Расчет показателей экономической эффективности работы котельной. Показатели работы котельных установок Также совершенствования процесса работы котельного

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 .

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.

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.

Описание:

Стоимость энергии составляет значительную часть эксплуатационных расходов для любого коммерческого здания. Модернизация инженерных систем позволяет сократить эти расходы. Капитальные вложения в модернизацию котельного оборудования во многих случаях имеют короткий срок окупаемости.

Экономическая эффективность модернизации котельной

Стоимость энергии составляет значительную часть эксплуатационных расходов для любого коммерческого здания. Модернизация инженерных систем позволяет сократить эти расходы. Капитальные вложения в модернизацию котельного оборудования во многих случаях имеют короткий срок окупаемости.

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.

Для стальных котлов такой способ регулирования температуры воды нежелателен. С точки зрения прочностных характеристик для стального котла большой температурный перепад нестрашен, но эксплуатировать котел с температурой воды в обратном трубопроводе (на входе в котел) ниже 55 °С не следует. Дело в том, что при такой температуре котловой воды температура дымовых газов в местах соприкосновения со стенкой дымогарной трубы может оказаться ниже температуры точки росы, что вызовет выпадение конденсата на стенках дымогарных труб и приведет к их преждевременной коррозии. Поэтому чаще применяют регулировку температуры воды с помощью трехходового клапана с температурным датчиком, минус этого способа – долгий срок окупаемости, от 5 лет и выше. Как альтернативу можно применить регулирование пропусками в сочетании с термостатическим датчиком температуры обратной воды. Такой способ менее экономичен и окупится в течение 4–5 лет.

Регулирование выключением

В повсеместной практике осенью с наступлением отопительного периода служба эксплуатации запускает систему отопления и выключает только весной. Это приводит к тому, что даже в теплые дни котел не отключается и продолжает работать.

Автоматическое регулирование выключением при достижении наружной температуры +8 °С может сохранить от 3 до 5 % потребляемой тепловой энергии и окупится за 2–3 года.

Регулирование циклов котла

Если работа котла регулируется «пропусками» в зависимости от температуры наружного воздуха, часто возникает следующая проблема: в переходные периоды, когда наружная температура в течение суток резко изменяется, цикл включения/выключения котла обычно короткий, трубы и отопительные приборы не успевают как следует прогреться и это приводит к недогреву здания; зимой же, когда холодная температура держится постоянно, цикл включения/выключения котла чрезмерно долгий, что приводит к излишнему перегреву здания. Для устранения этой проблемы рекомендуется установить контроллер, регулирующий минимальное и максимальное время включения котла. Это экономит от от 3 до 5% потребляемой тепловой энергии и окупится примерно за 3 года.

Статья подготовлена Н. А. Шониной , старшим преподавателем МАрхИ

П.B. Росляков, К.А. Плешанов,
Московский энергетический институт (технический университет)

АННОТАЦИЯ

Ниже рассматривается способ сжигания топлива с контролируемым химическим недожогом, позволяющий снизить эмиссию оксидов азота на 20-40% и повысить эффективность работы котла. Приведены результаты внедрения метода, экспериментальных и теоретических исследований.

1. ВВЕДЕНИЕ

Энергетическая стратегия России на период до 2030 года , одобренная правительством РФ, ставит новые задачи по улучшению энергетической и экологической эффективности российского ТЭК в целом. Эти требования сформулированы для нового и уже эксплуатируемого энергетического оборудования и в частности для паровых котлов.

2. СПОСОБЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

2.1. Традиционные представления о сжигании топлив в топках котлов

Большая часть технического парка котлов в России разрабатывалась до 80-х годов. В те времена считалось, что топливо должно сжигаться с большими теплонапряжением сечения топочной камеры qF, коэффициентом избытка воздуха а, при высоких температурах в зоне активного горения (ЗАГ) &здг-Это позволяет минимизировать потери с химическим и механическим недожогом топлива. Но при таких условиях эмиссия оксидов азота NOX максимальна. Поэтому проблема улучшения экологических характеристик действующих котлов стоит особенно остро.

2.2. Пути улучшения экологических характеристик котлов, реализуемые на стадии сжигания топлива

Внедрение на старых котлах мероприятий по снижению выбросов вредных веществ (ВВ), таких как ступенчатое, стадийное сжигание, рециркуляция продуктов сгорания и т.д. приводит, как правило, к снижению КПД котла, требует значительного объёма реконструкции и существенных финансовых затрат.

После принятия в 2004 году Федерального закона «О ратификации Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации Объединённых Наций об изменении климата» в стране уделяется особое внимание эффективности работы ТЭС и снижению выбросов парникового газа СО2 в атмосферу. Поэтому современные средства снижения оксидов

азота должны не только улучшать экологическую безопасность котла, но и повышать эффективность его работы. Разработанный в МЭИ метод сжигания топлива с контролируемым химическим недожогом совмещает в себе требования по улучшению экологической и экономической эффективности работы котла.

Метод оптимален с точки зрения внедрения, т.к. является простым, малозатратным и быстрореализуемым.

3. СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА С КОНТРОЛИРУЕМЫМ ХИМИЧЕСКИМ НЕДОЖОГОМ

3.1. Физическая сущность метода

Основная идея способа сжигания топлива с умеренным недожогом состоит в уменьшении локальных избытков воздуха в ЗАГ за счёт уменьшения количества организованного подаваемого воздуха в топку. Снижение свободного кислорода в зоне горения подавляет образование термических и топливных оксидов азота, при этом несколько увеличивается эмиссия продуктов неполного горения топлива, контролируемых по содержанию монооксида углерода СО в продуктах сгорания (рис. 1).

3.2. Определение оптимальности режима сжигания топлива

В опытных исследованиях, проводившихся при сжигании разных видов топлива на котлах различной мощности, определялись экологические и экономические характеристики котлов. В дымовых газах ТЭС содержится различное количество вредных для окружающей среды примесей, поэтому

экологическая безопасность работы котла оценивалась по суммарному показателю токсической вредности ΠΣ , учитывающему содержание вредных примесей и их токсичность. Результаты исследований при содержании СО в уходящих из котла газах в нормируемых пределах 300-400 мг/нм3* дают снижение ΠΣ в 1,5-2 раза. При этом рост вклада продуктов неполного сгорания топлива (бенз(а)пирена (Б(А)П) и СО) увеличивался всего до 2-10% (рис. 2).

Эффективность работы котла оценивалась по его КПД. В ходе исследования котлов, сжигающих природный газ, максимум КПД приходится на содержание СО в уходящих газах от 50 до 100 мг/нм3 (рис. 3).

Численные эксперименты, проведённые с помощью ППП РОСА-2, разработанного на кафедре парогенераторостроения МЭИ, показали, что содержание СО в уходящих газах котла на уровне 50 мг/нм соответствует сжиганию предварительно перемешанной гомогенной топливовоздушной смеси при <х=1. При этом КПД котла максимален, т.к. потери от недожога топлива

В реальных условиях сжигания природного газа с недожогом снижение эмиссии ΝΟΧ приходится на диапазон от 20 до 40 %. Дальнейшее увеличение СО в уходящих газах котла нецелесообразно, т.к. происходит снижение КПД котла, а выбросы ΝΟΧ изменяются незначительно.

ЬКз- /5-i.yi Μ; ί - численный эксперимент

В качестве обобщённого критерия эффективности метода, учитывающего как экологическую безопасность, так и эффективность работы котла, служит суммарная плата станции S^ за выброс вредных веществ (ВВ) 5ВВ в соответствии с и используемое топливо 5Т: 5Σ = 5Т + Sm. Цена за топливо принималась равной 2230 руб. за 1000 м3 природного газа (установленные цены в I квартале 2009 г.).

При нынешних нормативных платах за вредные выбросы превалирующее значение на зависимость 5Σ = ДСО), показанную на рис. 5, оказывает плата за топливо (больше 99,9 %). Следует особо отметить, что природный газ в данное время является самым дешёвым топливом в России. Тем не менее при сжигании и других видов топлива величина 5Σ будет также в основном определяться стоимостью топлива, т.е. эффективностью котла.

Из вышеперечисленного следует, что оптимальным эксплуатационным режимом котла при его работе с умеренным недожогом является режим, при котором достигается максимум КПД. Ничтожная доля платы ТЭС за выбросы вредных веществ в атмосферу в общих эксплуатационных издержках указывает на нецелесообразность внедрения дорогих воздухоохранных мероприятий. Часто их внедрение на действующих котлах кроме заметных капитальных затрат на реконструкцию котла приводит к увеличению и эксплуатационных затрат. Данное положение дел является аргументом в пользу увеличения существующих нормативных плат за выбросы вредных веществ в атмосферу.

Все значения величин в тексте и в иллюстрациях даны приведёнными к стандартным условиям: температура 0 "С, давление 101,3 кПа и избыток воздуха в газах а=1,4.

3.3. Результаты работ иностранных исследователей

Результаты по исследованию и внедрению предлагаемого способа сжигания с контролируемым недожогом подтверждаются выводами зарубежных работ , в которых такая технология сжигания рассматривается в качестве комбинированного решения проблем повышения экологической безопасности и эффективности работы котла.

В частности, в работах , посвященных сжиганию в котлах твёрдого топлива, отмечено снижение эмиссии оксидов азота от 10 до 30 %. Для природного газа эффективность снижения NOX составляет от 10 до 20 %.

В ходе исследования предлагаемого способа сжигания топлива проводилось его внедрение на энергетических (БКЗ-75-3,9ГМ, ЦКТИ-75-3,9, ТП-150, ТГМ-84Б, ТПЕ-430) и водогрейных (КВГМ-180-150) котлах, на которых были получены положительные результаты.

Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать предложенный способ сжигания топлива с умеренным недожогом для снижения эмиссии оксидов азота на действующих котлах докритического давления (ДКД) паропроизводительностью до 500-640 т/ч, на которых невыгодно внедрять затратные воздухоохранные мероприятия.

4. ВНЕДРЕНИЕ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА С КОНТРОЛИРУЕМЫМ ХИМИЧЕСКИМ НЕДОЖОГОМ

При традиционном сжигании окончательное выгорание топлива должно происходить исключительно в топочной камере. Полного сгорания топлива в топке добивались повышенным количеством организованно подаваемого воздуха в топку, поддержанием высоких температур в зоне горения. Вызывалось это отсутствием необходимых приборов контроля состава продуктов сгорания. Повышенный избыток воздуха в топке приводил к завышенному образованию оксидов азота и чрезмерным потерям с уходящими газами из котла. Современный уровень технологического развития даёт возможность устанавливать в газовых трактах котлов приборы контроля состава продуктов сгорания, которые позволяют улучшить как эффективность работы котла, так и его экологические характеристики.

Современные экологически безопасные способы сжигания топлива характеризуются затягиванием процесса горения. Довольно часто, как и в случае сжигания топлива с контролируемым химическим недожогом, окончательная конверсия продуктов химнедожога происходит в конвективной шахте котла . Поскольку при реализации способа сжигания топлива с контролируемым химическим недожогом необходимо поддержание оптимального избытка воздуха, то на котлах следует устанавливать системы непрерывного инструментального контроля продуктов сгорания для определения концентраций СО, Ог и NO продуктах сгорания.

Большинство действующих в настоящее время на ТЭС котлов были введены в эксплуатацию более 20 лет назад, поэтому, как правило, их эксплуатационные характеристики уже не в полной мере соответствуют проектным величинам. Это в первую очередь относится к присосам холодного воздуха в топочную камеру и газоходы котла, а также к равномерности раздачи топлива и воздуха по горелочным устройствам. Поэтому перед внедрением режимов сжигания топлива с контролируемым умеренным недожогом на таких котлах следует провести уплотнение топки, поверку штатных приборов и устранение перекосов в топливовоздушных трактах. Последнее позволяет оптимизировать процесс сжигания топлива и уменьшить выход СО и Б(А)П.

Полная идентификация режима сжигания топлива требует установки приборов контроля газового состава в нескольких сечениях газового тракта котла.

Данная рекомендация связана с тем, что конверсия продуктов неполного горения топлива вдоль тракта котла приводит к изменению показателя вредности дымовых газов . Расчетные зависимости суммарной вредности продуктов сгорания в режимном (за поворотной камерой) и контрольном (за дымососом) сечениях будут отличаться при работе с недожогом. Поэтому выбор оптимальных условий работы котла с умеренным недожогом только по результатам измерения состава газов в режимном сечении будет ошибочным.

Именно по этому контроль концентраций О2 и СО необходим в режимном и контрольном сечениях. Известно, что образование оксидов азота полностью завершается в топочной камере и далее по газовому тракту их массовый расход и концентрация (в пересчете на сухие газы и α = 1,4) практически не меняются. Поэтому контроль содержания ΝΟΧ принципиально может быть организован в любом из указанных сечений газового тракта, где обеспечивается наибольшая представительность результатов.

При проведении наладочных испытаний с целью составления режимных карт желательно также проводить инструментальные измерения содержания бенз(а)пирена в режимном и контрольном сечениях газового тракта. При этом следует иметь в виду, что содержание Б(а)П вносит ничтожную долю в суммарную вредность уходящих газов, выбрасываемых в атмосферу (см. рис. 2 кривая 4).

Отдельно следует отметить, что система непрерывного контроля газового состава, включающая приборы для анализа СЬ, СО и NO, может быть использована не только для реализации малотоксичных режимов сжигания, но и как система мониторинга для расчета платы за вредные выбросы в атмосферу и их рассеивание на прилегающих территориях.

Современные требования к автоматизации процесса выработки электроэнергии и контролю сжигания топлива требуют интеграции системы контроля дымовых газов в АСУ станции. Исходя из этого в декабре 2007 г. научно-технический совет (НТС) РАО «ЕЭС России» на заседании секции «Энергосберегающие и экологические проблемы энергетики» рассмотрел и одобрил полученные результаты работы по исследованию и внедрению предложенного способа сжигания. НТС признал возможным внедрение способа сжигания топлива с контролируемым умеренным недожогом на ТЭС, оснащённых стационарными измерительными системами контроля Ог, СО и NOX в продуктах сгорания, работающих в составе АСУ котлов .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные исследования проводились на котлах паропроизводительностью от 75 до 500 т/ч (БКЗ-75-39ГМ, ЦКТИ-75-39, ТП-150, ТГМ-84Б, ТПЕ-430) при сжигании природного газа.

Результаты испытания показывают стабильное снижение эмиссии NOX на 20-40 %. Суммарная вредность продуктов сгорания снижается в 1,5-2 раза.

Достигнуто повышение КПД брутто котла до 1 %. При этом наблюдается снижение затрат на тягу и дутьё до 0,1 %.

Экономия средств на топливо и плату за выбросы вредных веществ составляет 0,5-2 млн руб / год на каждые 100 т/ч паропроизводительности котла.

Внедрение предложенного способа сжигания не требует значительных материальных и временных затрат. Для повышения его эффективности на котлах должны быть установлены средства инструментального контроля состава дымовых газов (Ог, СО и NOX).

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ТЭК- топливно-энергетический комплекс; КПД - коэффициент полезного действия; ППП - пакет прикладных программ; АСУ - автоматическая система управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года.

http://minenergo.gov.ru/news/min_news/l 515.html

2. Сжигание природного газа с контролируемым химическим недожогом как эффективное средство снижения выбросов оксидов азота/ П.В. Росляков, И.Л. Ионкин, Л.Е. Егорова//Новое в российской электроэнергетике. 2006. №12. С. 23-35.

3. Эффективное сжигание топлив с контролируемым химическим недожогом/ П.В. Росляков, И.Л. Ионкин, К.А. Плешанов // Теплоэнергетика. 2009. №1. С. 20-23.

4. Контроль вредных выбросов ТЭС в атмосферу. П.В.Росляков, И.Л. Ионкин, И.А. Закиров и др.; М.: Издательство МЭИ, 2004.

5. ГОСТ Ρ 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.

6. Постановление Правительства РФ от 12 июня 2003 г. № 344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления» (с изменениями от 1 июля 2005 г.)

7. Carbon Monoxide Measurement in Coal-Fired Power Boilers. Yokogawa Corporation of America, 2008.

8. Reducing NOX Emissions Using Corbon Monoxide (CO) Measurement. Rosemount Analythical, 1999.

9. Emission analysis. Toyota, 2001.

10. The Benefits of Coal/Air Flow Measurement and Control on NOx Emission and Boiler Performance. S. Laux, J. Grusha, Foster Wheeler Power Group, 2003.

11. Исследование процессов конверсии оксида углерода и бенз(а)пирена вдоль газового тракта котельных установок/ П.В. Росляков, И.А. Закиров, И.Л. Ионкин и др. // Теплоэнергетика. 2005. №4. С. 44-50.

12. Контролируемый химический недожог - эффективный метод снижения выбросов оксидов азота. Протокол от 18 декабря 2007 г. заседания секции «Энергосберегающие и экологические проблемы энергетики» НТС РАО «ЕЭС России».

В развитии современной котельной техники малой и средней мощности можно выделить следующие направления:

Повышение энергетической эффективности путем всемерного снижения тепловых потерь и наиболее полного использования энергетического потенциала топлива;

Уменьшение габаритных размеров котельных агрегатов за счет интенсификации процесса сжигания топлива и теплообмена в топке и поверхностях нагрева;

Снижение токсичных (вредных) выбросов (СО, NOx, SOx;

Повышение надежности работы котельного агрегата.

Энергетическая эффективность котельных агрегатов оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). При работе на газообразном и жидком топливах КПД зависит в основном от потерь теплоты с уходящими газами При полном сжигании топлива потери теплоты от химической неполноты сгорания равны нулю, а потери теплоты через наружные ограждения в окружающую среду для современных котлов сведены к минимуму и составляют доли процента. Как известно, потери теплоты с уходящими газами зависят от температуры этих газов и коэффициента избытка воздуха, с которым осуществляется сжигание топлива. Подсосы воздуха в дымовой тракт современного котельного агрегата практически отсутствуют.

При снижении температуры уходящих газов до уровня, на котором происходит конденсация водяных паров продуктов горения (ПГ), достигается двойной эффект: с одной стороны, выделяемая скрытая теплота конденсации водяных паров существенно повышает используемый энергетический потенциал топлива, который усваивается хвостовыми поверхностями нагрева котла, с другой стороны, уменьшаются потери теплоты с уходящими газами.

Такие котлы получили название низкотемпературные (при отсутствии конденсации водяных паров продуктов горения) и конденсационные (при наличии конденсации водяных паров), их выпускают фирмы Viessmann, Ecoflame и др.

Основным недостатком конденсационных котлов является агрессивная среда, когда в образующемся конденсате растворяется диоксид углерода с образованием угольной кислоты Н2СО3, вызывающей интенсивную коррозию поверхностей нагрева. Образующийся конденсат необходимо нейтрализовать. Опасность кор розии многократно возрастает при использовании серосодержащего топлива, при сжигании которого образуются оксиды серы, являющиеся источником серной кислоты.

Защита от коррозии может быть обеспечена при выполнении элементов котла из сталей, обладающих высокой коррозионной стойкостью, т.е. из сталей, легированных присадками хрома, никеля и молибдена. Данные стали относятся к дорогим материалам, их применение значительно повышает стоимость котельных агрегатов, но при этом существенно возрастает экономичность установок. Например, при работе на природном газе КПД такого котла приближается к максимально возможному почти на 11 %. Содержание водяных паров в продуктах горения при сжигании жидкого топлива меньше, чем при сжигании газа, поэтому дополнительный выигрыш за счет использования теплоты в случае жидкого топлива составляет всего 5...7 %.

Исключительно важное значение для эффективности работы котельного агрегата имеют горелочные устройства. В настоящее время на российском рынке наряду с отечественными производителями (ООО «Сормово», ОАО «Старорусприбор», ООО «Каменский завод газоиспользующего оборудования» и др.) появилось много иностранных фирм (Baltur и Ecoflame (Италия), Benton (Швеция), De Ditrich (Франция), Korting, Saacke, Weisshaupt (Германия) и др.), производящих современную котельную технику и газогорелочное оборудование.

Современные газовые и жидкотопливные горелки отличаются высокой эффективностью сжигания топлива, экономичностью и экологическими характеристиками, высокой степенью автоматизации.

Управление работой горелок и контроль безопасности выполняют специальные устройства - менеджеры горения, с помощью которых осуществляются контроль герметичности магнитных клапанов, электронно-связанное управление соотношения топливо - воздух, связь с персональным компьютером, на экране которого отображается последовательность работы и настройка параметров работы.

Регулирование тепловой мощности горелок выполняется в зависимости от используемого топлива, типоразмера горелок и конкретных условий организации процесса. Наиболее качественное ведение процесса достигается при модулируемом способе регулирования тепловой мощности горелок.

Регулирование расхода воздуха у горелок некоторых типов осуществляется посредством изменения частоты вращения вентилятора, что обеспечивает наиболее экономичный режим работы горелки при снижении уровня потребления электрической мощности.

Новая технология сжигания реализуется, например (рис. 5.1). Камера горения такого котла представляет собой акустическую систему с высокой степенью гурбулизации дымовых газов. В камере горения котлов с пульсирующим горением отсутствуют горелки, а следовательно, нет и факела. Подача газа и воздуха осуществляется прерывисто с частотой примерно 50 раз в секунду через специальные газопульсирующие и воздушно-пульсирующие клапаны и процесс горения происходит во всем топочном объеме. При сжигании топлива в топке повышается давление, увеличивается скорость продуктов

Рис. 5.1.

1 - газопульсирующий клапан; 2 - ресивер газовый; 3 - газовая линейка; 4 - камера горения; 5 - водяная рубашка камеры горения; 6 - резонаторные трубы в водяной рубашке; 7 - выхлопной коллектор; 8 - водяная рубашка выхлопного коллектора; 9 - глушитель выхлопа; 10 - ресивер воздушный; 11 - вентилятор; 12 - воздушно-пульсирующий клапан; 13 - запальная свеча; 14 - предо&

хранительный клапан; ПГ - продукты горения

горения, что приводит к существенной интенсификации процесса теплообмена, т.е. обеспечивается возможность уменьшении массы и габаритных размеров котла.

Дымовые газы под избыточным давлением выходят из камеры горения, по резонаторным трубам поступают в выхлопной коллектор 7 и, проходя через глушитель выбрасываются через дымовую трубу наружу. Нагреваемая вода движется противотоком по отношению к дымовым газам по водяным рубашкам

Котлам пульсирующего горения не нужна дымовая тяга, и работать они могут при весьма низком давлении газового топлива - менее 0,7 кПа (70 мм вод. ст.). Потребляемая мощность электрооборудования котла не зависит от его теплопроизводительности и составляет не более 100 Вт.

Поступающая в камеру горения газовоздушная смесь сгорает почти полностью, поэтому в ПГ содержание СО примерно 95 мг/м3, оксидов азота - 35 мг/м3. По сравнению с аналогами, работающими по принципу факельного горения, котлы с пульсирующим горением выгодно отличаются небольшими размерами и массой.

Анализ котельной техники малой и средней мощности от отечественных и зарубежных производителей показывает, что наибольшее распространение в настоящее время находят горизонтальные жаротрубные и жарогазотрубные котельные агрегаты для производства пара и горячей воды, основные типы которых приведены на рис. 5.2.

Жаротрубный котел (рис. 5.2, выполняется в виде цилиндра, заполненного водой, внутри которого расположена жаровая труба выполняющая функции топки. Горелка устанавливается в торцовой части жаровой трубы. Передача теплоты от факела и ПГ к стенкам жаровой трубы осуществляется преимущественно путем излучения. Дымовые газы, пройдя жаровую трубу и отдав теплоту воде, направляются через патрубок в дымовую трубу.

В жаротрубном котле на рис. 5.2, жаровая труба имеет U-образную форму. Этим достигается некоторое увеличение поверхности нагрева и необходимое соотношение между длиной и высотой котла.

Интенсификация теплоотдачи от ПГ к поверхностям нагрева достигается в жарогазотрубных котлах, в которых установлены радиационная и конвективная поверхности нагрева. Радиационный теплообмен осуществляется в жаровой трубе таких котлов, а конвективный теплообмен - в трубах небольшого диаметра, через которые с достаточно большой скоростью проходят продукты сжигания топлива. Жаровая труба и конвективная поверхность нагрева в таких котлах, получивших название двухходовые жарогазотрубные, снаружи омываются водой. Разворот ПГ осуществляется в поворотной камере, расположенной за жаровой трубой.

Более глубокое использование теплоты ПГ за счет увеличения времени пребывания газов достигается в трехходовых жарогазотрубных котлах (рис. 5.2, в), в которых газы последовательно проходят жаровую трубу и конвективную поверхность 5, к которой они поступают через две поворотные камеры, расположенные со ответственно за жаровой трубой и в передней крышке, где уста новлена горелка

Известны горизонтальные котельные агрегаты с двумя жаро вы ми трубами, каждая из которых имеет самостоятельное отопление с помощью горелок.

Рис. 5.2. : а - жаротрубный; б - жаротрубный с U-образной жаровой трубой; в - трехходовой жарогазотрубный; г - жаротрубный с двумя жаровыми трубами; д - водо &трубный с змеевиковой поверхностью нагрева; е - жарогазотрубный с инверси онной топкой; 1 - горелка; 2 - жаровая труба; 3 - корпус; 4 - патрубок к дымовой трубе; 5 - конвективная поверхность нагрева; 6 - поверхность нагрева в виде змеевиков; ПГ - продукты горения

Наличие двух жаровых труб 2 (рис. 5.2, позволяет увеличить мощность котельного агрегата, а также более эффективно проводить регулирование его производительности. На малых нагрузках подача топлива на одну из жаровых труб может быть отключена, на средних и больших нагрузках в работе находятся обе жаровые трубы.

В водотрубных конструкциях котельных агрегатов вода находится внутри труб. Так, в котельном агрегате, изображенном на рис. 5.2, поверхность нагрева выполнена в виде змеевиков, образующих жаровую трубу 2 и конвективную поверхность 5.

Большое внимание при разработке современных конструкций котельных агрегатов уделяется снижению выбросов токсичных газообразных оксидов азота. Этого удается достичь при использовании специальных горелок с низкой эмиссией NOX, выборе геометрических характеристик топки, обеспечивающих умеренное значение плотности тепловыделения в топочной камере порядка 0,4...0,6 МВт/м3.

В жарогазотрубных котлах с инверсионной топкой (рис. 5.2, поток ПГ, пройдя топочную камеру, ударяется в заднюю ее стенку, в результате чего разворачивается и движется в обратном направлении к передней стенке, откуда через промежуточную камеру поступает в конвективную часть котла, в которой конвективная поверхность нагрева 5 выполнена из труб малого диаметра. В результате такой организации движения ПГ подмешиваются к факелу, снижая его температуру и тем самым приводя к уменьшению образования термических оксидов азота (оксидов азота, образующихся при высоких температурах).

В настоящее время для умягчения и обессоливания подпиточной воды используются весьма сложные установки, зачастую требующие для своей работы дорогостоящих компонентов. Кроме того, неизбежны штрафные платы и за сбросы солевого концентрата, который губительно влияет на окружающую среду.

Вакуумный водогрейный котел японской фирмы Takuma (рис. 5.3) - это герметичная емкость, наполненная определенным количеством хорошо очищенной воды. Топка котла представляет собой жаровую трубу, находящуюся ниже уровня воды.

Выше уровня воды в паровом пространстве 5 установлены два теплообменника и Один из них (теплообменник 5), включается в отопительный контур, другой (теплообменник - работает в системе горячего водоснабжения.

Благодаря небольшому вакууму, автоматически поддерживаемому внутри котла, вода закипает в нем при температуре ниже обычных 100 °C. Испарившись, она конденсируется на теплообменниках и затем поступает обратно в котел. Так как очищенная вода в процессе эксплуатации никуда не выводится из агрегата, облегчается задача обеспечения необходимого ее количества.

Рис. 5.3. :

1 – предохранительный клапан; 2 - блок автоматического удаления воздуха; 3 - теплообменник отопительного контура; 4 - теплообменник контура горяче го водоснабжения; 5 - паровое пространство котла; 6 - мановакуумметр; 7 дымовая труба; 8 - топка в виде жаровой трубы; 9 - конвективная поверхность нагрева; 10 - вентилятор; 11 - горелка; 12- блок управления; ПГ - продукты горения

Таким образом, снимается проблема химической подготовки котловой воды, качество которой является непременным условием ни дежной и длительной работы котельного агрегата.

Отопительные котлы американской фирмы Teledyne Lears это водотрубные установки с горизонтальным теплообменником из оребренных медных труб. Особенностью таких котлов, полу чивших название гидронные, является возможность исполыови иия их на неподготовленной сетевой воде. В этих котлах обеспе чивается высокая скорость протекания воды через теплообмен пик (более 2 м/с). Таким образом, если вода по своему состииу может вызывать коррозию оборудования, то образующиеся час тицы продуктов коррозии будут откладываться в виде накипи, но только не в теплообменнике котла. В случае использования жесткой воды быстрый поток снизит или предотвратит образование накипи. Необходимость высокой скорости привела разрабогчн ков к решению максимально уменьшить объем водяной части котла, так как в противном случае нужен слишком мощный циркуляционный насос, потребляющий большое количество электроэнергии.

Рис. 5.4. Жарогазотрубный трехходовой паровой котел Universal международной компании LOOS :

1 - импульсы к регулятору давления; 2 - манометр; 3 - люк для осмотра парового пространства котла; 4 - сепаратор пара; 5 - паровой вентиль; 6 - предохранительный клапан; 7 - люк в газоход; 8 - водяной экономайзер; 9 - обводной газоход (байпас) экономайзера; 10 - дымовая заслонка байпаса; 11 - сборная камера продуктов горения; 12 - дренажная труба для конденсата ПГ; 13 - гляделка; 14 - люк в водяное пространство котла; 15 - продувочный кран; 16 - опорная рама; 17 - поворотная камера ПГ; 18 - топка в виде жаровой трубы (топочная камера); 19 - конвективная поверхность нагрева; 20 - тепловая изоляция; 21 - секции для рециркуляции воды; 22 - горелка модулируемого регулирования; 23 - люк в поворотную камеру; 24 - водомерное стекло; ПГ - продукты горения

В последнее время на российском рынке реализуется котельная техника многочисленных зарубежных фирм и совместных российских и иностранных предприятий. На рис. 5.4 приведен жарогазотрубный трехходовой паровой котел Universal международной компании LOOS. Котел имеет топку выполненную в виде жаровой трубы, омываемой с боковых сторон водой. В переднем торце имеется откидывающаяся дверца с двухслойной тепловой изоляцией, в которой установлена горелка модулируемого регулирования. Продукты горения из жаровой трубы поступают к конвективной газотрубной поверхности нагрева совершают двухходовое движение, а затем из сборной камеры ПГ направляются в газоход, где установлен водяной экономайзер Для ре гулирования температуры подогреваемой воды в экономайзере часть газов может проходить мимо водяного экономайзера по об водному газоходу (байпас). Расход газов через водяной экопо майзер регулируется с помощью дымовой заслонки байпаса.

Подвод воды в котел осуществляется по патрубку, располо же иному в верхней части котла, а отвод пара - через паровой вентиль 5. Наружные поверхности котла имеют тепловую изоля цию Осмотр внутреннего состояния парового и водяного про странств котла производится через люки и Для слива кон денсата, образующегося из ПГ, предусмотрена дренажная труба 12. Котел устанавливается на опорную раму

Относительно большой объем топки и, как следствие, невы сокая плотность тепловыделения в топке (0,4... 0,6 МВт/м3) обеспечивают полное сгорание топлива. Благодаря трехходовому движению дымовых газов достигается высокая эффективность ра диационного теплообмена в жаровой трубе и конвективного теп лообмена в газотрубной части котла. Тепловая мощность котлов такого типа 11,2... 29,9 МВт, КПД котла в стандартном исполпе нии 95,9 %.

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

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.

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.

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

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.

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.

Составление режимных карт

Высокоэффективное регулирование