Повышение коэффициента полезного действия котельных.

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.

(13.1)

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[13].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 1м³ на­садки (для колец 25X25 мм эта площадь составляет ≈205м²).

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/(м²∙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[13]

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 q₅уменьшаются, а удельные потери, с уходящими газами q₂, химическим недожогом q₃ и механическим q₄ недожогом увеличиваются. Сначала снижение потерь q₅больше увеличения потерь q_{2 +} q₃ + q₄ и КПД котла возрастает, но затем потери q_{2 +} q₃ + q₄ растут скорее, чем снижа­ется q₅ ,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.