Исследование повышения эффективности работы котельных установок. Модернизация муниципальных котельных с установкой когенерационного оборудования

4. Методы повышения эффективности распределения тепловой энергии

Сокращение расхода топлива может быть обеспечено за счёт качественного его сжигания и сокращения нерациональных потерь теплоты. Качественное автоматическое регулирование процессов генерации и распределения теплоты обеспечивает значительную экономию топливно-энергетических ресурсов. Значительной экономии тепловой энергии и улучшения эксплуатационных характеристик оборудования можно также добиться произведя модернизацию гидравлической схемы .

Гидравлическая схема существенно влияет на процесс генерации и распределения теплоты и срок службы котельного оборудования. Поэтому при её рассмотрении необходимо учитывать следующие параметры - почасовую динамику изменения температур, расходы по отдельным контурам и относительный коэффициент объёма котловой воды к общему объёму воды в системе отопления f о.

Важным параметром также является температура обратной воды. Для исключения образования конденсата в котле и дымовых газах, температура обратной воды должна всегда поддерживаться выше точки росы, т.е в среднем от +50 до +70 °С. Исключением являются котлы конденсационного типа, в которых при низких температурах обратной воды происходит интенсификация процесса конденсации и как следствие повышение КПД.

При этом, если f о ≤ 10% необходимо проводить дополнительные мероприятия по обеспечению поддержания заданной температуры обратной воды. Такими мероприятиями является организация подмеса, разделение контуров теплообменными аппаратами, установка смесительных клапанов и гидравлического разделителя (стрелки). Кроме того важным фактором снижения расходов топлива и электрической энергии является определение расхода теплоносителя через котёл (группу котлов) и определение оптимального протока (pис. 9 ).

Модернизация трубной обвязки котлов

Для модернизации трубной обвязки котлов могут быть рекомендованы несложные мероприятия и устройства, которые могут быть изготовлены силами эксплуатационного персонала. Это создание дополнительных контуров в системе теплоснабжения; установка гидравлического разделителя (рис. 10 a ), позволяющего корректировать температуру и давление теплоносителя и схема параллельных потоков (рис. 10 б ), обеспечивающая равномерное распределение теплоносителя. Температура теплоносителя должна постоянно корректироваться в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, чтобы поддерживать желаемую температуру в подключенных контурах. В связи с этим, важным резервом экономии топлива является максимально возможное количество контуров теплоснабжения и автоматизация процесса регулирования.

Размер гидравлического разделителя выбирается так, чтобы при полной нагрузке разность давлений между подающей и обратной линией не превышала 50 мм вод. ст. (примерно 0,5 м/с). Гидравлический разделитель может монтироваться вертикально либо горизонтально, при монтаже (рис. 10 a ) в вертикальном положении имеется ряд дополнительных преимуществ: верхняя часть работает как воздухоотделитель, а нижняя часть используется для отделения грязи.

При каскадном подключении котлов необходимо обеспечить равные расходы теплоносителя через котлы одинаковой мощности. Для этого гидравлическое сопротивление всех параллельных контуров также должно быть одинаковым, что особенно важно для водотрубных котлов. Таким образом, обеспечиваются равные условия работы водогрейных котлов, равномерное охлаждение котлов и равномерный теплосъём с каждого котла в каскаде. В связи с этим следует обратить внимание на трубную обвязку котлов, обеспечив параллельное направление движения прямой и обратной воды.

На рис. 10 б приведена схема параллельных потоков, которая применяется для обвязки котлов работающих в каскаде без индивидуальных насосов котлового контура и арматуры регулирующей расход теплоносителя через котёл. Это простое и дешёвое мероприятие позволяет исключить образование конденсата в котлах, а также частые старты и выключения горелок, которое приводит сокращению электроэнергии и продлевает срок службы котла и горелочного устройства.

Предлагаемая схема «параллельных потоков» применяется также в протяжённых горизонтальных системах и при подключении солнечных коллекторов и тепловых насосов в одну общую систему.

5. Технические решения по обеспечению эвакуации дымовых газов

Борьба за экономию топлива, в наших экономических условиях, нередко сводится к изменению режимов эксплуатации котельного оборудования. Однако это часто приводит к его преждевременному выходу из строя и дополнительным материальным и финансовым затратам, связанным с ремонтом оборудования. Большую проблему при работе на малых нагрузках создаёт влага в продуктах сгорания, которая образуется в процессе реакции горения, за счёт химической кинетики. При этом при температуре дымовых газов около 50…60 °С на стенках дымохода и оборудования образуется конденсат.

Содержание влаги в зависимости от точки росы приведено на рис. 11 a , это приводит к необходимости поддерживать высокие температуры в топке и снижать КПД котла за счёт повышения температуры уходящих газов. Данное утверждение не распространяется на котлы конденсационного типа, где используется принцип получения дополнительной теплоты за счёт фазового перехода при конденсации водяных паров. На рис. 11 б показана прямая зависимость точки росы (Т р) от коэффициента избытка воздуха а для различных видов топлива. Наличие водяных паров в продуктах сгорания и их конденсация на стенках негативно отражаются на эксплуатации дымовых труб приводя к корозии металлических поверхностей и разрушению кирпичной кладки.

Конденсат имеет кислую среду с рН ≈ 4, что обусловлено наличием в нём угольной кислоты, следов азотной, а при сжигании жидкого топлива и серной кислоты.

Для исключения в процессе эксплуатации негативных последствий в ходе проектирования и выполнения пусконаладочных работ особое внимание необходимо уделить вопросам безопасной эксплуатации котельного оборудования, оптимизации работы горелочного устройства, исключению возможности отрыва пламени в топке и образования конденсата в дымовых трубах.

Для этого на дымовых трубах могут быть дополнительно установлены огранечители тяги, аналогичные ограничителям немецкой фирмы Kutzner + Weber , которые снабжены гидравлическим тормозом и системой грузов, позволяющими отрегулировать их автоматическое открытие в процессе работы котла и вентиляцию трубы при его останове (рис. 12 ).

Работа клапана основана на физическом принципе разрыва струи и не требует дополнительного привода. Основное требования при установке ограничителей давления это, то что данные устройства можно располагать в помещении котельной, либо, как исключение, в соседних помещениях, при условии что разница давления в них не превышает 4,0 Па. При толщине стенки дымовой трубы - 24 мм и более устройство крепится непосредственно на дымовую трубу, либо на выносную консоль. Допустимая максимальная температура дымовых газов - 400 °С, давление срабатывания предохранительного клапана от 10 до 40 мбар, производительность по воздуху до 500 м 3 /час, диапазон регулирования от 0,1 до 0,5 мбар. Применение ограничителей давления повышает надёжность эксплуатации котлов и дымоходов, продлевает ресурс эксплуатации оборудования, не требует дополнительных расходов на обслуживание. Экспериментальная проверка показывает отсутствие условий для образования конденсата в дымовых трубах, после установки на дымоход клапана ограничения давления при параллельном сокращении концентрации вредных выбросов в атмосферу.

6. Новые методы водоподготовки для повышения эффективности эксплуатации котельного оборудования

Химический состав и качество воды в системе оказывают непосредственное влияние на срок службы котельного оборудования работу и системы отопления в целом.

Отложения, возникающие из-за содержащихся в воде солей Са 2+ , Мg 2+ и Fe 2+ - наиболее распространенная проблема, с которой мы сталкиваемся в быту и в промышленности. Растворимость солей под воздействием высокой температуры и повышенного давления приводит к образованию твёрдых (накипь) и мягких (шлам) осадков. Образование отложений приводит к серьезным потерям энергии. Эти потери могут достигать 60%. Рост отложений существенно снижает теплоотдачу, они могут полностью блокировать часть системы, привести к закупориванию и ускорить коррозию. Известно, что накипь толщиной в 3,0 мм снижает коэффициент полезного действия котловой установки на 2,0…3,0%. На рис. 13 приведены зависимости увеличения расхода топлива от толщины накипи.

Наличие в воде кислорода, хлора, двухвалентного железа и солей жёсткости увеличивают количество аварийных ситуаций, приводят к увеличению расхода топлива и снижают срок службы оборудования.

Отложения карбонатной жёсткости формируются при невысоких температурах и легко удаляются. Отложения образованные растворёнными в воде минералами, например сульфатом кальция, откладываются на поверхностях теплообмена при высоких температурах.

Отложения накипи приводят к тому, что даже «Межведомственными нормами сроков службы котельного оборудования в Украине» предусмотрено увеличение расхода топлива на 10% уже через 7 лет эксплуатации оборудования. Отложения особенно опасны для устройств автоматического регулирования, теплообменников, счётчиков тепла, радиаторных термостатических вентилей, водомеров. Для обеспечения надлежащей работы системы необходимо применять умягчители воды.

В так называемых «мёртвых зонах» ситемы могут образовываться стационарные пузыри сложного химического состава, в которых кроме кислорода и азота могут присутствовать метан и водород. Они вызывают точечную коррозию металла и образование илистых отложений, негативно сказывающихся на работе системы. В связи с этим необходимо использовать автоматические воздухоотводчики, которые устанавливаются в верхних точках системы и зонах слабой циркуляции теплоносителя.

При использовании для подпитки городской водопроводной воды необходимо следить за концентрацией хлоридов. Она не должна превышать 200 мг/л. Повышенное содержание хлоридов приводит к тому, что вода становится более коррозиционно- агресивной, в том числе и из-за неправильной работы фильтров умягчения воды. В последнии годы качество исходной, водопроводной и сетевой воды в целом улучшилось благодаря применению специальной арматуры, сильфонных компенсаторов и переходу от гравитационных систем центрального отопления к системам центрального отопления замкнутого типа.

Проблемы отложений решаются с использованием как физических, так и химических методов. Сегодня химикаты широко используются в борьбе с отложениями. Однако высокие затраты и сложность технологического процесса, а также возрастающее понимание в необходимости защиты окружающей среды, не оставляет никакого выбора, кроме как поиска физических методов. Однако способ приготовления воды для них и в дальнейшем не гарантирует защиты от коррозии и жесткости воды.

Для предотвращения отложений применяют разного типа фильтры, отстойники, магниты, активаторы и их комбинации. В зависимости от осадка, элементы системы защищают или только от постоянных коррозийных компонентов и котлового камня, или от всех вредных компонентов вместе с магнетитами.

Простейшее устройства физической очистки воды - сетчатые фильтры . Они устанавливаются непосредственно перед котлом и имеют сетчатый вкладыш из нержавеющей стали с необходимым количеством отверстий - 100…625 на 1 см 2 . Эффективность такой очистки составляет 30% и зависит от размеров фракций осадка.

Следующее устройство - гидроциклонный фильтр , принцип действия которого базируется на законе инерции при вращающемся движении. Эффективность такой очистки очень высокая, но нужно обеспечить высокое давление 15…60 бар в зависимости от объёма воды в системе. По этой причине данные фильтры применяют редко.

Илоотделитель - это вертикальный цилиндрический сборник с перегородкой, которая ритормаживает поток воды. Благодаря этому отделяются большие частички. Функцию фильтра выполняет горизонтально расположенная сетка с количеством отверстий 100… 400 на 1 см 2 . Эффективность такой очистки составляет 30…40%.

Очистка воды усложняется, если из нее нужно убрать котловый камень.

Илоотделители задерживают преимущественно только большие фракции карбонатно-кальциевых соединений, которые оседают на сетке. Остаток циркулирует и оседает в системе центрального отопления.

Широкое распространение получили различные устройства магнитной и электромагнитной обработки воды использующие постоянное и переменное магнитное поле. Магнитная обработка приводит к тому, что вещества, вызывающие отложения, под воздействием полей поляризуются и сохраняются во взвешенном состоянии.

Простейшее устройство основанное на данном принципе - магнитизатор . Как правило, он представляет собой металлической цилиндр с магнитным стержнем внутри. С помощью фланцевого соединения он устанавливается непосредственно в трубопровод. Принцип действия магнитизатора состоит в изменении электрофизического состояния молекул жидкости и растворённых в ней солей под влиянием магнитного поля. В результате котловый камень не образовывается, а карбонатные соли выпадают в виде мелкокристаллического ила, который больше не оседает на поверхностях теплообмена.

Преимущество данного метода - постоянная поляризация вещества, благодаря чему растворяются даже старые отложения котлового камня. Однако этот, без сомнения, экологически чистый метод с низкими експлуатационными затратами имеет важный недостаток.

Повышение гидравлического сопротивления системы приводит к увеличению расхода электроэнергии и дополнительной нагрузке на насосное оборудование, в замкнутых циркуляционных системах иловые отложения оседают в радиаторах, арматуре и фасонных частях трубопроводов, в связи с чем необходимо устанавливать дополнительные фильтры, магнитный стержень в устройстве активно корродирует.

Эффективность такой очистки доходит до 60% и зависит от размеров фракций осадка, химического состава растворённых солей и напряжённости магнитного поля от внешних источников.

В последнее десятилетие ведётся активный поиск новых способов физической обработки воды, основанных на современных нанотехнологиях. Большое распространение получили активаторы воды , которые используют принцип витализации воды (повышение её энергетической активности) и защиту оборудования от накипи и коррозии. Примером могут служить приборы австрийских фирм BWT и EWO , немецких ELGA Berkelfeld и MERUS® , американской Kinetico .

Все они используют различные конструктивные решения и материалы, оригинальные методы обработки, имеют длительные сроки эксплуатации и не требуют дополнительных капиталовложений на техническое обслуживание, электроэнергию и расходные материалы.

На рис. 14 , показаны приборы немецкой фирмы MERUS® , которые изготавливаются с использованием специального производственного процесса прессовки различных материалов, таких как алюминий, железо, хром, цинк, кремний.

Данная технология позволяет получать уникальный сплав, обладающий свойством к «запоминанию» напряжённости магнитного поля при последующей технологической обработке. Прибор состоит из двух полуколец, которые одеваются на трубопровод и соединяются двумя стяжными болтами. Прибор эффективно концентрирует электромагнитные поля из окружающей среды и воздействует на растворенные в воде анионы гидрокарбоната, удерживая их в коллоидной форме, а также переводит ржавчину в магнетит - электромагнитными импульсами, производя действие подобное воздействию аккустических сигналов на воду (ультразвук). Это вызывает процесс кристаллизации непосредственно в объеме воды, а не на стенках труб или других поверхностях теплообмена. Этот процесс более известен в химии, как «кристаллизация в объеме».

В отличии от других способов физической обработки воды, приборы MERUS® не требуют источников энергии, затрат на эксплуатационное обслуживание и установку прибора.

Производимое прибором воздействие на воду сохраняется до 72 часов и позволяет проводить обработку воды на магистральных трубопроводах до 10 км.

Благодаря новому принципу воздействия - основанному на активации воды, за счёт разрыва водородных межмолекулярных связей приборы MERUS® эффективно используются даже в тех случаях, когда известные методы обработки воды неэффективны. Например, на конденсатопроводах, прямоточных технологических пароперегревателях, работающих на водопроводной воде без возврата конденсата, электротермических печах, при установке на пластиковых трубах и пр.

Эффективность такой обработки достигает 90%, позволяя умягчать воду без химических компонентов, сократить расход соли при натий-катионировании и угнетая рост болезнетворных бактерий, таких как палочка Коха и легионелла.

При этом химический состав воды не изменяется, что часто бывает важно для фармацевтической и пищевой промышленности, обработки воды в бассейнах и пр.

7. Выводы

На техническое состояние котельного оборудования коммунальной энергетики Украины, это в первую очередь влияет отсутствие достаточного финансирования и несовершенная правовая законодательная база.

Определение эффективности работы котельного оборудования должно начинаться с проведения энергоаудита.

Повышения эффективности работы и сроков службы котельного оборудования можно достичь путём установки вторичных излучателей, которые обеспечат улучшение аэродинамических и кинетических процессов протекающих в топке.

Значительной экономии тепловой энергии и улучшения эксплуатационных характеристик оборудования можно добиться произведя модернизацию гидравлической схемы.

Установка огранечителей тяги на дымовых трубах приводит к стабилизации горения, вентиляции дымовых труб, исключению возможности образования конденсата и их надёжной эксплуатации на малых нагрузках котлоагрегатов.

В процессе эксплуатации котельного оборудования необходимо уделить внимание качественной водоподготовке и деаэрации теплоносителя. ■

Литература

Тепловой расчёт котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н. В. Кузнецова. - М.: «Энергия», 1973. - 296 с.

Басок Б.И., Демченко В.Г., Мартыненко М.П. Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла с вторичным излучателем //Промышленная теплотехника. - № 1. - 2006.

Рабочие характеристики, указания по подключению и гидравлические схемы котлов средней и большой мощности. De Dietrich, 1998. - 36c.

При проведении предпускового обследования вновь вводимого оборудования оценка эффективности его функционирования (элементов технологической схемы) осуществляется по результатам испытаний.

При других видах обследований для этой цели производится сопоставление фактических и нормативных показателей функционирования оборудования, выполняется анализ резервов экономии топлива.

Выявление потенциалов энергосбережения, оценка эффективности функционирования элементов технологической схемы, проверка организации эксплуатации и качества ремонта агрегатов производится в первую очередь по тем показателям, по которым допущены перерасходы топлива. Рекомендуемый состав работ приводится в разд. 2.4.1 -2.4.4..

2.4.1. Котельное оборудование

2.4.1.1. Проверка наличия режимныхкарт, их своевременного обновления и соответствия нормативным характеристикам. Контроль ведения режимов по каждому котлу в соответствии с режимными картами.

2.4.1.2. Проверка проведения режимно-наладочных испытаний (не реже 1 раза в 3 года).

2.4.1.3. Контроль за присосами воздуха в топочную камеру игазоходы.

2.4.1.4. Проверка использования кислородомеров для контроля за режимом горения топлива и расчета коэффициента избытка воздуха в топках котлов.

2.4.1.5. Оценка работоспособности систем авторегулирования в пусковых режимах котлов и качества функционирования регуляторов.

2.4.1.6. Проверка проведения регулярных (не реже 1 раза в месяц) анализов состава продуктов сгорания.

2.4.1.7. Проверка организации контроля параметров пара и мазута, подаваемого в котлы.

2.4.1.8. Проверка состояния средств измерений и их соответствия требованиям действующих правил (топлива, пара, горячей воды идр.).

2.4.1.9. Проверка баланса расхода газа между расходомерами коммерческого учета и расходомерами поагрегатного учета газа на котлах.

2.4.1.10. Оценка технического состояния узлов и элементов каждого котла:

— изоляции иобмуровки оборудования итрубопроводов пара и горячей воды, а также арматуры (с проверкой документов по паспортизации изоляции);

— вспомогательных механизмов котлов: дымососов, дутьевых вентиляторов, мельниц и т.д. (анализ характеристик их функционирования, загрузки в соответствии с их характеристиками);

— экономайзера (технические показатели, целостность);

— воздухоподогревателя (чистота трубок, технико-экономические показатели функционирования);

— топки (наличие открытых лючков-гляделок и люков, зашлакованность, режим горения факела ит.д.);

— схем обдувки поверхностей нагрева.

2.4.1.11. Анализ загрузки котлов по сторонам топки в соответствии с режимными картами.

2.4.1.12. Контроль работоспособности автоматики на каждом котле (горения, продувки и т.д.); оценка расхода пара на продувку, сопоставление с нормативными значениями.

2.4.1.13. Выявление причин неплановых пусков котлов, сопоставление фактических затрат топлива, тепловой и электрической энергии на пуски с их нормативными значениями.

2.4.1.14. Выполнение инструментального обследования котлов с целью оценки их фактического состояния, а также сооружений, зданий. При обследовании обратить внимание на:

— фактические присосы;

— избытки воздуха в топке при сжигании различных видов топлива;

— значение СО в уходящих дымовых газах;

— температуру уходящих газов;

— температуру питательной воды на входе в барабан парового котла;

— температуру питательной воды на входе в экономайзер, нагрев в нем питательной воды;

— значение продувки котла;

— состояние внутренних поверхностей нагрева (объем отложений по результатам анализа контрольных вырезок), соблюдение параметров функционирования котла.

2.4.1.15. Анализ ведения водно-химического режима котлов, в том числе, проверка загрязненности поверхностей нагрева: экономайзера, экранов, ВЗП, конвективных труб водогрейных котлов; оценка влияния загрязненности поверхностей нагрева на перерасход топлива.

2.4.1.16. Анализ проведения очисток котлов от внутренних отложений.

2.4.1.17. Анализ консервации котлов: обоснованности технологии, фактических затрат топлива и электроэнергии на консервацию и расконсервацию, на обезвреживание растворов-консервантов.

2.4.1.18. Анализ энергетических потерь на продувку котлов (в пересчете на условное топливо): обоснованности значения непрерывной продувки, частоты и длительности периодических продувок, энергетических потерь непосредственно на продувки, энергетических потерь на подготовку воды, замещающей продувочную воду; учет продувок (по расходомерам и по данным химического контроля).

2.4.1.19. Сопоставление фактических значений показателей функционирования котлов с результатами их инструментального обследования и нормативными значениями и на основе анализа состояния узлов и элементов котлов определение конкретных причин отклонений показателей от нормативных характеристик:

— температуры уходящих газов за последней поверхностью нагрева; коэффициента избытка воздуха в режимном сечении;

— присосов воздуха в топку и конвективную шахту;

— тепловых потерь с механической и химической неполнотой сгорания;

— затрат электроэнергии на привод механизмов собственных нужд (дутьевые вентиляторы, дымососы, питательные насосы);

— расхода тепловой энергии на собственные нужды (отопление и вентиляцию, мазутное хозяйство, размораживающее устройство, калориферы, обдувку поверхностей нагрева, потери с продувкой, водоподготовительную установку).

2.4.1.20. Дополнительный анализ по водогрейным котлам:

— полнота исполнения проектных схем;

— соответствие необходимому расхода воды (рециркуляционной и поступающей в тепловую сеть) с целью обеспечения требуемой температуры сетевой воды на входе в котел и на выходе в тепловую сеть, а также затрат электроэнергии на привод насосов);

— состояния горелок, форсунок, их тарировки, фактического функционирования, режима сжигания мазута и газа (температура, давление, коэффициент избытка воздуха, качество распыления мазута и т.д.);

— наличия подогрева воздуха перед топкой котла;

— потерь тепловой энергии на обогрев котлов, выведенных в резерв, горячим воздухом и за счет поддержания необходимой циркуляции сетевой воды в этих котлах.

2.4.1.21. Оценка эффективности применяемых природоохранных мероприятий, снижающих экономичность котлов (ступенчатого совместного сжигания газа и мазута, рециркуляции дымовых газов), значения энергетических потерь.

2.4.2. Оборудование водоподготовки

2.4.2.1. Анализ затрат электрической и тепловой энергии на собственные нужды водоподготовки в сравнении с нормами.

2.4.2.2. Анализ дополнительных затрат тепловой, электрической энергии, топлива, вызванных необходимостью дополнительной подготовки воды (главная схема и схема подпитки тепловых сетей), в связи с отклонением от нормативных потерь пара и конденсата и завышенной подпиткой тепловой сети.

2.4.2.3. Проверка функционирования водоподготовительных установок (для котлов, тепловой сети, очистки конденсата и пр.) на соответствие требованиям отраслевых НТД, включая расход реагентов, воды, тепловой и электрической энергии на собственные нужды.

2.4.2.4. Оценка фактических потерь (затрат) сетевой воды (и количества тепловой энергии, потерянной с сетевой водой), используемой на заполнение тепловой сети после ремонта, проведение испытаний тепловых сетей (гидравлических, тепловых, температурных и др.), промывку трубопроводов тепловых сетей, покрытие утечки в системе централизованного теплоснабжения и их соответствия нормированным значениям указанных потерь теплоносителя и потерь тепловой энергии, обусловленных этими потерями.

2.4.3. Топливно-транспортное оборудование

2.4.3.1. Определение и анализ причин несоответствия имеющихся проектных схем разгрузки, хранения, подготовки и подачи топлива на сжигание, фактических и расчетных параметров пара, подаваемого на топливное хозяйство.

2.4.3.2. Анализ фактических и нормативных значений расхода пара на мазутное хозяйство:

— разогрев и слив прибывшего мазута;

— хранение в мазутных емкостях; разогрев перед сжиганием;

— рециркуляцию мазута в случае прекращения подачи его к горелкам.

2.4.3.3. Проверка состояния тепловой изоляции оборудования и мазутопроводов в пределах котельной, тепловой изоляции бакового хозяйства, подогревателей и паропроводов в схемах подачи мазута, а также оборудования мазутной насосной.

— возможности вывода мазутных резервуаров на «холодное хранение»;

— обеспеченности приемно-сливного устройства агрегатами, снижающими потери тепловой энергии при сливе мазута.

2.4.3.4. Сопоставление фактических и номинальных значений затрат тепловой и электрической энергии на мазутное хозяйство по каждой составляющей таких затрат; при обнаружении повышенных затрат тепловой или электрической энергии — подробный анализ данного элемента мазутного хозяйства с проведением:

— натурных измерений температуры мазута и пара на входе в подогреватели мазута основного контура и выходе мазута и конденсата из них; температуры мазута, подаваемого в котельную в районе мазутной насосной и перед котельной; давления пара на входе в подогреватели мазута; расхода мазута и пара, поступающих в контролируемые подогреватели; расхода пара, подаваемого на разогрев и слив мазута;

— проверки эффективности функционирования мазутных подогревателей, насосов.

2.4.3.5. Анализ функционирования размораживающего устройства:

— температурного режима;

— состояния калориферов и других подогревателей;

— утепление здания размораживающего устройства (стены, кровля, ворота).

2.4.4. Анализ выполнения мероприятий по реализации резервов тепловой экономичности

Проверка выполнения мероприятий по реализации выявленных при разработке НТД ТИ резервов тепловой экономичности за период от даты разработки документации до даты проведения обследования. Выявление причин невыполнения мероприятий, анализ энергетического эффекта выполненных мероприятий.

2.4.5. Составление топливно-энергетического баланса

Топливно-энергетический баланс составляется на основе данных технической отчетности, а также полученных результатов обследования.

В приходной части топливно-энергетического баланса котельной должна быть отражена теплота сожженного в котлах топлива, в расходной — безвозвратные потери, затраты энергии на собственные нужды и отпуск тепловой энергии внешним потребителям.

Факторы, влияющие на техническое состояние котельного оборудования коммунальной энергетики Сокращение запасов топливно-энергетических ресурсов приводит к стремительному росту дефицита и цен на органические виды топлива. Следствием этого является сокращение калорийной способности, отклонение от стандартов качества, ухудшение его химического состава, путем введения низкокалорийных ингредиентов и увеличения доли внутреннего балласта. Все это приводит к ускорению коррозии оборудования и как следствие к созданию аварийно-опасных ситуаций, а также снижению КПД и загрязнению атмосферы.

4.2. Изменения в течении времени, отношения температур подачи/обратки (1 — без излучателя, 2 — с излучателем)

6. Результаты лабораторных испытаний котла «Виктор-100» на дизельном топливе (1 — без излучателя, 2 — с излучателем)

9. Влияние снижения расхода котловой воды на температуру теплоносителя (Q — проток котловой воды м3/ч в котле, N — номинальная мощность котла, кВт)

11.2 Температуры точки росы различных видов топлив (1 — природный газ, 2 — сжиженный газ, 3 — дизельное топливо, 4 — флотский мазут)

Наиболее остро эта задача стоит в жилищно-коммунальном хозяйстве, где по данным областных администраций, более 57% котлов эксплуатируется более 20 лет, а 40% имеют КПД менее 82%. (На рис. 1 показана структура находящегося в эксплуатации котельного оборудования в коммунальном хозяйстве Украины по состоянию на 1.01.2007 г.)

Негативно на эксплуатацию котельного оборудования влияет необоснованная децентрализация теплоснабжения, несанкционированный отбор теплоносителя, перевод без мероприятий по модернизации существующего оборудования в низкотемпературные режимы эксплуатации, снижение мощности котлов за счет низкого давления газа, нарушения режимных карт, отложения накипи на конвективных поверхностях теплообмена, повышенные расходы потребляемой электроэнергии, нарушение регламента ремонта, материальный и моральный износ вспомогательного оборудования и тепловых сетей.

Перечисленные факторы приводят к недожогу топлива, коррозии и преждевременному выходу из строя оборудования, снижению качества теплоснабжения и обоснованным претензиям потребителя. Сложившаяся ситуация требует незамедлительного решения комплекса вопросов для модернизации системы генерации и распределения тепловой энергии, а также использование малозатратных методов для продления сроков службы существующего оборудования.

Последнее обстоятельство вызвано тем, что полную замену существующего оборудования на новое невозможно провести в короткие сроки из-за отсутствия необходимых денежных средств. Политика же резкого повышения тарифов на коммунальные услуги приводит к повышению уровня инфляции, что негативно сказывается на развитии экономики страны и уровне жизни населения. Поэтому техническое переоснащение и модернизации котельного оборудования является важной задачей.

Определение эффективности работы котельного оборудования и разработка технических решений по его модернизации

Определение эффективности работы котельного оборудования должно начинаться с проведения энергоаудита, в ходе которого изучается не только техническое состояние оборудования, но и структурные, организационные и экономические факторы влияющие на его эксплуатацию. В частности необходимо определить ежегодное потребление энергии, с выяснением объемов закупки и собственной генерации, а также использования и распределения энергии с определением ее стоимости и соотношения стоимостных показателей по различным видам энергии (электроэнергия, газ, мазут, вода, тепло, пар, воздухоснабжение, хладоснабжение и т.п.). Круг вопросов, необходимых для принятия правильных решений, включает:

• выяснение сезонных, месячных, суточных, часовых колебаний потребления энергии и ее производных;
• определение тарифов на энергию и топливо с рассмотрением схемы оплаты;
• определение профиля использования энергии, с разбивкой на производственные и непроизводственные нужды, динамикой потребления энергии по видам продукции или работ, составление баланса потребления энергии по видам;
• определение эффективности работы систем и оборудования с инструментальным контролем, визуальным осмотром, проведением необходимых замеров и обследованием состояния оборудования;
• определение максимальной, средней и минимальной нагрузки;
• сопоставление фактических и проектных характеристик оборудования и систем, выработка перечня предлагаемых мероприятий;
• анализ предыдущих мероприятий проводимых на предприятии для сокращения энергопотребления;
• анализ возможностей энергосбережения в процессе текущей эксплуатации и возможностей по их реализации;
• описание возможностей энергосбережения, с разработкой вариантов использования различного оборудования и технологических схем;
• расчет минимальной и максимальной стоимости предлагаемых вариантов модернизации и переоснащения оборудования;
• расчет годовых затрат и экономии энергии по ее видам;
• разработка предложений по мониторингу работы генераторов тепла и температурного режима теплоиспользующего оборудования с расчетами его стоимости, годовой экономии и оценкой сроков окупаемости.

На рис. 2 показаны основные факторы, влияющие на надежность и стоимостные показатели работы отопительных котлов и вспомогательного оборудования, которые необходимо учитывать в ходе энергоаудита.

Методы повышения эффективности генерации тепловой энергии

Усилия по повышению эффективности работы котельного оборудования необходимо направить на сокращение потерь тепловой энергии с уходящими газами, потерь в результате химического и механического недожога, изоляции котельного оборудования и трубопроводов. Механический и химический недожог устраняются как правило проведением экологотеплотехнической наладки оборудования, либо заменой горелочного устройства на более совершенное.

Сокращение нерационального производства и распределения теплоты обеспечивается установкой современной котловой автоматики с погодным регулированием. Снижение температуры уходящих дымовых газов предусматривает изменение режима эксплуатации, что не всегда выполнимо ввиду появления конденсата в оборудовании и дымовых трубах, недогреву теплоносителя и нерациональным режимом эксплуатации котлоагрегата.

Надо отметить, что при констуировании котлов в прежние годы конструкторы стремились сократить металлоемкость котлов и обеспечить их высокую ремонтопригодность и с этой целью ориентировались на высокотемпературные режимы эксплуатации котлов, мало заботясь об экономии топливно-энергетических ресурсов. Результатом стало то, что находящееся в эксплуатации оборудование представлено в основном водотрубными котлами, имеющими пониженные объемы котловой воды, плохо автоматизированными и часто оборудованными примитивными горелочными устройствами.

Однако в сегодняшних экономических условиях данное оборудование нет возможности вывести из эксплуатации. Поэтому необходимы технические мероприятия, позволяющие повысить КПД котлов, снизить вредные выбросы в атмосферу и продлить сроки их работы. Одним из таких методов может стать применение вторичных излучателей, с установкой их в топку котла, разработанный в институте технической теплофизики НАН Украины.

Известно, что котел является открытой системой, в которой ввод реагентов и отвод продуктов реакции происходит во время химического процесса. Материальный обмен может производиться при конвективном или диффузионном массообмене в топке котла при непрерывном отводе и подводе исходных веществ и продуктов сгорания. Важным показателем качества реакций химических превращений является интенсивность горения.

В промышленных установках интенсивность горения в камерной топке оценивают по величине q v — удельного тепловыделения, отнесенного к единице объема системы, кВт/м 3: Q v =BQ н /V, где B — расход горючего в м 3 /с (кг/с); Q н — теплотворная низшая способность топлива, V — объем камеры сгорания т.е. ее геометрические параметры, конфигурация и пр.Исходя из этого, модернизация существующего оборудования может быть направлена на изменение топочного объема.

Это обеспечит локализацию реакций горения, создание оптимальных условий их протекания и поддержание наиболее выгодных режимов эксплуатации для получения максимально возможного КПД и снижения вредных выбросов в атмосферу. Известно, что интенсивность горения, определяемая по скорости расхода горючих веществ, зависит не только от скорости протекания химической реакции, но и от скорости процесса смесеобразования, определяющим фактором которой является интенсивность протекания турбулентной и молекулярной диффузии.

Последнее может быть обеспечено организацией внутренней рециркуляции дымовых газов в топке котла. Реакции горения протекают с выделением теплоты, т.е. являются экзотермическими, они как правило необратимы и протекают до полного расхода исходных веществ. Однако в высокотемпературных установках в зоне горения могут протекать и эндотермические реакции, идущие с поглощением теплоты, например на реакции диссоциации конечных продуктов сгорания СО 2 ,Н 2 О,NO X восстановления СО на раскаленной поверхности углерода при недостатке кислорода и т.п.

Кроме того реакции между горючим и окислителем никогда не осуществляются непосредственно между молекулами исходных веществ, в реакции принимают участие более активные, чем молекулы элементарные частицы с незаполненными внешними электронными оболочками — свободные атомы (Н, О), гидроксил ОН и др. в достаточной степени, содержащиеся в дымовых газах, поступающих на повторный дожог.

Для жидкого топлива в отличие от газа изменение скорости горения происходит только в результате изменения концентрации окислителя в зоне прохождения реакции, которое компенсируется радикалами -ОН и пр. Надо учитывать, что при температуре 1650°С 90% спектрального излучения факела находится в инфракрасной области, видимой—9%, ультрафиолетовой—1% и до 70% от общего теплосъема происходит именно в топке котла.

Поэтому одним из методов интенсификации топочного теплообмена является достижение максимальной степени черноты топки. Это может быть осуществлено путем создания многокамерной топки, в которой происходит позонное отделение реагентов от продуктов сгорания, с параллельным повышением радиационного теплообмена.

На основании этого мы предлагаем метод использования вторичных излучателей, которые не только позволяют изменить аэродинамику хода дымовых газов, обеспечив их повторный дожог, но и за счет переизлучения, компенсируя временное затенение топки, повысить ее черноту и интенсификацию теплообмена. На рис. 3 показан внешний вид вторичных излучателей, расчетная схема топочного пространства с инсталлированным вторичным излучателем и топка котла Vitola-Bifferall производства немецкой фирмы Viessmann.

Надо отметить, что новизна предлагаемого метода заключается в том, что он включает не только изменение аэродинамики топки и увеличение площади теплопередающих поверхностей, как на рис. 3.3, но и интенсификацию лучистого теплообмена. При этом оребрение вторичного излучателя позволяет за счет конвективного теплообмена обеспечить интенсивный отвод тепла и охлаждение вторичного излучателя, предохраняющее его от температурных напряжений в процессе работы.

Аналитические расчеты показывают, что введение в корень факела газов рециркуляции обеспечивает повышение температуры в топке, изменение кинетики сжигания топлива и изменение термодинамических характеристик котла (рис. 4.2, лабораторные данные).При этом до 80% дымовых газов, в зависимости от ширины раскрытия щелевого зазора на фронте котла L проходят повторный дожог (рис. 4.1, расчетные данные).

Проведенные исследования вторичных излучателей в котлах с вентиляторными горелками показывают повышение КПД котла приблизительно на 1-3%, за счет интенсификации радиационного теплообмена, увеличивающего теплосъем топки. Таким образом снижается нагрузка на конвективную часть котла, что позволяет продлить сроки службы и уменьшить износ оборудования минимум на 4-6 лет.

Кроме того отмечается изменение термодинамических характеристик котла, позволяющее при одинаковых расходах топлива сократить время набора температуры котловой воды примерно на 15-20%, что в эксплуатационных условиях дает экономию приблизительно 3,5% природного газа за счет сокращения времени набора температуры и при выходе горелки на номинальную мощность.

Стабилизация процесса горения позволяет обеспечить бесперебойную безопасную работу оборудования, его плавный пуск, а повторный дожог дымовых газов и поддержание оптимального режима горения сокращают выбросы СО в пять раз и оксидов азота в два раза. Подбор вторичных излучателей производится исходя из типа и мощности котла, объема и конфигурации топочной камеры, особенностей горелочного устройства и вида топлива.

На сегодняшний день уже прошли промышленные испытания и рекомендованы для внедрения вторичные излучатели для жаротрубных котлов с вентиляторными горелками. Данная работа продолжается, так на рис. 5 показаны полученные в ходе промышленных испытаний характеристики эффективности работы котла с сеточным вторичным излучателем, свидетельствующие о перспективности этого направления.

Надо отметить, что для подбора оборудования нами разработаны аналитические и компьютерные модели, позволяющие производить правильный подбор вторичных излучателей. После лабораторных и промышленных испытаний появляется возможность использования вторичных излучателей для модернизации котлоагрегатов. В лабораторных условиях мы провели экспериментальную проверку показателей работы котла «Виктор-100», серийно выпускаемого Броварским заводом коммунального оборудования, мощностью 100 кВт на дизельном топливе.

Определено, что после установки вторичного излучателя в топке котла происходит увеличение температуры, в среднем на 400°С (рис. 6.1), при этом температура уходящих дымовых газов снижается на 50°С (рис. 6.2).В начальный период времени температура уходящих из котла дымовых газов значительно ниже, при этом температура в топке выше, чем без излучателя, что объясняется тем, что в первый период времени теплота тратится на разогрев вторичного излучателя.

Как видно из графика (рис. 6.2) время стабилизации процесса выхода котла на рабочий режим не превышает 5 мин.Предлагаемый метод оказывает также положительное влияние на работу котла, устраняя образование конденсата при «холодном» пуске, тем самым предохраняя его конструкцию от коррозии и локальных перегревов. Надо отметить, что изучение процессов, протекающих в топочных камерах котлов, работающих под наддувом, затруднительно ввиду повышенных требований к их герметичности.

Иллюстрацию протекающих в топке котла процессов можно получить, используя методы компьютерного моделирования с использованием пакетов прикладных CFD-программ. Проведенное нами CFD-моделирование подтвердило правильность выбранного метода. Таким образом появляется новая возможность определения характеристик работы котлов для подбора вторичных излучателей и других способов их модернизации. На рис. 7 представлены эпюры температур котла «Виктор-100».

Отчетливо видно, что после установки вторичного излучателя в топку изменяется распределение температуры по ее объему, в частности отсутствуют зоны локального перегрева, снижается температура на выходе из топки и на фронте котла. Данные CFD-расчета полностью согласуются с данными лабораторных исследований и подтверждаются аналитическими расчетами.

На рис. 8.1 представлены расчетные данные изменения аэродинамических характеристик топочной камеры и значения скорости потоков в топке котла с вторичным излучателем и без него, эпюры давлений (рис. 8.2) и как следствие изменения распределения метана (рис. 8.3) и концентрации NO X (рис. 8.3).Разумеется, что подобные расчеты могут быть проведены для других типов котлов и любого вспомогательного и термического оборудования.

Методы повышения эффективности распределения тепловой энергии

Сокращение расхода топлива может быть обеспечено за счет качественного сжигания и сокращения нерациональных потерь теплоты. Качественное автоматическое регулирование процессов генерации и распределения теплоты обеспечивает значительную экономию топливно-энергетических ресурсов. Значительной экономии тепловой энергии и улучшения эксплуатационных характеристик оборудования можно добиться, произведя модернизацию гидравлической схемы.

Гидравлическая схема существенно влияет на процесс генерации и распределения теплоты и срок службы котельного оборудования. Поэтому при ее рассмотрении необходимо учитывать следующие параметры: почасовую динамику изменения температур, расходы по отдельным контурам и относительный коэффициент объема котловой воды к общему объему воды в системе отопления.

Важным параметром также является температура обратной воды. Для исключения образования конденсата в котле и дымовых газах температура обратной воды должна всегда поддерживаться выше точки росы, т.е. в среднем от 50 до 70°С.Исключением являются котлы конденсационного типа, в которых при низких температурах обратной воды происходит интенсификация процесса конденсации и как следствие повышение КПД. При этом, если ф о ≤ 10%, необходимо проводить дополнительные мероприятия по обеспечению поддержания заданной температуры обратной воды.

Такими мероприятиями являются организация подмеса, разделение контуров теплообменными аппаратами, установка смесительных клапанов и гидравлического разделителя (стрелки).Кроме того важным фактором снижения расходов топлива и электрической энергии является определение расхода теплоносителя через котел (группу котлов) и определение оптимального протока (рис. 9).

Модернизация трубной обвязки котлов

Для модернизации трубной обвязки котлов рекомендуются несложные мероприятия и устройства, которые могут быть изготовлены силами эксплуатационного персонала. Это создание дополнительных контуров в системе теплоснабжения; установка гидравлического разделителя (рис. 10. 1), позволяющего корректировать температуру и давление теплоносителя, и схема параллельных потоков (рис. 10. 2), обеспечивающая равномерное распределение теплоносителя.

Температура теплоносителя должна постоянно корректироваться в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, чтобы поддерживать желаемую температуру в подключенных контурах. В связи с этим важным резервом экономии топлива является максимально возможное количество контуров теплоснабжения и автоматизация процесса регулирования. Размер гидравлического разделителя выбирается так, чтобы при полной нагрузке разность давлений между подающей и обратной линией не превышала 50 мм вод. ст. (примерно 0,5 м/с).

Гидравлический разделитель может монтироваться вертикально либо горизонтально, при монтаже (рис. 10.1) в вертикальном положении имеется ряд дополнительных преимуществ: верхняя часть работает как воздухоотделитель, а нижняя часть используется для отделения грязи. При каскадном подключении котлов необходимо обеспечить равные расходы теплоносителя через котлы одинаковой мощности.

Для этого гидравлическое сопротивление всех параллельных контуров также должно быть одинаковым, что особенно важно для водотрубных котлов. Таким образом обеспечиваются равные условия работы водогрейных котлов, равномерное охлаждение котлов и равномерный теплосъем с каждого котла в каскаде. В связи с этим следует обратить внимание на трубную обвязку котлов, обеспечив параллельное направление движения прямой и обратной воды.

На рис. 10.2 приведена схема параллельных потоков, которая применяется для обвязки котлов, работающих в каскаде без индивидуальных насосов котлового контура и арматуры, регулирующей расход теплоносителя через котел. Это простое и дешевое мероприятие позволяет исключить образование конденсата в котлах, а также частые старты и выключения горелок, которое снижает расход электроэнергии и продлевает срок службы котла и горелочного устройства. Предлагаемая схема «параллельных потоков» применяется также в протяженных горизонтальных системах и при подключении солнечных коллекторов и тепловых насосов в одну общую систему.

Технические решения по обеспечению эвакуации дымовых газов

Борьба за экономию топлива в наших экономических условиях нередко сводится к изменению режимов эксплуатации котельного оборудования. Однако это часто приводит к его преждевременному выходу из строя и дополнительным материальным и финансовым затратам, связанным с ремонтом оборудования. Большую проблему при работе на малых нагрузках создает влага в продуктах сгорания, которая образуется в процессе реакции горения, за счет химической кинетики.

При этом при температуре дымовых газов около 50-60°С на стенках дымохода и оборудования образуется конденсат. Содержание влаги в зависимости от точки росы приведено на рис. 11.1, это приводит к необходимости поддерживать высокие температуры в топке и снижать КПД котла за счет повышения температуры уходящих газов. Это утверждение не распространяется на котлы конденсационного типа, где используется принцип получения дополнительной теплоты за счет фазового перехода при конденсации водяных паров.

На рис. 11.2 показана прямая зависимость точки росы (t р) от коэффициента избытка воздуха α для различных видов топлива. Наличие водяных паров в продуктах сгорания и их конденсация на стенках негативно отражаются на эксплуатации дымовых труб приводя к корозии металлических поверхностей и разрушению кирпичной кладки. Конденсат имеет кислую среду с рН ≈4, что обусловлено наличием в нем угольной кислоты, следов азотной, а при сжигании жидкого топлива и серной кислоты.

Для исключения в процессе эксплуатации негативных последствий в ходе проектирования и выполнения пусконаладочных работ особое внимание необходимо уделить вопросам безопасной эксплуатации котельного оборудования, оптимизации работы горелочного устройства, исключению возможности отрыва пламени в топке и образования конденсата в дымовых трубах.

Для этого на дымовых трубах могут быть дополнительно установлены ограничители тяги, аналогичные ограничителям немецкой фирмы Kutzner +Weber, которые снабжены гидравлическим тормозом и системой грузов, позволяющими отрегулировать их автоматическое открытие в процессе работы котла и вентиляцию трубы при его останове (рис. 12). Работа клапана основана на физическом принципе разрыва струи и не требует дополнительного привода.

Основное требование при установке ограничителей давления — данные устройства можно располагать в помещении котельной, либо, как исключение, в соседних помещениях, при условии что разница давления в них не превышает 4,0 Па. При толщине стенки дымовой трубы 24 мм и более устройство крепится непосредственно на дымовую трубу, либо на выносную консоль.

Допустимая максимальная температура дымовых газов— 400°С, давление срабатывания предохранительного клапана — от 10 до 40 мбар, производительность по воздуху — до 500 м 3 /ч, диапазон регулирования — от 0,1 до 0,5 мбар. Применение ограничителей давления повышает надежность эксплуатации котлов и дымоходов, продлевает ресурс эксплуатации оборудования, не требует дополнительных расходов на обслуживание.

Экспериментальная проверка показывает отсутствие условий для образования конденсата в дымовых трубах, после установки на дымоход клапана ограничения давления при параллельном сокращении концентрации вредных выбросов в атмосферу.

Новые методы водоподготовки для повышения эффективности эксплуатации котельного оборудования

Химический состав и качество воды в системе оказывают непосредственное влияние на срок службы котельного оборудования работу системы отопления в целом. Отложения, возникающие из-за содержащихся в воде солей Са 2+ ,Мg 2+ и Fe 2+ ,— наиболее распространенная проблема, с которой мы сталкиваемся в быту и промышленности. Образование отложений приводит к серьезным потерям энергии.

Эти потери могут достигать 60%.Рост отложений существенно снижает теплоотдачу, они могут полностью блокировать часть системы, привести к закупориванию и ускорить коррозию. Наличие в воде кислорода, хлора, двухвалентного железа и солей жесткости увеличивает количество аварийных ситуаций, приводит к увеличению расхода топлива и снижает срок службы оборудования. Отложения карбонатной жесткости формируются при невысоких температурах и легко удаляются.

Отложения, образованные растворенными в воде минералами, например, сульфатом кальция, откладываются на поверхностях теплообмена при высоких температурах. (Отложения накипи приводят к тому, что даже «Межведомственными нормами сроков службы котельного оборудования в Украине» предусмотрено увеличение расхода топлива на 10% уже через семь лет эксплуатации.) Отложения особенно опасны для устройств автоматического регулирования, теплообменников, счетчиков тепла, радиаторных термостатических вентилей, водомеров.

Для обеспечения надлежащей работы системы необходимо применять умягчители воды. В так называемых «мертвых зонах» ситемы могут образовываться стационарные пузыри сложного химического состава, в которых кроме кислорода и азота могут присутствовать метан и водород. Они вызывают точечную коррозию металла и образование илистых отложений, негативно сказывающихся на работе системы. В связи с этим необходимо использовать автоматические воздухоотводчики, которые устанавливаются в верхних точках системы и зонах слабой циркуляции теплоносителя.

При использовании для подпитки городской водопроводной воды необходимо следить за концентрацией хлоридов. Она не должна превышать 200 мг/л.Повышенное содержание хлоридов приводит к тому, что вода становится более коррозионно-агресивной, в т.ч. из-за неправильной работы фильтров умягчения воды. В последние годы качество исходной, водопроводной и сетевой воды в целом улучшилось благодаря применению специальной арматуры, сильфонных компенсаторов и переходу от гравитационных систем центрального отопления к системам центрального отопления замкнутого типа.

Проблемы отложений решаются с использованием, как физических, так и химических методов. Сегодня химикаты широко используются в борьбе с отложениями. Однако высокие затраты и сложность технологического процесса, а также возрастающее понимание в необходимости защиты окружающей среды, не оставляют никакого выбора, кроме как поиска физических методов. Но способ приготовления воды для них и в дальнейшем не гарантирует защиты от коррозии и жесткости воды.

Для предотвращения применяют разного типа фильтры, отстойники, магниты, активаторы и их комбинации. В зависимости от осадка, элементы системы защищают или только от постоянных коррозийных компонентов и котлового камня, или от всех вредных компонентов вместе с магнетитами. Простейшие устройства физической очистки воды — сетчатые фильтры. Они устанавливаются непосредственно перед котлом и имеют сетчатый вкладыш из нержавеющей стали с необходимым количеством отверстий — 100-625 на см 2 .

Эффективность такой очистки составляет 30% и зависит от размеров фракций осадка. Следующее устройство— гидроциклонный фильтр, принцип действия которого базируется на законе инерции при вращающемся движении. Эффективность такой очистки очень высокая, но нужно обеспечить высокое давление 15-60 бар в зависимости от объема воды в системе. По этой причине данные фильтры применяют редко.

Илоотделитель— это вертикальный цилиндрический сборник с перегородкой, которая притормаживает поток воды. Благодаря этому отделяются большие частички. Функцию фильтра выполняет горизонтально расположенная сетка с количеством отверстий 100-400 на см 2 .Эффективность такой очистки составляет 30-40%. Очистка воды усложняется, если из нее нужно убрать котловый камень.

Илоотделители задерживают преимущественно только большие фракции карбонатно-кальциевых соединений, которые оседают на сетке. Остаток циркулирует и оседает в системе центрального отопления. Широкое распространение получили различные устройства магнитной и электромагнитной обработки воды, использующие постоянное и переменное магнитное поле. Магнитная обработка приводит к тому, что вещества, вызывающие отложения, под воздействием полей поляризуются и сохраняются во взвешенном состоянии.

Простейшее устройство основанное на данном принципе — магнитизатор. Как правило он представляет собой металлический цилиндр с магнитным стержнем внутри. С помощью фланцевого соединения он устанавливается непосредственно в трубопровод. Принцип действия магнетизатора состоит в изменении электрофизического состояния молекул жидкости и растворенных в ней солей под влиянием магнитного поля.

В результате котловый камень не образуется, а карбонатные соли выпадают в виде мелкокристаллического ила, который больше не оседает на поверхностях теплообмена. Преимущество метода — постоянная поляризация вещества, благодаря чему растворяются даже старые отложения котлового камня. Однако этот, без сомнения, экологически чистый метод, с низкими эксплуатационными затратами, имеет важный недостаток.

Повышение гидравлического сопротивления системы приводит к увеличению расхода электроэнергии и дополнительной нагрузке на насосное оборудование, в замкнутых циркуляционных системах иловые отложения оседают в радиаторах, арматуре и фасонных частях трубопроводов, в связи с чем необходимо устанавливать дополнительные фильтры, магнитный стержень в устройстве активно корродирует.

Эффективность такой очистки доходит до 60% и зависит от размеров фракций осадка, химического состава растворенных солей и напряженности магнитного поля от внешних источников. В последнее десятилетие ведется активный поиск новых способов физической обработки воды, онованных на современных нанотехнологиях. Примером могут служить приборы немецкой фирмы Merus (рис. 13), которые изготавливаются с использованием специального производственного процесс прессовки различных материалов, таких как алюминий, железо, хром, цинк, кремний и т.д.

Технология позволяет получать уникальный сплав, обладающий свойством к «запоминанию» напряженности магнитного поля при последующей технологической обработке и преобразованию его в электромагнитные сигналы, в месте установки на трубопроводе. Прибор эффективно концентрирует электромагнитные поля из окружающей среды и воздействует на растворенные в воде анионы гидрокарбоната, удерживая их в коллоидной форме и переводит ржавчину в магнетит— электромагнитными импульсами, производя действие подобное воздействию аккустических сигналов на воду (ультразвук).

Это вызывает процесс кристаллизации непосредственно в массе воды, а не на стенках труб или других поверхностях теплообмена. Этот процесс более известен в химии, как «кристаллизация в объеме».В отличии от других способов физической обработки воды, приборы Merus не требуют источников энергии, затрат на эксплуатационное обслуживание и установку прибора. Производимое прибором воздействие на воду сохраняется до 72 ч и позволяет проводить обработку воды на магистральных трубопроводах до 10 км.

Благодаря новому принципу воздействия, основанному на активации воды, за счет разрыва водородных межмолекулярных связей приборы Merus эффективно используются даже в тех случаях, когда известные методы обработки воды неэффективны. Например, на конденсатопроводах, прямоточных технологических пароперегревателях, работающих на водопроводной воде без возврата конденсата, электротермических печах, при установке на пластиковых трубах и пр.

Эффективность такой обработки достигает 90%, позволяя умягчать воду без химических компонентов, сократить расход соли при натрий-катионировании и угнетая рост болезнетворных бактерий, таких как палочка Коха и легионелла. При этом химический состав воды не изменяется, что часто бывает важно для фармацевтики и пищевых производств, обработки воды в бассейнах и пр.

Выводы

• На техническое состояние котельного оборудования коммунальной энергетики в первую очередь влияет отсутствие достаточного финансирования и несовершенная правовая законодательная база.
• Определение эффективности работы котельного оборудования должно начинаться с проведения энергоаудита.
• Повышения эффективности работы и сроков службы котельного оборудования можно достичь путем установки вторичных излучателей, которые обеспечат улучшение аэродинамических и кинетических процессов протекающих в топке.
• Значительной экономии тепловой энергии и улучшения эксплуатационных характеристик оборудования можно добиться, произведя модернизацию гидравлической схемы.
• Установка ограничителей тяги на дымовых трубах приводит к стабилизации горения, вентиляции дымовых труб, исключению возможности образования конденсата и их надежной эксплуатации на малых нагрузках котлоагрегатов.
• В процессе эксплуатации котельного оборудования необходимо уделить внимание качественной водоподготовке и деаэрации теплоносителя.

1. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод)/Под ред. Н.В.Кузнецова.- М.: Энергия, 1973.
2. Басок Б.И., Демченко В.Г.,Мартыненко М.П. Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла с вторичным излучателем. Промышленная теплотехника, №1/2006.
3. Рабочие характеристики, указания по подключению и гидравлические схемы котлов средней и большой мощности. De Dietrich, 1998.

Основные показатели работы котельных установок могут быть разделены на технологические, определяющие функциональные зависимости рабочих процессов, экономические и режимные. Последние показатели определяются по данным технической и экономической отчетности. Их анализ позволяет установить отклонения от заданных нормативов и их причины, выявлять и использовать резервы производства и возможности повышения рентабельности работы котлов. Технологические показатели, характеризующие рабочие процессы в котлах, рассмотрены ранее.

Основными показателями тепловой экономичности котельных установок за данный период времени являются КПД, удельный расход условного топлива на выработку пара, а также удельный расход электроэнергии и теплоты на собственные нужды котла.

Различают КПД брутто, %,

η бр = 100∙Q бр выр /(В р Q р н)

и КПД нетто,%

η н = (Q бр выр - q э) / (В р Q р н)

где В р -расход топлива, т/мес или т/год; Q р н -теплота сгорания топлива, кДж/кг; Q бр выр - количество теплоты, переданной пару в котле, МДж/мес или МДж/год; q э - количество теплоты топлива, затрачиваемой на потребляемую котлом электроэнергию и теплоту, МДж/мес или МДж/год; для котлов высокого давления, работающих на газе и мазуте, составляет (4-5) %, а при работе на пылевидном топливе (5,5-8) %.

Коэффициент полезного действия котла определяется в основном его конструктивной характеристикой, режимом работы, видом топлива и качеством обслуживания. Для современных котлов средней и большой мощности, работающих на пылевидном топливе, η бр = (88…92) %, а при работе на газе и мазуте η бр = (90…94) %.

Удельный расход условного топлива на тонну выработанного пара данных параметров, т/т,

где D -количество выработанного пара, т/мес или т/год. Минимальный расход топлива котельной будет при условии равенства относительных приростов расхода топлива по всем параллельно работающим котлам:

Для выявления относительного прироста топлива необходимо иметь расходную (тепловую) характеристику котлов В= f(D) и зависимость η н = f(D)

Основными показателями режима работы котлов являются годовой коэффициент рабочего времени и коэффициенты, характеризующие нагрузку котлов. Годовой коэффициент рабочего времени, %,

η г = 100∙τ раб / 8760

где τ раб -число часов работы котла в году.

Полная продолжительность готовности агрегата к несению нагрузки, ч,

τ год = τ раб + τ рез

где τ рез - продолжительность нахождения агрегата в резерве, ч.

Показателями, характеризующим и режимы нагрузки котла, являются:

1) коэффициент использования тепловой мощности котлов, %,

к и =100 ΣD/(ΣD ном τ),

где ΣD -фактическая выработка пара котлами, т/год; ΣD ном - номинальная производительность котлов, т/ч; τ - фактическое время работы котлов, ч;

2) число часов использования установленной производительности котлов, т. е. число непрерывной работы котлов при полной их производительности, при которой могла бы быть получена годовая выработка пара, ч,

τ ном =ΣD/(ΣD ном)

Использование установленной производительности котлов определяется графиком нагрузки, резервной производительностью, надежностью установленного оборудования и пр. Большое число часов использования характеризует более постоянный режим работы, меньшее число остановов агрегатов и продолжительности простоя их в ремонте или резерве С увеличением числа часов использования установленной производительности экономичность котлов возрастает. Снижение экономичности работы при увеличении числа часов использования указывает на работу агрегатов с нагрузкой выше экономичной или ухудшение их состояния.

Важнейшим и итоговым показателем, комплексно отражающим технический уровень состояния оборудования и эксплуатации котлов, является себестоимость отпускаемого пара. Затраты на выработку пара разделяют на переменные, зависящие от количества вырабатываемого пара, и постоянные, мало от него зависящие. Переменные расходы складываются из расходов на топливо, электроэнергию, воду и вспомогательные материалы, постоянные - из заработной платы с начислениями, амортизации зданий, сооружений и оборудования, затрат на текущий ремонт и прочих расходов.

Основной частью себестоимости пара является топливная составляющая, которая может доходить до 70 %. Затраты на электроэнергию должны учитывать весь ее расход, начиная с системы топливоподачи. Учитываются стоимость воды на питание котлов и его очистку, стоимость воды на охлаждение элементов оборудования, стоимость смазочных и обтирочных материалов, шаров и бил для мельниц и дробилок и пр.

По затратам на заработную плату учитываются все расходы на содержание всего персонала, за исключением занятого ремонтом (ремонты относятся на счет амортизационных отчислений. Эти расходы зависят от степени механизации и автоматизации котельных установок. Слагающая заработной платы снижается с увеличением числа часов использования номинальной производительности агрегатов.

Амортизационные расходы складываются из отчислений от стоимости зданий, сооружений и оборудования. Слагающая себестоимости по амортизационным отчислениям составляет 6-12 % . Слагающие себестоимости на текущий ремонт и прочие расходы составляют в сумме до 10-15 % стоимости пара и уменьшаются с увеличением числа часов использования оборудования.

Основными направлениями снижения себестоимости пара являются:

1) снижение удельного расхода топлива за счет повышения КПД агрегатов и исключения потерь топлива;

2) уменьшение расхода энергии на собственные нужды котлов путем устранения вредных сопротивлений в системе пылеприготовления, пароводяного и газовоздушного трактов, а также поддержания оптимального режима работы оборудования;

3) уменьшение численности обслуживающего персонала за счет комплексной механизации и автоматизации всех процессов;

4) уменьшение первоначальной стоимости котельных установок за счет уменьшения количества агрегатов при большой их единичной мощности, изготовление агрегатов на заводе укрупненными блоками, применения сборных строительных конструкций зданий и сооружений и т. п.

Экономическая эффективность- это результативность использования ресурсов. Она определяется путем сопоставления результатов и затрат расходованных на достижение этих результатов.

Для определения эффективности производства на уровне предприятий принимается система показателей, включающая обобщение и дифференцированные показатели.

К дифференцированным показателям относят показатели, применяемые для анализа эффективного использования отдельных видов ресурсов.

Обобщающие показатели характеризуют экономическую эффективность использования совокупности ресурсов.

Фондоотдача характеризует уровень использования основных производственных фондов участка. Основные производственные фонды включают балансовую стоимость всех видов групп производственных фондов. Расчет фондоотдачи производится по формуле:

Где - средний тариф за 1ГДж теплоты, руб.

Средний тариф за 1ГДж отпущенной теплоты на 28% превышает себестоимость 1ГДЖ отпущенной теплоты и определяется по формуле:

Фондоемкость показывает количество основных фондов, вложенных в получение 1руб. продукции.

Фондовооруженность определяется по формуле, тыс.руб./чел

Производительность труда оценивается по коэффициенту обслуживания и определяется по формуле, МВт/чел

Где Ч-численность эксплуатационного персонала, чел.

Среднемесячная заработная плата работников определяется по формуле:

Среднемесячная заработная плата рабочих определяется по формуле:

Где -численность рабочих (основных и вспомогательных). чел.

Прибыль полученная от годового отпуска теплоты котельной определяется по формуле:

Не вся прибыль полученная предприятием остается в его распоряжении. Предприятию необходимо произвести уплату налога на недвижимость и налога на прибыль, если есть штрафные санкции. Оставшаяся часть прибыли поступает в распоряжение предприятия.

Где - сумма налога на прибыль, руб.

Где - ставка налога на прибыль, по действующему законодательству, %.

Рентабельность- относительная величина, выраженная в процентах и характеризующая эффективность применения в производстве ресурсов овеществленного труда или текущих издержек производства.

Определяют следующие показатели рентабельности: уровень рентабельности отпущенной теплоты, уровень рентабельности собственного капитала, уровень рентабельности капиталовложений.

Уровень рентабельности отпущенной теплоты определяется по формуле,

Уровень рентабельности собственного капитала определяется по формуле,

Все полученные результаты по разделам 1 и 2 сводим в таблицу 6.

Таблица 6- Основные технико-экономические показатели котельной