Показатели работы котельных установок. Повышение эффективности и экологичности работы котла за счёт оптимизации топочного процесса и сжигания топлива с контролируемым химическим недожогом Модернизация трубной обвязки котлов
Повышение эффективности работы котельных агрегатов
Сафонова Е.К., доц., Безбородов Д.Л., асс., Студенников А.В., магистрант.
(Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина)
Большую долю в структуре издержек производства электрической и тепловой энергии составляет стоимость топлива. В настоящее время на многих предприятиях существует резерв увеличения эффективности использования топливных ресурсов за счет улучшения схемы управления котлоагрегатами. Одним из возможных средств достижения этого является внедрение стационарных газоанализаторов. Размеры получаемых эффектов, небольшие в относительном выражении, например, увеличение КПД котла на 0,7% и соответствующее ему снижение потребления топлива может приносить десятки тонн экономии топлива в день (в масштабе одной станции), десятки тысяч тонн экономии топлива в год.
Другой важнейшей стратегической проблемой, для решения которой необходимо использовать газоанализаторы, является загрязнение окружающей среды продуктами сгорания.
В соответствии с принципом так называемой “Платы за выбросы” установленными законом «Об охране окружающей среды» увеличение ставок экологических платежей является вероятным сценарием ужесточения экологической политики для предприятий.
Действенным методом, как эффективного использования всех видов топлива, так и уменьшения негативного влияния на окружающую среду, снижения экологических платежей выступает внедрение современных технологий.
Применение стационарных газоанализаторов, позволяет решить следующие производственные задачи:
Снизить производственные издержки за счёт экономии топлива;
Снизить обязательные платежи за негативное воздействие на окружающую cреду в условиях долгосрочной тенденции к ужесточению экологических требований и смещения топливного баланса в сторону использования менее «экологичных» видов топлива.
Проведенные исследования на основных типах котлов КВГМ, ДКВР, ПТВМ, которые эксплуатируются в настоящее время показали, что при работе котлоагрегата технологические параметры не выдерживаются.
На рисунке 1 представлены графики содержания кислорода в дымовых газах при различной нагрузке котельных агрегатов КВГМ, ДКВР, ПТВМ.
Содержание кислорода превышает допустимое в режимных картах, что свидетельствует о неэффективной работе котлоагрегата. Работа котла при оптимальной величине избытка воздуха сократит до минимума потери тепла, уходящего в дымовую трубу и повысит эффективность сгорания. Известно, что эффективность сгорания есть мера того, насколько эффективно теплота, содержащаяся в топливе, переходит в теплоту, пригодную для использования. Первостепенными показателями эффективности сгорания является температура дымовых газов и концентрация кислорода (или двуокиси углерода) в топочных газах.
А – котёл ПТВМ – 30;
Б – котёл КВ-ГМ – 1,6;
В – котёл ДКВР 4 – 13;
Рисунок 1 – Зависимость содержания кислорода отходящих газов от нагрузки котла
При идеальном перемешивании горючей смеси, для полного сгорания данного количества топлива требуется точное или стехеометрическое количество воздуха. На практике, условия сгорания никогда не бывают идеальными и для полного сгорания топлива нужно подать дополнительное количество или ”избыток” воздуха.
Точное количество избытка воздуха определяется по результатам анализа концентраций кислорода или двуокиси углерода в топочных газах. Недостаточный избыток воздуха приводит к неполному сгоранию горючих веществ (топливо, сажа, твердых частиц и окиси углерода), в то время, как слишком большой избыток воздуха вызывает потери тепла, в следствие увеличения расхода топочных газов, понижая тем самым, общую эффективность работы котла в процессе передачи тепла от топлива к пару.
Из формул видна зависимость потерь тепла с уходящими газами от величины избытка воздуха :
;
где I ух – Энтальпия уходящих газов при коэффициенте избытка воздуха ух;
I 0 х.в. – Энтальпия теоретически необходимого количества холодного воздуха;
q 2 – Потери тепла с уходящими газами;
q 4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива.
А КПД соответственно зависит от потери тепла:
пг =q 1 =100-q пот
Суммарную потерю теплоты в котле рассчитывают по формуле:
q пот =q 2 +q 3 +q 4 +q 5 .
где q 3 – потери от химической неполноты сгорания топлива;q 5 – потери от наружного охлаждения котла.
На рисунке 2 показана связь параметров дымовых газов с КПД котла для условия полного сгорания при отсутствии водяного пара в нагнетаемом для горения воздухе.
Избыток воздуха
Рисунок 2 - Зависимость КПД котельного агрегата от температуры отходящих газов
Для хорошо спроектированных систем, работающих на природном газе, вполне достижим 10% уровень избытка воздуха. Часто используемое практическое правило гласит, что кпд котла повышается на 1% на каждые 15% снижения избытка воздуха или на каждые 22 о С понижения температуры дымовых газов.
Внедрение на тепловых станциях стационарных газоанализаторов, контролирующих состав уходящих газов, в условиях замедленного строительства новых объектов, выступает важным элементом комплекса ресурсосберегающих мероприятий по проведению модернизации существующих мощностей предприятий теплоэнергетики.
Кислородомер ПЭМ-02 представляет собой измерительный комплекс, состоящий из погруженного зонда с твердоэлектролитным датчиком на основе диоксида циркония, узла прокачки, анализатора кислорода. Стоимость такого газоанализатора в настоящее время составляет около 13 тысяч гривен.
Концентрация кислорода измеряется анализатором в непрерывном режиме с помощью специального зонда (пробоотборника), установленного в газоходе в месте отбора пробы. Расход отбираемой на анализ пробы газа очень незначителен и составляет примерно 0,5 л/ч.
Датчик кислорода, размещенный непосредственно в зонде, представляет собой электрохимическую ячейку с твердым электролитом трубчатой формы из спеченного диоксида циркония. Датчик генерирует сигнал, пропорциональный концентрации кислорода в исследуемом газе. Этот сигнал обрабатывается в анализаторе и преобразуется в аналоговый выходной сигнал. Точность ПЭО-02 составляет ± 0,2 % об.Газоанализаторы, имеющие в качестве сенсоров электрохимические ячейки, чаще всего используются в качестве приборов для контроля и наладки, хотя имеется довольно много систем предназначенных для длительных измерений и мониторинга. Принцип действия электрохимических ячеек состоит в разделении потока исследуемого газа на отдельные составляющие с помощью мембран, способных пропускать к электролиту лишь один компонент анализируемой газовой смеси (рисунок 3.). В зависимости от вида анализируемого компонента газовой смеси электрохимические ячейки реализуют кондуктометрический или кулонометрический метод измерения. Кроме анализируемого компонента на показания ячейки могут оказывать влияние и некоторые другие составляющие газовой смеси. От этого явления можно избавиться, используя специальные фильтры или расчетным путем, учитывая заранее полученные тарировкой перекрестные коэффициенты. К отрицательным моментам следует также отнести возможность «отравления» ячейки при превышении концентрации исследуемого компонента в пробе выше допустимого значения, что приводит к ошибкам в определении концентраций в последующих измерениях.
Рисунок 3 - Принципиальная схема электрохимического газоанализатора
1 - пробоотборный зонд; 2 - фильтр; 3 - конденсатоуловитель; 4-6 - мембраны; 7-9 - электрохимические ячейки
Перечень ссылок
Тепловой расчет промышленных парогенераторов: Учеб. Пособие для втузов/ Под ред. В. И. Частухина. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1980. - 184 с.
Методы и средства контроля загрязнения атмосферы и промышленных выбросов// ТР. ГТО 1987. Вып. 492.
Типовая инструкция по организации системы контроля промышленных выбросов в атмосферу в отраслях промышленности. Л.: Изд-во ГГО им. А.И.Воейкова, 1986.
Брюханов О.Н., Мастрюков Б.С. Аэродинамика, горение и теплообмен при сжигании топлива: Справочное пособие. СПб.: Недра, 1994.
Автоматизація технологічних об’єктів та процессів. Пошук молодих.
За последние годы в результате комплекса технических, экономических и организационных мероприятий, направленных на сокращение потерь топлива в процессе использования его в теплогенерирующих установках, достигнут высокий технический уровень эксплуатации. Теплостанции, построенные за этот период по унифицированным типовым проектам, резко отличаются от теплостанций старой постройки. При хорошем качестве монтажа и квалифицированной эксплуатации современных теплостанций может быть достигнут достаточно высокий уровень использования топлива. Наряду с этим в теплостанциях имеются резервы экономии топлива за счет устранения потерь по следующим причинам: при хранении топлива на складе; из-за отсутствия систематического контроля за соблюдением норм расхода топлива и анализа его потерь; вследствие неудовлетворительной постановки учета выработки теплоты и расхода топлива; применение топлива, не соответствующего по фракционному составу, зольности, влажности, составу золы, конструктивным особенностям топочных устройств; потерь теплоты на собственные нужды; из-за неисправности или отсутствия измерительных приборов и теплотехнического контроля и устройств автоматики; вследствие неудовлетворительного ведения топочного процесса и потерь в связи с этим от механической и химической неполноты сгорания, а также вследствие зашлаковывания топки; ввиду больших присосов воздуха по газовому тракту теплогенерирующей установки, что приводит к большим потерям тепла с уходящими газами; наружного загрязнения поверхностей нагрева, связанного с несоблюдением установленного режима очистки или некачественной её наладки; внутренних отложений на поверхностях нагрева, связанных с нарушением водно-химического режима; неудовлетворительного состояния изоляции элементов котлоагрегата, газоходов и трубопроводов; неиспользование теплоты непрерывной продувки; несоблюдение оптимальных режимов работы источников теплоснабжения; нерационального режима теплоснабжения потребителей (перетоп) отапливаемых зданий; отсутствие регулирования расхода теплоты в рабочие дни и часы и т. д.; больших потерь конденсата; относительно невысокой квалификации обслуживающего персонала; недостаточной воспитательной работой с персоналом и неэффективного стимулирования персонала за экономию топлива.
Если в результате реконструкции или улучшения режима эксплуатации удаётся повысить КПД теплогенерирующей установки, то годовую экономию (т/год) рассчитывают по формуле:
где Q - установленная теплопроизводительность котельной;
уст - число часов использования установленной мощности;
Qнр - низшая теплота сгорания топлива;
1 и 2 - КПД установки до и после проведения мероприятий по его повышению в долях от единицы;
3600 - переводной коэффициент.
Наряду с устранением потерь, не менее важным в перспективе развития экономических источников теплоты систем теплоснабжения является решение следующих задач: 1) повышение централизации и концентрации производства пара и теплоты за счёт строительства крупных современных теплостанций и ликвидации при этом мелких устаревших; 2) ускорение разработки и внедрения в производство нового, более экономичного оборудования; 3) поставка паровых и водогрейных источников теплоснабжения в укрупнённых блоках, что значительно снизит стоимость монтажа и повысит КПД агрегата за счёт снижения присосов воздуха; 4) повышение качества топлива, предназначенного для сжигания в слоевых топках; 5) максимальное использование вторичных ресурсов теплоты, имеющихся на предприятии, для нужд теплоснабжения, а также ресурсов самой теплостанции; 6) разработка и внедрение экономических режимов отопления производственных и общественных зданий, предусматривающих снижение внутренней температуры помещений на 6-8С в выходные дни и, где допустимо - в ночные часы, с последующим восстановлением расчётной температуры до норм; 7) улучшение теплозащиты вновь строящихся жилых зданий с экономически оптимальными термическими сопротивлениями наружных ограждений; 8) расширение обмена опытом на теплостанциях путём проведения общественных смотров, организации соревнования за экономию топлива, улучшения информации персонала.
Мероприятия по снижению потерь твёрдого и жидкого топлива при хранении и на собственные нужды.
Для рационального проектирования сооружений и надёжной эксплуатации с минимальными потерями необходимо знать основные физические свойства твёрдого топлива, подлежащего хранению: влажность, склонность к самовозгоранию, смерзаемость, сыпучесть и т.д.
Для снижения потерь твёрдого топлива при хранении необходимо проводить следующие мероприятия: 1) исходя из местных условий, на основании технико-экономических расчётов, по возможности строить склад закрытого типа; 2) выбрать форму и размеры штабеля с наименьшей наружной поверхностью на единицу объёма, что обычно достигается устройством крупных штабелей; 3) производить послойное уплотнение штабелей для борьбы с самонагреванием; 4) обеспечивать организованный сток воды для предотвращения скопления атмосферных вод; 5) выполнять подштабельное хранение в соответствии с нормами и требованиями; 6) разные марки топлива хранить в раздельных штабелях; 7) перед загрузкой прибывшей партии свежего топлива очищать склад от старого топлива и посторонних предметов; 8) сокращать время между выгрузкой угля и завершением уплотнения штабеля; 9) постоянно вести контроль за температурой угля в штабеле.
Для достижения хороших экономических показателей целесообразно: 1) выбирать рациональный способ разогрева топлива в железнодорожных цистернах для быстрого и полного его слива в хранилище; 2) отказаться от хранения мазута в открытых ёмкостях, которые способствуют дополнительному обводнению атмосферными осадками и увеличению потерь, связанных с испарениями; 3) отказаться от использования открытых лотков для слива топлива; 4) обеспечивать на всех режимах работы котельного агрегата необходимый подогрев мазута перед сжиганием, что обеспечивает его хорошее распыление форсунками и не приводит к повышению потерь теплоты от механической (q4) и химической (q3) неполноты сгорания; 5) следить за состоянием тепловой изоляции стальных наземных резервуаров паро- и мазутопроводов, что предотвратит потери тепла в окружающую среду. При неправильном хранении потери жидкого топлива значительно могут превышать нормированные (0,003 - 0,006 кг/м2 с поверхности испарения резервуарной ёмкости).
Потери теплоты на собственные нужды неизбежны, однако для их снижения необходимо проводить следующие мероприятия: 1) заменять паровые форсунки механическими, с воздушным распылением, что позволит снизить расход пара на распыление топлива; 2) проводить наладку экономического режима паровой обдувки или заменять её дробеочисткой или виброочисткой, что также приведёт к экономии пара; 3) снижать расход теплоты на подогрев питательной воды за счёт максимального возврата конденсата; 4) использовать выпар деаэраторов для подогрева химически очищенной воды; 5) продувать котлы в соответствии с оптимальным режимом, усовершенствовать схему продувки и использовать теплоту продувочной воды и вторичного пара из расширителя непрерывной продувки; 6) снижать расход теплоты на мазутное хозяйство; 7) устранять неплотности во фланцевых соединениях, в арматуре, утечки из вентилей нижних точек и из предохранительных клапанов.
Снижение потерь теплоты за счёт оптимального топочного режима
Влияние топочного процесса на экономичность работы котла весьма велико в первую очередь за счёт изменения величины химической неполноты сгорания (q3) и механического недожога (q1). На их величину влияют: видимое теплонапряжение топочного объёма, коэффициент избытка воздуха а.
Для снижения потерь теплоты от химической (q3) неполноты сгорания можно рекомендовать проведение следующих мероприятий: 1) обеспечение достаточного количества воздуха для горения с интенсивным его перемешиванием с топливом; 2) поддержание оптимального напряжения в топке и расчётной температуры в топке; 3) перевод котлоагрегатов на автоматическое регулирование соотношения “топливо-воздух” (т.е. обеспечение оптимального избытка воздуха); 4) забор воздуха на горение из наиболее горячих зон котельного зала. При сжигании жидкого топлива следует обеспечить требуемую температуру подогрева мазута, хорошую фильтрацию, а также распыление и интенсивное его перемешивание с воздухом для горения. При сжигании твёрдого топлива в слое необходимо применять острое дутьё в топках для каменных углей, обеспечить механизированный непрерывный заброс топлива на решётку.
Для снижения потерь тепла от механической неполноты сгорания проводят следующие мероприятия: предварительную подготовку топлива (дробление крупных кусков угля и отсев мелочи); сжигают топливо с определённым ограничением содержания мелочи и постоянным содержанием зольности; обеспечивают правильное распределение воздуха и равномерное горение топлива на площади решётки; обеспечивают постоянное перемешивание слоя, не допуская прогаров и завалов; применяют в необходимых случаях острое дутьё.
Снижение потерь теплоты в окружающую среду.
В соответствии с правилами Гостехнадзора все элементы котлов, трубопроводов, перегревателей, экономайзеров и вспомогательного оборудования, расположенные в местах, доступных для обслуживающего персонала, должны иметь температуру наружной поверхности тепловой изоляции не выше 45С. При соблюдении этих условий потери теплоты в окружающую среду с 1м2 поверхности не будет превышать 350Вт/м2. Для снижения потерь в окружающую среду во время всего периода эксплуатации и во время ремонта необходимо: 1) постоянно следить за качеством тепловой изоляции; 2) использовать частично тепловыделения от оборудования путём забора теплового воздуха из верхней зоны котельного агрегата и подачи его на всос дутьевого вентилятора; 3) не допускать снижения разряжения меньше 10-20 Па в топке с целью предотвращения выбивания пламени и газов через неплотности топочной гарнитуры.
Снижение потерь теплоты с уходящими газами.
Наибольшими потерями теплоты котельного агрегата являются потери с уходящими газами. Например, по данным испытаний ЦКТИ им. И.И.Ползунова, для котлов КЕ - 6,5 - 14 потери с уходящими газами составляют 13, а для котлов КЕ - 4 - 15С -12. Кроме того, потери с уходящими газами значительно зависят от единичной паропроизводительности котельного агрегата. Для снижения потерь теплоты с уходящими газами в основном применяют развитые конвективные антикоррозионные поверхности нагрева, такие, как воздухонагреватели из стеклянных труб, керамические набивки в регенеративных вращающихся воздухонагревателях и т.п. Следует всегда помнить, что снижение температуры уходящих газов на 12 - 14С - это повышение КПД котла на 1.
Основными мероприятиями, позволяющими снизить потери тепла с уходящими газами, являются: 1) соблюдение минимального по условиям полного горения коэффициента избытка воздуха; 2) повышение газоплотности котлоагрегата и снижение присосов холодного воздуха; 3) борьба со шлакованием экранных и радиационных поверхностей нагрева путём отладки топочного режима; 4) регулярная качественная очистка наружных поверхностей нагрева конвективных пакетов труб; 5) поддержание качественного водяного режима с целью предотвращения внутренних отложений в трубах котельного агрегата; 6) поддержание в барабане котла номинального давления; 7) поддержание расчётной температуры питательной воды; 8) правильное конструктивное оформление конвективных поверхностей нагрева, обеспечивающее более полное омывание их газами со скоростью, обеспечивающей самоотдувку; 9) обеспечение плотности непроницаемости газовых перегородок, предотвращающих протекание газов мимо конвективных пакетов труб; 10) обеспечение марки и качество сжигаемого топлива, соответствующего расчётному; 11) установка развитых хвостовых поверхностей нагрева; 11) применение для котельных, сжигающих природный газ, вакуумных деаэраторов, позволяющих снизить температуру питательной воды до 65- 70С (по сравнению с температурой 104С при атмосферных деаэраторах), что позволит обеспечить более глубокое охлаждение газов.
Использование теплоты непрерывной продувки паровых котлов.
Существуют различные методы использования теплоты непрерывной продувки воды: 1) непосредственная подача воды в качестве теплоносителя в систему отопления; 2) подача продувочной воды для подпитки тепловой сети; 3) использование теплоты отсепарированного пара в деаэраторе со сбросом в дренаж отсепарированной воды; 4) использование отсепарированного пара в деаэраторе и теплоты отсепарированной воды в теплообменнике для подогрева сырой воды. При этих методах сокращение потерь теплоты с продувкой в каждом случае определяется расчётным путём.
Снижение потерь конденсата.
Конденсат в котельных с паровыми котлами - наиболее ценная составляющая питательной воды. При сокращении его потерь снижаются расходы теплоты на продувку, и повышается возможность более эффективного использования топлива. Все потери можно разделить на 4 основные группы: 1) потери вследствие несовершенства схем сбора конденсата; 2) потери от неплотностей оборудования линий трубопроводов; 3) потери вследствие чрезмерного слива (при пусках, остановках котлов с непрерывной продувкой, перелив конденсата в дренаж при отсутствии автоматического управления конденсатными насосами и т.д.); 4) потери пара на собственные нужды без возврата конденсата (с паровой обдувкой), на распыление мазута в паровых форсунках (при открытом подогреве цистерн с мазутом) и т.д.
Для снижения потерь конденсата необходимо: а) устранять испарения и утечки (через неплотности сечением 1мм2 теряется в зависимости от давления в паропроводе от 5 до 20 кг/ч пара и более; вследствие неплотностей в арматуре, фланцевых соединениях трубопроводов теряется основная масса конденсата от 20 до 70); б) заменять паровые форсунки механическими, паромеханическими или с воздушным распылением; в) снижать расход на собственные нужды (особенно где имеются питательные насосы с паровым приводом); г) для работы деаэратора обязательно устанавливать охладитель выпара. Внутрикотельные потери конденсата обычно поддаются ежедневному учёту и контролю. Для полной и точной их оценки проводят специальные исследования. Однако в эксплуатации ориентировочно они могут быть оценены по измерению добавки химически очищенной воды. Все места испарений и утечек, установленных на основании визуальных осмотров, устраняют.
На правах рукописи
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРОВЫХ
КОТЕЛЬНЫХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК С ВИНТОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Специальность 05.14.04- Промышленная теплоэнергетика
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар-2006
Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.
Научный руководитель: д-р техн. наук, профессор
Официальные оппоненты:
д-р техн. наук, профессор
д-р техн. наук, профессор
Ведущая организация:
инженерный центр энергетики», г. Краснодар
Ученый секретарь диссертационного совета
канд. техн. наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы . Произошедшие в экономике России изменения заставляют по-новому взглянуть на проблемы малой энергетики. По разным оценкам от 50 до 70 % территории России, на которой проживает более 20 млн. человек, не охвачено централизованным энерго и электроснабжением. На этой огромной территории жизнедеятельность людей обеспечивается, главным образом, средствами малой энергетики: электроснабжение – от автономных дизельных электростанций (ДЭС), теплоснабжение – от местных котельных установок, работающих на твердом, жидком и реже газообразном топливе.
Анализ режимов работы и технического состояния существующих источников тепловой энергии свидетельствует об их низкой энергетической эффективности и надежности. Последнее подтверждается участившимися случаями аварийного отключения котельных, вызванными прекращением электроснабжения, например, из-за обрывов линий электропередач. В результате таких аварий прекращается циркуляция теплоносителя, что в условиях низких температур может приводить к размораживанию трубопроводов и всей системы в целом.
В связи с этим весьма актуальным является вопрос об организации в паровых котельных производства электрической энергии для покрытия собственных нужд и для отпуска сторонним потребителям. В большинстве коммунальных и промышленных котельных установлены котлы типов ДКВР, ДЕ, КЕ и др., вырабатывающие пар с давлением 1,3 МПа. В то же время потребители используют его, как правило, при давлении 0,3-0,4 МПа. Понижение давления осуществляется в редукционных устройствах путем дросселирования, при этом на каждой тонне пар теряется 40-50 кВт*ч энергии. Указанный перепад давления может быть использован для производства электрической энергии в автономной энергогенерирующей установке, состоящей из парового двигателя и электрического генератора.
Это позволит не только существенно снизить себестоимость вырабатываемого тепла, но и обеспечить надежное электроснабжение котельной.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности работы паровых котельных за счет использования свободного перепада давления пара для выработки электрической энергии в когенерационной установке с винтовым двигателем.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
Разработать математическую модель винтового двигателя и провести расчетное исследование режимов его работы;
Экспериментально проверить работоспособность двигателя и адекватность разработанной математической модели;
Провести оптимизацию характеристик винтового двигателя для условий его эксплуатации по тепловому графику в паровых котельных;
Разработать методику расчета и выбора геометрических параметров двигателя и режимов работы когенерационной установке в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимально возможной годовой выработки электрической энергии.
Научная новизна.
В диссертационной работе получены новые научные результаты:
Разработана математическая модель винтового двигателя, работающего на различных рабочих телах, в том числе на водяном паре;
Проведена экспериментальная проверка адекватности математической модели винтового детандера;
Получены режимные характеристики винтового двигателя при его работе на водяном паре;
Предложена методика выбора геометрических параметров двигателя, режимов его работы в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимальной годовой выработки электрической энергии.
Методы и средства выполнения исследований .
Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались общепринятые методы термодинамических расчетов процессов с переменной массой рабочего тела. При разработке методики расчета использовались методы математического анализа, пакеты прикладных программ (Excel, Mathcad), а также аппроксимирующие уравнения для используемой области h-s-диаграммы водяного пара. Экспериментальная проверка математической модели осуществлялась на электрогенераторном комплексе ДГУ-250.
К защите представляются следующие основные положения :
Математическая модель винтового двигателя, работающего на различных рабочих телах, в том числе на водяном паре;
Результаты расчетного и экспериментального исследования винтового двигателя;
Результаты оптимизации геометрических и режимных характеристик винтового двигателя;
Методика выбора геометрических параметров двигателя и режимов его работы в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимальной годовой выработки электроэнергии;
Практическая значимость.
Внедрение коагенерционных установок с винтовым двигателем в паровые котельные является энергосберегающим мероприятием, т. к. позволит исключить потери энергии при редуцировании пара.
Отказ от покупной электроэнергии позволит значительно уменьшить себестоимость вырабатываемого тепла, повысить надежность электроснабжения источника, а также уменьшить экологический вред от выбросов в атмосферу.
Рекомендации, разработанные на основе анализа режимов совместной работы систем теплоснабжения и парового двигателя, позволяют осуществить рациональный выбор геометрических параметров и производительности винтового двигателя, а также режима его работы в зависимости от величины и характера присоединенной тепловой нагрузки. Предложенные методики позволяют определить величину годовой выработки электроэнергии, рентабельность, экономическую эффективность и срок окупаемости данной установки.
Реализация результатов .
Результаты проведенных по разработанной методике расчетных и экспериментальных исследований положены в основу корректировки технической документации на детандер-генераторную установку с целью постановки ее на производство
Изготовленный и исследованный опытно-промышленный образец винтового двигателя в составе когенерационной установки ДГУ-250 планируется к установке на одной из паровых котельных.
Методика подбора геометрических параметров и производительности двигателя для максимального покрытия годового графика тепловой нагрузки котельной передана в для использования при проектировании детандер-генераторных комплексов.
Апробация работы .
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международном научно-техническом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика – 2005» (г. Сочи), V Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск, 2005г.), Международной научно-технической конференции «Энергетика XXI века» (Крым, 2005), научно-техническом семинаре предприятия «Краснодарская ТЭЦ» АО «Кубаньэнерго»(Краснодар, 2005г.), заседании кафедры «Промышленная теплоэнергетика и ТЭС» КубГТУ (Краснодар, 2006г.), четвертой южнороссийской научной конференции. «Энерго - и ресурсосберегающие технологии и установки».
Публикации . По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 118 страницах, включая 36 рисунков, 5 таблиц. Список используемой литературы включает 117 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы. Отмечается наличие потерь энергии в котельных при редуцировании потоков пара, указывается на ненадежность работы источников тепла при авариях в системах электроснабжения, которые приводят к прекращению теплоснабжения. Сформулированы цели и задачи исследования.
Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы в области повышения эффективности источников тепла при организации в них производства электрической энергии, т. е. при реконструкции котельных в мини-ТЭЦ.
Рассмотрены и проанализированы известные методы организации комбинированного производства тепловой и электрической энергии в существующих котельных, включая использование газотурбинных агрегатов (ГТУ), двигателей внутреннего сгорания, паротурбинных установок (ПТУ). Отмечены достоинства и недостатки каждого из этих технических решений.
Обоснована целесообразность использования в области электрических мощностей когенерационных комплексов до 500 кВт винтовых двигателей.
Проанализирован отечественный и зарубежный опыт использования винтовых расширительных машин в разных отраслях промышленности.
С учетом изложенного сформулированы задачи исследования.
Во второй главе показано, что для осуществления совместной работы котельной, электрогенераторного комплекса и системы теплоснабжения необходимо иметь возможность с достаточной степенью точности прогнозировать характеристики винтового двигателя и параметры рабочего тела в процессе расширения.
Для решения этой задачи в данной главе разработана математическая модель рабочего процесса детандера. Основными усложняющими моментами при этом явились переменность массы пара, расширяющегося в рабочей полости, протечки пара из полостей высокого давления в полости с более низким давлениям, а также протекание процесса в области влажного пара вблизи пограничной кривой.
В основу математической модели винтового двигателя положено уравнение первого закона термодинамики в виде
dQподв=d(Gh)-Vdp=hdG+Gdh-Vdp, (1)
где dG – изменение массового заряда в полости;
dh – изменение удельной энтальпии пара в полости при повороте
ведущего ротора на угол dφ.
Тепло, подведенное к полости dQподв, алгебраически складывается из отвода тепла через стенки корпуса ВРМ в окружающую среду dQвнеш, подвода тепла с паром, натекающим в полость i из сзади идущих полостей dGi-4,dGi-1, а также отвода тепла с утечками во впереди идущие полости dGi+1,dGi+4,dGi+5 .
dQподв = dQвнеш + dGi-4*hi-4+dGi-1*hi-1-(dGi+1+dGi+4+dGi+5)*hi, (2)
По оценкам других исследователей отвод тепла в окружающую среду dQвнеш составляет до 0,5% мощности ВРМ и может не учитываться.
С учетом (1) изменение давления в полости при повороте ведущего винта на угол dφ составит:
Интегрирование уравнения 3 возможно осуществить только численными методами в связи с отсутствием аналитических зависимостей между входящими в него величинами
Изменение давления в парной полости при повороте ведущего ротора на угол в конечных разностях
Результирующее изменение массы пара в полости;
Приращение энтальпии в полости, которое является
результирующей величиной трех составляющих:
Увеличения объема при изоэнтропном расширении от до
Изменение массы пара из-за натечек и утечек
От смешения с паром, натекающим в полость.
На основе уравнения (4) были разработаны программы расчета рабочего процесса ВРМ на сухом, перегретом и влажном паре.
Для расчета рабочего процесса двигателя на влажном паре нами было разработано математическое описание hS - диаграммы в области протекания исследуемых процессов в виде комплекса аппроксимирующих уравнений.
Одной из основных характеристик работы винтового двигателя является адиабатный КПД, который может быть представлен в виде произведения частных коэффициентов
, (5)
где - соответственно коэффициенты, учитывающие потери с протечками, отклонениями режима от расчетного, гидравлические потери.
В работе предложены уравнения для расчета этих показателей.
Расход рабочего тела через ВРМ
. (6) Внутренняя мощность ВРМ 
. (7)
Электрическая мощность на клеммах генератора определяется с учетом механических потерь в двигателе, редукторе и генераторе.
Материалы, полученные при расчетах по предложенной методике, позволяют осуществлять прогнозирование показателей детандер-генераторных установок с ВРМ и оптимизировать их геометрические параметры для максимального покрытия тепловой нагрузки конкретного источника тепла, а также выполнять технико-экономические расчеты для оценки эффективности предлагаемых технических решений.
В третьей главе дано описание конструкции и схемы опытно-промышленного образца детандер-генераторной установки ДГУ-250 с винтовым двигателем, а также приведены результаты расчетного и экспериментального исследования ее работы на сжатом воздухе и дано сопоставление экспериментальных характеристик с расчетными данными.
Коагенерационная установка ДГУ-250 состоит из винтового двигателя, редуктора, электрогенератора и щита управления. Стенд, на котором производились испытания установки, оборудован приборами для измерения и регистрации температур, давлений, расхода рабочего тела, а также скорости вращения роторов винтовой расширительной машины.
При проведении испытаний ВРМ на сжатом воздухе в условиях завода изготовителя была подтверждена работоспособность комплекса и всех систем, а также получены экспериментальные зависимости .
Используя разработанную математическую модель ВРМ, те же зависимости были получены расчетным путем.
Результаты сопоставления опытных и расчетных показателей (расхождение не превышает 7 %) позволяют сделать вывод о достаточной адекватности предложенной математической модели.
Кроме того, в условиях работы ВРМ в паровых котельных, входящих в систему теплоснабжения, основным фактором, определяющим режим работы комплекса, является меняющаяся тепловая нагрузка источника тепла, и как следствие, изменение входного давления пара Рвх. Это потребовало рассмотреть влияние Рвх и n на основные показатели установки Рис (1,2,3)
Важным преимуществом ВРМ перед другими типами расширительных машин является положительное влияние наличия жидкой фазы в потоке расширяющегося газа на показатели работы двигателя.
При работе на водяном паре конденсат не только может образовываться в рабочей полости при снижении давления, но и поступать в машину вместе с паром. В результате под действием центробежных сил на поверхности расточки корпуса и на боковых поверхностях зубьев появляется пленка конденсата, толщина которой в зависимости от количества конденсата может оказаться сопоставимой с величиной зазоров в машине. Заполнение зазоров жидкой пленкой существенно снижает перетечки между полостями, что заметно повышает КПД винтового
Рисунок 1 - Зависимость расхода пара от частоты вращения ведущего ротора при различных значениях Рвх.
Рисунок 2 - Зависимость мощности ДГУ от частоты вращения ведущего винта и различных значениях Рвх.
двигателя. Расчеты по разработанной программе показали, что при уменьшении величины зазоров в 2 раза КПД машины возрастает на 8 %.
Четвертая глава посвящена рассмотрению условий наиболее эффективной совместной работы ВРМ и систем теплоснабжения при переменной тепловой нагрузке потребителей. На рис 4 приведена принципиальная схема включения электрогенераторного комплекса в тепловую схему котельной. Покрытие пиковой части теплового графика предусмотрено через регулятор давления 5.
Рисунок 4 - Принципиальная схема паровой котельной с ВРМ
1- паровой котел, 2 – деаэратор, 3- расширительная машина, 4 – генератор, 5-редукционный клапан, 6-регулятор давления, 7- сетевой подогреватель, 8-питательный насос, 9- сетевой насос, 10 – потребитель.
При эксплуатации комплекса задачей является не только обеспечение расхода пара через ВРМ, соответствующего меняющейся тепловой нагрузке, но и получение максимально возможной годовой выработки электроэнергии.
Теплопроизводительность ВРМ (под этим показателем условно будем понимать количество теплоты, переданное потоком пара, выходящим из ВРМ, сетевой подогревательной установке) выражается известным уравнением
Из уравнения (9) следует, что регулирование теплопроизводительности ВРМ в соответствии с меняющейся тепловой нагрузкой возможно двумя путями:
· изменением расхода пара через ВРМ, которое может осуществляться регулированием частоты вращения роторов и Рвх,;
· регулированием конечного давления , что приводит к изменению энтальпии в конце изоэнтропного расширения и следовательно величины .
Следует также учитывать, что при колебаниях как , так и происходит изменение , в основном за счет появления потерь от несоответствия внутренней и внешней степеней понижения давления, что учитывается режимным КПД двигателя.
В данной главе рассмотрены возможности регулирования расхода пара через ВРМ за счет изменения частоты вращения роторов, а также за счет давления пара на входе в машину и выходе из нее.
Установлено, что наиболее широкие возможности изменения
расхода пара дает регулирование частоты вращения роторов, однако при работе в параллель с системой электроснабжения использовать этот вариант регулирования не представляется возможным.
Определение зависимости теплопроизводительности ВРМ от давления до и после расширительной машины показало, что изменение Рвх приводит к практически линейному изменению расхода пара через двигатель, а варьирование выходного давления Р2 крайне незначительно (2-3%) сказывается на величине Q. Следовательно, регулирование теплопроизводительности ВРМ в соответствии с меняющейся тепловой нагрузкой котельной практически возможно только за счет изменяющегося давления пара на входе в машину.
При этом верхний предел теплопроизводительности определяется максимальной величиной давления пара, поступающего в машину. При снижении входного давления соответственно уменьшается массовый расход пара и следовательно теплопроизводительность и мощность ВРМ.
Предложено минимальную теплопроизводительность ВРМ определять из условия равенства электрической мощности Nэ, вырабатываемой электрогенератором, величине собственных нужд котельной Nсн. Очевидно, что если вырабатываемая мощность не покрывает собственные нужды источника, использование когенерационной установки теряет смысл.
Для обеспечения круглогодового использования когенерационной установки необходимо также выдержать условие .
Существенное расширение диапазона регулирования теплопроизводительности машины можно получить, изменяя геометрическую степень расширения двигателя , где Vнр – объем парной полости в момент начала расширения.
Увеличение теплопроизводительности ВРМ возможно за счет снижения геометрической степени расширения, т. к. при этом возрастает расход пара через машину. Это позволит существенно увеличить покрытие тепловой нагрузки паром, отработавшим в ВРМ. При этом общая годовая выработка электроэнергии возрастает. Поскольку является конструктивным параметром, ее величина может закладываться при проектировании впускного окна машины, исходя из требуемой теплопроизводительности ВРМ для данной котельной.
На рис 5 верхняя кривая отображает годовую выработку электроэнергии Эг для исследуемого агрегата при различных значениях . Максимальное значение Эг достигается при =2,15 и составляет 1,98 млн. кВт*ч, в т. ч. за отопительный период 1,36 млн. кВт*ч, за летний сезон 0,62 млн кВт*ч.
Анализ приведенных сезонных графиков показывает, что для покрытия летней нагрузки ГВС целесообразно иметь большие значения , т. к. при этом будет максимально использоваться потенциальная энергия пара, поступающего в ВРМ. Суммарная выработка электроэнергии за летний сезон при этом возрастает с увеличением .
Рисунок 5 - Выработка электроэнергии за отопительный
и летний периоды работы котельной.
В отопительный период в связи с необходимостью покрывать возрастающую тепловую нагрузку целесообразно иметь машину с малыми значениями . В этом случае выработка электроэнергии за отопительный сезон возрастает за счет увеличения расхода пара через машину т. к. увеличивается объем заполняемой полости.
С учетом изложенного предложено, исходя из годового графика тепловой нагрузки, при проектировании машины под конкретную котельную, предусмотреть возможность замены окна впуска при переходе с отопительного сезона на летний и наоборот. Размеры впускного окна однозначно определяют величину объема полости в начале расширения, а следовательно и , расход пара через машину.
Расчеты показали, что для принятой геометрии винтов оптимальное значение составляет для летнего периода 3,5; при этом выработка электроэнергии за сезон обеспечивается в количестве 854 тыс. кВт * ч. Оптимальное значение для зимнего периода составляет 1,2; при этом выработка электроэнергии за сезон –1545 тыс. кВт*ч. Суммарная годовая выработка электроэнергии в таком варианте составляет 2400 тыс. кВт * ч, что на 420 тыс. кВт* ч (21,2 %) выше, чем при оптимальном в течение всего года без замены окна впуска.
Найденные в процессе экспериментов и расчетов закономерности и при указывают на возможность использовать изменение противодавления за ВРМ для увеличения электрической мощности и годового производства электроэнергии комплексом при безусловном покрытии базовой части теплового графика.
Для реализации данного предложения достаточно установить регулятор противодавления за ВРМ, работающий по программе, увязанной с требуемой температурой нагрева сетевой воды в соответствии с температурным графиком системы теплоснабжения. В частности в летний период давление пара за ВРМ Р2 может быть максимально понижено, что позволит в течение всего периода иметь повышенную мощность двигателя, а следовательно и увеличить выработку электроэнергии.
В заключительной части главы приведены полученные расчетным путем поля тепловых нагрузок, покрываемых винтовыми двигателями 6-ой (d=250 мм) и 7-ой (d=315 мм) базы. Изложена методика подбора конструктивных параметров ВРМ для конкретной котельной. Даны рекомендации, направленные на получение максимальной годовой выработки электроэнергии.
Проведенная технико-экономическая оценка внедрения ДГУ-250 в одной из котельных показала, что годовая выработка электроэнергии составляет 2 400 тыс. кВт*ч и срок окупаемости не превышает 1,8 года.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
1. Выполнен анализ известных технических решений по организации комбинированной выработки тепловой и электрической энергии в котельных. Установлено, что в условиях меняющейся тепловой нагрузки работа агрегатов по тепловому графику связана с существенным ухудшением их эффективности.
2. Предложена математическая модель ВРМ, на основании которой разработана методика расчета рабочего процесса для водяного пара, учитывающая переменность массы, явление конденсации в рабочих полостях и наличие жидкой фазы в потоке.
3. Проведена наладка систем головного образца детандер-
генераторной установки и получены экспериментальные характеристики ВРМ, подтверждающие ее работоспособность и адекватность разработанной математической модели машины.
4. Проведено расчетное исследование работы ВРМ на водяном паре. Установлено, что КПД двигателя находится в пределах 0,65-0,75 и незначительно меняется в широком диапазоне частоты вращения роторов и начального давления пара, что указывает на возможность эффективной работы ДГУ при значительных колебаниях тепловой нагрузки.
5. Показано, что заполнение зазоров в машине сконденсировавшейся влагой приводит к заметному увеличению ее КПД за счет уменьшения величины протечек
6. Выполнен анализ совместной работы ДГУ с системой теплоснабжения в условиях меняющейся тепловой нагрузки. Проанализированы возможности регулирования режима работы ВРМ.
7. Разработана методика оптимизации годовой выработки электроэнергии на базе теплового потребления для котельных с различными величинами и соотношениями зимней и летней нагрузок.
8. Даны рекомендации по подбору типоразмера и геометрических параметров ВРМ с целью получения максимальной годовой выработки электроэнергии. Показано, что практически весь диапазон тепловых нагрузок от 4 до 75 ГДж/ч при применении предложенных методов регулирования покрывается двумя типоразмерами ВРМ (6ой и 7ой базы).
9. Результаты исследования позволят ставить вопрос о широком внедрении установок данного типа в производственных и отопительных паровых котельных.
1. Репин установка для паровых котельных// Материалы V международной конференции.- Новочеркасск,2005.-С. 31-34.
2. Репин исследования когенерационной установки для паровых котельных// Энергосбережение и водоподготовка № 2, 2006.-С.71-72.
3. Репин производства электроэнергии и холода на газотурбинных станциях. // Материалы четвертой южнороссийской научной конференции. «Энерго - и ресурсосберегающие технологии и установки». Краснодар. 2005.-С. 27-30.
4. К вопросу о повышении надежности электроснабжения паровых котельных// Материалы четвертой южнороссийской научной конференции. «Энерго - и ресурсосберегающие технологии и установки». Краснодар. 2005. - С. 27-30.
5. , Репин использования энергии давления природного газа на малых газораспределительных станциях/ Энергосбережение. № 3, 2004.- С. 70-72.
6. , Репин расчета рабочего процесса винтового парового двигателя// Материалы V международной конференции. Новочеркасск, 2005. - С. 28-31.
7. , Репин комплекс для паровой котельной// Материалы Международного научно-технического семинара. Сочи, 2005 г.
8. Репин электроснабжение котельной с использованием цикла на низкокипящем рабочем теле// Материалы международной конференции «Проблемы энергетики», Крым, 2004
9. , Репин результаты расчетного исследования электрогенерирующего комплекса для паровой котельной// Материалы Международного научно-технического семинара. Сочи, 2005 г.
В развитии современной котельной техники малой и средней мощности можно выделить следующие направления:
Повышение энергетической эффективности путем всемерного снижения тепловых потерь и наиболее полного использования энергетического потенциала топлива;
Уменьшение габаритных размеров котельных агрегатов за счет интенсификации процесса сжигания топлива и теплообмена в топке и поверхностях нагрева;
Снижение токсичных (вредных) выбросов (СО, NOx, SOx;
Повышение надежности работы котельного агрегата.
Энергетическая эффективность котельных агрегатов оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). При работе на газообразном и жидком топливах КПД зависит в основном от потерь теплоты с уходящими газами При полном сжигании топлива потери теплоты от химической неполноты сгорания равны нулю, а потери теплоты через наружные ограждения в окружающую среду для современных котлов сведены к минимуму и составляют доли процента. Как известно, потери теплоты с уходящими газами зависят от температуры этих газов и коэффициента избытка воздуха, с которым осуществляется сжигание топлива. Подсосы воздуха в дымовой тракт современного котельного агрегата практически отсутствуют.
При снижении температуры уходящих газов до уровня, на котором происходит конденсация водяных паров продуктов горения (ПГ), достигается двойной эффект: с одной стороны, выделяемая скрытая теплота конденсации водяных паров существенно повышает используемый энергетический потенциал топлива, который усваивается хвостовыми поверхностями нагрева котла, с другой стороны, уменьшаются потери теплоты с уходящими газами.
Такие котлы получили название низкотемпературные (при отсутствии конденсации водяных паров продуктов горения) и конденсационные (при наличии конденсации водяных паров), их выпускают фирмы Viessmann, Ecoflame и др.
Основным недостатком конденсационных котлов является агрессивная среда, когда в образующемся конденсате растворяется диоксид углерода с образованием угольной кислоты Н2СО3, вызывающей интенсивную коррозию поверхностей нагрева. Образующийся конденсат необходимо нейтрализовать. Опасность кор розии многократно возрастает при использовании серосодержащего топлива, при сжигании которого образуются оксиды серы, являющиеся источником серной кислоты.
Защита от коррозии может быть обеспечена при выполнении элементов котла из сталей, обладающих высокой коррозионной стойкостью, т.е. из сталей, легированных присадками хрома, никеля и молибдена. Данные стали относятся к дорогим материалам, их применение значительно повышает стоимость котельных агрегатов, но при этом существенно возрастает экономичность установок. Например, при работе на природном газе КПД такого котла приближается к максимально возможному почти на 11 %. Содержание водяных паров в продуктах горения при сжигании жидкого топлива меньше, чем при сжигании газа, поэтому дополнительный выигрыш за счет использования теплоты в случае жидкого топлива составляет всего 5...7 %.
Исключительно важное значение для эффективности работы котельного агрегата имеют горелочные устройства. В настоящее время на российском рынке наряду с отечественными производителями (ООО «Сормово», ОАО «Старорусприбор», ООО «Каменский завод газоиспользующего оборудования» и др.) появилось много иностранных фирм (Baltur и Ecoflame (Италия), Benton (Швеция), De Ditrich (Франция), Korting, Saacke, Weisshaupt (Германия) и др.), производящих современную котельную технику и газогорелочное оборудование.
Современные газовые и жидкотопливные горелки отличаются высокой эффективностью сжигания топлива, экономичностью и экологическими характеристиками, высокой степенью автоматизации.
Управление работой горелок и контроль безопасности выполняют специальные устройства - менеджеры горения, с помощью которых осуществляются контроль герметичности магнитных клапанов, электронно-связанное управление соотношения топливо - воздух, связь с персональным компьютером, на экране которого отображается последовательность работы и настройка параметров работы.
Регулирование тепловой мощности горелок выполняется в зависимости от используемого топлива, типоразмера горелок и конкретных условий организации процесса. Наиболее качественное ведение процесса достигается при модулируемом способе регулирования тепловой мощности горелок.
Регулирование расхода воздуха у горелок некоторых типов осуществляется посредством изменения частоты вращения вентилятора, что обеспечивает наиболее экономичный режим работы горелки при снижении уровня потребления электрической мощности.
Новая технология сжигания реализуется, например (рис. 5.1). Камера горения такого котла представляет собой акустическую систему с высокой степенью гурбулизации дымовых газов. В камере горения котлов с пульсирующим горением отсутствуют горелки, а следовательно, нет и факела. Подача газа и воздуха осуществляется прерывисто с частотой примерно 50 раз в секунду через специальные газопульсирующие и воздушно-пульсирующие клапаны и процесс горения происходит во всем топочном объеме. При сжигании топлива в топке повышается давление, увеличивается скорость продуктов
Рис. 5.1.
1 - газопульсирующий клапан; 2 - ресивер газовый; 3 - газовая линейка; 4 - камера горения; 5 - водяная рубашка камеры горения; 6 - резонаторные трубы в водяной рубашке; 7 - выхлопной коллектор; 8 - водяная рубашка выхлопного коллектора; 9 - глушитель выхлопа; 10 - ресивер воздушный; 11 - вентилятор; 12 - воздушно-пульсирующий клапан; 13 - запальная свеча; 14 - предо&
хранительный клапан; ПГ - продукты горения
горения, что приводит к существенной интенсификации процесса теплообмена, т.е. обеспечивается возможность уменьшении массы и габаритных размеров котла.
Дымовые газы под избыточным давлением выходят из камеры горения, по резонаторным трубам поступают в выхлопной коллектор 7 и, проходя через глушитель выбрасываются через дымовую трубу наружу. Нагреваемая вода движется противотоком по отношению к дымовым газам по водяным рубашкам
Котлам пульсирующего горения не нужна дымовая тяга, и работать они могут при весьма низком давлении газового топлива - менее 0,7 кПа (70 мм вод. ст.). Потребляемая мощность электрооборудования котла не зависит от его теплопроизводительности и составляет не более 100 Вт.
Поступающая в камеру горения газовоздушная смесь сгорает почти полностью, поэтому в ПГ содержание СО примерно 95 мг/м3, оксидов азота - 35 мг/м3. По сравнению с аналогами, работающими по принципу факельного горения, котлы с пульсирующим горением выгодно отличаются небольшими размерами и массой.
Анализ котельной техники малой и средней мощности от отечественных и зарубежных производителей показывает, что наибольшее распространение в настоящее время находят горизонтальные жаротрубные и жарогазотрубные котельные агрегаты для производства пара и горячей воды, основные типы которых приведены на рис. 5.2.
Жаротрубный котел (рис. 5.2, выполняется в виде цилиндра, заполненного водой, внутри которого расположена жаровая труба выполняющая функции топки. Горелка устанавливается в торцовой части жаровой трубы. Передача теплоты от факела и ПГ к стенкам жаровой трубы осуществляется преимущественно путем излучения. Дымовые газы, пройдя жаровую трубу и отдав теплоту воде, направляются через патрубок в дымовую трубу.
В жаротрубном котле на рис. 5.2, жаровая труба имеет U-образную форму. Этим достигается некоторое увеличение поверхности нагрева и необходимое соотношение между длиной и высотой котла.
Интенсификация теплоотдачи от ПГ к поверхностям нагрева достигается в жарогазотрубных котлах, в которых установлены радиационная и конвективная поверхности нагрева. Радиационный теплообмен осуществляется в жаровой трубе таких котлов, а конвективный теплообмен - в трубах небольшого диаметра, через которые с достаточно большой скоростью проходят продукты сжигания топлива. Жаровая труба и конвективная поверхность нагрева в таких котлах, получивших название двухходовые жарогазотрубные, снаружи омываются водой. Разворот ПГ осуществляется в поворотной камере, расположенной за жаровой трубой.
Более глубокое использование теплоты ПГ за счет увеличения времени пребывания газов достигается в трехходовых жарогазотрубных котлах (рис. 5.2, в), в которых газы последовательно проходят жаровую трубу и конвективную поверхность 5, к которой они поступают через две поворотные камеры, расположенные со ответственно за жаровой трубой и в передней крышке, где уста новлена горелка
Известны горизонтальные котельные агрегаты с двумя жаро вы ми трубами, каждая из которых имеет самостоятельное отопление с помощью горелок.
Рис. 5.2. : а - жаротрубный; б - жаротрубный с U-образной жаровой трубой; в - трехходовой жарогазотрубный; г - жаротрубный с двумя жаровыми трубами; д - водо &трубный с змеевиковой поверхностью нагрева; е - жарогазотрубный с инверси онной топкой; 1 - горелка; 2 - жаровая труба; 3 - корпус; 4 - патрубок к дымовой трубе; 5 - конвективная поверхность нагрева; 6 - поверхность нагрева в виде змеевиков; ПГ - продукты горения
Наличие двух жаровых труб 2 (рис. 5.2, позволяет увеличить мощность котельного агрегата, а также более эффективно проводить регулирование его производительности. На малых нагрузках подача топлива на одну из жаровых труб может быть отключена, на средних и больших нагрузках в работе находятся обе жаровые трубы.
В водотрубных конструкциях котельных агрегатов вода находится внутри труб. Так, в котельном агрегате, изображенном на рис. 5.2, поверхность нагрева выполнена в виде змеевиков, образующих жаровую трубу 2 и конвективную поверхность 5.
Большое внимание при разработке современных конструкций котельных агрегатов уделяется снижению выбросов токсичных газообразных оксидов азота. Этого удается достичь при использовании специальных горелок с низкой эмиссией NOX, выборе геометрических характеристик топки, обеспечивающих умеренное значение плотности тепловыделения в топочной камере порядка 0,4...0,6 МВт/м3.
В жарогазотрубных котлах с инверсионной топкой (рис. 5.2, поток ПГ, пройдя топочную камеру, ударяется в заднюю ее стенку, в результате чего разворачивается и движется в обратном направлении к передней стенке, откуда через промежуточную камеру поступает в конвективную часть котла, в которой конвективная поверхность нагрева 5 выполнена из труб малого диаметра. В результате такой организации движения ПГ подмешиваются к факелу, снижая его температуру и тем самым приводя к уменьшению образования термических оксидов азота (оксидов азота, образующихся при высоких температурах).
В настоящее время для умягчения и обессоливания подпиточной воды используются весьма сложные установки, зачастую требующие для своей работы дорогостоящих компонентов. Кроме того, неизбежны штрафные платы и за сбросы солевого концентрата, который губительно влияет на окружающую среду.
Вакуумный водогрейный котел японской фирмы Takuma (рис. 5.3) - это герметичная емкость, наполненная определенным количеством хорошо очищенной воды. Топка котла представляет собой жаровую трубу, находящуюся ниже уровня воды.
Выше уровня воды в паровом пространстве 5 установлены два теплообменника и Один из них (теплообменник 5), включается в отопительный контур, другой (теплообменник - работает в системе горячего водоснабжения.
Благодаря небольшому вакууму, автоматически поддерживаемому внутри котла, вода закипает в нем при температуре ниже обычных 100 °C. Испарившись, она конденсируется на теплообменниках и затем поступает обратно в котел. Так как очищенная вода в процессе эксплуатации никуда не выводится из агрегата, облегчается задача обеспечения необходимого ее количества.
Рис. 5.3. :
1 – предохранительный клапан; 2 - блок автоматического удаления воздуха; 3 - теплообменник отопительного контура; 4 - теплообменник контура горяче го водоснабжения; 5 - паровое пространство котла; 6 - мановакуумметр; 7 дымовая труба; 8 - топка в виде жаровой трубы; 9 - конвективная поверхность нагрева; 10 - вентилятор; 11 - горелка; 12- блок управления; ПГ - продукты горения
Таким образом, снимается проблема химической подготовки котловой воды, качество которой является непременным условием ни дежной и длительной работы котельного агрегата.
Отопительные котлы американской фирмы Teledyne Lears это водотрубные установки с горизонтальным теплообменником из оребренных медных труб. Особенностью таких котлов, полу чивших название гидронные, является возможность исполыови иия их на неподготовленной сетевой воде. В этих котлах обеспе чивается высокая скорость протекания воды через теплообмен пик (более 2 м/с). Таким образом, если вода по своему состииу может вызывать коррозию оборудования, то образующиеся час тицы продуктов коррозии будут откладываться в виде накипи, но только не в теплообменнике котла. В случае использования жесткой воды быстрый поток снизит или предотвратит образование накипи. Необходимость высокой скорости привела разрабогчн ков к решению максимально уменьшить объем водяной части котла, так как в противном случае нужен слишком мощный циркуляционный насос, потребляющий большое количество электроэнергии.
Рис. 5.4. Жарогазотрубный трехходовой паровой котел Universal международной компании LOOS :
1 - импульсы к регулятору давления; 2 - манометр; 3 - люк для осмотра парового пространства котла; 4 - сепаратор пара; 5 - паровой вентиль; 6 - предохранительный клапан; 7 - люк в газоход; 8 - водяной экономайзер; 9 - обводной газоход (байпас) экономайзера; 10 - дымовая заслонка байпаса; 11 - сборная камера продуктов горения; 12 - дренажная труба для конденсата ПГ; 13 - гляделка; 14 - люк в водяное пространство котла; 15 - продувочный кран; 16 - опорная рама; 17 - поворотная камера ПГ; 18 - топка в виде жаровой трубы (топочная камера); 19 - конвективная поверхность нагрева; 20 - тепловая изоляция; 21 - секции для рециркуляции воды; 22 - горелка модулируемого регулирования; 23 - люк в поворотную камеру; 24 - водомерное стекло; ПГ - продукты горения
В последнее время на российском рынке реализуется котельная техника многочисленных зарубежных фирм и совместных российских и иностранных предприятий. На рис. 5.4 приведен жарогазотрубный трехходовой паровой котел Universal международной компании LOOS. Котел имеет топку выполненную в виде жаровой трубы, омываемой с боковых сторон водой. В переднем торце имеется откидывающаяся дверца с двухслойной тепловой изоляцией, в которой установлена горелка модулируемого регулирования. Продукты горения из жаровой трубы поступают к конвективной газотрубной поверхности нагрева совершают двухходовое движение, а затем из сборной камеры ПГ направляются в газоход, где установлен водяной экономайзер Для ре гулирования температуры подогреваемой воды в экономайзере часть газов может проходить мимо водяного экономайзера по об водному газоходу (байпас). Расход газов через водяной экопо майзер регулируется с помощью дымовой заслонки байпаса.
Подвод воды в котел осуществляется по патрубку, располо же иному в верхней части котла, а отвод пара - через паровой вентиль 5. Наружные поверхности котла имеют тепловую изоля цию Осмотр внутреннего состояния парового и водяного про странств котла производится через люки и Для слива кон денсата, образующегося из ПГ, предусмотрена дренажная труба 12. Котел устанавливается на опорную раму
Относительно большой объем топки и, как следствие, невы сокая плотность тепловыделения в топке (0,4... 0,6 МВт/м3) обеспечивают полное сгорание топлива. Благодаря трехходовому движению дымовых газов достигается высокая эффективность ра диационного теплообмена в жаровой трубе и конвективного теп лообмена в газотрубной части котла. Тепловая мощность котлов такого типа 11,2... 29,9 МВт, КПД котла в стандартном исполпе нии 95,9 %.
Д.т.н. В.А. Бутузов, генеральный директор, ОАО «Южгеотепло», г. Краснодар;
д.т.н. Г. В. Томаров, генеральный директор, ЗАО «Геотерм-ЭМ», г. Москва;
д.э.н. В.Х. Шетов, директор, ГУ «Центр энергосбережения и новых технологий», г. Краснодар
Анализ котельного парка Краснодарского края
Краснодарский край является динамично развивающимся агропромышленным рекреационным регионом России. При собственном населении численностью 5 млн чел. он ежегодно принимает на отдых до 15 млн гостей. Регион имеет развитую городскую инфраструктуру. Теплоснабжение городов и населенных пунктов обеспечивают 1824 котельных и 2290 км тепловых сетей (в двухтрубном исчислении). Годовая выработка тепловой энергии этими котельными в стоимостном выражении превышает 6 млрд руб.
Всего в крае в муниципальных котельных установлено 3920 котлов , из которых наибольшее количество составляют водогрейные, единичной тепловой мощностью менее 4 МВт, -3560 шт. (91%). Паровых котлов в крае работает 185 шт. (5%), а водогрейных, единичной тепловой мощностью от 4 до 50 МВт, - 175 шт. (4%). Муниципальные котельные в основном работают на природном газе (73%).
На рис. 1 приведено распределение наиболее массового вида котлов (водогрейные, мощностью менее 4 МВт) по типам. Чугунные секционные котлы со сроками службы 20-30 лет («Универсал», «Минск», «Энергия», «Тула») составляют 37,8% от общего количества этого вида, стальные котлы устаревшей конструкции КС-1 со сроками службы 15-20 лет - 27,2%, а современные котлы - всего 23,4%.
Программа модернизации
По инициативе ГУ «Центр энергосбережения и новых технологий» (г. Краснодар) разработана программа модернизации муниципальных котельных. В данной статье приведены результаты исследований по дооборудованию данных котельных когенерационными установками. Приоритетность данного подхода обусловлена следующими основными факторами:
Необходимость модернизации котельных при отсутствии финансовых ресурсов;
Наличие тепловых нагрузок, в т.ч. круглогодичного горячего водоснабжения (минимальная тепловая нагрузка когенерационныхустановок);
Возможность использования резервной пропускной способности подводящих газопроводов, емкостей мазутного хозяйства, сечений и высот дымовых труб.
Актуальность данной работы заключается в необходимости подключения новых городских потребителей тепловой и электрической энергии без существенного увеличения потребления топлива. Пропускная способность системы газоснабжения Краснодарского края исчерпана, ее модернизация потребует нескольких лет и больших средств.
На 2006-2010 гг. ГУ «Центр энергосбережения и новых технологий» разработана краевая программа энергосбережения , утвержденная региональным законодательным собранием. В результате реализации этой программы при общем объеме вложенных средств 16,6 млрд руб. ожидается уменьшение потребления топлива на 35%. Высвободившееся от внедрения энергосберегающих мероприятий и использования возобновляемых источников энергии топливо планируется направить на строительство когенерационных установок муниципальных котельных .
При анализе характеристик водогрейных котельных с котлами единичной тепловой мощностью от 4 до 50 МВт, в свою очередь, были выделены три группы котельных со следующими диапазонами установленной мощности: первая группа - 10-15 МВт, вторая группа - 15-20 МВт; третья группа - свыше 20 МВт (рис. 2).
Для каждой из указанных групп по известным методикам были подобраны газопоршневые установки (ГПУ) и газовые турбины (ГТ). Для котельных первой и второй групп определена целесообразность установки на их базе ГПУ общей электрической мощностью 60 МВт. Для третьей группы котельных обоснована установка ГТ общей электрической мощностью 188 МВт. Для паровых муниципальных котельных с котлами ДКВР,ДЕ (19 котельных; суммарная установленная тепловая мощность 521 МВт) высокоэффективным мероприятием является установка паровых противодавленческих турбин общей электрической мощностью 22 МВт.
Реализация программы модернизации муниципальных котельных Краснодарского края с их дооборудованием когенерационными установками обеспечит ввод в эксплуатацию 270 МВт электрических мощностей (рис. 3).
Для каждого из данных видов когенерационного оборудования выбраны котельные, для которых были разработаны бизнес-планы. Так, например, стоимость установки газовых турбин мощностью 12 МВт с котлами-утилизаторами в водогрейной котельной тепловой мощностью 60 МВт в г. Анапе составляет 230 млн руб. (в ценах 2006 г.), а расчетный срок окупаемости модернизации не превышает 5,5 лет. Другим примером является водогрейная котельная тепловой мощностью 25 МВт в г. Тимашевске, в которой планируется размещение ГПУ установленной электрической мощностью 2 МВт. Стоимость модернизации составляет 30 млн руб. и имеет расчетный срок окупаемости 4,5 года.
Наименьший расчетный срок окупаемости (2 года) получен при разработке бизнес-плана модернизации паровой котельной тепловой мощностью 29 МВт в г. Геленджике, в которой возможен монтаж паровых противодавленческих турбин мощностью 2 МВт. В этом случае стоимость модернизации составит 24 млн руб.
Реализованные проекты
Газопоршневые установки. В г. Новороссийске на территории муниципальной котельной «Южная» установленной мощностью 95,6 Гкал/ч (три водогрейных котла ПТВМ-50, два паровых котла ДКВР-4/13) в 2006 г. построена когенерационная станция установленной электрической мощностью 8,1 МВт и тепловой мощностью 8,4 МВт. В здании с размерами в плане 22×23 м размещены три газопоршневые установки фирмы «Jenbacher» (Австрия) (рис. 4). Электрическая мощность каждого модуля - 2,7 МВт, тепловая - 2,8 МВт. Численность персонала станции составляет 15 чел. С вводом в эксплуатацию данной электростанции котельная получила резервный источник электроснабжения, а городские электрические сети подключили к ней 4 микрорайона (15 тыс. квартир).
Данный проект осуществлен фирмой «ТЕАМ» (г. Новороссийск) за счет собственных средств. Общая стоимость строительства составила 220 млн руб. За время эксплуатации подтверждены все проектные характеристики, в т.ч. удельный расход топлива на производство единицы электрической и тепловой энергии. Региональной энергетической комиссией Краснодарского края утверждены тарифы на отпуск электрической энергии - 1 руб./кВт.ч, тепловой энергии - 688 руб./Гкал. При годовом потреблении природного газа 16 млн м3 по цене 2315 руб. за 1000 м3 срок окупаемости станции превысит 10 лет.
Паровые турбины. В г. Сочи в котельной № 14 установленной тепловой мощностью 215 МВт (пять водогрейных котлов КВГМ-30, два паровых котла ДЕ-25/14ГМ) в 2002 г. введена в эксплуатацию паровая противодавленческая турбина «Кубань 0,75А/0,4Р13/2» установленной электрической мощностью 750 кВт. Давление пара перед турбиной составляет 15 кгс/см2 (рабочее давление котлов ДЕ-25/14ГМ), после турбины -2 кгс/см2 (направляется в теплообменники и в деаэратор). Номинальный расход пара - 14,4 т/ч. Напряжение генератора турбины - 0,4 кВ.
Турбины типа «Кубань» разработаны совместно Калужским турбинным заводом и Южно-русской энергетической компанией . Установка работает в автономном режиме для частичного покрытия собственных нужд, является резервным источником электроснабжения котельной. Среднегодовая наработка турбогенератора составляет 6235 ч, а выработка электрической энергии -2950 тыс. кВт.ч. При цене электроэнергии 2,1 руб./кВт.ч стоимость выработанной электроэнергии в год составляет 6,2 млн руб., а за все время эксплуатации - 37,2 млн руб. Срок окупаемости данной турбоустановки не превысил 1 года.
Литература
1. Бутузов В.А. Анализ котельного парка Краснодарского края // Промышленная энергетика. 2006. №5.
2. Шетов В.Х., Чепель В.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Куб. ГТУ. Краснодар. 2006.
3. Томаров Г.В., Чепель В.В., Шетов В.Х., Бутузов В.А., Никольский А. И. Программа обеспечения 30% энергопотребности Краснодарского края на основе использования ВИЭ / Материалы Международного геотермального семинара МГС-2004, Петропавловск-Камчатский, 9-14 августа 2004 г.
4. Бутузов В.А. Паровые противодавленческие турбины в котельных промышленных предприятий // Промышленная энергетика. 2002. № 10.