Ridurre il consumo di energia in forni esistenti, alimentati a gas

L’Internet of Things industriale utilizza la tecnologia di automazione per contribuire a ridurre il consumo energetico nelle attività di trattamento termico.

Sia la globalizzazione che il protezionismo – con impatti diversi nelle diverse regioni del mondo – stanno creando instabilità e incertezza sul futuro costo dell’energia in tutte le regioni. Ad esempio, i prezzi dell’energia negli Stati Uniti hanno subito un cambiamento radicale negli ultimi due anni. Mentre il prezzo corrente rappresenta un vantaggio per le aziende che utilizzano tecnologie di trattamento termico, con l’uso di energia globale destinato ad aumentare e la possibilità di controllare “artificialmente” l’offerta, è possibile che in futuro si verifichi un ritorno a prezzi più elevati. In definitiva, ciò avrà un impatto sulla redditività in corso delle imprese, in particolare quelle nelle industrie di processo ad alta intensità energetica.

Poiché l’utilizzo di energia può rappresentare anche più del 10% dell’intero costo di un processo nelle industrie ad alta intensità energetica, le aziende che utilizzano apparecchiature di riscaldamento di processo devono ottimizzare l’uso di energia nei processi esistenti. In definitiva, questo può aiutare a ridurre il costo complessivo dell’energia e minimizzare l’impatto di eventuali futuri aumenti dei costi energetici.

Impianti di Combustione Esistenti e Utlizzo Energetico

L’analisi della manutenzione in corso degli impianti di combustione esistenti per forni e forni a gas può portare a ridurre il consumo di energia e ridurre i costi energetici.

Nel sistema di combustione di un forno a gas il calore viene generato attraverso una reazione esotermica (una reazione in cui viene emesso calore) tra idrogeno, atomi di carbonio e ossigeno. Troppo ossigeno può rendere il riscaldamento inefficiente e può creare inquinanti NOX. Troppo poco ossigeno provoca una combustione incompleta, generando livelli pericolosi di monossido di carbonio.

Secondo l’articolo comparso sul numero di agosto 2014 di Process Heating, “The Impact of Combustion Controls”, scritto da K. Huller, “Quando un bruciatore funziona al rapporto aria/carburante desiderato, si dice che sia regolato. Questo è tipicamente il punto in cui l’apparecchiatura funziona con un’efficienza quasi di picco, con le migliori emissioni possibili per il dato bruciatore e dove tutto il combustibile è consumato. … Se non testati e mantenuti, i controlli della combustione possono causare una deriva del sistema. ”

E, secondo il “Process Heating Tip Sheet 2c” del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, “Il controllo periodico e il ripristino dei rapporti aria-combustibile per i bruciatori è uno dei modi più semplici per ottenere la massima efficienza dalle apparecchiature per il riscaldamento di processo a combustibile come forni, riscaldatori e caldaie. I forni a combustione diretta, i tubi radianti e le caldaie ad alta temperatura funzionano con circa il 10-20% di aria di combustione in eccesso a fiamma alta per prevenire la formazione di pericolosi depositi di monossido di carbonio e fuliggine sulle superfici di scambio termico e all’interno dei tubi radianti. ”

Inoltre, come indicato nell’articolo del febbraio 2015 di Process Heating, “How Reducing Excess Combustion Air Helped One Industrial Plant”, scritto da M. Lampe, “L’aria di combustione in eccesso è definita come l’aria che non è necessaria per bruciare tutto il combustibile. L’aria in eccesso può ridurre l’efficienza della caldaia e del forno perché richiede energia per riscaldare l’aria in eccesso non utilizzata nel processo di combustione e la maggior parte di questo calore viene persa. Una migliore gestione dell’aria può portare a miglioramenti significativi. ”

È ben noto il consiglio del Dipartimento di energia degli Stati Uniti di impostare e controllare i livelli di aria in eccesso sui sistemi di combustione. Tuttavia, l’attività regolare di controllo e messa a punto dei bruciatori rimane ancora un’opportunità di miglioramento in una parte considerevole dell’industria.

Il seguente consiglio di Jeff Ryan, presidente di H.E.A.T. Combustion Solutions LLC (Partner di Eurotherm by Schneider Electric) descrive i passaggi necessari per eseguire la messa a punto del bruciatore. I suoi consigli pratici per la messa a punto dei bruciatori a gas naturale comprendono:

• Quando si regolano i bruciatori a gas naturale, è generalmente consigliabile regolare l’aria di combustione con un’aria in eccesso del 10% (XSA). Ciò serve a garantire che ci sia abbastanza ossigeno libero per bruciare completamente il carbonio, evitando così una quantità eccessiva di CO. • Letture elevate di CO sono un pericolo sia per la salute che per le attrezzature.
• Quando si regolano i bruciatori con ugello di miscelazione, fare riferimento alla tabella dei dati del produttore e iniziare impostando il flusso d’aria di combustione a fiamma alta. Ciò si ottiene misurando una pressione statica all’ingresso dell’aria di combustione del bruciatore o una pressione differenziale attraverso le prese di pressione appropriate come indicato dal produttore. L’aria viene regolata in base alle letture sul manometro.
• Dopo che l’aria di combustione a fiamma alta è stata regolata correttamente, il flusso di gas viene regolato per ottenere il corretto rapporto aria/combustibile. Utilizzare un manometro per misurare la pressione differenziale attraverso l’orifizio di misurazione e regolare il flusso di conseguenza. • Una volta che il bruciatore o i bruciatori sono stati regolati correttamente al rapporto aria/combustibile, le letture della pressione vengono registrate per riferimento futuro.
• Utilizzando le stesse procedure utilizzate per regolare la fiamma, la fiamma bassa per il bruciatore o i bruciatori viene regolata in base alle specifiche del produttore.
• Una volta raggiunto il livello di fiamma basso, le impostazioni vengono registrate per riferimento futuro.
• Al termine, il termoregolatore viene posizionato nella modalità di funzionamento manuale. Quindi, i bruciatori vengono aumentati fino al 25, al 50 e al 75 percento per garantire il mantenimento del corretto rapporto aria/combustibile nell’intero intervallo.

Storicamente, tutte queste informazioni venivano acquisite nel registro di un tecnico (su carta) e poi inserite in un foglio excel per creare record storici, ha osservato Ryan. Alcuni fornitori di controlli di combustione stanno sviluppando una soluzione online per digitalizzare l’intero processo. L’obiettivo di una soluzione online è essere in grado di prevedere con precisione la prossima data migliore per ottimizzare il sistema al fine di ottimizzare l’utilizzo di energia.

Una soluzione online come questa fa parte di Industrial Internet of Things (IIoT). La tecnologia IIoT può aiutare a controllare l’eccesso di aria di combustione ai livelli desiderati. Allora perché IIoT e sistemi di bruciatori?

IIoT e Sistemi di Bruciatori

Le soluzioni di automazione integrate in passato spesso funzionavano con una mentalità di tipo “rip-and-replace”. Per contro, l’IIoT guarda all’utilizzo di soluzioni tecnologiche attorno a risorse esistenti, secondo l’articolo di Process Heating del giugno 2016, “Industry 4.0 + IIoT = Smart Industrial Ovens & Furnaces”, di P. Sherwin.

L’IIoT è abilitato dalle principali trasformazioni tecnologiche:

• Mobilità. Tutti abbiamo e utilizziamo dispositivi intelligenti come tablet e smartphone. Nel mondo di oggi, l’addetto alla manutenzione e l’operatore del negozio si muovono e hanno la responsabilità di un certo numero di macchine. Il monitoraggio e il controllo su un dispositivo intelligente rendono più efficienti le attività di manutenzione e di funzionamento.
• La nuvola. Il cloud o l’elaborazione basata su Internet consente l’aggregazione dei dati. Il cloud è sicuro ed economico grazie a una struttura di pagamento a consumo.
• Servizi di analisi. Ottimizzano le prestazioni a tutti i livelli di un’azienda sfruttando le informazioni raccolte dai dati raccolti e analizzati.

In genere, il prezzo di questo tipo di soluzioni si basa su un utilizzo continuo piuttosto che un investimento di capitale una tantum. Questo sposta quindi le discussioni sugli investimenti, non si tratta più di spese in conto capitale, ma piuttosto diventano parte del budget operativo.

In consultazione con gli esperti del settore assistenza, è stato sviluppato un sistema basato su IIoT per l’efficienza del bruciatore. È progettato per fornire un flusso di lavoro ideale per la messa a punto del bruciatore e per acquisire i dati relativi al bruciatore tramite una semplice immissione su uno smartphone o un tablet. Un codice QR ad accesso rapido viene stampato alla fine della regolazione del bruciatore e applicato vicino al sistema del bruciatore. Ciò consente al personale dell’impianto di eseguire la scansione di questo codice in qualsiasi momento con un dispositivo intelligente per ottenere una vista delle ultime prestazioni registrate di ciascun bruciatore.

I dati della configurazione e regolazione del bruciatore possono anche essere utilizzati per definire la data corretta per la messa a punto in base alle caratteristiche di deriva di ciascun bruciatore. L’analisi dei dati può anche evidenziare quando devono essere intraprese attività di manutenzione più estese sul sistema di combustione. Sfruttando l’analisi e l’apprendimento automatico e collegandoli con una soluzione di pianificazione, è possibile ottenere una soluzione integrata.

Cos’è l’apprendimento automatico? La definizione accettata è: “abilità delle macchine (intese come computer) di apprendere senza essere state esplicitamente e preventivamente programmate.”. Digitalizzando i dati del bruciatore e acquisendo i dettagli “come trovato” e “come lasciato” della configurazione, per un periodo di tempo definito, queste informazioni possono essere analizzate automaticamente e possono essere rilevati i pattern. Il sistema può quindi riconoscere le deviazioni dai normali schemi di deriva e fornire avvisi istantanei quando si verificano situazioni insolite o anomale. Questo sollecita quindi un’ispezione più dettagliata del sistema del bruciatore.

In conclusione, l’ottimizzazione del bruciatore e l’uso efficiente dell’energia dovrebbero essere un’attività continua per garantire che l’energia non venga sprecata e che i profitti siano massimizzati. E’ possibile sfruttare le soluzioni IIoT a basso costo – abilitate dai dispositivi mobili, dal cloud e dall’analisi – per eseguire in modo efficiente la configurazione del bruciatore e la manutenzione continua, nonché monitorare e confrontare le tendenze per avvisare quando è richiesta una manutenzione più dettagliata.

Articolo apparso per la prima volta nella rivista Process Heating, agosto 2017.

Scritto da Peter Sherwin, global heat treatment business leader, e Joe Clarke, business development manager heat treatment, presso Eurotherm by Schneider Electric.

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