При планировании различных организационно-технических мероприятий необходимо рассчитывать их экономическую эффективность. В соответствии с существующими положениями к реализации на действующих объектах принимаются те из мероприятий, срок окупаемости капитальных затрат для которых не превышает нормативного срока эффективности (а его значения устанавливаются по отраслям). Первоочередной интерес представляют мероприятия по доведению показателей работы объекта до технических характеристик, предусмотренных проектом.
Одним из слагаемых эффекта, достигаемого при модернизации или совершенствовании эксплуатации котельных, является возможная экономия топлива или тепловой энергии. В этой статье собраны формулы для определения экономии топлива и теплоты по отдельным мероприятиям, реализуемым в котельных.
Режимно-наладочные работы в котельной позволяют выявить недостатки в состоянии и эксплуатации котлов, наметить и осуществить комплекс мероприятий, повышающих экономичность: оптимизировать уровни избытков воздуха в разных частях газового тракта, температуры уходящих газов, установить режим водоподготовки, обеспечивающий минимальное образование накипи на внутренних поверхностях нагрева, и др.
Экономия топлива в котельных за счет проведения режимно-наладочных испытаний (РНИ) котлов определяется по формуле:
где: Dк - паропроизводительность котла, кг/ч; iп, iпв и iкв – теплосодержание пара, питательной и котловой воды, ккал/кг; Ри Р2 - доля продувки котла до и после его наладки; т]к1, г\к2 -
КПД котла до и после его наладки; О„ - теплотворная способность топлива, ккал/кг.
В большинстве типов котлов газовый тракт находится под разрежением. В верхней части топки оно составляет около 20-30 Н/м2 (2-3 мм вод. ст.) и возрастает в зависимости от аэродинамического сопротивления поверхностей нагрева, размещенных после топки. Поскольку в конструкции котла наличествуют негерметично закрываемые лючки, гляделки, а также неплотности в местах сопряжения отдельных элементов с футеровкой, то при его работе всегда имеют место присосы холодного воздуха в топочную камеру и другие части газового тракта. Влияние присосов тем сильнее, чем они ближе к топке.
Тепловые характеристики котлоагрегатов заметно зависят от уровня избытка воздуха в топке. Если избыток превышает норму (устанавливаемую по условиям полного сгорания топлива), то снижается температура в топке, сокращается тепловосприятие радиационных поверхностей нагрева, увеличиваются энтальпия и объемы газов перед конвективными поверхностями нагрева. По мере увеличения избытка воздуха в топке за счет присоса рост их удельного тепловосприятия все более отстает от роста энтальпии, что приводит к повышению температуры уходящих газов, т.е. к снижению экономичности работы котла. Одновременно увеличиваются затраты электроэнергии на тягодутьевые установки вследствие увеличения объемов отводимых газов.
Изменение экономичности работы котла из-за увеличения потерь с уходящими газами можно ориентировочно оценить по формуле из [2]:
где: q2 - потери теплоты с уходящими газами (в %) при нормативных избытках воздуха; а^ -коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; Дсхух - присос воздуха по газовому тракту котла.
Если уровень присосов воздуха в топку составляет 10-20%, то температура уходящих газов повышается на 3-8 ОС. Такой же уровень присосов воздуха в газоходы хвостовых поверхностей нагрева практически не влияет на работу топки, но снижает температуру уходящих газов на 8-14 ОС и увеличивает их объем.
Дополнительные потери за счет присосов воздуха в газоходы котла вычисляются по формуле из [3]:
где: hк и hка - коэффициент разбавления отводимых газов за котлом и котлоагрегатом; tyx1 и tyx2 - температура отводимых газов действительная и при нормативных присосах, ОС.
Увеличение избытков воздуха в топочной камере при сжигании твердого топлива вследствие понижения температуры в топке приводит также к росту потерь за счет механического недожога (q4).
Питание котлов холодной водой приводит к повреждению поверхностей нагрева, способствует образованию накипи. При снижении температуры питательной воды против расчетных значений и постоянном расходе пара из котла всегда требуется увеличивать расход топлива, хотя КПД брутто котла практически не изменяется. При снижении температуры питательной воды и постоянном расходе топлива КПД брутто котла повышается с одновременным снижением паропроизводительности. Уменьшение температуры питательной воды приводит к недогреву воды в экономайзерах некипящего типа и росту экономайзерного участка экранных поверхностей. Итак, ради высокой экономичности и надежности котельных установок питательная вода для котлов должна предварительно нагреваться. Для паровых котлов всегда эффективным является использование конденсата, возвращаемого от потребителей. Кроме того, подогрев воды отработавшим паром или дымовыми газами позволяет сохранить еще одну часть теплоты, которая могла бы быть потерянной.
Экономия топлива при подогреве питательной воды для котлов отработавшим паром может быть определена по формуле:
где: t1 и t2 — температура питательной воды до и после подогревателя, ОС; i - теплосодержание пара в котле, ккал/кг; i1 - энтальпия питательной воды до подогревателя, ккал/кг.
При отклонении температуры питательной воды на каждые 6 ОС КПД котла изменяется не менее чем на 1%.
Подача питательной воды с повышенной температурой в экономайзер приводит к снижению в нем теплосъема и повышению температуры уходящих газов. Поэтому существуют различные способы понижения температуры воды после атмосферных деаэраторов до 70-80 ОС, а также практикуется применение вакуумных деаэраторов, в которых вода кипит при температуре 54-70 ОС.
Последнюю формулу можно применять и для определения экономии топлива при установке водяных экономайзеров. Однако нужно учитывать дополнительные затраты на чистку экономайзеров, на тягу и дутье. Для котлов с естественной тягой эффект от установки экономайзеров может оказаться ниже требуемых затрат. Поэтому решать вопрос об установке экономайзеров для котлов, в которых проектом они не предусмотрены, без соответствующих технико-экономических расчетов не следует.
Экономия топлива в котельной при установке экономайзера определяется по выражениям:
где: ∆i3 - подогрев воды в экономайзере, ккал/кг; J3 и Jg - теплосодержание газов на входе и выходе из экономайзера, ккал/кг; ∆апр -присос воздуха в газоход экономайзера; V- теоретический расход воздуха, нм3/кг; tв - температура наружного воздуха, ОС; q4 - потери с механическим недожогом, %; Вр - расчетный расход топлива, кг/ч; коэффициент, учитывающий потери теплоты в экономайзере, фэ=1/[1 +q5/(2ril<)]; q5 - потери в окружающую среду через обмуровку, %; hк - КПД котельной установки, %. Для паровых котлов, оснащенных экономайзерами, важное значение имеет поддержание рабочего давления пара на уровне расчетного. На многих предприятиях котлы с расчетным рабочим давлением 9-13 ат работают при пониженном давлении, что приводит к нерациональному использованию топлива и ограничивает возможности подогрева питательной воды в экономайзере некипящего типа с помощью теплоты уходящих газов. Существует оптимальное значение разности между температурой насыщенного пара в барабане котла и температурой воды на выходе из водяного экономайзера. При снижении рабочего давления в котле до 5 ат вместо номинального значения 13 ат потери топлива достигают 6%. Они определяются по эмпирической формуле из [3]:
где t (с разными индексами) - температура насыщенного пара (в ОС) соответственно при расчетном и рабочем давлении; Рраб - рабочее давление насыщенного пара в котле, ат
При дросселировании пара до давления, нужного по условиям потребителей, в редукционных установках имеют место потери. Однако они существенно меньше, чем обсужденные выше. Кроме того, при редуцировании пара температура его практически не изменяется, что позволяет приводить его в перегретое состояние.
Для улучшения эффективности котельных, в которых рабочее давление котлов превышает нужное потребителям, редукционно-охладительные установки (РОУ) заменяют турбинами малой мощности. Внедрение таких турбин целесообразно при существующей загрузке потребителей теплоты и позволяет обеспечивать комбинированную выработку электроэнергии на тепловом потреблении с высокой экономичностью.
Для каждого из типоразмеров котлов существует характеристика зависимости КПД от нагрузки. Обычно максимальное значение его приходится на область 80-90% нагрузки от номинальной. При снижении нагрузки он уменьшается за счет роста относительных топочных потерь, увеличения избытка воздуха в топке и др. Для паровых котлов есть технические ограничения минимальной нагрузки по условиям циркуляции. Работа котла в форсированном режиме также сопровождается ростом тепловых потерь и снижением КПД. Индивидуальные характеристики изменения КПД котлов от нагрузки используются в котельных при распределении нагрузок между котлами и выборе их работающего состава. При выборе состава работающих котлов учитываются также целесообразность их останова и пуска и другие ограничивающие факторы.
Экономия топлива при переводе котлов на другие виды топлива (например, с твердого на газообразное либо жидкое) находится по формуле из [4, 5]:
где г\тк и т]™- КПД котла на твердом и альтернативном виде топлива. Перевод котлов с жидкого либо газообразного топлива на каменный уголь, торф или древесные отходы, планируемый с учетом цен и доступности этих видов топлива, может оказаться целесообразным, несмотря на увеличение количества расходуемого топлива. Перевод с твердого на жидкое или газообразное в котельных малой мощности позволяет сократить расход топлива на 10-15%.
Показатели работы котла изменяются при ухудшении качества топлива (повышение зольности, влажности, а вследствие этого снижение теплоты сгорания).
Рост зольности при неизменной теплопроизводительности котла требует увеличения расхода натурального топлива. Это связано с повышением излучающей способности факела, усилением шлакования и загрязнения поверхностей нагрева, из-за чего растут потери от механического недожога и снижается КПД брутто котла.
Увеличение влажности топлива снижает теплоту его сгорания, повышает расход теплоты на испарение влаги, пары которой уносятся с продуктами сгорания через дымовые трубы. Падает теоретическая температура горения, что приводит к сокращению тепловосприятия радиационными поверхностями нагрева, изменению тепловосприятия конвективными поверхностями нагрева и, как следствие, к повышению потерь тепла с уходящими газами и перерасходу топлива. Потери теплоты при дополнительном обводнении топлива определяются по формуле:
где: AW- дополнительное содержание воды в топливе, %; tух и tв - температура уходящих газов и воздуха, ОС. С повышением влажности топлива на каждые 10% КПД котла снижается на 0,5-0,6%.
Для пересчета теплоты сгорания топлива Q (в ккал/кг) при изменении его влажности А (в %) и зольности W (в %) имеется эмпирическая формула в [4]:
где: параметры с индексами «1» - исходные, а с индексами «2» - после изменения состава топлива. Экономию тепловой энергии (топлива) за счет изоляции теплопаропроводов определяют по формулам:
где: потери теплоты неизолированным трубопроводом Q1=2jtrHa(t1-to)Lf1O-6, Гкал/год; потери теплоты изолированным трубопроводом
rн и rв - наружный и внутренний радиусы трубы; t0 и ^ - температура окружающей среды и теплоносителя в трубе, ОС; L - длина трубопровода, м; т - продолжительность передачи теплоты, ч/год; X - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ккал/(м.ч.К); коэффициент теплоотдачи от поверхности трубопровода к воздуху a=8+0,04tn+6 V, ккал/(м2.ч.К); tп - температура поверхности трубы (изоляции), ОС; V- скорость воздушного потока снаружи трубы, м/с.
Если рядом расположенная ТЭЦ не догружена по тепловой энергии, то можно получить существенную экономию топлива в энергосистеме, обеспечив теплоснабжение потребителей не от собственной котельной с относительно невысоким КПД, а от этой ТЭЦ, причем экономичность ее работы по отпуску электроэнергии улучшится. В таких условиях работы системы теплоснабжения предприятия экономия топлива может быть определена по формуле:
где: Q - расход теплоты, Гкал/год; riK, r\T и г\с - КПД промышленной котельной, котельной ТЭЦ и теплосети; оц- - коэффициент теплофикации (характеризует долю тепловой нагрузки ТЭЦ, покрываемой из отборов турбин).
При возврате конденсата от теплоиспользующих установок в котельную и использовании его для питания котлов либо для других целей достигается экономия тепловой энергии:
где: Gк - количество конденсата, кг/ч; iк - теплосодержание конденсата после теплоиспользующей установки, ккал/кг; r - скрытая теплота парообразования (в ккал/кг) при рабочем давлении в установке; тгод - годовое число часов работы установки; доля пролетного пара после конденсатоотводчикахп определяется в зависимости от соотношения давлений пара (в ата) в теплоиспользующей установке (P1)ив конденсатопроводе (Р2):
В открытых системах сбора конденсата в емкостях образуется пар вторичного вскипания, теплоту которого тоже можно утилизировать в тепловой схеме котельной. При этом экономия тепловой энергии:
где Gк - количество возвращаемого конденсата, кг/ч; тгод - годовое число часов работы установки с возвратом конденсата; iп - теплосодержание пара вторичного вскипания, ккал/кг; количество его
i` к. и i "к - теплосодержание конденсата после теплоиспользующего аппарата и на входе в сборник конденсата, ккал/кг. Если давление в сборнике конденсата Р2=1 ата, а давление конденсата после теплоиспользующего аппарата Р1 = 1,2; 2,0; 3,0; 5,0 ата, то хв = 0,013; 0,0387; 0,0637; 0,0985 кг/кг соответственно.
В ряде котельных теплота непрерывной продувки не используется, что приводит к росту затрат топлива на собственные нужды котлоагрегатов, т.е. к ухудшению технико-экономических показателей котельных. Потери теплоты с непрерывной продувкой котлов зависят от средней величины продувки Рпр, установленной в результате РНИ, а также от рабочего давления пара в котлах. Согласно действующим положениям при Рпр>2% рассматривается вопрос целесообразности установки сепаратора непрерывной продувки. При продувке более 1 т/ч устанавливают теплообменники, чтобы использовать теплоту продувочной воды в схеме подогрева сырой воды перед химводоочисткой. Выпар (пар, отсепарированный в расширителе непрерывной продувки) направляют в деаэратор. За счет полного использования теплоты воды непрерывной продувки в тепловой схеме котельной экономия может достигать 1,5-2,0% от суммарного отпуска теплоты и определяется по выражению, составленному с учетом сведений из [6]:
где qnp1 - потери теплоты с продувочной водой при сбросе ее в канализацию; qпр2н - то же при использовании ее в схеме котельной; Рпр -величина продувки, %; Dп - отпуск пара при среднем рабочем давлении, т/год; доля выпара от количества продувочной воды у=(iкв-100)/540; iкв - теплосодержание котловой воды при рабочем давлении пара, ккал/кг; tпр - температура сбрасываемой продувочной воды, ОС (обычно ~40 ОС); iив - теплосодержание исходной сырой воды, ккал/кг (при f = 5-10 ОС).
При решении задачи о целесообразности реализации в котельных тех или иных мероприятий учитывается возможная экономия топлива или тепловой энергии, дополнительные затраты на ее получение и эксплуатационные издержки. Для любого из 13-ти обсужденных здесь энергосберегающих мероприятий коэффициент эффективности дополнительных капитальных вложений должен превышать нормативное значение этого показателя для отрасли, чтобы обеспечивать более низкий срок их окупаемости.
Литература
1. Теплотехнический справочник/ Под ред. В. Н. Юренева и ПД. Лебедева. T. 1.М.: Энергия, 1975. 744 с.
2. Качан А.Д. Режимы работы и эксплуатации тепловых электрических станций. Мн.: Высш. школа,1978. 288 с.
3. Преображенский Н.И. Контроль за рациональным использованием газа. Л.: Недра, 1983. 368 с.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова. М.:Энергия, 1973. 296с.
5. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977.432 с.
6. Инструкция по нормированию расходов топливно-энергетических ресурсов для котельных номинальной производительностью 0,5 Гкал/ч и выше. Мн.: 2002. 100 с.