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Brenner-Upgrade im Simplot-Werk verbessert Leistung und Energie

Um den Energieverbrauch und die Kosten zu senken, hat die J.R. Simplot Company vor einigen Jahren ein Projekt abgeschlossen, das die Effizienz des Dampfsystems in seinem Kartoffelverarbeitungswerk in Caldwell, Idaho, steigerte. Das Projekt basierte auf einer Bewertung, die mit dem Steam System Assessment Tool (SSAT) von Bill Moir, einem qualifizierten Spezialisten bei Steam Engineering Inc. durchgeführt wurde. Der SSAT wurde für das Industrial Technologies Program BestPractices des U.S. Department of Energy (DOE) entwickelt. Durch die Verbesserungen der Caldwell-Anlage werden jährlich 52.000 MMBtu und 526.000 Kilowattstunden eingespart. Die Einsparungen bei den Energie- und Wartungskosten betragen insgesamt 329.000 USD pro Jahr. Da die Gesamtkosten des Projekts 373.000 US-Dollar betrugen, beträgt die einfache Amortisationszeit weniger als 14 Monate. Ähnliche Effizienzmaßnahmen wurden an anderen Simplot-Standorten nach Analysen mit dem SSAT repliziert. Diese Verbesserungen der Energieeffizienz führen zu einer Erdgaseinsparung von 176.000 MMBtu pro Jahr.

Unternehmens-/Werkshintergrund
Die J.R. Simplot Company ist ein großes Lebensmittel- und Agrarunternehmen mit Sitz in Boise, Idaho, mit einem Jahresumsatz von rund 3 Milliarden US-Dollar. Das Unternehmen beschäftigt mehr als 12.000 Mitarbeiter in den USA, Kanada, China, Mexiko und Australien. Die Geschäftstätigkeit von Simplot umfasst die Herstellung von Nahrungsmitteln, Düngemitteln, Rasen und Gartenbauprodukten; Viehfütterung; und andere Agrarunternehmen. Das Unternehmen verfügt über ein kontinuierliches Energieeffizienzprogramm, bei dem die Mitarbeiterschulung im Mittelpunkt steht. David Hawk, Director of Energy and Natural Resources, und Alan Christie, Food Group Engineering Manager bei Simplot, haben eng mit dem DOE, dem Washington State University Energy Program und der Idaho Department of Water Resources Energy Division zusammengearbeitet, um das Bewusstsein für die Produktivität zu schärfen und finanzielle Vorteile einer erhöhten Energieeffizienz in Industrieanlagen.

Die Anlage in Caldwell ist eine der größten des Unternehmens; es produziert ungefähr 270 Millionen Pfund gefrorene Pommes frites pro Jahr. Der Standort ist mit drei erdgasbefeuerten Wasserrohrkesseln ausgestattet. Zwei sind für 70.000 Pfund pro Stunde (lb/h) ausgelegt und die dritte ist für 60.000 ausgelegt. Dampf wird mit einer Sättigung von 275 Pfund pro Quadratzoll (psig) erzeugt. Dampf ist für die Produktionsprozesse der Anlage wichtig, da er das Schälen, Blanchieren und Frittieren von Kartoffeln direkt unterstützt.

Projektübersicht
Im Jahr 2000 beauftragte Simplot Steam Engineering Inc. mit der Analyse von Dampfsystemen in seinen Produktionsstätten im Rahmen seines unternehmenseigenen Energieeffizienzprogramms. Bei der ersten Bewertung am Standort Caldwell stellten die Analysten fest, dass die durchschnittliche Dampflast der Anlage 90.000 lb/h betrug und der Verbrennungsluftüberschuss im Durchschnitt 50 Prozent betrug. Zudem lag der Sauerstoffgehalt im Rauchgas bei bis zu 7,5 Prozent. Alle drei Kessel wurden im Teillastbetrieb betrieben, um den Spitzendampfbedarf der Anlage von 140.000 lb/h zu decken. Spitzen- und Durchschnittsbedarf schwankten ständig, weil der Kartoffelschälbehälter schnell gefüllt werden musste, um die Feuchtigkeit in den Kartoffeln zu verdunsten. Die Wiederverwendung von Kondensat war minimal; nur das Hochdruckkondensat aus den Heißölwärmetauschern wurde in die Kessel zurückgeführt.

Die erste Schlussfolgerung war, dass die Effizienz des Dampfsystems durch den Einbau neuer Brenner mit Parallelpositionierungssteuerungen und das Hinzufügen eines Abgas-Sauerstoff-Trimmsystems dramatisch verbessert werden könnte, um die für eine hochwertige Verbrennung erforderliche Luftüberschussmenge zu reduzieren.

Im Jahr 2002, als die SSAT-Software auf den Markt kam, nutzte Moir sie, um das Dampfsystem der Caldwell-Anlage zu bewerten. Das SSAT-Modell zeigte potenzielle Erdgaseinsparungen von mehr als 25.000 MMBtu jährlich an, wenn die Kessel der Anlage Caldwell konstant mit einem Rauchgassauerstoffgehalt von 3 Prozent betrieben werden könnten. Dies könnte durch die Aufrüstung der alternden Brenner und Steuerungen und die Installation von Rauchgas-Sauerstoff-Trimmsystemen an den Kesseln erreicht werden, wie in der früheren Analyse angegeben. Darüber hinaus zeigte das SSAT-Modell, dass durch Upgrades des Kondensatsystems mehr Kondensat zurückgewonnen werden kann, die Kessel mit einem Verbrennungsluftüberschuss von 10 Prozent betrieben werden können und nur zwei Kessel die Dampflast der Anlage decken können.

Projektimplementierung
Das Management von Simplot beschloss, die Empfehlungen von Steam Engineering, basierend auf der SSAT-Analyse, zunächst im Werk Caldwell umzusetzen. Wenn das Caldwell-Projekt erfolgreich war, würden nach SSAT-basierten Evaluierungen ähnliche Maßnahmen an anderen Simplot-Standorten ergriffen.

Um Produktionsausfälle zu minimieren, wurden die neuen Brenner und Steuerungen während geplanter Anlagenstillstände an zwei Kesseln installiert. Nachdem die bestehenden Brenner entfernt wurden, wurden an jeder Kesselfront neue Blenden montiert, bevor die neuen Brenner eingebaut werden konnten. Anschließend wurden an jedem Kessel neue Verbrennungsluftgebläse, Abgasrückführungskanäle, Abgassauerstoffanalysatoren und Kesselsteuerungen mit Sauerstoff-Trim-Systemen installiert. Nachdem alle Verbesserungen abgeschlossen waren, konnte das Anlagenpersonal die Dampflast der Anlage mit weniger Dampf und Erdgas decken, ohne die Produktion zu verringern.

Projektergebnisse
Das Werksprojekt Caldwell hat die Effizienz des Dampfsystems der Anlage deutlich erhöht. Da die neuen Brenner effizienter sind und das Rauchgas besser zurückführen, arbeiten die Kessel jetzt mit einem durchschnittlichen Rauchgassauerstoffgehalt von 3 Prozent oder weniger. Die Spitzendampflast der Anlage beträgt jetzt 110.000 lb/h, und zwei Kessel können diese Last bei einem Verbrennungsluftüberschuss von nur 10 Prozent decken. Das Projekt vereinfachte den Kondensatrückführungsprozess, indem das Kondensat direkt zum Entgaser geleitet wurde und der Entgaserdruck schweben konnte. Dadurch konnte die Anlage eine Kondensatrückgewinnungsrate von 50 Prozent erreichen und die fünf Kondensatpumpen der Anlage vom Netz nehmen.

Das Kraftwerksprojekt Caldwell hat den jährlichen Erdgasverbrauch um 52.000 MMBtu (7,5 Prozent des früheren Jahresverbrauchs) gesenkt, was Kosteneinsparungen von 279.000 USD pro Jahr bedeutet. Die jährliche Stromeinsparung beträgt 526.000 kWh und spart weitere 20.000 US-Dollar pro Jahr, da die Kondensatpumpen und das Kesselzuggebläse des dritten Kessels abgeschaltet sind. Durch diese Änderungen werden außerdem jährliche Wartungskosten in Höhe von 30.000 US-Dollar eingespart. Die jährlichen Projekteinsparungen betragen insgesamt 329.000 USD. Da die Gesamtkosten des Projekts 373.000 US-Dollar betrugen, beträgt die einfache Amortisationszeit weniger als 14 Monate. Außerdem ist die Produktion jetzt zuverlässiger; seit Abschluss des Projekts wurden keine Kesselausfälle gemeldet.

Seit Abschluss des Projekts hat das Management von Simplot den Einsatz des SSAT zur Bewertung von Dampfsystemen in allen seinen Produktionsstätten beauftragt. Bis heute wurden an acht weiteren Simplot-Anlagen Effizienzmaßnahmen auf Basis von SSAT-Modellen repliziert, was zu einer jährlichen Erdgaseinsparung von 176.000 MMBtu führte. Darüber hinaus hat Simplots Beteiligung an der Western US Food Processing Efficiency Initiative (Teil der State Technologies Advancement Collaborative) es ermöglicht, das bei diesen Bemühungen entwickelte Fachwissen mit anderen erfolgreichen Energieeffizienzmaßnahmen zum Nutzen anderer Lebensmittel verarbeitender Unternehmen in den westlichen Ländern zu nutzen Vereinigte Staaten.

Abbildung 1. Ansaugluftbaugruppe

Gelernte Lektionen
Durch die Verwendung einer einheitlichen Methodik und eines einheitlichen Tools zur Bewertung und Optimierung von industriellen Dampfsystemen können wertvolle Strategien zur Verbesserung der Leistung dieser Systeme und zur Energieeinsparung generiert werden. Im Werk Caldwell von J.R. Simplot bestätigte eine SSAT-basierte Analyse das Energieeinsparpotenzial, das sich aus einer konventionellen Strategie zur Optimierung der Effizienz des Dampfsystems ergibt. Die SSAT-Analyse ergab auch zusätzliche Vorteile dieser Strategie.

Nach dem Erfolg des Projekts betrachtete Simplot den SSAT als ein effektives Instrument auf dem „gemeinsamen Nenner“, um Möglichkeiten zur Verbesserung aller Dampfsysteme des Unternehmens zu bewerten. Das Management hat daher eine Unternehmensrichtlinie festgelegt, um die Nutzung des SSAT in allen Simplot-Einrichtungen, die Dampf verwenden, zu institutionalisieren. Bis heute wurde der SSAT an acht weiteren Simplot-Standorten eingesetzt und die resultierenden Analysen werden jährlich aktualisiert. Einheitliche Werkzeuge und Methoden wie diese können problemlos in jede Industrieanlage übernommen werden, die Dampf verwendet.

Abbildung 2. Brenner und Brennergehäuse

Definition der Verbrennungseffizienz
Der Verbrennungswirkungsgrad ist ein Maß dafür, wie effektiv der Wärmeinhalt eines Brennstoffs in nutzbare Wärme umgewandelt wird. Die Schornsteintemperatur und der Sauerstoffgehalt des Rauchgases sind Hauptindikatoren für die Verbrennungseffizienz. Der Betrieb eines Kessels mit einer optimalen Menge an überschüssiger Luft minimiert den Wärmeverlust im Kamin und verbessert die Verbrennungseffizienz. In der Praxis sind die Verbrennungsbedingungen selten ideal; zusätzliche oder „überschüssige“ Luft muss zugeführt werden, um den Brennstoff vollständig zu verbrennen.

Die richtige Menge an Luftüberschuss wird durch die Analyse des Sauerstoffgehalts des Rauchgases bestimmt. Unzureichender Luftüberschuss führt zu unverbranntem Brennstoff, während zu viel Luftüberschuss zu Verlustwärme führt – ein Hinweis auf einen geringeren Brennstoff-Dampf-Wirkungsgrad des Kessels. Effiziente erdgasbefeuerte Kessel sollten einen Luftüberschuss von 10 Prozent haben. Wenn die Kraftstoffzusammensetzung oder die Dampfströme stark schwanken, sollte ein Online-Sauerstoff-Trimmsystem in Betracht gezogen werden. Ein Sauerstoff-Trimm-System liefert Feedback an die Brennersteuerungen, um eine übermäßige Verbrennung automatisch zu minimieren

DOE ITP BestPractices Steam-Systembewertungstool
BestPractices bietet eine Reihe von Tools zur Bewertung und Identifizierung von Möglichkeiten zur Energieeinsparung in Dampfsystemen. Das primäre Steam-bezogene Tool ist das Steam System Assessment Tool (SSAT). Der SSAT ist ein Softwarepaket, mit dem Benutzer verschiedene Verbesserungsszenarien modellieren und potenzielle Energie- und Kosteneinsparungen durch individuelle Verbesserungen des Dampfsystems genau abschätzen können. Dieses und andere Steam-bezogene Softwaretools können über die EERE-Website (www.oit.doe.gov/bestpractices/software_tools.shtml) bezogen oder beim EERE-Informationszentrum unter der Telefonnummer 877-337-3463 bestellt werden.

Weitere Informationen zum Industrial Technologies Program des U.S. Department of Energy finden Sie unter http://www1.eere.energy.gov.


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