К.т.н. А.Жигурс, председатель правления,
А. Церс, член правления, АО «Ригас Силтумс»;
Ю. Голуновс, руководитель информационного
центра энергоэффективности, Рижское агентство энергетики;
д.т.н. Д. Турлайс, профессор кафедры теплоэнергетических систем,
Рижский технический университет;
С. Плискачев, инженер-теплотехник, АО «Ригас Силтумс», г. Рига, Латвия
Введение
За последние 15 лет АО «Ригас Силтумс» была проведена большая работа по приведению в порядок и реабилитации системы теплоснабженияг. Риги. Продолжая ранее начатую АО «Ригас Силтумс» программу модернизации, привлечены необходимые инвестиции, в результате чего на ряде теплоисточников были реализованы технические решения по утилизации тепла уходящих газов за счет установки конденсационных экономайзеров, что позволило повысить энергоэффективность теплоэнергетических агрегатов. Работа над проектом началась 1 ноября 2009 г, партнерами по его реализации выступили Рижское агентство энергетики и АО «Ригас Силтумс». На крупной котельной (далее — теплоцентраль — ТЦ) «Imanta», двух когенерационных станциях, а также на двух автоматических газовых модульных котельных были установлены устройства утилизации тепла дымовых газов мощностью от 110 кВт до 10 МВт, позволяющие получать дополнительное количество тепловой энергии. Особое внимание следует уделить утилизатору тепла дымовых газов, который установлен на котле КВГМ-100 ТЦ «Imanta», т.к. котлы этого типа широко распространены и находятся в работе по сей день.
Типы конденсационных экономайзеров
Конденсационные экономайзеры широко используются для понижения температуры дымовых газов, повышения КПД котельного агрегата, улучшения ситуации окружающей среды, а также для экономии финансовых средств на закупку топлива. Обычно конденсационные экономайзеры позволяют повысить КПД водогрейного котла от 94 до 100%, а в отдельных случаях даже до 107% (следует отметить, что речь идет о низшей теплоте сгорания топлива)!
Одним из преимуществ конденсационных экономайзеров, в отличие от других устройств для теплообмена с дымовыми газами, является возможность утилизации теплоты от конденсации паров, содержащихся в дымовых газах, что приводит к увеличению КПД котлоагрегата (рис. 1).
Из рисунка видно, что при понижении температуры на участке от точки C до точки B прирост КПД невелик, но начиная от точки B (при температуре дымовых газов порядка 58 ОС), происходит заметное изменение КПД. Это связано со стремительным приростом утилизации латентного (скрытого) тепла дымовых газов, который затухает при температуре ниже 37 ОС.
По своей конструкции конденсационные экономайзеры делятся на активные и пассивные.
В 1970-е гг. активные конденсационные теплообменные аппараты получили широкое распространение в Латвии. Разработанные латвийскими специалистами контактные теплообменники с активной насадкой широкой публике более известны под названием КТАН (рис. 2).
К сожалению, доступные в то время материалы для изготовления активных насадок обычно были низкокачественными, в связи с чем срок службы теплообменников был сравнительно недолгим. В связи с низким уровнем pH утилизация конденсата также была проблематичной. В наше время активные конденсационные экономайзеры широко используются для отбора теплоты дымовых газов при работе с твердым топливом, где температура уходящих газов обычно достаточно высока и для обеспечения конденсации необходимо проводить дополнительные мероприятия.
Более широкому распространению конденсационных экономайзеров также мешала конструкция дымовых труб. Подключить конденсационные экономайзеры с глубоким охлаждением к кирпичной или бетонной дымовой трубе без дополнительного подмешивания горячих дымовых газов практически не представлялось возможным по причине фактической недоступности изделий из нержавеющей стали.
Температура сетевого теплоносителя на выходе из активной насадки ограничивается температурой точки росы дымовых газов (сжигая природный газ с коэффициентом избытка воздуха 1-1,5, температура точки росы дымовых газов составляет 55-65 ОС).
Температура дымовых газов на выходе из КТАН принята на 8-10 ОС выше, чем температура сетевой воды на входе в экономайзер. После сепарации дымовых газов для понижения уровня влажности перед выводом в дымовую трубу дополнительно подмешиваются 7-10% неохлажденных дымовых газов.
В наши дни используются экономайзеры с активной насадкой упрощенного типа, т.к. уровень влажности дымовых газов не оказывает влияния на современные конструкции дымовых труб, они больше не предусматривают использования большого количества холодной воды и обходных линий уходящих газов.
Пассивными конденсационными экономайзерами называются рекуперативные теплообменные аппараты с достаточно большими поверхностями, на которых дымовые газы, без дополнительного увлажнения, отдают теплоносителю частично или полностью все свое латентное тепло.
Опыт использования пассивных конденсационных экономайзеров
АО «Ригас Силтумс» обладает опытом применения конденсационных экономайзеров на газовых водогрейных котлах с установленной мощностью от 1,1 до 9 МВт на модульных котельных и 116 МВт на крупной котельной.
Способ подключения пассивных экономайзеров может различаться в зависимости от конфигурации котельной и особенностей нагрузок. На рис. 3 показана обвязка котлов средней мощности с двумя параллельными пассивными конденсационными экономайзерами и прямым подключением к теплосетям котельной.
По принципу прямого подключения к теплосетям могут работать котельные как низкой, так и средней мощности.
Намного сложнее применение конденсационных экономайзеров на когенерационных станциях, где обычно для сохранения объема генерации электроэнергии при низких температурах наружного воздуха когенерационный блок не способен выдавать в тепловые сети теплоноситель с температурой выше 90 ОС. Таким образом, функция повышения температуры подающего теплоносителя приходится на водогрейные котлы, что автоматически ухудшает режим работы конденсационного экономайзера. По этому принципу работают ТЦ «Imanta», а также когенерационные станции на ул. Керамикас, 2а и просп. Виестура, 20.
Эффективность реализации проектов по установке конденсационных экономайзеров в большой степени зависит от количества часов их работы на максимальной мощности. Опыт эксплуатации экономайзеров в котельных свидетельствует, что как минимум 1 раз в квартал, даже в отопительный сезон, котел необходимо отключать на несколько часов для проведения профилактических работ дымососов и вентиляторов, а также для проверки автоматики и др.
Для проведения исследования был выбран самый большой пассивный экономайзер (из смонтированных в Латвии), который установлен на типовой водогрейный котел КВГМ-100. Предварительно котел был реконструирован с установкой 4-х горелок с пониженным уровнем содержания вредных выбросов NOx (подробнее см. работу [4]). Обработку полученных данных облегчила установленная в АО «Ригас Силтумс» электронная система учета MDS 2009, которая позволяет использовать накопленные за длительный период времени статистические данные показателей работы котельных агрегатов как в табличном, так и в графическом форматах.
На ТЦ «Imanta» установлено 3 котла КВГМ-100. Режимная карта котла КВГМ-100 № 3 ТЦ «Imanta» показана в табл. 1, из данных которой следует, что эффективность котла стабильно высока вплоть до нагрузки 60 МВт. После достижения определенной мощности КПД может понизиться почти на 2% при максимальной нагрузке. Работа котла в режиме максимальной нагрузки увеличивает риск останова в случае перебоев с электроснабжением. Данные свидетельствуют, что котел стабильно работает при 75% установленной мощности, таким образом, наиболее рациональная базовая нагрузка котла составляет 90 МВт, что было подтверждено опытным путем, начиная с момента пуска экономайзера в работу 1 ноября 2009 г. и до 2 февраля 2010 г
В ноябре 2009 г на ТЦ «Imanta» был сдан в эксплуатацию пассивный конденсационный экономайзер (Дания) типа 4×200-36-200 (рис. 4), установленный за котлом КВГМ-100 № 3. Номинальная тепловая мощность экономайзера 10 МВт. Перед этим была проведена реконструкция железобетонной дымовой трубы — в существующей трубе, используемой как несущая конструкция, было установлено три теплоизолированных ствола, изготовленных из высококачественной нержавеющей стали марки 10 HNAP (COR-TENA), с внутренним диаметром 1,7 м (по одному на каждый из трех водогрейных котлов КВГМ-100 № 3, 4, 5).
На рис. 5 показана схема подключения пассивного конденсационного экономайзера и режим его работы. При проведении анализа работы экономайзера в декабре 2009 г. (рис. 6) было установлено, что, удерживая неизменной мощность котла на уровне 90 МВт, его средняя дневная эффективность наиболее высока при температуре обратного теплоносителя Т2<43 ОС, отдача латентного тепла, в свою очередь, стремительно понижается при T2>49 ОС. Так, при T2>52 оС мощность экономайзера падает как минимум на 40% по сравнению с его мощностью при T2=40 оС. Оценив количество выделяемого конденсата, было констатировано его прямое соответствие мощности экономайзера.
Необходимо упомянуть также дополнительный фактор, который задерживает отдачу латентного тепла при низких температурах наружного воздуха, — заметное повышение температуры воды на выходе из котла для поддержания требований температурного режима. При низких температурах наружного воздуха количество конденсата может быть на 70% меньше, чем при среднестатистических температурах отопительного сезона, но при этом с гораздо большим удельным содержанием абсорбированного СО2.
После соответствующей химической обработки конденсат используется для собственных технологических нужд котельной.
Таблицы 2 и 3 отображают идеальные условия для работы пассивного конденсационного экономайзера. Как особое исключение следует отметить климатические условия в период времени с 1 января по 1 февраля 2010 г., когда среднемесячная температура достигла -10,56 ОС, температура «обратки» поднялась до 48,3 ОС, а средняя мощность экономайзера составила 5,25 МВт.
Данные по мощности конденсационного экономайзера, подтвержденные опытным путем, наглядно показаны на рис. 7. На графике обобщены сведения о работе конденсационного экономайзера при неизменной нагрузке котла 90 МВт. Он показывает, что при температуре наружного воздуха t.в.=-20 ОС отдача латентного тепла полностью прекращается. Показания счетчика учета конденсата свидетельствуют, что при -20 ОС его количество составляет всего 0,5 т/ч по сравнению с 5,9 т/ч при 0 ОС. Исследования показывают, что при особо низких температурах наружного воздуха, работая с неизменной тепловой нагрузкой, периодически наблюдается низкая теплоотдача.
Промежуточные результаты проекта
Среднемесячные температуры наружного воздуха отопительного сезона 2009-2010 гг. были нетипично низкими, что дало возможность проверить процесс конденсации дымовых газов в довольно суровых климатических условиях.
Особо суровыми выдались погодные условия в январе 2010 г., когда среднемесячная температура была на 5,86 ОС ниже климатических норм, а по сравнению с температурой января 2009 г. на 8,96 ОС.
Даже с учетом того, что такие климатические условия оказывают значительное влияние на выработку конденсационного экономайзера, была достигнута значительная экономия природного газа, которая суммарно составила 1,685 млн м3 (рис. 8), выбросы CO2 сократились на 3084 т (рис. 9).
Из приведенных графиков следует, что цель проекта успешно реализуется и среди основных результатов необходимо отметить улучшение экологической обстановки, а также снижение объема потребления импортируемого природного газа, что свидетельствует о приросте эффективности работы источника теплоснабжения при использовании конденсационных экономайзеров.
Выводы
1. По результатам проведенных опытов и исследований можно констатировать, что при эксплуатации водогрейных котлов особое внимание необходимо уделять показателю КПД агрегата.
2. В системах с количественно-качественной методикой регулирования активные конденсационные экономайзеры успешно могут быть заменены пассивными, цена и эксплуатационные затраты на которые значительно ниже.
3. Приобретенный опыт будет особо полезен там, где широко используются водогрейные котлы большой мощности.
4. Данный практический пример можно использовать в качестве стандартного решения для повышения эффективности водогрейных котлов большой мощности.
Для обеспечения отбора латентного тепла дымовых газов режимы работы конденсационного экономайзера в отопительный период должны быть максимально эффективными.
Крайне важно учитывать строительно-климатологическую информацию о среднемесячных температурах, почасовой график нагрузок конкретного теплоисточника, а также информацию о реальной средней температуре обратной сетевой воды при определенных температурах наружного воздуха в отопительный период.
Зачастую во внимание не принимается то, что во время максимальной нагрузки котла температура обратной сетевой воды не всегда приемлема для отбора латентного тепла без дополнительного впрыска воды. Количество и возможности утилизации конденсата затрудняет факт изменения его объемов, на что значительно влияет изменение температуры наружного воздуха, а значит, и температуры обратной сетевой воды.
Литература
1. Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. Ульяновск: УлГТУ, 2000, 139 с.
2. Industrial Waste Heat Recovery Industrial Energy RoundTable KatheyFerland Texas Industries of the Future Riyaz Papar, Hudson Technologies Co. September 21, 2006. Hudson Technologies Combustion & Energy systems LTD.
3. Кочугов Д.А. Использование вторичных энергоресурсов на тепловых электростанциях // Труды Одесского политехнического университета. 1999. Вып. 1 (7).
4. Жигурс А., Церс А., Плискачев С. Опыт АО «Ригас Силтумс» в реконструкции водогрейных котлов КВГМ-50 и КВГМ-100 //Новости теплоснабжения. 2009, № 4. С. 34-39.
5. Рекомендации для проектирования теплоутилизационных установок за теплогенераторами с повышенной темпера- тупой уходящих газов // Под ред. М. Рубиной, А. Сухоно- сова и др. Ин-т «Латгипропром», Ташкент, 1987, 64 c.
6. Рекомендации для проектирования котельных и промышленных ТЭЦ с применением КТАН-ов — утилизаторов // Под ред. М. Рубиной, И. Ильина, П. Попова и др. Ин-т «Латгипропром», Ташкент, 1987, 187 c.
7. Рубина М.А., Ильин И.Н., Попов П.Я. и др. Об эффективности контактных теплообменников с активной насадкой // Промышленная энергетика. 1986, № 8.
8. D. Blumberga. Energoefektivitate / Riga,1996:320 lpp.