Пути оптимизации мощности промышленных котлов и горелок
Опубликовано: 20 октября 2009 г.
3709
Необходимость в сбережении энергии и снижении содержа- ния вредных веществ в дымовых газах требует оптимиза- ции мощности промышленно-отопительных котлов и горе- лок. Опыт автора публикуемой статьи позволил ему сде- лать вывод о том, что режим работы многих котельных мог бы быть намного эффективнее, прояви их проектиров- щики больше скрупулезности и гибкости при решении та- ких вопросов, как определение фактического потребления энергии на объекте, распределение нагрузки между от- дельными котлами установки и ряда других.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Х. Эрнст
Классификация котельных установок по критериям потребления
Алгоритм действий проектировщика во многом определен назначением котельной (ориентирована ли она на покрытие технологической или отопительной нагрузки), а также наличием или отсутствием в его распоряжении сведений о потребителях энергии.
Рассмотрим случай, когда вырабатываемое котельной тепло расходуется преимущественно на технологические нужды.
Если речь идет о существующей котельной, переоснащение которой осуществляется только в целях модернизации или приведения характеристик ее работы в соответствие с новыми правилами по защите окружающей среды, то диаграмма потребления мощности, как правило, известна (параметры потребления остаются неизменными).
В отсутствие необходимых данных рекомендуется определить фактическое потребление энергии путем его измерения в течение определенных промежутков времени. При этом важны промежутки времени с самым низким (например, в выходные дни, в ночное время летом) и пиковым (наиболее холодные дни, периоды максимально интенсивного производства и т.д.) потреблением энергии. Необходимо зарегистрировать и рассчитать динамику изменения потребления (например, выявить его пики).
Когда данные собраны, необходимо проверить оправданность требуемых максимальных параметров греющей среды на выходе теплогенератора. Любое ненужное превышение температуры теплоносителя (для водогрейного котла) или давления пара (для парового) означает дополнительные расходы, которые можно избежать.
Часто расчетная температура и давление существующих отопительных сетей завышены, и их нужно снизить до реально необходимых значений.
При наличии пиковых потребителей с определенной временной программой требуется проверить, насколько необходима и возможна увязка систем управления потреблением энергии и котлом.
Во многих случаях мощность котельной установки может быть снижена, если ее система управления заранее получит информацию о потребности в мощности и переведет установку в режим готовности.
При кратковременных пиках потребления в длительных интервалах времени следует проверить, насколько необходимо накопление тепловой энергии в баке-аккумуляторе.
Для новых объектов котельные установки часто проектируются с запасом — проектировщики, изготовители, поставщики компонентов оборудования и эксплуатационники делают прибавку к фактически необходимому потреблению энергии.
Такие дополнительные резервы необходимо выявлять при обсуждении проекта. По возможности, следует выяснить у смежников состав имеющегося оборудования и фактическое потребление им энергии, чтобы использовать эти данные при проектировании. Предпосылками правильного выбора параметров являются привлечение серьезных поставщиков отдельных компонентов и принятие во внимание возможного дальнейшего роста потребления энергии.
Несмотря на уже запланированное увеличение мощности, необходимо предусмотреть возможные дополнительные резервы в конструкции сетей и габаритах котельной.
Если приоритетный потребитель — системы отопления, фактическое потребление тепла определяется состоянием погоды. Диапазон необходимой мощности отопительной котельной значительно шире и неопределеннее, чем промышленной. Во время летнего сезона котельные установки частично поддерживаются в эксплуатации для производства горячей воды, а в холодные зимние дни требуется вся их тепловая мощность.
При определении пиковой мощности необходимо учесть, что она необходима только несколько дней в году. В то же время в экстренном случае (в частности, при выходе из строя котла), когда возможность производства тепла ограничена, ни в коем случае нельзя допустить замерзания теплоносителя в компонентах оборудования или сетях. То есть при расчете минимальной мощности каждого котла требуется высокая точность. Она очень важна и при определении температурных параметров (как максимального значения температуры нагрева теплоносителя, так и диапазона температуры).
Самый большой отбор тепла котельной происходит зимой в моменты, когда группы потребителей переключаются с ночного режима потребления энергии (мощность понижена) на дневной. И, как правило, в ранние утренние часы происходит пиковое потребление, превышающее расчетную мощность отопительных установок. Это необходимо предотвратить за счет оснащения системы отопления современными устройствами регулирования и смещением по времени подключения отдельных групп потребителей. Следует учесть, что при таком переключении установок в сети может возникнуть понижение температуры, пока котельная установка не «поймает ритм».
Требования к установке
Когда получены достаточно надежные данные о потреблении, осуществляется расчет общей энергетической мощности котельной и входящих в ее состав установок. Выполняя его, следует учитывать следующие моменты.
Сегодня практически не проектируются котельные установки, работающие в режиме Stand-by (поддержание котла в «горячем» состоянии без отбора мощности), так как издержки в этом случае высоки. В то же время отключения и пуски горелок должны происходить как можно реже.
В любом случае рекомендуется распределить мощность как минимум на два теплогенератора. При этом часто оптимальным решением является выбор котлов различной мощности.
Меньший по мощности котел будет эксплуатироваться в периоды пониженного потребления тепла, например, ночью или в выходные дни летнего периода, а также для покрытия пиковой нагрузки (как уже говорилось, она обычно имеет место зимой в утренние часы). Если в котельных случается повышенное потребление тепла и в летний период, например, на производственных предприятиях, то минимальная мощность котла должна быть рассчитана так, чтобы обеспечить потребление.
Также необходимо обеспечить, чтобы при выходе из строя крупных единиц оборудования котельная работала — хотя бы в режиме ограниченной функциональности — до полного устранения неисправностей.
В некоторых случаях, особенно при использовании твердотопливных установок, положительный эффект дает использование буферных накопителей тепла.
Для относительно небольших (мощностью менее 4 МВт) котельных рекомендуется реализовать автоматическое регулирование по заданным диапазонам температуры и давления, а для более крупных котельных — по расходу тепла и пара, что позволяет оптимально регулировать нагрузку. В последнем случае компромисс, на который часто идут заказчики и проектировщики с целью удешевить систему управления, приводит к негативным результатам в ходе эксплуатации котельной.
Выбор горелки
При выборе горелки большое значение имеет определение минимальной нагрузки котла. Минимальная мощность двухступенчатых горелок составляет 40—60 % номинальной, трехступенчатых — около 35 %. У модуляционных горелок она может быть еще меньше.
Котлы мощностью до 2 МВт оснащаются преимущественно двух- и трехступенчатыми горелками. Использование модуляционных горелок в данном случае не дает возможности добиться уменьшения основной нагрузки, но увеличивает расходы на горелку, ее техническое обслуживание и наладку. Для более мощных котлов оптимальным вариантом будет именно модуляционная горелка.
При фиксированной, без смещения в сторону уменьшения, номинальной мощности котла в некоторых случаях лучше использовать горелку немного завышенной мощности. А при небольшом снижении номинальной мощности применение на один типоразмер меньшей горелки позволит расширить диапазон регулирования мощности, оптимизировать его нижнюю границу.
Таким образом, соотношению мощности котла и горелки следует уделять больше внимания, особенно в случаях многокотловых установок.
Окончательный выбор горелки должен осуществляться так, чтобы при работе котла на полной нагрузке горелка работала бы на верхнем пределе диапазона мощности. Это позволит снизить мощность горелки при малой нагрузке, исключив ее частые пуски и остановы.
Кроме того, перед каждым новым включением горелки во избежание вспышек топочную камеру продувают свежим воздухом. Воздух, принудительно нагреваемый в котле, уходит потом через дымовую трубу. Так, для котла UL-S 5000 температура воздуха при заборе составляет 24, а после нагрева -184 (температура теплоносителя) °C. Продувка топочной камеры длится 65-135 с. Потери тепла за один цикл включения-отключения составляют 4,77-9,91кВт-ч.
Поставщикам котлов не следует строго предписывать применение горелок определенных типов. С другой стороны, мощность отдельных котлов, входящих в состав котельной, нужно варьировать так, чтобы оптимизировать параметры работы горелки, а также затраты на ее приобретение.
Изготовитель котлов должен располагать допуском в ± 10 % общей мощности установки. Только при такой свободе действий можно обеспечить оптимальную эксплуатацию котла.
В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию: при модернизации парового котла номинальной производительностью 5000 кг/ч, которая заключалась в установке экономайзера, противодавление в топке увеличилось так, что теоретически стало необходимым применение следующей по типоразмеру горелки (рис.). Выходом в данном случае может стать снижение максимальной мощности котла на 3-4 %, что позволит сохранить используемую изначально горелку с достижением диапазона регулирования мощности 1 :4 (в случае применения большей по мощности горелки он бы составил 1 : 2,8).
Если не принимать в расчет диапазон допусков, то в некоторых случаях придется — в ущерб оптимизации эксплуатационных характеристик и издержек — смириться с завышением мощности оборудования.
Необходимость оптимизации параметров горелки обусловлена сегодня и применением новых решений, направленных на снижение эмиссии вредных веществ в атмосферу. Обычно эти решения ограничивают гибкость работы горелки. Так, допустимая частота циклов включения и отключения горелки с рециркуляцией дымовых газов составляет, как правило, не более четырех в час. Разумеется, это серьезно влияет на процесс проектирования и дальнейшей эксплуатации котельной установки.
Выводы
При проектировании энергоустановки сегодня необходимо принимать во внимание больше критериев, чем раньше. Особое значение имеет правильное распределение мощности между несколькими котлами с согласованными мощностями горелок.
Завышение параметров установки влечет повышенный износ компонентов, обусловленный частыми включениями и отключениями горелки и, соответственно, котла.
При этом снижается и надежность эксплуатации оборудования, поскольку каждое включение и отключение связано с нагрузкой на контрольные приборы, которые в сомнительных случаях отключают установку.
При объявлении тендера и запросах на поставку оборудования мощность котла должна указываться с допусками.
Расчет горелки с запасом по мощности означает ограничение диапазона регулирования, со всеми вытекающими из этого недостатками.
Срок эксплуатации многих котлов исчисляется десятилетиями, но их горелочные и регулировочные устройства рекомендуется обновлять или менять полностью каждые 5-10 лет. При выборе котла можно предусмотреть увеличение мощности, связанное с ростом потребления в будущем, — это не влечет практически никаких отрицательных моментов. Горелку, напротив, следует выбирать без запаса, а при увеличении потребности в тепле заменить ее более мощной.
Статья предоставлена Представительством компании Loos International GmbH в России