Branderupgrade bij Simplot-fabriek komt ten goede aan prestaties en energie

Om het energieverbruik en de kosten te verlagen, heeft de J.R. Simplot Company enkele jaren geleden een project voltooid dat de efficiëntie van het stoomsysteem in zijn aardappelverwerkingsfabriek in Caldwell, Idaho, verhoogde. Het project was gebaseerd op een evaluatie, uitgevoerd met behulp van de Steam System Assessment Tool (SSAT), door Bill Moir, een gekwalificeerde specialist bij Steam Engineering Inc. De SSAT is ontwikkeld voor BestPractices Industrial Technologies Program van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). De verbeteringen aan de Caldwell-fabriek besparen jaarlijks 52.000 MMBtu en 526.000 kilowattuur. De besparingen op energie- en onderhoudskosten bedragen in totaal $ 329.000 per jaar. Aangezien de totale projectkosten $ 373.000 waren, is de eenvoudige terugverdientijd minder dan 14 maanden. Vergelijkbare efficiëntiemaatregelen werden gerepliceerd in andere Simplot-faciliteiten, na analyses uitgevoerd met behulp van de SSAT. Die verbeteringen op het gebied van energie-efficiëntie leveren een aardgasbesparing op van 176.000 MMBtu per jaar.

Bedrijf/fabrieksachtergrond
De J.R. Simplot Company is een groot bedrijf in de voedings- en landbouwsector, gevestigd in Boise, Idaho, met een jaarlijkse omzet van ongeveer $ 3 miljard. Het bedrijf heeft meer dan 12.000 medewerkers in de Verenigde Staten, Canada, China, Mexico en Australië. De bedrijfsactiviteit van Simplot omvat de productie van voedsel, kunstmest, graszoden en tuinbouwproducten; veevoeder; en andere agrarische ondernemingen. Het bedrijf heeft een doorlopend energie-efficiëntieprogramma dat zich richt op de opleiding van medewerkers. David Hawk, directeur van energie en natuurlijke hulpbronnen, en Alan Christie, engineeringmanager Food Group bij Simplot, hebben nauw samengewerkt met de DOE, het Washington State University Energy Program en de Idaho Department of Water Resources Energy Division om het bewustzijn over de productiviteit te vergroten en financiële voordelen van verhoogde energie-efficiëntie in industriële systemen.

De Caldwell-faciliteit is een van de grootste van het bedrijf; het produceert ongeveer 270 miljoen pond diepgevroren frites per jaar. De site is uitgerust met drie aardgasgestookte waterpijpketels. Twee hebben een rating van 70.000 pond per uur (lb/hr), en de derde heeft een rating van 60.000. Stoom wordt gegenereerd bij 275 pond per vierkante inch gauge (psig) verzadigd. Stoom is belangrijk voor de productieprocessen van de fabriek, omdat het direct ondersteuning biedt bij het schillen, blancheren en frituren van aardappelen.

Projectoverzicht
In 2000 gaf Simplot Steam Engineering Inc. de opdracht om stoomsystemen in zijn productiefaciliteiten te analyseren als onderdeel van zijn bedrijfsprogramma voor energie-efficiëntie. Bij de eerste beoordeling op de locatie in Caldwell ontdekten analisten dat de gemiddelde stoombelasting van de fabriek 90.000 lb/uur was en dat het teveel aan verbrandingslucht gemiddeld 50 procent bedroeg. Bovendien was het rookgaszuurstofgehalte maar liefst 7,5 procent. Alle drie de ketels werkten op deellast om te voldoen aan de piekvraag naar stoom van de fabriek van 140.000 lb/uur. De piek- en gemiddelde vraag fluctueerde constant omdat het aardappelschilvat snel gevuld moest worden om vocht in de aardappelen te verdampen. Hergebruik van condensaat was minimaal; alleen het hogedrukcondensaat van de hete olie-warmtewisselaars werd teruggevoerd naar de ketels.

De eerste conclusie was dat de efficiëntie van het stoomsysteem drastisch kon worden verbeterd door nieuwe branders te installeren die zijn uitgerust met parallelle positioneringsregelingen en een rookgaszuurstofregeling toe te voegen om de hoeveelheid overtollige lucht die nodig is voor een kwaliteitsvolle verbranding te verminderen.

In 2002, toen de SSAT-software werd gelanceerd, gebruikte Moir deze om het stoomsysteem van de Caldwell-fabriek te beoordelen. Het SSAT-model gaf een potentiële aardgasbesparing aan van meer dan 25.000 MMBtu per jaar als de ketels in de Caldwell-faciliteit consistent zouden kunnen worden gebruikt bij een rookgaszuurstofgehalte van 3 procent. Dit zou kunnen worden bereikt door het upgraden van de verouderde branders en regelingen en het installeren van rookgaszuurstoftrimsystemen op de ketels, zoals aangegeven in de eerdere analyse. Bovendien toonde het SSAT-model aan dat upgrades van het condensaatsysteem het mogelijk zouden maken meer condensaat te recupereren, dat de ketels konden werken met een teveel aan verbrandingslucht van 10 procent en dat slechts twee ketels de stoombelasting van de fabriek konden opvangen.

Projectimplementatie
Het management van Simplot besloot de aanbevelingen van Steam Engineering, gebaseerd op de SSAT-analyse, eerst in de Caldwell-faciliteit te implementeren. Als het Caldwell-project succesvol was, zouden soortgelijke maatregelen worden genomen op andere Simplot-locaties na evaluaties op basis van SSAT.

Om productiestilstand tot een minimum te beperken, werden de nieuwe branders en regelaars geïnstalleerd op twee ketels tijdens geplande fabrieksonderbrekingen. Nadat de bestaande branders waren verwijderd, werden op elk ketelfront nieuwe frontplaten gemonteerd voordat de nieuwe branders konden worden geïnstalleerd. Vervolgens werden op elke ketel nieuwe verbrandingsluchtventilatoren, rookgasrecirculatiekanalen, rookgaszuurstofanalysatoren en ketelbesturingssystemen met zuurstoftrimsystemen geïnstalleerd. Nadat alle verbeteringen waren voltooid, kon het fabriekspersoneel de stoombelasting van de fabriek aan met minder stoom en aardgas zonder de productie te verminderen.

Projectresultaten
Het Caldwell-fabrieksproject heeft de efficiëntie van het stoomsysteem van de fabriek aanzienlijk verhoogd. Doordat de nieuwe branders zuiniger zijn en rookgas beter recirculeren, draaien de ketels nu op een gemiddeld rookgaszuurstofgehalte van 3 procent of minder. De piekstoombelasting van de fabriek is nu 110.000 lb/uur en twee ketels kunnen aan die belasting voldoen, bij een teveel aan verbrandingslucht van slechts 10 procent. Het project vereenvoudigde het condensaatretourproces door het condensaat rechtstreeks naar de luchtafscheider te brengen en de luchtafscheiderdruk te laten drijven. Hierdoor kon de fabriek een condensaatterugwinningspercentage van 50 procent bereiken en konden de vijf condensaatpompen van de fabriek offline worden gehaald.

Het Caldwell-fabrieksproject heeft het jaarlijkse aardgasverbruik met 52.000 MMBtu (7,5 procent van het vorige jaarlijkse verbruik) verminderd, voor een kostenbesparing van $ 279.000 per jaar. De jaarlijkse elektriciteitsbesparing bedraagt ​​526.000 kWh, wat nog eens $ 20.000 per jaar bespaart, omdat de condensaatpompen en de keteltrekventilator op de derde ketel off-line zijn. Deze veranderingen besparen ook $ 30.000 aan jaarlijkse onderhoudskosten. De totale jaarlijkse projectbesparingen zijn $ 329.000. Omdat de totale kosten van het project $ 373.000 waren, is de eenvoudige terugverdientijd minder dan 14 maanden. Bovendien is de productie nu betrouwbaarder; er zijn geen ketelstoringen gemeld sinds het project is voltooid.

Sinds de voltooiing van het project heeft het management van Simplot het gebruik van de SSAT verplicht gesteld om stoomsystemen in al zijn productiefaciliteiten te evalueren. Tot op heden zijn efficiëntiemaatregelen op basis van SSAT-modellering gerepliceerd in acht andere Simplot-faciliteiten, wat heeft geleid tot een jaarlijkse aardgasbesparing van 176.000 MMBtu. Bovendien heeft Simplots betrokkenheid bij het Western US Food Processing Efficiency Initiative (onderdeel van de State Technologies Advancement Collaborative) het mogelijk gemaakt dat de expertise die bij deze inspanningen is ontwikkeld, kan worden gebruikt met andere succesvolle inspanningen op het gebied van energie-efficiëntie ten behoeve van andere voedselverwerkende bedrijven in de westelijke Verenigde Staten.

Figuur 1. Inlaatluchtconstructie

Leren geleerd
Het gebruik van een uniforme methodologie en tool voor het evalueren en optimaliseren van industriële stoomsystemen kan waardevolle strategieën genereren om de prestaties van deze systemen te verbeteren en energie te besparen. In de Caldwell-fabriek van J.R. Simplot valideerde een op SSAT gebaseerde analyse de potentiële energiebesparingen als gevolg van een conventionele strategie voor het optimaliseren van de efficiëntie van het stoomsysteem. De SSAT-analyse identificeerde ook extra voordelen van die strategie.

Na het succes van het project zag Simplot de SSAT als een effectief instrument van het type "gemeenschappelijke deler" voor het evalueren van mogelijkheden om alle stoomsystemen van het bedrijf te verbeteren. Het management heeft daarom een ​​bedrijfsbeleid opgesteld om het gebruik van de SSAT te institutionaliseren in alle Simplot-faciliteiten met behulp van stoom. Tot op heden is de SSAT in acht andere Simplot-faciliteiten gebruikt en de resulterende analyses worden jaarlijks bijgewerkt. Uniforme tools en methodologieën zoals deze kunnen gemakkelijk worden toegepast in elke industriële faciliteit die stoom gebruikt.

Figuur 2. Brander en branderbehuizing

Verbrandingsefficiëntie definiëren
Verbrandingsefficiëntie is een maatstaf voor hoe effectief de warmte-inhoud van een brandstof wordt omgezet in bruikbare warmte. De schoorsteentemperatuur en het zuurstofgehalte in het rookgas zijn primaire indicatoren voor het verbrandingsrendement. Het gebruik van een ketel met een optimale hoeveelheid overtollige lucht minimaliseert warmteverlies in de schoorsteen en verbetert de verbrandingsefficiëntie. In de praktijk zijn de verbrandingsomstandigheden zelden ideaal; er moet extra of "overtollige" lucht worden toegevoerd om de brandstof volledig te verbranden.

De juiste hoeveelheid overtollige lucht wordt bepaald door analyse van het rookgaszuurstofgehalte. Onvoldoende overtollige lucht resulteert in onverbrande brandstof, terwijl te veel overtollige lucht resulteert in verloren warmte - wat wijst op een lagere brandstof-naar-stoom-efficiëntie van de ketel. Aardgasgestookte ketels die efficiënt werken, moeten een luchtoverschot van 10 procent hebben. Wanneer de brandstofsamenstelling of stoomstromen zeer variabel zijn, moet een online zuurstoftrimsysteem worden overwogen. Een zuurstoftrimsysteem geeft feedback aan de branderbedieningen om automatisch overtollige verbranding te minimaliseren

DOE ITP BestPractices Steam System Assessment Tool
BestPractices heeft een reeks tools voor het evalueren en identificeren van mogelijkheden voor energiebesparing in stoomsystemen. De primaire stoomgerelateerde tool is de Steam System Assessment Tool (SSAT). De SSAT is een softwarepakket waarmee gebruikers verschillende verbeteringsscenario's kunnen modelleren en de potentiële energie- en kostenbesparingen van geïndividualiseerde verbeteringen aan het stoomsysteem nauwkeurig kunnen inschatten. Deze en andere steam-gerelateerde softwaretools kunnen worden verkregen via de EERE-website (www.oit.doe.gov/bestpractices/software_tools.shtml), of ze kunnen worden besteld bij het EERE-informatiecentrum door te bellen naar 877-337-3463.

Ga voor meer informatie over het Industrial Technologies-programma van het Amerikaanse Department of Energy naar http://www1.eere.energy.gov.