На главную

Энергосбережение и энергосберегающие технологии в Беларуси, СНГ, России, в мире. Экономия электроэнергии. Энергоэффективность.  

«     2011     2010  |   2009  |   2008  |   »

01.04.2010 Энергосбережение. Водогрейная котельная как альтернативный вариант мини-ТЭЦ на фоне когенерационной установки

 

Водогрейная котельная как альтернативный вариант мини-ТЭЦ на фоне когенерационной установки

 

Технология производства тепловой энергии предусматривает обязательное потребление определенного количества пара и электроэнергии, необходимых для обеспечения собственных нужд котельной. Поэтому в составе производственных и отопительных водогрейных котельных, как правило, имеется паровой котел для обеспечения потребностей в паре. В ряде случаев решение проблемы одновременного производства горячей воды и пара осуществляется путем установки комбинированных пароводогрейных котлов [1, 2] или расширителей и прочих паросепарирующих устройств, позволяющих получать насыщенный пар низких параметров из перегретой воды.

 

Основным недостатком получения пара из перегретой воды является его малая доля по сравнению с попутным дренажом той же температуры. Принятие соответствующих мер конструктивного и технологического характера по устранению этого недостатка приводит к удорожанию установки и, по мнению специалистов [1, 2], делает их неконкурентоспособными в сравнении с двухконтурными котлами.

Известные разработки конструкций турбин, работающих на насыщенном паре [3, 4], позволяют несколько по-иному оценить эффективность применения паросепарирующих устройств в совокупности с работой водогрейных котлов. В Беларуси идея использования водогрейных котлов с применением расширителя в качестве источника питания паровой турбины была предложена в РУП «БЕЛТЭИ» профессором В. Балабановичем. Реализация этой идеи способствовала бы значительному увеличению спроса на разработанные им же конструкции турбин [5]. Следует добавить, что положительные тенденции к переводу теплосетей на независимые схемы теплоснабжения также совместимы с упомянутой идеей еще и потому, что позволяют использовать высокотемпературные потоки воды в пределах тепловой схемы котельной. Благодаря этому может быть увеличен температурный напор в водоводяном бойлере сетевой воды, что, несомненно, способствует оптимизации его конструкции и снижению металлоемкости в части поверхностей нагрева за счет возрастания температурного напора.

Высокая температура первичного тепло­носителя в бойлере позволяет увеличить также температуру воды в прямой теплосети. Это открывает дополнительные возможности повышения эффективности последней как устройства по организации транспорта теплоты. В частности, увеличение перепада температуры сетевой воды в ИТП, бойлерах или других приборах потребителя позволяет адекватно снизить ее циркуляцию, что также способствует снижению затрат на ее транспорт.

Расчеты показывают, что при одинаковых объемных скоростях воды в трубах сети и неизменном количестве транспортируемой теплоэнергии переход от температурного графика tпм / t= 150 / 70 на, предположим, tпб / t0 = 200 / 70 позволяет снизить циркуляцию воды Gбм примерно на 20  %. Это следует из анализа уравнения теплового баланса:

 

Θ = сGб(tпм – t0) = сGм(tпб – t0),

(1)

 

а также из того факта, что масса труб Ммб виртуальной [6] теплосети (трубы) прямо пропорциональна ее виртуальному диаметру (Dмб):

 

(2)

 

Исходя из формулы (2) повышение температуры прямой сетевой воды от tпм = 150 °С до tпб = 200 °С способствует одновременно изменению двух основных показателей: снижению расхода электроэнергии на транспорт воды (теплоты) за счет уменьшения ее массового потока (от Gб до Gм) и стоимости труб меньшего диаметра (от Dб с массой Мб до Dм с массой Мм) примерно на 22  %.

Водогрейный котел с давлением воды порядка 18–30 атмосфер позволяет использовать паровую турбину насыщенного пара, питаемую от расширителя. При решении этой проблемы следует обратить внимание на два факта:

– КПД теплофикационного цикла турбины с противодавлением достаточно высок за счет несущественных потерь в самой турбине;

– работа расширителя в схеме турбоустановки приводит к эксергетическим потерям в результате процесса дросселирования и способствует некоторому снижению КПД энергоисточника в целом.

В отличие от традиционной водогрейной предлагаемая схема отличается дополнительной надстройкой расширителя для турбины с противодавлением, что дает ей право называться схемой мини-ТЭЦ. При такой постановке вопроса ее интересно сопоставить с известными [7] когенерационными установками (КГУ), весьма успешно внедряемыми на промышленных предприятиях взамен устаревших паровых и водогрейных котельных. Обратим внимание [8] на показатель топливоиспользования bтэц = Bтэц / (N0 + Q0) и удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении W = ηэ / ηт = N0 / Q0. Последний на обычных ТЭЦ высоких и критических параметров равен порядка W = 0,34–0,47 = 400–550 кВт•ч/Гкал. В КГУ этот показатель значительно выше: W = 0,9–1,1 = 1 040–1 270 кВт•ч/Гкал, а в предлагаемой мини-ТЭЦ он очень низкий (W = 0,04–0,06 = 46,5–69,8 кВт•ч/Гкал). При полной теплофикационной выработке электроэнергии (ψ = 1) связь между показателями bТЭЦ (средним удельным расходом топлива) и W определяется зависимостью [9]:

 

bТЭЦ = m–1(1 + W–1)–1(qтС4 + W–1Сз),

(3)

 

где m–1 = (ηбрηтпQу)–1 – удельный расход топлива на водогрейном котле из учета КПД брутто (ηбр) и теплового потока (ηтп);

Qу – теплота сгорания условного топлива;

Сз = 1 + qэсн + qтсн и С4 = 1 + ээсн + этсн – комплексы, определяющие влияние относительных расходов тепло- и электроэнергии на собственные нужды по отпуску электроэнергии и теплоты;

qт = (ηмηг)–1 – удельный расход теплоты на отпуск электроэнергии, т. е. КПД (1/qт) процесса преобразования тепловой энергии в электрическую с учетом потерь за счет механического привода (ηм) и в генераторе (ηг).

На основании (3) определяем:

 

(4)

 

В уравнениях (3), (4) показатели С3 и С4, как правило, не многим больше единицы (С3С4 = 1,005–1,1), а показатель qт в теплофикационном режиме имеет примерно тот же порядок: qт = 1,03–1,04. Следовательно, знак производной (∂bТЭЦ / ∂W ≤≥ 0) согласно формуле (4) во многом определяется знаком комплекса qтС4 – С3 ≤≥ 0. Иначе говоря, производная ∂bТЭЦ / ∂W при любых значениях W близка к нулю и либо незначительно снижается, либо (что наиболее вероятно) незначительно возрастает. Из этого следует, что отмеченное выше различие между показателями W на ТЭЦ, в КГУ и мини-ТЭЦ не влияет на существенный рост или снижение показателя эффективности топливоиспользования bТЭЦ в сопоставляемых энергоисточниках. Причины этого различия обусловлены неадекватностью конструкций и технологий производства тепло- и электроэнергии на сопоставляемых энергоисточниках. Так, например, в традиционных паротурбинных ТЭЦ согласно второму закону термодинамики соотношение между горячим и холодным источниками ограничивается порядком (560 + 273) / (100 + 273) = 2,23. КГУ позволяет сделать это соотношение выше: (2 000 + 273) / (400 + 273) = 3,38. В исследуемой мини-ТЭЦ с расширителем этот показатель очень низок – порядка (150 + 273) / (80 + 273) = 1,2.

Также следует иметь в виду, что с увеличением W возрастает доля отпуска электроэнергии. Последняя в отличие от тепловой энергии обходится дороже и способствует увеличению показателя bТЭЦ из-за негативного влияния соответствующего КПД, равного 1/qт. Из этого следует, что в КГУ, несмотря на ряд многих ее достоинств, коэффициент топливоиспользования bТЭЦ имеет тенденцию к возрастанию в сравнении с традиционной паротурбинной ТЭЦ. Совершенно противоположная тенденция в этом отношении имеется на рассматриваемой мини-ТЭЦ: пониженное значение показателя W является своего рода гарантией адекватного снижения удельного расхода bТЭЦ. В данном случае на понижении значения bТЭЦ сказывается и тот факт, что КПД водогрейного котла в отличие от парового [10] всегда выше на 2–2,5  % .

В процессе изучения вариантов модернизации водогрейного котла (котельной) разработан комплекс программных файлов (МиТ5, МиТ6, ТГК1, Ст16р и др.), отображающих соответствующие технологические процессы производства тепло- и электроэнергии по двум вариантам: согласно схеме мини-ТЭЦ и путем замены водогрейного котла когенерационной установкой. Как показывают расчеты, в обоих вариантах модернизации при одинаковом потреблении топлива коэффициенты топливоиспользования возрастают в следующем порядке: водогрейная котельная, мини-ТЭЦ с расширителем и КГУ.

Следует отметить, что КГУ по своим технико-экономическим показателям (хотя бы в силу повышенных значений показателей W) все же менее экономична, чем традиционная паротурбинная ТЭЦ, работающая в теплофикационном режиме. Она способна решать проблемы лишь локального характера. При этом следует иметь в виду, что с позиции энергосистемы КГУ в пределах мегаполиса вытесняет теплофикационную нагрузку ТЭЦ, снижая ее эффективность [11, 12]. В свою очередь, мини-ТЭЦ позволяет оптимально решать локальные задачи обеспечения электроэнергией в основном собственных нужд с небольшим избытком, не ущемляя в отличие от КГУ, а даже способствуя интересам большой энергетики в формировании теплофикационного режима. Кроме того, стоимость сооружения единицы мощности водогрейного котла ниже стоимости парового, а тем более комбинированного пароводогрейного котла. Поэтому дальнейшие исследования в области проблем практической реализации котельной с установкой расширителя и паровой турбины следует считать целесообразными.

 

 

ВЫВОДЫ

 

1. Разработанный комплекс программных средств (МиТ5, МиТ6, ТГК1, Ст16р и др.) позволяет сопоставлять два варианта модернизации водогрейного котла (котельной) с целью выбора оптимального:

– путем повышения давления в котле с дополнительной установкой расширителя и теплофикационной турбины;

– путем замены водогрейного котла когенерационной установкой.

2. Модернизация водогрейной котельной путем установки расширителя и турбины с генератором малой мощности (порядка 3–6  % от суммарной мощности энергоисточника) позволяет уменьшить затраты на обеспечение электроэнергией собственных нужд, практически не вытесняя теплофикационную загрузку энергосистемы в целом, чего нельзя сказать о КГУ.

3. Перевод водогрейных котлов на повышенное давление и установку расширителя для питания турбины с противодавлением следует рассматривать как эффективное мероприятие не только в плане модернизации традиционных теплоисточников. Эта мера позволяет повысить эффективность системы теплоснабжения в целом путем увеличения температурного уровня теплоносителя и уменьшения его циркуляции.

4. В плане эффективности топливоиспользования модернизированная водогрейная котельная с расширителем при известных условиях может оказаться более конкурентоспособной в сравнении с КГУ и даже превзойти ее.

 

 

Борис БАЙРАШЕВСКИЙ, доктор технических наук

 

 

 

Литература

 

1. Бузников Е. Ф., Роддатис К. Ф., Берзиньш Э. Я. Производственные и отопительные котельные. М.: Энергия, 1974.

2. Бузников Е. Ф., Крылов А. К., Лесниковский Л. А. Комбинированная выработка пара и горячей воды. М.: Энергоиздат, 1981.

3. Балабанович В. Турбины ТРБ: перспективы применения // Энергетика и ТЭК. – 2005. – № 12.

4. Балабанович В., Седнин В., Пантелей Н. Как повысить эффективность оборудования? // Энергетика и ТЭК. – 2008. – № 10.

5. Балабанович В. К. и др. Способ работы турбомашин Балабановича малой мощности и устройство для его реализации // Евразийский патент. – № 007359. – 1998.

6. Байрашевский Б. А. Оценка теплопотерь и эффективности работы теплосетей // Изв. НАН, Сер. ФТН. – № 4. – 2004.

7. Когенерационные установки. Рекламно-технические показатели // Энергия и менеджмент. – 2004. – № 3.

8. Байрашевский Б. А., Борушко Н. П., Шавельзон М. И. Оценка эффективности когенерационной установки с позиций адекватных показателей мини-ТЭЦ // Энергия и менеджмент. – 2005. – № 4.

9. Байрашевский Б. А. Основы нетрадиционного анализа показателей экономичности ТЭЦ и объединений // Изв. НАН, Сер. ФТН. – 1995. – № 3.

10. Внуков А. Резервы энергосбережения районных котельных // Энергетика и ТЭК. – 2008. – № 3.

11. Богданов А. В. Котельнизация России – беда национального масштаба // Новости теплоснабжения. – 2006. – № 10–12; 2007. – № 4, 5, 7.

12. Шкода Н. И. Теплофикация против децентрализации // Энергия и менеджмент. – 2007. – № 4.

 

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком