 0,8 op 11000 V
*elektriciteitsproductie
1,5 tot 2,5 MW per oven, met 2 ovens bedraagt ze 3,5 tot 5,5 MW
* ontvangst huisvuil
4 poorten voor stortbunker stortbunker: 4.000 m3 inhoud
* rolbruggen
2 stuks - 5 ton hijskracht inhoud grijper: 2,5 m3
* ventilatoren a. primaire lucht
35.000 Nm3/h (per oven)
b. secundaire lucht
10.000 Nm3/h (per oven)
c. rookgas
42.000 Nm3/h (per oven)
* rookgaszuivering: a. elektrofilter b. halfnatte rookgasreiniging c. DeNOx * schouw na DeNOx a. hoogte
60 meter
b. binnendiameter
1,9 meter
* assen
2 transportbanden + bunker 200 m3
*elektromagneet boven astransportband
hiermee wordt ca. 1000 ton per jaar schroot gerecupereerd
* vrachtwagen
18 ton laadvermogen - 3 assen
11
1.1.5 Doorsnede van het bedrijf
12
1.2 Verbranding 1.2.1 Aanvoer De vrachtwagens die het huisvuil en daarmee gelijkgesteld vuil aanvoeren, worden gewogen op een weegbrug met een nominale weegcapaciteit van veertig ton. Het systeem is automatisch door het gebruik van badges. Ook een parlofoon is aanwezig en de ligging van de weegbrug ten opzichte van de controlezaal maakt een goed visueel contact mogelijk tussen de aanvoerders en het personeel in de controlezaal. Een slagboom is opgesteld na de weegbrug. Deze werkt automatisch bij het einde van een weging of kan ook manueel worden bediend.
1.2.2 Bunker Na de weegbrug rijden de ophaalwagens naar een overdekt stortplatform. Via één van de vier poorten wordt het vuil in de bunker gestort. De nuttige inhoud bedraagt 4000 m³. De manipulatie van het huisvuil gebeurt door middel van twee rolbruggen met een draagkracht van vijf ton. Daaraan hangt een poliepgrijper met zes armen voorzien van pinnen.
1.2.3 Ovens Het vuil wordt verbrand in twee ovens met vaste, schuifbare en kantelbare roosters. Tot één meter hoogte bestaan de wanden van de ovens uit vuurvaste stenen. Daarboven is er vuurvast beton. De ontwerpcapaciteit per oven bedraagt 5,6 ton per uur bij een calorische waarde van 5000 à 9.200 kJ/kg. Doordat de calorische waarde van het aangevoerde huisvuil hoger is geworden in de loop van de jaren, beloopt de praktische capaciteit circa vijf ton/uur. Met een gemiddelde benuttiging van 90 %, kan 62.000 à 65.000 ton huisvuil per jaar verwerkt worden.
1.2.4 Asbehandeling De assen vallen in een 'natte' ontslakker. Deze duwt de as op een meter brede transportband; een tweede band is voorzien als ontdubbeling. Boven de transportbanden bevindt zich een elektromagneet; daarmee wordt ca. duizend ton schroot per jaar gerecupereerd. De as wordt gestockeerd in een asbunker met 200 m³ inhoud. Door middel van een grijperkraan aan een rolbrug wordt de as geladen in containers of op een vrachtwagen. De verbrandingsas wordt deels afgevoerd naar een klasse II stort, deels naar een installatie voor asrecuperatie. De assen worden er opgewerkt tot materiaal dat geschikt is voor de wegenbouw.
1.2.5 Verbrandingslucht De primaire verbrandingslucht wordt afgezogen ter hoogte van de vultrechters van de ovens. Door een blaasventilator wordt zij onder de roosters geblazen. Luchtvoorverwarming is mogelijk via een warmtewisselaar stoom-lucht. Deze stoom is afkomstig van de hogedrukaftap van de turbine. Ook frisse stoom, verzadigd door de injectie van water, kan worden gebruikt. De secundaire verbrandingslucht wordt afgezogen bovenaan in de ovenzaal. Ze wordt ingeblazen boven de vlammen om een goede naverbranding te geven. De ovens worden continu in onderdruk gehouden door één zuigtrekventilator per oven. De zuigtrekventilatoren zuigen de verbrandingsgassen door de stoomketels, elektrofilters en halfnatte wasser, en persen ze door een gemeenschappelijke DeNOx-installatie en de schouw.
13
1.2.6 Stoomketels De twee stoomketels produceren nominaal elk 14,5 ton stoom per uur met een temperatuur van 360° C en een druk van 35 bar. De rookgassen komen in de ketel met een temperatuur van 900 tot 1000°C. De stoomketel bestaat uit vier trekken. De drie eerste trekken vormen de verdamper. De wanden zijn uitgevoerd in vinpijpen; de eerste trek is leeg, in de tweede trek bevindt zich de oververhitter, in de 3de trek bevinden zich verticale pijpen tussen boven-en ondertrommel. De 4de trek is de economiser of watervoorverwarmer. Aan de uitgang bedraagt de temperatuur van de rookgassen 250° C.
1.2.7 Plan rooster
14
1.3 Energierecuperatie 1.3.1 Turbo-groep De stoom drijft een vacuumturbine aan met een toerental van 8000 min-1. Hieraan is een reductiekast en vervolgens een generator gekoppeld. De synchrone generator draait aan 1500 min-1 en heeft een vermogen van 5600 kW. De koeling van de generator gebeurt door middel van water. In normaal bedrijf werkt de turbine in drukregeling. Dit wil zeggen dat de druk in de ketels constant wordt gehouden en het stoomdebiet varieert evenredig met de warmteafgifte van de ovens. Dus ook de geproduceerde elektriciteit varieert evenredig. Ook een snelheidsregeling is mogelijk. Dit houdt in dat de rotatiefrequentie van de groep constant wordt gehouden bij een bepaalde afname van elektriciteit aan de klemmen van de alternator. Dit is het zogenaamde eilandbedrijf: er wordt geen energie geleverd aan het net, maar enkel voorzien in de eigen behoefte.
1.3.2 Water-stoom circuit De stoom die de turbine verlaat wordt gecondenseerd in een horizontale luchtcondensor. Deze bestaat uit vier elementen, ieder voorzien van een ventilator. Bij een storing van de turbine en bij de opstart kan het volledige stoomdebiet van twee ketels worden verwerkt door een bypass over de turbine en de condensor. Het condensaat wordt opgevangen in een condensaatvat. Van daar wordt het in de ontgasser gepompt. Deze heeft een nuttige inhoud van 15 m³ om veilig te kunnen werken in noodsituaties, bijvoorbeeld het wegvallen van de elektrische spanning of een lek aan de ketel. De beide ketels worden met water gevoed door één pomp, aangedreven door een elektromotor. Een tweede pomp is aanwezig als ontdubbeling. Een derde pomp, aangedreven door een kleine stoomturbine verzekert de voeding bij het uitvallen van de elektrische stroom. Het suppletiewater wordt bereid in een omgekeerde osmose en CEDI demineralisatieinstallatie. Deze kan 1,9 m³/h gedemineraliseerd water leveren. De voorraad gedemineraliseerd water bedraagt 45 m³. Deze stoomcyclus kan worden gezien als een circuit van een compressiekoelmachine of warmtepomp. Hierbij functioneert de oven als verdamper, de turbine als expansieventiel. De condensor condenseert de stoom terug tot water, dat op zijn beurt terug wordt rondgepompt door de condensatiepompen. Deze cyclus kan worden voorgesteld op een H2Omollierkaart. Voor meer informatie verwijs ik verder in dit dossier naar de algemene werking van de huidige condensor.
15
1.3.3 Elektriciteit Wanneer met één oven wordt gewerkt, wordt in regime 1,5 tot 2,5 MW geproduceerd; met twee ovens bedraagt de productie 3,5 tot 5,5 MW. De geproduceerde elektriciteit wordt deels verbruikt in de eigen installatie (circa 25%) en deels aan het net (circa 75%) van de elektriciteitsmaatschappij geleverd. Bij een storing op het elektriciteitsnet wordt de installatie afgeschakeld van het net en wordt er in eilandbedrijf gewerkt.
1.3.4 Rookgaszuivering Hierin onderscheidt men twee principes: •
Ontstoffing in een elektrofilter Er staat één elektrofilter per oven tussen de ketel en de sproeitoren van de halfnatte wassing. De rookgassen stromen tussen metalen platen, die op een hoge spanning gebracht worden. Het stof (vliegas) wordt aangetrokken op de platen en door schudden verwijderd. De afvoer gebeurt in gesloten containers naar een immobilisatie-eenheid en vervolgens naar een klasse-I stort.
•
Half-natte gaswassing Dit is een chemische zuivering van de rookgassen waar er veel over gezegd kan worden maar die hier nu niet volledig besproken wordt. Meer info is terug te vinden op de site.
16
2 Eerste voorstudie 2.1
Fazendiagram toegepast op de opdracht Meer stoom kunnen afkoelen
Te lage condensorcapaciteit als er een nieuwe oven bijkomt
Stoom afkoelen tot water
Doel
Probleemdefinitie
Milieu
Buitentemperaturen
Functie Elektriciteit ventilatoren
• • •
Vergroten condensor? Verhogen ventilatorsnelheid? K-waarden vergroten per condensor…? • • •
Boven elkaar Naast elkaar Dakvorm,…?
Nagaan hoe we alles materialiseren
Het feitelijke uittekenen van de inrichting
Werkwijzenbepaling
Energie
Thermische energie stoom
Grondstoffen
Te gebruiken materialen als: • Ventilatoren • Bouten • Lasmaterialen • Profielen • …
Structuur
Vormgeving
Ontwerp
17
2.2 Probleemdefinitie We veronderstellen dat er meer stoom wordt geproduceerd. Op zich niet direct een probleem, want bij lage omgevingstemperaturen kan de huidige condensor gerust 32 ton stoom koelen. Maar het wordt gevaarlijk bij zomertemperaturen. Dan is het temperatuursverschil tussen lucht en stoom te klein waardoor het condenseren niet snel genoeg gebeurt. Zo loopt de druk in de condensor op en heeft de turbine geen vacuüm genoeg meer aan de uitgang om nog normaal te functioneren. In dat geval moeten we de verbranding temperen wat niet de bedoeling is. Het bedrijf krijgt geld per hoeveelheid verbrand afval. Dit is ongeveer 75% van de totale inkomst. De andere 25% haalt IVOO van de hoeveelheid elektriciteit er wordt opgewekt. Het is dus duidelijk niet de bedoeling de verbranding te snoeren voor de elektriciteitsproductie en liefst helemaal niets moet snoeren.
2.3 Huidige installatie
Men kan de luchtgekoelde condensors herkennen aan de grote ventilatoren. Op elke condensor staan er twee stuks. Dus momenteel hebben we twee condensors. Wat naast de condensors staat is de koelgroep dat zorgt voor de afkoeling van de turbine. Het is zo dat er steeds wordt gestreefd naar maximale energieopbrengst, maar afvalverbranding is eerste prioriteit. De maximum koelcapaciteit is afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Vandaar dat er bij warm weer minder kan worden verbrand. De eerste vraag is of we daar kunnen geraken met enkel de ventilatorsnelheid te verhogen… Dit is wat eerst zal onderzocht worden.
18
2.4 Werkwijzenbepaling 2.4.1 Onderzoek We gaan na wat er gebeurd bij toename van omgevingstemperatuur met het benodigde luchtdebiet. We veronderstellen hier dat we een volledige eenheid bijplaatsen. Gewenst stoomdebiet: 32000 kg/h Aantal condensoreenheden: 3 (Huidige installatie = 2 eenheden) Stoomdebiet per condensoreenh: 10667 kg/h Enthalpie natte stoom: 2300 kJ/kg Enthalpie condens: 152 kJ/kg Max luchtdebiet per condensoreenh: 1182338 m³/h Ingangstemp stoom 97 °C Gewenste uitgangstemp stoom 46 °C Relatieve luchtvochtigheid 50 % Af te voeren warmte 6364 kW X h spec. vol Ingangstemp lucht (°C) Ps (Pa) (kgH2O/kgDL) (kJ/kgDL) lucht m³/kg
Max debiet lucht (kg/h)
Luchtdebiet nodig (kg/h) bij Twe= 46°C
-20
125
0,00038
-19,1
0,72
1649510
347152
-15
190
0,00059
-13,6
0,73
1617344
375607
-10
286
0,00088
-7,8
0,75
1586314
409143
-5
421
0,00130
-1,8
0,76
1556325
449255
0
611
0,00188
4,7
0,77
1527280
498087
5
872
0,00269
11,7
0,79
1499079
558829
10
1228
0,00379
19,5
0,80
1471615
636444
15
1705
0,00528
28,3
0,82
1444776
739097
20
2338
0,00726
38,4
0,83
1418439
881231
25
3167
0,00988
50,1
0,85
1392473
1091048
30
4242
0,01330
64,0
0,87
1366733
1432000
35
5621
0,01775
80,5
0,88
1341059
2082909
19
2.4.2 Grafiek
Bij streefwaarde 46°C
Luchtdebiet (kg/h)
2500000
2000000
1500000
Benodigd luchtdebiet Maximaal luchtdebiet 1000000
500000
0 -20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Omgevingstemperatuur (°C)
20
2.4.3 Conclusie grafiek Aan de hand van deze grafiek wordt al snel duidelijk dat alleen het verhogen van de ventilatorsnelheid (dus uiteraard ook het ventilatorvermogen) geen optie is. Het benodigde luchtdebiet is immers kwadratisch met de temperatuur. De drukval over een ventilator is kwadratisch met het luchtdebiet. Het vermogen is de vermenigvuldiging van de drukval en het debiet dus verloopt het vermogen met een macht van drie in functie van het debiet. Dus het luchtdebiet mag niet te hoog worden naar stroomverbruik toe! Het snijpunt van de rechte en de kromme is beduidend voor de maximum temperatuur dat we kunnen werken op volle capaciteit. Dit puur gerekend op het maximum van de ventilatoren. In dit geval kunnen we werken tot aan een 29°C.
2.5 Besluit van de werkwijze Dus we zijn verplicht de condensor zelf te vergroten. Straks bekijken we de mogelijke structuren en de voor- en nadelen. Om ergens een voorstelling te kunnen maken neem ik gewoon aan dat de nieuwe condensors dezelfde zijn als de oude. Ook is de ondersteunende constructie van de huidige condensors niet getekend, dus op de afbeeldingen zweven ze wat boven het dak.
Aangezien we kiezen om iets bij te plaatsen moet de koelgroep van de turbine sowieso verplaatst worden, want deze zal in de weg staan, onafhankelijk van de structuur van de nieuwe condensor. De meest gunstige plaats daarvoor is tussen het oude en nieuwere gebouw op de grond (zie bovenstaande figuur). Daar is het praktisch altijd schaduw en is er net plaats genoeg tussen de muur en twee ondersteuningsprofielen. Ook staat hij nog steeds dicht bij de turbine.
21
3 Structuurmogelijkheden
3.1 Een volledige condensor bij In dit geval kan gewerkt worden tot een buitentemperatuur van 29°C zonder verlagen van het gewenste stoomdebiet (32ton/h):
Structuur
Voordelen
• • • •
Goed aanzuigoppervlak. Relatief eenvoudige constructie. Men blijft op dezelfde hoogte, dus qua trillingen is dit gunstiger. Nog steeds bereikbaar voor onderhoud mits loopplatform onder de condensor.
Nadelen
•
• •
Er is geen plaats genoeg tussen de oude condensors en het actiefkoolfilter. Daarom zijn we verplicht ze naar voor te schuiven. De condensors zitten niet volledig boven het dak, dus ze steken nog 60cm uit. Verre van esthetisch.
22
• • •
Hoge compactheid
•
• •
• • •
Biedt een oplossing voor het plaatstekort aan de actief-koolsilo. Nog steeds bereikbaar voor onderhoud mits loopplatform onder de condensor. Zelfde hoogte dus gunstig voor trillingen.
•
•
De ene condensor krijgt de opgewarmde lucht van de ander te verwerken, dus slecht rendement. Hoge constructie dus geen gunstige invloed op trillingen. Moeilijk bereikbaar voor onderhoud/reiniging. Dit reinigen gebeurd toch een 3 á 4 keer per jaar. Tussenafstand moet groot genoeg zijn om goed aanzuigingoppervlak te verkrijgen. Niet esthetisch.
De uitstekende condensor krijgt wat warme lucht van de verplaatste koelgroep dus heeft een lager rendement. Ondersteuning vanaf de grond moet een lange weg afleggen.
23
• • • • •
Hoog aanzuigingoppervlak, op een kleiner grondoppervlak. Elke condensor krijgt verse lucht. Hoge compactheid. Biedt een oplossing voor het plaatstekort aan de actief-koolsilo. Nog steeds bereikbaar voor onderhoud mits loopplatform onder de condensor.
• • •
Esthetisch? Het gaat weer wat de hoogte in dus de steunpunten zullen moeten gevrijwaard blijven van trillingen. Ongewone constructie, dus misschien moeilijker te bouwen.
24
3.2 Een “halve” condensor bij Hier zullen qua structuur maar twee mogelijkheden worden overwogen, namelijk het ene stuk naast de vier oude stukken of uitbreiding van de twee buitenste condensorstukken. Ernaast:
In dit geval kan in principe slechts gewerkt worden tot een buitentemperatuur van 22°C zonder verlagen van het gewenste stoomdebiet (32ton/h). Als we onze eis wat hoger stellen en dit dus niet voldoende is kunnen we wel nog spelen met andere vrijheidsgraden! Bijvoorbeeld een ietwat grotere condensor voor dit ene deel met een aangepaste ventilatie.
Bestaande buitenste condensors uitbreiden met aangepaste ventilatie:
Voordelen: • Geen speciale constructie nodig vanuit een ander gebouw. • Stoomleidingen en collectoren zijn al aanwezig. • Kleinere ventilatoren kunnen sneller draaien en zo de plaatsbeperking compenseren.
Nadelen: • Hoge ombouwkost tegenover een kleine capaciteitsverhoging. • Voldoende capaciteit? • De twee oude ventilatoren gaan niet meer benut worden omdat oppervlaktevergroting niet veel zin heeft als het luchtdebiet erover hetzelfde blijft. Dus meerdere kleinere ventilatoren nodig. Op deze manier kan dus misschien ook worden voldaan aan onze eis van 32ton/h tot een bepaalde buitentemperatuur met slechts één stuk bij te plaatsen. Voor dergelijke parameters zal echter moeten geïnformeerd worden bij de fabrikant(en). Hier wordt later nog op terug gekomen. Eerst bekijk ik hoe we de koelgroep kunnen verplaatsen.
25
4 Verplaatsen van de koelgroep
4.1 Algemeen over de huidige opstelling Vooraleer we iets kunnen bijplaatsen van condensors zijn we verplicht de koelgroep te verplaatsen. Deze staat namelijk naast de huidige condensors. Dit is de plaats waar we onze nieuwe condensors moeten plaatsen. Het doel van deze koelgroep is om de alternator en de turbineolie te koelen. Het volgende punt is dus om te kijken op welke manier we dit kunnen doen.
26
4.2 Situering van de koelgroep in zijn technische cyclus
Expansievat Koelgroep 3 bar Compensatie lekverliezen
80 m³/h
M
M Circulatiepompen
Water – olie warmtewisselaar + rechtstreekse koeling alternator
27
4.3 Praktisch De koelgroep met huidig onderstel zal verhuisd worden in zijn geheel naar de aangeduide locatie. Als we dit zo op de grond bevestigen komt de ventilatoropening slechts een halve meter van de grond. Dit is wat laag om onderhoud op uit te voeren. Vandaar dat ik toch nog een klein verhoog moet voorzien dat in de grond zal worden verankerd. Dit verhoog noem ik in dit dossier “De Koeltafel”. De benodigde tekeningen vind je terug in de bijlage.
Huidige plaats
Toekomstige plaats
28
4.4 Huidige situatie 4.4.1 Leidingen buiten Het verplaatsen van de koelgroep brengt uiteraard een ander leidingtraject met zich mee. De groene leidingen zullen op een lagere plaats uit de muur mogen komen. Ze komen namelijk van een lager punt, dus het heeft geen zin ze zo hoog te laten gaan.
De aansluiting naar de koelgroep op zijn nieuwe plaats is niet zo eenvoudig. De koelgroep is 6900mm lang en we hebben maximum 7100mm van de muur tot aan de poort. Graag hebben we nog enige ruimte over aan de poort omdat daar vrachtwagens moeten kunnen manoeuvreren. Als we maar 200mm over hebben om onze leidingen aan te sluiten aan de kant van de muur, dan zullen we geen bochten buiten het gebouw kunnen realiseren. Daarom is het plan om de ventilator te verplaatsen naar boven toe. Zodoende hebben we plaats om met de leidingen rechtstreeks naar binnen te gaan. Dit zal gebeuren op een hoogte van 2800mm en met een onderlinge centerafstand van 1165mm.
7100mm
Indien we meer ruimte hadden gehad was het uiteraard niet nodig geweest om deze ventilator te verplaatsen. Mij lijkt dit de beste oplossing.
Poort
29
4.4.2 Verplaatsen van de ventilator Deze leidingen verdwijnen.
900mm
Het grootste en voorste deel van deze ventilatoropstelling is de geluidsisolatie. Als we deze weglaten kunnen we de ventilator rechtstreeks op de aangeduide plaats inbouwen. Indien blijkt dat deze isolatie noodzakelijk is zal de grote groene en kleine blauwe leiding moeten verplaatst worden.
30
4.4.3 Leidingen binnen De groene leidingen die nu naar boven vertrekken worden afgezaagd en naar beneden toe geleid tot op de juiste hoogte van 2800mm. Daar nemen ze een bocht en worden verbonden met de koelgroep. Al dan niet geflenst of rechtstreeks gelast.
In ieder geval worden de leidingen pas nadien gelegd. Vanwege het oneffen oppervlak van het asfalt ter plaatse wordt eerst de fundering voor de vier poten waterpas gegoten. Dan zal “De Koeltafel” worden opgebouwd. Pas daarna worden op exacte maat de leidingen aangebracht.
31
4.5 Besluit werkwijze Het verplaatsen van de koeltafel brengt de volgende opdrachten met zich mee: Gieten van funderingen voor de poten van de koeltafel. Dit op onderlinge buitenafstand van 2500mm en 6900mm. De funderingen volstaan met een grootte van 25x25cm. De hoogte van de fundering hangt af van de effenheid van het asfalt, maar de wens is dat ze niet hoger zijn dan de reeds aanwezige funderingen vlakbij, voor de esthetiek.
Maken van een opening in de wand voor de nieuwe plaats van de ventilator. In geval de geluidsisolatie nodig blijkt, het verplaatsen van desbetreffende leidingen: De overtollige leidingen van de koelgroep verwijderen. De ventilator verplaatsen. De koelgroep ontbinden en verplaatsen naar de koeltafel. De nieuwe leidingen verbinden met de koelgroep. Resterende openingen van leidingen en ventilator dichten.
32
5 De condensor
5.1 Algemeen over de huidige condensors
Voor de plaats van de condensor in het stoomcircuit verwijs ik terug naar de algemene werking van het bedrijf. Daar werd dit al verduidelijkt. Een condensor is eigenlijk niets meer dan een warmtewisselaar. In dit geval is er sprake van een warmte-uitwisseling tussen de stoom en de buitenlucht.
Het is een gedwongen koeling. D.w.z. dat de lucht verplaatst wordt door een ventilator, anders zou er sprake zijn van natuurlijke convectie. Eén ventilator kan een 570000m³ lucht verplaatsen per uur.
De eigenlijke warmte-uitwisseling gebeurt aan de ribbenpijpen. Deze zijn voorzien van fijne lamellen om het contactoppervlak te vergroten. Zoals je kan zien op deze foto zijn deze snel verontreinigd van stof. Logisch want de ventilator trekt er lucht door. Dit stof zorgt voor een lager rendement, daarom wordt geregeld een semi-automatisch sproeisysteem in werking gesteld. Deze nozzles lopen boven de condensors en spuiten fijne stralen doorheen de lamellen. Dit reinigen gebeurt een keer om de drie maanden. Niet frequenter omdat dit heel veel water verbruikt.
33
De stoom komt toe in de dikke buis waarop de ribbenpijpen aangesloten zijn. Deze ribbenpijpen worden gekoeld door de lucht en voeren dus voortdurend de warmte van de stoom af waardoor alle condens draineert naar de collector aan de buitenkanten van de condensor. Vandaar dat de ribbenpijpen licht hellend opgesteld zijn.
Stoom
Condens
Condens
Deze condensors zijn uitgerust met een viervoudige laag van die ribbenpijpen. Op deze manier wordt een constant luchtdebiet een grotere warmteuitwisseling verkregen per oppervlakte-eenheid. Op de bovenste foto is de bovenste laag te zien, op de onderste foto de onderste laag. Er kan geen duidelijke foto worden getrokken waarbij je de vier lagen samen ziet.
34
5.2 Technische gegevens huidige condensor Luchtcondensor horizontale bouwvorm HamonSobelco Capaciteit Nominaal debiet: Koelvermogen:
18,5 40000
Latente warmte inlaat
2300
Inlaatdruk
0,059
Drukverlies door condensor Luchttemperatuur voor dimensionering Regelbereik inlaatdruk
MJ/h kJ/kg Bar abs
1530
Pa
11
°C
0,3
Aantal ventilatoren
Ton/h
Bar abs
4
Debietbereik per ventilator min max
0 569000
Temperatuurtoename lucht
m³/h m³/h
15
°C
Drukverlies bij nominaal debiet
130
Pa
Diameter ventilator
5,5
m
Aantal schoepen
9
Toerental ventilator
160
t/min
Vermogen per motor aan de as uit het net
39 43
kW kW
aan de as
45
kW
Geïnstalleerd vermogen Geluidsniveau op 50m op de grond Materiaal ribbenpijpen
<62
dBa
Staal/geëxtrudeerd Aluminium
35
5.3 Toelichting stoomcyclus 5.3.1 Vereenvoudigd schema
Condensor 35 bar
Ketels als warmtewisselaar tussen rookgassen en water. De inhoud van de ketel wordt steeds nauwkeurig op het juiste niveau gehouden.
Turbine Hotwell-tank
Stoom indien geen elektriciteit meer.
Condensaatpompen / Hotwell-pompen.
Voorverwarmer ~
~
Ontgasser haalt O2 uit het water 32 ton/h
Twee elektrisch bediende voedingspompen
Eén stoombediende noodvoedingspomp
36
5.3.2 Schema van het vacuüm gedeelte (alles tussen de turbine en de condensaatpompen)
37
5.3.3 Schema stoom en condensaat
38
5.3.4 Volledig schema van het stoomcircuit met technische parameters
39
5.3.5 Mollier H20
Ketel + oververhitter Ontgasser
Voorverwarmer Turbine Pomp
Condensor
40
ACC-Team Air cooled systems www.acc-team.com
5.4 Eerste contact met condensorleverancier Volgens de Nederlandse firma “ACC-team” worden nieuwe condensors met zo’n hoge capaciteit al lang niet meer gebouwd als vroeger. Nu wordt praktisch enkel nog gewerkt in dakvorm, met een tophoek van 60°. Hun tekening:
Na het krijgen van deze informatie, gingen we op zoek naar een mogelijkheid om deze condensor ergens te plaatsen. Ons leek het doenbaar om deze constructie op het nieuwe gebouw te plaatsen, naast de huidige condensors. De manager van ACC-team kwam op bezoek en constateerde dat, de plaats waar we graag de nieuwe condensor zouden plaatsen, goed gekozen was. Het biedt als grote voordeel dat de nieuwe stoompijp in het verlengde kan liggen van de huidige stoompijp. De stoom gaat hier namelijk aan ±75m/s, en aan een dergelijke hoge snelheid resulteren bochten in een hoge drukval. De enige vraag dat hem nog restte was of het gebouw dit kon ondersteunen. Dit was intussen al bekeken en wordt nog verder toegelicht. De manier waarop we de ondersteuning mogen bouwen in ons gebouw is ook niet vrij. We moeten ergens proberen twee horizontale liggers te bevestigen. Vanaf deze liggers moeten we dan verder bouwen tot op de gewenste hoogte. Normaalgezien voorziet ACC standaard een ondersteuning voor de condensor zelf, dus moeten wij gewoon een platform voorzien van waaruit zij kunnen vertrekken.
41
ACC-Team Air cooled systems www.acc-team.com
5.5 Eerste onderzoek door “ACC-team” Onderzoek uitbreiding Luchtgekoelde condensor bij IVOO te Oostende België
5.5.1 Inleiding In verband met een capaciteitsuitbreiding van de stoom productie van 27 t/uur naar 34 t/uur is het noodzakelijk de bestaande condensorcapaciteit uit te breiden. Deze uitbreiding zal bestaan uit een additionele cel met een maximaal grondoppervlak van 8 x 9 m. De voorgestelde locatie is op het dak van de bestaande hal naast de huidige condensor.
5.5.2 Capaciteitsbepaling Volgens de datasheets is er, bij een debiet van 18,5 t/uur een druk bij de intrede van de condensor en een omgevingstemperatuur van 11 graden, 59 mbarA Deze druk moet beschouwd worden als bijzonder laag, vergeleken bij andere lucht condensors. In verband met deze lage druk zal bij een uitbreiding van het stoom debiet met 7 ton de totale beschikbare ruimte nodig zijn. De berekeningen duiden aan dat de nieuwe condensor zal moeten bestaan uit een dak condensor met 6 warmtewisselaars van ieder 7500 mm lang en 2600 mm breed.
5.5.3 Specificaties nieuwe condensor Aantal cellen Aantal bundels Dimensies bundels Stoom debiet Druk bij de inlaat condensor Temperatuur omgevingslucht Enthalpie stoom Stoom duct diameter Lucht inlaat hoogte Statische druk ventilatoren Face velocity Lucht debiet Gevind oppervlak Motor met frequentie omvormer
1 6 7500 x 2600 mm 7000 kg/uur 59 mbarA 11 graden C 2300 kJ/kg 900 mm 5000 mm 123 Pa 2,6 m/s 305 m3/s 11500 m2 75 kW net
42
ACC-Team Air cooled systems www.acc-team.com
5.5.4 Invloed op de huidige capaciteit Indien de nieuwe condensor geïnstalleerd wordt voordat de nieuwe ketel wordt geïnstalleerd, dan zal de druk 14 mbar afnemen. Deze druk vermindering is ook van toepassing bij de uitlaat van de turbine. Met deze drukafname kan de extra stroom capaciteit van de generator worden berekend. Gespecificeerde capaciteit versus effectieve capaciteit De gespecificeerde capaciteit en de effectieve capaciteit kunnen verschillend zijn. Hierom moet de berekening gezien worden als een indicatie, welke dient om te beslissen of de uitbreiding wordt uitgevoerd en zo ja wanneer. Indien de uitbreiding gewenst is, stellen we voor dat de huidige stoom condensor doorgemeten wordt zodat de juiste momentane capaciteit bekend wordt. Hierna kan dan de juiste capaciteit van de uitbreiding precies worden gemeten.
5.5.5 Prijsstelling (budget) Gebaseerd op de huidige gegevens zal de prijs voor de uitbreiding als volgt kunnen worden samengesteld: Ontwerp en statische berekeningen Staal structuur Stoom leidingen Ventilator incl. aandrijving Warmte wisselaars Totaal prijs Montage
55000 Euro
320000 Euro 80000 Euro
43
5.6 Toelichting van het gebouw 5.6.1 Situering nieuw deel constructie
Ter hoogte van deze foto is de gelijkvloers open en staan er enkele pompen en een reservoir. Op het eerste verdiep achter de witte muur bevinden zich de elektriciteitskasten. En daarboven, waar het dak schuin begint te gaan, is enkel nog een lege ruimte.
Op deze 3D tekening zie je het stuk gebouw in zijn blootje. Er is enkel getekend wat betrekking heeft tot de ondersteuning van de condensor. Het is dus geïsoleerd van de rest van het gebouw. Hierbij is alles in het grijs wat er al is. Wat in beige is zal er bijkomen om de condensors op te plaatsen.
44
5.6.2 Gelijkvloers Op de gelijkvloers staat er een reservoir voor het koelwater van de rookgassen. De rookgassen mogen een grenswaarde van 250°C niet overschrijden voor ze de mouwfilter in gaan. Om dit te verzekeren wordt er water geïnjecteerd in de rookgassen. Dit gebeurt op een schroef dat draait aan 11000 tpm. Op deze manier krijg je een zeer fijne verneveling in de rook, wat het koelend effect optimaliseert. De temperatuur van de rookgassen loopt op naarmate de lamellen van de ketel vervuild raken, waardoor de stoom minder energie uit rook kan halen.
Reservoir koelwater rookgassen
Pompen koelwater rookgassen
45
5.6.3 Eerste verdiep
In deze ruimte staan de elektriciteitskasten die instaan voor de sturing en voeding van de halfnatte wasser. Deze zorgt voor de ontstoffing van de rookgassen.
3800mm
Boven dit lokaal is niets meer dat van belang is. Het plafond van het spanningslokaal is gewoon afgewerkt met brandwerende plaat, en het dak hierboven kan indien nodig vlakgemaakt worden om wat meer plaats te creëren voor de nieuwe condensor.
De vloer van dit lokaal komt op een hoogte van 4400mm t.o.v. de grond. Het plafond dus op een hoogte van 8200mm. Als we dan nog enige ruimte geven om een dak te voorzien dan kunnen we onze onderste horizontale liggers op een hoogte van ±8600mm plaatsen. De bovenste horizontale liggers komen op een centerafstand van 6500mm. Hun lengte hangt af van hoe we de condensors zouden plaatsen.
±8600mm
46
5.7 Statische berekeningen op constructie 5.7.1 Inleiding Deze staalconstructie is een mooi voorbeeld om een sterkteberekening op uit te voeren. Het is wel een complex geval omdat alles hyperstatisch is. Het zijn allemaal gelaste- en meervoudige boutverbindingen, dus in feite zouden alle verbindingspunten moeten gezien worden als een inklemming. Er is dan sprake van alle mogelijke belastingsgevallen, nl. druk, afschuiving, buiging en torsie. We gaan echter enkel uit van het meest beduidende belastingsgeval, nl. buiging.
Het grijze gedeelte is wat bestaand is Het groene is de constructie dat IVOO moet voorzien Hetgeen in het zwart is de condensor zelf met zijn onderstel
5.7.2 Werkwijze Een eerste berekening op reacties werd gedaan in Cadre Lite. De analyse zelf werd met software van ANSYS uitgevoerd vanuit Autodesk Inventor.
5.7.3 Opmerking De dynamische sterkteberekeningen komen hier niet aan bod, hiervoor is geen software voor handen. Kruisverbindingen werden nog niet getekend omdat de stalen profielen in de muur verwerkt zitten en dus moeilijk bereikbaar zijn. Geen complexere constructie dus, als blijkt dat het overbodig is. Dit laat ik dus over aan het studiebureau dat de plaatsing van deze condensor zal concretiseren. Alles van trillingen veroorzaakt door de ventilator wordt dus buiten beschouwing gelaten.
47
5.7.4 Belasting De last is een condensor in dakvorm, met zijn onderstel. Dit geheel wordt min of meer standaard geleverd. Volgens de fabrikant is de totale last ruim gerekend 100 ton.
5.7.5 Reacties De reacties werden berekend met Cadre. Hierbij is de hoogst optredende reactiekracht volgens de y-as 279 kN. De plaats waar deze optreedt is aangeduid op de tekening.
48
5.7.6 Dimensioneren constructie Eerst werd gezocht naar een goedgekozen profielgrootte. Daarbij is ons criterium om een maximum doorbuiging van de totale lengte gedeeld door 1000mm toe te laten. Onze meest kritische balk heeft een lengte van 6,3 m tussen zijn twee opleggingen. Deze mag dus maximum 6,3 mm doorbuigen. Hier werd methodisch te werk gegaan. Om te starten werd een profiel genomen van 360mm hoog. Een spanningsanalyse duidde aan dat de doorbuiging ontoelaatbaar hoog was. Zo kwamen we uiteindelijk bij een profielhoogte van 600mm. Deze gaf nog een maximum doorbuiging van 6,05mm. Wat voldeed aan ons gestelde criterium op vlak van buiging. Met dit profiel komen we echter in de gevarenzone van knik. Dit is eigenlijk niets meer dan een rechtopstaande plaat met een dikte van 22mm. Vandaar werden er stalen buizen aangebracht ter hoogte van de belastingspunten tussen de twee I-profielen om het knikken te voorkomen.
5.7.7 Boutverbindingen Uiteraard moet de nieuwe constructie aan de oude bevestigd worden. Daarvoor worden hoekplaten gebruikt. Aan weerszijden van de horizontale ligger komt zo’n plaat. Deze wordt bevestigd door zowel in het verticale als in het horizontale profiel 8 bouten van M24 te voorzien. Dit lijkt misschien wat bovengedimensioneerd, maar de hele bestaande constructie is ook op die manier uitgevoerd. Daarom wordt dezelfde weg gevolgd. Wel werd geverifieerd wat eigenlijk reeds voldoende was: Schuifspanningoppervlak: Uitgaande van sterkteklasse 4.6:
Î Re = 4 ⋅ 6 ⋅ 10 = 240
As =
F
σ reken
=
N mm²
280000 N = 1944mm² N 240 ⋅ 0 .6 mm²
Dit is het totale oppervlak, voor een enkele bout is het dus: A =
Dit levert een minimum diameter van: A =
4 ⋅ 243mm²
π
1944mm² = 243mm² 8
= 17,6mm
Uiteindelijk zien we dat de constructie niet erg overdreven is. Rekening houdende met de kerndiameter, zouden we minimum M22 moeten nemen. M24 is dus een goede keuze. Uiteraard zal een hogere sterkteklasse dan 4.6 worden aangewend. Dit is op zich al een hoge veiligheidsfactor. Want stel dat er een klasse 8.8 gebruikt wordt, is de toelaatbare vloeigrens 640N/mm² in plaats van 240N/mm², wat al heel ander resultaat geeft!
49
5.7.8 Verbindingshulpstukken
5.7.8.1 Hoekplaat Hier wordt de kracht aangeduid met de zwarte pijl. Deze bedraagt 280kN.
5.7.8.2 Samengesteld hoekstuk Ook hier wordt de maximum reactiekracht van 280kN volgens y-richting gebruikt om het onderdeel te testen.
50
5.7.9 Analysis of Construction New Part Yannick Vanhooren Author: maandag 28 april 2008 16:35:18 Analysis Created: Analysis Last Modified: maandag 28 april 2008 16:35:18 maandag 28 april 2008 16:57:30 Report Created: E:\Mijn Documenten\School\Eindwerk\Condensor\Part Geheel.ipa Database: Autodesk Inventor Professional 11.0 Software: ANSYS Technology Geometry and Mesh
The Relevance setting listed below controlled the fineness of the mesh used in this analysis. For reference, a setting of -100 produces a coarse mesh, fast solutions and results that may include significant uncertainty. A setting of +100 generates a fine mesh, longer solution times and the least uncertainty in results. Zero is the default Relevance setting. TABLE 1 Part Geheel.ipt Statistics 7800 mm Bounding Box Dimensions 960, mm 9735 mm Part Mass
5891 kg
Part Volume
7,504e+008 mm³
Mesh Relevance Setting
0
Nodes
37715
Elements
18641
Bounding box dimensions represent lengths in the global X, Y and Z directions. Material Data
The following material behavior assumptions apply to this analysis: • • • •
Linear - stress is directly proportional to strain. Constant - all properties temperature-independent. Homogeneous - properties do not change throughout the volume of the part. Isotropic - material properties are identical in all directions.
51
TABLE 2 Steel Young's Modulus 2,1e+005 MPa Poisson's Ratio
0,3
Mass Density
7,85e-006 kg/mm³
Tensile Yield Strength
207, MPa
Tensile Ultimate Strength 345, MPa Loads and Constraints
The following loads and constraints act on specific regions of the part. Regions were defined by selecting surfaces, cylinders, edges or vertices.
Name
TABLE 3 Load and Constraint Definitions Type Magnitude
Vector
Force 1
Surface Force
2,5e+005 N
7,043e-008 N 2,5e+005 N -4,163e-010 N
Force 2
Surface Force
2,5e+005 N
7,042e-008 N 2,5e+005 N -4,163e-010 N
Force 3
Surface Force
2,5e+005 N
7,043e-008 N 2,5e+005 N -4,163e-010 N
Force 4
Surface Force
2,5e+005 N
7,042e-008 N 2,5e+005 N -4,163e-010 N
0, mm
0, mm 0, mm 0, mm
Fixed Constraint Edge Fixed 1 Constraint
Name
Force
Fixed Constraint 1,e+006 N 1
TABLE 4 Constraint Reactions Vector 7,078e-004 N -1,e+006 N 1,782e-002 N
Moment
7,785e+008 N·mm
Moment Vector
-6,312e+008 N·mm -74,35 N·mm -4,557e+008 N·mm
Note: vector data corresponds to global X, Y and Z components.
52
Results
The table below lists all structural results generated by the analysis. The following section provides figures showing each result contoured over the surface of the part. Safety factor was calculated by using the maximum equivalent stress failure theory for ductile materials. The stress limit was specified by the tensile yield strength of the material.
Name
Equivalent Stress
TABLE 5 Structural Results Minimum
Maximum
7,669e-002 MPa 503,7 MPa
Maximum Principal Stress -27,27 MPa
154,7 MPa
Minimum Principal Stress -517, MPa
15,86 MPa
Deformation
0, mm
6,05 mm
Safety Factor
0,411
N/A
Figures Equivalent Stress
53
Maximum Principal Stress
Minimum Principal Stress
54
Deformation
Safety Factor
55
6 De voedingspompen
6.1 Inleiding Als we meer stoomopbrengst hebben is er dus een snellere afname van het ketelwater. Dit resulteert in een grotere vraag aan de pomp. Nu hebben we een maximum debiet van 35 ton/h. In de toekomst zal gewerkt worden met een ketel van veertien ton/h en met een ketel van 20 ton/h. Maar de verbranding in de oven is een log systeem en brengt een grote dode tijd met zich mee. Daarom mag je rekenen dat de stoomproductie met 10% kan stijgen. Daarom verlangen we van de pomp dat hij 40 ton/h aankan. Algemene functie van de huidige voedingspompen Voor hun plaats in de stoomcyclus verwijs ik terug naar “de vereenvoudigde stoomcyclus”. Dit zijn de pompen die instaan voor de voeding van de ketels. Er zijn drie voedingspompen aanwezig. Twee daarvan zijn elektrisch gevoed waarvan één in continue bedrijf is en de ander stand-by. De derde noemen we de “Terry-pomp” en is niet elektrisch aangedreven, maar slaat aan bij uitval van elektriciteit en wordt aangedreven door de stoom zelf d.m.v. een turbine. Dit om te vermijden dat de ketel droogt komt te staan en oververhit. Deze veiligheidsmaatregelen zijn niet overdreven. Als zich een elektriciteitspanne voor doet, dan valt de verbranding nog niet direct stil. Stel dat de Terry-turbine er dan niet is, is er geen watertoevoer meer naar de ketel, en dus geen afkoeling meer van de ribbenpijpen. Het verbrandingsproces gaat wel zeer snel uitdoven omdat de zuurstoftoevoer onder de vorm van ventilatie naar de oven ook stilvalt, maar toch is er de eerste minuten nog genoeg hitte in de oven om de ketel droog te koken. Wanneer dit gebeurt, loopt de temperatuur in de ketel ontoelaatbaar hoog op omdat de warmte niet meer wordt afgevoerd door de stoom. Bij gevolg smelten de koelvinnen in elkaar, wat resulteert in een stilstand van enkele maanden. Ook een te hoog waterpeil in de ketel kan fataal zijn voor de turbine. Dan wordt er water meegezogen naar de oververhitter. Daar krijgt het nog een kans om te verdampen, maar als het gaat om te veel water wordt niet alles gasvormig. Het kleinste druppeltje dat de turbine binnentreedt, is als een kogelslag en kan veel schade aanrichten of zelfs een schoep doen afbreken. Beide gevallen zijn beveiligd met een alarm in de controlekamer. Het alarm bestaat uit twee gradaties. De eerste gradatie is enkel signalisatie dat het peil te hoog of te laag is. Bij de tweede gradatie echter grijpt het systeem zelf in. Toch kan een dergelijk veiligheidssysteem ook falen. Voldoende aandacht in de controlekamer is dus vereist.
56
6.2 Algemeen Momenteel draait de Multitec-pomp op een toerental van 2970 tpm en heeft een opbrengst van 35 ton/h. Als we dus naar 40ton/h moeten kunnen gaan moeten we de pomp oversynchroon laten draaien wat niet mag. Deze pompen hun maximum toerental ligt op 3000 tpm. Er bestaan pompen waarbij ze tot 3600 tpm mogen gaan, maar dit type pomp mag dat niet. Daarom wordt er geopteerd om een grotere pomp aan te kopen.
6.2.1 Gedetailleerde eigenschappen van de voedingspompen
6.2.1.1 De ‘Terry-pomp” Deze pomp ontleent z’n naam van het merk van de turbine waaraan hij gekoppeld is. In werkelijkheid is het een pomp van de firma “KSB”. Dit is een pomp dat vroeger continue draaide, maar door het veelvoudig noodzakelijke onderhoud kwam dit kostelijk uit. Daarom koos men om een andere type te installeren voor continue bedrijf, nl. de Multitec pompen van KSB. Interessant om te weten is dat een stoomdruk van 10 bar reeds volstaat om voldoende water naar de ketel te pompen. De nominale stoomdruk voor de hoofdturbine bedraagt 33 bar. Kenplaatgegevens: 1. Toepassing: Voedingspomp naar recuperatieketels bij elektriciteitspanne 2. Ontwerpvoorwaarden: Medium Condensaat Debiet 38 m³/h Aanzuigdruk 2,1 bar absoluut Opvoerhoogte 490 mWK Bedrijfstemperatuur 140 °C 3. Pompgegevens: Opgenomen vermogen 74,1 kW Vereiste NPSH 2,5 mWK Rendement 69,8 % Toerental 3000 tpm 4. Uitvoering Pomp: Type: KSB-WL65/11HW Positie Horizontaal Zuigflens positie Vertikaal Drukflens positie Vertikaal
57
Doorsnede van de pomp:
Op deze tekening zie je slechts drie trappen. Dit is een standaard tekening maar de onze heeft wel degelijk elf trappen. Een nadelige eigenschap van deze pomp is dat hij bij de opstart zo snel mogelijk op druk moet gebracht worden. Wanneer de pomp in werking treedt wil de as altijd naar rechts gedrukt worden door de krachten op de schoepen. Als dit teveel zou zijn dan draaien de rotorbladen in de stator. Om dit te beveiligen zitten er twee schijven, waarvan de ene aan de stator is bevestigd en de ander op de as is vastgemaakt. Tussen die twee schijven wordt er druk voorzien vanuit de laatste trap, waar er een minimum debiet doorvloeit zodat de schijven net niet tegen elkaar draaien. Op die manier worden de axiaalkrachten helemaal overgenomen door deze schijven. Tijdens de opstart is daar op dat moment nog geen druk genoeg om die schijven uit elkaar te houden, dus draaien de schijven droog tegen elkaar. Dit proces is onvermijdelijk, alleen moeten we ervoor zorgen dat de opstart zo snel mogelijk gebeurt. Als de opstart slecht gebeurt, (dus te traag) mag je al na twee keer je schijven vervangen. De kostprijs van zo’n setje bedraagt ruim €1000. Als het gedaan wordt zoals het moet (direct volle kracht) kan je er zeker twee jaar mee weg. Opmerking: Een voordeel van deze pomp is dat er nog kan aan gewerkt worden. Je kan hem dus zelf openen en onderdelen vervangen waar nodig. Revisie van deze pomp en het terug op punt stellen door de fabrikant kost je makkelijk €20000. Destijds werd vaak onderhoud gedaan door het personeel van IVOO zelf vanwege deze hoge kost.
58
6.2.1.2 De huidige Multitec pompen De Multitec-pompen die hier gebruikt worden zijn meertraps- centrifugaalpompen. Dit heet meertraps omdat er op de as van de pomp meerdere schoepen zitten, nl. veertien. Elke schoep zorgt voor een drukverhoging. We hebben twee zo’n pompen om bij onderhoud of vervanging geen uitval te hebben. Deze pompen worden zonder reductiekast aangedreven met een asynchrone 90kWmotor. Kenplaatgegevens: 1. Toepassing: Voedingspomp naar recuperatieketels 2. Medium Ketelvoedingwater AFT pH>9 (doel ≥ 9,3) O2-gehalte ≤ 0,02 mg/kg Hoeveelheid vaste deeltjes max. 20 ppm Temperatuur 140°C Dichtheid 0,925 Viscositeit 0,200 mm²/s Dampspanning 3,61 bar absoluut 3. Ontwerpvoorwaarden Maximum volumedebiet 38 m³/h Massadebiet 35,1 ton/h Minimum volumedebiet 8,57 m³/h Opvoerhoogte 506,2 mWK Opvoerdruk 45,9 bar NPSH installatie 21 mWK Aanzuigdruk 3,52 bar absoluut Toelaatbare bedrijfsdruk 61 bar Persdruk bij Q=0 56,8 bar Persdruk bij dichtheid = 1 61,1 bar 4. Pompgegevens: Opgenomen vermogen 68,8 kW NPSH pomp 2,23 mWK Rendement 70,4 % Toerental 2970 tpm 5. Uitvoering Pomp: Type: MTC D 50/14C-04.1 21.64 Positie Horizontaal Zuigflens positie Vertikaal Drukflens positie Vertikaal
59
Doorsnede van de pomp:
Hier is de as geborgd met aan de rechterzijde twee eenrijige hoekcontactkogellagers in X-opstelling en aan de linkerzijde een enkele hoekcontactkogellager. De rechtse lageropstelling kan axiale krachten opvangen. Links is er enkele millimeters speling voorzien. Dit om spanningen door de uitzetting van de as tegen te gaan. Het grote verschil met de “Terry-pomp” is dat de axiaalkrachten hier op een andere manier gecompenseerd worden. In plaats van met schijven is het hier een zuiger (zie omcirkeling). Dit kleine detail maakt een wereld van verschil in gebruik van de pomp. Hierbij is de axiaalkracht werkend op de schoepen in evenwicht met de compenserende kracht op de zuiger onafhankelijk van de heersende persdruk! Conclusie: met deze pomp is frequentieregeling mogelijk.
60
6.2.1.3 Mogelijke toekomstige Multitec pompen Beeld van de opstelling:
De reden waarom we opnieuw kiezen voor een Multitec model, is vanwege zijn hoge betrouwbaarheid. Een nadeel is wel dat je bij deze pomp geen onderdelen kunt vervangen en dat kon je bij de oude WL-pompen wel. Als er een ernstige panne is aan de Multitec pompen moet je ze sowieso helemaal vervangen. Dit lijkt absurd, maar de herstelling van zo’n oude pomp door de fabrikant kost soms meer dan de aankoop van een nieuwe Multitec, daarom is de keuze snel gemaakt. Van deze nieuwe pomp is een digitale versie van de datasheet beschikbaar. Ze is heel gelijkaardig aan die van de huidige datasheets die we nog hebben op papier, alleen het vermogen ligt een stuk hoger. Nu zullen we een motor van 110kW nodig hebben in plaats van 90 kW. De datasheets van deze pomp, vind je terug in de bijlage.
61
Kenplaatgegevens: 1. Toepassing: Voedingspomp naar recuperatieketels 2. Medium Ketelvoedingwater AFT pH>9 (doel ≥ 9,3) O2-gehalte ≤ 0,02 mg/kg Hoeveelheid vaste deeltjes max. 20 ppm Temperatuur 140°C Dichtheid 0,925 Viscositeit 0,200 mm²/s Dampspanning 3,61 bar absoluut 3. Ontwerpvoorwaarden Maximum volumedebiet 43,13 m³/h Massadebiet 41 ton/h Minimum volumedebiet 13,36 m³/h Opvoerhoogte 516,81 mWK Opvoerdruk 48,21 bar NPSH installatie 21 mWK Aanzuigdruk 3,52 bar absoluut Toelaatbare bedrijfsdruk 63 bar Persdruk bij Q=0 56,59 bar Persdruk bij dichtheid = 1 59,32 bar 4. Pompgegevens: Opgenomen vermogen 68,8 kW NPSH pomp 2,27 mWK Rendement 70,4 % Toerental 2970 tpm 5. Uitvoering Pomp: Type: MTC D 65/11D-05.1 20.62 Positie Horizontaal Zuigflens positie Vertikaal Drukflens positie Vertikaal De doorsnede is dezelfde als die van de huidige Multitec.
62
6.2.1.4 Het Schroeder-ventiel Inleiding Een Schroeder-ventiel wordt ook wel het “minimum-debiets ventiel” genoemd. Het is noodzakelijk bij Throttling- (gesmoorde-) pompregelingen, daar het automatisch een bepaald debiet omleidt, afhankelijk van de stand van de afsluiter aan de uitgang. Werking Dit ventiel wordt met DN1 aan de pomp gehangen. DN2 is verbonden met een afsluiter en gaat van daar naar de ketel. DN3 is de by-bass doorgang. Bij dit soort gesmoorde regelingen draait de pomp telkens op volle kracht. Wanneer er veel debiet gevraagd wordt van de ketel, wordt de conus naar boven gestuwd, in deze stand van de hefboom kan er slechts heel weinig debiet door DN3, of zelfs helemaal geen. Indien er helemaal geen debiet wordt gevraagd van de ketel, (dus de afsluiter aan de DN2-zijde staat volledig dicht) wordt de druk boven de conus hoger dan eronder en sluit het DN2 af om het evenwicht te bewaren. Zo wordt het water verplicht door DN3 gedwongen doorheen een kleine opening van het hefboom dat zich mee verplaatst met de conus. De grootte van deze opening is zodanig gemaakt, dat bij een maximum vloestof-temperatuur toch nog voldoende debiet doorheen de pomp stroomt, om deze af te koelen.
De huidige voedingspompen zijn elk voorzien van een Schroeder-ventiel. De toekomstige pompen worden voorzien van een frequentie-regeling. Dit betekent dat de pomp stilligt, als er geen debiet gevraagd wordt, en dus ook geen koeling nodig heeft op dat moment. Er is dus geen nood meer aan een Schroeder-ventiel. Dit is uiterst interessant, want dergelijke ventielen zijn zeer duur in aankoop. Per stuk kost dit snel €4000.
63
6.2.2 Aandrijving nieuwe pompen Inleiding: Het is zo dat de pompen nu altijd continue op hun maximum vermogen draaien, afhankelijk van het gevraagde debiet aan de ketels wordt het condensaat via een bypass regeling omgeleid. Dit systeem stamt af van vroeger, wanneer er nog geen vermogenelektronica bestond en wanneer energiebezuiniging niet zo centraal stond als nu. Ook was het niet toelaatbaar om de toenmalige pomp op een lager toerental te laten draaien, hij moest altijd op zijn maximum druk werken. Dit werd eerder al verduidelijkt. Daar willen we dus graag vanaf stappen door te werken met een frequentieregeling. De nieuwe motoren zullen er zijn van 110kW. Voor onze frequentieomvormer moeten we dus ook in die buurt gaan zoeken. Alle frequentieomvormers hier in IVOO zijn van het merk Vacon. Vanwege de tevredenheid blijven we graag bij deze fabrikant. Na geïnformeerd te hebben kost een enkele frequentieomvormer van 110kW ± €10000 BTW incl. Op hun site staat een programmaatje waarmee je kunt berekenen in welk termijn je de aankoop van de frequentieomvormer terugwint naar energiebesparing toe. Als we uitgaan van een aankoopprijs per stuk van ongeveer €10000 dan is de investering toegepast op ons project al na ruim acht maand terug verdient. Omdat we zitten met een tweede standby-pomp die zijn eigen frequentieomvormer zal hebben, moeten we dit termijn wel verdubbelen. Dit is dus sowieso nog de moeite waard!
64
De frequentieregelaar: Volgens Vacon hebben we twee keuzes. Het zwaardere type is een NXS0261 5A2H0 deze kan een last met constant koppel van 110kW of een last met kwadratisch koppel (pompen en ventilatoren) van 132kW aandrijven. Bij ons is er echter sprake van een kwadratisch koppel, met een vermogen tot 110kW. Dus kunnen we ook de ietwat lichtere NXS0205 5A2H0 gebruiken. Deze kost 8756 Euro BTW excl. Specifieke informatie van de NXS0205 5A2H0:
65
7 Besluiten
7.1 De condensor 7.1.1 Vergroten van de condensorcapaciteit Met de huidige condensors kunnen we in de toekomst niet aan onze wens van 32ton stoom per uur voldoen. Ook de ventilatoren aanpassen om een hogere ventilatie te verkrijgen is niet genoeg. Uitbreiden is dus een noodzaak. Dit zal gebeuren met een nieuwe condensor in dakvorm bij te plaatsen op het dak naast de huidige condensors.
7.1.2 Verplaatsen van de koelgroep Als we iets willen bijbouwen op de eerder beschreven plaats staat momenteel nog de koelgroep van de alternator in de weg Dit kleine project is dus een onderdeel van het grote condensorproject. Deze koelgroep krijgt een nieuwe plaats tussen twee de twee gebouwen op een verhoog. Dit verhoog is noodzakelijk om onderhoud op de ventilatoren mogelijk te maken.
7.2 De voedingspompen Momenteel draait de Multitec-pomp op een toerental van 2970 tpm en heeft een opbrengst van 35 ton/h. Als we dus naar 40ton/h moeten kunnen gaan moeten we de pomp oversynchroon laten draaien wat niet mag. Deze pompen hun maximum toerental ligt op 3000 tpm. Daarom wordt er geopteerd om een grotere pomp aan te kopen. Deze pomp zal frequentie-gestuurd worden met als doel energiezuiniger te werken. Er wordt namelijk geen constant debiet gevraagd van de ketel, dus hoeft hij niet voortdurend op vol vermogen te werken. Een programma van Vacom (producent frequentieregelaars) maakte het mogelijk om uit te rekenen na welk termijn je de kost van je frequentieregelaar teruggewonnen hebt. Als we uitgaan van een aankoopprijs per stuk van ongeveer €10000 dan is de investering toegepast op ons project al na ruim acht maand terug verdiend. Omdat we zitten met een tweede “back-up” pomp die zijn eigen frequentie-omvormer zal hebben moeten we dit termijn wel verdubbelen. Dit is dus sowieso nog de moeite waard!
66
8 Literatuurlijst Vanhinsberg F. (1997). Werking van de verbrandingsinstallatie met energierecuperatie en rookgasreiniging. Geraadpleegd op 13 oktober 2007, op http://www.ivoo.be. Hubregtse H. (2008). Vooronderzoek condensor, Zierikzee: Acc-Team. Campe D. (2008). Multitec datasheets, Wavre: NV. KSB Belgium s.a. Vanbeselaere J. (2007). Vacon datasheets, Gorinchem: Vacon Benelux BV. Deseck T., (1996). Alle AS-built tekeningen, Tielt: Metaalconstructie Geldof. Muhs D. Wittel H., Becker M., Jannasch D., Vossiek J. (2005). Roloff/Matek Machine-onderdelen. Den Haag: Academic Service. Dax W., Gunderlfing K., Häffner W., Itschner H., Kotsch G. (2004). Tabellenboek voor Metaaltechniek. Mechelen: Wolters Plantyn. Kluwer A., Deventer E. (1941). Uitgave der Vereniging Krachtwerktuigen. Groningen: NV. Uitgevers – Maatschappij. Wylleman M. (2005). Sterkteleer I & Sterkteleer II. Onuitgegeven cursus. Oostende: KHBO. Wylleman M. (2005). Mechanisch Tekenen. Onuitgegeven cursus. Oostende: KHBO. Declerck P. (s.d.). Verbindingstechnieken. Onuitgegeven cursus. Oostende: KHBO. Dumon F. (s.d.). Klimatisering. Onuitgegeven cursus. Oostende: KHBO.
67
