CC BY
196
7. К р и в а н д и н, В. А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей: справ. / В. А. Кривандин, Ю. П. Филимонов. - М.: Металлургия, 1986. - Т. 1.
8. И в а н ц о в, Г. П. Нагрев металла: теория и расчет / Г. П. Иванцов. - Свердловск; М.: Металлургиздат, 1948. - 191 с.
9. О с н о в н ы е методы оптимизации режимов нагрева металла / В. И. Тимошполь-ский [и др.] // Литье и металлургия. - 2000. - № 3. - С. 68-73.
10. М а т е м а т и ч е с к о е моделирование сопряженного теплообмена в нагревательных печах с подвижным подом / В. И. Тимошпольский [и др.] // Инженерно-физический журнал. - 2006. - Т. 79, № 3. - С. 3-11.
Поступила 03.11.2010
УДК 621.182.3
ПЕРЕВОД ВОДОГРЕЙНОЙ КОТЕЛЬНОЙ В РЕЖИМ МИНИ-ТЭЦ*
Докт. техн. наук БАЙРАШЕВСКИЙ Б. А.
В составе производственных и отопительных водогрейных котельных, как правило, имеется паровой котел для обеспечения потребностей в паре. В ряде случаев решение проблемы одновременного производства горячей воды и пара осуществляется путем установки комбинированных пароводо-грейных котлов [1, 2] или расширителей и прочих паросепарирующих устройств, позволяющих получать насыщенный пар низких параметров из перегретой воды. Основным недостатком получения пара из перегретой воды является его малая доля по сравнению с попутным дренажом той же температуры. Соответствующие меры конструктивного и технологического характера по снижению этого недостатка приводят к удорожанию установки и, по мнению специалистов [1, 2], оказываются неконкурентоспособными в сравнении с вариантом, положим, двухконтурных котлов.
Известные разработки конструкций турбин, работающих на насыщенном паре [3, 4], позволяют несколько по-иному оценить эффективность применения паросепарирующих устройств в совокупности с работой водогрейных котлов. В Беларуси идея использования водогрейных котлов посредством расширителя в качестве источника питания паровой турбины была предложена проф. В. К. Балабановичем, реализация которой способствовала бы значительному увеличению спроса разработанных им же конструкций турбин [5]. Здесь следует добавить, что положительные тенденции к переводу теплосетей на независимые схемы теплоснабжения также перспективны, так как позволяют использовать высокотемпературные потоки воды в пределах тепловой схемы котельной. Это позволяет увеличить температурный напор в водоводяном бойлере сетевой воды, что, несомненно, способствует оптимизации его конструкции и снижению металлоемкости поверхностей нагрева за счет возрастания температурного напора.
* Печатается в порядке обсуждения.
Высокая температура первичного теплоносителя в бойлере позволяет увеличить также температуру воды в прямой теплосети. Это открывает дополнительные возможности повышения эффективности последней как устройства по организации транспорта теплоты. В частности, увеличение перепада температуры сетевой воды в ИТП, бойлерах или других приборах потребителя позволяет адекватно снизить ее циркуляцию, что также способствует снижению затрат на транспортировку.
Расчеты показывают, что при одинаковых объемных скоростях воды в трубах сети и неизменном количестве транспортируемой теплоэнергии переход от температурного графика tш / 1о = 150/70, предположим, на ^пб / tо = 200/70 позволяет снизить циркуляцию воды Gб,м примерно на 20 %. Это следует из анализа уравнения теплового баланса
® = сGб (¿пм-г0) = сGм (¿пб-¿о) (1)
и того факта, что масса труб Мм,б виртуальной [6] теплосети (трубы) прямо пропорциональна ее виртуальному диаметру ^м,б:
„ N0,5 / \0,5 /,.„ _„ \0,5
Мб Dб ( Gб 1 ( ¿пм - ¿о 1 ( 150 - 70 1
= 0,/й. (2)
Мм Dм У Gм ) У ¿бм - ¿о ) V 200 - 70
Как следует из (2), повышение температуры прямой сетевой воды от
= 150 °С до tпб = 200 °С способствует одновременно изменению двух доминирующих показателей: снижению расхода электроэнергии на транспорт воды (теплоты) за счет уменьшения ее массового потока (от Gб до Gм) и стоимости труб меньшего диаметра (от £>б с массой Мб до Бм с массой Мм) примерно на 22 %.
Водогрейный котел с давлением воды порядка 18-30 атм позволяет использовать паровую турбину насыщенного пара, питаемую от расширителя (рис. 1). Следует обратить внимание на два факта при решении этой проблемы:
• КПД теплофикационного цикла турбины с противодавлением достаточно высок, точнее, чуть меньше единицы за счет потерь в самой турбине;
• работа расширителя в схеме турбоустановки приводит к эксергетиче-ским потерям за счет процесса дросселирования и способствует некоторому снижению КПД энергоисточника в целом.
В отличие от традиционной водогрейной котельной схема на рис. 1 отличается дополнительной надстройкой расширителя и турбины с противодавлением, что дает ей право называться схемой мини-ТЭЦ. При такой постановке вопроса ее интересно сопоставить с известными [7] когенераци-онными установками (КГУ или точнее ГПА), весьма успешно внедряемыми на промышленных предприятиях взамен устаревших паровых и водогрейных котельных. Здесь, прежде всего, следует обратить внимание [8] на показатель топливоиспользования 6ТЭц = 5ТЭц /(N + Qo) и удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении Ж = пэ / Пт = Nо / Qo. Последний на обычных ТЭЦ высоких и критических параметров равен порядка Ж = 0,34-0,47 = 400-550 кВт-ч/Гкал. В КГУ этот показатель значительно
выше: Ж = 0,9-1,1 = 1040-1270 кВт-ч/Гкал, а в предлагаемой (рис. 1) мини-ТЭЦ он очень низкий, порядка Ж = 0,04-0,06 = 46,5-69,8 кВт-ч/Гкал. При полной теплофикационной выработке электроэнергии (у = 1) связь между показателями Ьтэц (средним удельным расходом топлива) и Ж определяется зависимостью [9]
Ьтэц = т-1 (1 + Ж-1)-1 (дТС4 + Ж-1 С3),
(3)
где т-1 = (пбр Птп Qу )-1 - удельный расход топлива на водогрейном котле; Qу - теплота сгорания условного топлива; С3 = 1 -
/сн 1 ^сн
и С4 =
= 1 + эЭн + этн - комплексы, определяющие влияние относительных расходов тепло- и электроэнергии на собственные нужды по отпуску электроэнергии и теплоты (инд. «э, т»); дт = (пм Пг )-1- удельный расход теплоты на отпуск электроэнергии, т. е. КПД (1/дт) процесса преобразования тепловой энергии в электрическую с учетом потерь за счет механического привода пм и в генераторе п •
От1 0,20
... = '■'::. Г г/(кВтч)
N„ = 0.056 МВт = 0,05 Гкал/ч
Отс = 0,0 Гкал/ч
Потребитель
Расчётная схема модернизированной котельной с установкой расширителя и паровой турбины.
Рис. 1. Выкопировка из программного файла ТГК1 На основании (3) определяем
дЬТЭЦ _ Ят С4 — С3
дЖ т (1 + Ж)2
(4)
В уравнениях (3), (4) показатели С3 и С4, как правило, не многим больше единицы (С3 ~ С4 = 1,005-1,1), а показатель дт в теплофикационном режиме имеет примерно тот же порядок: дт = 1,03-1,04. Следовательно,
знак производной (дЬТЭц / дЖ < 0) согласно формуле (4) во многом определяется знаком комплекса qт С4 - С3< 0, т. е. производная дЬТЭц / дЖ при
любых значениях Ж близка к нулю и либо незначительно снижается, либо, что наиболее вероятно, незначительно возрастает. Из этого следует, что отмеченное выше различие между показателями Ж на ТЭЦ, в КГУ и в мини-ТЭЦ на рис. 1 не влияет на существенный рост или снижение показателя эффективности топливоиспользования Ьтэц в сопоставляемых энергоисточниках. Причины этого различия обусловлены неадекватностью конструкций и технологий производства тепло- и электроэнергии на сопоставляемых энергоисточниках. Так, в традиционных паротурбинных ТЭЦ согласно 2-му закону термодинамики соотношение между «горячим» и «холодным» источниками ограничивается порядком (560 + 273)/(100 + 273) = = 2,23. КГУ позволяет сделать это соотношение выше (2000 + 273)/(400 + + 273) = 3,38. В исследуемой мини-ТЭЦ с расширителем (рис. 1) этот показатель очень низок - порядка (150 + 273)/(80 + 273) = 1,2. Также следует иметь в виду, что с увеличением Ж возрастает доля отпуска электроэнергии. Последняя в отличие от тепловой энергии обходится дороже и способствует увеличению показателя ЬТЭц из-за негативного влияния, как уже
отмечалось, соответствующего КПД, равного 1/ qт. Из этого следует, что в КГУ, несмотря на ряд многих ее достоинств, коэффициент топливоис-пользования ЬТЭц имеет тенденцию к возрастанию в сравнении с традиционной паротурбинной ТЭЦ. Совершенно противоположная тенденция в этом отношении имеется на мини-ТЭЦ, показанной на рис. 1: пониженное значение показателя Ж является своего рода «гарантией» адекватного снижения удельного расхода ЬТЭц. В данном случае на пониженное значение ЬТЭц сказывается и тот факт, что КПД водогрейного котла в отличие
от парового [10] всегда выше на 2,0-2,5 %.
В процессе изучения вариантов модернизации водогрейного котла (котельной) разработан комплекс программных файлов (МиТ5, МиТ6, ТГК1, Ст16р и др.), отображающих соответствующие технологические процессы производства тепло- и электроэнергии по двум вариантам: согласно схеме на рис. 1 и путем замены водогрейного котла когенерационной установкой.
На рис. 2 дана выкопировка из программного файла ТГК1, выполненного для специальных исследований работы мини-ТЭЦ по схеме на рис. 1. В порядке примера приведены результаты анализа двух разных по мощностям режимов работы энергоисточника. Сопоставление показателей мини-ТЭЦ (рис. 1) с КГУ производится при условии равенства сожженного топлива 5ТЭц в каждом из вариантов модернизации котельной.
В режиме 1: 5ТЭц = 0,209 т/ч, значения удельных расходов топлива (кг/ГДж) при объемах производства на котельной, мини-ТЭЦ и КГУ соответственно равны: 37,78; 38,10; 39,45.
В режиме 2: 5ТЭц = 31,38 т/ч и аналогично: 38,41; 38,51; 39,45.
Как видно (рис. 2), в обоих вариантах модернизации при одинаковых потреблениях топлива 5ТЭц коэффициенты топливоиспользования (удельные расходы топлива) возрастают в следующем порядке: водогрейная котельная, мини-ТЭЦ с расширителем и КГУ.
СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТОВ. РЕЖИМ 1.1 р. Водогрейная котельная (До) в сравнении с мини-ТЭЦ {После} на базе Расширителя (р)
Обозн. Q0=Q« N(=N, Вгэц b-v. ь, ь13
Реж.1р До 1,323 - 0,209 - - - 158,09 136.02 37,78
После 1,264 0,056 1 59.40 137,15 38,10 192,40 165.54 45.98 158,15 136.07 37,80
Разм. Гкал/ч МВт т/ч кг/Гкал г/(кВтч) кг/ГДж кг/Гкал г/[кВтч} кг/ГДж кг/Гкал г/(кВтч) кг/ГДж
Обозн W j С|кг NPV К 1Л
Реж.1р До - 79,4 7,6 30,4 58.4 1.9 57 РАСШИРИТЕЛЬ
После 0,038 44.131 87,0
Разм - кВтч/Гк ТЫС.р/Ч тыс.р/ч тыс.р./ч млн р./г МЛН р. лет МЛН р.
РЕЖИМ 1.1 к. Водогрейная котельная {До) в сравнении с коге не рацио иной (к) установкой {КГУ, После)
Обозн. □„ = а„ N„=N, Вт 111 Ьт^ц ь» Ь-,
Реж.1 к До 0,632 - 0,103 - - - 182.73 140.01 38,89
После 0,737 0,209 165.05 142,01 39,43 176,68 152.02 42.23 153,49 132,07 36.68
Разм. ["кал/ч МВТ т/ч кг/1 кал г/(к8тч) кг/ГДж кг/Гкал г/[кВтч) кг/1 Дж кг/l кол г/(кВтч) КГ/| Д!К
Обозн. W -I-HI С« дсгздт„ NPV Т., КГУ1
Реж.1к До - - 38 147,4 516 41ЭЗ 2,58 - ВЫП
После 1,002 1165,7 1Э5 200 1Е-14
Разм. кВтч/Гк ТЫС.р/Ч тыс.р/ч ТЫС.р./Ч млн p.Jr млн р. лет млн руб %
РЕЖИМ 2. 2р. Водогрейная котельная (До) в сравнении с мини-ТЭЦ (После) на базе Расширителя (р).
Обозн. Q„=Q« N „=ГМ = В "Ч Ьгзц ь> Ьт,
Реж.2р До 195,2 31,33 - 160,73 138.29 38,41
После 191,9 3,287 161.12 138.63 38,51 186.77 160,70 44.64 160,74 138.30 38,42
Разм. Гкал/ч МВт Т/Ч кг/Гкал г/(к8тч) кг/ГДж кг/Гкал г/(кВтч) кг/ГДж кг/Гкал г/(кВтч) кг/ГДж
Обозн. W С^ц ДСЧ„„ ДС™Т!,ц MPV Т» к К уа РАСШИРИТЕЛЬ
Реж.2р До - - 11713 459,4 1837,8 1966,6 2.72 5000
После 0,015 17.153 12172
Разм. - к0тч/Гк тыс.р/ч тьс.р/ч тыс.р./ч млн р./г глпн р. лет млн р.
РЕЖИМ 1. 2к, Водогрейная котельная {До) в сравнении с коге не рационной (к) установкой {КГУ, После)
Обозн. Q= = Q,( N 0=N j Bl |Ц brSLi ь, Ь„
Реж.2к До 94.88 - 15,44 - - - 152.73 140.01 38,89
После 110,6 31,33 165.05 142,01 39,45 173,59 149.35 41.49 156.80 134.74 37,43
Разм. Гкал/ч МВт т/ч кг/Гкал г/(кВ|ч) кг/ГДж кг/Гкал г/[кВ|ч} м/ГДж кг/Гкал г/(кВтч) кг/ГДж
Обозн. W с„„ Ср, ДСц,, АС™,, NPV Ккпс1 КГУ2 КГУ
Реж.2к До - - 5603 22121 77425 639159 3,87 - ВЫП'
После 1,002 1165,7 27814 20000 ОЕ+ОО
Разм. - кВтч/Гк тыс.р/ч тыс.р/ч тыс.р./ч млн р. 1т млн р. лет млн руо %
Рис. 2. Выкопировка из файла ТГК1
Возвращаясь к давним дискуссиям о глобальном значении теплофикации на базе большой энергетики, можно заметить, что КГУ по своим технико-экономическим показателям (хотя бы в силу повышенных значений показателей Щ) все же менее экономична, чем традиционная паротурбинная ТЭЦ, работающая в теплофикационном режиме. Она способна решать проблемы лишь локального характера. Следует иметь в виду, что с позиций энергосистемы КГУ в пределах мегаполюса «вытесняет» теплофикационную нагрузку ТЭЦ, снижая ее эффективность [11, 12]. В отличие от этого реализация схемы (рис. 1) мини-ТЭЦ позволяет оптимально решать «локальные» задачи обеспечения электроэнергией в основном собственных нужд с небольшим избытком, не ущемляя в отличие от КГУ, а даже способствуя интересам большой энергетики в формировании теплофикационного режима. Кроме того, стоимость сооружения единицы мощности водогрейного котла меньше аналогичной стоимости парового, тем более комбинированного пароводогрейного. Поэтому дальнейшие исследования в области проблем практической реализации схемы на рис. 1 следует считать целесообразными.
Разработанный комплекс программных средств (ТГК1, МиТ5, МиТ6, Ст16р и др.) позволяет выполнять ряд исследований, основанных на анализе многочисленных результатов расчета ТЭП и других показателей с построением соответствующих графиков и организацией факторного анализа. Такие программные обеспечения могут оказаться полезным подспорьем
при дальнейшем исследовании и промышленном проектировании мини-ТЭЦ на базе водогрейной котельной с расширителем.
В Ы В О Д Ы
1. Разработанный комплекс программных средств (МиТ5, МиТ6, ТГК1, Ст16р и др.) позволяет с целью выбора оптимального сопоставлять два варианта модернизации водогрейного котла (котельной):
• путем повышения давления в котле с дополнительной установкой расширителя и теплофикационной турбины;
• путем замены водогрейного котла когенерационной установкой.
2. Модернизация водогрейной котельной путем установки расширителя и турбины с генератором малой мощности (порядка 3-6 % от суммарной мощности энергоисточника) позволяет уменьшить затраты на обеспечение электроэнергией собственных нужд, практически не вытесняя теплофикационную загрузку энергосистемы в целом, чего нельзя сказать о КГУ.
3. Перевод водогрейных котлов на повышенное давление и установку расширителя для питания турбины с противодавлением следует рассматривать как эффективное мероприятие не только в плане модернизации традиционных теплоисточников. В порядке следствия - это мера, позволяющая повысить эффективность системы теплоснабжения в целом путем увеличения температурного уровня теплоносителя и уменьшения его циркуляции.
4. В плане эффективности топливоиспользования модернизированная водогрейная котельная с расширителем при известных условиях может оказаться конкурентоспособной в сравнении к КГУ и даже превзойти ее.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Б у з н и к о в, Е. Ф. Производственные и отопительные котельные / Е. Ф. Бузников, К. Ф. Роддатис, Э. Я. Берзиньш. - М.: Энергия, 1974.
2. Б у з н и к о в, Е. Ф. Комбинированная выработка пара и горячей воды / Е. Ф. Бузников, А. К. Крылов, Л. А. Лесниковский. - М.: Энергоиздат, 1981.
3. Б а л а б а н о в и ч, В. К. Турбины ТРБ: перспективы применения / В. К. Балабано-вич // Энергетика и ТЭК. - 2005. - № 12.
4. Б а л а б а н о в и ч, В. К. Как повысить эффективность оборудования? / В. К. Балаба-нович, В. А. Седнин, Н. В. Пантелей // Энергетика и ТЭК. - 2008. - № 10.
5. С п о с о б работы турбомашин Балабановича малой мощности и устройство для его реализации / В. К. Балабанович [и др.] // Евразийский патент. - № 007359, 1998.
6. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Оценка теплопотерь и эффективности работы теплосетей / Б. А. Байрашевский / Изв. НАН. Сер. ФТН. - 2004. - № 4.
7. К о г е н е р а ц и о н н ы е установки. Рекламно-технические показатели // Энергия и Менеджмент. - 2004. - № 3.
8. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Оценка эффективности когенерационной установки с позиций адекватных показателей мини-ТЭЦ / Б. А. Байрашевский, Н. П. Борушко, М. И. Ша-вельзон // Энергия и Менеджмент. - 2005. - № 4.
9. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Основы нетрадиционного анализа показателей экономичности ТЭЦ и объединений / Б. А. Байрашевский // Изв. НАН. Сер. ФТН. - 1995. - № 3.
10. В н у к о в, А. К. Резервы энергосбережения районных котельных / А. К. Внуков // Энергетика и ТЭК. - 2008. - № 3.
11. Богданов, А. В. Котельнизация России - беда национального масштаба / А. В. Богданов // Новости теплоснабжения. - 2006. - № 10-12; 2007. - № 4, 5, 7.
12. Ш к о д а, Н. И. Теплофикация против децентрализации / Н. И. Шкода // Энергия и Менеджмент. - 2007. - № 4.
Представлена кафедрой ПТЭ и Т БНТУ Поступила 14.05.2010
