CC BY
202
УДК 620.92.002.68; 620.92.004.8 К.А. Цой, К.А. Штым
ЦОЙ Константин Алексеевич - аспирант кафедры теплоэнергетики и теплотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: e-service_tsoy@mail.ru, ШТЫМ Константин Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики и теплотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). © Цой К.А., Штым К.А., 2012
Повышение эффективности работы
энергетических котельных агрегатов
при сжигании природного газа методом использования
скрытой теплоты конденсации водяных паров уходящих газов
Рассмотрена необходимость применения конденсационных теплообменников для энергетических котельных агрегатов, сжигающих природный газ, с целью повышения эффективности использования природных топливных ресурсов.
Ключевые слова: энергетические котлы, газовое топливо, теплота сгорания, конденсационные теплообменники.
Improving the efficiency of energy boilers in the combustion of gaseous fuels by using latent heat of condensation water vapor in flue gases. Konstantin A. Tsoy, Konstantin A. Shtym - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
This article discusses the need condensing heat exchangers for energy boilersthat burn gaseous fuels for improve efficiency use of natural fuel resources.
Key words: energy boilers, gaseous fuel, heating value of fuel, condensation heat exchangers.
Современное развитие энергетики характеризуется не только значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов природных ресурсов, но и постоянно увеличивающимися проблемами, связанными с охраной окружающей среды, в частности воздействием теплогенерирующих установок и промышленных предприятий. Совершенствование энерготехнологий, энергосбережение, экономия топлива и других природных ресурсов, охрана окружающей среды сегодня приоритетные направления развития фундаментальных исследований в области энергетики.
Количество теплоты, выделившейся при сгорании единицы топлива с образованием водяного пара (при температуре продуктов сгорания не ниже 100 оС при атмосферном давлении), называют низшей теплотой сгорания. Если же в составе продуктов сгорания влага находится в жидком фазовом состоянии (вода), то результирующее количество теплоты называют высшей теплотой сгорания топлива. Следовательно, низшая теплота сгорания отличается от высшей расходом теплоты на испарение влаги, содержащейся в топливе и образующейся при сгорании водорода. Вследствие этого при сжигании влажного топлива с высокой долей водорода высшая и низшая теплота сгорания существенно различаются.
Содержание в топливе небольшого количества влаги мало отражается на его жаропроизводительности: повышение влажности на 10% приблизительно снижает жаропроизводительность на 2%. Иная картина при рассмотрении снижения теплоты сгорания вследствие изменения влажности топлива: при ее повышении на 10% теплота сгорания уменьшается также на 10%. Потому при сжигании природного газа (и других видов бессернистого топлива с высоким содержанием водорода) эффективность использования скрытой теплоты конденсации влаги в уходящих газах является наиболее обоснованной. У природного газа, состоящего в основном из метана и около 25% водорода (по массе), высшая теплота сгорания превышает низшую на 11% [1].
Поскольку температура уходящих газов за котельными агрегатами и в дымовой трубе на существующих и проектируемых энергетических установках выше температуры точки росы (выше температуры конденсации водяного пара), теплотехнические расчеты (в том числе нормативные) выполняют на основе низшей теплоты сгорания топлива [1].
Однако при сжигании природного газа (и других видов бессернистого топлива с высоким содержанием водорода) возможно явное повышение эффективности с использованием скрытой теплоты конденсации влаги в уходящих газах, следовательно, теплотехнические расчеты подобных котельных агрегатов необходимо проводить для двух вариантов:
- с температурой уходящих газов выше точки росы, т.е. без конденсации влажных газов; при расчете используется низшая теплота сгорания топлива; на основе экспериментальных данных снижение КПД котельного агрегата за счет потерь теплоты с уходящими газами составляет 8-12% [1];
- с температурой уходящих газов ниже «точки росы», т.е. с конденсацией влажных газов в специализированных теплообменниках конденсационного типа; в тепловом расчете используется высшая теплота сгорания топлива; на основе экспериментальных данных повышение КПД котельного агрегата за счет уменьшения потерь теплоты с уходящими газами составляет 3-7%.
Следовательно, одним из путей существенного повышения коэффициента использования топлива является так называемое глубокое охлаждение (ниже точки росы) продуктов сгорания в конденсационных теплоути-лизаторах. Однако внедрение конденсационных теплоутилизаторов поверхностного типа существенно сдерживается отсутствием теоретических разработок по тепло- и массообмену в условиях конденсации водяных паров из продуктов сгорания.
Ранее «хвостовые» конвективные теплообменники за котельными агрегатами проектировались исходя из условия охлаждения дымовых газов в них до температуры 140-150 °С. Это было обусловлено в основном двумя обстоятельствами:
1) технико-экономическая нецелесообразность более глубокого охлаждения газов при имевшем место соотношении цен на топливо и металл;
2) возможность коррозии теплообменных поверхностей выпадающим конденсатом при охлаждении газов до температуры ниже точки росы.
В настоящее время положение существенно изменилось, стало экономически целесообразным глубокое охлаждение дымовых газов в результате резкого повышения цен на топливо и тепловую энергию и появления более совершенных конструкций металлических теплообменников, в частности биметаллических.
Для глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы до последних лет использовались в основном только контактные теплообменники. Их применение обеспечивает развитую поверхность и высокую интенсивность теплообмена, превышающую на порядок коэффициенты теплоотдачи при конвективном теп-лопереносе. Однако при этом нагреваемая контактным способом вода поглощает из продуктов сгорания углекислоту, и кислород может приобретать коррозийно-агрессивные свойства.
Радикальным способом устранения этих затруднений является использование для глубокого охлаждения уходящих газов конденсационных теплообменников поверхностного типа. Поверхность теплообмена конденсационных теплообменников значительно более развита по сравнению с обычными экономайзерами и составляет, как и в контактных теплообменниках, сотни квадратных метров на 1 м3 объема аппарата. Коэффициенты теплоотдачи дымовых газов к поверхностям нагрева при глубоком охлаждении, сопровождающемся конденсацией водяных паров из газов, существенно выше коэффициентов конвективной теплоотдачи и соизмеримы с коэффициентами теплообмена для контактных аппаратов.
Конденсационные котлы и экономайзеры можно изготавливать из различных материалов. Общим условием для всех конденсационных теплообменников поверхностного типа является высокая коррозионная стойкость, поскольку выделяющийся из продуктов сгорания конденсат имеет кислую реакцию. Для изготовления конденсационных теплообменников применяют нержавеющую сталь, чугун, медь, биметаллические трубы (сталь-алюминий), полимерные материалы и даже керамику. Применение коррозионно-стойких материалов позволило создать конденсационные теплообменники и для утилизации теплоты уходящих газов жидкого топлива.
Охлаждение дымовых газов в конденсационных теплоутилизаторах ниже точки росы снижает их влаго-содержание, но не исключает возможности конденсации остаточных водяных паров в наружных газоходах и в дымовой трубе. Следовательно, не менее важной задачей является определение параметров, при которых обеспечивается надежная эксплуатация наружных газоходов и дымовых труб, отводящих в атмосферу охлажденные и частично осушенные в конденсационных теплообменниках продукты сгорания.
Особенно актуальна проблема эффективности сжигания топлива для юго-восточной части Дальневосточного региона РФ, где в соответствии с федеральной «Восточной газовой программой» производится газификация Приморского края. Тепловые электростанции, ТЭЦ и малые котельные данного региона в основном предназначены для сжигания твердого топлива, в соответствии с вышеуказанной программой производится их перевод на природный газ, что подразумевает значительное повышение коэффициента полезного действия и коэффициента использования топлива, если при проектировании и строительстве сооружений газового хозяйства данных энергоисточников произвести также тщательный пересмотр тепловой
и аэродинамической схемы котельных агрегатов, подбор и установку необходимых теплоутилизаторов для глубокого охлаждения дымовых газов и использования скрытой теплоты конденсации водяных паров.
Центром «Модернизации котельной техники» кафедры теплотехники и теплоэнергетики Инженерной школы ДВФУ проведено множество испытаний крупных энергетических, производственных и отопительных котельных агрегатов. Так, был выполнен и реализован проект модернизации котла КВГМ-100-150МЦ при работе на мазуте и газовом топливе без использования конденсационных теплообменников, с регулированием температуры уходящих газов изменением циркуляции - движения сетевой воды в контурах котла по прямой и обратной схемам. Результаты показали, что при 100-процентной нагрузке (100 Гкал/ч), при понижении температуры уходящих газов от 125 до 103 оС и расходе топлива от 12,45 тыс. до 12,31 тыс. м3/ч повышение коэффициента полезного действия котельного агрегата составляет 1,08% (от 94,03 до 95,11%). При более глубоком охлаждении уходящих газов (до 40-50 оС) с использованием скрытой теплоты конденсации влаги в составе уходящих газов для нагрева воздуха, направляемого на горение, ожидается повышение коэффициента полезного действия котельного агрегата до 98-99%.
Новизна и актуальность идеи заключается в широких возможностях предварительного компьютеризированного математического моделирования данных процессов в современных программных продуктах, что позволяет тщательно проработать различные конструкции, компоновки, используемые материалы; проработать различные режимы эксплуатации оборудования [2]. Эти возможности позволяют спроектировать данный агрегат для работы в любых условиях с высокой точностью для котельных агрегатов различной мощности.
Ранее научные исследования конденсационного теплообмена при снижении температуры уходящих газов проводились разрозненно, в основном путем модернизации экономайзеров, где теплотой уходящих газов нагревалась питательная или сетевая вода. Однако низкий градиент температур (при температуре уходящих газов 140-180 оС температура охлаждающей среды - воды - составляла 70-102 оС) определял необходимость использования большой поверхность теплообмена, т.е. большую металлоемкость данного оборудования [2]. Данной идеей предлагается исследование конденсационного теплообмена методом компьютеризированного математического моделирования при охлаждающей среде - воздух с температурой от -30 оС - при заборе наружного воздуха до +35 оС - при заборе воздуха из верхней зоны котельного зала. По результатам исследования математической модели конкретного конденсационного теплообменника возможно выявление оптимальных температур охлаждающей среды для создания лучших условий теплообмена в различных режимах работы котельного агрегата. Разработка системы автоматического регулирования конденсационного теплообменника должна включать возможность регулирования температуры уходящих газов управлением температурой или расходом охлаждающей среды. Корректирующими параметрами будут являться уровень конденсата в конденсатной камере, температура и другие параметры газовой и жидкой сред.
Актуальность данной идеи прослеживается в применении теплообменников конденсационного типа как на крупных энергетических объектах - тепловых электростанциях и теплоэнергоцентралях, электростанциях с газовыми турбинами, так и на малых теплоисточниках - котельных с агрегатами малой мощности. Известно, что основные расходы энергетических объектов (до 70%) составляют затраты на топливо. Внедрение данной идеи позволит значительно их снизить (от 3 до 15% при переменных нагрузках) за счет повышения совершенности технологического процесса сжигания с практически полным использованием выделившейся теплоты, что подразумевает краткие сроки окупаемости затрат на проектирование, изготовление и монтаж данных теплообменников.
Широкое распространение контактных и поверхностных конденсационных теплообменников к традиционным котлам обусловлено, наряду с энергосбережением, уменьшением вредных выбросов в атмосферу, вызванным при использовании поверхностных конденсационных экономайзеров растворением в конденсате продуктов сгорания определенного количества оксидов углерода, азота и серы (если она содержится в топливе). Снижение вредных выбросов достигается также и за счет уменьшения расхода топлива. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов в области утилизации теплоты уходящих дымовых газов в газифицированных котельных позволяет сделать вывод, что данное направление является одним из самых приоритетных направлений по повышению эффективности сжигания топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Левушкина Ю.В., Орлов М.Е., Шарапов В.И. Снижение потерь теплоты с уходящими газами теплогенерирующих установок // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы Четвертой рос. науч.-техн. конф. Ульяновск, 2003. С. 121-127.
2. Фиалко Н.М., Гомон В.И., Навродская Р.А., Прокопов В.Г., Пресич Г.А. Особенности методики расчета поверхностных теплоутилизаторов конденсационного типа // Промышленная теплоэнергетика. 2000. Т. 22, № 2. С. 49-53.
