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HE Smart: efficienza intelligente garantita

03 Mag 2019

Tempo di lettura: 11 min

Grazie al suo evoluto sistema di recupero termico auto-adattivo, la tecnologia HE Smart è risultata essere la soluzione più flessibile, evoluta e performante presente sul mercato.

Al fine di comprendere le potenzialità dell’innovativo generatore di vapore con sistema di recupero del calore HE Smart, è stato preso in esame un caso di applicazione reale, confrontando le performance di HE Smart con la soluzione tipica più performante presente sul mercato, in pieno rispetto dei nuovi vincoli in termini di emissioni inquinanti (NOx < 100 mg/m3).

Alla luce di ciò, la tecnologia da mettere a confronto con la proposta di Cannon Bono Energia è la soluzione che prevede l’utilizzo di un economizzatore per il preriscaldamento dell’acqua in ingresso alla caldaia.
È stato inoltre necessario un confronto delle due tecnologie con un generatore “base” di ultima generazione, per valutare a pieno tutti i benefici e le differenze di entrambe le soluzioni ad alta efficienza.

La comparazione delle diverse tecnologie prese in considerazione è stata fatta al variare dei parametri che possono influenzare maggiormente il funzionamento dei generatori: temperatura acqua di alimento e carico richiesto dalle utenze.

Caso studio

Analizziamo il caso di una utenza che richiede una portata media di vapore saturo secco di 8 t/h a 12 bar, per 14 ore al giorno, 6 giorni su 7.

Nella Tabella 1 sono riportati i dati di progetto utilizzati per determinare le curve caratteristiche dei generatori considerati.

La richiesta termica, nel caso in esame, sarà soddisfatta considerando tre tipologie di moderni generatori di vapore:

  • Generatore di vapore con tecnologia HE Smart, ad altissima efficienza energetica;
  • Generatore di vapore con economizzatore (ECO), soluzione ad alta efficienza proposta tipicamente sul mercato;
  • Caldaia in versione “base”, senza alcun tipo di recuperatore di calore.

Le performance delle caldaie prese in considerazione, sono state ricavate mediante l’utilizzo di un software numerico sperimentale ad uso interno.

Fonte: Cannon Bono Energia S.p.A.

La peculiarità della tecnologia HE Smart è data dalla combinazione e dalla gestione simultanea, istantanea, auto – adattativa ed integrata delle differenti tecnologie di recupero di calore dai fumi caldi della combustione (economizzatore e preriscaldatore dell’aria in alimento al sistema di combustione).

Questa configurazione, unita all’utilizzo di inverter sulle pompe dell’acqua e sul ventilatore dell’aria, permette il controllo delle portate in mandata all’economizzatore al preriscaldatore in funzione della temperatura di ingresso dell’acqua di alimento, della temperatura dell’aria esterna e del carico. Tutto ciò permette di ottenere e garantire un rendimento costante indipendentemente delle condizioni esterne garantendo in ogni situazione una temperatura di uscita dei fumi costante e pari ad 80°C. A tal proposito è importante sottolineare che è proprio la temperatura a cui vengono rilasciati i fumi a determinare il rendimento del generatore, infatti un’alta temperatura dei fumi implica un alto contenuto energetico non recuperato e disperso nell’ambiente, viceversa una bassa temperatura comporta alti valori di recupero termico e dunque di efficienza.

Nella prima fase dell’analisi verrà valutata la relazione tra la temperatura dell’acqua calda in ingresso al recuperatore e dei fumi in uscita dalla caldaia.

La caratteristica fondamentale di HE Smart è la sua capacità di controllare la temperatura dei fumi in uscita, indipendentemente dalla temperatura d’ingresso dell’acqua in alimento. HE Smart infatti, è stata progettata per gestire una Tfumi configurabile, tipicamente pari ad 80°C, per ogni condizione di esercizio ed a qualsiasi temperatura di alimento dell’acqua in caldaia, con una tolleranza di ±15°C rispetto alla temperatura di progetto.

Questa configurazione è legata a due aspetti fondamentali:

  1. Una bassa temperatura dei fumi in uscita dalla caldaia che implica un recupero termico molto spinto e dunque un’alta efficienza del generatore;
  2. A temperatura di 58°C, in presenza di combustione a gas metano, avviene la condensazione acida dei fumi in uscita dalla caldaia. La temperatura di 80°C, garantisce un ΔT maggiore di almeno 20°C rispetto alla condizione di condensazione, evitando perciò qualsiasi fenomeno di condensa acida dei fumi lungo tutto il tratto del camino, tratto che spesso non è coibentato.

La soluzione con il solo economizzatore, al contrario, è fortemente sensibile alla variazione della temperatura di progetto dell’acqua di alimento. Come indicato dal grafico in Figura 1, anche una piccola variazione della temperatura dell’acqua, comporta una variazione importante della Tfumi e dunque del rendimento, generando riduzioni di η 1÷1,5 punti percentuale.

Figure. 1 – Flue gas temperature vs Supply water temperature
Figure.2 - Variation in steam generator efficiency based on TFlue gas

Si evince, perciò, che il comportamento del generatore di calore “ECO” è dettato dalla termodinamica dello stesso economizzatore, che, essendo uno scambiatore statico, non riesce a modulare attivamente la quantità di calore assorbibile, che resta inversamente proporzionale alla temperatura di ingresso dell’acqua.

Figure 3 - Variation in generator efficiency based on T boiler supply water

Il grafico della Figura 3 mette bene in evidenza il confronto fra le due tecnologie precedentemente descritte al variare della temperatura di ingresso dell’acqua in caldaia, mettendo in risalto il comportamento alle basse ed alte temperature.

Come si può osservare, le basse temperature di alimento facilitano il recupero energetico dai fumi generando però dei potenziali problemi di condensa acida, come precedentemente descritto nel caso ECO. Inoltre, alle basse temperature, la percentuale di ossigeno disciolto nell’acqua è maggiore, generando problemi di ossidazione all’interno della caldaia. Per evitare tali problemi vi è la necessità di aumentare la temperatura dell’acqua all’interno del degasatore oppure di utilizzare una quantità di prodotti chimici elevata, con conseguente aggravio economico. Questi aspetti sono spesso trascurati nella valutazione dell’investimento ma di fondamentale importanza per la scelta di un generatore di vapore.

Le condense possono causare fenomeni corrosivi aggressivi che vanno ad aggredire i componenti a diretto contatto con le stesse, causando fermi di produzione e spese aggiuntive per la manutenzione o nei casi più critici la sostituzione dell’intero sistema di recupero calore.

Per quanto riguarda HE Smart, d’altro canto, essendo la temperatura dei fumi in uscita definita e configurabile, generalmente settata ad 80°C, il rendimento risulta costante e superiore al 97% e certificato da numerose ESCo.

Come si nota, il gap fra i rendimenti aumenta in base al surriscaldamento della temperatura di alimento, fino ad arrivare a più di 4 punti percentuale per temperature superiori ai 140°C. Tale condizione di lavoro è tipica di numerosi processi industriali, primi tra questi le cartiere, e sino all’avvento della tecnologia HE Smart non permetteva un recupero del calore dai fumi spinto ed efficiente.

Figure 4 - Variation in generator efficiency based on the load required by the utility (steam)

In Figura 4 viene riportato il comportamento delle due soluzioni ad alta efficienza e della versione standard al variare del carico richiesto dall’utenza per una temperatura dell’acqua d’alimento di 140°C.

Il grafico, mostra come la curva di HE Smart raggiunga valori prossimi a quelli di massima efficienza quando il generatore si trova al 40% del carico massimo, mettendo in evidenza uno scarto di 3 punti percentuali di differenza per tutti i valori del carico.

Come precedentemente descritto, tutto ciò è possibile grazie all’avanzato controllo retroattivo dei recuperi termici ripartiti fra le varie sezioni di recupero calore, che, uniti alla presenza degli inverter sulle pompe e sul ventilatore, ne permettono un funzionamento parzializzato sempre ottimizzato.

La variazione dell’efficienza in funzione del carico è uno degli aspetti cruciali in termini di incidenza sul saving energetico annuo, in quanto è questo e non il valore di picco in determinate condizioni, che determina il risparmio in termini di combustibile consumato nell’anno.
Questo aspetto, sino ad ora ignorato per via della mancanza di adeguata strumentazione di controllo sugli impianti e sui generatori di vapore, risulta in termini pratici uno dei punti di forza di HE Smart, permettendo performance garantite e costanti durante le varie fasi di produzione.

All’interno della Figura 6, viene mostrato il risparmio di gas naturale ottenuto dall’utilizzo delle due soluzioni proposte in confronto al generatore “base”, e dunque il confronto fra gli stessi generatori ad alta efficienza, al variare della temperatura dell’acqua in alimento alla caldaia.

Come si nota, HE Smart presenta risparmi più elevati, e quindi consumi più bassi, in tutto il range di temperature, evidenziando l’incremento di tale trend con l’aumentare della temperatura dell’acqua.

Come messo in evidenza, i risparmi conseguibili con la soluzione HE Smart rispetto alla soluzione ECO variano dai 10 ai 35 mila euro l’anno passando dagli 80°C ai 150°C dell’acqua di alimento.

Figure 5 - Annual methane consumption based on T supply water: comparing the technologies
Figure 6 - Annual methane savings based on T supply water: comparing the technologies
Figure 7 - Annual methane savings based on T water supply: comparing HE and ECO

Nel corso dell’esposizione è stato più volte rimarcato quanto sia importante avere un valore elevato dell’efficienza energetica del generatore di calore, nella Tabella 2 e nel grafico di Figura 6 è stato trattato questo aspetto in termini economici, ovvero di saving ottenibile da ogni singolo punto percentuale di incremento dell’efficienza.
Questi valori, seppur elevati, sono del tutto conservativi in quanto presuppongono un rendimento medio della macchina pari al valore di picco, facilmente ottenibile con HE Smart, ma impossibile con altre soluzioni.

È evidente come ogni punto percentuale abbia un valore economico diverso in funzione della temperatura di alimento dell’acqua in caldaia, in quanto, all’aumentare della temperatura, la quantità di calore necessario a portare la caldaia in condizioni di mandata, diminuisce e dunque con esso il consumo di metano.  Al contempo, diventa più complesso il recupero termico dai fumi in uscita ed è in tale contesto, che la soluzione HE Smart, essendo adattativa, offre le migliori prestazioni, andando a generare una differenza di rendimento rispetto alla soluzione ECO di 4,5 punti percentuale, con un conseguente risparmio annuo di circa 35.000 €.

In ogni caso, è importante sottolineare l’importanza di incrementare l’efficienza del generatore anche di un solo punto percentuale, infatti quello che sembrerebbe un valore aggiunto poco significativo in termini di prestazioni al contrario genera un risparmio annuo medio di circa 8.000 €.

Figure 8 - Annual methane savings per percentage point of increased efficiency

Ulteriori dispositivi/vantaggi disponibili con la tecnologia HE Smart

 

Sistema dedicato per l’ottimizzazione dei transitori

Questo dispositivo, controllato dal sistema Optispark, diventa fondamentale quando l’esercizio è caratterizzato da frequenti spegnimenti del generatore (notte/giorno – week-end) e conseguente depressurizzazione del generatore stesso e della linea vapore.

In tali situazioni, la pressione e dunque la temperatura del vapore all’interno del generatore, subisce dei bruschi cali che devono essere ripresi all’avviamento successivo della macchina.

Tale situazione comporta diverse conseguenze:

  1. necessità di avviare il generatore in notevole anticipo rispetto all’ora di effettivo utilizzo per portare la massa d’acqua al suo interno alle condizioni di pressione di set point, soprattutto nel caso di macchine ad elevato contenuto di acqua;
  2. è necessaria la presenza di un conduttore patentato per ogni avvio del generatore, con conseguente aggravio economico oltre che organizzativo;
  3. l’avvio del generatore in condizioni di pressione atmosferica o comunque molto bassa rispetto alle condizioni di set point (12 bar) implica un notevole consumo di combustibile in surplus.

Controllato dal sistema Optispark, tale soluzione, attraverso una serie di accorgimenti Software e Hardware, provvede alla riduzione delle dispersioni di calore dal generatore al camino e/o alla linea vapore, evitandone la depressurizzazione e limitando notevolmente le perdite di calore/pressione.

Figure 9 – HE transient management system

Come è possibile notare dal grafico della Figura 9, in mancanza del sistema di controllo transitori, la pressione del vapore alla ripartenza post arresto, è molto lontana dal set-point di esercizio, risultando nei casi più frequenti in condizioni prossime a quelle ambientali.
Adottando tale sistema, si ottiene dunque un significativo saving sul consumo di gas metano, in quanto la caduta di pressione viene contenuta a soli 3 bar.

Inoltre, evitando innalzamenti ed abbassamenti continui della temperatura, gli stress termici alla struttura in pressione sono totalmente assenti ed il tempo necessario per riportare a regime l’impianto si riduce notevolmente.
A tal proposito, è possibile prevedere due mappature di avvio del generatore: “veloce” nel caso in cui si debba raggiungere rapidamente la condizione di set point; “risparmio” nel caso in cui si voglia preferire il saving economico.

Inoltre, negli impianti non presidiati dal conduttore, fissando un set point notturno a pressioni inferiori a quelle di esercizio comunque non troppo lontane delle stesse, l’impianto viene gestito in condizioni di “stand-by” essendo dunque in grado di ripartire in condizioni di sicurezza senza la presenza del conduttore.

Il sistema di controllo transitori si è dimostrato spesso una efficace soluzione per ottimizzare l’esercizio dell’impianto contribuendo ad una significativa riduzione dei consumi energetici necessari per le frequenti prese di carico.

 

Conclusioni

La tecnologia HE Smart, sviluppata da Cannon Bono Energia, è senza ombra di dubbio, la soluzione più flessibile ed efficiente attualmente presente sul mercato in quanto tra le proprie caratteristiche ha:

  • La capacità di garantire rendimenti superiori al 97% per un ampio range di temperature dell’acqua di alimento (80°C – 160°C), soprattutto nelle condizioni più estreme, ovvero alle temperature più alte;
  • Capacità di mantenere la Temperatura dei fumi costante e pari ad 80°C, quindi con il massimo recupero termico ma evitando in ogni caso la formazione di condense acide all’interno dei fumi.
  • Rendimento medio superiore al 97 % garantito e certificato da ESCo per un carico termico superiore al 40%.
  • Risparmio di metano che può facilmente superare i 30.000 € annui rispetto alla soluzione ad alta efficienza con ECO.
  • Possibilità di integrare il sistema di gestione dei transitori che apporta ulteriori risparmi di metano e soprattutto una gestione più intelligente della caldaia.

La soluzione proposta da Cannon Bono Energia è da considerarsi la più efficace in quanto, come fin qui dimostrato, ha un rendimento medio più elevato rispetto alle altre soluzioni ad essa paragonate ed inoltre, dispone di un sistema di gestione altamente performante orientato sempre più in ottica Industria 4.0.