Д.т.н. И.И. Стриха, профессор, главный научный сотрудник,
РУП «БелТЭИ», г. Минск, Республика Беларусь
(по материалам журнала «Энергия и менеджмент»)
При разработке программ энергосбережения в котельных может быть использован представленный ниже перечень и данные об ожидаемой экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) основных энергосберегающих мероприятий.
Энергетическая эффективность работы котельных
В состав предприятий ГПО «Белэнерго» (Республика Беларусь) входят 35 районных котельных (РК) с паровыми котлами средней мощности (98 шт.) суммарной производительностью 1992,4 т/ч и водогрейными (118 шт.) суммарной тепловой мощностью 7117 Гкал/ч. В структуре водогрейных котлов преобладают котлы номинальной единичной мощностью 50 и 100 Гкал/ч.
При проектировании предусматривалось использование котлов РК в качестве базовых, пиковых или резервных источников теплоты. Однако сложившиеся в настоящее время условия эксплуатации котлов в системах теплоснабжения отличаются от проектных. В частности, ряд РК имеют низкие значения коэффициентов использования установленной тепловой мощности, что должно учитываться при реализации энергосберегающих и экологических мероприятий, причем, дорогостоящие мероприятия необходимо внедрять в первую очередь на базовых котельных.
Энергетическая эффективность работы котельных обычно оценивается по значениям КПД котлов с учетом потерь топлива и теплоты при ее производстве и отпуске, а также затрат электроэнергии на привод механизмов и другие нужды, определяемых по данным приборов контроля и учета расхода ТЭР. При решении задач повышения эффективности использования ТЭР в котельной серьезное внимание должно уделяться организации работ по реализации программ энергосбережения, повышению квалификации обслуживающего персонала и внедрению систем стимулирования экономии ТЭР.
По отдельным РК областных объединений допускаются существенные различия в уровнях эффективности использования топлива. В частности, при работе практически только на природном газе удельный расход топлива (УРТ) на отпуск теплоты изменялся в широком диапазоне — 154,91-199,7 кгу.т./Гкал. Аналогичная ситуация сложилась в РУП «Гомельэнерго» (155,98-185,77 кг у.т./Гкал) и «Гродноэнерго» (156,45-174,24 кгу.т./Гкал).
Различная экономичность работы котельных в значительной степени может быть объяснена недостаточной их загрузкой. Средний коэффициент использования установленной мощности РК в целом по ГПО «Белэнерго» — 9,1%. Наименьшее значение этого показателя в РУП «Гродноэнерго» (3,4%), наибольшее — в РУП «Брестэнерго» (10,7%).
Анализ отчетных данных ГПО «Белэнерго» об УРТ на отпуск тепловой энергии и данных об экономичности работы котлов РК дает основание считать, что по этим показателям они не уступают зарубежным аналогам, причем, на отдельных РК КПД «брутто» котлов достигли уровня предельных значений, что ограничивает возможности дальнейшей экономии топлива. В то же время затраты ТЭР на собственные нужды котельных достаточно высоки и даже для однотипного оборудования значительно различаются между собой.
При оценке потенциала энергосбережения в РК принимались минимально возможные неизбежные потери теплоты в котлах с уходящими газами, с химическим недожогом и в окружающую среду. Для неконденсационных современных котлов минимально возможные значения перечисленных показателей при генерации теплоты, соответственно, равны 5,5-6,5; 0,05; 1-1,5%.
Суммарные минимально возможные потери для котлов РК находятся в пределах 6,6-8,1%. При таких значениях потерь КПД «брутто» котлов должны составлять 91,9-93,4%, что соответствует УРТ на выработку тепловой энергии 155,36-152,87 кгу.т./Гкал. С учетом расхода теплоты на собственные нужды котельной 2-2,5% (при работе на природном газе) суммарные минимально возможные потери теплоты в РК составят 8,6-10,6%, что соответствует значениям УРТ на отпуск теплоты 156,21 -159,71 кг у.т./Гкал (для сопоставлений с достигнутыми показателями в РК ГПО «Белэнерго» можно принять среднее значение — 157,96 кгу.т./Гкал).
Для таких же котельных, имеющих резервное топливо — мазут, суммарные минимально возможные потери должны быть выше не менее чем на 1%.
Сопоставление расчетных и достигнутых (отчетных) в ГПО «Белэнерго» в 2006 г. величин удельных расходов показало, что потенциал энергосбережения в котельных с существующими типами котлов не превышает 2,2% общего топливопотребления, или примерно 23 тыс. т у.т. в год. В то же время, по отчетным данным некоторых РК («Брестэнерго», «Витебскэнерго», «Минскэнер-го»), возможности и резервы традиционно реализуемыми мероприятиями дальнейшего снижения УРТ практически исчерпаны. Однако, в действительности (по результатам проведенных энергообследований) значения фактических УРТ на отпуск теплоты от котельных отличаются от отчетных. Это обусловлено, главным образом, несовершенством организации учета отпуска теплоты и невозможностью оперативного принятия решения по обеспечению требуемых эксплуатационных режимов котлов.
Для РК составляются энергетические характеристики оборудования, предназначенные для эксплуатации и нормирования расходов ТЭР, выполняются режимно-наладочные испытания с определением технико-экономических показателей котлов. Однако утверждаемые нормы удельных расходов ТЭР на отпуск теплоты от котельных не всегда согласуются с результатами испытаний.
Необходимо отметить, что учет отпуска теплоты котельной осуществляется на границе раздела «котельная — тепловые сети». Теплопотери в трубопроводах теплосетей, как правило, определяются расчетным путем без учета реального состояния трубопроводов, что обусловливает недостаточную достоверность определения количества теплоты, отпущенного РК.
Максимальные потери теплоты при транспорте в тепловых сетях с традиционной конструкцией прокладки трубопроводов (канальной с теплоизоляцией из минеральной ваты) не превышают 12%. В тепловых сетях ГПО «Белэнерго» этот показатель находится на уровне 9-10%. При использовании в тепловых сетях бесканальной прокладки предизолированныхтруб с пенополиуретановой изоляцией потери теплоты могут быть снижены в 2 раза и не превышать 5-8%.
Исходя из этого, можно считать, что потенциал энергосбережения при транспорте теплоты от РК находится на уровне 3,5% от общего теплопотребления, или 37,6 тыс. т у.т./год, а общий потенциал энергосбережения при теплоснабжении от РК с учетом снижения потерь в тепловых сетях составит 5,7%.
Достижение более высоких технико-экономических показателей возможно путем реализации энергосберегающих мероприятий, направленных как на совершенствование условий эксплуатации котлов, так и на реконструкцию котельных на основе передовых технологий.
Основные мероприятия
Для РК актуальными являются следующие мероприятия:
¦ применение горелочных устройств, обеспечивающих низкий выход оксидов азота и других токсичных компонентов;
¦ внедрение эффективной и надежной автоматики регулирования и защиты котлоагрегатов, вспомогательного и общекотельного оборудования;
¦ внедрение автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами производства и отпуска теплоты, учета потребления топлива и электроэнергии, отпуска тепловой энергии потребителям на базе современной микропроцессорной техники;
¦ корректировка управления процессами горения топлива по оптимальной сумме потерь теплоты с химическим недожогом и уходящими газами на основе внедрения регулируемого электропривода тягодутьевых машин;
¦ применение современных технологий химической подготовки подпиточной, сетевой и котловой воды;
¦ внедрение высокоэффективной технологии приготовления и сжигания в топках котлов водомазутных эмульсий, позволяющей сжигать высоковязкие и некондиционные обводненные мазуты;
¦ внедрение электронасосных установок с широким диапазоном рабочих характеристик и применением регулируемого электропривода;
¦ оборудование котельных эффективными утилизаторами теплоты уходящих дымовых газов, сбрасываемых потоков воды, пара и конденсата.
На современном этапе развития энергетики перспективным направлением в техническом перевооружении базовых РК является переоборудование их в мини-ТЭЦ для комбинированного производства тепловой и электрической энергии за счет надстройки газотурбинными или паротурбинными установками. Это направление успешно реализовано на ряде РК ГПО «Белэнерго», где уже получено реальное снижение суммарного расхода топлива на производство и отпуск тепловой и электрической энергии.
Ниже рассмотрены возможности повышения эффективности эксплуатации РК и реализации потенциала энергосбережения за счет внедрения технических решений по отдельным направлениям и участкам.
Мазутное хозяйство. При работе РК на природном газе резервное топливо (мазут) должно поддерживаться в состоянии готовности к его использованию, на что расходуется значительное количество теплоты. Особенностью работы мазутных хозяйств котельных является неопределенность по времени потребления мазута, который может использоваться только при ограничении подачи природного газа. Такие ситуации случаются крайне редко, а в последние годы на РК ГПО «Белэнерго» вообще отсутствовали. Однако мазутное хозяйство все равно должно поддерживаться в работоспособном состоянии. Это достигается за счет работы насосно-циркуляционной системы подачи мазута и подогрева его паром до требуемой температуры от установленных для этой цели паровых котлов.
В условиях наметившейся устойчивой тенденции поставок высоковязких мазутов с повышенным содержанием в них асфальто-смолистых веществ и парафинов усложняется их перекачка и самотечное движение по трубопроводам.
При подогреве высоковязкого мазута до 70-80 ОС происходит расслоение отдельных фракционных групп, образование различных агломератов и выпадение их в осадок.
При повышении температуры нагрева мазута процессы образования и осаждения грубодисперсных частиц ускоряются с интенсификацией процессов коррозионного повреждения трубной системы, подогревателей и резервуаров. В условиях длительного хранения мазута (без его обновления и при периодическом подогреве) происходит ухудшение его свойств из-за полимеризации углеводородных и окисления неуглеродных компонентов. Несмотря на циркуляцию, при подогреве мазута в нижней части мазутных резервуаров образуется высоковязкий слой. Это может создать определенные трудности включения в работу мазутного хозяйства и использования мазута в качестве резервного топлива котельной при форс-мажорных обстоятельствах, например, при аварийном отключении природного газа или снижении его давления. Для поддержания в работоспособном состоянии системы мазутного хозяйства целесообразно периодически проводить его производственные опробования (тренировки), особенно в холодные периоды года.
Современные технологии подготовки низкосортных некондиционных высоковязких мазутов направлены на поддержание стабильного их состояния и состава (равномерная обводненность, однородность и т.п.) и снижения тепловых потерь. При этом предусматривается холодное хранение мазута в резервных емкостях и при температуре его застывания с выделением незначительного локального прогретого объема.
Для улучшения экологических показателей работы котельных, а также с целью использования замазученных сточных вод и обводненных мазутов в РК целесообразно организовать подготовку и сжигание водомазутных эмульсий.
Химводоочистка.
В котельных не всегда соблюдается водно-химический режим водогрейных котлов и тепловых сетей. Жесткость сетевой воды и в контуре котлов превышает допустимые значения. Это происходит не только вследствие неудовлетворительной работы ХВО, но и из-за попадания воды в теплосеть от установок потребителей. Такие режимы приводят к преждевременному выходу из строя трубопроводов и поверхностей нагрева котлов. Доведение жесткости сетевой воды до нормативных значений компенсацией утечек подпиточной водой требует в эксплуатационных условиях длительного времени.
На многих объектах ГПО «Белэнерго» проводятся испытания работы паровых и водогрейных котлов на предмет коррозии и накипеобра-зования в водяном тракте при обработке воды реагентом, содержащим фосфонаты и акрилаты. При применении таких реагентов удалось существенно снизить количество и изменить химический состав солевых отложений на поверхностях нагрева котлов и облегчить их удаление с помощью продувок. Показано, что при использовании фосфонатов можно будет отказаться от водоподготовки подпиточной воды. Это позволит сократить эксплуатационные расходы на теплоснабжение объектов без снижения надежности тепловых сетей.
В условиях незначительной загрузки паровых и водогрейных котлов актуальным является применение эффективных способов консервации тепломеханического оборудования. Одним из эффективных мероприятий по консервации поверхностей водяного тракта является аминный (хеламинный) водный режим. Следует отметить, что для консервации котлов РК в системе предприятий ГПО «Белэнерго» не проводится единая техническая политика.
В соответствии с правилами технической эксплуатации тепловых сетей систем отопления и горячего водоснабжения, должен быть организован и постоянно осуществляться контроль качества сетевой и подпиточной воды. Их основными контролируемыми показателями являются жесткость, щелочность, содержание кислорода и железа. В результате несоблюдения водно-химического режима тепловых сетей происходит коррозия трубопроводов, на поверхностях нагрева сетевых подогревателей образуются отложения, которые приводят к ухудшению процессов теплообмена и дополнительному расходу тепловой энергии. Кроме того, загрязнение сетевой воды отложениями и продуктами коррозии обусловливает увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов и теплообменников, что приводит к росту потребления электроэнергии на транспорт тепловой энергии (может превышать в несколько раз проектные значения). Для защиты и пассивации поверхностей нагрева теплообменников и трубопроводов тепловых сетей можно применять поверхностно-активные вещества, с помощью которых удаляются отложения и продукты коррозии без повреждений защитных пленок. Для контроля степени загрязненности поверхностей нагрева сетевых подогревателей и трубопроводов следует периодически определять их приведенное гидравлическое сопротивление при расчетных и фактических значениях расходов сетевой воды и соответствующих давлениях.
Тепловые сети.
Значительная экономия ТЭР может быть получена за счет сокращения потерь в тепловых сетях через теплоизоляцию и с утечками теплоносителя. При длительной эксплуатации трубопроводов, их внутренней и наружной коррозии происходит разрушение стенок трубопроводов и увеличиваются утечки теплоносителя. Кроме того, теплопроводность изоляционного материала из-за увлажнения и разрушения увеличивается, что приводит к росту тепловых потерь. Для снижения этих потерь необходимо организовать своевременное проведение диагностики состояния трубопроводов современными инструментальными методами без вскрытия теплотрасс, регулярно производить тепловые испытания с целью определения фактических тепловых потерь и реального состояния трубопроводов, выявления и оперативного устранения нарушений, а также планирования ремонтов тепловых сетей и оборудования систем теплоснабжения.
Электроприводы.
Снижение не менее чем на 15-20% расхода электроэнергии сетевыми насосами при поддержании расчетных значений перепада давления и расхода воды в сети может быть достигнуто и при существующем состоянии оборудования тепловых сетей.
Экономия электроэнергии, затрачиваемой на привод насосов и тягодутьевых установок РК, может быть получена от следующих мероприятий, не требующих значительных капитальных затрат:
¦ приведение в соответствие напорной характеристики насосов (дымососов, вентиляторов)
и сопротивления водяного (газо-воздушного) тракта (экономия электроэнергии — до 20%);
¦ осуществление регулирования производительности сетевых насосов на всасывающем патрубке вместо регулирования на напорном (экономия электроэнергии — 10-15%);
¦ систематическая проверка плотности (герметичности) подсоединений воздуховодов к вентиляторам (дымососам).
В последние годы на промышленных предприятиях и энергообъектах на оборудовании с переменным режимом работы широко применяется регулируемый электропривод (РЭП), позволяющий сократить электропотребление на 15-40%, в зависимости от условий эксплуатации. Внедрение РЭП рассматривается как эффективное энергосберегающее мероприятие и для РК — для приводов насосов, вентиляторов и дымососов котлов, вентиляционных установок. Однако решение о применении РЭП следует принимать по результатам технико-экономического обоснования.
Контактные теплообменники.
Для подогрева подпиточной, химочищенной, обратной сетевой воды, а также для воздуха после дутьевого вентилятора могут использоваться контактные теплообменники с активной насадкой (КТАН). На некоторых РК ранее были установлены КТАН для утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров дымовых газов, но они практически не использовались и достоверной информации об эффективности их работы в настоящее время нет.
В последние годы проявляется интерес к переводу котлов, работающих на природном газе, в режим с конденсацией водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Котлы такого типа имеют КПД на 8-10% выше традиционных и широко применяются в системах теплоснабжения ряда зарубежных стран. Здесь необходимо отметить работы РУП «БелТЭИ» в этом направлении — разработку и испытания контактного водонагревателя с УРТ 143-148 кгу.т./Гкал.
Заключение
Следует отметить, что эффективность топливоиспользования на РК может быть повышена при внедрении в эксплуатацию средств технической диагностики состояния отдельных узлов котлоагрегатов и тепловых сетей, при оптимизации топочных режимов, режимов работы основного и вспомогательного оборудования, а также путем совершенствования метрологического обеспечения средств измерений технологических параметров.
Основной резерв повышения экономичности паровых и водогрейных котлов — в снижении потерь теплоты с уходящими газами. Направления работ по сокращению этих потерь общеизвестны и заключаются, главным образом, в поддержании оптимальных значений коэффициента избытка воздуха по газовому тракту котлов за счет снижения присосов воздуха, своевременной очистки внутренних и наружных поверхностей нагрева от загрязнений. Экономичная работа котельных установок зависит от соблюдения оптимальных режимов эксплуатации и обеспечения расчетных значений технологических параметров.
Перечень и данные об ожидаемой экономии ТЭР основных энергосберегающих мероприятий при эксплуатации котлов приведены в таблице. Эти сведения могут быть использованы при разработке программ энергосбережения в котельных.
Для решения задач энергосбережения в котельных необходимо совершенствовать систему информационного обеспечения предприятий отрасли в вопросах повышения экономичности работы РК. В проектах реконструкции и модернизации РК необходимо предусматривать использование изобретений и патентов с материальным и моральным стимулированием их авторов и предприятий, использующих эти изобретения.
Для выполнения первоочередных задач по рациональному использованию ТЭР нужно создать условия формирования и функционирования механизма экономической мотивации энергосбережения при эксплуатации энергетических объектов, в т.ч. и РК.