Мероприятия повышения эффективности водогрейной котельной установки. Расчет показателей экономической эффективности работы котельной. Модернизация трубной обвязки котлов

Удельный вес котельных в теплоснабжении всех потребителей теплоты в нашей стране составляет около 45%. В перспективном периоде удельный вес котельных дополнительно возрастет.

Такая ситуация создалась в связи с повышением технических показателей котельных установок и, как следствие, повышением экономической целесообразной границы применения комбинированного теплоснабжения. Для промышленного теплоснабжения характерна весьма значительная потребность в паре: она составляет около 50% общей потребности промышленных предприятий в теплоте.

В перспективе существенно увеличится количество мощных котельных производительностью более 58 МВт(50Гкал/ч). Однако мелкие котельные все же будут иметь значительный удельный вес; в настоящее время в стране работает около 120 тыс.котельных с чугунными секционными котлами, которые обеспечивают до 40% потребности жилищно- коммунального хозяйства в теплоте. Значительно увеличится число котельных в сельской местности, в связи с улучшение социально- бытовых условий жизни на селе. Одним из этих условий является применение таких систем теплоснабжения, при которых резко уменьшились бы затраты труда жильцов на их обслуживание и обеспечивался бы более высокий уровень теплового комфорта в помещениях.

Увеличение мощности котельных экономически целесообразно, так как при наличии достаточного числа потребителей тепловой энергии увеличение единичной мощности и числа котлоагрегатов приводит к снижению себестоимости продукции и штатного коэффициента. Однако результат может быть иным, если котельные в течение длительного периода работают с низким коэффициентом использования установленной тепловой мощности- явление, характерное для новых городов и поселков, при строительстве которых тепловая нагрузка сначала весьма незначительна, а мощные котельные выходят в условие нормальной эксплуатации лишь через ряд лет. При таких условиях работы удельно (в рублях на единицу выработанной теплоты) возрастают многие слагаемые себестоимости тепловой энергии: амортизационные отчисления, затраты на электроэнергию, заработная плата обслуживающего персонала и др.

Степень экономической эффективности строительства мощных котельных зависит от темпов возведения города: чем эти темпы выше, тем скорее котельные выйдут на условие нормальной эксплуатации.

Расчеты показали, что в новых городах в связи с этим более целесообразно возводить газифицированные и диспетчеризованные групповые котельные, так как они обеспечивают наименьшие приведенные затраты за срок их службы при наличии сравнительно невысокого штатного коэффициента. Число таких котельных непрерывно растет. В созданных специализированных предприятиях объединенных котельных и тепловых сетей объединено около 5000 котельных, в которых число чугунных котлов составляет более 85% общего их числа.

Технико-экономические показатели универсальных чугунных котлов (при работе на твердом или жидком топливе) за последние 20 лет значительно улучшилось: единичная их мощность увеличилась с 0,35 до 0,76 МВт (с 0,3 до 0,65 Гкал/ч), а удельный расход металла снизился с 8,2 до 4,1 т/МВт (с 9,5 до 4,8 тч/Гкал). Однако серьезнейшим недостатком универсальных отопительных котлов является сравнительно низкий их эксплуатационный их КПД: при работе на рядовом угле – 0,55-0,6, а при сжигании газа-0,75-0,78. КПД котлов в групповых котельных можно повысить путем совершенствования конструкций котлоагрегатов, уменьшения температуры уходящих газов, выбора рационального топочного режима, автоматизации и диспетчеризации работы котельных.

Основным путем повышения КПД отопительных котельных является выпуск котлоагрегатов, имеющих более совершенную по эффективности сжигания в них топлива конструкцию.

Эффективность сжигания угля главным образом повышают путем комплексной механизации топочного процесса. Наибольший эффект (по данным НИИ санитарной техники ЦНИИЭП инженерного оборудования) обеспечивается при механической топке с шурующей планкой, достаточно простой и надежной в эксплуатации, которая позволяет механизировать подачу топлива на колосниковую решетку, его передвижении по площади решетки, шуровку горящего слоя и удаления образовавшихся шлаков.

Испытания котлов с такой топкой показали, что их эксплуатационный КПД повышается на 15-20% за счет уменьшения потерь теплоты с уходящими газами (больших при зарастании конвективных поверхностей нагрева универсальных котлов сажей и уносом, а также при повышенном избытке воздуха, поступающего в топку) и в результате химического и механического недожога топлива.

КПД механизированного котлоагрегата «Братск-1», снабженного такой топкой, достигает 87%, что позволяет окупить дополнительные капитальные вложения (колоагрегат дороже универсального котла той же мощности) всего за 3-4 года (в зависимости от мощности котельной и длительности работы в течение года).

Существенное значение для повышения КПД котлов имеет их газоплотность, с увеличением которой одновременно повышается и длительность работы котлов (переток горячих газов из топки в конвективные газоходы через зазоры между секциями нагревает металл). Как показали исследования, при допускаемой по ГОСТу ширине зазора до 2 мм коэффициент избытка воздуха достигает 1,5-1,7 вместо рекомендуемого 1,2 и соответственно увеличиваются потери теплоты с уходящими газами и снижается КПД котлов.

Уплотнение зазоров асбестовым шнуром не обеспечивает необходимой газоплотности. Рекомендуется использовать разработанную НИИ сантехники термостойкую герметизирующую мастику « Виксисант», изготовляемую

на основе кремнийорганических эластомеров с термостабилизирующими добавками и наполнителями и низкомолекулярного каучука. Эту мастику наносят из труб на поверхность стыкующихся ребер.

В настоящее время за рубежом широкое распространение получают чугунные котлы, работающие под наддувом. Достоинствами таких котлов являются постоянство коэффициента избытка воздуха и, следовательно, высокий КПД, высокий теплосъем с поверхности нагрева. Такие котлы разрабатываются и в нашей стране. Их работа без гермитизирующих мастик типа « Виксисант» невозможна.

Совершенствование конструкций котлов малой и средней мощности практически лишило перспектив внедрения в нашей стране форсуночно-насадочных контактных нагревателей ФНКВ, КПД которых в связи с наличием контактной теплопередачи был близок к единице. Недостаток таких аппаратов - затраты электроэнергии на подъем нагретой воды на необходимую высоту и на преодоление гидравлического сопротивления системы – не является решающим при сравнении с базовым вариантом - котлами, имеющими сравнительно низкий КПД. Теперь же эта новая техника оказалась экономически нецелесообразной.

Температуру уходящих газов обычно снижают с помощью экономайзеров, устанавливаемых за котлами. Чем дороже сжигаемое в них топливо, тем целесообразнее более глубокое охлаждение газов в экономайзере. Экономически целесообразная температура этих газов за экономайзером t`` эк.цел должна удовлетворять условию.

где t эк.кор -минимально допустимая температура газов в экономайзере, назначаемая исходя из недопустимости коррозии его поверхностей;

t` эк -температура газов, входящих в экономайзер.

Поверхностные экономайзеры не обе­спечивают снижения температуры уходящих газов до экономически целесообразной величины. Кроме того, в небольших по мощности котельных обычные экономайзеры устанавли­вать нецелесообразно, так как для их размещения не­обходима значительная дополнительная площадь, а для изготовления экономайзеров обычного типа требуется большое количество металла. Эти недостатки отсутст­вуют у контактных экономайзеров, использующих не только явную теплоту отходящих газов, но и скрытую теплоту парообразования, что обеспечивает высокий экономический эффект их применения.

В настоящее время серийно выпускаются контактные экономайзеры ЭК-БМ мощностью до 1,22 МВт (1,05 Гкал/ч), применяемые в котельных промышленных и коммунальных предприятий; в них осуществляется на­грев воды для технологических нужд. Достоинства кон­тактных экономайзеров: экономия металла, высокая ин­тенсивность теплообмена меж­ду газами и слоем насадки из керамических колец, боль­шая площадь поверхности теплообмена в единице объ­ема и резкое повышение ко­эффициента полезного дейст­вия котельных установок (на 10-15%).

Однако экономайзерам ЭК-БМ присущи и значительные недостатки: большие габариты блока (при мощности 1,22 МВт его длина 2,44, ширина 2 и высота 5 м; большая масса -5тв том числе масса металлических частей 2,2 т); невозможность использования для подъема нагретой воды к потребителям, давления, создаваемого в городской водопроводной сети (из-за разрыва струи воды внутри экономайзера); непригод­ность экономайзеров для бытового горячего водоснаб­жения, так как содержащиеся в отходящих газах кан­церогенные вещества, окислы азота и углерода при контактном нагреве переходят в воду.

Указанные недостатки исключены в двухконтурном контактном экономайзере,разработанномТ.П.Калашниковой.В первом его контуре происходит контакт­ный нагрев воды отходящими газами, во втором кон­туре нагретая вода передает свою теплоту в поверх­ностном теплообменнике воде, расходуемой на бытовые нужды.

" Газы из сборного борова котельной посту­пают в контактный экономайзер и, отдав свою теплоту с температурой около 30°С, удаляются дымососом в дымовую трубу. Вода поступает в экономайзер через водораспределитель, основной нагрев воды происходит в насадке, состоящей из керамических колец. Нагретая до температуры 65°С вода затем поступает в теплооб­менник, где отдает свою теплоту водопроводной воде и насосом подается в водораспределители, а нагретая примерно до 55°С водопроводная вода сливается в бак-аккумулятор системы горячего водоснабжения. Однако сроки службы теплообменника и насоса невелики из-за наличия в воде первого контура большого и непрерыв­но увеличивающегося количества свободной углекис­лоты и кислорода. В связи с этим устанавливают кис­лотоупорные канализационные насосы и применяют пластмассовые трубы и теплообменники.

Теплопроизводительность такого экономайзера для котельной с шестью котлами «Минск-1» теплопроизводительностью по 0,93 МВт (0,8 Гкал/ч) каждый была определена в 1 МВт (0,86 Гкал/ч), что позволило от­казаться от установки в котельной одного котла (КПД котлов повысился на 18%). При увеличивающихся затратах на топливо, срок окупаемости капитальных вложений не превышает 2 года.

Экономическая эффективность применения такого экономайзера в значительной степени зависит от плот­ности орошения его насадки водой, скорости газов в нем и принятой высоты насадки. При увеличении скорости газов снижается стоимость экономайзера и повы­шается уровень использования их теплоты, но возрас­тают затраты на электроэнергию. Одновременно повышаются эти затраты и уровень воды при увеличении плот­ности орошения или, высоты насадки.

Очевидно, что имеются какие-то сочетания величин перечисленных параметров, при которых приведенные затраты на установку были бы минимальными. Слож­ность нахождения такого оптимального сочетания зна­чительно уменьшается, если предварительно будет най­ден интервал высокой тепловой эффективности насадок, являющийся частным от деления объемного коэффи­циента теплопередачи k v , Вт/(м 3∙ К) [ккал/(ч∙м 3∙ С], на мощность N, затрачиваемую на преодоление сопро­тивления насадки. Сначала определяют коэффициент ее теплопередачи k н по формуле Н. М. Жаворонкова:

. (13.2)

Объемный коэффициент теплопередачи k v являет­ся произведением k н на площадь поверхности 1м 3 на­садки (для колец 25X25 мм эта площадь составляет ≈205м 2).

Требуемую мощность определяют по общеизвестным формулам. Средние скорости газов в экономайзере не должны превышать 1-1,2 м/с, а плотности ороше­ния-5- 10 м З /(м 2 ∙ч). При таких условиях можно до­статочно экономично вести процесс теплопередачи и избежать установки чрезмерно громоздкого и дорогого экономайзерного корпуса.

Экономическую эффективность экономайзерной установки можно также повысить путем при­менения иных видов насадки, сочетающих большую площадь поверхности теплообмена с более аэрогидродинамически обтекаемой формой. Выбор той или иной насадки определяется экономическим расчетом.

Экономически весьма эффективную схему приме­нения в котельных контактных теплообменников разра­ботал НИИ санитарной техники и оборудования зданий (Киев). Наличие в таких котельных не только кон­тактных экономайзеров, но и контактных воздухопо­догревателей позволяет одновременно уменьшить расход топлива и отказаться от применения химводоочистки для подпитки системы теплоснабжения. Такой резуль­тат достигается благодаря тому, что происходящий в контактном экономайзере процесс обра­зования конденсата (из содержащихся в дымовых газах водяных паров) усиливается за счет увлажнения возду­ха, поступающего в контактный воздухоподогреватель. Применение такой схемы в объединенной ко­тельной энерготехнологического комплекса Челябинс­кого завода оргстекла (два котла КВ-ГМ-50 и один котел ГМ-50) показало, что при нагреве поступающего в котлывоздуха может быть получено столько конденсата, что котельная может эксплуатироваться без химводоочистки (при возврате из системы тепло­снабжения более 66% конденсата). Дополнительным эффектом является сниженный в несколько раз выброс (из дымовой трубы в атмосферу) окислов азота.

Нагретая в экономайзере вода стекает в декарбонизатор и далее с помощью насоса направляется в промежуточный теплообменник и теплообменник си­стемы горячего водоснабжения, а затем возвращает­ся в экономайзер. Часть этой воды подается в бак, откуда она затем перекачивается в деаэратор и далее ею подпитывают систему теплоснабжения.

Вода, циркулирующая, в воздухоподогревателе смешивается с водопроводной водой, часть которой возмещает ее потери за счет испарения в воздухопо­догревателе, а ее остаток удаляется в канализацию, унося с собой содержащиеся в воде соли

Эксплуатация такой котельной установки на Челя­бинском заводе оргстекла позволила снизить себестои­мость вырабатываемой тепловой энергии на 15% и удельные капитальные вложения на 10% по сравнению с теми же экономическими показателями для обычной котельной такой же мощности.

Существенное повышение КПД групповых котель­ных достигается при разработке (в процессе их про­ектирования) рационального эксплуатационного режима работы котлов; при таком режиме КПД котлов при любой нагрузке на котельную должен быть близок к максимально возможному при данном типе котлов и виде топлива.

Известно, что с увеличением теплопроизводительности котла удельные потери в окружающую среду q 5 уменьшаются, а удельные потери, с уходящими газами q 2 , химическим недожогом q 3 и механическим q 4 недожогом увеличиваются. Сначала снижение потерь q 5 больше увеличения потерь q 2 + q 3 + q 4 и КПД котла возрастает, но затем потери q 2 + q 3 + q 4 растут скорее, чем снижа­ется q 5 ,и КПД начинает уменьшаться.

Зная зависимость КПД котлов от их тепловой на­грузки, можно установить и рациональный режим их работы.

По данным АКХ (академия коммунального хозяйства) наиболее экономична работа котлов Кч-3 и Кч-2, оборудованных форкамерными или инжекционными горелками для сжигания газа, при КПД не менее 85%, а при сжигании мазута - не ниже 82% для котлов Кч-2 и 85% для котлов Кч-3. С учетом этого ус­ловия составляют график работы каждого котла при следующих основных предпосылках: 1) число работаю­щих котлов в течение всего отопительного периода долж­но обеспечивать их работу с КПД не менее минимально допустимого; 2) в первую очередь пускаются в действие котлы с наибольшим КПД.

Исходя из этих условий,можно составить график работы четырех на­ходящихся в одной котельной котлов «Универсал-5» с теплопроизводительностью 1,58 МВт (1,36 Гкал/ч). Один котел должен работать при нагрузке котельной до 0,35 (0,3), два котла - в интервале нагрузок от 0,35 до 0,62 (от 0,3 до 0,53), три котла - от 0,62 до 0,87 (от 0,53 до 0,75) и четыре котла - при нагрузке более 0,87 МВт (0,75 Гкал/ч). Очевидно, что при расчетной теплопроизводительности котельной котлы будут работать менее экономично; этот небольшой период времени наступит тогда, когда нагрузка превысит 0,36∙4=1,44 МВт (1,24 Гкал/ч). При расчётных температурах наружного воз­духа - 32°С и внутреннего воздуха 18°С один котёл должен работать при температуре наружного воздуха выше 5°С, два котла - в интервале от 5 до -2°С, три котла.- в интервале от -2 до -10°С и четыре котла - при температуре ниже-10°С. Еще больший эффект будет получен, если помимо этих расчетов будут опреде­лены температуры воды, выходящей из каждого котла при разных t" H .

Аналогичные графики должны быть составлены и для котельных с более крупными котлами. Во всех слу­чаях наличие таких графиков в составе проектов соответствующих котельных позволит сэкономить значитель­ное количество топлива без дополнительных капитальных вложений.

Практика показала, что при ручном регулирований теплопроизводительности котлов их КПД значительно меньше расчетного. При использовании автоматически действующих регуляторов КПД газифицированных кот­лов значительно повышается. При этом теплопроизводительность котельной регулируется путем поддержания температуры воды, выходящей из котлов, в соответствии с расчетным отопительным графиком. Одновременно пу­тем изменения количества воздуха, подаваемого в зону горения (при отрегулированном расходе газа), обеспе­чивается качественное его сжигание.

Повышение КПД котельных установок достигается также при диспетчеризации их работы и наличии в гази­фицированных котельных приборов автоматического регулирования горения газа. По данным Санкт-петербургского научно-исследовательского института АКХ, при исполь­зовании таких приборов расход газа снижается на 7% от расчетной его величины при регулировании процес­са горения вручную. Диспетчеризация работы котельных обеспечивает дополнительную экономию теплоты, так как она позволяет своевременно обнаружить и устра­нить все нарушения процесса горения. Одновременно решается и вторая, весьма важная задача - уменьшение числа рабочих, обслуживающих котельные. Во многих случаях это достигается за счет вывода всего эксплуатационного персонала из котельных и периодического обслуживания их слесарями, находящимися в штате дис­петчерского пункта.

Так, в ряде городов страны осуществлена, в част­ности, диспетчеризация работы групповых котельных, организованная по одно- или двухступенчатой схеме. При первой схеме все котельные присоединяют непос­редственно к центральному диспетчерскому пункту, при второй схеме центральный пункт связан с местными диспетчерскими пунктами, получающими сигналы о ра­боте каждой котельной, присоединенной к данному пунк­ту. Одноступенчатая схема более проста, но требует са­мостоятельных линий связи для каждой подключенной котельной. При двухступенчатой схеме стоимость этих линий, меньше, но увеличиваются затраты на устройство диспетчерских пунктов.

Экономическую целесообразность диспетчеризации работы котельных определяют путем сопоставления при­веденных затрат, руб., на обычные котельные П н.д и на диспетчеризованные П д :

где З ко т и З д - заработная плата персонала, обслуживающего недиспетчеризованные и диспетчеризованные котельные (с начисления­ми); К о - капитальные вложения в оборудование и контрольно из­мерительные приборы;

К п,К зд , К л - затраты на проектные рабо­ты, на строительство помещений диспетчерского пункта и на линии связи;

Р о, Р л, Р а - затраты на ка­питальный ремонт оборудования системы диспетчеризации линий связи и на аренду помещения;

∆T - уменьшение затрат на теплоту, расходуемую в системах отопления и горячего водоснабжения, при­соединенных к данным диспетчеризованным котельным;

У – коэффициент затрат.

Урок службы системы диспетчеризации котельных в настоящее время может быть определен только ориенти­ровочно, так как еще неясны перспективы технического прогресса в этой области жилищно-коммунального хозяйства. Однако можно предполагать, что он будет близок к среднему сроку службы инженерного оборудования жилых домов, который в настоящее вре­мя, с учетом морального износа, принимают равным 30-35 лет; при этом У≈ 12.

Значительное снижение КПД производственно-отопи­тельных котельных наблюдается из-за резких колебаний нагрузок, больших по величине и непродолжительных по времени (в тех случаях, когда тепловые нагрузки на технологические нужды значительно превышают отопительно-вентиляционные и они неравномерны). В связи с переменным расходом теплоты изменяется режим ра­боты топки, которая в силу своей инерционности не сра­зу приспосабливается к изменившейся нагрузке, и котел работает в условиях неустановившегося состояния; при этом КПД вертикально-водотрубных котлов снижается на 4-8%.

Применение тепловых аккумуляторов обеспечивает работу котлов с постоянной нагрузкой при высоком КПД в тех случаях, когда колебания ее у потребителей весьма значительны. Кроме того, аккумуляторы воспри­нимают, часть пиковой нагрузки, что часто позволяет уменьшить число устанавливаемых котлов или их единичную мощность.

При наличии в производственно-отопительной котельной паровых котлов целесообразно применять пароводяные аккумуляторы переменного давления. При понижении в них давления вода перегреется и частично прев­ратится в пар, дополнительно поступающий потребите­лям. При снижения нагрузки часть вырабатываемого пара поступает в аккумуляторы, где он конденсируется, повышая энтальпию воды, находящейся в аккумуляторах.

Подобные аккумуляторы широко применяются за рубежом. Целесообразность их установки определяют экономическим расчетом, в котором учитывают повыше­ние КПД котельной в среднем на 10%. Область эконо­мически целесообразного применения аккумуляторов за­висит от отношения аккумулирующей их способности L, т пара, к средней нагрузке котельной Д ср, т/ч. По данным Ю. Л. Гусева и И. И. Павлова при L/Дср до 4,2 при сопоставлении приведенных зат­рат на котельную с четырьмя газифицированными котлами ДКВР-10 и котельной с тремя такими же котлами и аккумулятором.

Наибольший эффект от применения аккумуляторов достигается в котельных, работающих на твердом топ­ливе, так как в таких случаях из-за высокой тепловой инерции топки и слоя топлива вывод котлов на режим работы с высоким КПД (после пиковых или резко сни­женных нагрузок) происходит после значительного ин­тервала времени.

На многих предприятиях потери пара иногда дости­гают 15-20% всей его выработки. Наиболее частыми причинами этих потерь являются неисправность конденсатоотводчиков, образование вторичного пара в конденсатосборных баках и продувка паровых котлов.

Для нормальной работы конденсатоотводчика необходимо, чтобы давление пара у входного его штуцера было не менее 35 КПа (0,35 кгс/см 2) и чтобы он был способен выжать конден­сат в конденсатопровод, если последний расположен вы­ше конденсатоотводчика. При наличии меньшего давления устанавли­вают подпорные шайбы, однако при изменении давле­ния пара ими нельзя соответственно отрегулировать ко­личество отводимого конденсата. Этих недостатков ли­шена регулируемая подпорная шайба, се­чение проходного отверстия которой может изменяться с помощью винта.

Шайбу устанавливают между двумя флан­цами. Для ее ремонта, а также для быстрого пропуска большого количества конденсата образующегося в нача­ле работы паропровода, у шайбы монтируют обводную линию с запорным вентилем на ней.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Липецкий Государственный Технический Университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Реферат
«Повышение эффективности котельных агрегатов и котельных»

Выполнил: Бондарева П.М.
Принял: Дождиков В.И.

Липецк 2011
Содержание
Введение

Энергоаудит котельной …………………………………………………...3
Контроль за температурой уходящих газов и избытком воздуха в них. 9
Составление режимных карт …………………………………………….12
Высокоэффективное регулирование ……………………………………14
Использование вторичных излучателей ………………………………..18
Установка модернизированной подовой щелевой горелки в холодной воронке котла (для котлов ПТВМ-100 и ПТВМ-50 ……………………20
Комплексные технологии повышения эффективности котельных коммунальной энергетики ……………………………………………….22
Библиографический список ……………………………………………...28

Введение
Вопросам экономии топливно-энергетических ресурсов придается большое значение во всех отраслях народного хозяйства и особенно в энергетике – основной топливопотребляющей отрасли. На каждой станции, в котельной разрабатываются организационно-технические мероприятия по совершенствованию технологических процессов, модернизации оборудования, повышению квалификации персонала.
Ниже будут рассмотрены некоторые пути повышения эффективности котельного агрегата и котельной в целом.

Энергоаудит котельной

Энергосбережение в котельной конечно же начинается с энергетического обследования (энергоаудита) котельной, которое покажет реальную оценку эффективности использования существующего оборудования котельной и системы отопления в целом, а также определит потенциал энергосберегающих мероприятий и способы реализации.
Основной задачей энергетического обследования котельной являются определение:

Фактических показателей эффективности работы оборудования котельной.
Сравнение существующих показателей эффективности работы котельной с нормированными значениями.
Выявление и анализ причин несоответствия между фактическими значениями эффективности работы котельной и нормируемыми.
Пути достижения энергоэффективной работы котельной.

Энергетическое обследование котельной состоит из следующих этапов:

сбор и документирование информации - определение основных характеристик объекта исследования: сведения об оборудовании котельной, динамики потребления энергоносителей, сведения о потребителях тепла и т.п. Также определяются объемы и точки замеров тепловой и электроэнергии.;
инструментальное обследование - восполняет недостающую информацию по количественным и качественным характеристикам потребления энергоресурсов и позволяет оценить существующую энергоэффективность работы котельной;
обследование и обработка результатов, и их анализ - измерения с помощью уже существующих узлов учета, или при их отсутствии переносными специализированными приборами.;
разработка рекомендаций по энергосберегающим мероприятиям и оформление отчета.

При инструментальном исследовании котельной обычно используются следующие измерительные приборы и системы:

Анализатор продуктов горения
Тепловизор (тепловизионная съемка)
Цифровой измеритель температуры
Термометр инфракрасный бесконтактный
Трехфазный анализатор электропотербления
Ультразвуковой расходомер жидкости
Ультразвуковой толщинометр

Набор из вышеперечисленных приборов позволяет выполнить практически все необходимые замеры вовремя проведении энергоаудита в котельной.
При разработке мероприятий необходимо:
1) определить техническую суть предполагаемого усовершенствования
и принципы получения экономии;
2) рассчитать потенциальную годовую экономию в физическом и денежном выражении;
3) определить состав оборудования, необходимого для реализации рекомендации, его примерную стоимость, стоимость доставки, установки и ввода в эксплуатацию;
4) оценка общего экономического эффекта от применения предполагаемых мероприятий с учетом вышеперечисленных пунктов.
После оценки экономической эффективности все рекомендации классифицируются по трем критериям:
1) беззатратные и низко-затратные - осуществляемые в порядке текущей
деятельности котельной;
2) среднезатратные - осуществляемые, как правило, за счет собственных средств котельной;
3) высокозатратные - требующие дополнительных инвестиций.
В табл. 1 приведены наиболее широко распространенные рекомендации с ориентировочной оценкой их эффективности.
Энергосберегающие мероприятия

п/п Мероприятие Оценка эффективности мероприятия 1 Составление руководств и режимных карт эксплуатации, управления и обслуживания оборудования и периодический контроль со стороны руководства учреждения за их выполнением 5-10 % от потребляемого топлива 2 Поддержание оптимального значения коэффициента избытка воздуха 1-3% 3 Установка водяного поверхностного экономайзера за котлом до 5-6% 4 Применение за котлоагрегатами установок глубокой утилизации тепла, установок использования скрытой теплоты парообразования уходящих дымовых газов (контактный теплообменник) до 15% 5 Повышение температуры питательной воды на входе в барабан котла 2% на каждые 10 °C 6 Подогрев питательной воды в водяном экономайзере 1% на каждые 6 °C 7 Содержание в чистоте наружных и внутренних поверхностей нагрева котла до 10 % 8 Использование тепловыделений от котлов путем забора теплого воздуха из верхней зоны котельного зала и подачей его во всасывающую линию дутьевого вентилятора 1-2% 9 Теплоизоляция наружных и внутренних поверхностей котлов и теплопроводов, уплотнение тракта и клапанов котлов (тепмпература на поверхности обмуровки не должна превышать 55 °C) до 10 % 10 Перевод котельных на газовое топливо в 2-3 раза снижается стоимость 1 Гкал 11 Установка систем учета расходов топлива, электроэнергоэнергии, воды и отпуска тепла до 20 % 12 Автоматизация управления работой котельной до 30 % 13 Модернизация котлов типа ДКВР для работы в водогрейном режиме увеличение КПД до 94% 14 Применение частотного привода для регулирования скорости вращения насосов, вентиляторов и дымососов до 30% от потребляемой ими электроэнергии

Существует ряд общих рекомендаций по энергосбережению в котельных к которым относятся:
1. Назначение в котельной ответственных за контролем расходов энергоносителей и проведения мероприятий по энергосбережению.
2. Совершенствование порядка работы котельной и оптимизация работы систем освещения, вентиляции, водоснабжения, теплоснабжения.
3. Соблюдение правил эксплуатации и обслуживания систем энергоиспользования и отдельных энергоустановок, введение графиков включения и отключения систем освещения, вентиляции, тепловых завес и т.д.
4. Организация работ по эксплуатации светильников, их чистке, своевременному ремонту оконных рам, оклейка окон, ремонт санузлов и т.п.
5. Ведение разъяснительной работы с рабочими котельной по вопросам энергосбережения.
6. Проведение периодических энергетических обследований.
7. Ежеквартальная проверка и корректировка договоров на энерго- и ресурсопотребление с энергоснабжающими организациями.
Энергосберегающие мероприятия в промышленных котельных

Мероприятия по энергосбережению в водогрейных котельных на газе

Регулярно проводить РНИ.
В межналадочный период регулярно делать ускоренные испытания и анализы дымовых газов на предмет соответствия режимным картам.
Отпуск тепла производить в соответствии с тампературными графиками.
Уменьшить мощность сетевых насосов по результату наладки сетей.
Уменьшить потери через дефекты изоляции.
Замена оборудования на более экономичное.
Ликвидация откратых схем и срезок графика путем совершенствования схемы теплоснабжения.
Борьба с утечками.
Учет и анализ всего.
Перевод паровых котлов на водогрейный режим.
Применение частотно-регулируемого электропривода.
Применение горелок, работающих с незначительным коэффициентом избытка воздуха.
Забор дутьевого воздуха из котельной.
Устранение присосов у котлов, работающих с разрежением в топке.
Установка экономайзера или теплоутилизатора.
Применение деаэрации воды.
Повышение температуры питательной воды.
Очистка поверхностей нагрева с обеих сторон.

№ Наименование мероприятия Срок окупаемости, лет Ожидаемая экономия ТЭР Затраты на внедрение Гкал тыс. кВт.ч тут Всего тут Всего, дол. США 11 Установка системы аварийной защиты котла по уровню воды в барабане 1.5 до 5% до 1500 дол. США 22 Оптимизация водно-химического режима паровых котлов 0.3 увеличение КПД до 5% до 20000 дол. США Наладочные работы до 5000 дол.США 33 Обеспечение работы ВПУ на номинальной нагрузке 0.3 до 20000 дол. США 44 Использование тепла конденсата на котельной для предварительного подогрева воды для ХВО 1.5 Снижение затрат на ВПУ 55 Использование эффективных загрузочных материалов (катионитов) для водоподготовительных установок 0.5 Мнижение затрат на катионит в 2 раза 2.9 дол.США за кг 66 Автоматические системы периодической инепрерывной продувок котлов 2-3 Снижение величины продувки в 2-3 раза до 3000 дол.США 77 Внедрение генераторов газовоздушной смеси (смешивание пара и дым.газов) мгновенного действия 2-5 Уведичение КПД использования топлива на 30% 40-140дол. США на 1 кВт установленной тепловой мощности

Энергосберегающие мероприятия по котельным и топочным в частных домах и зданиях с общей площадью не более 2000 м.кв.
Модернизация и автоматизация котельных малой и средней мощности:

повышение энергетической эффективности котельных агрегатов при
использовании низкотемпературных и конденсационных котлов;
использование новых принципов сжигания топлива в котельных
агрегатах;
повышение надежности работы котельных агрегатов;
использование современных горелочных устройств;
автоматизация работы котельных агрегатов;
автоматизация распределения теплоносителя по нагрузкам;
химводоподготовка теплоносител;
теплоизоляция трубопроводов;
установка экономайзеров на дымоходы;
погодо-зависимое управление контурами;
современные жаро-газотрубных котельные агрегаты.

2.Контроль за температурой уходящих газов и избытком воздуха в них.

Ведение оптимальных воздушных режимов топки является основным условием обеспечения экономичной работы котла. Топочные потери q 3 и q 4 сильно зависят от избытков воздуха в горелках (? г) и в топке (? т). Необходимо сжигать топливо при избытках воздуха, обеспечивающих полное выгорание топлива. Эти избытки устанавливаются в процессе наладочных испытаний. Значительное воздействие на экономичность и температурный уровень горения оказывают присосы в топке. Рост количества присосов снижает избытки воздуха в горелках, эффективность перемешивания топлива и продуктов сгорания с воздухом, увеличивает потери q 3 и q 4 . Чтобы избежать увеличения топочных потерь, повышают общие избытки воздуха в топке, что также неблагоприятно. Пути повышения эффективности топочного процесса – устранение присосов в топке, организация оптимального режима горения, проведение испытаний, позволяющих находить эти условия.
Наибольшими потерями в котле являются потери с уходящими газами. Их величина может быть снижена при уменьшении избытков воздуха в уходящих газах, температуры уходящих газов, а также при повышении температуры воздуха, забираемого из окружающей среды.
Наибольшее внимание следует уделять уменьшению? ух. Оно обеспечивается работой топочной камеры на минимально допустимых (по условиям выжига топлива) избытках воздуха в топке и при устранении присосов в топке и газоходах. Снижение? ух позволяет также снижать потери на собственные нужды по газовоздушному тракту и влечет понижение температуры уходящих газов. Присосы воздуха в топку газомазутных котлов производительностью 320 т/ч и ниже не должны превышать 5%, выше 320 т/ч – 3%, а для пылеугольных котлов той же производительности соответственно 8 и 5%. Присосы воздуха в газовом тракте на участке от выхода из пароперегревателя до выхода из дымососа не должны превышать (без учета золоуловителей) при трубчатых воздухоподогревателях 10%, при регенеративных 25%.
При работе котла одним из основных параметров, требующих постоянного контроля и исправности приборов, являются избытки воздуха в топке или за одной из первых поверхностей нагрева. Источником повышенных присосов воздуха в газоходах является износ или коррозия труб в трубчатых воздухоподогревателях (преимущественно холодных кубов), что также является причиной повышения расхода электроэнергии на тягу и дутье и приводит к ограничению нагрузки.
Температура уходящих газов? ух зависит как от избытков воздуха, так и от эффективности работы поверхностей нагрева. При появлении на трубах загрязнений снижается коэффициент теплоотдачи от газов к трубам и повышается? ух. Для удаления загрязнений следует проводить регулярную очистку поверхностей нагрева. При модернизации котла с целью понижения? ух следует, однако, помнить, что это может вызвать конденсацию паров на стенках труб холодных кубов воздухоподогревателя и их коррозию.
Воздействовать на температуру окружающего воздуха возможно, например, путем переключения отбора воздуха (с улицы или из котельного цеха). Но при этом следует помнить, что при отборе воздуха из котельного помещения усиливается его вентиляция, появляются сквозняки, а в зимнее время из-за понижения температур возможно размораживание трубопроводов, приводящее к появлению аварийных ситуаций. Поэтому забор воздуха из котельного помещения в зимнее время опасен. Естественно, в этот период потери q 2 объективно возрастают, так как воздух может иметь и отрицательную температуру. Машинист должен поддерживать температуру воздуха на входе в воздухоподогреватель на коррозионнобезопасном уровне, применяя подогрев в калориферах или рециркуляцию горячего воздуха.
Рост потерь теплоты в окружающую среду может происходить при разрушениях обмуровки, изоляции и соответствующем обнажении высокотемпературных поверхностей, при неправильном выборе и монтаже обмуровки. Все неполадки должны выявляться при обходе котла машинистом, заноситься в журнал дефектов и своевременно устраняться.
Хорошее перемешивание топлива и окислителя при вихревой схеме сжигания позволяет эксплуатировать котёл с пониженными (по сравнению с прямоточно- факельным процессом) избытками воздуха на выходе из топки (?”=1.12…1.15) без увеличения содержания горючих в золе уноса и без увеличения концентрации СО величина которой не превышает 40-80 мг/нм 3 (?=1.4).
Таким образом, снижение температуры и избытка воздуха в уходящих газах за счёт повышения эффективности работы топки позволяет уменьшить потери тепла с уходящими газами, а, следовательно, увеличить коэффициент полезного действия “брутто” котлоагрегата на 1…3% даже на котлах, проработавших до модернизации 30..40 лет.

Составление режимных карт

Для обеспечения грамотной экономичной эксплуатации для вахтенного персонала разрабатываются режимные карты, которыми он должен руководствоваться в своей работе.
Режимная карта – документ, представленный в виде таблицы и графиков, в котором для различных нагрузок и сочетаний оборудования указаны значения параметров, определяющих работу котла, которые необходимо соблюдать. Режимные карты составляются на базе результатов испытаний по оптимальным, наиболее экономичным и надежным режимам при различных нагрузках, качестве поступающего топлива и различном сочетании работающего основного и вспомогательного оборудования. В случае установки на станции однотипного оборудования испытания повышенной сложности проводятся на одном из котлов, а для остальных котлов испытания могут не проводиться или проводятся в сокращенном объеме (используется режимная карта испытанных котлов). Режимные карты должны регулярно пересматриваться и изменяться (при необходимости). Уточнения и изменения вносятся при переходе на новые виды топлива, после ремонтных и реконструкционных работ.
Для характерных диапазонов нагрузок в режимную карту в качестве определяющих параметров вводят: давление и температуру пара основного и промежуточного перегрева, температуру питательной воды, уходящих газов, количество, а иногда и конкретное указание сочетания работающих мельниц, горелочных устройств, дутьевых вентиляторов и дымососов; состав продуктов сгорания за поверхностью нагрева, после которой впервые обеспечивается достаточное перемешивание газов (конвективный пароперегреватель или водяной экономайзер II ступени); показатели надежности работы отдельных поверхностей или элементов котла и показатели, облегчающие управление котлом или наиболее быстро реагирующие на отклонение режима и возникновение аварийных ситуаций. В качестве последних показателей достаточно часто используются: температура газов в районе наименее надежно работающей поверхности нагрева (например, в поворотной камере, перед загрязняемой или шлакуемой конвективной поверхностью и т.д.); сопротивление (перепад давлений) загрязняемых, шлакуемых и корродируемых поверхностей нагрева (КПП; воздухоподогреватель); расход воздуха на мельницы и их амперажная нагрузка – особенно но топливах переменного состава; температура среды и металла в некоторых наиболее опасных с точки зрения перегрева поверхностях нагрева.
Кроме того, в режимной карте находят отражение периодичность включения средств очистки поверхностей нагрева и особые условия работы отдельных элементов и оборудования (например, степень открытия отдельных регулирующих воздушных и газовых шиберов, соотношение степени открытия шиберов первичного и вторичного воздуха горелок; условия работы линии рециркуляции газов и рабочей среды и т.д.).
При сжигании мазута в режимные карты дополнительно вносится температура его предварительного подогрева, при которой обеспечивается надежный транспорт мазута по мазутопроводам и его распыл в форсунках.
Наряду с определением состава газов для выявления оптимальности топочного режима необходимо регулярно определять присосы газов в топке и в конвективных газоходах.
Бытующее мнение о недостаточной опасности присосов воздуха в топке, о возможности использования этого воздуха в процессе горения неверно и опасно. Дело в том, что большая часть воздуха, поступающего в топку с присосами, проникает через неплотности стен топочной камеры относительно небольших размеров и не может глубоко проникать внутрь топочной камеры.
Двигаясь вблизи экранов, в зоне относительно невысоких температур, этот воздух в горении участвует слабо. В основной же зоне горения воздуха не хватает, часть топлива, не выгорая, выносится из топки, поднимая там температуры и создавая восстановительную среду. Повышение температуры частиц топлива (а следовательно, золы) и восстановительная среда усиливают процесс шлакования и загрязнения труб.
Ввиду важности поддержания оптимального воздушного режима топочного процесса эксплуатационный персонал станции должен постоянно следить за исправностью приборов газового состава и вести текущий контроль плотности топки и конвективных газоходов путем наружного осмотра и определения присосов.
Параметры, входящие в режимную карту, используются при настройке защит и систем автоматического регулирования.

Высокоэффективное регулирование

Одним из лучших путей, гарантирующим эффективную эксплуатацию котельной, является высокоэффективное регулирование, которое возможно применить и для паровых, и для водогрейных котельных. Высокоэффективное регулирование позволяет сэкономить в среднем от 4 до 5 % используемой тепловой энергии и окупается в течение года.
Как можно добиться повышения эффективности работы котла? Известно, что при определенном соотношении расходов воздуха и топлива происходит наиболее полное сгорание внутри котла. При этом следует добиваться ведения топочного процесса с минимальным количеством избыточного воздуха, однако при обязательном условии обеспечения полного сгорания топлива. Если в топку подается избыточный воздух в большем количестве, чем требуется для нормального ведения топочного процесса, то излишний воздух не сгорает и лишь бесполезно охлаждает топку, что может в свою очередь повести к потерям вследствие химической неполноты сгорания топлива.
Необходимо также контролировать температуру уходящих газов. При завышенной температуре дымовых газов на выходе из котла значительно снижается КПД агрегата за счет выброса в атмосферу лишней теплоты, которую можно было бы использовать по назначению. В тоже время при работе на жидких видах топлива нельзя допускать снижения температуры дымовых газов на выходе из котла ниже 140 °С при содержании в топливе серы не более 1 % и ниже 160 °С при содержании в топливе серы не более 2–3 %. Значения данных температур обусловлены точкой росы для дымовых газов. При этих температурах начинается процесс выпадения конденсата в дымогарных трубах и дымосборной камере. При контакте содержащейся в топливе серы с конденсатом вследствие химической реакции образуется сначала сернистая, а затем серная кислота. Результатом чего является интенсивная коррозия поверхностей нагрева.
Для достижения большей эффективности высокоточной регулировки необходимо предварительно произвести базисную очистку топки и дымоходов. Для уменьшения избыточного воздуха и уменьшения температуры уходящих газов необходимо:
– устранить негерметичность камеры сгорания;
– произвести контроль тяги дымохода, при необходимости установить в дымовой трубе шибер;
– повысить или понизить номинальную подводимую мощность котла;
– вести контроль соответствия количества воздуха для горения;
– оптимизировать модуляции горелки (если горелка снабжена этой функцией).
Для газовых котлов с помощью газового счетчика и секундомера можно выяснить, подается ли к горелке необходимое количество топлива. Если котел работает на мазуте, то проверяется, соответствует ли расход, измеренный расходомерным соплом, и давление, создаваемое мазутным насосом, подходящими для эффективной работы котла.
Для оценки эффективности сгорания используется анализатор уходящих газов. Измерения производятся до и после регулировки.
Наиболее подходящими для высокоэффективной регулировки являются котлы с надувными газовыми топками и мазутными топками. Менее подходящими являются котлы с комбинированными горелками для двух видов топлива, а также газовые котлы с атмосферными горелками.
Для комбинированных горелок режим для одного вида топлива часто является компромиссом для сохранения работоспособности на другом виде топлива. А регулировка газовых котлов с атмосферной горелкой ограничено техрегламентом и физическими характеристиками оборудования.
Регулирование пропусками
Для чугунных котлов в отопительных системах при регулировании теплоподачи в систему отопления по температуре внутреннего воздуха в контрольном помещении здания (регулирование «по отклонению») оно может осуществляться за счет периодического отключения системы (регулирование «пропусками») с помощью температурного датчика. Это позволит экономить от 10 до 15 % потребляемой тепловой энергии и окупится в течение двух лет.
и т.д.................

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.

Опубликовано: 15.11.2009 | |

4. Методы повышения эффективности распределения тепловой энергии

Сокращение расхода топлива может быть обеспечено за счёт качественного его сжигания и сокращения нерациональных потерь теплоты. Качественное автоматическое регулирование процессов генерации и распределения теплоты обеспечивает значительную экономию топливно-энергетических ресурсов. Значительной экономии тепловой энергии и улучшения эксплуатационных характеристик оборудования можно также добиться произведя модернизацию гидравлической схемы .

Гидравлическая схема существенно влияет на процесс генерации и распределения теплоты и срок службы котельного оборудования. Поэтому при её рассмотрении необходимо учитывать следующие параметры - почасовую динамику изменения температур, расходы по отдельным контурам и относительный коэффициент объёма котловой воды к общему объёму воды в системе отопления f о.

Важным параметром также является температура обратной воды. Для исключения образования конденсата в котле и дымовых газах, температура обратной воды должна всегда поддерживаться выше точки росы, т.е в среднем от +50 до +70 °С. Исключением являются котлы конденсационного типа, в которых при низких температурах обратной воды происходит интенсификация процесса конденсации и как следствие повышение КПД.

При этом, если f о ≤ 10% необходимо проводить дополнительные мероприятия по обеспечению поддержания заданной температуры обратной воды. Такими мероприятиями является организация подмеса, разделение контуров теплообменными аппаратами, установка смесительных клапанов и гидравлического разделителя (стрелки). Кроме того важным фактором снижения расходов топлива и электрической энергии является определение расхода теплоносителя через котёл (группу котлов) и определение оптимального протока (pис. 9 ).

Модернизация трубной обвязки котлов

Для модернизации трубной обвязки котлов могут быть рекомендованы несложные мероприятия и устройства, которые могут быть изготовлены силами эксплуатационного персонала. Это создание дополнительных контуров в системе теплоснабжения; установка гидравлического разделителя (рис. 10 a ), позволяющего корректировать температуру и давление теплоносителя и схема параллельных потоков (рис. 10 б ), обеспечивающая равномерное распределение теплоносителя. Температура теплоносителя должна постоянно корректироваться в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, чтобы поддерживать желаемую температуру в подключенных контурах. В связи с этим, важным резервом экономии топлива является максимально возможное количество контуров теплоснабжения и автоматизация процесса регулирования.

Размер гидравлического разделителя выбирается так, чтобы при полной нагрузке разность давлений между подающей и обратной линией не превышала 50 мм вод. ст. (примерно 0,5 м/с). Гидравлический разделитель может монтироваться вертикально либо горизонтально, при монтаже (рис. 10 a ) в вертикальном положении имеется ряд дополнительных преимуществ: верхняя часть работает как воздухоотделитель, а нижняя часть используется для отделения грязи.

При каскадном подключении котлов необходимо обеспечить равные расходы теплоносителя через котлы одинаковой мощности. Для этого гидравлическое сопротивление всех параллельных контуров также должно быть одинаковым, что особенно важно для водотрубных котлов. Таким образом, обеспечиваются равные условия работы водогрейных котлов, равномерное охлаждение котлов и равномерный теплосъём с каждого котла в каскаде. В связи с этим следует обратить внимание на трубную обвязку котлов, обеспечив параллельное направление движения прямой и обратной воды.

На рис. 10 б приведена схема параллельных потоков, которая применяется для обвязки котлов работающих в каскаде без индивидуальных насосов котлового контура и арматуры регулирующей расход теплоносителя через котёл. Это простое и дешёвое мероприятие позволяет исключить образование конденсата в котлах, а также частые старты и выключения горелок, которое приводит сокращению электроэнергии и продлевает срок службы котла и горелочного устройства.

Предлагаемая схема «параллельных потоков» применяется также в протяжённых горизонтальных системах и при подключении солнечных коллекторов и тепловых насосов в одну общую систему.

5. Технические решения по обеспечению эвакуации дымовых газов

Борьба за экономию топлива, в наших экономических условиях, нередко сводится к изменению режимов эксплуатации котельного оборудования. Однако это часто приводит к его преждевременному выходу из строя и дополнительным материальным и финансовым затратам, связанным с ремонтом оборудования. Большую проблему при работе на малых нагрузках создаёт влага в продуктах сгорания, которая образуется в процессе реакции горения, за счёт химической кинетики. При этом при температуре дымовых газов около 50…60 °С на стенках дымохода и оборудования образуется конденсат.

Содержание влаги в зависимости от точки росы приведено на рис. 11 a , это приводит к необходимости поддерживать высокие температуры в топке и снижать КПД котла за счёт повышения температуры уходящих газов. Данное утверждение не распространяется на котлы конденсационного типа, где используется принцип получения дополнительной теплоты за счёт фазового перехода при конденсации водяных паров. На рис. 11 б показана прямая зависимость точки росы (Т р) от коэффициента избытка воздуха а для различных видов топлива. Наличие водяных паров в продуктах сгорания и их конденсация на стенках негативно отражаются на эксплуатации дымовых труб приводя к корозии металлических поверхностей и разрушению кирпичной кладки.

Конденсат имеет кислую среду с рН ≈ 4, что обусловлено наличием в нём угольной кислоты, следов азотной, а при сжигании жидкого топлива и серной кислоты.

Для исключения в процессе эксплуатации негативных последствий в ходе проектирования и выполнения пусконаладочных работ особое внимание необходимо уделить вопросам безопасной эксплуатации котельного оборудования, оптимизации работы горелочного устройства, исключению возможности отрыва пламени в топке и образования конденсата в дымовых трубах.

Для этого на дымовых трубах могут быть дополнительно установлены огранечители тяги, аналогичные ограничителям немецкой фирмы Kutzner + Weber , которые снабжены гидравлическим тормозом и системой грузов, позволяющими отрегулировать их автоматическое открытие в процессе работы котла и вентиляцию трубы при его останове (рис. 12 ).

Работа клапана основана на физическом принципе разрыва струи и не требует дополнительного привода. Основное требования при установке ограничителей давления это, то что данные устройства можно располагать в помещении котельной, либо, как исключение, в соседних помещениях, при условии что разница давления в них не превышает 4,0 Па. При толщине стенки дымовой трубы - 24 мм и более устройство крепится непосредственно на дымовую трубу, либо на выносную консоль. Допустимая максимальная температура дымовых газов - 400 °С, давление срабатывания предохранительного клапана от 10 до 40 мбар, производительность по воздуху до 500 м 3 /час, диапазон регулирования от 0,1 до 0,5 мбар. Применение ограничителей давления повышает надёжность эксплуатации котлов и дымоходов, продлевает ресурс эксплуатации оборудования, не требует дополнительных расходов на обслуживание. Экспериментальная проверка показывает отсутствие условий для образования конденсата в дымовых трубах, после установки на дымоход клапана ограничения давления при параллельном сокращении концентрации вредных выбросов в атмосферу.

6. Новые методы водоподготовки для повышения эффективности эксплуатации котельного оборудования

Химический состав и качество воды в системе оказывают непосредственное влияние на срок службы котельного оборудования работу и системы отопления в целом.

Отложения, возникающие из-за содержащихся в воде солей Са 2+ , Мg 2+ и Fe 2+ - наиболее распространенная проблема, с которой мы сталкиваемся в быту и в промышленности. Растворимость солей под воздействием высокой температуры и повышенного давления приводит к образованию твёрдых (накипь) и мягких (шлам) осадков. Образование отложений приводит к серьезным потерям энергии. Эти потери могут достигать 60%. Рост отложений существенно снижает теплоотдачу, они могут полностью блокировать часть системы, привести к закупориванию и ускорить коррозию. Известно, что накипь толщиной в 3,0 мм снижает коэффициент полезного действия котловой установки на 2,0…3,0%. На рис. 13 приведены зависимости увеличения расхода топлива от толщины накипи.

Наличие в воде кислорода, хлора, двухвалентного железа и солей жёсткости увеличивают количество аварийных ситуаций, приводят к увеличению расхода топлива и снижают срок службы оборудования.

Отложения карбонатной жёсткости формируются при невысоких температурах и легко удаляются. Отложения образованные растворёнными в воде минералами, например сульфатом кальция, откладываются на поверхностях теплообмена при высоких температурах.

Отложения накипи приводят к тому, что даже «Межведомственными нормами сроков службы котельного оборудования в Украине» предусмотрено увеличение расхода топлива на 10% уже через 7 лет эксплуатации оборудования. Отложения особенно опасны для устройств автоматического регулирования, теплообменников, счётчиков тепла, радиаторных термостатических вентилей, водомеров. Для обеспечения надлежащей работы системы необходимо применять умягчители воды.

В так называемых «мёртвых зонах» ситемы могут образовываться стационарные пузыри сложного химического состава, в которых кроме кислорода и азота могут присутствовать метан и водород. Они вызывают точечную коррозию металла и образование илистых отложений, негативно сказывающихся на работе системы. В связи с этим необходимо использовать автоматические воздухоотводчики, которые устанавливаются в верхних точках системы и зонах слабой циркуляции теплоносителя.

При использовании для подпитки городской водопроводной воды необходимо следить за концентрацией хлоридов. Она не должна превышать 200 мг/л. Повышенное содержание хлоридов приводит к тому, что вода становится более коррозиционно- агресивной, в том числе и из-за неправильной работы фильтров умягчения воды. В последнии годы качество исходной, водопроводной и сетевой воды в целом улучшилось благодаря применению специальной арматуры, сильфонных компенсаторов и переходу от гравитационных систем центрального отопления к системам центрального отопления замкнутого типа.

Проблемы отложений решаются с использованием как физических, так и химических методов. Сегодня химикаты широко используются в борьбе с отложениями. Однако высокие затраты и сложность технологического процесса, а также возрастающее понимание в необходимости защиты окружающей среды, не оставляет никакого выбора, кроме как поиска физических методов. Однако способ приготовления воды для них и в дальнейшем не гарантирует защиты от коррозии и жесткости воды.

Для предотвращения отложений применяют разного типа фильтры, отстойники, магниты, активаторы и их комбинации. В зависимости от осадка, элементы системы защищают или только от постоянных коррозийных компонентов и котлового камня, или от всех вредных компонентов вместе с магнетитами.

Простейшее устройства физической очистки воды - сетчатые фильтры . Они устанавливаются непосредственно перед котлом и имеют сетчатый вкладыш из нержавеющей стали с необходимым количеством отверстий - 100…625 на 1 см 2 . Эффективность такой очистки составляет 30% и зависит от размеров фракций осадка.

Следующее устройство - гидроциклонный фильтр , принцип действия которого базируется на законе инерции при вращающемся движении. Эффективность такой очистки очень высокая, но нужно обеспечить высокое давление 15…60 бар в зависимости от объёма воды в системе. По этой причине данные фильтры применяют редко.

Илоотделитель - это вертикальный цилиндрический сборник с перегородкой, которая ритормаживает поток воды. Благодаря этому отделяются большие частички. Функцию фильтра выполняет горизонтально расположенная сетка с количеством отверстий 100… 400 на 1 см 2 . Эффективность такой очистки составляет 30…40%.

Очистка воды усложняется, если из нее нужно убрать котловый камень.

Илоотделители задерживают преимущественно только большие фракции карбонатно-кальциевых соединений, которые оседают на сетке. Остаток циркулирует и оседает в системе центрального отопления.

Широкое распространение получили различные устройства магнитной и электромагнитной обработки воды использующие постоянное и переменное магнитное поле. Магнитная обработка приводит к тому, что вещества, вызывающие отложения, под воздействием полей поляризуются и сохраняются во взвешенном состоянии.

Простейшее устройство основанное на данном принципе - магнитизатор . Как правило, он представляет собой металлической цилиндр с магнитным стержнем внутри. С помощью фланцевого соединения он устанавливается непосредственно в трубопровод. Принцип действия магнитизатора состоит в изменении электрофизического состояния молекул жидкости и растворённых в ней солей под влиянием магнитного поля. В результате котловый камень не образовывается, а карбонатные соли выпадают в виде мелкокристаллического ила, который больше не оседает на поверхностях теплообмена.

Преимущество данного метода - постоянная поляризация вещества, благодаря чему растворяются даже старые отложения котлового камня. Однако этот, без сомнения, экологически чистый метод с низкими експлуатационными затратами имеет важный недостаток.

Повышение гидравлического сопротивления системы приводит к увеличению расхода электроэнергии и дополнительной нагрузке на насосное оборудование, в замкнутых циркуляционных системах иловые отложения оседают в радиаторах, арматуре и фасонных частях трубопроводов, в связи с чем необходимо устанавливать дополнительные фильтры, магнитный стержень в устройстве активно корродирует.

Эффективность такой очистки доходит до 60% и зависит от размеров фракций осадка, химического состава растворённых солей и напряжённости магнитного поля от внешних источников.

В последнее десятилетие ведётся активный поиск новых способов физической обработки воды, основанных на современных нанотехнологиях. Большое распространение получили активаторы воды , которые используют принцип витализации воды (повышение её энергетической активности) и защиту оборудования от накипи и коррозии. Примером могут служить приборы австрийских фирм BWT и EWO , немецких ELGA Berkelfeld и MERUS® , американской Kinetico .

Все они используют различные конструктивные решения и материалы, оригинальные методы обработки, имеют длительные сроки эксплуатации и не требуют дополнительных капиталовложений на техническое обслуживание, электроэнергию и расходные материалы.

На рис. 14 , показаны приборы немецкой фирмы MERUS® , которые изготавливаются с использованием специального производственного процесса прессовки различных материалов, таких как алюминий, железо, хром, цинк, кремний.

Данная технология позволяет получать уникальный сплав, обладающий свойством к «запоминанию» напряжённости магнитного поля при последующей технологической обработке. Прибор состоит из двух полуколец, которые одеваются на трубопровод и соединяются двумя стяжными болтами. Прибор эффективно концентрирует электромагнитные поля из окружающей среды и воздействует на растворенные в воде анионы гидрокарбоната, удерживая их в коллоидной форме, а также переводит ржавчину в магнетит - электромагнитными импульсами, производя действие подобное воздействию аккустических сигналов на воду (ультразвук). Это вызывает процесс кристаллизации непосредственно в объеме воды, а не на стенках труб или других поверхностях теплообмена. Этот процесс более известен в химии, как «кристаллизация в объеме».

В отличии от других способов физической обработки воды, приборы MERUS® не требуют источников энергии, затрат на эксплуатационное обслуживание и установку прибора.

Производимое прибором воздействие на воду сохраняется до 72 часов и позволяет проводить обработку воды на магистральных трубопроводах до 10 км.

Благодаря новому принципу воздействия - основанному на активации воды, за счёт разрыва водородных межмолекулярных связей приборы MERUS® эффективно используются даже в тех случаях, когда известные методы обработки воды неэффективны. Например, на конденсатопроводах, прямоточных технологических пароперегревателях, работающих на водопроводной воде без возврата конденсата, электротермических печах, при установке на пластиковых трубах и пр.

Эффективность такой обработки достигает 90%, позволяя умягчать воду без химических компонентов, сократить расход соли при натий-катионировании и угнетая рост болезнетворных бактерий, таких как палочка Коха и легионелла.

При этом химический состав воды не изменяется, что часто бывает важно для фармацевтической и пищевой промышленности, обработки воды в бассейнах и пр.

7. Выводы

На техническое состояние котельного оборудования коммунальной энергетики Украины, это в первую очередь влияет отсутствие достаточного финансирования и несовершенная правовая законодательная база.

Определение эффективности работы котельного оборудования должно начинаться с проведения энергоаудита.

Повышения эффективности работы и сроков службы котельного оборудования можно достичь путём установки вторичных излучателей, которые обеспечат улучшение аэродинамических и кинетических процессов протекающих в топке.

Значительной экономии тепловой энергии и улучшения эксплуатационных характеристик оборудования можно добиться произведя модернизацию гидравлической схемы.

Установка огранечителей тяги на дымовых трубах приводит к стабилизации горения, вентиляции дымовых труб, исключению возможности образования конденсата и их надёжной эксплуатации на малых нагрузках котлоагрегатов.

В процессе эксплуатации котельного оборудования необходимо уделить внимание качественной водоподготовке и деаэрации теплоносителя. ■

Литература

Тепловой расчёт котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н. В. Кузнецова. - М.: «Энергия», 1973. - 296 с.

Басок Б.И., Демченко В.Г., Мартыненко М.П. Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла с вторичным излучателем //Промышленная теплотехника. - № 1. - 2006.

Рабочие характеристики, указания по подключению и гидравлические схемы котлов средней и большой мощности. De Dietrich, 1998. - 36c.

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

1. 
   Тепловой расчет промышленных парогенераторов: Учеб. Пособие для втузов/ Под ред. В. И. Частухина. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1980. - 184 с.
2. 
   Методы и средства контроля загрязнения атмосферы и промышленных выбросов// ТР. ГТО 1987. Вып. 492.
3. 
   Типовая инструкция по организации системы контроля промышленных выбросов в атмосферу в отраслях промышленности. Л.: Изд-во ГГО им. А.И.Воейкова, 1986.
4. 
   Брюханов О.Н., Мастрюков Б.С. Аэродинамика, горение и теплообмен при сжигании топлива: Справочное пособие. СПб.: Недра, 1994.
5. 
   Автоматизація технологічних об’єктів та процессів. Пошук молодих.

3-я Міжнародна науково-технічна конференція аспірантів і студентів. Донецьк, ДонНТУ, 2003р.