Наиболее простую принципиальную тепловую схему имеет водогрейная котельная. Она приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная тепловая схема водогрейной котельной.
1 – водогрейные котлоагрегаты; 2 – сетевые насосы; 3 – подпиточные насосы; 4 – рециркуляционные насосы; 5 – насосы сырой воды; 6 – конденсатные насосы; 7 – вакуумный деаэратор; 8 – охладитель выпара; 9 – водоструйный эжектор; 10 – бак для сбора конденсата; 11 – химводоочистка; 12 – подогреватель химически очищенной воды; 13 – подогреватель сырой воды; 14 – охладитель подпиточной воды.
Водогрейная котельная работает следующим образом: сырая вода из водоема или из водопроводной сети подается с помощью насосов сырой воды на подогреватели сырой воды. Там она подогревается до температуры 20––40 °С за счет теплоты сетевой воды, поступающей из подогревателей ХВО. При наличии предочистки: 30 °С – при коагуляции;
40 °С – при коагуляции с известкованием. Без предочистки: 25…35 °С. Затем сырая вода либо сразу направляется на ХВО, либо предварительно проходит через охладитель подпиточной воды.
На ХВО производится уменьшение жесткости сырой воды, либо в натрий-катионитных либо в Н-катионитных фильтрах. Затем химически очищенная вода поступает в подогреватели химически очищенной воды, где она нагревается за счет теплоты сетевой воды из водогрейных котлов. После этого химически очищенная вода проходит через охладитель выпара и поступает в деаэратор. Деаэраторы предназначены для удаления из воды коррозионно – активных газов (кислород, углекислый газ) при одновременном ее подогреве. В водогрейных котельных подогрев химически очищенной воды в деаэраторах осуществляется сетевой водой, которая поступает от водогрейных котлов. Как правило, в водогрейных котельных применяются вакуумные деаэраторы (ДВ). Удаление коррозионно – активных газов в этих деаэраторах происходит при рабочем давлении 0,16 – 0,5 ата (0,016 – 0,05 МПа). Средний подогрев воды в этих деаэраторах от 15 до 25 °С и температура деаэрированной воды на выходе из вакуумного деаэратора составляет 55 – 80 °С. Для поддержания вакуума в вакуумных деаэраторах типа ДВ используются водоструйные эжекторы, которые включены последовательно с баком для сбора конденсата и конденсатным насосом.
|
Если деаэратор работает с обогревом, то температура в деаэраторе:
Если деаэратор работает без обогрева, то:
, где tнас – определяется по давлению в деаэраторе.
Однако вакуумные деаэраторы требуют при эксплуатации особого внимания и тщательного надзора, поэтому в ряде котельных предпочитают устанавливать деаэраторы атмосферного типа. Применяемые схемы включения вакуумных деаэраторов и деаэраторов атмосферного типа представлены на рисунке 2.
На рисунке 2а представлена схема с деаэратором, работающим при абсолютном давлении 0,03 МПа. Вакуум в нем создается водоструйным эжектором. Подпиточная вода после водоподготовительной установки подогревается в водо-водяном подогревателе горячей водой из прямой подающей линии температурой 130-150 °С. Выделившийся пар барботирует поток деаэрируемой воды и направляется в охладитель выпара. Температура воды после деаэратора 70 °С.
На рисунке 26 показана схема деаэрации при давлении 0,12 МПа, при таком давлении температура воды 104 °С. Перед подачей в деаэратор химически очищенная вода предварительно подогревается в водо-водяном теплообменнике.
|
На рисунке 2в дана аналогичная схема, отличающаяся тем, что после деаэратора деаэрированная вода охлаждается до 70 °С химически очищенной водой в водо-водяном теплообменнике-охладителе.
Для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых и производственных объектов применяются, в основном, водотрубные котлоагрегаты; водогрейные жаротрубные котлоагрегаты также применяются и выпускаются теплопроизводительностью до 2,5 МВт.
Рисунок 2. Схема включения деаэраторов: вакуумного (а); атмосферного (б); атмосферного с охладителем деаэрированной воды (в); 1 - водоструйный эжектор; 2 - охладитель выпара; 3 - водо-водяной теплообменник; 4 - химически очищенная вода; 5 - деаэратор; 6 - горячая вода из прямой линии; 7 - охладитель деаэрированной воды; 8 - бак деаэрированной воды; 9 - подпиточный насос; 10 - водяной пар.
После процесса деаэрации химически очищенная вода становится подпиточной водой. Если температура подпиточной воды после вакуумного деаэратора более 70 °С, то она проходит через охладитель подпиточной воды, где охлаждается сырой водой. После этого охлажденная подпиточная вода смешивается с потоком сетевой воды после подогревателей сырой воды. Затем смешанный поток с помощью насосов поступает для подпитки водяной тепловой сети. Подогрев сетевой воды для систем отопления, вентиляции и ГВС осуществляется в водогрейных котлоагрегатах 1 (рисунок 1).
|
При разработке и расчете тепловых схем с водогрейными котлами необходимо учитывать некоторые особенности их конструкции и эксплуатации: водогрейные котлы могут надежно и экономично работать только при поддержании постоянного расхода сетевой воды, проходящей через них. Также должна поддерживаться постоянной температура сетевой воды на выходе из водогрейных котлов. Для того, чтобы обеспечить температуру сетевой воды в тепловой сети в соответствии с установленным температурным графиком, должно быть предусмотрено наличие перемычки, через которую сетевая вода из обратного т/п в количестве Gперем подмешивается в подающий т/п.
За счет подмешивания сетевой воды из обратного т/п происходит уменьшение температуры на выходе из водогрейного котла до температуры τ01 (которая должна изменяться в соответствии с температурным графиком). Для предупреждения низкотемпературной коррозии внутренних поверхностей нагрева котлов, температура сетевой воды на входе в котлы должна быть выше температуры точки росы продуктов сгорания (чтобы не произошла конденсация водяных паров из продуктов сгорания и растворение в ней оксидов серы, образующихся при сгорании топлива).
Температура точки росы:
· при сжигании газа: 54…57 0С;
· при сжигании низкосернистого мазута: около 60 0С;
· при сжигании высокосернистого мазута: около 90 0С.
Значение температуры сетевой воды на входе в котлы должно быть
- не ниже 60 °С при работе водогрейных котлов на природном газе;
- не ниже 70 °С при работе водогрейных котлов на малосернистом мазуте;
- не ниже 110 °С при работе водогрейных котлов на высокосернистом мазуте и твердом топливе.
При сжигании высокосернистого мазута расход воды через котел должен быть увеличен вдвое. Водогрейные котлы выпускаются с числом ходов по воде кратным двум и при сжигании высокосернистого мазута, а также при использовании котла в пиковом режиме число ходов воды сокращается вдвое.
В водогрейных котлах недопустимо парообразование во избежание образования накипи, пережога труб и гидроударов. Для этого необходимо поддерживать постоянной скорость воды в трубной системе, т.е. водогрейные котлы работают нормально только при постоянном расходе. Давление на выходе из котла должно быть такое, чтобы tнас превосходило на 10…15 0С максимальную температуру в сети – это определяет расположение насоса в схеме.
Для того, чтобы поддерживался постоянный расход воды через котлы и для поддержания температуры сетевой воды на входе в котлы на заданном уровне, устанавливаются рециркуляционные насосы 4 (рисунок 1). При помощи них осуществляется подмешивание сетевой воды, выходящей из котлов, к потоку сетевой воды, поступающей из обратного т/п тепловой сети.
Для поддержания постоянного расхода воды в котле предусмотрен узел перепуска, то есть часть воды проходит мимо котла. Одновременно перепуском регулируется температура воды в подающем трубопроводе.
Рисунок 3. Узел перепуска сетевой воды.
Производительность рециркуляционных насосов определяется из уравнений теплового баланса потоков смешения.
где Gрец - количество рециркуляционной воды, кг/с;
Gсв - количество сетевой воды, кг/с;
τ2 и τ1 - температуры сетевой воды в обратном и подающем трубопроводах теплосети;
и - минимально допустимая температура сетевой воды при входе в котел и температура после водогрейного котла, °С.
В тепловых схемах водогрейных котельных регулирование отпуска теплоты в сеть осуществляется изменением температуры воды на выходе из котла и подмешиванием сетевой воды через рециркуляционную перемычку.
Рисунок 4. График регулирования температуры на выходе из котлов и температуры сетевой воды
Таблица 1. Режимная карта водогрейного котла типа КВ-ГМ-100. Топливо: природный газ + сернистый мазут
Наименование параметров | Ед, изм | Тепловая нагрузка, % | |||
Теплопроизводительность котла | Гкал/ч | 32,5 | |||
МВт | 37,8 | 58,1 | 69,8 | ||
Расход воды через котел | т/ч | ||||
Температура воды: | |||||
- на входе в котел | °С | ||||
- на выходе из котла | °С | ||||
Давление воды: | |||||
- на входе в котел | МПа | 1,4 | 1,4 | 1,4 | 1,4 |
- на выходе из котла | МПа | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
Вид, марка топлива – природный газ Тюменского месторождения + сернистый мазут (50% М- 40+ 50% М- 100) | |||||
Расход топлива: | |||||
- природного газа | м3/ч | ||||
-мазута | т/ч | 1,15 | 1,79 | 2,18 | 2,9 |
Температура мазута перед котлом | °С | ||||
Число работающих: | шт | ||||
- газовых горелок | |||||
- мазутных форсунок | |||||
Давление газа перед горелками: | |||||
№1 | кПа | 5,4 | 12,8 | 30,8 | |
№2 | кПа | 5,4 | 12,8 | 30,8 | |
Давление мазута перед форсункой | МПа | 0,085 | 0,125 | 0,158 | 0,22 |
Давление первичного воздуха | кПа | 5,6 | 6,0 | 6,2 | 6,6 |
Давление вторичного воздуха (общее) | Па | ||||
Разрежение: | |||||
- вверху топки | Па | ||||
- за котлом | Па | ||||
Температура уходящих газов | °С | ||||
Состав уходящих газов: | % об | ||||
- углекислый газ (СО2) | 7,7 | 8,4 | 8,7 | 9,7 | |
- кислород (О2) | 8,3 | 7,7 | 7,3 | 5,6 | |
- окись углерода | отс. | отс. | отс. | отс. | |
Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах | - | 1,66 | 1,53 | 1,49 | 1,33 |
Нагрузка электродвигателя: | |||||
- дутьевого вентилятора | |||||
-дымососов Д-1 | |||||
Д-2 | |||||
Потери тепла: | % | ||||
- с уходящими газами | 6,29 | 7,06 | 7,38 | 8,04 | |
- от химической неполноты сгорания | |||||
- в окружающую среду | 1,23 | 0,8 | 0,67 | 0,5 | |
КИТ котла брутто | % | 92,48 | 92,14 | 91,95 | 91,46 |
Удельный расход условного топлива на выработку теплоты | кг/Гкал | 36,91 | 37,03 | 37,12 | 37,31 |
Основное отличие тепловой схемы водогрейной котельной, работающей на открытую систему ГВС, заключается в подготовке и перекачке значительного количества подпиточной воды. Максимальные часовые расходы воды на подпитку при открытой схеме ГВС в 10-15 раз больше, чем при закрытой. Такая большая разница в подпитке и ее большая неравномерность при открытой системе ГВС требует установки в котельной водоподготовительных устройств большей производительности.
Для сглаживания пиков суточного графика нагрузок в тепловые схемы таких котельных включают обычно не менее двух баков-аккумуляторов деаэрированной сетевой воды (устанавливаются между охладителем подпиточной воды 14 и подпиточными насосами 3 на рисунке 1). Для экономии топлива в котельной и увеличения срока службы баков снаружи они теплоизолируются, а внутри покрываются антикоррозионным покрытием. Рабочий объем баков выбирается из условий возможности подпитки тепловых сетей в часы максимального водоразбора. Обычно суммарный объем баков для подпиточной воды в 6-8 раз больше среднечасового суточного расхода воды на горячее водоснабжение.
Следующей по сложности является принципиальная тепловая схема паровой котельной, работающей на водяную открытую систему теплоснабжения. Принципиальная тепловая схема представлена на рисунке 5.
Рисунок 5.Принципиальная тепловая схема паровой котельной, работающей на водяную открытую систему теплоснабжения.
1 – паровые котлоагрегаты; 2 –редукционно-охладительные установки; 3 – расширитель непрерывной продувки; 4 – насосы сырой воды; 5 – охладитель непрерывной продувки; 6 – подогреватель сырой воды; 7 – питательные насосы; 8 – деаэраторы; 9 – охладитель выпара; 10 – химводоочистка; 11 – подогреватель химически очищенной воды; 12 – охладитель подпиточной воды; 13 - сетевые насосы; 14 – подпиточные насосы; 15 – баки-аккумуляторы подпиточной воды; 16 – пароводяные сетевые подогреватели; 17 – водо-водяные охладители конденсата; 18 - бак для сбора конденсата; 19 - конденсатные насосы.
Паровая котельная работает следующим образом. Сырая вода из ближайшего водоема или из наружной водопроводной сети с помощью насосов 4 поступает в охладитель непрерывной продувки 5. Там она нагревается за счет теплоты продувочной воды из расширителя непрерывной продувки 3. Затем сырая вода дополнительно нагревается в подогревателе сырой воды 6 до температуры 20-30 °С. После 6 поток сырой воды направляется на химводоочистку 10. Конденсат от 6 поступает в бак для сбора конденсата 18. На ХВО производится уменьшение жесткости сырой воды либо в натрий-катионитных либо в Н-катионитных фильтрах, и в результате процесса ХВО сырая вода становится умягченной (химически очищенной). Затем поток химически очищенной воды поступает в охладитель подпиточной воды 12, где охлаждает подпиточную воду до 65-70 °С. Дальнейший подогрев химически очищенной воды осуществляется паром в подогревателях химически очищенной воды 11. Конденсат после 11 поступает в бак для сбора конденсата 18. Затем химически очищенная вода, пройдя через охладитель выпара 9 поступает в колонку деаэратора 8, который предназначен для удаления из воды коррозионно – активных газов (кислород, углекислый газ) при одновременном ее подогреве. В паровых котельных подогрев химически очищенной воды в деаэраторе осуществляется паром из котлов 1, вторичным паром из расширителя непрерывной продувки 3 и потоком конденсата из 18.
Как правило в паровых котельных применяются либо деаэраторы атмосферного типа (ДА или ДСА) либо повышенного типа ДП. В атмосферных деаэраторах удаление коррозионно – активных газов происходит при рабочем давлении 0,1 – 0,12 МПа (1 – 1,2 ата). Средний подогрев воды в этих деаэраторах от 10 до 50 °С и температура деаэрированной воды на выходе из деаэратора составляет 100 – 104 °С. В деаэраторах повышенного типа удаление коррозионно – активных газов происходит при рабочем давлении 0,6 – 0,7 МПа (6 – 7 атм). Средний подогрев воды в этих деаэраторах от 10 до 40 °С и температура деаэрированной воды на выходе из деаэратора составляет 164 – 170 °С.
После процесса деаэрации химически очищенная вода становится питательной водой.
Питательная вода с помощью питательных насосов 7 поступает в котел 1, часть потока питательной воды направляется на подпитку водяной тепловой сети.
В открытых системах теплоснабжения расход подпиточной воды для подпитки очень значителен, поэтому, когда паровая котельная работает на открытую систему теплоснабжения, в ней устанавливаются два деаэратора. Один – для приготовления питательной воды, второй – для подпиточной воды.
При тепловой нагрузке системы теплоснабжения до 50 МВт и отпуске потребителям насыщенного или слабо перегретого (tПП = 225 - 250 °С) пара (давление обычно 1,4 МПа, реже 2,4 МПа), в этих котельных устанавливаются котлы паропроизводительностью 2,5-50 т/ч типа Е-…-1,4ГМ, Е- ….-1,4-250ГМ, Е- …-2,4-250ГМ. Пример режимной карты котла представлен в таблице 2.
Таблица 2. Режимная карта котла.
Наименование параметра | Ед, изм | Тепловая нагрузка, % | |||
Паропроизводительность котла | т/ч | ||||
Давление в барабане | МПа | 1,18 | 1,21 | 1,24 | 1,27 |
Температура перегретого пара | °С | ||||
Температура питательной воды | °С | ||||
Давление мазута перед форсунками | МПа | 1,4 | 1,7 | 2,0 | 2,4 |
Давление воздуха перед горелками | кПа | 1,3 | 1,7 | 2,2 | 2,7 |
Разрежение в топке | Па | ||||
Количество работающих форсунок | шт. | ||||
Содержание СО: в уходящих газах | % | 10,8 | И | 11,4 | |
Температура мазута | °С | ||||
Разрежение за конвективным пучком | Па | ||||
Разрежение за экономайзером | Па | ||||
Температура воздуха на входе в в/п | °С | ||||
Температура уходящих газов | °С | ||||
Температура газов за в/п | °С | ||||
Температура газов за п/п | °С | ||||
Содержание О2 в уходящих газах | % | 8,1 | 7,2 | 7,0 | 6,5 |
Удельный расход топлива | кг/Гкал | 154,2 | 156,2 | 160,3 | 164,0 |
(условного) | кг/ГДж | 36,83 | 37,31 | 38,29 | 39,18 |
КИТ котла брутто | % | 91,5 | 91,45 | 91,4 | 91,2 |
Коэффициент избытка воздуха | - | 1,20 | 1,15 | 1,14 | |
за котлом |
При большой тепловой нагрузке и необходимости отпуска пара давлением до 4 МПа и температурой до 450°С, устанавливаются котлы паропроизводительностью 25-75 т/ч типа Е-…-2,4-380ГМ, Е-…-4,0-440ГМ. Обозначение котлов: Е - с естественной циркуляцией, 1-я цифра - паропроизводительность, т/ч (здесь пропущена, стоит многоточие); 2-я - давление пара 1,4; 2,4; 4,0 МПа, 3-я - температура перегретого пара 250, 380, 440 °С; ГМ - газомазутный (вид топлива).
Для технологических потребителей теплоты используется водяной пар более низкого давления и более низкой температуры, чем вырабатывают паровые котлы. Поэтому предусматривается наличие редукционной РУ или редукционно – охладительной установки 2 – РОУ. В РУ осуществляется снижение давления пара. В РОУ осуществляется снижение давления и температуры пара до значений, необходимых для технологических потребителей теплоты. Для собственных нужд паровой котельной также устанавливаются РОУ, в которых давление пара снижается до 0,6 – 0,7 МПа, а температура пара уменьшается до 160 – 180 °С. Подогрев сетевой воды для систем отопления, вентиляции и ГВС зданий осуществляется в последовательно включенных сетевых подогревателях (сначала в 17, затем в 16). Сетевая вода из обратного т/п тепловой сети сначала частично нагревается в водо-водяном охладителе конденсата за счет теплоты конденсата из пароводяных сетевых подогревателей, затем полностью нагревается в 16 - пароводяных сетевых подогревателях за счет теплоты пара из котлов. Охлажденный конденсат с температурой 80-95 °С поступает в 18 - бак для сбора конденсата. Также в 18 поступает конденсат, возвращаемый от технологических потребителей теплоты. В баке для сбора конденсата происходит выравнивание давления и температуры всех поступивших потоков. Затем общий поток конденсата с помощью конденсатных насосов 19 поступает в деаэратор 8. Для сглаживания пиков суточного графика тепловых нагрузок и для создания резервного запаса деаэрированной воды в котельной установлены баки аккумуляторы подпиточной воды 15 в количестве не менее двух. Для водяных открытых систем теплоснабжения и при отдельных тепловых сетях ГВС расчетная вместимость бака-аккумулятора равна десятикратной величине среднего расхода сетевой воды, подаваемой на ГВС.
В водяных закрытых системах теплоснабжения для котельных с тепловой мощностью 10 МВт и более должны устанавливаться баки-аккумуляторы с расчетной вместимостью до 3% от суммарного объема сетевой воды во всей системе теплоснабжения.
Наиболее сложной является принципиальная тепловая схема пароводогрейной котельной, работающей на водяную закрытую систему теплоснабжения. Принципиальная тепловая схема представлена на рисунке 3.
При суммарном отпуске тепла с паром и горячей водой более 50 МВт (из них более 65% с горячей водой) целесообразно устанавливать паровые и водогрейные котлы. Окончательный выбор варианта котельной должен определяться технико-экономическим расчетом.
Рисунок 6. Принципиальная тепловая схема пароводогрейной котельной, работающей на водяную закрытую систему теплоснабжения.
1 – паровые котлоагрегаты; 2 – водогрейные котлоагрегаты; 3 – редукционно-охладительные установки (для технологических нужд слева, для собственных нужд – правая); 4 – расширитель непрерывной продувки; 5 – насосы сырой воды; 6 – охладитель непрерывной продувки; 7 – подогреватель сырой воды; 8 – питательные насосы; 9 – деаэратор; 10 – охладитель выпара деаэратора; 11 – химводоочистка; 12 – подогреватели химически очищенной воды; 13 – охладитель подпиточной воды; 14 – сетевые насосы; 15 – подпиточные насосы; 16 – рециркуляционные насосы; 17 – баки-аккумуляторы подпиточной воды; 18 – пароводяные сетевые подогреватели; 19 – водо-водяные охладители конденсата; 20 – баки для сбора конденсата; 19* – конденсатные насосы.
Пароводогрейная котельная работает следующим образом. Сырая вода из ближайшего водоема или из наружной водопроводной сети с помощью насосов 5 подается в котельную, последовательно проходит и нагревается в 6 - охладителе непрерывной продувки и в 7 - подогревателях сырой воды, а затем поступает на 11 – химводоочистку (аналогичную, как у паровой котельной).
В пароводогрейной котельной используются деаэраторы атмосферного типа ДА (или ДСА) либо деаэраторы повышенного типа. После деаэратора химически очищенная вода стала питательной, затем этот поток подается в котел 1 и в РОУ 3, чтобы снизить температуру и давление пара.
Второй поток – идет через 13 - охладитель подпиточной воды, охлаждает подпиточную воду до 65 – 70 °С, затем через 12 - подогреватели химически очищенной воды; через 10 - охладитель выпара деаэратора и поступает в 9 - деаэратор.
Сетевая вода для систем отопления, вентиляции и ГВС зданий нагревается в 2 - водогрейных котлоагрегатах, включенных параллельно с 18 - пароводяными сетевыми подогревателями. Эта система называется теплоприготовительной установкой. Существуют следующие режимы работы этой установки:
1 режим – вся сетевая вода из обратного т/п тепловой сети поступает только в 2 - водогрейные котлоагрегаты;
2 режим – вся сетевая вода идет только на 18 - пароводяные сетевые подогреватели – летний режим;
3 режим – промежуточный – сетевая вода идет как на водогрейные котлоагрегаты, так и на сетевые подогреватели.
Наличие в котельной паровых и водогрейных котлов позволяет использовать водогрейные котлы для покрытия части коммунально-бытовой нагрузки. Так, в открытых системах при подогреве сырой, химочищенной воды и подпиточного деаэратора паром, нагрузка ГВС обеспечивается работой паровых котлов, а водогрейные котлы рассчитываются на отпуск отопительно-вентиляционной нагрузки. В закрытых системах возможно применение двухступенчатого подогрева сетевой воды: сначала в пароводяных теплообменниках, а затем в водогрейных котлах.
Такое решение удорожает котельную, но возможности резервирования и надежности теплоснабжения увеличиваются.
Кроме этого, с целью уменьшения количества устанавливаемых котлов в пароводогрейной котельной были созданы унифицированные пароводогрейные котлы, которые могут вырабатывать либо один вид теплоносителя (пар или горячую воду), либо два вида (и пар, и горячую воду). На основе котла ПТВМ – 30 разработан котел КВП – 30/8 (30 Гкал/ч – производительность по воде, 8 т/ч – производительность по пару).
При работе в пароводогрейном режиме в котле формируются два самостоятельных контура: паровой и водогрейный. Распределение поверхностей нагрева между этими контурами может быть разным. При различных включениях поверхностей нагрева может меняться тепло- и паропроизводительность при неизменной суммарной мощности котла. Для разделения пароводяной смеси в паровой контур должен быть включен выносной циклон – сепаратор.
Недостатком пароводяных котлов является невозможность регулирования одновременно нагрузки и по пару, и по горячей воде. Как правило, регулируется работа котла по отпуску тепла с водой. При этом паропроизводительность котла определяется характеристикой. Возможно появление режимов с избытком или недостатком паропроизводительности. Для использования избытков пара на линии сетевой воды обязательна установка пароводяного теплообменника. В остальном схема с комбинированными котлами аналогична схеме водогрейной котельной с разнотипными котлами.