CC BY
18Статья поступила в редакцию 01.07.14. Ред. рег. № 2056
The article has entered in publishing office 01.07.14. Ed. reg. No. 2056
УДК 621.187.142
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК КОММУНАЛЬНОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ ПУТЕМ КОМБИНИРОВАННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Н.М. Фиалко, Р.А. Навродская, Г.А. Гнедаш, Г.А. Пресич, А.И. Степанова, С.И. Шевчук
Институт технической теплофизики НАН Украины Украина, Киев, 03057, ул. Желябова, д. 2а Тел./факс: 453-28-59, е-mail: admin@ittf.kiev.ua
Заключение совета рецензентов: 06.07.14 Заключение совета экспертов: 10.07.14 Принято к публикации: 15.07.14
На основе анализа существующих систем глубокой утилизации теплоты отходящих газов котлоагрегатов коммунального назначения рассмотрены пути повышения их тепловой эффективности и обосновано применение для более глубокого охлаждения этих газов теплоутилизационных систем с комбинированным использованием утилизированной теплоты: для подогревания обратной воды котла и более холодного теплоносителя для нужд котельной.
Ключевые слова: котельная установка, отходящие газы, водогрейный и воздухогрейный теплоутилизатор, комбинированные системы, конденсационный режим.
EFFICIENCY INCREASE OF MUNICIPAL POWER BOILER-INSTALLATIONS SYSTEM BY THE COMBINED USE OF EXHAUST GASES FOR HEATING
N.M. Fialko, R.A. Navrodskaya, G.A. Gnedash, G.A. Presich, A.I. Stepanova, S.I. Shevchuk
Institute of Engineering Thermophysics of NASU
2а Zhelyabova str., Kiev, 03057, Ukraine Tel./fax: 453-28-59, e-mail: admin@ittf.kiev.ua
Referred: 06.07.14 Expertise: 10.07.14 Accepted: 15.07.14
Based on the analysis of real condenser heat-recovering systems for domestic gas-fired boilers, the ways to increase their thermal efficiency are considered and application is substantiated for deeper cooling of these gases in heat-recovering systems with combined use of the recovered heat for warming up return water for a boiler and cooling down the heat-carrier for needs of a boiler-plant.
Keywords: boiler-installation, exhaust gases, water-heat and air-heat utilizer, combined system, condensing mode.
Одним из направлений энергосбережения в теплоэнергетике является повышение эффективности использования топлива в котлоагрегатах путем глубокой утилизации теплоты отходящих газов. Известные теплоутилизационные технологии, предназначенные для нагрева дутьевого воздуха или обратной теплосетевой воды, обычно обеспечивают охлаждение дымовых газов до температуры 70-80 °С. Такой температурный уровень уходящих газов отвечает увеличению КПД котла только на 2-4%.
При более глубоком охлаждении уходящих газов, в том числе и ниже температуры точки росы /р содержащегося в них водяного пара (с использованием теплоты конденсации этого пара), КПД котла повы-
шается значительно. Интенсивность процесса конденсации пара существенно зависит от температуры нагреваемого в теплоутилизаторе теплоносителя /т. Очевидно, что для реализации глубокой теплоутили-зации газов должно соблюдаться условие /т < /р. Значение /р для отходящих газов котла зависит исключительно от их влагосодержания, которое определяется величиной коэффициента избытка воздуха в газах а. При сжигании природного газа среднего состава /р составляет: 58 °С при а = 1,1; 53,2 °С при а = 1,5 [1, 2]. В случае установки за котлами тепло-утилизаторов для предварительного нагрева обратной воды теплосети, температура которой на протяжении отопительного периода обычно изменяется в
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (155) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
пределах /т = 30-70 °С [2-4], конденсационный режим реализуется только в осенне-весеннее время, когда /т < 50 °С. При использовании таких теплоутилизато-ров обеспечивается повышение КПД котла Дп на 36% и, в частности, большее значение Дп отвечает теплому периоду отопительного сезона.
Для глубокой теплоутилизации отходящих газов котельных установок на протяжении всего периода отопления (с целью повышения КПД котла или коэффициента использования теплоты топлива КИТ) в теплоутилизационной схеме после указанного водогрейного теплоутилизатора может быть установлен еще один теплообменник, в котором нагреваемый теплоноситель имеет более низкую температуру, чем обратная вода котла. Таким теплоносителем может служить холодная сырая вода, которая поступает в систему химводоочистки, или наружный воздух. При этом в теплоутилизационной установке будет осуществляться комбинированное использование утилизированной теплоты, а именно: для нагрева обратной теплосетевой воды и более холодного теплоносителя. На рис. 1, 2 в качестве примера приведены схемы котельных установок с указанным комбинированием.
Рис. 1. Принципиальная схема теплоутилизационной установки с комбинированным применением двух водогрейных теплоутилизаторов: 1 - котел; 2 - нагреватель обратной воды и нагреватель сырой воды; 3 - газоподогреватель; 4 - дымовая труба; 5 - дымосос
Fig. 1. Basic scheme of a heat recovery installations with
the combined use of water-heating utilizers: 1 - boiler; 2 - return water-heater and raw water-heater; 3 - gas-heater; 4 - chimney; 5 - exhauster
Рис. 2. Принципиальная схема теплоутилизационной установки с комбинированным применением водо- и воздухогрейного теплоутилизаторов: 1 - котел; 2 - нагреватель обратной воды;
3 - воздухонагреватель; 4 - газоподогреватель; 5 - дымовая труба; 6 - дымосос; 7 - вентилятор
Fig. 2. Basic scheme of a heat recovery installations with the combined use water-heating and air-heating utilizers: 1 - boiler; 2 - return water-heater; 3 - air-heater;
4 - gas-heater; 5 - chimney; 6 - exhauster; 7 - fan
В случае совместного применения водогрейных теплообменников (см. рис. 1) для использования утилизированной теплоты в котле (при подогреве обратной воды) и в системе химводоочистки (ХВО) (при подогреве сырой воды) будет обеспечиваться повышение эффективности использования теплоты топлива котла КИТ за счет доохлаждения отходящих газов теплоносителем с начальной температурой 510 °С. На рис. 3 приведены результаты расчетов уровня повышения КПД (КИТ) Дп котла для двух вариантов использования утилизированной теплоты, а именно: только для нужд котла и при комбинированном использовании теплоты (с дополнением теплоутилизационной схемы согласно рис. 1 вторым теплоутилизатором для подогрева воды системы ХВО). Расчеты выполнены для следующих условий: поверхность теплообмена указанных теплообменников состоит из оребренных биметаллических труб (стальная основа и алюминиевое оребрение), расчетная температура наружного воздуха системы отопления ^ = -20 °С, ее температурный перепад ДТ = = 70-115 °С, расход воды на ХВО отвечает нормам подпитки (1,5% от расхода воды на котел), начальная температура сырой воды 5 °С, конечная - 30-40 °С.
10
At), %
?
-*- 3
1 >--.
С--1 Í-1
I--
-20
-10
L
10
Рис. 3. Зависимость от температуры наружного воздуха ¿нв уровня повышения КПД (КИТ) котла Дп при использовании утилизированной теплоты для подогрева обратной воды (1), сырой воды ХВО (2) и при комбинированном использовании теплоты (3)
Fig. 3. Dependence on outside air temperature tm level to increase efficiency CE (FUF) boiler Дп using recovery-heat for heating return water (1), raw water to the chemical water treatment (2) and the combined use of heat (3)
Как видно из полученных результатов, комбинирование теплоутилизаторов может обеспечить более глубокое охлаждение отходящих газов и повышение КИТ котельной установки в пределах отопительного периода на 5,2-9,8%, а при использовании утилизированной теплоты только для нагрева обратной теп-лосетевой воды КПД котла возрастает на 3,1-6%. При этом меньшее значение повышения КПД (КИТ)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (155) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Экологические аспекты энергетики. Энергетика и экология
котельного агрегата отвечает холодному времени отопительного сезона, когда температура обратной воды котла и > 50 °С, а большее - осенне-весеннему периоду, в котором температура обратной воды тепловой сети /т < 50 °С. Следует отметить, что общая теплообменная поверхность агрегатированных в одном корпусе двух водогрейных теплоутилизаторов увеличивается на 15% по сравнению с поверхностью теплоутилизатора только для подогрева обратной теплосетевой воды.
Схема рис. 2 отвечает комбинированию водо- и воздухогрейного теплоутилизаторов. В такой схеме водонагреватель располагается перед воздухонагревателем по ходу дымовых газов. При этом вся утилизированная теплота используется в котле: для подогрева обратной воды и дутьевого воздуха, поступающего на горение. Указанное комбинирование теплоутилизаторов будет обеспечивать конденсационный режим работы теплоутилизационного оборудования на протяжении всего отопительного сезона, поскольку в самый холодный период года (при ^ < 0 °С) глубокая тепло-утилизация газов может реализовываться за счет холодного воздуха, а в осенне-весеннее время (при 4в > 0 °С) - за счет снижения температуры воды (/т < 50 °С) в обратной магистрали котельной.
Дть %
Л
[ -J
-20
-10
L
10
Рис. 4. Зависимость от температуры наружного воздуха ¿нв
уровня повышения КПД котла Дп при использовании утилизированной теплоты для подогрева обратной воды (1), дутьевого воздуха (2) и при комбинированном использовании теплоты (3) Fig. 4. Dependence on outside air temperature tm level to increase efficiency CE (FUF) boiler Дп using recovery-heat for heating return water (1), blow air (2) and the combined use of heat (3)
На рис. 4 приведены результаты расчетных исследований уровней повышения КПД котла при комбинировании водо- и воздухогрейного теплоути-лизаторов. Полученные результаты свидетельствуют, что применение воздухогрейного теплообменника (в частности панельного типа) для доохлаждения дымовых газов (см. рис. 2) обеспечивает дополнительное повышение КПД котла на 1,1-2,2% по сравнению с использованием только теплообменника для нагрева обратной теплосетевой воды, характеристики которого соответствуют данным рис. 3. Однако при этом теплообменная поверхность воздухоподогревателя более чем в 2 раза превышает поверхность теплообмена водогрейного теплообменника. Дальнейшее увеличение КПД котла связано с более значительным увеличением габаритов воздухогрейного теплоутилизатора. Поэтому применение указанной теплоутилизационной схемы целесообразно при малых расходах воды на подпитку тепловых сетей.
В обеих предлагаемых теплоутилизационных схемах (см. рис. 1, 2) предусмотрена защита газоот-водящих трактов от конденсатообразования, которое обычно имеет место при применении технологий с глубоким охлаждением дымовых газов. Защита обеспечивается путем использования двух тепловых методов: байпасирования дымовых газов мимо теп-лоутилизатора и подсушивания этих газов в газоподогревателе.
Конденсат, образованный при глубоком охлаждении дымовых газов, может полезно использоваться в котельной либо отводиться в канализацию через нейтрализатор с целью соблюдения норм сбросных стоков.
Согласно выполненным оценкам срок окупаемости затрат на внедрение теплоутилизационных установок с двумя водогрейными теплоутилизаторами не превышает 1,5 года, а при комбинировании водо- и воздухогрейных теплообменников - 2 лет.
Выводы
1. Применение комбинированного использования утилизированной теплоты для нагрева обратной теп-лосетевой воды и воды системы химводоочистки (или дутьевого воздуха) может обеспечить повышение КИТ (КПД) котла на 4,1-9,8%.
2. Совместное использование водогрейных теплообменников является предпочтительным по сравнению с комбинированием водо- и воздухогрейного теплоутилизаторов из-за значительных габаритов последнего.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (155) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Список литературы
1. Безлюдный П.П., Семенюк Л.Г., Николаев В.Н., Пересичный М.И. Определение температуры точки росы продуктов сгорания природного газа // Изв. вузов СССР. Энергетика. 1986. № 12. С. 89-91.
2. Фиалко Н.М., Аронов И.З., Навродская Р.А., Пресич Г.А. Эффективность применения конденсационных теплоутилизаторов в системах теплоснабжения // Промышленная теплотехника. 2003. Т. 25, № 3. С. 36-41.
3. Фиалко Н.М., Гомон В.И., Навродская Р.А, Прокопов В.Г., Пресич Г.А. Особенности методики расчета поверхностных теплоутилизаторов конденсационного типа // Промышленная теплотехника. 2000. № 2. С. 49-53.
4. Капишников А.П. Принципы развития конструкции конденсационных экономайзеров // Промышленная энергетика. 1999. № 3. С. 29-33.
References
1. Bezlüdnyj P.P., Semenük L.G., Nikolaev V.N., Peresicnyj M.I. Opredelenie temperatury tocki rosy produktov sgorania prirodnogo gaza // Izv. vuzov SSSR. Energetika. 1986. № 12. S. 89-91.
2. Fialko N.M., Aronov I.Z., Navrodskaa R.A., Presic G.A. Effektivnost' primenenia kondensacionnyh teplo-utilizatorov v sistemah teplosnabzenia // Promyslennaa teplotehnika. 2003. T. 25, № 3. S. 36-41.
3. Fialko N.M., Gomon V.I., Navrodskaa R.A, Prokopov V.G., Presic G.A. Osobennosti metodiki rasceta poverhnostnyh teploutilizatorov kondensacion-nogo tipa // Promyslennaa teplotehnika. 2000. № 2. S. 49-53.
4. Kapisnikov A.P. Principy razvitia konstrukcii kondensacionnyh ekonomajzerov // Promyslennaa energetika. 1999. № 3. S. 29-33.
Транслитерация по ISO 9:1995
- TATA — OO
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (155) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
