Дахин С.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

100

При снижении давления до атмосферного часть конден-

сата может вновь самопроизвольно испаряться, образуя выпар.

Последний также может быть собран и использован повторно

(см. выше).

В случае отрицательного давления необходима деаэра-

ция конденсата.

Возврат конденсата приводит также к сокращению рас-

хода химических веществ на водоподготовку. Сокращаются и

объемы потребляемых и сбрасываемых вод.

Данный метод неприменим в случаях, когда собранный

конденсат загрязнен, или когда сбор конденсата невозможен в

силу того, что сам пар используется в технологическом про-

цессе.

При проектировании новых установок рекомендуемым

подходом является разделение конденсата на потенциально

загрязняемый и незагрязненный (чистый) потоки. Чистый кон-

денсат поступает из источников, где загрязнение в принципе

невозможно (например, из ребойлеров, рабочее давление кото-

рых выше давления технологического процесса, так что в слу-

чае утечки пар попадает наружу, а не на компоненты процесса

– внутрь). Потенциально загрязняемый конденсат может быть

загрязнен в случае нештатной ситуации (например, разрыва

трубы ребойлера в условиях, когда его рабочее давление ниже,

чем давление технологического процесса). Сбор и возврат чис-

того конденсата не требует дополнительных мер предосто-

рожности. Возврат потенциально загрязняемого конденсата

возможен при отсутствии загрязнения (вызванного, например,

утечкой в ребойлере), которое отслеживается в реальном вре-

мени при помощи датчиков, например, датчика общего орга-

нического углерода.

Возврат конденсата связан со значительными преиму-

ществами и должен рассматриваться во всех ситуациях, где он

в принципе применим, за исключением случаев, когда объем

потенциально возвращаемого конденсата низок (например, ко-

гда пар расходуется в технологическом процессе).

101

Утилизация тепловой энергии конденсата для отопления

Тепловую энергию конденсата технологического пара

можно использовать для подогрева воздуха в системе конди-

ционирования производственных корпусов (рис. 27 [33]).

1 – конденсаторная ѐмкость; 2 – насосы; 3 – калориферная ус-

тановка; I – линия конденсата от пароприѐмников корпуса; II –

направление движения холодного воздуха в калориферную ус-

тановку; III – линия подогретого воздуха для отопления поме-

щений; IV – линия парового конденсата на технологические

нужды; V – линия сброса и перелива конденсата

Рис. 27. Схема утилизации тепловой энергии конденсата для

отопления

Паровой конденсат после сепараторов поступает в кон-

денсаторную емкость 1, откуда насосами 2 направляется в ка-

лориферную установку кондиционера воздуха, подаваемого в

производственный корпус. Конденсат после охлаждения в ка-

лориферной установке направляется на технологические нуж-

ды.

Применение струйных аппаратов

Струйными аппаратами называются устройства, в кото-

рых осуществляется процесс инжекции, заключающийся в пе-

102

редаче кинетической энергии одного потока другому потоку

путѐм непосредственного контакта (смешения).

Смешиваемые потоки могут находиться в одной и той

же фазе (жидкой, паровой, газообразной) или в разных фазах

(например, пар и жидкость, газ и твѐрдое тело и др.). В про-

цессе смешения фазовое состояние смешивающихся потоков

может оставаться неизменным или меняться (например, пар

может конденсироваться). Поток, вступающий в процесс сме-

шения с большей скоростью, называется рабочим, с меньшей

скоростью – инжектируемым.

Повышение давления инжектируемого потока без непо-

средственной затраты механической энергии является основ-

ным, принципиальным качеством струйных аппаратов. Благо-

даря этому качеству использование струйных аппаратов во

многих отраслях техники позволяет получить энергосбере-

гающий эффект за счѐт более простых и надѐжных техниче-

ских решений по сравнению с применением механических на-

гнетателей (компрессоров, насосов, вентиляторов и др.) [38].

Естественно, струйные аппараты применяются и в каче-

стве теплообменников (например, пароводяных). В этом слу-

чае, основным достоинством таких аппаратов является непо-

средственный контакт теплоносителей, т.е. отсутствие терми-

ческого сопротивления разделяющей их стенки, характерное

для поверхностных теплообменников.

Можно выделить следующие основные преимущества

струйных аппаратов перед традиционными технологиями:

- практически полная передача тепловой энергии нагре-

ваемой среде в течение всего периода эксплуатации (термиче-

ский КПД в этом случае не менее 99 %), что приводит к эко-

номии пара и, следовательно, топлива для его выработки;

- низкое гидравлическое сопротивление подобных ап-

паратов, может дать экономию электроэнергии за счет замены

существующего насоса насосом меньшей мощности;

- струйные аппараты могут полностью заменять насосы,

перекачивая воду за счет энергии пара, создавая, давление на-

103

гретой воды на выходе большее не только чем у воды на входе,

но и чем у пара (если в этом есть потребность);

- отличаются значительно большей устойчивостью к за-

грязнениям, существенно меньшими габаритными размерами

и массой, чем традиционные теплообменники, что приводит к

значительному снижению эксплуатационных и капитальных

затрат;

- не имеют вращающихся и трущихся частей, не под-

вержены зарастанию накипью и коррозии, в результате суще-

ственно повышаются их надежность и долговечность, пони-

жаются затраты на ремонт и обслуживание по сравнению бой-

лерами и насосами.

Перспективным направлением в части энергосбереже-

ния предполагается применение струйных аппаратов центро-

бежно-вихревого типа (ЦВТ) (рис. 28) [39].

Рис. 28. Принцип работы аппаратов ЦВТ

Принцип работы этих аппаратов заключается в сле-

дующем.

Жидкость подают по касательной к цилиндру, встретив

его стенки, она сразу же закручивается.

104

В неинерциальной системе отсчета, которая вращается

вместе с жидкостью, на каждый элемент вращающейся среды

(выделенный объем жидкости с пренебрежимо малыми разме-

рами) помимо обычной силы тяжести F

гр

направленной по

вертикали вниз, действует центробежная сила F

направленная

радиально от оси вращения. При используемых скоростях

вращения эта сила существенно больше силы тяжести.

Результирующую этих сил F

, можно рассматривать как

силу тяжести, действующую на частицу жидкости со стороны

искусственно созданного поля центробежных сил с учетом на-

ложения на него гравитационного поля. Сила F

направлена от

оси вращения по нормали с небольшим углом к ней. Вес выде-

ленного элемента жидкости численно равен этой силе.

На любое тело, погруженное в жидкость (в том числе на

пузырек воздуха или пара) будет действовать Архимедова сила

равная весу вытесненной жидкости F

и противоположенная

силе тяжести, т.е. в данном случае направленная к оси враще-

ния. Таким образом, пузырек пара (или воздуха) введенный в

жидкость или выделяющийся из нее должен стремиться прон-

зить ее вращающийся столб по направлению к оси вращения.

Для наблюдателя находящегося в системе отсчета вне

жидкости пузырек увлекается ее потоком, т.е. еще совершает

вращательное, а также поступательное движение, если вход-

ной и выходной тангенциальные патрубки расположены у

противоположенных оснований цилиндра, и траектория пу-

зырька будет представлять собой спираль, скручивающуюся

вокруг оси вращения с уменьшающимся радиусом витков.

Если на предприятии существует потребность в паре

более низкого давления, чем у имеющегося в наличии (напри-

мер, вырабатываемого существующей котельной или получае-

мого от стороннего источника), но в большем объѐме, возмож-

но применение центробежно-вихревого парогенератора.

Принцип работы центробежно-вихревого парогенерато-

ра (ЦВП) такой же что и ЦВТ. Дополнительно в нем использу-

ется известный факт, согласно которому жидкость, попав в зо-

105

ну пониженного давления должна сразу же закипеть. Как уже

показывалось выше, давление понижается при приближении к

оси вращения, поэтому жидкость в ее окрестности вскипает.

Образующийся в приосевой области аппарата пар отво-

дится из центрального отверстия на одном из торцов цилинд-

рического корпуса парогенератора. При этом происходит се-

парация (осушка) пара за счѐт центробежной силы (капли

жидкости возвращаются назад в жидкость).

Энергосбережение при применении центробежно-

вихревого парогенератора заключается в экономии средств за

счѐт его простого, компактного устройства и высокой произ-

водительности. По данным разработчика при температуре во-

ды 140

С ЦВП позволил снять более 2 кг пара с 1 м

в секун-

ду, что в 25 раз превышает тот же параметр в паросиловых ус-

тановках барабанного типа.

6.1.6. Удаление накипи с поверхностей теплообмена

На теплообменных поверхностях котлов и трубок теп-

лообменников могут образовываться отложения накипи. На-

кипь возникает вследствие образования нерастворимых соеди-

нений в результате реакции между соединениями, растворен-

ными в воде; эти соединения откладываются на теплообмен-

ных поверхностях, омываемых водой.

Проблемой, связанной с образованием накипи, является

то, что теплопроводность последней, как правило, на порядок

ниже, чем теплопроводность стали. При образовании на теп-

лообменных поверхностях отложений определенного химиче-

ского состава, коэффициент теплопередачи поверхностей

уменьшается с ростом толщины отложений. Поэтому даже не-

значительные отложения могут действовать в качестве эффек-

тивного теплоизолятора, способствуя существенному сниже-

нию теплообмена. Результатом этого может быть перегрев

трубок котла или теплообменника, возможно, приводящий к

их повреждению, а также снижение общего КПД системы.

106

Своевременно удаляя накипь, предприятие может легко до-

биться снижения затрат на энергию и, как следствие, сокраще-

ния общих эксплуатационных затрат.

Дополнительный расход топлива в результате образо-

вания накипи может достигать 2 % для водотрубных котлов и

5 % для жаротрубных котлов.

На уровне отдельного котла регулярное удаление наки-

пи может обеспечить значительное энергосбережение.

Что касается количественных оценок влияния толщины

накипи на теплопередачу, то они существенно отличаются у

разных авторов. Например, в табл. 5 представлено снижение

коэффициента теплопередачи в зависимости от толщины слоя

накипи на теплообменной поверхности из [13].

Таблица 5

Толщина слоя накипи,

мм

Снижение коэффициента

теплопередачи, %

0,1

1,0

0,3

2,9

0,5

4,7

9,0

А на рис. 29 представлена зависимость перерасхода то-

плива от толщины накипи [40].

Удаление отложений накипи производится во время ос-

тановки котла.

Существуют различные методы удаления отложений

накипи и предотвращения их образования:

- эксплуатация котла при более низком давлении озна-

чает и более низкую температуру, при которой происходит

менее интенсивное образование накипи. Эта одна из причин,

по которым рекомендуется использовать пар настолько низко-

го давления, насколько это возможно;

- отложения могут удаляться во время технического об-

служивания котла как механическим, так и химическим (ки-

слотным) способом;

107

Рис. 29. Зависимость перерасхода топлива от толщины накипи

- если накипь образуется слишком быстро, целесооб-

разно проанализировать и пересмотреть методы водоподго-

товки, возможно необходима более качественная очистка воды

или использование дополнительных добавок.

Косвенным показателем наличия отложений накипи яв-

ляется температура дымовых газов.

Повышение температуры дымовых газов (при постоян-

ных нагрузке котла и избытке воздухагорения) с большой ве-

роятностью свидетельствует об образовании накипи.

6.1.7. Энергосбережение на ТЭС

Когенерация

Важным направлением энергосбережения на ТЭС явля-

ется теплофикация [41], т.е. комбинированное снабжение по-

требителей электрической и тепловой энергией, с использова-

нием теплоты отработавшего пара в паровых турбинах элек-

тростанций – теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Последнее время

комбинированную выработку электрической и тепловой энер-

гии называют когенерацией (рис. 30).

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Толщина накипи, мм

Перерасход топлива, %

108

Рис. 30. Сравнение эффективности когенерации и раздельного производства

электроэнергии и теплоты [13]

109

Существует достаточно много методов когенерации

[13]:

- парогазовые установки (газовые турбины в сочетании

с утилизацией отходящего тепла и паровой турбиной);

- паротурбинные установки (с противодавлением);

- конденсационные турбины с отбором пара (с

противодавлением, регулируемым или нерегулируемым

отбором пара);

- газовые турбины с утилизацией отходящего теплоты;

- двигатели внутреннего сгорания (поршневые двигате-

ли Отто или дизельные двигатели с утилизацией теплоты);

- микротурбины;

- двигатели Стирлинга;

- топливные элементы (с утилизацией теплоты);

- паровые двигатели;

- органический цикл Ренкина и др.

Ознакомиться с опытом применения и техническими

характеристиками когенерационных установок отечественных

и зарубежных производителей можно, например, в [42, 43].

Для ТЭС наиболее перспективными считаются парога-

зовые установки (ПГУ). ПГУ представляет собой газотурбин-

ную (ГТУ) и паротурбинную (ПТУ) установки, объединѐнные

в единой тепловой схеме.

В ПГУ с высоконапорной паропроизводящей установ-

кой воздух после компрессора поступает в топку котла. Горе-

ние топлива осуществляется при давлении 0,1 – 0,2 МПа. По-

сле пароперегревателя газы поступают в газовую турбину и

затем в экономайзер. Топливо – газообразное или жидкое (га-

зотурбинное). По сравнению с обычными ПГУ уменьшение

удельных капитальных затрат составляет 10 – 25 % при сни-

жении удельного расхода топлива на 4 – 6 %.

В ПГУ с подогревом питательной воды с отключением

подогревателей высокого давления (ПВД) паротурбинная ус-

тановка используется для подогрева питательной воды. Паро-

вая турбина – серийная, допускающая увеличенный пропуск в