CC BY
26УДК 621.04.18
Bulat M. Nizameev, Vladimir K. Ilyin, Denis A. Ryzhov, Leon A. Rusinov, Nikolay V. Vorobiev
INCREASING OF BOILER STATION ENERGY EFFICIENCY BY THE OPTIMUM DISTRIBUTION OF LOAD BETWEEN THE BOILERS
Kazan State Power Engineering University, Krasnoselskaya str., 51, Kazan, 420066 Russia
Kazan National Research Technological University, K. Marx str., 68, Kazan, 420015, Russia
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: nbm89@mail.ru
The paper describes a method for increasing the efficiency of the boiler station based on the optimization of load distribution between boilers. The energy effciency concept is considered various approaches and methods of load distribution between boilers are described their advantages and disadvantages are discussed.
Keywords: energy efficiency, energy conservation, optimization, energy characteristics, the method of equal relative increments.
Б.М. Низамеев1, В.К. Ильин2, Д.А. Рыжов3, Л.А. Русинов4, Н.В. Воробьев5
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЕЛЬНОЙ ПУТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ МЕЖДУ КОТЛОАГРЕГАТАМИ
Казанский государственный энергетический университет, Красносельская ул., 51, г. Казань, 420066, Россия Казанский национальный исследовательский технологический университет, К. Маркса, 68, г. Казань 420015, Россия Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: nbm89@mail.ru
В статье рассмотрен метод повышения энергоэффективности котельной, основанный на оптимизации распределении нагрузки между котлоагрегатами. Раскрывается понятие энергоэффективности, описываются различные подходы и способы распределения нагрузок между котлоагрегатами, описываются их преимущества и недостатки
Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, оптимизация, энергетические характеристики, метод равенства относительных приростов
В настоящее время большое внимание уделяется энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Во всем мире принимаются соответствующие законы, стратегии, программы, которые направлены на стимулирование рационального использования энергетических ресурсов. В России главным законом в области повышения энергоэффективности является Федеральный закон N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...», принятый в 2009 г. Исходя из необходимости рационального использования энергетических ресурсов, разрабатываются новые технологии, внедряется энергосберегающее оборудование. Несомненно, это приводит к экономии энергетических ресурсов. Однако не всегда предприятия готовы инвестировать миллионы на внедрение энергоэффективных технологий. Тем
не менее, значительный эффект в повышении энергоэффективности может быть достигнут без больших капитальных затрат за счет оптимизации уже существующей системы энергоснабжения как на стороне генерации энергии, так и на стороне ее потребления. Таким образом, цель повышения энергетической эффективности может быть достигнута за счет самого выгодного режима работы, который в первую очередь определяется распределением нагрузок между агрегатами.
Существует несколько подходов к определению энергоэффективности. Федеральный закон N 261-ФЗ определяет энергетическую эффективность как характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения
1 Низамеев Булат Маратович, аспирант, каф. энергообеспечения предприятий и энергоресурсосберегающих технологий Казанского государственного энергетического университета, e-mail: nbm89@mail.ru
Bulat M. Nizameev, post-graduate student, department of power supply of enterprises and energy resource saving technologies, Kazan State Power Engineering University
2 Ильин Владимир Кузьмич, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. энергообеспечения предприятий и энергоресурсосберегающих технологий Казанского государственного энергетического университета, e-mail: ilinwk@rambler.ru
Vladimir K. Ilyin, Dr Sci (Eng.), Professor, Head of department of power supply of enterprises and energy resource saving technologies, Kazan State Power Engineering University
3 Рыжов Денис Александрович, канд. техн. наук, доцент, каф. системотехники Казанского национального исследовательского технологического университета,. e-mail: denis.ryzhov@inbox.ru
Denis A. Ryzhov, PhD (Eng.), Associate Professor, department of system engineering, Kazan National Research Technological University
4 Русинов Леон Абрамович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. автоматизации процессов химической промышленности СПбГТИ(ТУ), e-mail: lrusinov@ yandex.ru
Leon A. Rusinov, Dr Sci (Eng), Professor, Head of the department Chemical Engineering Control St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University)
5 Воробьёв Николай Вячеславович, канд. техн. наук, ст. препод. каф. автоматизации процессов химической промышленности СПбГТИ(ТУ), ,, e-mail: enicolas@yandex.ru
Nikolay V. Vorobiev, PhD (Eng.), Senior Lecturer, Department Chemical Engineering Control St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University) Дата поступления - 22 января 2016 года
такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю. [1] Энергетической эффективностью также называют эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов. В отличие от энергосбережения, главным образом направленного на уменьшение энергопотребления, энергоэффективность - это полезное расходование энергии.
Энергоэффективность - это степень полезного использования подводимой к той или иной энергоустановке первичной энергии, которая зависит от применяемой технологии для производства продукции, выполнения работ и оказания услуг [2].
Комплексное повышение энергетической эффективности современного предприятия состоит из оптимизации энергопотребления технологического процесса оптимизации нагрузок параллельно работающего энергетического оборудования.
В данной статье основное внимание уделено повышению энергоэффективности за счет оптимизации режима работы котельных агрегатов.
В практике работы котельных правильному распределению нагрузок между котлоагрегатами не всегда уделяется должное внимание, в связи с чем вполне доступная экономия топлива часто не реализуется и средние эксплуатационные удельные расходы топлива остаются завышенными. [3]
Оптимальный режим работы энергетической системы определяется энергетическими характеристиками, которые должны быть определены экспериментально при работе с нормальными параметрами при исправном состоянии оборудования.
Энергетические характеристики устанавливают связь между подведенной к рассматриваемому объекту мощностью и мощностью на выходе объекта.
Основными энергетическим характеристиками являются: [4]
1) расходная характеристика;
2) характеристика потерь мощности;
3) характеристика коэффициента полезного действия (кпд);
4) характеристика удельного расхода;
5) характеристика относительного (удельного) прироста затрат в натуральном выражении (ХОП)
Экономичное распределение нагрузки между работающими котлами может производиться: [3]
• методом поддержания наибольшего КПД котло-агрегатов, при котором производится последовательная загрузка наиболее экономичных из агрегатов до полной их производительности, а затем менее экономичных;
• методом загрузки котлоагрегатов пропорционально их номинальной производительности (котлы, имеющие одинаковую производительность, загружаются поровну);
• методом равенства относительных приростов расхода топлива.
Ошибочным является представление о том, будто первоочередная загрузка агрегата, имеющего наименьший удельный расход (больший КПД), всегда более выгодна с точки зрения минимизации удельных расходов.
Наименьшие удельные расходы топлива достигаются при распределении нагрузок между энергетическими агрегатами методом равенства относительных приростов расхода топлив, иными словами характеристика относительных приростов затрат в натуральном выражении используется при решении задачи минимизации расхода энергоресурсов (топлива). Этот метод более подробно описывается в литературе [3].
Величину, характеризующую удельный прирост расхода топлива (удельный дополнительный расход топлива) №1 и ДB2, отнесенный к дополнительной производительности котлов №1 и ДD2, принято называть относительным приростом расхода топлива.
Для получения минимального суммарного расхода топлива каждый из котлов должен нести такую нагрузку, при которой наклон касательной к характеристике одного агрегата равен наклону касательной к характеристике другого агрегата, т.е. относительные приросты расхода топлива, приходящиеся на увеличение нагрузки котла, должны быть одинаковые.
Между одинаковыми котлоагрегатами суммарная нагрузка должна распределяться поровну.
В общем же случае, как указывалось, котлам с различными характеристиками дают нагрузку так, чтобы относительные приросты расхода топлива были одинаковыми для всех котлов при любых нагрузках.
Рассмотрим минимизацию удельных расходов на топливо на примере 3 котлоагрегатов. Таблица по потреблению газа трех паровых котлов, работающих в разных диапазонах производительности, представлена ниже.
Таблица 1. Потребление топлива котлоагрегатами
Нагрузка, т/ч Расход топлива котлом, кг/ч
№ 1 № 2 № 3
8 2341,182 - -
9 2385,708 - -
10 2432,94 2084,85 -
11 2486,568 2167,34 -
12 2546,838 2260 2181,3
13 2612,766 2365,09 2279,2
14 2690,01 2480,35 2381,5
15 2779,8 2605,78 2491,5
16 2878,2 2741,38 2608,1
17 2986,44 2887,15 2729,1
18 3106,98 3043,09 2857,8
19 3259,5 3206,94 2993,1
20 3444 3378,7 3140,5
21 - 3561,76 3300
22 - 3762,9 3468,3
23 - - 3652
24 - - 3847,8
25 - - 4052,4
Ниже представлен график зависимости расхода топлива от нагрузки котлов.
5 ю 15 20
Паропроизводительность, т/ч
Рисунок 1. Зависимость расхода топлива от нагрузки котлов
Как видно из графиков, наибольший расход топлива имеет котел 1, наименьший имеет котел номер 3. Далее, воспользовавшись таблицей 1, находим значения относительных приростов топлива.
По табличным данным строим график, связывающий среднюю нагрузку котлов и относительные приросты топлива.
25
20
в" 15
а
|
о.
Я 10
0
>
J ел 1 — ел 2 ел 3
-■- кот -*-1КОТ
/
0 50 100 150 200
Относительный прирост топлива, кг/ч
Рисунок 2. Зависимость прироста топлива от нагрузки
Таблица 2. Относительный прирост потребления топлива разными котлоагрегатами
Нагрузка, т/ч Относительный прирост топлива котла, кг/т
№ 1 № 2 № 3
8 - - -
9 44,526 - -
10 47,232 - -
11 53,628 82,49 -
12 60,27 92,66 -
13 65,928 105,09 97,9
14 77,244 115,26 102,3
15 89,79 125,43 110
16 98,4 135,6 116,6
17 108,24 145,77 121
18 120,54 155,94 128,7
19 152,52 163,85 135,3
20 184,5 171,76 147,4
21 - 183,06 159,5
22 - 201,14 168,3
23 - - 183,7
24 - - 195,8
25 - - 204,6
Далее, используя рисунок 2 и таблицу 2, строим график средней нагрузки каждого отдельного котлоагре-гата от суммарной нагрузки при условии равенства относительных приростов топлива (рисунок 3). К примеру, для требуемой суммарной нагрузки 45 т/ч, как следует из графиков, нагрузки на котлоагрегаты будут соответственно равны 16,858; 13,242; 14,9 т/ч при одинаковом относительном приросте расхода топлива (примерно 108 кг/т).
0 10 20 30 40 50 Суммарная нагрузка
Рисунок 3. Суммарная производительность при условии равенства относительных приростов топлива
В таблице ниже представлено сравнение расходов топлива при распределении суммарной нагрузки 45 т/ч методом равенства ХОП (метод 1) и методом равномерного распределения нагрузок (метод 2).
Таблица 3. Сравнение методов распределения нагрузок
Метод Суммарная нагрузка, т/ч Нагрузка котла, т/ч Расход топлива котлом , кг/ч Суммарный расход, кг/ч
№ 1 № 2 № 3 № 1 № 2 № 3
1 45 16,858 13,242 14,9 2971,037 2393,023 2480,494 7844,55
2 45 15 15 15 2779,8 2605,78 2491,5 7877,08
В рассмотренном случае экономия составила 32,5 кг/ч или 0,41 %. В случае суммарной нагрузки в 55 т/ч экономия составляет 24,6 кг/ч или 0,27%.
Выгодное распределение нагрузки между работающими котлами достигается также при нагрузке в первую очередь агрегата с минимальным относительным приростом расхода топлива, до тех пор, пока относительный прирост топлива на данном котлоагрегате не станет равным относительному приросту другого котло-агрегата. Возможны случаи, когда котельный агрегат с более низким КПД может в некоторых пределах его нагрузок иметь меньший относительный прирост расхода топлива, чем более экономичный котлоагрегат: в этих пределах на него и следует передавать соответствующие нагрузки.
Если характеристики котлоагрегатов выражаются прямыми линиями с различным наклоном, то распределение нагрузки между котлами по методу равных относительных приростов неприменимо, поскольку в этом случае каждый из агрегатов имеет постоянный относительный прирост расхода топлива и эти приросты не равны. В этом случае для достижения минимума расхода топлива котлоагрегат с меньшим наклоном характеристики должен быть загружен до полной производительности, а остальную часть нагрузки принимает котлоагрегат с более крутой характеристикой.
Рассмотрим, например,распределение суммарной нагрузки 40 т/ч между двумя котлоагрегатами с прямыми (у = кх + Ь) расходными характеристиками (рисунок 4).
Расход газа В для котлоагрегата № 1 при всех нагрузках выше, чем для котлоагрегата № 2. Поэтому согласно распространенным представлениям нужно загрузить полностью ф = 25 т/ч) агрегат № 2, а оставшуюся часть - ф = 15 т/ч) агрегата № 1, что дает расход газа по агрегату № 1 - 1700 м3/ч, по агрегату № 2 - 1277м3т/ч, что в сумме равно 2977 м3/ч.
В, м3/ч 2000
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
10 12,5 15 17,5 20 22,5 25
Рисунок 4. Расходные характеристики котлоагрегатов двух котлоагрегатов
Однако в рассматриваемом случае оптимальным (т.е. более экономичным с точки зрения затрат на топливо) является полная нагрузка менее экономичного агрегата № 1 и разгрузка до 15 т/ч агрегата № 2, что дает расход газа по агрегату № 1 - 735 м3/ч, а по № 2 - 1100 м3/ч, что в сумме составило 1835 м3/ч. В данном случае первоочередная загрузка более экономичного агрегата № 2 дает перерасход условного топлива на 142 м3/ч (4,7%).
Это объясняется тем, что основную роль для распределения мощностей между агрегатами играют не удельные (или полные) расходы, а относительные приросты, которые для данных блоков постоянны (расходная характеристика линейна) и составляют для агрегата № 1 - 7,7 м3/т, а для блока № 2 - 9,7 м3/т.
При невозможности или сложности применения метода равенства относительных приростов расхода топлива пользуются двумя другими методами распределения нагрузки между котлами - по принципу наибольшего КПД или пропорционально производительности котлов.
Следует заметить, что в последнее время критерий оптимизации режима изменился от минимизации расхода топлива к минимизации затрат на топливо [6]. В этом случае представляет интерес характеристика относительных приростов затрат в стоимостном выражении. Остальные факторы учитываются в виде ограничений. С другой стороны, реальность окружающего мира может изменить задаваемые критерии оптимизации, например, в сторону экологических или других требований.
При применении всех методов, необходимо также учитывать дополнительные затраты на пуск котлоагрегатов. Для котлов разных типов время растопки из холодного состояния составляет 3^5 ч. При включении котла из неостывшего состояния (после простоя до двух суток) время растопки и пусковые потери сокращаются. [7]
Потери энергии, связанные с работой короткими циклами, имеют место всякий раз, когда котел останавливается на короткий промежуток времени. При этом цикл котла состоит из периода продувки, операций, следующих за продувкой, периода останова, начальной продувки и запуска. Некоторые потери в период продувки и бездействия могут быть незначительными в случае современных котлов с хорошей теплоизоляцией, но могут достигать значительно большей величины в случае старых котлов с некачественной изоляцией. Иными словами, необходимо оценивать, не превышают ли затраты на пуск и останов котла значения экономии при оптимизации распределения нагрузок.
Таким образом, можно сделать вывод, что повышение энергетической эффективности котельной может быть достигнуто и без дорогостоящей модернизации оборудования. Только за счет оптимального распределения нагрузок между котлоагрегатами, к примеру, в данном конкретном случае применяя метод равенства относительных приростов расхода топлива, часовая экономия топлива может достигать более 0,5 %.
Литература
1 Федеральный закон от 23 ноября 2009 года ФЗ-261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Выходные данные
2. Гулбрандсен Т.Х., Падалко Л.П., Червинский В.Л. Энергоэффективность и энергетический менеджмент. Минск: БГАТУ, 2010. 240 с.
3. Волковыский Е.Г., Шустер А.Г. Экономия топлива в котельных установках. М.: Энергия, 1973. 304 с.
4. Маркович И.М. Режимы энергетических систем, М.: Энергия, 1969, 372 с.
5. Горнштейн В.М., Мирошниченко Б.П., Пономарев А.В. [и др.]. Методы оптимизации режимов энергосистем. М.: Энергия, 1981. 336 с.
6. Рогалёв Н.Д., Зубкова А.Д., Мастерова И.А. [и др.]: Экономика энергетики: уч. пособие для вузов / под ред. Н.Д. Рогалева.- М.: Изд-во МЭИ, 2005. 288 с
7. Федотов С.А. Оптимизация режимов энергосистем в условиях перехода к рыночным отношениям в энергетике: уч. пособие. Хабаровск: ДВГУПС, 2006. 92 с.
В1
в2
