CC BY
39
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
В.В.КУНЕЕВСКИЙ Институт «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть»
В настоящее время водогрейные котельные являются одними из основных источников теплоснабжения жилищно-коммунального сектора (ЖКС) и промышленности. Эффективность систем теплоснабжения потребителей напрямую зависит от эффективности работы источников теплоты, которые обычно имеют сложную структуру и довольно широкий спектр применяемого оборудования. К сожалению, разработчики теплоэнергетических объектов, сосредотачиваясь, преимущественно, на совершенствовании основного оборудования и отдельных процессов, оказывают недостаточное внимание разработке эффективных тепловых схем объектов в целом, хотя современный уровень развития методов системного анализа и вычислительной техники позволяет проводить исследования объектов высокой степени сложности [1, 2]. Применить данные методы к тепловым схемам котельных установок, с тем чтобы выявить перспективные направления по их совершенствованию, является целью представленной работы.
Алгоритм проведения исследований
Обобщенный алгоритм проведения системных исследований котельной установки, как сложно-структурированного теплоэнергетического объекта, включает ряд последовательно выполняемых этапов [3]:
1) анализ границ исходного объекта, а также определение диапазонов допустимых значений его входных и выходных параметров;
2) структурный анализ объекта - для выявления закономерностей внутренней организации сложно-структурированного объекта, а также для определения слабых связей, разрыв которых позволит произвести его декомпозицию;
3) создание расчетной модели объекта;
4) синтез нового объекта;
5) сравнительный анализ эффективности деятельности исходного и синтезированного объекта по выбранным критериям.
Исходный объект исследования
В качестве объекта исследования выбрана типовая водогрейная котельная г.Туймазы с модульными жаротрубными котлами и вакуумной деаэрацией воды. Котельная предназначена для отопления жилых кварталов и обеспечения нагрузки горячего водоснабжения и работает по закрытой схеме отпуска теплоты.
Анализ внутренней структуры котельной проводился на основе графоаналитического метода с построением балансовой теплотехнологической схемы котельной (БТТС), которая состояла из информационно-балансовой схемы и сопроводительной таблицы с указанием параметров потоков [2, 3]. В БТТС были включены только те узлы, которые оказывали существенное влияние на
© В.В. Кунеевский Проблемы энергетики, 2006, № 3-4
рассматриваемые процессы; однотипные элементы, работающие параллельно или последовательно, представлялись как один элемент. В исходном объекте выявлено наличие 10 контуров. Из них один контур 5 степени сложности и 2 контура третьей степени сложности. 26 элементов из 28 входят в тот или иной контур. На основе этих данных была произведена декомпозиция исходного объекта, введена иерархия его элементов, определена оптимальная последовательность их расчета и осуществлен анализ каждого из выделенных элементов и всей системы в целом по критериям тепловой и термодинамической эффективности, для чего была разработана расчетная модель объекта и создано программное обеспечение.
Анализ структуры внешних связей исходного объекта выявил наличие транзитных потоков тепловой энергии, что было учтено при расчете результирующих показателей энергетической и термодинамической эффективности котельной установки. Тепловой и эксергетический КПД котельной установки рассчитывались по следующим соотношениям [3]:
О О Еег+Ее,-Ее?--
Опол. Отранз.
_ О - О ~ УО V о транз. , ()
^подв Етранз. Ее - Е Ок
I к
_ е Еп°"+Е Е,-Е Ек'"'"
Епол. Е транз. г ¡к
Пэ _--------------------------------------------------------------------------_-, (2)
Е - Е транз .
^подв транз. / Е у — / ^ Е к
У к
где г - количество потоков, подведенных к системе; у - количество потоков ВЭР; к - количество транзитных потоков.
Энергетический КПД исходного объекта оказался на уровне 87,5%, эксергетический КПД - на уровне 22,8%, что указывает на наличие скрытых резервов по совершенствованию тепловой схемы котельной.
Наиболее существенные статьи затрат энергии на собственные нужды котельной: подогрев сырой воды - 44,9%; подогрев химически очищенной воды -31,6%; энергообеспечение контура деаэрации - 18,4%. В структуре энергетических потерь выделяются потери с уходящими газами - 76,6%. Потери эксергии вследствие необратимости тепловых процессов составляют 94,9%, потери эксергии с уходящими газами - 3,7%.
Проблемой, требующей разрешения, явилось и то, что установленные на котельной жаротрубные котлы, как показал опыт их эксплуатации, оказались крайне чувствительны к качеству питательной воды. За 5 лет эксплуатации котлы практически пришли в негодность, так как с течением времени жесткость циркуляционной воды привела к образованию в котлах, теплообменниках и трубопроводах котельной установки плотных кальциевых отложений в виде накипи, что создало значительное дополнительное термическое сопротивление, а температура уходящих дымовых газов поднялась со 120-140 °С до 180-200 °С.
Таким образом, синтез эффективной тепловой схемы котельной установки должен вестись в направлении снижения тепловых выбросов с уходящими газами и уменьшения затрат энергии в виде качественных теплоносителей на обогрев теплообменников сырой и химически очищенной воды, а также на контур деаэрации подпиточной воды.
Синтезированный объект
Исходя из результатов, полученных на стадии аналитических исследований исходного объекта, предложен комплекс мероприятий по его усовершенствованию (рис. 1).
Рис. 1. Комплекс мероприятий принимаемого решения
Переход к двухконтурной системе теплоснабжения с переводом жаротрубного котла на питание умягченной водой создает благоприятные условия для работы котла, но при этом самым уязвимым местом данной системы становится промежуточный теплообменник (ПТА на рис. 2).
- КОМ!миксоны
Сырая вола
Рис. 2. Принципиальная схема синтезированной котельной установки с вакуумной деаэрацией подпиточной воды : ВК - жаротрубный водогрейный котел; Д - дымосос; Г -грязевик; ПСВ - подогреватель сырой воды; ХВО - химводоочистка; 1111В - подогреватель химически очищенной воды; Э - эжектор; ОВ - охладитель выпара; ПТА - промежуточный теплообменник, УГ - ультразвуковой генератор; КПСВ - контактный подогреватель сырой воды; 1111В1, 1111В2 - две ступени подогрева химически очищенной воды; Н1-Н8-насосы; ДК - дозатор комплексонов; Км - компрессор ТНУ; Др - дроссель
Для подавления процессов отложения накипи на поверхностях теплообменника предлагается использовать ультразвуковой метод очистки, а также интенсифицировать трубный пучок. В работе [5] показано, что наиболее эффективными, с этой точки зрения, являются пучки витых труб в сочетании с нанесенной по их поверхности поперечной накаткой. Стабилизация воды комплексонами принимается в качестве дополнительной меры по подавлению солеотложений во внешнем контуре тепловой сети.
Применение контактных теплообменников для утилизации теплоты ВЭР дымовых газов позволяет полностью покрыть тепловую нагрузку подогревателя сырой воды и большую часть тепловой нагрузки подогревателя химически очищенной воды (до 50°С). Догрев подпиточной воды до температуры 70°С, поддерживаемой в обратной линии тепловой сети, требует установки дополнительного теплообменника-утилизатора ВЭР выпара деаэратора с использованием теплонасосной установки (ТНУ) парокомпрессионного типа.
В схеме предлагается применить принципиально новый метод дегазации подпиточной воды на базе жидкостно-газового эжектора. Особенность конструкции такого деаэратора [6] позволяет проводить процесс дегазации даже при температуре 20-30°С, но, как показали проведенные испытания, наибольшей эффективности устройство достигает при температуре 65-70°С. С целью предотвращения контакта обработанной воды с атмосферным воздухом предлагается использовать конструкцию накопительного бака с мембраной.
Котельная установка работает следующим образом. Сетевая вода возвращается потребителем в обратную линию с температурой 70°С. Пройдя предварительно очистку в грязевике Г, она сетевым насосом Н1 прокачивается через промежуточный водо-водяной теплообменный аппарат с интенсифицированным трубным пучком ПТА, где подогревается до температуры 115°С. К ПТА подключен высокочастотный ультразвуковой генератор для пульсационной очистки теплообменных поверхностей от солеотложений.
В контуре водогрейного котла ВК циркулирует обессоленная вода. Транспортировка теплоносителя по контуру обеспечивается установкой циркуляционного насоса Н6. В связи с тем, что для передачи теплоты в ПТА необходимо поддерживать температурный напор не ниже А1 = 10°С, температура обессоленной воды в подающей линии котла поддерживается на уровне 125°С. Дымовые газы с температурой 120-140°С отводятся из котла на обогрев контактных теплообменников: подогревателя сырой воды КПСВ и подогревателя подпиточной воды первой ступени ППВ1, после чего сбрасываются в атмосферу. Обеспечение необходимого напора для транспортировки газов производится с помощью дымососа Д. Горячая вода отпускается потребителю из контура подогрева сетевой воды с температурой 115°С.
Сырая подпиточная вода, с температурой 5-8°С в отопительный период и 15°С в летний период, подпиточным насосом Н3 транспортируется в контактный подогреватель сырой воды КПСВ, где она подогревается до 30-35°С, а затем направляется на химводоочистку (ХВО). После ХВО подпиточная вода подогревается до температуры 45-50°С в контактном теплообменнике первой
ступени ППВ1, обогреваемом дымовыми газами котла. Затем подпиточная вода направляется на догрев до 70°С в теплообменник ППВ2, который в то же время является конденсатором теплонасосной установки, подключенной к контуру деаэрации питательной воды с целью утилизации теплоты выпара.
Дегазация воды осуществляется в жидкостно-газовом деаэраторе. Вакуум в деаэраторе поддерживается с помощью эжектора Э, который имеет ту же конструкцию, что и деаэратор. Теплота выпара утилизируется с помощью ТНУ, испаритель которой встроен в сборную емкость циркуляционной воды, откуда также осуществляется отвод газов деаэрации в атмосферу. Обработанная вода направляется в накопительную мембранную емкость-аккумулятор питательной воды и, по мере надобности, откачивается насосом Н4 на подпитку тепловой сети через обратную линию.
С целью подавления процессов солеотложения в технологической системе источника и подключенной к ней тепловой сети в подпиточную воду осуществляется подача комплексонов посредством дозирующего устройства ДК.
Анализ эффективности синтезированного объекта проводился по тому же алгоритму, что применялся к исходному объекту. Несмотря на то, что количество элементов, включаемых в систему котельной установки, возросло, в целом управляемость системы повысилась. В структуре синтезированной установки идентифицировано 7 контуров, причем снизилось не только их количество, по сравнению с исходным объектом, но и степень их сложности (1 контур третьей степени сложности и 2 контура второй степени сложности). 12 элементов системы из 31 относятся к разомкнутым линейным последовательностям.
Анализ энергетической и термодинамической эффективности синтезированного объекта показал, что затраты тепловых энергоресурсов на собственные нужды котельной сократились более, чем в три раза. Потери энергии в системе сократились почти в два раза преимущественно за счет сокращения тепловых выбросов в атмосферу. Энергетический КПД объекта поднялся на 5,8% (до 93,3%), так как на ту же величину возросла доля полезных целевых затрат природного топлива на котельной установке. Эксергетический КПД котельной установки поднялся приблизительно на 5% (до 27,8%), так как уменьшились потери вследствие необратимости тепловых процессов. При этом себестоимость отпускаемой теплоты снизилась на 4,7%.
Исходя из того, что годовой отпуск теплоты потребителям от котельной составляет 104510 ГДж/год, предлагаемый комплекс решений дает возможность сэкономить порядка 1,48 тыс. т.у.т./год и достичь экономического эффекта в размере 2,33 млн. руб/год.
Summary
The method of systems analysis was applied to the operating boiler room in Tuymazi city with the flue-boiler. The perspective directions on the improvement of power objects of a similar structure were defined based on the received results. The complex of energy saving measures is offered. It allows practically to eliminate the expenditures of boiler water on the own needs of boiler room and attain an annual economy of 1,48 toe per year from computation of 104510 GDg heat supplement per year. The combined economic effect of the offered solution made 2,33 million of rub per year.
Литература
1. Аракелов В.Е., Кремер А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов.- М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Попырин Л.С. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок.- М.: Энергия, 1978.
3. Назмеев Ю.Г. Конахина И.А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности.- М.: Издательство МЭИ, 2001.
4. Васильев А.В., Антропов Г.В., Баженов А.И. и др. Повышение надежности жаротрубных водогрейных котлов//Промышленная энергетика.-1998.- №7.- С. 28-32.
5. Дрейцер Г.А. Исследование солеотложений при течении воды с
повышенной карбонатной жесткостью в каналах с дискретными
турбулизаторами//Теплоэнергетика.- 1996.- №3.- С. 30-35.
6. Пат. 2263075 Российская Федерация, МПК7 С 1 С 02 Р 1/20, Р 22 Б 1/50.
Устройство для дегазации горячей воды в системе горячего
водоснабжения/Кунеевский В.В., Косс А.В., Пензин Р.А., Гнедочкин Ю.М. -№ 2004125784/15; заяв. 24.08.2004; опубл. 27.10.2005, Бюл. № 30.
Поступила 15.03.2006
