IL RISPARMIO DI ENERGIACON I SISTEMI DI CONTROLLO COMBUSTIONE

O2 e CO

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IL RISPARMIO DI ENERGIACON I SISTEMI DI CONTROLLO COMBUSTIONE

O2 e CO

Controllare continuamente il contenuto di ossigeno nello scarico dei fumi (camino) di una caldaia,comporta reali risparmi di combustibile perché consente al bruciatore di funzionare, su tutto il campodi lavoro, con un eccesso d’aria minimo. Si contiene quindi il fabbisogno energetico senza rinunciarealle prestazioni, migliora l’efficienza di tutto il sistema combustione, si ottiene una riduzione delle emissioni e una diminuzione dei costi generali di esercizio. Pensando ad una applicazione industriale, dove il costo dell’energia è fondamentale, è evidente quanto il risparmioenergetico possa incidere sensibilmente sul costo del prodotto finale.

PLUS CONTROLLO O2

• ELEVATI RENDIMENTI DI COMBUSTIONE• PRESTAZIONI COSTANTI NEL TEMPO• VELOCE AMMORTAMENTO DEL CONTROLLO O2• RIDUZIONE DEI TEMPI DI MANUTENZIONE DEL GENERATORE DI CALORE

Bruciatore mod. GI 510 ME CO VFunzionamento a gas metano Installato su caldaia ad acqua calda da 5 MW

L’ IMPORTANZA DI OTTIMIZZARE LA COMBUSTIONE

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Se le condizioni ambientali fossero costanti, potremmo regolare il bruciatore con un eccessod’aria minimo senza alcun problema ed essere certi di mantenerli nel tempo.Nella realtà, i valori di combustione tarati dal tecnico in fase di accensione non rimangonocostanti per lunghi periodi a causa dell’ effetto dei fattori ambientali che, influenzano neltempo la composizione della miscela combustibile/aria, peggiorando l’efficienza del sistemacombustione.

le isteresi meccaniche (giochi), creano inevitabilmente variazioni di regolazionedella combustione.Come si compensano i fattoridi disturbo della combustione?Aumentando l’eccesso d’aria...che si traducein una diminuzione del rendimento di combustione! Un bravo tecnico si accontentadi un 10-15% di eccesso di portata d’aria disicurezza, per compensare i sopracitati fattori di disturbo sempre presenti negliimpianti, ma è pratica comune fornire eccessi

d’aria decisamente più abbondanti proprioper essere sicuri di non avere problemi dicombustione durante la stagione invernale.

Questa massa d’aria riscaldata che escedal camino non fornisce alcun contributocalorico ed è la principale causa di perditadi efficienza. Utilizzando la formula diSiegert possiamo calcolare l’efficienzadella combustione:

Ma quali sono questi fattori di disturbodella combustione?Per quanto riguarda il lato aria comburente,l’eccesso d’aria cambia se cambia la temperatura, la pressione, la contropressionenel focolare o il tiraggio al camino. Per quanto riguarda il combustibile, neltempo possiamo avere variazioni di poterecalorifico, temperatura, pressione, viscosità,densità o anche variazioni di portata dovute,ad esempio, allo sporcamento dei filtri.Anche dal punto di vista meccanico,

Da questa formula possiamo vedere che adogni riduzione di 1% di O2 corrisponde unaumento di efficienza di circa 0,6% per ilgas, 0,7% per il gasolio e 0,75% per l’olio combustibile considerando che, ad unariduzione di ossigeno, corrisponde un cambiamento della temperatura dei fumi.

COMBUSTIBILE A2 BGAS METANO 0,66 0,009GASOLIO 0,68 0,007OLIO COMBUSTIBILE 0,61 0,010

QS = perdita di calore al caminoTf = temperatura fumiTa = temperatura aria comburenteη = rendimento combustioneO2 = ossigeno misuratoA2, B = valori tipici del combustibile

(vedi tabella)

A2Qs = (tf - ta) • + B [%]21 - O2

ηη = 100 - QS

UNO SPRECO DI ENERGIA

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3.0

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000.0

UNA SOLUZIONE EFFICIENTE: IL CONTROLLO OSSIGENOIl controllo ossigeno ha il compito di mantenere invariata la miscela di combustibile e aria comburente anche a fronte di condizioni ambientali sfavorevoli. Mantiene quindi costante l’eccesso d’aria su valori ottimali. Il bruciatore lavorerà, su tutto il campo di lavoro, seguendouna curva dell’ ossigeno impostata dal tecnico in fase di avviamento del bruciatore (vedi grafico sotto). E’ comunque possibile escludere la regolazione O2: in questo caso il bruciatore continuerà a funzionare su una curva di base con eccesso d’aria di sicurezza (impostata in fase di avviamento bruciatore).

Il valore di ossigeno rilevato dalla sondaviene continuamente confrontato con il valore di set point impostato sulla curva.L’eventuale scostamento fra i 2 valori di ossigeno (rilevato/set point) genera unsegnale di correzione che può essere trasmesso al servomotore dell’aria comburente o, se presente, ad un inverter cheprovvederà a regolare la portata d’aria modificando i giri del ventilatore. La correzione dell’ossigeno avviene in modocontinuo ed automatico e garantisce un altorendimento di combustione ed un bassoinquinamento.Si potranno così ottenere, alti rendimenti dicombustione in quanto, mediante la misurazione continua del contenuto di O2 nei

fumi e la conseguente correzione dell’ariacomburente, possono venire rilevati e compensati tutti i fattori di disturbo cheinfluenzano nel tempo la composizione dellamiscela combustibile/aria. Le sonde utilizzateper la rilevazione dell’ossigeno sono al biossido di zirconio che, nel tempo hannodimostrato di essere affidabili, precise nellamisura, stabili nel tempo e dotate di unarisposta quasi istantanea. Non richiedemanutenzione e non richiede calibrazione congas campione neanche in caso di sostituzione. Costituiscono uno dei sistemipiù affidabili per la misura dell’ossigeno neifumi. Il controllo ossigeno può essere applicato a qualsiasi combustibile.

I valori di ossigeno sono indicativie sono riferiti a generatori di calorea 3 giri di fumo.

I valori di ossigeno ottimalipossono cambiare in funzionedella tipologia della caldaia.

CURVA DIREGOLAZIONE O2IN FUNZIONE DELLAPOSIZIONE DI CARICO

COME FUNZIONAIL CONTROLLO O2

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QUANTIFICHIAMO IL RISPARMIO

Per calcolare il risparmio energetico derivato dall’utilizzo del controllo O2 è necessarioconoscere: tipo di caldaia, potenza focolare, il tipo di combustibile, il costo del combustibile, il valore attuale di O2 nei fumi, le ore di esercizio ed una stima della ripartizione dei carichi.

Considerando che, con combustibile gas, adogni riduzione di 1% di O2, corrisponde unmiglioramento dell’efficienza di circa 0,6%, èsemplice calcolare il risparmio ottenuto ognianno.Al carico minimo otterrò un miglioramentodell’efficienza del(6,5-3) x 0,6 x 0,33 = 0,693%Al carico medio del(6-2,5) x 0,6 x 0,33 = 0,693%Al carico massimo del (5-2) x 0,6 x 0,34 = 0,612%

Mediamente ho un risparmio del 2%(0,693 + 0,693 + 0,612) ogni anno che corrisponde, nel caso specifico a 6.000euro/anno. Nella realtà il calcolo del risparmioenergetico con controllo O2 è un po’ più complesso in quanto bisognerebbe tenerconto anche della variazione del potere calorifico del combustibile, della variazione ditemperatura tra estate ed inverno sia perquanto riguarda il combustibile che il comburente, ma la semplificazione attuata èsufficientemente precisa e comunque fornisce una indicazione di rendimentominimo garantito.L’esperienza sul campo ci dimostra che con ilcontrollo O2 si può ottenere un miglioramentocomplessivo che può arrivare al

Ma torniamo ai nostri 6.000 euro/annoLa considerazione da farsi a questo punto è:...ma quanto è la vita media di un bruciatore?Almeno 10-15 anni. Vuol dire che, nel casospecifico, il risparmio nel tempo di vitamedia del bruciatore, si può quantificarein un valore compreso fra 60.000 e 90.000euro. Ma sono sicuramente di più se considerate che non è pensabile che il prezzodel combustibile rimanga stabile al valore dioggi per 10-15 anni!A questo punto è palese quanto sia velocel’ammortamento del sistema controllo O2.

Ipotizziamo di avere un generatore di calore a3 giri di fumo da 3MW con bruciatore modulante di gas metano utilizzato con rapporto di modulazione 1/3. Il bruciatorelavora 5.000 ore all’anno con una spesaannuale di combustibile di circa 300.000euro. Il bruciatore lavora con un O2 di 6,5% alcarico minimo, 6% al carico medio e 5% alcarico massimo. Come stima della ripartizionedei carichi ipotizziamo che, per il 33% deltempo di esercizio, il bruciatore lavori al carico minimo, 33% al carico medio e 34% alcarico massimo. Ipotizziamo anche i valori diossigeno che potremo garantire con il controllo O2 installato: 3% al minimo, 2.5% alcarico medio e 2% al massimo.Riassumiamo il tutto in una tabella.

POTENZA FOCOLARE: 3MWTIPO DI CALDAIA: 3 GIRICOMBUSTIBILE: GASVALORE ATTUALE DI O2:CARICO MIN 6,5%CARICO MED 6%CARICO MAX 5%ORE DI ESERCIZIO: 5.000 h/annoSTIMA RIPARTIZIONE DEI CARICHI:CARICO MIN 33%CARICO MED 33%CARICO MAX 34%VALORE O2 CON REGOLAZIONE O2:CARICO MIN 3%CARICO MED 2,5%CARICO MAX 2%

SCHEMA DI PRINCIPIO CONTROLLO O2 E CONTROLLO CO

3%

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impianto avverse. Mantenere i punti di lavoroottimali è fondamentale per assicurare unrisparmio energetico, soprattutto quando sitratta di bruciatori di gas. Il bruciatore digasolio o di olio combustibile quando lavoracon valori di combustione non corretti lasciauscire dal camino un segno inconfondibile: il fumo. Anche l’utente meno competente siaccorge che qualcosa non funziona bene echiama il tecnico per un controllo combustione e per una nuova regolazione.Nel bruciatore di gas dal camino non si vedeniente. Che il bruciatore lavori con fortieccessi d’aria o con difetto d’aria (il CO èinodore ed incolore) la caldaia continuerà afornirci acqua calda o vapore… stiamo perdendo soldi e non lo sappiamo.Con il monitoraggio del CO potremogarantire alte prestazioni nel tempo,

consistenti risparmi di combustibile eridotte emissioni inquinanti. Il sistemarileva in simultanea anche il valore di O2 ma,per quanto riguarda la regolazione dei bruciatori a gas, non viene utilizzato per laregolazione della combustione ma unicamente per il monitoraggio e visualizza-zione. Nel caso di bruciatori multi combustibili esiste la possibilità di attivare,in funzione del tipo di combustibile, la regolazione CO oppure O2 (controllo COper funzionamento a gas e controllo O2 perfunzionamento a gasolio-olio comb.). Dalpunto di vista elettronico la tipologia di apparecchiature è identica al controllo O2.L’unica differenza è che, in questo caso, al camino abbiamo una sonda con doppioelettrodo per misurare il CO e l’O2.

La sola misurazione del contenuto O2 nei gasdi scarico non riesce ad indicare la combustione completa. Per questo motivodiventa importante poter rilevare e ridurre icontenuti degli incombusti nel gas di scarico.Il sistema combustione con controllo CO ha,come filosofia di regolazione, di cercare ilpunto di lavoro ottimale del bruciatore conbassissimo eccesso d’aria, vicino al latoemissioni, fissarlo, mantenerlo e, se necessario, continuare nell’ottimizzazione enella sorveglianza. Con il controllo CO, il tecnico non deve neanche programmare lacurva di lavoro in quanto il punto di migliorrendimento di combustione possibile, in ogniistante ed in modo automatico, lo cerca ilsistema elettronico. Il controllo fiamma elettronico regolerà la combustione del bruciatore, senza intervenire sul regolatore dicarico, riducendo continuamente l’aria comburente, tramite inverter se presente(soluzione consigliata) o attraverso il servomotore dell’aria in ogni punto dellacurva di carico, fino a quando al camino nonviene rilevata la presenza di alcune decine dippm di CO. A questo punto la regolazionedella combustione si orienta verso un lambdaleggermente maggiore trovando il punto dilavoro ottimale.In pratica il bruciatore lavorerà, su tutto ilcampo di lavoro ed in modo totalmente autonomo, sul confine delle emissioni di COriducendo quindi al minimo l’eccesso d’aria(vedere a titolo di esempio il grafico nellapagina seguente). I punti di lavoro ottimalisono soggetti ad una verifica di plausibilità ei punti troppo fuori campo vengono eliminatie ricalcolati. Questa procedura viene ripetutaciclicamente per mantenere i punti di lavoroottimali anche in condizioni climatiche e di

I valori di ossigeno sono indicativi e sonoriferiti a generatori di calore a 3 giri di fumo.

I valori di ossigeno ottimali possono cambia-re in funzione della tipologia della caldaia.

IL CONTROLLO CO:

IL MASSIMO DEL RISPARMIO ENERGETICO NELLA GESTIONE DEI BRUCIATORI A GAS

OLTRE IL CONTROLLO O2...

COME FUNZIONA IL CONTROLLO CO

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QUANTIFICHIAMO IL RISPARMIO

Consideriamo infine che, nel caso si utilizzil’inverter per la correzione dell’ossigeno, otteniamo anche un sensibile risparmio ener-getico elettrico quantificabile in 35-45%rispetto al consumo del motore del ventilatoreed una forte riduzione del livello di pressionesonora soprattutto ai carichi minimi del bruciatore. Riferendoci all’esempio specifico,il bruciatore da 3MW (es. BGN 300 LX) èalimentato da un ventilatore con motore da7,5 kW e funziona per 5000 ore all’anno.Per semplificare ipotizziamo che al massimodella potenza focolare, quindi 3 MW, anchenella versione con inverter il bruciatore funzioni a 50 Hz. In questo caso al massimodel carico il consumo elettrico sarà identicoper le due versioni. Chiaramente, per laversione con inverter, i 50 Hz si avrannosolo al massimo della portata bruciata;appena il bruciatore inizierà a modulareavremo una riduzione progressiva delnumero dei giri del ventilatore e cominceràil risparmio di energia elettrica.

Riferendoci all’esempio precedente con ilcontrollo O2:

POTENZA FOCOLARE: 3MWTIPO DI CALDAIA: 3 GIRICOMBUSTIBILE: GASVALORE ATTUALE DI O2:CARICO MIN 6,5%CARICO MED 6%CARICO MAX 5%ORE DI ESERCIZIO: 5.000 h/annoSTIMA RIPARTIZIONE DEI CARICHI:CARICO MIN 33%CARICO MED 33%CARICO MAX 34%VALORE O2 CON REGOLAZIONE O2:CARICO MIN 3%CARICO MED 2,5%CARICO MAX 2%VALORE O2 CON REGOLAZIONE CO:CARICO MIN 2,4%CARICO MED 1,9%CARICO MAX 1,5%

Rispetto al controllo O2, al carico minimootterrò un miglioramento dell’efficienza del(3-2,4) x 0,6 x 0,33 = 0,12%Al carico medio del(2,5-1,9) x 0,6 x 0,33 = 0,12%Al carico massimo del(2-1,5) x 0,6 x 0,34 = 0,1%

Nel caso specifico, con il controllo COho un ulteriore risparmio (rispetto alcontrollo O2) dello 0,34% (0,12 + 0,12 +0,1) ogni anno che corrispondono a1.020 euro/anno che vanno a sommarsiai 6.000 euro/anno, per un totale di7.020 euro/anno.

Generalmente su caldaie a 3 giri si possonoottenere regolazione di combustione conun eccesso d’aria un po’ inferiore ai valoriindicati in tabella, per cui possiamo affermare che il controllo combustione conCO può incrementare l’efficienza energeticadello 0,5% rispetto al controllo O2.

Potenza elettrica assorbita BGN 300 LX con e senza inverter

0,0

1,0

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3,0

4,0

5,04,7

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1,3

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300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700

Potenza bruciata [kW]

Pote

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asso

rbita

[kW

]

senza inverter

50 Hz

con inverter

Misure eseguitein laboratorio su tubidi prova secondo EN676.

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Rumorosità BGN 300 LX con e senza inverter

7172737475767778798081828384858687888990919293

300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700

Potenza bruciata [kW]

Rum

oros

ità [

dB(A

)]

senza inverter

con inverter

50 Hz

20001000

Ipotizzando un costo dell’energia elettrica di0,15 euro/kWh avremo un costo energeticoannuo di:4.950 kWh x 0,15 Euro/KWh = 742,5 Euro

Utilizzando l’inverter avremo un consumoannuo di:1,3 kW x 1.650 h = 2.145 kWhed un costo energetico annuo di:2.145 kWh x 0,15 Euro/kWh = 321,75 Euro

Riassumendo, il risparmio annuale, ma vaconsiderato evidentemente anche il tempo divita media del bruciatore, ottenuto al caricomedio e minimo sarà di:(1.163+743)-(601+322)= 983 euro/anno

Come già accennato, l’uso dell’ inverter perattuare la correzione dell’ossigeno, consentedi ridurre il livello di pressione sonora soprattutto ai carichi parziali.

Riferendoci ai valori di potenza bruciata indicati nell’esempio precedente, vediamoche a 2MW la rumorosità si è ridotta di 6dB(A) e al carico minimo considerato a 1MWdi 7 dB(A). Per dare un ordine di idea di quanto importante sia la riduzione di 6 dB(A)a livello di percezione sonora, ricordiamo che,se in un ambiente, si rileva una diminuzionedi 3 dB(A) il rumore di fatto dimezza.

A carico medio (2MW) senza inverter avremoun consumo approssimativo di:4,7 kW x 1650 h = 7.755 kWhIpotizzando un costo dell’energia elettrica di0,15 euro/kWh avremo un costo energeticoannuo di:7.755 kWh x 0,15 Euro/KWh = 1.163,25 Euro

Utilizzando l’inverter avremo un consumoannuo di:2,43 kW x 1.650 h = 4.009,5 kWhed un costo energetico annuo di:4.009,5 kWh x 0,15 Euro/kWh = 601,43 EuroA carico minimo (1MW) senza inverter avremo un consumo approssimativo di:3 kW x 1650 h = 4.950 kWh

Misure eseguitein laboratorio su tubidi prova secondoEN676 ad 1 metrodi distanza dal bruciatore.

Valutiamo il risparmio energetico a medio e minimo carico tenendo conto delle stime di carico indicate precedentemente.

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Vantaggi delcontrollo COrispetto alcontrollo O2

• MAGGIOR RISPARMIO ENERGETICO(fino al 0,5% rispetto al controllo O2)

• INDIPENDENTE DA ARIA ESTERNA:la misurazione e regolazione della combustione è estremamente affidabilein quanto indipendente da aria esterna.Rispetto al controllo O2 che, in caso dinon perfetta tenuta del raccordo caldaia – camino, si avrebbero infiltrazioni diaria esterna che andrebbero a falsare la lettura e la conseguente regolazionedella combustione, il controllo CO è indi-pendente da aria esterna in quanto lasonda non tiene conto dell’ ossigeno aifini della regolazione, bensì CO.

Con l’entrata in vigore del protocollo di Kyoto, che penalizzerà, in termini economici, le aziende in funzione dell’emissione di CO2

nell’ambiente, diventa ancora più importante prestare attenzione all’efficienza energetica del sistema combustione installato.

• SICUREZZA ASSOLUTADI FUNZIONAMENTO:con questo sistema viene anche garantitala sicurezza assoluta di funzionamento dalmomento che gli incombusti vengono misu-rati direttamente (senza essere presuppostiin funzione di un valore di ossigeno rilevato, come avviene nel controllo O2).

• DETERMINAZIONE AUTOMATICADEL MINIMO ECCESSOD’ARIA POSSIBILE

• GRANDE RISPARMIO DI ENERGIAELETTRICA E FORTE RIDUZIONEDEL RUMORE nel caso si utilizzi l’inverter per la correzione O2

Le tecnologie si evolvono e la diffusione di apparecchiature elettroniche a costi sempre piùcontenuti offrono la possibilità concreta di realizzare sistemi di regolazione della combustione sempre più raffinati e nel contempo di ottenere, in modo completamenteautonomo, prestazioni sempre migliori dalle caldaie di media e alta potenza. Inoltre, l’opportunità di realizzare bruciatori con all’interno integrati i sistemi di ottimizzazionedella combustione risulta certamente la soluzione migliore per poter garantire un funzionamento più affidabile.

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MODULO PER IL CALCOLO DEL RISPARMIO ENERGETICO

TIPO DI CALDAIA: 3 GIRI

INVERSIONE DI FIAMMA

ALTRO (specificare)

POTENZA FOCOLARE: MW

COMBUSTIBILE:

COSTO ANNUO COMBUSTIBILE: euro/anno

VALORE ATTUALE DI O2:

CARICO MIN %

CARICO MED %

CARICO MAX %

ORE DI ESERCIZIO (ANNO): h/anno

STIMA RIPARTIZIONE DEI CARICHI:

CARICO MIN %

CARICO MED %

CARICO MAX %

VALORE O2 CON REGOLAZIONE O2:

CARICO MIN %

CARICO MED %

CARICO MAX %

VALORE O2 CON REGOLAZIONE CO:

CARICO MIN %

CARICO MED %

CARICO MAX %

RISPARMIO ENERGETICO ANNUO PREVISTO: %

Impianti eapplicazioni

Bruciatore mod.TS 3G AC ME CO V (11.600 kW)Funzionante a gas naturale, esecuzionecon aria comburente 150°C.Installato su caldaia ad olio diatermico da 5.000 kW.Monitoraggio remoto con protocollo MOD BUS.

Bruciatori mod.BGN 250 ME CO V (2.500 kW)Funzionanti a gas naturale.Installati su caldaie ad acqua calda da1.500 kW ad uso riscaldamento.

Bruciatori mod.GI MIST 510 ME CO V (6.500 kW)Funzionanti alternativamente a gasnaturale e gasolio.Installati su caldaie ad acqua calda da5.000 kW ad uso riscaldamento.

Baltur S.p.A.Via Ferrarese, 10

44042 Cento (Fe) - Italy

Tel. +39 051-6843711

Fax: +39 051-6857527/28

www.baltur.it

info@baltur.it

I dati riportati su questo catalogo sono da ritenersi indicativi e non impegnativi;Baltur si riserva la facoltà di apportare modifiche senza obbligo di preavviso.

Cod.

000

1001

129

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Ediz.

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