Запланированная акция

#WORK_AREA#

Запланированная акция

Принципы планирования для оптимального производства
пара и тепла


Экономия энергии и снижение уровня эмиссии вредных веществ являются не только концепцией политиков, но и целью любого предпринимателя, занимающегося эксплуатацией котлов хотя бы исходя из соображений собственной выгоды. Современные установки по производству энергии и эффективные системы возврата отходящего тепла позволяют свести потери к минимуму.
Чересчур часто мы упускаем из виду динамические факторы. Настоящая работа посвящена снижению инвестиционных и производственных расходов для паро- и теплогенераторов мощностью 55 т/час или, соответственно, 38 мВт, предназначенных для промышленных предприятий и коммунального хозяйства.

1. Программы по разогреву вместо котлов большей мощности

Краеугольным камнем любой оптимизации является тщательный подсчет количества тепла и пара. Установки большей мощности, предназначенные для удовлетворения потребности в редкие моменты пиковых нагрузок, во время неполной нагрузки зачастую работают неэкономично и обременяют окружающую среду из-за частого включения и выключения топок. С помощью программ по запуску и разогреву, управление которыми осуществляется в зависимости от фактического потребления, и которые различают потребителей по степени их приоритетности, теплогенератор может настраиваться на меньшую мощность. Тем самым одновременно увеличивается диапазон экономичного прохождения периодов низкой нагрузки.

2. Разделение выработки технического пара и отопления помещений снижает производственные расходы.

Потребитель с наиболее высокими параметрами температуры и давления определяет расчетное давление теплогенератора. Чем выше расчетное давление, тем выше общие затраты установки. Поэтому обычно бывает неэффективно использовать парогенератор высокого давления еще и для обогрева помещений. Низкий температурный режим и потребности в тепле для отопления, выходящие за рамки рабочего времени, оправдывают раздельное производство тепла для отопления. Дополнительная экономия возникает из-за отсутствия необходимости постоянного надзора за остановками с максимальной температурой до 110°C. При определенных обстоятельствах даже имеет смысл отвести одному потребителю с экстремально высоким давлением и сравнительно небольшим количеством потребляемого пара отдельный парогенератор. 

3. Предельно низкие нагрузки требуют разделения общей производительности 

Перепад между наиболее низким и наиболее высоким потреблением тепла является, наряду с необходимостью поддержания стабильного теплоснабжения, причиной разделения общего производства на несколько установок. Наименьшая потребность зачастую находится ниже уровня минимальной нагрузки одной установки. И поэтому разделение производительности с учетом периодов низкой нагрузки является целесообразным. Тем самым удается избежать затратного и неблагоприятного для окружающей среды включения и выключения топок, а также преждевременного износа механизмов. На больших установках количество блоков определяется предельной производительностью теплогенераторов. Оптимальным является распределение общей производительности по однотипным блокам. Убедительными причинами являются необходимость держать наготове меньшее количество запасных частей и взаимозаменяемость деталей. И только если экономичная эксплуатация при наименьшей нагрузке с помощью определенного таким образом наименьшего блока не возможна, следует использовать специальный агрегат для низкой нагрузки.

3.1. При высокой потребности в паре полезнее использовать жаротрубные котлы с двумя жаровыми трубами

Производительность жаротрубного котла с одной жаровой трубой ограничена конструктивными возможностями и предписаниями. Компания «LOOS» производит жаротрубные котлы с одной жаровой трубой производительностью 19 MW или, соответственно, 28 т/ч. Для общей производительности, потребность в которой не может быть удовлетворена спомощью одного котла, часто бывает более целесообразным использование котла с двумя жаровыми трубами, по сравнению с несколькими котлами с одной жаровой трубой. Убедительной причиной является снижение затрат на монтаж, техническое обслуживание и контроль.

3.2. Жаротрубный котел с двумя жаровыми трубами и раздельным режимом работы обеих топок

От большинства теплоцентралей требуется динамичная адаптация нагрузок к значительным
 колебаниям потребления. Поэтому есть необходимость в использовании жаротрубных котлов с двумя жаровыми трубами, пригодных и допущенных к неограниченной эксплуатации в раздельном режиме. Такие котлы с двумя жаровыми трубами имеют не только раздельные пути движения дымовых газов, в случае больших нагрузок их конструкция допускает эксплуатацию в специальном режиме «одной жаровой трубы». Их топки полностью автономны и могут эксплуатироваться параллельно или по отдельности. За счет автоматического отключения и включения горелок в зависимости от имеющейся потребности в тепле и системы принудительной последовательности действий каждый котельный блок может автоматически работать в диапазоне от малой нагрузки на одну горелку до максимальной нагрузки на обе горелки. Таким образом модульный диапазон удваивается, а частота включения и выключения горелок при малой нагрузке сокращается в два раза. Непрерывная подача топлива в большом диапазоне обеспечивает бесперебойный процесс передачи тепла и постоянный динамичный оборот котельной воды. В случае неполадок в одной из топок мы все еще имеем в своем распоряжении 50% мощности котла (рис. 1).

4. Оптимальная комбинация котлов и горелок несет дополнительную бесплатную выгоду клиентам

При заданной потребности в тепле изготовитель котлов, ориентирующийся на потребности клиентов, предлагает различные комбинации горелок. Чтобы найти наиболее выгодную для клиента комбинацию котлов и горелок, необходимо рассмотреть все альтернативные варианты. На рис. 2 сравниваются два типа котлов, рассчитанные на потребность в тепле для отопления в размере 1800 кВт,90/70°C, работающие на природном газе. Следующий по размеру тип котла UT-L 16 с максимальной мощностью 2000 кВт повышает выгоду для клиента и имеет следующие преимущества:

  • использование меньших горелок.
  • более низкая общая потребляемая мощность двигателей, обеспечивающих работу горелок.
  • увеличенный диапазон работы горелок.
  • снижение частоты включения и выключения горелок при низких нагрузках.
1.jpg
Рис. 1: трехходовой жаротрубно-дымогарный котел с двумя жаровыми трубами, с раздельными дымоводами для раздельной эксплуатации отдельных горелок, с интегрированным экономайзером для подогрева питательной воды.


разумно комбинировать.jpg
Рис. 2: сравнение двух комбинаций котлов и горелок.


  • повышенный КПД котла.
  • сниженное потребление топлива.
  • сниженное содержание вредных NOx в отходящих газах.
  • снижение инвестиционных расходов, так как более высокая цена котла компенсируется за счет более низкой цены горелок.
При выборе в пользу котла более мощного типа использование горелок меньшего размера не всегда возможно. Поэтому следует рассмотреть также варианты, предполагающие незначительное снижение теплопроизводительности, в особенности при распределении общей производительности многоблочных котельных установок по отдельным блокам.

5. Зарабатывать деньги с помощью теплообменника отходящих газов

Использование теплообменника отходящих газов предоставляет идеальную возможность для экономии энергии и снижения нагрузки на окружающую среду.

5.1. Теплообменник отходящих газов для эксплуатации в «сухом» режиме

Парогенераторы работают в большинстве случаев на полностью деаэрированной питательной воде, температура которой составляет около 103°С. Температура отходящих газов на выходе из котла зависит от температуры котельной воды и соответсвующей нагрузки котла. С целью оптимизации производитель производительности тепло отходящих газов подается с помощью установленного в потоке отходящих газов экономайзера в питательную воду. В паровых котлах «UNIVERSAL UL-S-IE» (конструкция с одной жаровой трубой производительностью до 28 т/ч) и «ZFR-IE» (конструкция с двумя жаровыми трубами производительностью до 55 т/ч) производства «LOOS» экономайзер интегрирован в теплоизолированной камере отходящих газов и смонтирован на заводе-изготовителе до состояния готовности к подключению в той мере, в какой это допускается габаритами с точки зрения предписаний по перевозке грузов. Это делает излишним установку дополнительных фундаментов и монтаж на месте эксплуатации. С целью доукомплектации «Kompakt- ECO-SA» может быть установлен и сопряжен сразу за котлом. Эксплуатация в «сухом» режиме пригодна при использовании в качестве топлива легких нефтепродуктов и природного газа, в том числе в сочетании с влагочувствительными каминами. Избежать падения температуры ниже точки росы позволяет устройство регулирования температуры отходящих газов. Экономайзер с кожухом, газоотводные каналы и шумоглушитель отходящих газов (при его использовании) могут быть выполнены из стали. При использовании экономайзеров в «сухом» режиме КПД котлов может превышать 95% (см. рис. 3). Бойлерные установки высокого давления для производства горячей воды для технологических нужд и систем центрального отопления эксплуатируются в большинстве случаев при циркулирующей температуре в системе, превышающей 100°C. Так что в этом случае также могут использоваться теплообменники отходящих газов для эксплуатации в «сухом» режиме. При этом в большинстве случаев часть возвратного потока направляется через теплообменник отходящих газов. Системы «ECO» производства «LOOS» для бойлерных установок высокого давления встраиваются в новых котлах в камере отходящих газов, а при доукомплектации могут поставляться в виде «Kompakt-ECOSA » для установки сразу за котлом.
2.jpg
Рис. 3: оптимизация производительности за счет применения теплообменника отходящих газов в «сухом» режиме.

Пожеланию они могут быть оснащены воизбежание падения температуры в «ECO» и/или в каминах ниже точки росы регулятором температуры, устанавливаемым со стороны воды и/или отходящих газов. Бойлерные установки для производства горячей воды с целью непосредсвенного отопления помещений эксплуатируются при как можно более низкой температуре. В зависимости от температуры воды в подающем и возвратном трубопроводе и разницы между ними средняя температура котельной воды может составлять 60- 100°C. При экономичной работе котлов температура отходящих газов на выходе из котла может достигать 160-190°C при полной нагрузке и 120- 150°C при малой нагрузке. Котлы для отопления помещений работают на полную мощность всего лишь несколько дней в году. Большинство рабочих часов в году приходится на средний и нижний участок диапазона нагрузки. Реализуемые значения КПД на этих участках диапазона нагрузки уже составляют 93-94%. Подключение теплообменника отходящих газов, работающего в «холодном» режиме, снижает температуру отходящих газов до 75°C и обеспечивает дальнейшее повышение КПД до 98%. 

5.2. Теплообменник отходящих газов для работы во «влажном» режиме

Отходящие газы теплогенераторов, работающих на природном газе, не содержат сажы и серы. Сейчас уже имеется жидкое топливо с низким содержанием серы (максимальное содержание серы составляет 50 ppm, т.е. 0,005% от массы), обеспечивающее такое же безостаточное сгорание, как в случае с природным газом. В случае с такими отходящими газами для отопления дополнительно может использоваться теплота конденсации. В парогенераторах промышленного назначения следом за экономайзером для эксплуатации в «сухом» режиме в качестве кондесатора отходящих газов устанавливается второй теплообменник из нержавеющей стали, служащий для подогрева питательной воды. Все последующие газоотводные пути также выполнены из нержавеющей стали и оснащены антикоррозионным конденсатным трубопроводом. Предпосылкой для применения конденсатора отходящих газов является наличие потребителей с низкой температурой. Например, на теплозатратных производственных редприятиях с непосредственными потребителями пара без возврата конденсата может производиться подогрев подпиточной воды, подготовленной с использованием химических веществ, и/или осуществляться производство технической воды (см. рис. 4). В водогрейных установках высокого давления для производства горячей воды конденсация отходящих газов не применяется, так как циркулирующая в системе температура находится значительно выше точки росы. Установки для производства горячей воды, работающие на природном газе или жидком топливе с низким содержанием серы, также могут быть оснащены с целью повышения производительности теплообменником отходящих газов для эксплуатации во «влажном» режиме (см. рис. 5). Отопительные контуры низкой температуры проводятся через теплообменник отходящих газов из нержавеющей стали и вызывают конденсацию отходящих газов. В зависимости от циркулирующей температуры КПД котла может превысить 105% по отношению к нижнему значению теплоты сгорания топлива (см. рис. 6). При попеременном использовании в бинарных топках газа или жидкого топлива теплообменник отходящих газов оснащается со стороны отходящих газов обводом и установочным клапаном для прохода мимо теплообменника в случае использовании серосодержащего жидкого топлива.
разумно комбинировать 2.jpg
Рис. 4: парогенератор с двухступенчатым режимом эксплуатации (экономайзер / конденсатор отходящих газов); экономия топлива до 15%.
Экономайзер: предварительный нагрев котловой питательной воды для эксплуатации в «сухом» режиме.
Конденсатор отходящих газов: предварительный нагрев подпиточной и технической воды для эксплуатации во «влажном» режиме.


3.jpg
Рис. 5: трехходовой жаротрубно-дымогарный водогрейный котел с одной жаровой трубой, с теплообменником отходящих газов

5.3. Удаление конденсата

Если измерить pH для определения кислотности жидкости, то значение pH конденсата отходящих газов при сжигании природного газа составляет от 2,8 до 4,9 единиц, а при сжигании жидкого топлива с низким содержанием серы от 1,8 до 3,7 единиц.
разумно комбинировать3.jpg
Рис. 6: Кривые КПД для водогрейного котла «UNIMAT» при температуре в подающем/циркуляционном трубопроводе котла 70/50°C
1. Котел без теплообменника отходящих газов
2. Котел с теплообменником отходящих газов для эксплуатации в «сухом» режиме
3. Котел с теплообменником отходящих газов для «максимального использования теплоты сгорания топлива»
3.1 Температура поступающей воды 50°C
3.2 Температура поступающей воды 40°C
3.3 Температура поступающей воды 30°C


разумно комбинировать4.jpg
Рис. 7: Водогрейная котельная установка с гидравлической стрелкой, работающая с учетом погодных условий

Температура конденсата лежит в диапазоне от 25 до 55 °C. Для нейтрализации на небольших установках применяются фильтры с обновляемым доломитовым наполнителем, а на больших установках емкости с дозаторами раствора едкого натра. При пhавильном выборе и настройке нейтрализующего устройства возможно соблюдение допустимых значений, при которых дозволяется сброс в городскую канализацию. Сброс должен быть разрешен соответствующим компетентным ведомством. 

6. Многокотельные установки с оптимизацией за счет принудительной последовательности действий

Конструкция многокотельных установок предлагает возможность повышения общей экономичности и оптимизации производительности. В качестве примера представлена многокотельная установка, предназначенная для отопления помещений. По сравнению с установкой, состоящей из одного котла, здесь предъявляются повышенные требования к гидравлической схеме и системе автоматического управления.

6.1. Регулирование отопительного контура

Требование потребителей состоит в наилучшей адаптации к актуальной потребности в тепле при обеспечении абсолютно надежного снабжения. Изменчивое количество тепла наилучшим образом поставляется при поддержании константного объема и переменной температуры. Для этого в отопительном контуре используются трехходовые смесители для подачи циркуляционной воды в подающий трубопровод. Регулятор температуры воды в подающем трубопроводе отопительного контура, ведомый погодными условиями, воздействует на установочный механизм трехходового смесителя и обеспечивает потребителям температуру отопительной среды, как раз необходимую для достаточного количества тепла.

6.2. Регулирование циркуляционного контура котла

Водогрейные котлы требуют в первую очередь поддержания минимальной циркуляционной температуры, чтобы избежать падений температуры ниже точки росы. Для этого в гидравлических циркуляционных контурах котла используются, например, трехходовые смесители для подачи воды из подающего трубопровода в рециркуляционный трубопровод (поддержание на высоком уровне циркуляционной температуры). Количество теплоты, производимое одним или несколькими водогрейными котлами, повышается или понижается в зависимости от температуры окружающей среды, температуры в подающем трубопроводе системы и перепада температур в подающем и циркуляционном трубопроводе системы. Если количество теплоты, производимое ведущим котлом, оказывается недостаточным, то последовательно включаются насос циркуляционного контура и горелка следующего котла. Сначала циркуляционный контур следующего котла разогревается до минимальной циркуляционной температуры. Затем происходит передача теплоты в подающий трубопровод системы через трехходовой смеситель (см. рис. 7). При падении потребности в тепле производится снижение мощности горелок. Во избежание частых переключений производится ступенчатое включение и выключение горелок с задержкой времени.

6.3. Объемный расход

В гидравлической схеме данной многокотельной установки возникают различные влияющие друг на друга объемные расходы, первично регулируемые циркуляционным контуром котла и вторично отопительным контуром. За счет «жесткого» последовательного соединения первичной и вторичной стороны первичный объемный расход может сойти на нет, например, за счет подвода через смесители отопительного контура, так что требование поддержания водогрейным котлом минимального объемного расхода и постоянного подвода датчика температуры в подающем трубопроводе не будет выполнено. 

6.4. Гидравлическая стрелка

Абсолютно надежное решение этой проблемы состоит в применении гидравлической стрелки. При этом происходит полное гидравлическое рассоединение объемного расхода первичной и вторичной стороны и исключается их взаимное влияние друг на друга. За счет учреждения совместного датчика температуры подающего трубопровода на вторичном выходе обеспечивается загрузка датчика при первом запросе тепла. В соответствии с предписаниями по отопительным установкам не задействованные в данный момент котлы должны быть гидравлически заперты. Для каждого котла предусмотрен приблизительно постоянный объемный расход. Насосы циркуляционного контура котла должны быть распределены в соответствии с номининальной мощностью водогрейных котлов. Их общая пропускная способность должна соответствовать как минимум 1,1-кратному и как максимум 1,5-кратному объемному расходу.

5.jpg
Рис. 8: Система управления котлами и установками LBC/LSC на комплексной водогрейной котельной установке

6.5. Регулировка

Надежное функционирование и способность к оптимизации многокотельной установки требует применения производительной регулирующей системы. Наряду с выполнением функциональных задач по регулировке, целью является достижение как можно более низкого потребления энергии и максимального снижения нагрузки на окружающую среду. Регулирующая система должна быть в состоянии осуществить схему с принудительной проследовательностью действий (исходя из температуры в подающем трубопроводе системы или количества тепла) в зависимости от погодных условий. При этом Надзор за водогрейными котлами, регулировку, а также включение и выключение горелок и насосов циркуляционного контура котла берет на себя соответствующая система регулировки циркуляционного контура котла. Через общую систему шин передачи данных осуществляется постоянный обмен данными между системами управления работой отдельных котлов LBC (LOOS SYSTEM CONTROL) и вышестоящей системой управления LSC (LOOS SYSTEM CONTROL), так что установка автоматически настаивается на наивысшее требование. 

7. Обобщение

Оптимизация производительности начинается с тщательного учета параметров: количества тепла, давления и температуры. Существенное значение имеют как пики, так и периоды низкого спроса, в соответствии с которыми производится распределение общей производительности на несколько котельных блоков с согласованной производительностью. Следует решить вопрос о раздельном производстве технического тепла и тепла для отопления помещений. При большой производительности использование жаротрубно-дымогарных котлов с двумя жаровыми трубами с раздельным режимом эксплуатации обеих топок приносит определенные преимущества. Котлы и горелки следует рассматривать как функциональное единство, с тем, чтобы изготовитель котлов смог подобрать оптимальную комбинацию, ориентированную на конкретный спрос. В зависимости от используемого топлива могут применяться различные системы рекуперации тепла отходящих газов. Наивысшая оптимизация производительности достигается за счет использования конденсации отходящих газов. Многокотельные установки предлагают многообразные возможности оптимизации производительности на основе применения программируемых систем управления с сохраняемыми программами. Водогрейные котлы могут эксплуатироваться с наивысшим КПД в зависимости от погодных условий при выборе соответствующей гидравлической схемы. В распоряжении разработчика имеются разнообразные возможности для реализации планов по возведению установок с оптимальной производительностью тепла. Возможны конкретные детальные разработки с вариантами расчета вещественного и энергетического баланса.


Возврат к списку