Дахин С.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

чаях использовать настолько низкое рабочее давление в систе-

ме, насколько это возможно, чтобы избежать значительных

перепадов давления, потерь энергии на клапанах и измери-

тельных приборах, а также дополнительных энергозатрат, свя-

занных с функционированием компрессоров и насосов.

Обычной практикой на промышленных предприятиях

является поддержание на входе турбины постоянного давле-

ния, соответствующего проектному уровню. Как правило, это

требует регулирования давления при помощи клапанов, что не

всегда является рациональным. С точки зрения второго начала

термодинамики, более эффективной является эксплуатация

турбины при переменном давлении и полностью открытыми

входными клапанами. Общей рекомендацией является исполь-

зование настолько больших клапанов, насколько это возмож-

но. В этом случае удовлетворительное дросселирование может

быть достигнуто при перепаде давления 5 – 10 % при макси-

мальном расходе рабочего тела, в отличие от перепада 25 – 50

% при использовании традиционных клапанов, размер кото-

рых является слишком малым.

Размеры насосов, обеспечивающих давление рабочего

тела, также должны быть подобраны с учетом конкретных ус-

ловий и их возможных вариаций.

Тем не менее, наилучшим вариантом является исполь-

зование турбодетандера, позволяющего осуществить «утили-

зацию» избыточного давления в условиях, приближенных к

изоэнтропийному, термодинамически обратимому процессу.

Турбина может использоваться для производства электроэнер-

гии.

Турбодетандеры могут применяться на новых или су-

щественно модернизируемых установках с учетом экономиче-

ских соображений и следующих факторов:

- турбодетандеры могут использоваться для производ-

ства электроэнергии или в качестве источника механической

энергии – для приведения в движение компрессора или венти-

лятора. Хотя использование турбодетандеров является опти-

мальным с точки зрения энергоэффективности, следует соот-

носить их предполагаемую потребность в паре с общим «паро-

вым балансом» предприятия. Чрезмерное количество или

мощность турбодетандеров могут привести к производству из-

быточного пара низкого давления, который придется стравли-

вать в атмосферу, что, в свою очередь, приведет к снижению

энергоэффективности. Кроме того, поток пара, необходимый

для функционирования турбодетандера, должен подаваться в

течение длительного времени. Непредсказуемое или нерегу-

лярное поступление пара затрудняет нахождение полезного

применения для энергии, производимой турбиной (за исклю-

чением тех маловероятных случаев, когда периоды поступле-

ния пара всегда совпадают с периодами потребностей в энер-

гии турбины);

- эффективное применение турбодетандеров требует

значительного перепада давления, а также высокого расхода

рабочего тела. В черной металлургии турбодетандерами обо-

рудуются доменные печи, поскольку в процессе плавки обра-

зуется мощный поток доменного газа.

Капитальные затраты на установку турбодетандера на

несколько порядков превышают стоимость обычных дроссе-

лей и редукционных клапанов. Поэтому при принятии реше-

ния об установке турбодетандера необходимо оценить его ми-

нимальную производительность, обеспечивающую окупае-

мость инвестиций, и соотнести ее с общим паровым балансом

предприятия. При низких массовых расходах рабочего тела

использование турбодетандера экономически неэффективно.

Для успешной интеграции в системы предприятия турбодетан-

дер должен на протяжении значительной части времени обес-

печивать надежное, стабильное производство энергии, соот-

ветствующее существующим потребностям [13].

Весьма перспективной для энергосбережения в газо-

транспортных системах является утилизация энергии избы-

точного давления природного газа, подводимого по газопрово-

дам к газораспределительным станциям (ГРС) и газораспреде-

лительным пунктам (ГРП) промышленных потребителей [37].

Результаты исследования характеристик ГРП показывают, что

суммарная располагаемая мощность наиболее крупных ГРП

тепловых электростанций России составляет около 926 МВт.

Экономический эффект от реализации проекта создания

турбодетандерного энерго-утилизационного комплекса

(ТЭУК) на ГРП котельной определяется:

- снижением себестоимости конечной продукции ко-

тельной за счѐт направляемой на собственные нужды части

вырабатываемой ТЭУК электроэнергии, расходы на производ-

ство которой ниже цены электроэнергии, приобретаемой у

энергоснабжающей компании;

- прибылью от реализации потребителям тепловой, а

также большей части производимой ТЭУК электрической

энергии.

Совокупность расходов, образующихся в процессе про-

изводства энергокомплексом и реализации (условной реализа-

ции) тепловой и электрической энергии, состоит из расходов

на электроэнергию (часть вырабатываемой энергокомплексом

электроэнергии используется для собственных нужд ТЭУК),

расходов на тепловую энергию (часть производимой энерго-

комплексом теплоты потребляется на подогрев газа на входе в

турбодетандер), расходов на топливный газ, воду (подготов-

ленная вода необходима для утилизации теплоты выхлопных

газов газотурбинного двигателя), материалы, ремонт, заработ-

ную плату обслуживающего ТЭУК персонала, амортизацион-

ные отчисления и налоговые платежи.

Например, для проекта строительства ТЭУК-7,5 на ГРП

водогрейной котельной основные показатели экономической

эффективности составляют:

- чистый приведѐнный доход – 4892144 дол. США;

- индекс (коэффициент) доходности – 1,67;

- простой период окупаемости – 4,23 года;

- внутренняя ставка доходности – 21,09 %.

Утилизация энергии продувочной воды котла

(утилизация теплоты пара вторичного вскипания)

Сведение к минимуму величины продувки котла спо-

собно значительно сократить потери энергии, поскольку тем-

пература продувочной воды непосредственно связана с темпе-

ратурой пара, производимого в котле.

Сброс продувочной воды котла приводит к потерям

энергии, составляющим 1 – 3 % энергии производимого пара.

Кроме того, дополнительные затраты могут быть связаны с

охлаждением сбрасываемых вод до температуры, установлен-

ной регулирующими органами.

Существует несколько способов сокращения объема

продувочной воды [13]:

- возврат конденсата. Конденсат не содержит твердых

взвешенных или растворимых примесей, которые могли бы

накапливаться внутри котла. Возврат половины конденсата

позволяет сократить величину продувки на 50 %;

- в зависимости от качества питательной воды могут

быть необходимы умягчение, декарбонизация и деминерали-

зация воды. Кроме того, могут быть необходимы деаэрация

воды и ее кондиционирование с использованием специальных

добавок. Требуемая величина продувки определяется общим

содержанием примесей в питательной воде, поступающей в

котел. В случае питания котла сырой водой коэффициент про-

дувки может достигать 7 – 8 %; водоподготовка позволяет сни-

зить эту величину до 3 % и менее;

- может быть также рассмотрен вариант установки ав-

томатизированной системы управления продувкой;

- спуск продувочной воды при среднем или низком дав-

лении, сопровождающийся выпариванием, – еще один способ

утилизации части энергии, содержащейся в этой воде.

Это метод применим на тех предприятиях, где имеется

паровая сеть с меньшим давлением, чем то, при котором про-

изводится пар. С точки зрения эксергии это решение может

быть более эффективным, чем простая рекуперация тепла про-

дувочной воды при помощи теплообменника.

Термическая деаэрация питательной воды также приво-

дит к потерям энергии в размере 1 - 3%. В процессе деаэрации

из питательной воды, находящейся под повышенным давлени-

ем при температуре около 103 °C, удаляются CO

и кислород.

Соответствующие потери могут быть сведены к минимуму по-

средством оптимизации расхода выпара деаэратора.

Потенциал утилизации энергии в продувочной воде (за-

висит от давления в котле) представлен в табл. 4 [13].

Таблица 4

Содержание энергии в продувочной воде (МДж/ч)

Коэффициент

продувки,

Рабочее давление в котле, бар

103

123

147

190

168

207

246

294

379

252

310

368

442

569

337

413

491

589

758

421

516

614

736

948

Кроме того, сокращение величины продувки приведет к

сокращению объема сточных вод, а также затрат энергии на

возможное охлаждение этих вод.

Оптимальная величина продувки определяется различ-

ными факторами, включая качество питательной воды и соот-

ветствующие процессы водоподготовки, долю возвращаемого

конденсата, тип котла и эксплуатационные условия (расход

воды, рабочее давление, тип топлива и т.д.). Как правило, ко-

эффициент продувки составляет 4 – 8 % свежей воды, пода-

ваемой в котел, однако может достигать 10 % в случае высоко-

го содержания растворенных веществ в подпиточной воде. Для

оптимизированных котельных величина продувки не должна

превышать 4 %, при этом, величина продувки должна опреде-

ляться содержанием добавок (антивспениватель, поглотитель

кислорода) в подготовленной воде, а не концентрацией рас-

творенных солей.

Недостаточные объемы продувки могут привести к из-

носу и повреждению оборудования, а избыточные – к непро-

изводительному расходу энергии.

Энергия продувочной воды котла может использоваться

для предварительного подогрева питательной воды при помо-

щи теплообменника. Рассмотрение возможности утилизации

теплоты продувочной воды целесообразно для любого котла,

где величина непрерывной продувки превышает 4 % массово-

го расхода производимого пара.

Альтернативным вариантом утилизации энергии проду-

вочной воды является выпаривание последней при среднем

или низком давлении, например в сепараторах непрерывной

продувки с возвратом выпара в схему котельной через деаэра-

тор.

Выпар образуется при расширении конденсата, нахо-

дящегося под высоким давлением. Когда давление снижается,

часть конденсата повторно испаряется, образуя выпар. По-

следний содержит как очищенную воду, так и значительное

количество тепловой энергии.

Утилизация энергии выпара может быть достигнута по-

средством теплообмена с подпиточной водой котла. Если при

продувке котла для снижения давления воды используется

расширительный бак, при этом также образуется выпар низко-

го давления. Это выпар не содержит растворенных солей, а его

энергия составляет значительную часть тепловой энергии про-

дувочной воды. Поэтому выпар может быть направлен непо-

средственно в деаэратор, где он смешается с сырой подпиточ-

ной водой.

Следует, однако, иметь в виду, что выпар занимает го-

раздо больший объем, чем конденсат.

Устройство возвратных труб должно обеспечивать при-

ем выпара без значительного повышения давления в системе.

В противном случае возникшее противодавление может нару-

шить функционирование конденсатоотводчиков и других уст-

ройств выше по паропроводу.

В пределах котельной выпар, так же, как и конденсат,

может использоваться для подогрева питательной воды в де-

аэраторе. Другим вариантом является использование энергии

выпара для предварительного подогрева воздуха горения.

За пределами котельной выпар может использоваться

для подогрева различных компонентов до температуры ниже

100 °C. Существуют системы, использующие пар под давлени-

ем 1 бар, и выпар может быть направлен в эти системы.

Как правило, потребности технологических процессов в

паре низкого давления удовлетворяются за счет дросселирова-

ния пара высокого давления. Однако часть этих потребностей

может быть удовлетворена с незначительными затратами за

счет выпаривания конденсата высокого давления.

Выпаривание является особенно привлекательным ва-

риантом в тех случаях, когда возврат конденсата высокого

давления в котел нецелесообразен с экономической точки зре-

ния.

В результате получения выпара из конденсата высокого

давления температура конденсата, возвращаемого в котел, (и

содержание в нем тепловой энергии) снижаются. Если пита-

тельная вода подогревается в экономайзере, снижение ее тем-

пературы является благоприятным фактором, поскольку это

позволяет более полно утилизировать энергию дымовых газов

и, в конечном счете, повысить КПД котла. Такое сочетание

методов утилизации обеспечивает наибольшую энергоэффек-

тивность. Однако предприятие должно найти применение по-

лученному пару низкого давления, принимая во внимание тот

факт, что такой пар из любых источников может подаваться

лишь на ограниченные расстояния. На многих предприятиях

(например, нефтеперерабатывающих и химических) существу-

ет избыток пара низкого давления, и найти применение выпару

часто бывает затруднительно. В такой ситуации наилучшим

вариантом является возврат конденсата в деаэратор, поскольку

стравливание выпара в атмосферу представляло бы собой не-

производительное использование энергии. Во избежание про-

блем, связанных с конденсатом, может быть организован ло-

кальный сбор конденсата в пределах конкретной производст-

венной единицы или линии, когда собранный конденсат воз-

вращается в деаэратор.

Выбор оптимального варианта зависит от экономиче-

ской эффективности затрат на установку необходимых трубо-

проводов и другого оборудования.

При использовании выпара, например, для нагрева до

температуры ниже 100°C, возможна ситуация, когда реальное

давление в змеевике теплообменника после того, как пар от-

даст часть энергии, снизится до уровня ниже 1 бар. Это может

привести к подсосу конденсата в змеевик и затоплению по-

следнего. Этой ситуации можно избежать, организовав возврат

конденсата при пониженном давлении. При этом образуется

больше выпара, которому передается больше энергии конден-

сата. В такой ситауции компоненты, в которых используется

энергия выпара, могут быть объединены в отдельную сеть.

Однако при этом понадобится установка дополнительных на-

сосов для поддержания пониженного давления и удаления

воздуха, подсасываемого в трубы из атмосферы.

На рис. 26 представлена схема использования теплоты

пара вторичного вскипания конденсата для снижения потерь

теплоты в системах горячего водоснабжения при использова-

нии теплоты пара вторичного вскипания одного или несколь-

ких (например двух) потоков конденсата водяного пара, тем-

пература которого выше 100

C [33].

Конденсат от теплоиспользующего оборудования при

давлении Р

поступает в сепараторы 1, в объеме которых при

< Р

в результате вторичного вскипания образуется пар, на-

правляемый в теплообменники 3, где конденсируется и нагре-

вает воду для целей горячего водоснабжения.

1 - сепараторы, давление в объеме Р

с1

= (0,1...0,8) МПа; 2 - се-

паратор, давление в объеме Р

с2

= (0,3...1,0) МПа; 3 - теплооб-

менники для нагревания воды, горячего водоснабжения; 4 -

конденсатные баки; 5 - обратный клапан; 6 - регулятор прямо-

го действия; 7 - конденсатный насос; I, II - конденсат от потре-

бителей пара при давлении соответственно Р

и Р

(Р

0,2...1,0 МПа; Р

= 1,0...1,8 МПа); III - конденсат в кондесатные

баки; IV, V - пар вторичного вскипания, образующийся в сепа-

раторах, соответственно, при Р

с1

и Р

с2

; VI - вода в систему го-

рячего водоснабжения; VII - конденсат (питательная вода) на

ТЭЦ.

Рис. 26. Схема использования теплоты пара вторичного

вскипания конденсата

Конденсат при давлении Р

(второй поток) поступает в

сепаратор 2 при Р

< Р

. Образующийся здесь пар вторичного

вскипания направляется на технологические нужды.

Конденсат из сепараторов 1 и 2 поступает в конденсат-

ные баки 4 и далее возвращается в котел.

Если количество пара вторичного вскипания, образую-

щегося в сепараторе 2, превышает необходимое, то срабатыва-

ет регулятор 6 - при достижении или превышении давления

выше установленного предела осуществляется перепуск пара

из сепаратора 2 в линию вторичного пара от сепараторов 1.

Обратный клапан 5 предотвращает перепуск пара при потреб-

лении только пара, давление которого Р

Экономия теплоты и, соответственно, топлива обеспе-

чивается использованием теплоты конденсации паров вторич-

ного вскипания конденсата, образующегося в системе горячего

водоснабжения.

Сбор и возврат конденсата в котел

При передаче теплоты производственному процессу

при помощи теплообменника пар отдает скрытую теплоту (те-

плоту конденсации) и конденсируется, образуя горячую воду.

Эта вода теряется или (что является обычной практикой) соби-

рается и возвращается в котел. Повторное использование кон-

денсата преследует четыре цели [13]:

- использование тепловой энергии, содержащейся в го-

рячем конденсате;

- снижение затрат на получение сырой подпиточной во-

ды;

- снижение затрат на подготовку сырой воды;

- снижение затрат, связанных со сбросом сточных вод

(там, где это применимо).

Конденсат собирается при атмосферном или отрица-

тельном давлении. При этом источником конденсата может

быть пар с гораздо более высоким давлением.