К.т.н. Б.Я. Каменецкий, ведущий научный сотрудник, ВИЭСХ, г. Москва
(публикуется в порядке обсуждения)
Большую часть времени года (и даже зимой) отопительные котельные работают с частичной (неполной) нагрузкой. При этом нагрузка (мощность) котельной, определяемая потреблением тепла, может снижаться в несколько раз.
О величине провала нагрузки котельной относительно номинальной мощности можно судить по данным рис. 1, на котором показано изменение в течение года среднемесячной выработки тепловой энергии, расхода воды ГВС и суточного расхода газа в отопительно-производственной котельной одного из подмосковных городов. Из графиков следует, что тепловая нагрузка в летние месяцы снижается в 12 раз относительно декабря. Более того, суточное изменение нагрузки с ночными провалами приводит к еще большему снижению тепловой нагрузки.
Такая ситуация является типичной для многих регионов России.
В данных условиях появляется возможность существенной экономии топлива. Эта возможность связана с зависимостью КПД котлов от тепловой нагрузки. На рис. 2 представлено влияние нагрузки на КПД отопительных котлов, работающих на твердом топливе, полученное по данным многочисленных испытаний, проведенных в НИИ сантехники (г. Москва) с участием автора.
Котлы со слоевыми топками испытывали при четырех-пяти нагрузках на грохоченном каменном угле марки 2СС Кузнецкого месторождения. Уголь забрасывали в топку равными порциями через каждые 10 мин, а длительность одного опыта составляла 8 ч. КПД котлов определяли по прямому тепловому балансу. С увеличением тепловой нагрузки основные потери теплоты -потери с уходящими газами и потери от химического недожога монотонно росли, а потери от механического недожога в шлаке и потери в окружающую среду снижались.
Результаты испытаний демонстрируют существенное снижение КПД всех котлов с увеличением тепловой нагрузки. Такой же характер снижения КПД с нагрузкой зафиксирован и для котлов, работающих на газообразном топливе. Это позволяет сделать вывод о том, что котлы целесообразно эксплуатировать при низких нагрузках, для чего в котельных необходимо держать в работе все или несколько котлов даже в периоды неполных нагрузок, несмотря на то, что их можно покрыть меньшим количеством котлов.
Полученные результаты дают возможность определить оптимальный с точки зрения экономии топлива порядок включения и загрузки котлов при неполной нагрузке котельной. Критерием оптимального режима работы котельной служит минимум суммарного расхода топлива.
Рассмотрим, в качестве примера, котельную номинальной тепловой мощностью N0=3 МВт, в которой установлены четыре котла «Энергия-3» на твердом топливе мощностью по 0,75 МВт каждый. Расход топлива (каменного угля) в зависимости от тепловой нагрузки для таких котлов показан на рис. 3. Лишь при полной нагрузке котельной, равной 3 МВт, необходима работа всех четырех котлов с номинальной мощностью. При нагрузке котельной, равной N=1/4N0=0,75 МВт, ее можно обеспечить работой одного, двух, трех или четырех котлов. При нагрузке котельной, равной 1/2N0=1,5 МВт, ее можно обеспечить работой двух, трех или четырех котлов. Суммарный расход топлива в этих режимах показан на рис. 4, откуда следует, что расход топлива меньше при работе всех котлов, по сравнению с вариантом, когда нагрузка обеспечивается за счет работы меньшего количества котлов. Например, при N=2,25 МВт и работе четырех котлов с равной нагрузкой экономия топлива составит 48 кг/ч по сравнению с режимом, когда работают три котла с полной нагрузкой. Эта экономия эквивалентна повышению КПД котлов на 12%. Если суммарная продолжительность таких режимов работы будет 3000 ч/год, то годовая экономия топлива составит около 140 т. При этом объем работ у обслуживающего персонала котельной (кочегаров) не увеличится, поскольку количество забрасываемого в топки угля уменьшится, а чистку колосниковых решеток можно проводить реже, в соответствии с объемом загружаемого топлива.
Если в котельной установлены котлы разных типов или типоразмеров, то кажется логичным включать в работу и загружать в первую очередь более экономичные котлы. Однако, как показали расчеты, и в этом случае выгодно загружать все
котлы. Это связано с тем, что при низкой нагрузке КПД менее эффективного котла оказывается выше, чем КПД более эффективного котла, работающего с высокой нагрузкой. Так, например, для случая совместной установки в котельной котлов «Универсал-6» (менее экономичный) и «Энергия-3» (более экономичный) результаты расчета суммарного расхода угля показаны на рис. 5 в зависимости от доли нагрузки котла «Универсал-6» по отношению к общей нагрузке котельной. Оптимальное распределение нагрузки между двумя котлами в этом случае соответствует нагрузке котла «Универсал-6», равной около 30% от общей нагрузки котельной.
Расход электроэнергии на собственные нужды (дымосос, дутьевой вентилятор, питательный насос) также снизится, поскольку мощность двигателей Q пропорциональна произведению расхода среды ? на величину напора H, а напор, в свою очередь, пропорционален расходу во второй степени: Q??.H??.?2=?3. Если в котельной с нагрузкой N и расходом среды ? параллельно работает n котлов одинаковой мощности N/n, то расход среды через один котел равен ?/n, а суммарная мощность двигателей: ?Q?n.(?/n)3=?3/n2. В результате, несмотря на увеличение количества работающих котлов, расходы на собственные нужды котельной снизятся.