CC BY
180
УДК 621.181
В. А. Мовчан, Р. А. Ильин
НЕКОТОРЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Введение
Действующие в настоящее время законы, принятые концепции, программы, разработки в области энергосбережения, повышения эффективности использования топлива, промышленной теплоэнергетики, коммунальной энергетики, реформирования ЖКХ, систем теплоснабжения и др. предусматривают как обязательный элемент реформирования и совершенствования системы управления тепловой энергетикой на региональном уровне использование в том числе и новых энергетических технологий.
Ниже приводятся результаты анализа некоторых основных направлений повышения эффективности котельных установок промышленных предприятий, базой для которого послужили работы [1-9].
Эффективность установок, действующих в Астраханской области [7]
Анализ эффективности котельных на примере Астраханской области показал следующее.
Количество котельных в области достаточно велико, около 400. Они потребляют значительное количество топлива, около 500 тыс. т у. т. в год. Достаточно много мелких котельных невысокой эффективности. Так как котельные производят, в отличие от ТЭЦ, только тепловую энергию, ее стоимость высока и не соответствует современным требованиям.
Во всех котельных котлы работают при недостаточно высоком КПД (по сравнению с номинальным): чаще всего КПД ниже 80 - до 60 % (рис. 1).
Рис. 1. Номинальный энергетический КПД котлов % в котельных ЖКХ г. Астрахани:
на оси К - номера котельных; слева направо - уменьшение их тепловой производительности
Очень низок коэффициент использования установленной тепловой мощности котельных -
0,20-0,35. Это значительно увеличивает расход топлива и увеличивает стоимость тепловой энергии. Практически не применяются новые технологии. Эти особенности использования котельных характерны для многих регионов РФ, в связи с чем проблема повышения эффективности использования котельных вполне актуальна.
Эксергетическая оценка эффективности котлов [2-4, 6-9]
Традиционно эффективность котлов оценивается по тепловому КПД (он находится в пределах 0,75-0,93), а также по коэффициенту использования топлива (0,80-0,98). Эти критерии оценки не дают представления о действительной энергетической эффективности использования сжигаемого в котлах топлива.
Более точные оценки дают разрабатываемые нами термодинамические параметры оценки эффективности: коэффициент использования первичной тепловой эксергии топлива в тепло-
энергетических установках бцех, в частности - в котлах, и полный коэффициент использования эксергии Цех доли. Последний учитывает как эффективность преобразования тепловой энергии топлива в полезную эксергию (по коэффициенту бцех), так и эффективность использования строительной эксергии (по коэффициенту Цех стр). Расчетные формулы для определения бЦ^, Цех о и Цех полн приведены в [4, 6].
Для характерной группы котлов вычислены основные термодинамические параметры, по которым можно судить об эффективности котлов. Оценка эффективности котлов выполнена при следующих общих основных показателях их работы: затраты эксергии Дж на создание 1 кг массы котла - 50 1 06 кДж/кг; срок эксплуатации котлов С - 7 и 40 лет; КПД - 0,93; изменение остальных параметров показано на рис. 2. Типы котлов указаны на рис. 2 в общепринятых обозначениях.
Рис. 2. Функция цехполн = /(т, 5пет, С) термодинамической эффективности
для некоторых распространенных котлов: 1 - ДКВр-2,5-13-194 (оС), т = 7,3 кг/кВт;
2 - ДКВр-2,5-13-250 (оС), т = 7,3; 3 - Е-35-40-У-440 (оС), т = 5,1; 4 - Е-50-40-У-440 (оС), т = 4,5;
5 - ДКВр-10-13-194 (оС), т = 2,7; 6 - ВВД-200-13-250 (оС), т = 2,3; 7 - ДКВр-35-13-194 (оС), т = 1,9;
8 - ДКВр-35-13-250 (оС), т = 1,9; 9 - КВ-ГМ-30-150 (оС), т = 1,0; линии: сплошные - срок использования котла 7 лет, прерывистая - 40 лет; А - область величин полного коэффициента использования эксергии для котлов при С = 7-40 лет; температура теплоносителя на входе в потребитель Тп = 670 К; удельная масса котлов т = 0,5... 7,5 кг/кВт
Рисунки 2-4 дают представление о своего рода классификации котлов по термодинамическим параметрам.
На рисунках видно, что решающее влияние на эффективность использования эксергии в котлах оказывает температура пара, подаваемого к потребителю и их удельная масса т, кг/кВт. Важно также повышать эффективность использования эксергии топлива, сжигаемого в котлах, - 5^ех, например включая их в состав мини-ТЭЦ. Это влияет и на 5^ех, и на Цех полн .
Рис. 3. Функция цехполн = /(т, /п) термодинамической эффективности котлов с номинальной температурой пара ^ = 400 оС при температуре теплоносителя на входе в потребитель Тп < 400 оС; С = 7 лет
1
0
0
0
0
100 200 300 400
Рис. 4. Зависимость цех полн /П™олн и бцех для котельных установок для всего диапазона изменения
удельной массы котлов от ^ °С для: 1 - т = 3 кг/кВт, срок эксплуатации - 7 лет;
2 - т = 3, срок эксплуатации - 40 лет
Таким образом, по приведенным данным можно определить термодинамическую эффективность котлов при номинальных параметрах по полному коэффициенту использования эксер-гии как комплексному показателю и определить частный коэффициент использования располагаемой эксергии при совместной работе котла и потребителя тепловой энергии.
Эффективность использования котлов для теплоснабжения [2-4, 6]
В развитие положений предыдущего раздела можно отметить, что бЦех < 1, Цех стр > 1 и что увеличение этих коэффициентов повышает эффективность котельных установок. Комплексный, полный коэффициент использования эксергии принимается в виде [2]:
Пехполн = 1/[1/Чх + 1/Пехстр ]. (1)
При определении Цех стр по сроку окупаемости принимаем условие £полезн * Сех = ехстр [3],
т. е. Цех стр = 1 1/Цех стр = 1 и
Пехполн =1/[1/ 5Пех +1], (2)
что для указанных условий соответствует эксергетическому сроку окупаемости Сех [3, 6].
В современной практике Цех стр > 5, 1/Цех стр < 0,2.
По полному коэффициенту использования эксергии сделан анализ стандартной схемы теплоснабжения «котел - потребитель тепловой энергии». Коэффициент использования располагаемой эксергии бца вычислялся по [1]. Анализ проведен для случая отсутствия каких-либо потерь тепловой энергии в котле и передающем звене (в теплотрассе).
По результатам расчетов с использованием формул (1) и (2) при величине коэффициента бЦех = 0,33 (средняя величина для большинства случаев) построен график на рис. 5.
0,8
0,6
0,4
0,2
Рис. 5. Зависимость полного коэффициента использования эксергии цех полн от удельной массы котлов
при различных сроках их использования. Приводятся стандартные обозначения марок котлов
Как видно из рис. 5, при увеличении удельной массы котла его эффективность снижается. Значения коэффициентов цех полн большинства из рассмотренных котлов для теплоснабжения находятся ниже его минимального значения, что говорит об их низкой эффективности, в том числе и из-за их большой удельной массы. Это подтверждается и данными, приведенными на рис. 2 при соответствующем сочетании параметров.
Эффективность использования котлов с дополнительным низкопотенциальным источником и в составе газотурбинная установка (ГТУ) - мини-ТЭЦ [1, 3, 6]
Рассматриваются 3 схемы использования котельных установок: схема 1 соответствует обычному варианту «котел (К)-потребитель (П)» (не приводится вследствие ее простоты), схема 2 -вариант работы котла(ов) с дополнительным низкопотенциальным источником теплоты (солнечные водонагревательные установки, вторичные энергоресурсы и др.), схема 3 - вариант модернизации путем «надстройки» котла газовой турбиной (ГТ) и его перевода в режим утилизационного котла (УК), т. е. ГТУ - мини-ТЭЦ. Схемы 2 и 3 - на рис. 6, где КС - камера сгорания.
вт
Схема 2
в ' Лк
вт ' Лк ' Лпогі
в2 = У ' вт
Тп
Лпог2
Т2 > Тп
П
Схема 3
По методике работ [3, 6] выполнен по коэффициенту использования располагаемой эксер-гии топлива анализ для схем 1 и 2. По его результатам сделаны следующие выводы (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость коэффициентов использования располагаемой эксергии в ГТУ (производство электричества) и УК (производство теплоты) в составе одной мини-ТЭЦ от температуры газа перед газовой турбиной
Т
т
1. При больших величинах потерь теплоты при ее передаче от котла к потребителю и при низком КПД самого котла эффективность такой системы весьма мала (схема 1), что говорит о нецелесообразности ее использования.
2. Для повышения эффективности стандартной схемы теплоснабжения от котлов целесообразно использовать дополнительные низкопотенциальные источники тепловой энергии (схема 2). Применение таких источников дает возможность замещения части тепловой энергии, идущей от котла к потребителю, что обеспечивает снижение расхода топлива на котел. Использование дополнительных низкопотенциальных источников тепловой энергии соответственно повышает коэффициент использования тепловой эксергии топлива.
Наибольший интерес, очевидно, представляет ГТУ - мини-ТЭЦ. Ее возможности по использованию эксергии топлива представлены на рис. 7. Расчеты выполнены для условий: Тт = 2 273 К, Тгт = 1 173... 1 600 К, Туг = 823 К, Тп = 423 К, Т0 = 283 К, Лр = 0,7, Лук = 0,85.
Для сравнения относительных сроков окупаемости котельных установок по схемам 1, 2 и 3 использована упрощенная формула на основе коэффициентов бЛес для этих схем:
5С = С, / С = (1 - То / Эо)/[1 - (То / Эо) • &п„ о/5л„ і ], (3)
где С - срок окупаемости; То и Эо - текущие затраты на котельную установку и стоимость отпущенной энергии за год по схеме 1; индекс «о» - к схеме 1, индекс «1» - к сравниваемой схеме (2 или 3).
Характеристики схем блех и С представлены на рис. 8. Величины блех вычислены по [3, 6] для характерных параметров схем: То = 3оо К, Т2 = 423 К, Тп = 423 К, Тт = 2273 К, Тгт = 1473 К, Туг = 773 К, Лк = Лшт = о,95, Лр = о,7, Лук = о,85,у = о,2, ф = о,475, То / Эо = о,8. При сроке окупаемости для схемы 1 С = 5 лет величина С1/Со для схемы 2 составит о,6, а для схемы 3 - о,36.
Рис. 8. Сравнительная характеристика рассмотренных схем
Таким образом, усложнение схем котельных установок приводит к существенному увеличению эффективности использования тепловой эксергии топлива и, соответственно, к уменьшению срока окупаемости.
Паровой котел в составе мини-ТЭЦ [8]
Паровая турбина позволяет получать в промышленных котельных (в этом случае - мини-ТЭЦ), кроме тепловой энергии, дополнительно электрическую энергию. Турбина включается в тепловую схему котла так, что использует перепад давлений между давлением пара на выходе из котла и давлением, которое необходимо для работы систем отопления и для обеспечения технологических потребителей. Это означает, что для получения электрической энергии используется та часть работоспособности (эксергии) пара, которая ранее не использовалась.
о,5
о,4
Рис. 9. Мощность турбогенератора и эксергетический КПД мини-ТЭЦ при различных противодавлениях за турбиной
На основании расчетного анализа нами получены данные по эксергетическому КПД паровых мини-ТЭЦ (рис. 9). Начальные параметры пара соответствуют котлам типа ДКВр: 14 ата, 250 °С. КПД турбины принят 0,8.
Таким образом, эксергетический КПД мини-ТЭЦ существенно выше КПД котла, а электрическая мощность мини-ТЭЦ, например, на основе котельной с котлом ДКВр-10/14-250 составит 1 200 кВт при р2 = 4 ата.
Другие комбинированные схемы: эффективность, сравнение [1]
ГТУ-электростанции, в том числе без УК, получают все более широкое распространение, несмотря на то, что их электрический КПД существенно меньше, чем у ТЭС, поэтому полезен общий термодинамический анализ их эффективности. На основе подходов, изложенных в [1, 2], можно для этой цели применить коэффициент использования располагаемой эксергии (тепловой эксергии топлива). Для ГТУ с утилизационным котлом коэффициент получен в виде
= Ф • Пр/тт +(1 - ф) • Пр • Пук • тп/тт . (4)
Здесь ф - доля тепловой энергии, использованной в газовой турбине; Лук - тепловой КПД УК; тТ - эксергетическая температурная функция в интервале температур ТТ ... Т0; хп - то же в интервале температур Тп _То . При анализе принято: Лр = 0,7, %к = 0,85. Для ГТУ без УК коэффициент использования эксергии можно получить как частный случай формулы (4).
Результаты анализа на основе (4) представлены на рис. 10, где видно, что использование ГТУ без утилизационного котла совершенно неконкурентно по коэффициенту использования эксергии по сравнению с ТЭС, и тем более с ПГУ, как в настоящее время, так и с учетом перспективы роста температуры газа перед газовой турбиной.
Рис. 10. Зависимость коэффициента использования располагаемой эксергии 5^* в ГТУ без УК и в ГТУ с УК и условной относительной экономии топлива в энергосистеме 5В при использовании в ГТУ утилизационного котла от температуры газа перед турбиной: температура газа за турбиной 823 К; температура, требуемая потребителю тепловой энергии за УК (перед потребителем тепловой энергии) Тп = 423 К; КПД котла 0,85
Оценка эффективности ГТУ при ее комбинировании с другими энергетическими устройствами выполнена также на основе понятия об условной относительной экономии топлива в региональной энергосистеме вследствие использования вместо одной теплоэнергетической технологии ее комбинаций с другими. Экономия возникает, если коэффициент 5лех комбинированной технологии больше, чем для одной составляющей.
Например, условная относительная экономия топлива в региональной энергосистеме при дополнении газотурбинной электростанции утилизационным котлом составляет:
ЪВ = (1 -ф)- Пр • Пук • тп/тт • Птэс , (5)
где ЛТЭС - электрический КПД региональной ТЭС; при анализе принят равным 0,4.
Получены формулы для 5В и выполнены вариантные расчеты для ГТУ с УК (рис. 10) и для различных комбинаций с ГТУ (рис. 11).
Рис. 11. Условная относительная экономия топлива в региональной энергосистеме при переходе к комбинированным технологиям с использованием ГТУ: А - ГТУ-электростанция (без УК); Б - ГТУ с УК; В - работа ГТУ с УК параллельно с промышленной мини-ТЭЦ в составе: паровой котел с подстроенной паровой турбиной на перепад давления 5-7 ата, Г - к конденсационной паротурбинной установке надстраивается газовая турбина (парогазовая технология ТЭС)
На рисунке видно, что эффективность энергетического комбинирования существенно
зависит от качества составляющих технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин А. К., Ильин Р. А., Мовчан В. А. Особенности использования ГТУ с утилизационным котлом / Малая энергетика-2004: материалы Междунар. конф. - М.: Минатом РФ, Минэнерго РФ, 2004. -
С. 144-145.
2. Ильин Р. А., Ильин А. К. Условная экономия топлива при совершенствовании теплоэнергетических технологий // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. - Вып. 3. - Саратов: СНЦ РАН, 2004. - С. 67-71.
3. Ильин Р. А., Ильин А. К. Еще раз об эксергетической эффективности использования топливных котлов для теплоснабжения // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Технические науки. Прил. № 8. - 2006. - С. 49-51.
4. Ильин Р. А., Мовчан В. А. Термодинамическая классификация котельных установок по вариантам использования полезной эксергии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 3 (38). - С. 147-149.
5. Ильин Р. А., Ильин А. К. «Пиковый» котел в системе геотермального теплоснабжения // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Ч. 4. Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология: Тр. 6-й междунар. науч.-техн. конф. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - С. 357-361.
6. Мовчан В. А., Ильин Р. А. Оценка эффективности котельных установок по эксергетическим параметрам // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2005. - № 6 (29). - С. 235-238.
7. Мовчан В. А., Ильин Р. А., Тарасов П. С. Энергетическая эффективность котельных в Астраханской области // 6 Всерос. совещ.-выставка по энергосбережению: сб. докл. - Екатеринбург: Энерго-Пресс, 2005. - С. 123.
8. Мовчан В. А. Мощность и эксергетический КПД паровых мини-ТЭЦ // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Всерос. конф. - Екатеринбург: УрГТУ, 2005. - С. 71-72.
9. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / под ред. А. А. Долинского, В. М. Бродянского. - Киев: Наук. думка, 1991. - 264 с.
Статья поступила в редакцию 11.2008
SOME WAYS TO INCREASE THE EFFICIENCY OF BOILER INSTALLATIONS
V. A. Movchan, R. A. Ilyin
The exergetic analysis of the efficiency of boilers application in industrial power system: for heat supply; for steam turbine and gas turbine mine-heat energy stations; together with other sources of heat energy is presented in the paper.
Key words: boilers, efficiency of the application, exergetic analysis, combination with other energy sources.
