Принцип роботи котельних установок

Размещено на http://allbest.ru

1. Котельні установки

1.1 Головні складові організації процесів отримання теплової енергії

Котельною установкою називають конструктивно об'єднаний в єдине ціле комплекс котельного агрегату та допоміжного обладнання. Котельний агрегат являє собою сукупність пристроїв, механізмів та елементів, об'єднаних між собою для виробництва водяної пари або теплої води потрібних параметрів. До допоміжного обладнання належать вентилятори, димососи, хімводоочищення, системи підготовки і подачі палива та золошлаковидалення, обладнання для очищення димових газів, димова труба тощо.

Залежно від виду виробленого робочого тіла котельні установки підрозділяють на парові, що виробляють водяну пару потрібних параметрів, і водогрійні, що видають гарячу воду визначеної температури та тиску.

За призначенням котельні установки поділяють на енергетичні, промислові, опалювально-промислові та опалювальні. В енергетичних котельних установках виробляють пару високого (р 9 МПа) і середнього (р 3,5 МПа) тиску, призначену для подальшого перетворення в парових турбінах на ТЕС.

Виробничі котельні установки призначено для одержання водяної пари або гарячої води на різні технологічні потреби. В опалювальних котельних установках виробляють водяну пару низького тиску або нагрівають воду лише для опалення, вентиляції і гарячого водопостачання житлових будинків і виробничих споруд.

Важливою ознакою класифікації котельних установок є розміщення в них продуктів горіння палива і робочого тіла (води, водяної пари).

Котельні установки, у яких продукти горіння рухаються в трубках, а вода - ззовні труб, називають газотрубними, інакше - водотрубними (вода рухається в трубках, а гази - ззовні).

Опалювальні й опалювально-промислові котельні установки можуть бути газотрубні і водотрубні, для енергетичних цілей використовують лише водотрубні котли.

Важливою ознакою, за якою класифікують парові котельні установки, є спосіб руху в них робочого тіла. За цією ознакою вони можуть бути з природною, примусовою та комбінованою циркуляцією.

Джерелом теплової енергії в котельних установках є органічне паливо. Робочим тілом є вода, в окремих випадках використовують органічні висококиплячі рідини, наприклад даутерм, дифеніг та ін. Застосування останніх зумовлене їх особливими теплофізичними властивостями, насамперед високою температурою кипіння і конденсації при низькому (порівняно з водою) тиску. Це дозволяє підвищити ККД бінарного циклу, у якому водяна пара забезпечує можливість використання нижньої температурної границі, а органічні рідини - верхньої.

Робочий процес у котельних установках складається з таких кінцевих стадій:

1) горіння палива;

2) теплопередача від гарячих димових газів до води або пари;

3) пароутворення (нагрівання води до кипіння і її випаровування) і перегрів насиченої пари.

Котельна установка складається з котла відповідного типу і допоміжного устаткування, що забезпечує його роботу.

Основними елементами котла є топка і теплообмінні поверхні. Взаємне розміщення топки і газоходів, у яких знаходяться теплообмінні поверхні нагріву, тобто компоновка котла визначається властивостями палива, паровою потужністю і кінцевими параметрами пари.

Допоміжне устаткування котла - це дуттьові вентилятори і димососи для подання повітря в котел і евакуації з нього в атмосферу продуктів згорання; бункери, живильники сирого палива і пилу; вуглерозмельні млини для забезпечення безупинного подання і підготовки пилоподібного палива потрібної якості; золовловлювальне і золошлакотранспортувальне обладнання для очищення димових газів від золових частинок з метою охорони навколишнього середовища від забруднення і для організованого виведення вловленої золи і шлаку; пристрої для профілактичного очищення зовнішньої поверхні труб котла від забруднень; контрольно-вимірювальна апаратура; водопідготовчі установки для обробки вихідної (природної) води до заданої якості.

Основними елементами котельної установки (рис. 1) є поверхні нагріву, призначені для передачі теплоти від теплоносія до робочого середовища (води, пароводяної суміші, водяної пари або повітря). Залежно від процесів перетворення робочого тіла розрізняють нагрівальні, випарні і перегрівальні поверхні нагріву.

Теплоту від продуктів згорання до поверхні нагріву можна передавати випромінюванням (радіацією) і конвекцією. Відповідно до цього поверхні нагріву поділяють на радіаційні, конвективні і радіаційно-конвективні (напіврадіаційні).

До конвективної нагрівальної поверхні належать економайзер 18 (рис. 1), призначений для підігріву живильної води, що надходить у котел. Економайзер розміщують у зоні відносно невисоких температур у конвективній опускній шахті.



Рис. 1 - Технологічна схема котельної установки: 1 - конвеєр; 2 - бункер; 3 - живильник; 4 - млин; 5 - короб первинного повітря; 6 - нижній розподільний колектор; 7 - короб вторинного повітря; 8 - пальники; 9 - топка; 10 - опускні труби; 11 - обмурівка котла; 12 - підйомні труби; 13 - 14 - барабан; 15 - ширмові перегрівники; 16 - конвективний перегрівник; 17 - другий ступінь економайзера; 18 - перший ступінь економайзера; 19 - повітропідігрівник; 20 - вентилятор; 21 - газоочистка; 22 - димосос; 23 - димова труба; 24 - виведення золи та шлаку

Випарними є поверхні нагріву, розміщені в зоні найвищих температур топки 9 або в газоході за нею. Це найчастіше радіаційні або радіаційно-конвективні поверхні нагріву - екрани, фестони, котельні пучки. Екранні поверхні 12 - це поверхні нагріву котла, розміщені на стінах топки і газоходів, що захищають їх від впливу високих температур. Екрани можуть бути також встановлені всередині топки (двосвітні екрани, що піддаються двосторонньому опромінюванню).

Перегрівальні поверхні нагріву можуть бути радіаційними, ширмовими і конвективними: радіаційні перегрівники розміщують на стінах топки або на її стелі. Ширмові перегрівники 15 - це поверхні нагріву, у яких ширми розміщено з великим поперечним кроком труб, які одержують теплоту випромінюванням і конвекцією приблизно в рівних кількостях. Конвективні перегрівники 16 встановлюють у газоходах: у перехідному горизонтальному або на початку (по ходу газів) конвективної шахти.

Сукупність послідовно розміщених по ходу робочого тіла поверхонь нагріву, трубопроводів, що їх з'єднують, і встановлених додаткових пристроїв складає пароводяний тракт котла. До основного пароводяного тракту котла входять економайзер 18, труби відводу, барабан 14, опускні труби 10 і нижній розподільний колектор 6, екрани, стельовий перегрівник, перший та другий ступінь конвективного перегрівника 16. Проміжний перегрівник 17 є елементом пароводяного тракту проміжного перегріву пари (див. рис. 1).

Устаткування для подання палива до пальників 8 і підготовки його до спалювання являє собою паливний тракт котла. Він містить конвеєр 1, бункер 2, живильники 3 вологого палива та пилу. Бункери вологого палива, призначені для зберігання постійно відновлюваного запасу палива, забезпечують безупинну роботу котла. Живильники вологого палива - пристрої для дозування і подання палива з бункера до млинів 4, призначені для одержання вугільного пилу потрібної якості. До млина одночасно з паливом для його підсушки (за допомогою короба 5) подають сушильний агент, найчастіше - повітря.

Повітряний тракт котельної установки складають забірний повітровід, дуттьовий вентилятор 20, повітропідігрівник 19, короби 5 і 7 первинного і вторинного повітря (рис. 1). Усі елементи повітряного тракту (крім забірного повітроводу) знаходяться під надлишковим тиском, що забезпечує дуттьовий вентилятор. Підігріте в повітропідігрівнику повітря використовують для сушіння палива, що дозволяє підвищити інтенсивність і економічність його горіння. Розрізняють рекуперативні і регенеративні повітропідігрівники.

Теплота від продуктів згорання до повітря в рекуперативному повітропідігрівнику передається через їх теплообмінну відокремлювальну поверхню (рис. 2).

У регенеративному повітропідігрівнику (РПП) процес передачі теплоти від гарячих газів до повітря відбувається через ту саму теплообмінну поверхню, що контактує послідовно з газами та повітрям.

Продукти згорання проходять послідовно всі поверхні нагріву і після очищення від золи в золовловлювачах 21 виводяться через димову трубу 23 в атмосферу (див. рис. 1). Усе це становить газовий тракт котла, що може знаходитися під тиском дуттьового вентилятора або під розрідженням. В останньому випадку в газовому тракті після золовловлювачів установлюють димосос 22.

Пристрої 25, призначені для шлаковидалення, золовловлювачі 21 і канали 24 входять до тракту золошлаковиведення (див. рис. 2).

Елементами котла є обмурівка і каркас. Обмурівка 12 - система вогнетривких і теплоізоляційних захисних засобів або конструкцій, призначених зменшити теплові втрати і забезпечити газощільності. Каркас 13 - несуча металева конструкція, що приймає навантаження від маси котла з робочим тілом, яке знаходиться в ньому, і всі інші можливі навантаження і забезпечує потрібне взаємне розміщення елементів котла. На каркасі котла передбачено площадки обслуговування і перехідні східці.

Котли класифікують залежно від виду відповідного тракту і його устаткування. За видом палива і відповідного паливного тракту розрізняють котли для газоподібного, рідкого і твердого палива.



Рис. 2 - Конструкція рекуперативного одноходового за газом і триходового за повітрям трубчастого повітропідігрівника: 1 - труби поверхні нагріву; 2, 5 - трубні дошки; 3 - трилінзовий компенсатор; 4 - повітряний короб; 6 - опорна балка; 7 - колони

За газоповітряним трактом розрізняють котли з природною, врівноваженою тягою і з наддуванням. У котлі з природною тягою опір газового тракту долається під дією різниці густини (питомої маси) атмосферного повітря і газу в димовій трубі. Якщо опір газового тракту (так само, як і повітряного) долається за допомогою дуттьового вентилятора, то котел працює з наддуванням. У котлі з врівноваженою тягою тиск у топці і на початку газоходу (поверхня нагріву 15) підтримується близьким до атмосферного спільною роботою дуттьового вентилятора і димососа. Котли зазвичай виготовляють газощільними.

За видом пароводяного тракту розрізняють барабанні і прямотечійні котли. У всіх типах котлів через економайзер і перегрівник вода і пара проходять одноразово. У барабанних котлах пароводяна суміш у випарних поверхнях нагріву циркулює багаторазово (від барабана по опускних трубах до колектора і до барабана).В котлах з примусовою циркуляцією перед входом води у випарні поверхні встановлюють додатковий насос. У прямотечійних котлах робоче тіло по всіх поверхнях нагріву проходить одноразово під дією напору, що створює живильний насос.

Технологія одержання водяної пари для барабанних і прямотечійних котлів різна. Барабанні котли широко застосовують на ТЕС. Наявність одного або декількох барабанів з фіксованою границею поділу між парою і водою є характерною особливістю цих котлів.

Замкнуту систему, що складається з барабана, опускних труб, колектора і випарних поверхонь, по якій багаторазово рухається робоче тіло, називають контур циркуляції, а рух води в ньому - циркуляція. Рух робочого середовища, зумовлений тільки різницею густини води в опускних трубах і пароводяній суміші в підйомних, називають природна циркуляція, а паровий котел - барабанний з природною циркуляцією. Природна циркуляція можлива лише в котлах з тиском пари, що не перевищує 18,5 МПа. Якщо тиск більший, то через малу різницю густини пароводяної суміші і води стійкий рух робочого середовища в циркуляційному контурі забезпечити важко. Якщо рух середовища в циркуляційному контурі створює насос, то циркуляцію називають примусовою, а паровий котел - барабанним з примусовою циркуляцією. Примусова циркуляція дозволяє виконувати екрани з труб меншого діаметра як з підйомним, так і з опускним рухом середовища в них. До недоліків такої циркуляції слід віднести потребу встановити спеціальні насоси (циркуляційні), що мають складну конструкцію і потребують додаткової витрати енергії на їх роботу.

У прямотечійних котлах барабана немає. Живильна вода в них, як і в барабанних котлах, послідовно проходить економайзер, випарні і перегрівальні поверхні. Рух робочого середовища в поверхнях нагріву одноразовий, його створює живильний насос. З випарної поверхні виходить пара. Це дозволяє відмовитися від металоємного барабана. Надійне охолодження металу труб випарної поверхні забезпечує відповідні швидкості руху робочого середовища. У прямотечійних котлах немає чітких меж між економайзерною, випарною і пароперегрівальною поверхнями. Зміна параметрів живильної води (температура, тиск), характеристик палива, повітряного режиму змінює співвідношення площ цих поверхонь. Так, зі зниженням тиску в котлі зменшуються розміри економайзерної ділянки (зона підігріву), збільшується випарна зона (через зростання теплоти пароутворення) і дещо скорочується зона перегріву.

Прямоточні котли порівняно з барабанними мають значно менший об'єм акумулювального робочого тіла. Тому для їх роботи потрібна чітка синхронізація подання води, палива і повітря. Вони можуть бути як докритичного, так і понадкритичного тиску.

1.2 Допоміжні системи і пристрої котельних установок

Допоміжні системи і пристрої котельних установок містять: систему транспорту і паливопідготовки, систему водопідготовки і водного режиму, систему золовловлювання й очищення димових газів, систему тягодуттьових пристроїв, насоси живильної води, димову трубу.

Котельну установку також обладнують різними регулювальними запорними і захисними пристроями, а також системою автоматичного регулювання, що підвищує економічність і надійність її роботи. Потреба в тих або тих допоміжних пристроях і їх елементах залежить від призначення котельної установки, виду палива і способу його спалювання.

Системи пилоприготування у процесі спалювання вугілля складаються з пристроїв подрібнення і сушіння палива, його дозування, транспортування і нагромадження. Середовище, що використовується для сушіння палива, називають сушильним агентом. Як сушильний агент палива можна використовувати гаряче повітря, гарячі продукти згорання, водяну пару або їх суміші. Газоподібне середовище з випареною вологою після процесу сушіння вугілля називають відпрацьованим сушильним агентом.

За типом зв'язку розмелювальних пристроїв з котлами розрізняють два види систем пилоприготування: центральні та індивідуальні. У центральних системах пилоприготування сушіння і розмел вугілля винесено за межі котельних цехів. Іноді сушіння виконують на сушильному заводі.

В індивідуальних системах пилоприготування пристрої для розмелу і сушіння вугілля знаходяться в котельному цеху і пов'язані з роботою котла як у часі, так і за сушильним агентом (повітря або продукти згорання, що забирають з котла).

Індивідуальні системи пилоприготування найбільше поширені. Їх поділяють на системи з прямим вдувом пилу і з проміжними бункерами готового пилу. У системах прямого вдуву вугільний пил після сушіння подається до пальників топкової камери. У системах з проміжними бункерами пил після відділення від сушильного агента нагромаджується в бункерах.

Вибір типу млинів визначається типом твердого палива. На котел установлюють не менше двох млинів.

Розмелювальні пристрої розрізняються за принципом подрібнення і швидкістю руху подрібнювальних органів.

Молоткові млини широко використовують для підготовки до спалювання кам'яного вугілля зі значним виходом летких ( 30 %), бурого вугілля, сланців і фрезерного торфу. Вони належать до швидкохідних млинів, мають частоту обертання 9,8...16,5 с^-1. Млини-вентилятори також належать до швидкохідного типу млинів (частота обертання 9,8...24,5 с^-1).

Шарові барабанні млини встановлюють у системах пилоприготування для абразивного вугілля з низькою розмельністю, а також щоб одержати тонке мливо (антрацити, напівантрацити, деяке кам'яне і буре вугілля). Вони мають знижену чутливість до наявності металу, є універсальними і можуть працювати на будь-якому паливі. Їх відносять до тихохідного типу млинів (частота обертання 0,25…0,4 с^-1).

Системи водопідготовки і водяного режиму котельної установки забезпечують хімічну підготовку живильної води і відновлення втрат конденсату за рахунок відповідної обробки природної води, що містить ту або ту кількість шкідливих для роботи котла домішок (розчинених солей і газів і нерозчинених завислих речовин). Найшкідливішими є солі жорсткості (різні сполуки кальцію і магнію, розчинність яких у воді незначна) і корозійноактивні гази (кисень і вуглекислий газ). Солі жорсткості, що відкладаються на поверхнях нагріву, створюють щільний шар накипу. Речовини, що кристалізуються в об'ємі води, утворюють завислі в ній частинки у вигляді шламу. Теплопровідність накипу (0,1...0,2 Вт/мК) в багато разів менша від теплопровідності металу, тому через накип малої товщини різко погіршується теплопередача від газів до води і підвищується температура стінок труб. Це, у свою чергу, знижує економічність котла в результаті підвищення температури димових газів і зменшує строк служби металевих стінок поверхонь нагріву.

Щоб запобігти відкладенню накипу, природну воду попередньо спеціально обробляють: освітлюють - видаляють механічні домішки відстоюванням і фільтруванням; пом'якшують - видаляють накипоутворювачі і деаерують - видаляють розчинені у воді гази.

У процесі пароутворення концентрація солей води, що знаходиться в об'ємі котла, збільшується. Для підтримки її на сталому рівні, що виключає випадання солей з розчину, застосовують безупинну або періодичну продувку, під час якої з барабана котла виводиться деяка частина води з великою концентрацією солей.

Для котлів малої потужності використовують лише внутрішньокотлову обробку води, коли в живильну воду добавляють хімічні речовини - антинакипіни, що вступають в реакцію з солями і сприяють випаданню їх в вигляді шламу, який видаляють продувкою.

Щоб зменшити винесення солей з парою і небажане відкладення їх в трубах пароперегрівника і проточної частини турбіни, застосовують сепарацію пари в спеціальних пристроях барабана котла, що забезпечують відділення крапель води від пари.

Система очищення газів існує у зв'язку з тим, що в продуктах згорання палива містяться шкідливі для навколишнього середовища токсичні складові: летка зола, оксиди сірки SO₂ і SO₃ і азоту NO і NO₂. Під час роботи котельної установки на твердому паливі обов'язково треба застосовувати золовловлювачі. За принципом дії золовловлювачі поділяють на механічні сухі і мокрі й електростатичні. Механічні сухі золовловлювачі циклонного типу відокремлюють частинки від газу за рахунок відцентрових сил під час обертального руху потоку. Ступінь вловлювання золи в них 75-80 % при гідравлічному опорі 0,5...0,7 кПа.

Механічні мокрі золовловлювачі являють собою вертикальні циклони з водяною плівкою, що стікає по стінках. Ступінь вловлювання золи в них дещо вищий, ніж в механічних, і перевищує 80-90 %. Електрофільтри забезпечують високий ступінь очистки газів (95-99 %) при гідравлічному опорі 150...200 Па без зниження температури і зволоження димових газів.

Газоповітряні допоміжні пристрої (вентилятори, димососи) подають повітря на горіння в топку котла й евакуюють продукти згорання.

Тяга може бути природною і штучною. Природна тяга виникає в димарі внаслідок різниці густини атмосферного повітря і гарячих газів в димарі.

В установках з великим гідравлічним опором газового тракту, коли димар не забезпечує природної тяги, застосовують штучну тягу, установлюючи димососи за котлом (після золовловлювача). Розрідження, створюване димососом, визначається гідравлічним опором газового тракту і потребою підтримувати розрідження в топці на рівні 20...30 Па. В невеликих котельних установках розрідження, створюване димососом, становить 1...2 кПа, а в потужних - 2,5...3 кПа.

Для подачі повітря в топку і подолання гідравлічного опору повітряного тракту (повітроводів, повітропідігрівника, шару палива або пальників) перед повітропідігрівником установлюють вентилятори. Опір повітряного тракту котла малої потужності становить 1...1,5 кПа, великої - 2...2,5 кПа.

Система автоматичного регулювання котельних установок забезпечує зміну навантаження установки, зберігаючи задані параметри (тиск і температура пари) і максимального ККД установки. Крім того, ця система підвищує безпеку, надійність і економічність роботи котла, скорочує кількість обслуговуючого персоналу і полегшує умови його роботи. Автоматичне регулювання котла включає регулювання подачі води, температури перегрітої пари і процесу горіння. Живлення котла можна регулювати, щоб забезпечити відповідність між витратами води, що подається в котел, і виробленої пари, що характеризується сталістю рівня води в барабані.

У котельних установках, які працюють на пилоподібному паливі, можна також регулювати роботу системи пилоприготування регулятором завантаження млинів, що забезпечують сталість завантаження кульових барабанних млинів, і регулятором температури пилоповітряної суміші за млином. Система керування котла має забезпечувати його роботу з заданими оптимальними техніко-економічними показниками. Вирішення цього завдання визначається досконалістю комплексу устаткування котельної установки, а також кваліфікацією і досвідом персоналу.

Експлуатація котлів має забезпечувати надійне й економічне виробництво теплоносія (пари або гарячої води) потрібних параметрів і безпечні умови праці персоналу. Щоб дотримати цих вимог, треба експлуатувати котел згідно із чинними законами, положеннями, правилами, нормами і керівними вказівками.

Обслуговування під час робіт. Цю функцію виконує персонал відповідно до режимної карти, у якій зазначено рекомендовані технологічні та економічні показники роботи котла в умовах різних навантажень: тиск і температура пари і живильної води, уміст шкідливих домішок у димових газах, температура димових газів і розрідження в газовому тракті, коефіцієнти надлишку повітря і його тиски у повітряному тракті та ін.

Зупин котла виконують за графіком приблизно в такій послідовності: припиняють подання твердого палива з пилосистем або відключають подання газу до пальників і мазуту до форсунок. Після припинення горіння в топці вимикають котел від парової магістралі і відчиняють продувку пароперегрівника на 40-50 хв; повільно, протягом 4-6 год, розхолоджують котел, після цього вентилюють газоходи за допомогою природної тяги, а також продувають котел. Через 8-10 год після зупину повторюють продувку і, якщо треба прискорити охолодження, то пускають димосос; через 18-24 год після зупину при температурі води 70...80 °С допустимо повільно спустити її з котла. У період зупину спостерігають за рівнем води в барабані і, якщо треба, підживлюють котел живильною водою.

Ремонт котла. У процесі роботи елементи і частини котла нерівномірно зношуються, тому треба систематично робити його ремонт: капітальний - через кожні 3-5 роки і поточний - через 1-2 роки. За умови вдосконалювання устаткування і поліпшення умов експлуатації міжремонтний період збільшується.

Нагляд за котлами з метою запобігання аваріям виконує Держмісттехнадзор, оглядаючи їх у встановлені терміни. Є три види огляду: зовнішній, внутрішній і гідравлічне випробування.

Зовнішній огляд виконують інспектори, не припиняючи роботи котла, не рідше одного разу на рік. Обстежують загальний стан агрегату і приміщення, у якому його встановлено. При цьому звертають увагу на стан обмурівки, топки, паропроводів, арматури та ін. Контролюють знання персоналом правил технічної експлуатації й інструкцій.

Внутрішній огляд проводять не рідше одного разу на чотири роки. Крім загального стану устаткування, під час його експлуатації перевіряють стан стінок барабанів і поверхонь нагріву, щільність газоходів та ін.

Гідравлічне випробування котла проводять один раз на вісім років. Після внутрішнього огляду котла звільняють від ізоляції усі шви барабанів, колекторів штуцерів, фланців тощо.

Результати огляду котла фіксують у його паспорті, у якому мають бути опис установки, креслення, заводські акти, результати випробувань і дані заводу на її основні елементи. При незадовільному стані установки інспектор Держмісттехнадзору має право заборонити її подальшу експлуатацію

1.3 Тепловий баланс і теплова економічність котельної установки

Тепловий баланс складають на підставі нормативних матеріалів на 1 кг витраченого твердого або рідкого палива (або на 1 м³ газоподібного палива) або у відсотках від підведеної теплоти. Тепловий баланс зумовлює рівність між корисною і підведеною (витраченою) теплотою, віднесеної до 1 кг (м³) поданого до котла палива (рис. 3):

(1)

де Q_кор - корисна теплота, потрібна для генерації пари; Q_i - сума втрат теплоти в котлі. Підведену теплоту визначають як суму теплоти згорання палива , фізичної теплоти повітря і фізичної теплоти палива Q_ф.п, тобто

(2)

Якщо котел генерує пару, то корисну теплоту визначають за формулою



(3)

де D - витрата пари, кг/с; h_п.п і h_ж.в - ентальпія відповідно перегрітої пари і живильної води, кДж/кг; В - витрата палива, кг/с.

Загальна втрата теплоти Q_i складається з суми втрат теплоти: з димовими газами Q_д.г = Q₂, хімічної Q_х = Q₃ і механічної Q_м = Q₄ неповноти згорання, від зовнішнього охолодження Q_з.о = Q₅ і з фізичною теплотою шлаків Q_ф.ш = Q₆.

Рис. 3 - Схема теплового балансу котла

Відношення корисно використаної в котлі теплоти до підведеної представляє ККД-брутто котла

= Q_кор / = 1 - (Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆)/ (4)

або у відсотках від корисно використовуваної теплоти

= [1 - (q₂ - q₃ - q₄ - q₅ - q₆)]100 %,(5)

ККД котельної установки, що враховує витрати котла на власні потреби (привід насосів, вентиляторів, димососів тощо), називають ККД-нетто. Втрати теплоти q₂ з димовими газами зазвичай становлять 5-10 % відносно теплоти .

= - q_в.п, (6)

де q_в.п = 4-7 % - витрата енергії на власні потреби, віднесена до .

Втрати теплоти від хімічної неповноти згорання палива q₃ = 100Q₃ / виникають тільки, якщо в продуктах згорання є горючі газоподібні компоненти (Н₂, СО, СН₄, С_mН_n та ін.) унаслідок неповного вигорання палива в межах топкового об'єму котла. За його межами горючі гази не догорають через низькі температури вздовж газового тракту котла. Причинами появи хімічної неповноти згорання можуть бути: неякісне сумішоутворення, особливо на початкових стадіях горіння палива; загальна нестача повітря; низька температура в топковому об'ємі котла, особливо в зоні догорання палива.

Якщо коефіцієнт надлишку повітря достатній і сумішоутворення в топках сучасних котлів якісне, то втрати теплоти з хімічною неповнотою згорання становлять: для камерного спалювання q₃ = 0-0,5 %; для шарового спалювання q₃ = 0,5-2 %.

Щоб знизити рівень q₃, поліпшують умови змішування газів, особливо в зоні їх догорання, застосовуючи гостре дуття, і підвищують температуру в зоні горіння, підігрівши повітря, що подається в топку. Працюючи в розрахункових режимах, нормально експлуатуючи котел і добре спроектовану топку, втрати q₃ практично можна довести до нуля.

Втрати теплоти від механічної неповноти згорання q₄ для шарових топок залежать від теплової напруги топкового об'єму і пов'язані з тим, що паливо провалюється через решітку q_4пр, потрапляє в шлак q_4шл і уноситься газами q_4ун. Втрати теплоти зі шлаком (q_4шл) зростають зі збільшенням зольності палива, зростанням теплової напруги топки і з переходом на спалювання палива з меншим виходом летких.

Втрати теплоти з провалом (q_4пр) залежать від сорту палива (відносно його спікливості), умісту в паливі дріб'язку і від конструкції колосникової решітки. Якщо використано так звану безперевальну колосникову решітку, то рівень q_4пр не перевищує 0,5-1 %.

У камерних топках рівень q₄ переважно визначається теплотою q_4ун і знаходиться в межах 0-0,5 %, причому верхня границя належить до твердих палив з малим виходом летких марок АСШ і ПА. Під час спалювання вугілля з великим виходом летких рівень q₄ не перевищує 0,5-1,5 %. Під час спалювання твердих палив з рідким шлаковилученням втрати теплоти q₄ знижуються у зв'язку з кращими умовами вигорання частинок у межах топкового об'єму.

Втрати теплоти від зовнішнього охолодження q₅ виникають тому, що температура зовнішньої поверхні котла завжди вища за температуру навколишнього середовища, вони змінюються обернено пропорційно потужності котла.

Втрати теплоти з фізичною теплотою шлаку q₆ виникають тому, що шлак, який видаляється з топкового об'єму, має вищу температуру, ніж середовище, у яке його відводять.

Камерне спалювання палива з твердим шлаковиведенням зумовлює втрати теплоти q₆, які враховують тільки, якщо спалюють високозольні палива, температуру шлаку приймають на рівні 600-700 °С.

Для рідкого шлаковиведення температуру шлаку вибирають за довідковими таблицями палива. Під час шарового спалювання палива, а також камерного з рідким шлаковиведенням втрати теплоти q₆ сягають 1-2 % і вище.

Витрату палива В для виробництва теплоносія із заданими параметрами визначають з теплового балансу котла:



Q_кор = B, (7)

B = Q_кор /(). (8)

Основні показники роботи котелень можна розподілити на технологічні, що визначають функціональні залежності робочих процесів, економічні і режимні.

Останні показники визначають за даними технічної та економічної звітності. Їх аналіз дозволяє установити причини відхилення від заданих нормативів, виявити і використовувати резерви виробництва і можливості підвищення рентабельності роботи.

Питому витрату умовного палива на тонну виробленої пари даних параметрів (т/т) визначають із співвідношення

(9)

де D - кількість виробленої пари, т/міс. або т/рік.

Основними показниками режиму роботи котла є річний коефіцієнт робочого часу , коефіцієнти використання теплової потужності котла К_вик і кількість годин використання встановленої потужності ₀. Річний коефіцієнт робочого часу у відсотках визначають зі співвідношення, коефіцієнт використання теплової потужності котлів у відсотках

(10)

(11)



де D - сумарне виробництво пари котлами, т/рік; D₀ - сумарна номінальна потужність котлів, т/рік; - фактичний час роботи котлів, год.

Кількість годин використання встановленої потужності котлів визначає термін безупинної роботи котлів при їх номінальній потужності.

₀ = D/D₀ (12)

Використання встановленої потужності котлів визначається графіком навантаження, резервною продуктивністю, надійністю встановленого устаткування тощо. Велика кількість годин використання встановленої потужності характеризує постійний режим роботи, меншу кількість зупинів агрегатів і меншу тривалість простою їх в ремонті або резерві. Зі збільшенням кількості годин використання встановленої потужності економічність котлів зростає. Зниження економічності роботи зі збільшенням кількості годин використання встановленої потужності вказує на роботу агрегатів з неекономічним навантаженням або на погіршення їх технічного стану.

Найважливішим підсумковим показником, що комплексно відображає технічний рівень стану устаткування експлуатації котлів, є собівартість відпущеної пари. Витрати на генерацію пари поділяють на змінні, що залежать від кількості виробленої пари, і постійні, що мало залежать від цього показника. Перемінні витрати складаються з витрат на паливо, електроенергію, воду і допоміжні матеріали, постійні - із заробітної плати з нарахуваннями, амортизації будинків, споруджень і устаткування, витрат на поточний ремонт й інші витрати.

Основною частиною собівартості пари є паливна складова, що може доходити до 70 %. Суттєвою складовою собівартості пари є також витрати на електроенергію для власних потреб під час роботи котла, які треба враховувати, починаючи з системи паливоподачі. Ураховують також вартість води на живлення котла і її очищення, вартість води на охолодження елементів устаткування, вартість мастильних і обтиральних матеріалів, куль і биток для млинів і дробарок та ін.

Враховують також витрати на заробітну плату, до яких включають усі витрати на утримання обслуговуючого персоналу, за винятком зайнятого ремонтом (ремонтні витрати відносять на рахунок амортизаційних відрахувань). Ці витрати залежать від ступеня механізації й автоматизації котельних установок. Складова заробітної плати знижується зі збільшенням кількості годин використання номінальної потужності агрегатів.

Амортизаційні витрати складаються з відрахувань від вартості будинків, споруджень і устаткування. Складова собівартості за амортизаційними відрахуваннями становить 6-12 %. Частка собівартості на поточний ремонт та інші витрати становить 10-15 % вартості пари і зменшується зі збільшенням кількості годин використання устаткування. Основними напрямками зниження собівартості пари є зменшення:

1) питомої витрати палива за рахунок підвищення ККД агрегатів і втрат палива;

2) витрати енергії на власні потреби котлів усуненням шкідливих опорів у системі пилоприготування, пароводяного і газоповітряного трактів, а також підтримкою оптимального режиму роботи устаткування;

3) чисельності обслуговуючого персоналу за рахунок комплексної механізації й автоматизації робочих процесів;

4) початкової вартості котельних установок за рахунок збільшення одиночної потужності, виготовлення агрегатів збільшеними блоками, застосування збірних будівельних конструкцій будинків і споруд тощо.

1.4 Подальший розвиток котельної техніки

Котельна техніка розвивається у таких напрямах:

1) збільшення одиничної потужності агрегатів і підвищення параметрів пари, що знижує капітальні витрати і зменшує питому витрату палива на виробництво електроенергії в паротурбінних установках, а також інтенсифікує технологічні процеси, якщо пару використовують як теплоносій;

2) спеціалізація котлів за призначенням, зокрема для технологічних агрегатів, а також за паливом, що дає можливість забезпечити оптимальні техніко-економічні показники їх роботи в конкретних умовах;

3) застосування якісніших і нових матеріалів для виготовлення котлів, удосконалювання і модульна уніфікація елементів котлів і допоміжного обладнання, що підвищує надійність їх роботи і зменшує капітальні витрати;

4) застосування раціональних конструкцій топкових пристроїв і оптимізація процесів спалювання палива, систем пилоприготування, тягодуттьових установок, що знижує теплові втрати котлів і витрати електроенергії на власні потреби;

5) використання ефективніших систем золовловлювачів і установок для очищення продуктів згорання від оксидів сірки й азоту, що дає можливість зменшити шкідливі викиди в атмосферу;

6) підвищення теплової економічності котельних установок за рахунок використання прихованої теплоти пароутворення зі зниженням температури димових газів;

7) подальший розвиток застосування ЕОМ для комплексної автоматизації роботи котлів, що підвищує їх надійність і економічність роботи.

1.5 Котельні установки - основне базове джерело малої енергетики

Для централізованого теплопостачання промисловості і житлово-комунального господарства, а також для покриття пікових теплових навантажень у теплофікаційних системах призначені районні котельні. Їх спорудження вимагає менших капіталовкладень і може бути проведено в більш короткий термін, чим спорудження ТЕЦ тієї ж теплової потужності. Тому в багатьох випадках теплофікацію районів починають з будівництва районних котелень. До введення в роботу ТЕЦ ці котельні є основним джерелом теплопостачання району. Після введення ТЕЦ вони використовуються в якості пікових. Котельні споруджують на площадках ТЕЦ чи в районах теплоспоживання. В них встановлюють водогрійні котли або парові низького тиску (1,2-2,4 МПа).

При роботі на газі - кращі водогрійні котли, при роботі на мазуті чи на твердому паливі - парові котли низького тиску. У випадку відпустку теплоти у виді пари на технологічні нестатки і гаряче теплопостачання варто порівнювати варіанти установки в котельні як парових, так і водогрійних котлів. При невеликій відпустці теплоти у виді пари виробництву і на власні нестатки котельні можлива установка комбінованих пароводогрійних котлів для покриття переважно теплофікаційного навантаження. Тип котлів у котельні вибирається на основі техніко-економічних розрахунків з урахуванням факторів надійності їхньої роботи, складності експлуатації, величини капіталовкладень і витрат виробництва.

Разом з тим, споживання теплової енергії в Україні характеризується такими особливостями.

По-перше, існуючий житловий фонд України і нове будівництво характеризуються великою неоднорідністю, що позначається на умовах забезпечення приватних та комунальних об'єктів тепловою й електричною енергією. Питання ощадливого й ефективного використання цих видів енергії особливо актуальні для України, що споживає імпортоване паливо.

По-друге, промислові підприємства різнопланові щодо випуску продукції, особливостей виробництва і розміщення сировини. У багатьох випадках це не дозволяє використовувати на них електроенергію і теплоту, отриману централізованим шляхом на ТЕЦ. Крім того, якщо підприємство значно віддалено від ТЕЦ, то стає економічно невигідним транспортування до нього гарячого теплоносія.

По-третє, багато ТЕЦ України відпрацювали свій ресурс, підлягають глибокому відбудовному ремонту і є основним джерелом забруднення атмосфери. Крім того, більшість розподільних теплових мереж знаходяться в поганому технічному стані і призводить до значних втрат теплоти. Тому питання реалізації децентралізованого енергозабезпечення як житлового фонду, так і промислових об'єктів є актуальним.

Децентралізоване виробництво електроенергії і теплоти підвищує загальну ефективність виробництва за рахунок таких чинників: усунення втрат під час транспортування теплоносія; регулювання теплового навантаження за часом доби або порою року залежно від реальної потреби; застосування високоефективних котельних установок, що з'явилися на ринку в останні декілька років; утилізації низькопотенційного тепла в когенераційних установках. Іноді установки децентралізованого виробництва енергоресурсів можуть замінити вугільні і мазутні котельні, помітно знижуючи при цьому викиди оксидів азоту й інших забруднювачів.

Розрізняють такі системи децентралізованого опалення: індивідуальні з установкою настінних або підлогових котлів невеликої потужності (8...30 кВт) у кожній окремій квартирі, що являють собою граничний ступінь децентралізації опалення; домові з установкою котлів середньої потужності (150...1 000 кВт) на горищних або в прибудованих до будинків приміщеннях; блокові районні котельні, системи опалення промислових споруд інфрачервоними випромінювачами, а також когенераційні установки.

Підходи до проектування енергетичних систем різні для кожного конкретного об'єкта і залежать від багатьох чинників: типу об'єкта, наявності в регіоні центральних систем енергопостачання, об'ємів споживання електричної і теплової енергії та їх співвідношення, можливості постачання визначеного виду палива, цін на устаткування й енергоносії. З порівняння капітальних витрат на створення систем централізованого опалення і будівництво блокових районних котельних з системою індивідуального поквартирного опалення найбільш капіталоємними виявляються блокові районні котельні. Якщо вважати їх вартість за 100 %, то вартість централізованого опалення становитиме 86 %, а систем індивідуального опалення - 47 %.

Слід також ураховувати наявність витрат на утримання обслуговуючого персоналу систем центрального і блочного опалення, наявність складної системи контролю, обліку і розподілу витрат порівняно з безвитратною експлуатацією систем індивідуального опалення. При цьому відпадає проблема обліку теплової енергії, враховують тільки витрату газу. Залежно від місцевих тарифів економія коштів при квартирному опаленні може досягати 40 %.

Індивідуальне опалення. Системи індивідуального поквартирного опалення широко застосовують в Україні для опалення приватних будинків у сільській місцевості й у передмісті.

Котли можуть бути як підлогові, так і настінні, невеликих розмірів. Вони складаються з трьох блоків: власне котла з безшумним циркуляційним насосом, розширювального бачка і контуру гарячого водопостачання. Безпеку роботи забезпечують декілька систем контролю, які дублюють одна одну.

Установлену потужність індивідуального котла вибирають з розрахунку приблизно 1 кВт на 10 м² опалювальної площі, що відповідає витраті природного газу 0,1 м³/г. В Україні настінні котли не випускають.

Близько 100 підприємств в Україні виробляють підлогові котли потужністю від 8 до 100 кВт. Як паливо в них найчастіше використовують природний газ або рідке чи тверде паливо. Безпека роботи котлів підтримується автоматично. Деякі конструкції котлів оснащено складною системою регулювання співвідношення газ - повітря. Котли можуть мати вбудований або окремо розміщений бойлер для гарячого водопостачання.

Котли імпортного виробництва відрізняються поліпшеним дизайном, а деякі з них мають сучасні системи регулювання, зокрема програмне забезпечення. Так, системи Bosch Thermotechnic дозволяють управляти котлами залежно від погодних умов і програмувати температуру в помешканні на декілька місяців уперед, що дозволяє заощаджувати до 20 % газу за опалювальний сезон.

Будинкові котельні. Ще один варіант децентралізації - опалення окремих будинків або під'їздів багатоквартирних будинків. Для цієї мети використовують котли середньої потужності (150...1000 кВт) або блоки котлів меншої потужності.

Рис. 4 - Агрегат опалювальний серії АОМ (розробка Інституту газу Національної академії наук України): 1 - блочний газовий пальник; 2 - водоохолоджувальна топкова камера; 3 - проміжний випромінювач; 4 - водотрубний конвективний пучок; 5 - вихлопний патрубок; 6 - патрубок для входу води; 7 - патрубок для виходу нагрітої води; 8 - газовий патрубок

Характерною властивістю котлів цієї серії (рис. 4) є інтенсифікація теплообміну в радіаційній зоні за рахунок установки вторинних випромінювачів з жаростійких керамічних елементів і застосування в конвективній зоні багатоходових пучків з біметалічних оребрених труб. Це істотно знижує масогабаритні характеристики котлів.

Котли мають вертикальне і горизонтальне виконання, що дає проектантам свободу вибору розміщення котлів на дахах або в прибудованих до будинків спорудах.

Ефективність котлів підвищується із застосуванням комбінованих поверхнево-контактних водогрійних котлів серії КАОМ (рис. 5).

Рис. 5 - Контактний водогрійний агрегат КАОМ (розробка Інституту газу Національної академії наук України): 1 - блочний газовий пальник; 2 - патрубок нагрітої води; 3 - водоохолоджувальна топкова камера; 4 - насос циркуляційний; 5 - бак водяний; 6 - контактна камера; 7 - патрубок подачі води; 8 - вихлопний патрубок

котельний тепловий енергія опалення

Такі агрегати поєднують нагрів води через трубчасті поверхні топкової камери з прямим контактом зворотної води і гарячими продуктами згорання. За принципом дії вони аналогічні конденсаційним котлам. Відмінністю є те, що конденсація пари з продуктів згорання відбувається в контактній насадці.

Під час спалювання 1 кг природного газу в котлі утворюється більше 2 кг води за рахунок окиснювання водню метану. Точка роси для продуктів згорання природного газу з теоретичного співвідношення газ - повітря становить 53 °С. При температурі зворотної сітьової води близько 50 °С відбувається конденсація водяної пари з продуктів згорання і тим самим реалізація вищої теплоти згорання палива.

Різниця між нижчою і вищою теплотою згорання становить приблизно 11 %. Це потенціал підвищення ефективності котлів, наданий самою природою. ККД конденсаційних (контактних) установок за вищою теплотою згорання дорівнює 94-96 %.

Водонагрівники КАОМ можна також використовувати для групового опалення в системах, обладнаних бойлерними, тоді, коли в систему треба подавати воду під тиском при температурі понад 100 °С.

Для опалення комплексів житлових і виробничих приміщень можна використовувати установки прямого контактного нагріву і контактно-поверхневі установки. У них також використовують вищу теплоту згорання. Їх перевагою є те, що в них вода нагрівається під атмосферним тиском, тому ці установки не підлягають реєстрації у котлонагляді. Принципові схеми контактних і контактно-поверхневих нагрівників наведено на рис. 6, 7.

Рис. 6 - Принципова схема контактного нагрівника зануреного типу (розробка Інституту газу Національної академії наук України): 1 - повітря; 2 - паливний газ; 3 - продукти згорання; 4 - зворотна вода; 5 - гаряча вода



У контактному нагрівнику газ спалюється безпосередньо під шаром води; водяна пара з продуктів згорання конденсується послідовно у шарі води і в контактному теплообміннику, установленому над водною поверхнею. У контактно-поверхневому нагрівнику спалювання газу відбувається в камері згорання, зануреній у шар води. Основний теплообмін відбувається контактним способом у насадці, де вода нагрівається приблизно до 85 °С, а додатковий нагрів відбувається через стінки камери згорання. Такі нагрівники забезпечують підігрів води до 90...95 °С. ККД таких нагрівників, розрахований за вищою теплотою згорання, знаходиться в межах 92-96 %. Вони досить компактні; модуль потужністю 1 МВт потребує площі 2,2 2,2м², висота його 3 м.

Рис. 7 - Принципова схема контактно-поверхневого нагрівача: 1 - пальник; 2 - паливний газ; 3 - повітря; 4 - камера згорання; 5 - контактна насадка; 6 - продукти згорання; 7 - пінна пластина; 8 - розбризкувач; 9 - зворотна вода; 10 - гаряча вода

У районних котельнях застосовують котли більшої потужності, які поділяють на водо- і жаротрубні. Найчастіше використовують водотрубні котли. Котли цього типу переважно застосовують для одержання пари або гарячої води високого тиску і великої встановленої потужності. Жаротрубні котли використовують для тисків, менших від 2 МПа, і потужностей до 1...7 МВт.

В умовах країн Центральної і Східної Європи економічна границя відстані подачі гарячої води в районних теплових мережах становить 7 км.

Променисте опалення використовують для обігріву великих виробничих приміщень, ангарів, залів для глядачів, спортивних споруд (тенісних кортів, льодових стадіонів, плавальних басейнів), церков, гаражів, складських приміщень або тільки робочих місць у приміщеннях такого типу. Застосування газових інфрачервоних випромінювачів характеризується швидким монтажем, можливістю перерозподілу зон обігріву і можливістю забезпечення економії газу (близько 40 %) порівняно з автономним водяним опаленням. Такі випромінювачі бувають двох типів - «світлі», у яких спалювання газу відбувається на керамічній поверхні випромінювача, і «темні», де газ спалюється всередині труб, що випромінюють тепловий потік. Під час використання «світлих» випромінювачів продукти згорання викидаються безпосередньо в приміщення, тому треба забезпечити надійну вентиляцію.

Газові інфрачервоні випромінювачі використовують двох типів: підвісні і настінні. Імпортні випромінювачі додатково обладнано пристроями.

Автоматизований настінний газовий нагрівник потужністю до 15 кВт і масою 96 кг забезпечує створення локальних робочих зон з комфортними температурними умовами на площі 50...100 м².

Питома витрата теплоти на обігрів цеху у разі променистого опалення може бути в чотири рази менша, ніж у разі традиційного водяного опалення.

Когенерація є одним з ефективних методів енергопостачання будинків і споруд за рахунок спільного виробництва електричної і теплової енергії. Вона полягає у використанні газових двигунів внутрішнього згорання або газових турбін для приводу електрогенераторів з одночасним використанням теплоти відпрацьованих газів, води й охолоджувачів масла для комунальних і промислових споживачів. При цьому максимально використовують хімічну енергію палива, знижується рівень забруднення навколишнього середовища, зменшуються втрати під час передачі енергії і підвищується рівень надійності енергозабезпечення споживачів завдяки близькому розміщенню джерел енергоресурсів.

Когенерація все більше поширюється в європейських країнах. Модульні когенераційні установки на природному газі споруджують найчастіше для об'єктів суспільного користування (великих офісних будинків, шкіл, лікарень тощо) і для районних котелень.

Теплофікаційний ККД когенераційного модуля знаходиться в межах 85-90 %. Відношення виробленої електричної енергії до теплової становить 0,6...0,7 і залежить від типу модуля. Недоліком когенераційних модулів є вузькі межі регулювання (приблизно 70-100 % від номінальної потужності), що обмежує їх застосування.

Когенераційні установки вигідно застосовувати на об'єктах, де потреба в електроенергії і теплоті постійна і знаходиться в співвідношенні 3:1.

Размещено на Allbest.ru

...