Роль применения теплоутилизатора в повышении эффективности КПД газовой котельной



В статье автор пытается узнать, какую роль составляет применение теплоутилизатора в повышении эффективности КПД газовой котельной.

Ключевые слова: теплоутилизатор, КПД газовой котельной, газовая котельная, эффективность, экологичность, экономичность, котельная установка, глубокая утилизация теплоты.

В последнее время при проектировании тепловых станций наблюдается тенденция к использованию автономных теплогенерирующих агрегатов для систем отопления и горячего водоснабжения. Это повышает эффективность управления в работе, понижает трудоемкость, использование большого количества персонала и имеет другие преимущества [1, 2].

Но одной из важных проблем в проектировании тепловых станций, газовой котельной, в частности, является вопрос повышения эффективности работы котлов.

Максимальный коэффициент полезного действия (далее — КПД) нормального котельного агрегата, рассчитанный по более высокой (полной) теплотворной способности топлива, колеблется в пределах 78–85 %. Удельные тепловые потери котельного агрегата, рассчитанные из более высокой (полной) теплотворной способности топлива, обычно составляют 15–22 %, в том числе:

– тепловые потери с уходящими дымовыми газами до 18 %;

– потери, связанные с неполным сгоранием топлива-1–2 %;

– потери в окружающую среду, связанные с несовершенством теплоизоляции -2–3 % [3, 4].

Для повышения эффективности систем отопления были разработаны и выпускаются промышленностью газовые котельные установки с оснащенными теплоутилизаторами. В основном, в качестве теплоутилизатора используется конденсационный теплообменник, который отводит дополнительное тепло от газов сгорания, охлаждая их и частично конденсируя водяной пар. Стоимость конденсационного газового агрегата такой же мощности в норме в 1,5–2 раза выше, чем обычного. Максимальная эффективность, заявленная производителями, достигает 97 %. Однако поскольку охлаждение дымовых газов в конденсационных газовых агрегатах осуществляется обратным теплоносителем, то количество дополнительно отводимого тепла, а также общая производительность всей установки будут зависеть от температуры теплоносителя. Чем выше температура теплоносителя, поступающего из обратного трубопровода, тем выше КПД при прочих равных условиях. Температура обратного теплоносителя непостоянна. Она может изменяться в диапазоне от 22 до 60 °C и зависит от типа отопительной системы, режима работы и температуры окружающей среды. Управление системой отопления обычно зависит от погодных условий, т. е. температура теплоносителя, подаваемого в систему отопления, изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Следовательно, изменится и температура теплоносителя, поступающего из обратного трубопровода, а вместе с ней изменится и общая производительность котельного агрегата и всей системы в целом. В связи с этим заявленные производителями максимальные значения КПД таких котлов могут быть достигнуты не во всех режимах реальной эксплуатации [5–8].

Аналогичным способом, решением повышения эффективности работы котлов газовой котельной без оснащенных теплоутилизаторов, является объединение котла и теплоутилизационных устройств в единую замкнутую систему «котел — теплоутилизатор», позволяющую (производящую) глубокую утилизацию теплоты уходящих из котлов в окружающую среду продуктов сгорания газообразного топлива. Принципиальная схема «котел — теплоутилизатор» представлена ниже рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема «котел — теплоутилизатор»

Повышение производительности теплогенерирующих систем вследствие максимальной утилизации теплоты и использования в схемах теплоснабжения является актуальным вопросом, решение которого обеспечит вероятность выработать продуктивные термические схемы и групповые индустриальные постановления и в модульных газовых котельных [2, 9, 10].

Так как наступивший XXI век является не только веком сбережения и оптимального использования ресурсов, но и веком повышенного внимания к улучшению воздействий тепловых станций, теплоэнергетических объектов на окружающую среду, то роль применения теплоутилизатора в котельных установках (в частности), в решении данной задачи также является очень высокой (существенной).

Самыми основными и важными требованиями для современных и иных распространенных котлов в XXI веке являются максимальная эффективность, наибольшая экономичность, высочайшая экологическая безопасность и возможность использования несколько видов топлива (многотопливность), другими словами способность (возможность) обеспечения надежной и экономичной работы со всеми видами углеводородного топлива (уголь, мазут, дизельное топливо, биологическое топливо, сланцевое топливо и природный газ) и горючих на их основе (топливных консистенциях, суспензиях, эмульсиях и нефтяных отходах), не загрязняя при всем этом окружающую среду.

Упомянем о том, что действующие в Российской Федерации санитарные нормы и правила (СНиПы) предусматривают эксплуатацию стационарных котельных только на двух видах топлива — главном (основном) (например, природном газе) и запасном (резервном) (мазуте или угле), другими словами отопление котлов только двумя видами топлива предусмотрено в нашей стране нормативными актами.

Одним из направлений дальнейшей модернизации котлов в XXI в. может стать развитие и улучшение таких необходимых эксплуатационных параметров, как «экологичность», «экономичность» и «многотопливность».

В свою очередь, хорошо известно, что ресурсы, которые не используются по своему прямому назначению, или их излишки, не участвующие в эксплуатации, в какой-то момент становятся отходами и загрязняют окружающую среду. Определенно, что более рациональное применение ресурсов увеличивает экологичность сжигающей топливо установки, и в то же время повышает экономичность функционирования установки. В следствии этого, можно сделать вывод, что экологичность котельных установок непринужденно связана с их экономичностью или, говоря другими словами, экологичность и экономичность являются «двумя сторонами одной медали».

Не заключительную роль в обеспечении экологической безопасности котельного устройства занимает организация сгорания углеводородного сырья в топке котла, которая, в свою очередь, определяется не только видом сжигаемого топлива и технологией его подготовки к процессу горения, но и конструктивными особенностями исполнения топливной и воздухоподающей систем котельного устройства, обеспечивающим качественно-количественные характеристики компонентов и их соотношение в подаваемой на горение горючей смеси, степень равномерного распределения топлива по объему воздуха, параметры топочного факела (длина, ширина, объем, светимость и др.) и, в конечном итоге, полноту и качество процесса сгорания.

В качестве показателей экономичности котельных установок берется расход ресурса (топлива, воздуха или воды), затраченный на получение единицы энергии, отнесенный ко времени или к количеству выработанной энергии.

Нет сомнений, что показатели экологичности и экономичности котельных установок можно улучшить при улучшении их топливной и воздухоподающей систем, на основе реализации новых технологических процессов подготовки воздуха, топлива, приготовления горючей смеси и ее подачи в топку котла на сжигание.

На сегодняшний момент, многотопливность котлов достигается за счет обеспеченностью оборудованиями котельных несколькими системами топлива, каждая из которых может подать только один вид горючего, на котором должна функционировать котельная установка. Системы, которые обслуживают котельную установку, такие как подающая воздух система, топливная система, трубная система (или поверхности нагрева), имеют отличительные конструкции к способности сжигания всех используемых углеводородных топлив с различной теплотворной способностью [11–13].

СНиПы предусматривают котельным установкам иметь в своем обеспечении не менее двух топливных систем, одна из которых будет являться главной (основной), и вторая — запасной (резервной). Но в настоящий момент, данное требование нормативно-технических документов не исполняется в многочисленных случаях, ведь даже поддержание в состоянии немедленного пуска, а тем более в горячем резерве второй топливной системы является невыгодным экономически, в наибольшей степени для собственников частных котельных из-за снижения определенного количества (продаваемого) товара (горячей воды или пара), поскольку часть его используется в обеспечении горячего резерва или пускового режима второй топливной системы котла.

Общеизвестно, что уже на протяжении более ста семидесяти лет топливовоздушная горючая смесь сжигается в котлах. Пройдя свой путь от угольно-воздушной через мазутно-воздушную и дизтопливно-воздушную до газо-воздушной за обозначенное время она так и осталась фактически без изменений.

К распространенным недостаткам топливовоздушной горючей смеси относятся первичность топлива и вторичность воздуха при ее приготовлении, а также невозможность получения оптимального соотношения горючего и окислителя в ней. Это означает, что основой топливовоздушной горючей смеси является топливо, давлением (расходом) которого изменяют (увеличивают или уменьшают) режимы функционирования котла, а воздух при этом выполняет вторичную роль. Горючая (топливовоздушная) смесь в настоящее время готовится непосредственно в топке котла перед зоной горения, что неизменно приводит к приготовлению обедненной и обогащенной смеси со всеми вытекающими последствиями. В начале зоны горения, как общеизвестно, приготавливается обедненная (с преобладанием воздуха) горючая смесь, а в конце зоны горения — обогащенная (с преобладанием топлива) горючая смесь, и, как следствие, в окружающую среду в составе дымовых уходящих газов выбрасываются продукты пиролиза (бескислородного горения топлива), что приводит к ее загрязнению [11, 13, 14].

Во всех случаях функционирование котла на топливовоздушной горючей смеси всегда приводит к перерасходу топлива, что означает, к снижению экологической чистоты (безопасности) установки в целом.

Атмосферный воздух, который при сжигании обедненной топливно-воздушной горючей смеси доставляется в топку поверх нормативного значения, моментально нагревается и перегревается, и расходуется дополнительное топливо, которое будет являться в данном моменте «лишним», количество его может достигать отметки до 15 % от расхода топлива на котел. Бесспорно, что «избытки» воздуха и «лишнее» топливо — это взаимосвязанный между собой прямой перерасход потребляемых ресурсов: большему коэффициенту расхода воздуха соответствует больший перерасход топлива, и также наоборот.

Сжигание обогащенной топливно-воздушной горючей смеси сопровождается нехваткой атмосферного воздуха, который необходим для полного окисления топлива, что приводит далее к разложению углеводородов топлива без кислорода при высокой температуре и, как следствие, к выбросу продуктов пиролиза (термически преобразованных углеводородов) в окружающую среду. Понятен тот факт, что наличие в дымовых уходящих газах пусть термически преобразованных, но все же углеводородов также можно смело отнести к перерасходу исходного топлива [3, 13, 15].

Несомненно, температура уходящих газов, является ключевым параметром, определяющим коэффициент полезного действия (КПД) котельного агрегата. Большую составляющую часть тепловых потерь является тепло, теряемое с уходящими газами (совместно с потерями тепла от химического и механического недожога топлива, потерями с физическим теплом шлаков, а также утечек тепла в окружающую среду вследствие наружного охлаждения). Данные потери определяют решающее влияние на экономичность функционирования котла, снижая (уменьшая) его эффективность, КПД. В результате, мы понимаем, что чем ниже температура дымовых газов, тем выше эффективность котла [3, 16, 17].

Объединение котла и теплоутилизационных устройств в единую замкнутую систему «котел — теплоутилизатор» позволяет использовать нагретый воздух в качестве нагревательной среды, что позволяет повысить эффективность сжигания топлива, при том условии, если сохранить расход топлива на таком же уровне. Это позволяет решить вышеперечисленные проблемы. При этом необходимо оценивать эффективность утилизации теплоты по повышению КПД системы и дополнительной выработке теплотехнической продукции (воздуха, воды, конденсата).

Таким образом, подводя итоги исследований, можно смело сказать о том, что роль применения теплоутилизатора в повышении эффективности КПД газовой котельной является весьма существенной. Впоследствии применения теплоутилизатора наблюдается:

– энергосбережение — максимально полное и полезное использование тепла дымовых газов (а также скрытой теплоты конденсации водяных паров);

– положительная экологическая составляющая (снижение объёма выбросов оксидов азота NOx и углерода CO в окружающую среду);

– получение дополнительного ресурса — очищенной воды (который станет полезным практически на любом предприятии, в качестве подпитки теплосети (например) и других водяных контуров).

Литература:

1. Яновский Ф. Б., Михайлова С. А. Энергетическая стратегия и развитие теплоснабжения в России // Энергосбережение. — 2003. — № 6. — С. 26–32.
2. Сорокин Р. В. Тепловая и экономическая эффективности модульных котельных систем децентрализованного теплоснабжения: дис.... канд. техн. наук, Воронеж, 2004. — 139 с.
3. Малков Е. С. Оценка величины потери теплоты с химическим недожогом в камере сжигания дополнительного топлива // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. — 2014. — № 1. — С. 10–15.
4. Артемов И. Н., Артемова Е. А. Наиболее полное использование теплоты уходящих газов котлоагрегатов // Международная научнотехническая конференция. «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы». — 2014. — С. 126–129.
5. Беспалов В. В. Технологии глубокой утилизации тепла дымовых газов // Энергетика Татарстана. — 2015. — № 2 (38). — С. 32–36.
6. Баскаков А. П., Мунц В. А., Филипповский Н. Ф., Черепанова Е. В. Реальные возможности повышения энергетической эффективности газовых отопительных котельных // Промышленная энергетика. — 2005. — № 9. — С. 22–26.
7. Аронов, И. З. Использование тепла уходящих газов газифицированных котельных. — М.: Энергия, 1967. — 192 с.
8. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — 5-е. — М.: Атомиздат, 1979. — С. 389–416.
9. Кальметова А. Г., Кулешов О. Ю. Энергоэффективные проектные решения котельных с глубокой утилизацией теплоты дымовых газов // Математические методы в технике и технологиях. — 2014. — № 13. — С. 117–129.
10. Фиалко Н. М., Шеренковский Ю. В., Степанова А. И. Эффективность систем утилизации теплоты отходящих газов энергетических установок различного типа // Промышленная теплотехника. — 2008. — № 3. — С. 68–76.
11. Внуков А. К. Защита атмосферы от вредных выбросов энергообъектов. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 176 с.
12. Зарипов В. К., Гершуни А. Н. Высокоэффективный компактный теплообменник утилизатор на тепловых трубах // Промышленная энергетика. — 1989. — № 8. — С. 37–39.
13. Котельные установки XXI века: перспективы развития // Энергетика и промышленность России. URL: https://www.eprussia.ru/teploenergetika/40/9938260.htm
14. Михеев М. А. Основы теплопередачи. — М.: Госэнергоиздат, 1956. — 392 с.
15. Петрикеева Н. А., Кузнецов С. Н. Экологический эффект при полном сгорании топлива в котельных установках // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. — 2013. — № 1 (29). — С. 108–113.
16. Утилизация тепла дымовых газов: экология с выгодой // Хабр. URL: https://habr.com/ru/company/lanit/blog/460419/
17. Ведрученко В. Р., Жданов Н. В., Лазарев Е. С. Снижение температуры уходящих газов котлоагрегатов — основной путь повышения эффективности топливоиспользования в котельных установках // Материалы научной конференции «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте». — Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2015. — С. 260–269.