Combinare correttamente caldaia e bruciatore

Relazione specialistica
Dipl.-Ing. Hardy Ernst
Dipl.-Wirtschaftsing. (FH), Dipl.-Informationswirt (FH)
Markus Tuffner, Bosch Industriekessel GmbH
Combinare correttamente caldaia e bruciatore
Per il risparmio energetico e la riduzione delle
emissioni si necessita inevitabilmente di
un‘ottimizzazione della potenza della caldaia/del
bruciatore. Un‘assegnazione ottima aiuta ad
ottenere un esercizio della caldaia decennale privo
di danni e manutenzioni. Il significato di calcoli
scrupolosi dell‘effettivo fabbisogno di potenza e
la relativa copertura per mezzo di più caldaie in
rete è, dal punto di vista dell‘autore, troppo poco
considerato. Così qua e là vengono osservati
danni evitabili e anche metodi d‘esercizio antieconomici. I seguenti stimoli mostrano come è possibile migliorare efficacemente il comportamento
di esercizio di impianti caldaia.
Classificazione degli impianti caldaia in base
ai criteri di consumo
La classificazione delle unità caldaia e della relativa prestazione
individuale può aver luogo solo con il carico minimo, massimo e
medio atteso. Gli aspetti per la sicurezza d‘esercizio hanno qui
uguale importanza, ma non devono tuttavia diventare un unico
criterio.
Il calore necessario fornisce la maggior parte
dei gruppi produttivi
Rinnovo di vecchi impianti con stessi criteri di consumo
Se un impianto caldaia viene convertito solo per ragioni di età/
ristrutturazione o a causa dell‘adattamento alle norme di tutela
ambientale, allora di norma il diagramma di carico è noto. Se
mancano tali dati, allora si consiglia, prima dell‘inizio della progettazione di determinare, per periodi rappresentativi, l‘effettivo
fabbisogno energetico prendendo nota. Allo scopo sono importanti
i periodi di tempo del fabbisogno energetico minimo (ad es. fine
settimana o notte durante l‘estate) ma anche il consumo d‘energia
di picco (ad es. giorni invernali con produzione massima). Dovrebbero essere eseguite anche registrazioni o ricerche sulla velocità
di variazione dell‘energia (ad es. picchi di fabbisogno energetici
repentini).
2 | Combinare correttamente caldaia e bruciatore
Se i criteri indicati sono rilevati o noti, deve aver luogo una prova
su quale stati massimi del mezzo di riscaldamento sono effettivamente necessari. Ogni aumento non necessario della temperatura
di mandata con impianti dell‘acqua di riscaldamento o pressione
del vapore con impianti a vapore significa costi da principio evitabili
ed esercizio non effettivo.
A prescindere da un accrescimento di potenza che è già stato
programmato in modo definitivo, devono essere considerate successivamente potenziali supplementari immaginabili nella configurazione della rete e nella dimensione del locale caldaia, tuttavia non
nella ripartizione della caldaia con la potenza complessiva
momentanea.
Spesso le vecchie reti di riscaldamento presenti hanno temperature di progetto e pressioni troppo elevate e dovrebbero essere
ridotte alle misure necessarie se ciò è ammesso dalla tubazione
installata e dall‘utenza.
Il calore necessario fornisce la maggior
parte del calore
Diversamente dal calore produttivo l‘effettiva richiesta di carico
viene determinata dal calore di riscaldamento attraverso le condizioni meteo. La larghezza di banda delle richieste di carico è di
norma notevolmente più grande rispetto agli impianti del calore di
produzione e indefinito.
Se esistono utenze di picco con un programma orario definito
occorre verificare fino a che punto un collegamento intelligente
tra il comando a scatto di fabbisogno energetico dell‘utenza e il
comando caldaia sia sensato e possibile.
Mentre in piena estate l‘impianto caldaia viene mantenuto in
esercizio in parte ancora per il fabbisogno termico dell‘acqua calda
sanitaria, nei freddi giorni invernali viene utilizzata tutta la potenza
calorifica con sufficiente sicurezza d’esercizio.
In molti casi può essere evitata in questo modo la grandezza di un
impianto caldaia complessivo, nel momento in cui all‘impianto
caldaia viene segnalato anticipatamente mediante impulso esterno
il fabbisogno di carico e così l‘impianto caldaia viene spostato su
una commutazione di disponibilità. Se i picchi di consumo repentini si presentano solo brevemente o in lunghi intervalli di tempo,
occorre verificare, fino a che punto sia sensato un accumulo di
energia mediante accumulatore a pendenza o accumulatore per
acqua surriscaldata.
Con la determinazione della potenza di picco occorre tenere presente che essa è necessaria, di norma, solo pochi giorni all‘anno.
In caso d‘emergenza occorre accettare che con guasto di una
caldaia o del bruciatore è disponibile solo un funzionamento
d’emergenza con offerta di calore ridotta. Occorre tuttavia
assicurare che le parti dell‘impianto o i componenti di rete non
gelino.
Nuove progettazioni
Secondo l‘esperienza le nuove progettazioni producono, molto
spesso, impianti caldaia sovradimensionati, in quanto i progettisti,
i produttori, i fornitori di componenti e i gestori spesso calcolano
rincari sul fabbisogno effettivo. Nel colloquio occorrerebbe fare
delle indagini su queste riserve calcolate. Se sussiste la possibilità
con altri gestori di ottenere informazioni su apparecchi già collegati
e il relativo fabbisogno energetico effettivo, allora tali informazioni
devono essere utilizzate. Presupposto per il dimensionamento di
un impianto caldaia complessivo è tuttavia l‘intervento di fornitori
seri di componenti singoli e l‘attenzione di eventuali ampliamenti
progettati in seguito.
Anche con la determinazione della potenza minima della caldaia
più piccola si necessita di più accuratezza. Di particolare importanza è in questo caso una sicurezza sufficiente nella determinazione della temperatura e sia per la temperatura di riscaldamento
massima necessaria che riguarda l‘utenza, sia il salto termico per
la valutazione per eventuali regolazioni successive ecc..
Il deflusso massimo di calore dall‘impianto di riscaldamento si ha
in inverno, se i gruppi utenze vengono commutati da attenuazione
notturna su esercizio diurno. Se le disattivazioni reciproche non
Diagramma caratteristico del bruciatore con curve di potenza massima
Caso esemplificativo per scelta astuta di un bruciatore con
campo di regolazione grande 1 : 4
mbar
Esempio 1:
Caldaia compatta a tre passaggi tipo UL-S 5 000
Sovrapressione 10 bar
Contropressione nel focolare 8,5 mbar
Consumo di combustibile 307 kg/h gasolio EL
Potenza della caldaia 5 000 kgvapore/h
Campo di regolazione del bruciatore
con tipo L10 T 70 : 307 ~ 1 : 4,4 1
Contropressione (resistenza lato combustione)
18
16
14
12
Tipo di bruciatore
L10 T
10
Esempio 2:
Caldaia compatta a tre passaggi tipo UL-S 5 000 con ECO
Sovrapressione 10 bar
Contropressione nel focolare 10,7 mbar
Consumo di combustibile 293 kg/h gasolio EL (risparmio 4,5 %)
Potenza della caldaia 5 000 kgvapore/h
Campo di regolazione del bruciatore
con tipo RL11 105: 293 # 1 : 2,8 2
Tipo di bruciatore
RL 11
3
2
1
8
6
4
2
200
250
300
350
400
450
kg/h gasolio EL
. . . con riduzione della potenza della caldaia di 3 ... 4 %:
Consumo di combustibile 284 kg/h gasolio EL
Potenza della caldaia 4840 kgvapore/h
Campo di regolazione del bruciatore
con tipo L10 T 70: 284 ~ 1 : 4 3
Combinare correttamente caldaia e bruciatore | 3
sono molto ritardate temporalmente, vi è di norma nelle prime ore
del mattino un fabbisogno di punta, che supera di molto la potenza
di progetto dell‘impianto di riscaldamento. Ciò deve essere evitato
in ogni caso mediante la progettazione di una regolazione del
riscaldamento intelligente e attraverso uno sfalsamento temporale
dell‘attivazione dei singoli gruppi di utenze. Anche in questo caso
occorre accettare che dopo la commutazioni nella rete si possono
avere abbassamenti della temperatura finché l‘impianto caldaia
non si è „ripreso“.
Requisiti dell‘impianto complessivo
Se sono stati elaborati dati sufficientemente sicuri, avviene la
determinazione della potenza energetica complessiva.
Suddivisione dell‘impianto complessivo in
più caldaie singole
Di norma, oggigiorno, non vengono più installati impianti Standby,
in quanto i costi necessari e le perdite per il mantenimento sono
troppo elevati. Per questo motivo occorre assicurare che con guasto
della più grande unità singola l‘impianto caldaia continui a funzionare, anche se limitatamente, finché il guasto o il difetto non è
stato eliminato.
In ogni caso si consiglia la suddivisione in almeno due unità caldaia.
In base al diagramma del fabbisogno energetico determinato in
precedenza la caldaia più piccola dovrebbe apportare il carico base
ad esempio durante la notte o il fine settimana per il periodo estivo,
in modo tale che vi siano meno spegnimenti del bruciatore possibili. Questa caldaia viene applicata anche come caldaia di copertura di picchi di carico con fabbisogno massimo, di norma in inverno
durante le ore del mattino.
Se ad esempio con impianti di riscaldamento anche d‘estate vi è
un elevato fabbisogno di acqua calda, consueto di solito nelle
caserme e nelle imprese di produzione, la potenza minima della
caldaia dovrebbe essere dimensionata sull‘apportamento sicuro
di questa potenza.
In casi singoli si è affermata al meglio l‘introduzione di accumulatori termici come accumulatori inerziali, in particolar modo con
impianti con combustione di combustibile solido.
Con piccoli impianti (potenza termica complessiva < 4 MW) si
consiglia una regolazione di sequenza mediante campi di temperatura o pressione scaglionati. Migliori, e consigliabili in ogni caso
per grandi impianti, sono le regolazioni di sequenza comandate
mediante contatore di calore e del vapore, che permettono un
adattamento dei carichi ottimale. Tuttavia a causa dei costi elevati
di questi dispositivi spesso si fanno dei compromessi, che più tardi
risulteranno molto svantaggiosi.
Risultato: il concetto di regolazione deve essere noto
supplementari per il bruciatore, la manutenzione e la regolazione
sono notevoli. Unità caldaia più grandi a partire da 2 MW di potenza
del focolare lavora bene con bruciatori modulanti, in quanto il
campo di regolazione è più largo rispetto ai bruciatori a 2 e 3 stadi.
Con una potenza nominale fissa della caldaia senza margine verso
il basso, bisognerebbe prendere in un caso simile un tipo di
bruciatore che in realtà è troppo grande. Al contrario viene offerta
già solo con un potenza nominale leggermente ridotta del bruciatore immediatamente più piccolo una campo di regolazione
notevolmente più grande con potenza minima vantaggiosa. Per
questo occorre osservare di più l‘adattamento della potenza della
caldaia al campo di potenza del bruciatore (vedere allo scopo anche
il rapporto tecnico „Regolazione della potenza delle caldaie a
vapore“). Questo in particolar modo se deve essere concepito un
impianto complessivo composta da più unità caldaia.
La determinazione definitiva del bruciatore e del relativo ventilatore
deve avvenire in modo tale che, tenendo conto di tutti i componenti
presenti nel flusso di gas combusti, con pieno carico della caldaia
il bruciatore sia messo in esercizio con il suo limite superiore di
potenza. Ciò permette nel campo a carico ridotto un grande
abbassamento del bruciatore ed evita così accensioni/spegnimenti
frequenti. In quanto prima di ogni accensione di un bruciatore il
focolare deve essere pulito con aria fresca per evitare il rischio di
sbuffi. L‘aria che viene riscaldata in modo forzato nella caldaia
viene così persa attraverso il camino.
Esempio:
Modello della caldaia UL-S 5 000
Temperatura dell‘acqua
di caldaia
184 °C
Potenza del bruciatore
3 400 kW
Temperatura di aspirazione
24 °C
Riscaldamento dell‘aria
160 °C
Durata di preventilazione
30 ... 120 s
Perdita di calore per on-off
1,05 ... 4,20 kWh
Fabbisogno d‘energia
con 6 On-off all‘ora
6,3 ... 25,2 kWh
Quindi il fornitore della caldaia non dovrebbe prescrivere un
modello di bruciatore in modo che sia possibile una perfetta
ottimizzazione della caldaia, delle parti da incasso nel flusso dei
gas combusti, del bruciatore, del ventilatore e della regolazione.
Inoltre le singole potenze dalla caldaia all‘interno dell‘intero impianto dovrebbero essere variabili con attenzione all‘ottimizzazione
del bruciatore.
In linea di principio il produttore della caldaia dovrebbe concedere
una tolleranza di ±10 % della potenza complessiva.
al momento della progettazione dell‘intero impianto,
in particolar modo per impianti di riscaldamento.
Attribuzione del bruciatore
Per la seleziona del bruciatore è importante la determinazione del
carico di potenza minimo di una caldaia. La potenza minima è, con
bruciatore a 2 stadi, il 40 ... 60 % della potenza nominale, con
bruciatore a 3 stadi, ca. il 35 %, e con bruciatore modulante può
essere ancora più bassa. Caldaie piccole fino a 2 MW hanno prevalentemente bruciatori a 2 o 3 stadi. Qui non si raggiunge, con
bruciatore modulante, alcun carico base basso ma le spese
Solo con questo margine può essere garantito un esercizio ottimizzato e duraturo senza problemi. Allo scopo i seguenti esempi
(vedere diagramma):
Una caldaia a vapore 1 con una potenza nominale di 5 000
kgvapore/h è stata aumentata attraverso l‘inserimento a valle di
un ECO nella sua resistenza lato combustion 2 , in modo che
teoricamente il bruciatore immediatamente superiore diventasse
necessario.
Una riduzione della potenza massima della caldaia del 3 ... 4 %
permette 3 il mantenimento del bruciatore usato fino a quel
momento con l‘effetto, che viene raggiunto un rapporto di regolazione di 1 : 4 rispetto a 1 : 2,8 – questo oltre a tutti i vantaggi citati.
Dato che tuttavia sono valori medi della curva caratteristica, nella
pratica possono variare. Anche questo implica la tolleranza motivata
in precedenza del ±10 % della potenza complessiva.
Se non viene accettato alcun margine, allora caso per caso occorre
accettare un potenziale nella riserva di potenza, in particolar modo
con scelta del bruciatore, a sfavore dell‘ottimizzazione dell‘esercizio
e dei costi. L‘ottimizzazione assume sempre più significato soprattutto se la protezione ambientale richiesta presuppone nuovi
componenti, che interferiscono con il bruciatore e limitano la
flessibilità. Così per esempio bruciatori che sono equipaggiati con
dispositivi per il ricircolo dei gas combusti possono essere spenti e
riaccesi al massimo fino a 4 volte all‘ora, ciò ha conseguenze
notevoli per la progettazione e il successivo esercizio di un impianto
caldaia.
Riassunto
Con la progettazione di un impianto energetico oggi devono essere
osservati più criteri rispetto al passato. Gli errore del passato
devono essere riconosciuti ed evitati.
Molto importante è la corretta suddivisione della potenza tra più
caldaie con bruciatori determinati. Se vi è in questo caso una
carenza di progettazione ciò si presenta sul maggiore fabbisogno
di combustibile in ragione delle accensioni e spegnimenti e
all‘elevato impatto ambientale.
Impianti di produzione:
Stabilimento di produzione 1 Gunzenhausen
Bosch Industriekessel GmbH
Nürnberger Straße 73
91710 Gunzenhausen
Germania
Impianti sovradimensionati hanno un effetto maggiore sull‘usura
dei componenti, che è maggiore più sono le accensioni/disattivazioni del bruciatore e se deve essere accesa o spenta un‘ulteriore
caldaia.
Viene ridotta la sicurezza d‘esercizio, in quanto ogni accensione e
disattivazione di un bruciatore grava notevolmente sugli apparecchi
di controllo (ad es. controllo fiamma), con la direttiva che in caso
di dubbio l‘impianto deve essere spento.
I capitolati e le richieste devono presentare potenze della caldaia
con dati di tolleranza.
Un sovradimensionamento del bruciatore significa un comportamento di regolazione limitato con tutti gli svantaggi citati.
Molte caldaie vengono messe in esercizio per decenni. Gli impianti
di combustione e i dispositivi di regolazione devono essere aggiornati in intervalli di 5 – 10 anni, se non completamente sostituiti. Per
questo bisognerebbe osservare contemporaneamente al momento
della selezione della grandezza della caldaia ad un maggiore fabbisogno di potenza successivo, in quanto non vi sono in pratica
svantaggi. I bruciatori viceversa devono sempre essere selezionati
in modo tale che con un aumento del fabbisogno venga eventualmente sostituito, cosa che è possibile senza problemi e senza
eccezioni per impianti di riscaldamento industriali e comunali.
Stabilimento di produzione 3 Bischofshofen
Bosch Industriekessel Austria GmbH
Haldenweg 7
5500 Bischofshofen
Austria
www.bosch-industrial.com
Stabilimento di produzione 2 Schlungenhof
Bosch Industriekessel GmbH
Ansbacher Straße 44
91710 Gunzenhausen
Germania
© Bosch Industriekessel GmbH | Figure solo a
titolo di esempio | Con riserva di modifiche |
07/2012 | TT/SLI_it_FB-Kessel-Brenner_02