Isıl İşlem Tesislerinde Enerji Verimliliği

Giriş

Isıl işlem tesisleri; çelik, döküm, alüminyum ve diğer metal malzemelerin mekanik, fiziksel ve metalurjik özelliklerini geliştirmek amacıyla kontrollü sıcaklık çevrimlerinin uygulandığı üretim alanlarıdır. Tavlama, sertleştirme, temperleme, sementasyon, nitrasyon, gerilim giderme ve normalizasyon gibi prosesler yüksek miktarda ısıl ve elektrik enerjisi tüketmektedir.

Isıl işlem proseslerinde enerji tüketimi yalnızca fırınların ısıtılmasıyla sınırlı değildir. Atmosfer hazırlama sistemleri, sirkülasyon fanları, soğutma sistemleri, vakum pompaları, konveyörler ve yardımcı ekipmanlar da toplam tüketim üzerinde önemli paya sahiptir.

Enerji verimliliği çalışmalarında temel hedef; proses sıcaklıklarını, bekletme sürelerini ve ürün kalitesini koruyarak özgül enerji tüketimini azaltmak, fırın kapasite kullanımını artırmak ve ısı kayıplarını kontrol altına almaktır.

Isıl İşlem Üretim Sürecinin Genel Akışı

Parça Kabulü
↓
Yüzey Hazırlama
↓
Fırına Yükleme
↓
Ön Isıtma
↓
Isıl İşlem
↓
Bekletme
↓
Soğutma / Su Verme
↓
Temperleme
↓
Kalite Kontrol
↓
Sevkiyat

Her prosesin sıcaklık seviyesi, atmosfer koşulu, çevrim süresi ve soğutma yöntemi farklı olduğundan enerji analizleri ürün ve reçete bazında gerçekleştirilmelidir.

Enerjinin En Yoğun Kullanıldığı Sistemler

Isıl işlem tesislerinde enerji tüketimi aşağıdaki sistemlerde yoğunlaşmaktadır.

• Doğal gazlı ısıl işlem fırınları
• Elektrikli direnç fırınları
• Vakum fırınları
• İndüksiyon sistemleri
• Brülör sistemleri
• Fırın sirkülasyon fanları
• Atmosfer hazırlama sistemleri
• Vakum pompaları
• Su verme tankları
• Soğutma kuleleri
• Chiller grupları
• Konveyör ve yükleme sistemleri
• Hidrolik sistemler
• Kompresör sistemi
• Egzoz ve havalandırma sistemleri

Isıl İşlem Tesislerinde En Sık Karşılaşılan Enerji Kayıpları

Enerji etütlerinde aşağıdaki verimsizliklerle sık karşılaşılmaktadır.

• Fırın kapakları ve açıklıklarından meydana gelen ısı kayıpları
• Hasarlı veya yetersiz fırın izolasyonu
• Gereğinden uzun ısıtma ve bekletme süreleri
• Kısmi yükte çalışan fırınlar
• Uygun olmayan yükleme düzeni
• Yüksek baca gazı sıcaklıkları
• Yanma havası fazlalığı
• Brülörlerde hatalı hava-yakıt ayarı
• Atık ısının geri kazanılmaması
• Fırınların üretim dışı sürelerde sıcak tutulması
• Sirkülasyon fanlarının sürekli tam hızda çalışması
• Soğutma pompalarının gereksiz kapasitede işletilmesi
• Basınçlı hava kaçakları
• Reçete bazlı enerji takibinin bulunmaması
• Sıcaklık sensörlerinde kalibrasyon sapmaları

ENERVIS Enerji Etüdü Yaklaşımı

Enerji etüdü kapsamında aşağıdaki sistemler ayrıntılı olarak incelenmektedir.

Elektrik Altyapısı

• Ana trafo merkezleri
• OG ve AG dağıtım sistemi
• Fırın besleme panoları
• Kompanzasyon sistemi
• Harmonik analizleri
• Enerji analizörleri
• Elektrikli fırın güç kontrol sistemleri

Isıl İşlem Fırınları

• Doğal gazlı fırınlar
• Elektrikli direnç fırınları
• Vakum fırınları
• İndüksiyon sistemleri
• Temperleme fırınları
• Sürekli ve kesikli tip fırınlar

Yardımcı İşletmeler

• Soğutma kuleleri
• Chiller grupları
• Vakum pompaları
• Kompresör sistemi
• Atmosfer hazırlama sistemi
• Egzoz ve havalandırma sistemleri

Dijital Altyapı

• PLC sistemleri
• Fırın kontrolörleri
• SCADA sistemi
• AMPTICA platformu
• Reçete yönetimi
• Alarm yönetimi
• Enerji raporlama sistemi

Ölçüm ve Veri Analizi

Enerji etüdü kapsamında aşağıdaki parametreler analiz edilmektedir.

• Elektrik tüketimi
• Doğal gaz tüketimi
• Aktif güç
• Demand
• Güç faktörü
• Harmonik seviyeleri
• Fırın iç sıcaklık dağılımı
• Baca gazı sıcaklığı
• Oksijen oranı
• Yanma havası sıcaklığı
• Fırın yüzey sıcaklıkları
• Isıtma süresi
• Bekletme süresi
• Soğutma süresi
• Ürün yükleme miktarı
• Sirkülasyon fanı motor yükleri
• Vakum seviyesi
• Soğutma suyu debisi
• Ürün ve reçete bazlı enerji tüketimi

Toplanan veriler ürün ağırlığı, çevrim süresi, fırın doluluk oranı ve üretim reçetesi ile birlikte değerlendirilerek özgül enerji tüketimi hesaplanmaktadır.

Süreç Bazlı İnceleme

Fırına Yükleme

Parçaların fırın içerisindeki yerleşimi, yükleme yoğunluğu, taşıma aparatları ve fırın doluluk oranı değerlendirilir. Düzensiz yükleme, sıcaklık dağılımını bozarak çevrim süresinin uzamasına neden olabilir.

Isıtma Süreci

Fırının sıcaklık yükselme hızı, brülör veya rezistans çalışma profili, ısı transferi ve sıcaklık homojenliği analiz edilir.

Bekletme Süreci

Parçanın hedef sıcaklıkta kalma süresi, reçete gereklilikleri ve proses stabilitesi değerlendirilir. Gereğinden uzun bekletme süreleri doğrudan enerji kaybına yol açar.

Kontrollü Atmosfer Sistemleri

Endotermik gaz, azot, hidrojen, amonyak veya diğer koruyucu atmosferlerin üretimi ve tüketimi analiz edilir. Gaz debileri ile proses gereksinimleri karşılaştırılır.

Soğutma ve Su Verme

Su, yağ, gaz veya kontrollü hava ile soğutma sistemlerinin pompa, fan ve chiller tüketimleri değerlendirilir.

Temperleme

Temperleme fırınlarının yükleme oranı, sıcaklık profili, çevrim süresi ve enerji tüketimi incelenir.

Yardımcı İşletmeler

Vakum pompaları, kompresörler, soğutma kuleleri, chiller grupları ve egzoz sistemlerinin enerji performansı analiz edilir.

SCADA ile Sürekli Enerji Yönetimi

Isıl işlem tesislerinde sıcaklık, süre, atmosfer ve enerji tüketiminin birlikte izlenmesi hem ürün kalitesi hem de enerji performansı açısından kritik öneme sahiptir.

AMPTICA Endüstriyel İzleme Platformu, fırın kontrolörleri, enerji analizörleri, doğal gaz sayaçları, oksijen sensörleri, sıcaklık kontrol cihazları ve yardımcı işletmelerden gelen verileri tek platform üzerinde toplar. Sistem; gerçek zamanlı izleme, alarm yönetimi, KPI takibi, reçete bazlı enerji analizi ve raporlama sağlar.

Bu yapı sayesinde aşağıdaki göstergeler sürekli takip edilebilir:

• Fırın bazlı enerji tüketimi
• Reçete bazlı özgül enerji tüketimi
• Ürün başına enerji tüketimi
• Fırın doluluk oranı
• Isıtma ve bekletme süreleri
• Baca gazı sıcaklığı
• Atmosfer gazı tüketimi
• Vakum pompası çalışma süresi
• Soğutma sistemi enerji tüketimi
• Fırın yüzey sıcaklıkları

SENSONIT Endüstriyel Gateway, Modbus RTU, Modbus TCP, MQTT, OPC UA, Profinet ve Ethernet/IP protokollerini destekleyerek fırın kontrol cihazları, PLC sistemleri, enerji analizörleri, sayaçlar ve saha sensörlerinden gelen verileri güvenli şekilde SCADA ve AMPTICA platformuna aktarır.

ENERVIS Uygulama Yaklaşımı

Ön Analiz
↓
Enerji Etüdü
↓
Saha Ölçümleri
↓
Fırın ve Proses Analizi
↓
Yanma ve Isı Kaybı Analizi
↓
SCADA ve AMPTICA Entegrasyonu
↓
Enerji Performans Analizi
↓
Teknik Fizibilite
↓
ROI Hesaplaması
↓
Uygulama
↓
Sürekli İzleme ve Raporlama

ENERVIS Saha Kontrol Listesi

• Ana trafo merkezleri
• OG ve AG panoları
• Fırın besleme panoları
• Doğal gaz tesisatı
• Brülör sistemleri
• Elektrikli ısıtıcılar
• Fırın izolasyonu
• Fırın kapakları ve contaları
• Baca ve egzoz sistemi
• Sıcaklık sensörleri
• Oksijen sensörleri
• Atmosfer hazırlama sistemi
• Sirkülasyon fanları
• Vakum pompaları
• Su verme tankları
• Soğutma kuleleri
• Chiller grupları
• Kompresör sistemi
• PLC ve fırın kontrolörleri
• SCADA sistemi
• AMPTICA platformu
• SENSONIT Gateway
• Enerji analizörleri
• Doğal gaz sayaçları

Örnek İncelenen Sistemler

• Tavlama fırınları
• Sertleştirme fırınları
• Temperleme fırınları
• Sementasyon fırınları
• Nitrasyon fırınları
• Vakum fırınları
• İndüksiyon ısıtma sistemleri
• Doğal gaz brülörleri
• Reküperatif brülör sistemleri
• Rejeneratif brülör sistemleri
• Atmosfer gazı jeneratörleri
• Sirkülasyon fanları
• Vakum pompaları
• Su verme tankları
• Soğutma kuleleri
• Chiller grupları
• Enerji analizörleri
• PLC sistemleri
• SCADA altyapısı

Yatırım Değerlendirmesi (ROI)

Hazırlanan teknik fizibilite çalışmalarında aşağıdaki kriterler birlikte değerlendirilmektedir.

• Elektrik tüketimi
• Doğal gaz tüketimi
• Üretim kapasitesi
• Fırın doluluk oranı
• Isıtma ve bekletme süreleri
• Ürün bazlı özgül enerji tüketimi
• Fırın verimi
• Brülör verimi
• Atık ısı geri kazanım potansiyeli
• Atmosfer gazı tüketimi
• Beklenen enerji tasarrufu
• Bakım maliyetlerindeki değişim
• Üretim süresindeki iyileşme
• Karbon emisyonundaki azalma
• Yatırım maliyeti
• Geri ödeme süresi

Yatırım değerlendirmesinde yalnızca enerji tasarrufu değil; proses kapasitesi, ürün kalitesi, bakım ihtiyacı ve üretim sürekliliği üzerindeki etkiler de dikkate alınmaktadır.

Sonuç

Isıl işlem tesislerinde enerji verimliliği; fırın tasarımı, yanma sistemi, elektrikli ısıtma altyapısı, proses reçeteleri, yükleme düzeni ve yardımcı işletmelerin birlikte değerlendirilmesini gerektirir.

Fırın doluluk oranlarının artırılması, gereksiz bekletme sürelerinin azaltılması, izolasyon kayıplarının kontrol edilmesi, brülör ayarlarının optimize edilmesi ve atık ısı geri kazanımı önemli tasarruf fırsatları sunmaktadır.

Gerçek zamanlı enerji ve proses izleme altyapısı sayesinde ürün kalitesi korunurken özgül enerji tüketimi azaltılabilir, proses kararlılığı geliştirilebilir ve fırın kapasitesi daha verimli kullanılabilir.

Neden ENERVIS?

ENERVIS, ısıl işlem tesislerinde enerji verimliliğini yalnızca fırın yakıt tüketimi üzerinden değerlendirmez. Elektrik altyapısı, doğal gaz sistemi, yanma performansı, ısı transferi, otomasyon altyapısı, kontrollü atmosfer sistemleri ve yardımcı işletmeler birlikte analiz edilir.

Saha ölçümleri ile elde edilen veriler, üretim reçeteleri ve ürün miktarlarıyla ilişkilendirilerek gerçek enerji performansı ortaya çıkarılır. Hazırlanan enerji etüdü ve teknik fizibilite raporları sayesinde uygulanabilir projeler yatırım maliyeti, enerji tasarrufu ve geri ödeme süresi açısından önceliklendirilir.

İlgili Sayfalar

• Demir-Çelik Endüstrisinde Enerji Verimliliği
• Elektrik Ark Ocağında Enerji Verimliliği
• Haddehanelerde Enerji Verimliliği
• Endüstriyel Fırınlarda Enerji Verimliliği
• Atık Isı Geri Kazanımı
• Yanma Verimliliği Analizi
• Enerji Etüdü Nedir?
• SCADA Nedir?

ENERVIS Mühendislik Önerisi

Isıl işlem tesislerinde enerji tasarrufu çalışmalarına başlamadan önce fırınlar ürün ailesi, sıcaklık reçetesi ve yükleme miktarına göre sınıflandırılmalıdır.

Aynı fırında farklı ürünlerin işlenmesi durumunda yalnızca aylık toplam tüketim değerleri üzerinden değerlendirme yapmak yanıltıcı sonuçlar oluşturabilir. Bu nedenle enerji tüketimi çevrim, reçete ve ürün ağırlığı bazında izlenmelidir.

Fırınların üretim planlamasıyla koordineli çalıştırılması, düşük doluluk oranına sahip çevrimlerin birleştirilmesi ve üretim dışı sürelerde uygulanacak sıcak bekleme stratejisinin belirlenmesi önemli tasarruf sağlayabilir.

ENERVIS Teknik Notu

Isıl işlem tesislerinde enerji performansının değerlendirilmesinde aşağıdaki göstergelerin düzenli olarak takip edilmesi önerilir:

• kWh/ton ürün
• Nm³ doğal gaz/ton ürün
• kWh/çevrim
• Fırın doluluk oranı
• Isıtma süresi
• Bekletme süresi
• Fırın verimi
• Baca gazı sıcaklığı
• Baca gazı oksijen oranı
• Atmosfer gazı tüketimi
• Vakum pompası özgül enerji tüketimi
• Isı geri kazanım verimi
• Ürün reçetesi bazlı enerji yoğunluğu

Fırın performans analizlerinde sıcaklık sensörlerinin kalibrasyon durumu mutlaka kontrol edilmelidir. Hatalı ölçüm yapan bir sensör, gereksiz uzun çevrimlere ve yüksek enerji tüketimine neden olabilir.

ENERVIS Güvenlik Notu

Isıl işlem tesislerinde gerçekleştirilecek enerji etütleri sırasında yüksek sıcaklıklı fırınlar, yanıcı gaz hatları, kontrollü atmosfer sistemleri, vakum ekipmanları, elektrik panoları ve hareketli yükleme mekanizmaları üzerinde yapılacak tüm ölçüm ve analiz çalışmaları yalnızca yetkili teknik personel tarafından gerçekleştirilmelidir.

Doğal gaz, hidrojen, amonyak ve diğer proses gazlarının kullanıldığı alanlarda gaz algılama sistemleri, havalandırma şartları, patlamadan korunma önlemleri ve acil durum prosedürleri kontrol edilmelidir.

Fırın, pompa, fan, konveyör ve elektrik sistemleri üzerinde yapılacak müdahalelerde kilitleme/etiketleme prosedürleri uygulanmalı; sıcak yüzey, yanma, gaz sızıntısı, basınç ve sıkışma risklerine karşı uygun kişisel koruyucu donanımlar kullanılmalıdır.