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May 21, 2023

Steam: 損失を最小限に抑え、エネルギーを節約

Sia che utilizziate il vapore come ingrediente (per cucinare) o per cucinare,

蒸気を食材 (料理用) として使用するか調理に使用するかにかかわらず、今日の天然ガスと石油の価格が上昇傾向にあるため、環境保全は企業の持続可能性の観点からだけでなく、特に収益の観点からも重要です。 今日は、できる限り 3 つの R、リデュース、リユース、リサイクルを考えてみましょう。 たとえば、凝縮水を再利用してリサイクルしますか? それはすでに水であり、処理されています - そしてそれは熱いです。 生産される食品 1 ポンドあたり、またはビール 1 バレルあたりの BTU で生産コストを検討します。 蒸気エネルギーの一般的な損失はどこで、どのようなものですか?

「蒸気排出システムはエネルギー損失の最大のポイントですが、戦略的なソリューションで効果的に管理できます」と、Stellar の第 3 プロセス エンジニアである Sam Simkowski 氏は述べています。 適切にバランスのとれた蒸気システムは、エネルギー損失とボイラー全体の排出量を削減するのに役立ちます。 これを達成するために、プラントは大気中に放出される蒸気の量を最小限に抑えるか排除するように努める必要があります。 工場は蒸気を排出するのではなく、フラッシュ蒸気を回収してリサイクルして、加工エリアでの水を加熱するなどの工場のニーズをサポートできます。 熱交換器または凝縮器を組み込むと、施設でフラッシュ蒸気のエネルギーを利用できるようになり、全体のコストに大きなプラスの影響を与えることができます。 ベントによる損失を防ぐもう 1 つの方法は、高圧蒸気システムにフラッシュ タンクまたはカスケード システムを組み込むことです。 この方法は、プラント内の他の場所で使用できる低圧蒸気源を提供するとシムコウスキー氏は付け加えた。

フラッシュ蒸気の主な発生源は、飽和凝縮水がより低い圧力に低下するときに発生すると、CRB の機械エンジニア、PE のジョナサン クラーク氏は述べています。 蒸気凝縮水が接続されている機器のスチーム トラップを通過すると、スチーム トラップ全体で圧力降下が発生し、フラッシュ蒸気が発生します。 これは完全に有用な蒸気ですが、多くの場合、機器の蒸気源として見落とされています。 装置の稼働状況が許せば、フラッシュスチームを受け入れてくれるユーザーがいれば、回収して別の場所で利用することも可能です。

クラーク氏によると、重要なポイントは、「回収されないフラッシュ蒸気は、エネルギー損失と水損失の両方です。未回収フラッシュ蒸気 1 ポンドごとに、関連する補給水 1 ポンドが必要になります。蒸気システムを評価するエンジニアは、これらの損失のコスト。」

「蒸気システムの設計者は、フラッシュ蒸気回収に利用できる凝縮水の流れを評価する必要があります」と Clark 氏は付け加えます。 フラッシュ蒸気分離器は、低圧加熱用途に使用される有用な蒸気を回収するために、高圧凝縮流と低圧凝縮流との間に使用され得る。 十分かつ安定した供給を確保するには、フラッシュ蒸気回収と低圧ユーザーの動作特性も考慮する必要があります。

フラッシュ蒸気回収のもう 1 つの方法は、高圧凝縮液をより低い圧力までフラッシュして再利用できるようにすることだと、デニス グループのシニア プロセス エンジニアであるガブリエル レゴルブル PE 博士は述べています。 このアプローチは、施設に複数の蒸気圧力がある場合に使用できます。 たとえば、高圧蒸気を使用してフライヤー油を 415°F に加熱するアプリケーションを考えてみましょう。 蒸気から油への熱交換器から出る凝縮水は依然として 200 PSIG を超える可能性があります。 理想的には、この高圧凝縮液は、200 PSIG 以下に設定された背圧調整器を備えた容器内でフラッシュされます。 低圧の蒸気は、フライヤーよりも低い圧力を必要とする機器に使用できます。

蒸気システムの質量とエネルギーのバランスには、蒸気システムのすべての計算が含まれる必要があります。 これらの計算は、蒸気を生成するためのエネルギー入力分析から蒸気システムの運用コストを決定するために使用されます。 質量とエネルギーのバランスの一部としてのフラッシュ蒸気回収の計算は、Spirax Sarco の出版物「Design of Fluid Systems, Hook-Ups」に詳しく記載されています、と Clark 氏は言います。

スチームトラップが故障すると、故障モードに関係なく問題が発生します。 トラップがフェイルオープンすると蒸気が失われ、操作によっては最大 6 桁ものエネルギーの無駄が発生する可能性があります。フェイルオープンしたトラップが圧力と効率に影響を与えることは言うまでもありません。 閉じた故障により、熱の生成が停止し、圧力が危険なレベルまで上昇する可能性があります。 どれだけのエネルギーを無駄にしているのかを知るために、資格のあるエンジニアによるスチームトラップ調査を検討してください。 (補足記事「蒸気システム調査でシステムの問題と無駄が明らかになる可能性がある」を参照。) また、スチーム トラップにモニター/センサーを設置することも検討してください。これにより、故障を検出し、故障が発生しそうになった場合、または故障が発生した場合に、ネットワークまたは無線通信を介してオペレータに警告することができます。発生した。

食品工場のスチームトラップは、頭上や隙間などの目立たない場所に設置されているか、目立たない場所に隠れていることがよくあります。 SaaS (Software-as-a-Service) スチーム トラップ モニタリング ソリューションのプロバイダーである Pulse Industrial は、サードパーティの監査および設置会社を通じて、193 台のスチーム トラップを備えた大規模な食品加工工場にソフトウェアとスチーム トラップ モニターを設置しました。中には監査目的で検査するのが難しいものもありました。 設置プロセスにおいて、監査会社は欠陥のあるスチーム トラップを特定して交換し、年間数万ドルの無駄なエネルギーを節約しました。 この食品メーカーは、調理用蒸気、HVAC、熱交換器のアプリケーションを使用していました。

モニターと SaaS ソフトウェアをインストールした後、この食品会社はエネルギーの無駄と CO2 排出量を削減するという目標の達成に向かって進んでいます。 監査会社を利用して監視装置を設置することにより、処理業者はトラップのサイズ、種類、位置を記録できるため、トラップが故障したときに簡単に見つけることができます。 食品メーカーは、トラップを検査するために危険な場所に人員を派遣する必要がなくなりました。 その代わりに、ワイヤレス モニターが施設内のすべてのスチーム トラップの操作とメンテナンスを最新の状態に保ち、手動による検査を回避し、作業者の安全を確保します。

施設の全蒸気調査には、次の評価を含める必要があります。

蒸気および蒸気凝縮システムの物理的検査は、施設保守担当者にとって日常的な作業である必要があります。 システムと動作の外観を目視検査すると、ガスケットの漏れ、バルブステムパッキンシールの漏れ、開いたトラップの固着、配管の完全性、ボイラーの異常動作、ドレンポイントの開いたまま、化学処理の欠陥、システムの不適切な変更などの問題が見つかる可能性があります。

システムエンジニアリング設計のレビューと目視検査では、アプリケーション設計、蒸気機器の適切な使用、および配管システム設計も検討する必要があります。

蒸気および蒸気凝縮水の一般的な損失点は次のとおりです。

何度も拡張、設備の改修、ライン拡張を経た古い食品施設では、システム調査において特有の課題が生じる可能性があります。 場合によっては、エンジニアリング設計がシステム全体に利用できないか、最新ではない場合があります。 システムの質量とエネルギーのバランス、および施設の既存の状態を反映するシステム図面を維持することは、価値のある努力です。

—Jonathan Clark、PE、機械エンジニア、CRB

凝縮水戻りラインを使用すると、すでに処理した水を再利用できます。 しかし、これらのラインには問題が発生する可能性があり、ボイラー供給タンクまでの位置と距離によってはエネルギーを浪費する可能性があります。 今日のほとんどのプラントでは、これらのラインは通常、隙間にたどり着きます。これは、凝縮水を上方にポンプで汲み上げて、長い距離を供給タンクに戻す必要があることを意味します。

「間隙空間でユーティリティを実行することは、新しい施設設計において増加傾向にありますが、凝縮水は主要な凝縮水戻りラインよりも低い高度で生成されるため、設計全体に特有の課題が生じます」とステラ社のシムコウスキー氏は述べています。 「大量の凝縮液を生成するプロセスフロアのプロセス機器は、長期的なコスト削減を生み出し、ボイラー全体の効率を高める機会を生み出します。凝縮液を隙間空間に上げてボイラーに接続することに関連する揚程を克服するには、ポンプが必要です。」メインの凝縮水戻りラインです。」

「蒸気ユーザーの上に設置された蒸気および蒸気凝縮水配管は、ユーザーからの凝縮水をヘッダーに戻す際に課題を引き起こす可能性があります」と CRB のクラーク氏は言います。 「多くのプラントで見られる一般的な誤解は、垂直ライザーリターン用途に必要なのはスチームトラップだけであるということです。これは正しくありません。スチーム凝縮水を持ち上げるには、装置に専用のポンプトラップを使用する必要があります。あるいは、凝縮水が重力で共通の受け器に排出される可能性があるエリアに複数のユーザーがいる場合は、共有の凝縮水返送システムをそのエリアに設置することができます。」

「主な復水戻りラインは通常、ボイラーに向かって傾斜しているため、重力が優先してしまいます」とStellarのSimkowski氏は付け加えます。 適用可能な場合、同じまたは類似の機器からの凝縮水は、多くの場合、設計を最適化するために共通の凝縮水ポンプを共有できます。 このソリューションを使用すると、システムの動作に必要なエネルギーが少なくなります。 さらに、このアプローチにより、必要な配管と機器の量が最小限に抑えられ、設置コストが削減され、さらなる節約がもたらされます。

「共用ドレンリターンシステムアプリケーションでは、複数の温度のドレンがレシーバーに入る場合、オープンレシーバーが必要になることがよくあります」とクラーク氏は言います。 このシナリオにおける凝縮水は、多くの場合、電動リターンポンプまたは動力圧力ポンプを使用して戻されます。 原圧駆動ポンプは、凝縮水を戻すための原圧として蒸気または圧縮空気を使用します。 電動遠心凝縮水戻りポンプには、低圧蒸気システム以外での使用にはいくつかの制限があります。 これらのポンプのメーカーは、アプリケーション公告でこれらの制限について詳しく説明していますが、主な制限は最大温度能力とキャビテーションの可能性です。 使用する復水戻りポンプのタイプは、レシーバーに入る復水の流れを考慮して徹底的に評価する必要があります。

クラーク氏は、システム全体の配管を削減するために、蒸気ユーザーにボイラーの位置をできるだけ近くに保つ必要があると付け加えました。 配管が長い場合は、本管により多くのドリップトラップが必要となり、フラッシュ蒸気の損失が小さくなります。 蒸気を原動力として利用する駆動凝縮水戻りポンプは、蒸気の無駄を最小限に抑えるために、加圧戻りヘッダー圧力を超えるメーカー推奨圧力で動作する必要があります。 トラップの機能上の問題を引き起こす可能性があるため、トラップされた凝縮液ラインをポンプで送られる戻りヘッダーに戻さないようにしてください。

「クレイトン社は、ボイラー自体をターゲットにして効率の研究を始めることを推奨しています」と、クレイトン・インダストリーズのサーマルセールスのジェームス・アドジー氏は述べています。 「性能が低下している蒸気システムでは、老朽化し​​たボイラーや設計が不十分で効率が低下しているボイラーが主な原因であり、ボイラーシェルからの熱損失も寄与している可能性があります。企業によって異なる名前が使用されている可能性がありますが、クレイトン氏はこの調査を「蒸気機関」と呼んでいます。 「負荷プロファイル」は、施設から運転データを取得し、それをボイラーのパフォーマンスの簡単な概要に変換し、損失領域と改善の可能性を把握します。熱交換器、蒸気ラインについてはさらに考慮する必要があります。また、熱損失の可能性がある場合はスチーム トラップも原因となる可能性があります」と Adgey 氏は言います。 潜在的なスケーリングの問題があるかどうかを確認するために、化学物質のログと処理をレビューすることもお勧めします。

「ボイラーのブローダウンは、燃焼したボイラーに必要な動作特性です」と CRB のクラーク氏は言います。 化学処理の最適化とボイラーのメンテナンスは、ボイラーのブローダウンの頻度に直接影響します。 ボイラー処理を専門とする水処理会社は、ボイラーの汚れを軽減しながらブローダウンを最小限に抑えるための最適な化学処理計画のために水システムを評価できます。

一般に、蒸気発生器を使用点の近くに配置することは、どの施設でも優れたアイデアです。パイプの長さが短いほど損失が少なく、設置費用が安くなり、また、蒸気発生器による生産開始までの待ち時間が短縮されるという追加の利点もあります。クレイトンズ・アドジー氏は、蒸気の移動距離が短いという単純な事実があると述べています。 「あなたの設備では、すべての小型発電機を集中場所に置くのではなく、工場全体の使用箇所に小型発電機を配置することにも適しているかもしれませんが、これは状況次第です。」

「いかなる施設においても、蒸気システムは人間が消費する食品に直接注入するための 21CFR173.310 および 40CFR パート 141、142、143 の要件を満たさなければなりません」とクラーク氏は言います。 既存のボイラーまたは計画されているボイラーがこれらの要件を満たしていない場合は、食品用途向けの既存システムの改修または用途に合わせた食品に安全な専用ボイラーの設置に関する資本評価を実行する必要があります。

衛生的な、またはきれいな蒸気は通常、電気衛生蒸気発生器、またはシステムの動作特性が許せば蒸気から蒸気への熱交換器のいずれかを使用して生成される、とクラーク氏は付け加えます。 どちらのシナリオでも、どちらのタイプを使用するかを決定するために、両方のシステムの資本コストと運用コストの評価を実行する必要があります。

「調理施設に関しては、蒸気が製品に直接接触しない状況であれば、ユーティリティスチームを使用することは常に良い選択肢です。ユーティリティスチームは同レベルの化学処理や濾過を必要としないためです。したがって、生産コスト効率が高くなります」と Adgey 氏は言います。 「ただし、施設の規模と生産レベルに応じて、2 つの異なる蒸気品質を生成する努力に価値があるか、それとも蒸気から蒸気への発生器を組み込むか、判断する必要があります。」

蒸気ボイラーには電気燃料か化石燃料か?

天然ガスは依然として蒸気ボイラーおよび発電機の主な選択肢ですが、電気駆動の蒸気発生器には天然ガスに比べていくつかの利点があると考えられます。 たとえば、CO2 やその他のガスを放出せず (二酸化炭素排出量ゼロ)、ほぼ 100% の変換効率を達成し、保守する部品や関連機器 (送風機など) がはるかに少なく、一見するとメンテナンスも最小限で済みます。ダウンタイム。

「電気蒸気発生器による総所有コストの削減を体験してください」と題された Chromalox ホワイトペーパーの中で、著者は、電気、天然ガス、石油を動力源とする 10 MBtu/hr (2,931 kW) ボイラーの相対的な所有コストを比較しています。 。 同氏は比較に使用した電気料金については言及しなかったが、電気料金は同等の天然ガスの2倍になるが、総所有コスト（TCO）は天然ガス蒸気の半分以下になるだろうと示唆した。 20 年の耐用年数を考慮すると、電気ボイラーの TCO は依然として天然ガスの半分未満です。

もちろん、実際のエネルギー料金を比較しなくても、これらの TCO は今日のエネルギー市場の変動目標になる可能性があります。 天然ガスと石油の料金が高騰しているため、電力会社はこれらのコストを転嫁することになる。 著者が 20 年間にわたって TCO を比較した結果、電力の方がまだ少ないとはいえ、特に高電圧サービスが利用できない場合、ボイラー設置場所まで高電圧サービスを実行するための実際のコストはいくらになるでしょうか? また、停電すると電気蒸気ボイラーは使用できなくなります。

「プロセッサーは既存の装置を評価して、効率的に運用されているかどうかを判断する必要があります」とクラーク氏は言います。 「不十分なメンテナンス方法や運用の非効率性を考慮してシステムの設定値が変更されていないことを確認してください。フラッシュ蒸気を追加設備の初期資本要件まで削減するための長期運用コストを評価してください。比較分析が提供されていない場合は、 、資本改善のためのビジネスケースを支援してくれる人をリクエストしてください。」

ステラ社のシムコウスキー氏は、プラントは蒸気システムの予防または予測メンテナンス プログラムを組み込む必要があると述べています。 システムのコンポーネント (トラップ、バルブ、凝縮器、熱交換器、コイルなど) が適切に動作しない場合、システムの信頼性と効率が低下します。

新規設置の場合は、実績のある品質を備えた高効率の機器に投資してください、と Adgey 氏は言います。 初期コストは高くなりますが、わずかでも効率性が高いシステムであれば、損失を最小限に抑えるだけでなく、場合によっては初年度だけで設置コストの何倍もの投資収益率を得ることができます。 製品の品質を確認するには、サプライヤーに、プラントのニーズに合わせた効率と潜在的な ROI の実際の内訳を提供するよう依頼してください。 あなたの植物は決してそうではありませんので、漠然とした理想的な説明で満足しないでください。

「最後に考慮すべき点は断熱性です」とアドジー氏は言います。 蒸気パイプと熱交換器は輻射熱損失に関して問題が生じる可能性があるため、ラインの断熱を維持するとともに、交換が必要な箇所の定期性を確認することを常にお勧めします。

「LoRaWAN 仕様とは」、LoRa Alliance、https://lora-alliance.org/about-lorawan

「電気蒸気発生器で総所有コストの削減を体験してください。」と Chromalox Inc. システムおよびサービス担当ディレクターの Mark Wheeler 氏 (2020 年 3 月 2 日)。

「ドライフード滅菌をフルスチームで推進」、FE、「エンジニアリング研究開発」、2013 年 5 月 13 日

「今日の IIoT システム向けのセルラー ワイヤレス ネットワークを検討する」、FE、2022 年 9 月 28 日