حاسبة كفاءة مسخن الهواء المسبق

تظهر كفاءة APH على الشاشة وكأنها نسبة مئوية واحدة؛ لكنها لا تُقرأ بهذه البساطة في الموقع. إذا لم تكن درجة حرارة دخول الغاز، ودرجة حرارة خروج الغاز، ودرجة حرارة دخول الهواء، ودرجة حرارة خروج الهواء مأخوذة من نفس لحظة التشغيل، فإن القيمة الناتجة ليست سوى تقدير منسق بشكل جميل. وخصوصًا إذا كان هناك leakage في rotary air preheater، فقد تخدعك درجة حرارة خروج الغاز من النظرة الأولى. رؤية درجة حرارة منخفضة لغاز المداخن على شاشة DCS تعطي شعورًا جيدًا، لكن إذا كان هناك تسريب من جهة seal، فذلك التحسن يبقى على الورق فقط.

من أي فرق حراري تأتي نسبة الكفاءة؟

Air preheater هو مبادل حراري يقرّب غاز المداخن الساخن من هواء الاحتراق البارد. جهة الغاز تبرد، وجهة الهواء تسخن. ما تفعله الحاسبة هو قراءة هذا التغير في درجة الحرارة من اتجاهين مختلفين: كفاءة جهة الغاز أو كفاءة جهة الهواء.

النقطة المشتركة بين الطريقتين هي فرق درجة الحرارة بين الدخولين:

$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$

إذا دخل الغاز إلى APH عند 340 °C ودخل الهواء عند 30 °C، فإن فرق درجة الحرارة المتاح يكون 310 K. هنا يعطي الفرق بالكلفن وبالدرجة المئوية نفس المقدار؛ فما يساوي 340 - 30 هو نفسه 613,15 - 303,15. تعرض الحاسبة هذا الفرق أيضًا في النتيجة، لأنه الأساس الذي تُبنى عليه نسبة الكفاءة.

يُنشأ حساب كفاءة جهة الغاز كما يلي:

$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

أما كفاءة جهة الهواء فتنظر إلى مقدار درجة الحرارة التي اكتسبها الهواء:

$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

على الرغم من أن المقام واحد، فليس من الضروري أن تكون النتيجتان متساويتين. بل إنهما لا تتساويان في معظم البيانات الحقيقية. معدلات تدفق الغاز والهواء ليست متساوية، والحرارات النوعية مختلفة، ولا توجد قياسات leakage ضمن هذا الحساب، كما أن توزيع درجة الحرارة داخل القناة ليس منتظمًا دائمًا. لذلك من الأدق اعتبار كفاءة جهة الغاز وكفاءة جهة الهواء قراءتين منفصلتين.

إذا كُتب في ملاحظة هندسية “الكفاءة %80”، فيجب إضافة الطريقة بجانب ذلك السطر أيضًا. هل هي جهة الغاز أم جهة الهواء؟ النسبة نفسها قد تعني شيئًا مختلفًا تمامًا عند استخدام طريقة مختلفة.

حساب جهة الغاز: كم برد غاز المداخن؟

تقيس طريقة جهة الغاز مقدار درجة الحرارة التي فقدها غاز المداخن أثناء مروره داخل APH. إذا كان دخول الغاز 340 °C، وخروج الغاز 150 °C، ودخول الهواء 30 °C، فإن الصيغة تعمل هكذا:

$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$

تكون النتيجة %61,29.

يعطي هذا الحساب قراءة أولية عملية جدًا لجهة الغاز. إذا كان APH متسخًا، أو كانت أسطح basket ممتلئة، أو ضعف تأثير sootblower، أو بدأ الانسداد في جهة cold-end، فستبقى درجة حرارة خروج الغاز مرتفعة. لن يبرد الغاز بما يكفي. يصغر البسط في الصيغة، وتنخفض الكفاءة.

لكن لا ينبغي النظر إلى درجة حرارة خروج الغاز برومانسية زائدة. في rotary APH، إذا كان الهواء يتسرب من جهة الهواء إلى جهة الغاز، فقد يبدو خروج الغاز المقاس باردًا. ويمكن تفسير ذلك وكأن انتقال الحرارة الحقيقي قد تحسن. القيمة المنخفضة على شاشة DCS تبدو جميلة في التقرير؛ ثم عندما تصل قياسات leakage إلى الطاولة، لا تبقى الثقة نفسها بتلك القيمة.

هذه الحاسبة لا تُجري تصحيح leakage. ولا تُنتج درجة حرارة خروج غاز no-leakage. إذا كانت لديك درجة حرارة خروج الغاز الخام، فإن كفاءة جهة الغاز تُحسب أيضًا من بيانات درجة الحرارة الخام. يجب كتابة ذلك بهذه الطريقة. وإلا فقد تبدو النسبة أكثر حسمًا مما ينبغي.

تفيد كفاءة جهة الغاز خصوصًا عند متابعة الوحدة نفسها مع مرور الوقت. أمس، الأسبوع الماضي، قبل الصيانة، بعد الصيانة. لكن لكي تكون المقارنة ذات معنى، يجب أن تكون نقطة الحمل متشابهة. إذا تغيّر الوقود، أو تغيّر excess air، أو بقي damper المروحة في موضع مختلف، فليس من السهل وضع كفاءتين جنبًا إلى جنب والحكم عليهما. في Excel قد تصطف السطران بسهولة، لكن التشغيل لا يصطف بهذه البساطة.

لنأخذ مثالًا أكثر واقعية: دخول الغاز 346,7 °C، خروج الغاز 158,4 °C، دخول الهواء 32,1 °C. تكون كفاءة جهة الغاز تقريبًا %59,85. لا يوجد هنا ذلك الانتظام الموجود في الأمثلة الدائرية. وفي الموقع غالبًا لا يوجد أصلًا.

حساب جهة الهواء: إلى أي درجة سُخّن هواء الاحتراق؟

تنظر طريقة جهة الهواء إلى مقدار رفع APH لدرجة حرارة هواء الاحتراق. إذا أُجري الحساب بقيم دخول الغاز 340 °C، ودخول الهواء 30 °C، وخروج الهواء 280 °C:

$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$

تكون النتيجة %80,65.

في مجموعة درجات الحرارة نفسها، كانت جهة الغاز %61,29 وجهة الهواء %80,65. هذا وحده ليس علامة عطل. انخفاض درجة الحرارة في جهة الغاز هو 190 °C، وارتفاع درجة الحرارة في جهة الهواء هو 250 °C. وبما أن معدل التدفق و\(C_p\) لا يدخلان في الحساب، فمن الخطأ قراءة هاتين النسبتين كميزان طاقة.

كفاءة جهة الهواء تتحدث بصورة أكثر مباشرة لمن يهتم بدرجة حرارة الهواء المتجه إلى burner. إذا كانت درجة حرارة خروج الهواء منخفضة، فقد يكون هناك وضع يجب متابعته من ناحية الوقود، أو استقرار اللهب، أو كفاءة الغلاية في جهة الاحتراق. لكن موقع الحساس يدخل في الموضوع هنا أيضًا. في قنوات الهواء الكبيرة لا يكون الخلط متجانسًا دائمًا. درجة حرارة مقاسة من نقطة واحدة قد لا تمثل القناة بالكامل.

تتأثر درجة حرارة دخول الهواء بالموسم. الهواء الداخل عند 5 °C في الشتاء والهواء الداخل عند 35 °C في الصيف قد يعطيان نسبًا مختلفة في APH نفسه. لذلك عند إجراء مقارنة بين الأشهر يجب السؤال: “هل تغيّر دخول الهواء لكن بقيت الكفاءة نفسها؟”. بعض التقارير تتجاوز هذا الفرق. ثم لا يُفهم سبب تحرك القيم.

في حساب جهة الهواء، لا تدخل درجة حرارة خروج الغاز في الصيغة. ومع ذلك تُتابع بطرف العين. إذا بدا خروج الهواء جيدًا وكان خروج الغاز منخفضًا بشكل غير معتاد أيضًا، فإن شبهة leakage لا تختفي من الطاولة. لا يمكن اعتبار قصة جهة الغاز مغلقة فقط لأن الهواء سخن جيدًا.

أين تظهر الأخطاء غالبًا في المدخلات؟

توجد في الحاسبة أربعة حقول لدرجة الحرارة: دخول الغاز، خروج الغاز، دخول الهواء، خروج الهواء. ويوجد أيضًا اختيار الطريقة. عند اختيار جهة الغاز تُستخدم قيم دخول الغاز، وخروج الغاز، ودخول الهواء. وعند اختيار جهة الهواء تبرز قيم دخول الغاز، ودخول الهواء، وخروج الهواء. أما فرق درجة الحرارة فيأتي في كل الحالات من الفرق بين دخول الغاز ودخول الهواء.

يمكن أن تكون الوحدة °C أو °F أو K. إذا كان التحويل صحيحًا فلن تتغير النسبة. الخطأ غالبًا يكون في القيمة نفسها: مثل كتابة 340 K بدلًا من 340 °C. فـ 340 K تعادل تقريبًا 66,85 °C. لا تستطيع الحاسبة معرفة نية المستخدم؛ تأخذ الرقم، وتجري الحساب، وتعطي النتيجة. ثم تظهر في التقرير نسبة غريبة.

وقت القياس مزعج بقدر الوحدة. إذا كان دخول الغاز متوسط 10:00، وخروج الهواء قيمة لحظية عند 10:30، وخروج الغاز مأخوذًا أثناء هبوط الحمل، فقد يبدو الحساب منظمًا لكن البيانات لا تروي القصة نفسها. عند حمل مستقر، يكون متوسط 15-30 دقيقة أفضل لمعظم الفحوصات العملية. قد تكفي فترات أقصر أحيانًا، خصوصًا في فحص وردية سريع. أما تقرير الأداء فيحتاج إلى قدر أكبر من الصبر.

يجب أيضًا تدوين موضع الحساس. إذا لم يكن ملف درجة الحرارة عند دخول APH منتظمًا، فقد لا يكفي مسبار واحد. وإذا كان هناك stratification عند خروج الغاز، فإن القيمة المأخوذة من زاوية واحدة لا تمثل كامل المقطع. توجد مشكلة مشابهة عند خروج الهواء؛ قد يبقى جانب من القناة أكثر سخونة والجانب الآخر أبرد. الصيغة لا تعرف ذلك.

أحيانًا ما نسميه خطأ حساب يكون في الحقيقة خطأ في ترتيب القياس.

هذه النسبة ليست ميزان طاقة

يجب قول ذلك بوضوح من دون إطالة: هذه الحاسبة لا تستخدم التدفق ولا الحرارة النوعية. إنها تستخرج فقط كفاءة جهة الغاز أو جهة الهواء من فروق درجات الحرارة. لا يوجد X-ratio. لا يوجد تصحيح leakage. ولا توجد درجة حرارة no-leakage.

هذا لا يعني أن الحساب غير مفيد؛ هذا هو نطاقه فقط.

إذا كان المطلوب حساب الحمل الحراري، فستكون هناك حاجة إلى التدفق و\(C_p\). يمكن إيجاد الكسب الحراري التقريبي في جهة الهواء كما يلي:

$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$

وتُجرى قراءة مشابهة في جهة الغاز:

$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$

هذان الحسابان ليسا الشيء نفسه مثل كفاءة درجة الحرارة. قد تكون كفاءة جهة الهواء %80 وكفاءة جهة الغاز %61؛ ومن دون معرفة التدفقات لا ينبغي القفز إلى نتيجة مثل “فُقدت الطاقة” أو “الحساب خاطئ”. لا يمكن إنشاء ميزان طاقة قبل إدخال تدفق الهواء، وتدفق الغاز، والحرارات النوعية، ومعلومات leakage إلى الجدول.

افتراض \(C_p\) للغاز في غلاية الفحم يختلف عن الغاز الطبيعي، وقد يختلف أكثر في الكتلة الحيوية. نسبة excess air، والرطوبة، وتركيب الوقود، والحمل؛ كلها تؤثر في جهة الغاز. ما تفعله هذه الحاسبة أضيق: إعطاء نسبة كفاءة APH سريعة من فرق درجة الحرارة.

قراءة النتيجة في الموقع

انخفاض الكفاءة يذكّر بالتلوث منذ اللحظة الأولى. قد تكون أسطح basket ممتلئة، أو نظام sootblower ضعيفًا، أو حان وقت غسل APH، أو بدأ الانسداد في جهة cold-end. هذه احتمالات حقيقية. ومع ذلك، فتح أمر صيانة مباشرة بمجرد انخفاض الكفاءة سيكون متسرعًا.

إذا جاءت درجة حرارة دخول الغاز منخفضة، يتغير المقام. إذا زاد تدفق الهواء، ينخفض خروج الهواء. إذا ارتفع leakage، فقد يبدو خروج الغاز جيدًا بشكل غريب. إذا زاد pressure drop، تقوى شبهة التلوث. يمكن الوصول إلى النسبة نفسها بطرق مختلفة؛ وهذا هو الجانب المقلق في حساب APH.

الكفاءة العالية أيضًا ليست شهادة نجاح بحد ذاتها. قد يكون حساس خروج الهواء يقرأ قيمة مرتفعة. وقد يكون مسبار دخول الغاز واقعًا في منطقة ساخنة. وقد تكون مدة المتوسط قصيرة. القيمة اللامعة على DCS تكون أحيانًا في الموقع نتيجة ترتيب قياس ضعيف.

إذا كانت المقارنة ستُجرى مع قيمة تصميم أو قبول، فيمكن استخدام حساب الانحراف أيضًا:

$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$

إذا كانت كفاءة جهة الغاز الحالية %61,29 وكان مرجع التصميم %65، فإن الانحراف يكون تقريبًا -%5,71. يمكن إدخال هذا السطر في التقرير. لكنه لن يكون مقنعًا كثيرًا إذا لم تُكتب بجانبه معلومات الحمل، والوقود، وexcess air، وفترة القياس.

لو كنتُ أكتب التقرير، لوضعت بدل الشرح الطويل بضع بيانات صلبة: الطريقة، درجات الحرارة الأربع، الحمل، pressure drop، وملاحظة leakage إن وجدت. ستة أسطر تكون غالبًا أكثر فائدة من فقرتين. خصوصًا في اجتماع الصيانة، لا أحد يقرأ الجمل الطويلة المزخرفة؛ الجميع ينظر إلى مصدر القيمة.

ملاحظة قصيرة عند استخدام الأداة

ابدأ باختيار الطريقة. إذا كانت كفاءة جهة الغاز مطلوبة، فركز على درجة حرارة دخول الغاز، وخروج الغاز، ودخول الهواء. في كفاءة جهة الهواء، تحمل الحساب قيم دخول الغاز، ودخول الهواء، وخروج الهواء. أما درجة الحرارة الرابعة فتبقى على الشاشة؛ وهي مفيدة في التفسير.

قيم دخول الغاز 340 °C، وخروج الغاز 150 °C، ودخول الهواء 30 °C تعطي في جهة الغاز %61,29. وباستخدام قيم دخول الغاز ودخول الهواء نفسها، إذا أُدخل خروج الهواء 280 °C، تكون جهة الهواء %80,65. هذان الحسابان الاختباريان كافيان للتحقق من منطق فرق درجة الحرارة في الأداة.

إذا كانت البيانات ستُدخل بوحدة مختلفة، فانظر أولًا إلى اختيار الوحدة. خلط °F مع °C يسبب انحرافًا كبيرًا في النتيجة. وعند استخدام Kelvin يجب التأكد من إدخال القيم المطلقة بشكل صحيح؛ ليس من الجيد كتابة البيانات دون تحويل لمجرد أن “K تبدو أكثر تقنية”.

من الأكثر صدقًا ترك السطر الأخير هكذا: لا تقرأ النسبة الناتجة وحدها، بل اقرأها مع اتجاهات نقطة الحمل نفسها. إذا كانت درجة حرارة خروج الغاز، ودرجة حرارة خروج الهواء، وpressure drop تقول الشيء نفسه في الاتجاه نفسه، فالحساب مفيد. وإذا كان أحدها يذهب في اتجاه آخر، فافحص جهة القياس أولًا.