Издательский Центр Аква-Терм
hp2018
bds450x100

Возвращаем деньги из воздуха

Котлы-утилизаторы: современные схемные решения, реальные и выгодные перспективы, примеры эксплуатации

Об эффективности использования теплоты уходящих газов, критериях выбора, экономике и практике эксплуатации котлов-утилизаторов рассказали, отвечая на вопросы журнала «Промышленные и отопительные КОТЕЛЬНЫЕ И МИНИ-ТЭЦ» (ПКМ), профессионалы отрасли теплоснабжения:

Виктор Завацкий, технический директор ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж», Брянский участок

Дмитрий Рожников, ведущий инженер-конструктор ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж»

Евгений Хейфец, коммерческий директор ООО «ТМ МАШ»

Александр Левинц, д.т.н., руководитель проектов VELDE Boilers and Plants GmbH, г. Дуйсбург, Германия

ПКМ: Расскажите об опыте установки котлов-утилизаторов (КУ).

Виктор Завацкий: В своей трудовой деятельности мы работаем с разного рода и типа котлами-утилизаторами. Если мы говорим о станциях с газопоршневыми или газотурбинными установками, то это  различные паровые и водогрейные утилизаторы: кожухотрубчатые, водотрубные (в том числе  змеевикового типа) утилизаторы. Если говорим о котлах, то в последнее время мы все больше получаем заказы на установку конденсационных утилизаторов.

Евгений Хейфец: Компания ООО «ТМ МАШ» занимается изготовлением котлов-утилизаторов с 2011 г. в Санкт-Петербурге, имеет собственное конструкторское бюро и производственный участок. Производственные мощности позволяют изготавливать водогрейные котлы-утилизаторы весом до 9 т для дизельных, газопоршневых и турбинных установок мощностью от 100 до 6000 кВт.

К настоящему моменту изготовлено более 130 тепловых модулей  для основных мировых производителей ДВС. Вторым основным направлением деятельности ООО «ТМ МАШ» является выпуск глушителей для ДВС. По данным 2016 г., компания выпустила  92% отечественных глушителей различных типов для иностранных дизельных и газопоршневых двигателей. Среднемесячное производство глушителей составляет 58 шт.

На настоящий момент силами ООО «ТМ МАШ» изготовлены утилизаторы тепла практически на все типы газовых и дизельных электростанций, установленных в России. Порядка 12% выпускаемых утилизаторов тепла и глушителей отправляется на экспорт (в основном, в Казахстан).

Мы поставили оборудование от самой западной точки РФ (поставка глушителей на аэропорт «Храброво», Калининград) до самой восточной (утилизаторы тепла для поселковых ДГУ на Камчатке) и от самой северной (СУТы для ДГУ на архипелаге «Земля Франца Иосифа») до самой южной точки (утилизаторы тепла для нескольких микрорайонов г. Сочи).

Александр Левинц: Фирма Velde Boilers and Plants изготовила и установила на различных предприятиях Европы и Азии более 100 промышленных котлов-утилизаторов и имеет, таким образом, очень большой опыт в этой области. Для промышленных установок с комбинированной генерацией тепловой и электрической энергии (установки когенерации) с газовыми турбинами малой мощности до 15 MВт(эл) фирмой, как правило, поставляются котлы-утилизаторы с большим водяным объемом. Для этих установок хорошо зарекомендовал себя принцип модульного подбора компонент котельной установки в зависимости от мощности газовой турбины. Пример конструкции котла-утилизатора показан на рис. 1.

Рис. 1. Котел-утилизатор с дополнительными элементами: 1 – вход дымовых газов, 2 – дополнительная горелка, 3 – подача топлива на горелку, 4 – водотрубная топочная камера, 5 – дополнительные теплообменные поверхности, 6 – дымогарный котел, 7 – дымогарные трубы, 8 – выход пара, 9 – ввод питательной воды, 10 – экономайзер, 11 – выход уходящих газов

Установки на базе котлов-утилизаторов для промышленных теплоцентралей проектируются с учетом индивидуальных потребностей заказчика. Для проектирования котла-утилизатора важны, среди прочего, следующие данные: - уходящие газы  (количество, температура, состав); - теплоноситель (горячая вода, насыщенный пар, перегретый пар); мощностные показатели (паропроизводительность, допустимое рабочее давление, допустимые потери давления в газоходах); - принцип работы (приоритет выработки электроэнергии, приоритет выработки тепловой энергии, частичные нагрузки, колебания нагрузки); - допустимое содержание загрязнений в выбросах; - условия монтажа.

ПКМ: Какие типы котлов-утилизаторов Вы применяете, производите, устанавливаете?

Виктор Завацкий: Помимо установки, мы также занимаемся производством котлов-утилизаторов различных конструкций для различных задач и схем. Это и кожухотрубчатые для применения в схемах с газопоршневми установками, и водотрубные (с оребрением и без). Сейчас, например, мы готовим партию котлов-утилизаторов уходящего газа для объекта в Якутии.

Евгений Хейфец: ООО «ТМ МАШ» занимается производством утилизаторов тепла антифриза (УТА) как на базе кожухотрубчатых теплообменников, так и на базе пластинчатых теплообменных аппаратов. Основным нашим направлением является производство утилизаторов тепла дымовых газов на базе производимых в нашем цеху котлов-утилизаторов кожухотрубного типа.

Величина полученного тепловым модулем тепла сопоставима с выработанной электроэнергией и находится в следующей зависимости: на 100 % кВт полученной электроэнергии вырабатывается 100-130% кВт тепловой энергии.

ООО «ТМ МАШ» утилизирует тепло как по контуру антифриза (обозначение ТММ-ТМВВ), так и по контуру выхлопных газов (обозначение ТММ-ТМВГ).

Котел-утилизатор ТММ-ТМВГ снимает тепло с уходящих дымовых газов и позволяет осуществить нагрев воды потребителя, при этом температура дымовых газов после котла-утилизатора опускается до 120-150ºС.

В стандартном котле-утилизаторе в трубном пространстве протекают дымовые газы, в межтрубном – вода (антифриз). Данный теплообменник является теплообменником жаротрубного (газотрубного) типа. Реже производятся теплообменники водотрубного типа, где в трубках течет жидкий теплоноситель, а дымовые газы находятся в межтрубном пространстве.

Тепловой модуль ТММ-ТМ.200 для контейнерной ДГУ («ТМ МАШ»)

Как было  сказано выше, «ТМ МАШ» производит утилизаторы тепла антифриза на базе кожухотрубчатых теплообменников и на базе пластинчатых теплообменников. Кожухотрубное исполнение теплообменника существенно упрощает его эксплуатацию, обслуживание и ремонт. Засорившиеся трубки можно прочистить стальным шомполом-ершиком для прочистки труб. В случае ремонта возможна замена только некоторых, вышедших из строя труб. Исполнение трубного пучка полностью из нержавеющей стали позволяет увеличить его надежность и срок службы. При этом пластинчатые теплообменники – утилизаторы тепла антифриза немного компактнее и имеют несколько меньшую цену.

Александр Левинц: Насколько многообразны условия эксплуатации котлов-утилизаторов, настолько же могут вариироваться возможности комплектации: - дымогарные котлы, водотрубные котлы, дымогарные котлы с водотрубными тепловыми поверхностями; - гладкотрубные и оребренные тепловые поверхности, размер труб и оребрения; - расположение теплообменных труб в линию или со смещением, различные соотношения заполнения трубами, сечение проходного канала; - отвод уходящих газов: вертикальный или горизонтальный; - циркуляция воды/пара: естественная, однократная или многократная принудительная циркуляция, прямотоком или противотоком к уходящим газам; - дополнительная горелка с дополнительным воздушным вентилятором или без такового.

Одной из областей применения котлов-утилизаторов в установках когенерации является уже упомянутое их использование вместе с газовыми и дизельными двигателями. На таких установках часто находят применение одновременно несколько двигателей. Для таких условий хорошо себя зарекомендовало включение нескольких двигателей на один котел-утилизатор, так как благодаря этому снижаются затраты на комплектацию установки.

Пример 1. В случае использования котла-утилизатора, обогреваемого уходящими газами от трех газовых двигателей, уходящие газы двигателей подаются на котел раздельно, так что двигатели не влияют в своей работе друг на друга. При необходимости возможно перенаправление уходящих газов по байпасу мимо котла.

Пример 2. Если котел-утилизатор устанавливается за дизельным двигателем, то благодаря дополнительной горелке котел позволяет осуществлять выработку пара при отключенном дизельном двигателе. В этом случае горелка устанавливается в жаровую трубу, после которой имеются еще два хода дымогарных труб. Такого типа котлы-утилизаторы установлены нами на ряде российских предприятий. Они хорошо зарекомендовали себя в работе, и наши российские заказчики рассматривают возможность наращивания установленной мощности.

ПКМ: Расскажите о наиболее интересных схемах применения КУ.

Александр Левинц: К интересным реализованным объектам можно отнести, например, котел-утилизатор с большим водяным объемом, установленный за газовой турбиной Solar Titan 130, мощностью 15 МВт(эл) и вырабатывающий с дополнительной горелкой 65 т/ч перегретого пара, с температурой 250°C при давлении 14 бар (рис. 2). Это установка с высочайшим уровнем автоматизации.

 Рис. 2. Котел-утилизатор за газовой турбиной Solar Titan 130

В другом примере котла-утилизатора, установленного за газовой турбиной Kawasaki GPB80D, мощностью 6,8 МВт(эл) показано, как методами вычислительной гидродинамики могут быть оптимизированы сложные гидродинамические условия течения перед дополнительной горелкой, что позволяет устанавливать котлы в стесненных условиях. 

Вообще надо сказать, что каждый проект с котлом-утилизатором представляет интерес, потому что в таких проектах, как правило, нужны индивидуальные решения под конкретного заказчика, которыми так известна наша фирма.

Евгений Хейфец: Системы утилизации тепла особенно эффективны для объектов, где ДГУ либо ГПУ являются источником постоянного электроснабжения. Особенно эффективен СУТ для электростанций, где ДЭС используется в качестве основного источника тепла, так как  в таких районах стоимость выработки тепла очень высока и окупаемость тепловых модулей занимает от четырех месяцев.

Особым нашим направлением является изготовление тепловых модулей для труднодоступных ДЭС удаленных вахтовых поселков (особенно распространено среди горнодобывающих и буровых компаний). Тепловые модули позволяют существенно минимизировать затраты на выработку тепла (особенно на дизельном топливе), и окупаются за 4-10 месяцев.

Монтаж теплового модуля ТММ-ТМВГ.550 в Якутии для «Золото Селигдара» («ТМ МАШ»)

Пример. Приведем пример расчета ТЭО для одной из ранее изготовленной и запущенной в эксплуатацию установки.

Пример расчета ТЭО на основе теплового модуля ТММ-ТМВГ.550 для дизель-генераторной установки Caterpillar 3512 электрической мощностью 800 кВт (заказчик –  ООО «Золото Селигдара»). Тепловой модуль (ТМ) установлен в республики Якутия. В данном проекте ДГУ работает практически круглосуточно, весь отопительный сезон (с октября по май, то есть 2/3 года). Годовая наработка ТМ составляет 5800 ч (8700*2/3 = 5800).

Утилизация тепла производится только по одному контору – выхлопные газы. В данном тепловом модуле выхлопные газы от ДГУ нагревают сетевой теплоноситель из «обратки» котельного контура системы отопления и нагретая таким образом вода поступает снова в «обратку». Отопительная котельная получает воду температурой не 70, а 80-90°С (в зависимости от загрузки ДГУ), и, соответственно, существенно меньше тратит топлива на догрев ее до требуемых 90°С.

Максимальная тепловая мощность установки при понижении температуры выхлопных градусов с 500 до 120 °С составляет 550 кВт. Средняя тепловая выработка тепла модулей составляет 385 кВт (при 70% загрузке ДГУ).

Годовая выработка тепла на СУТ = 385 кВт * 5800 = 2 233 000 кВтч.

Максимальные потери обычно составляют 15%. То есть реальная годовая выработка составит не менее 2 233 000 * 0,85 = 1 898 0000 кВтч.

По данным заказчика, стоимость выработки 1 кВтч тепла на дизельном топливе до использования теплового модуля составляла 7 рублей с учетом НДС.

Пояснение: на выработку 1 кВт тепла тратится примерно 0,1 л дизельного топлива (у большинства котлов). Стоимость 1 л дизтоплива в труднодоступных районах составляет не менее 70 руб/л.

Таким образом, годовая экономия составит: 7 * 1 898 000 = 13 286 000 руб.

Стоимость модуля ТММ-ТМВГ.550 составляет порядка 2 100 000 рублей с НДС.

Доставка, монтаж, ПНР, привязка модуля к контуру отопления и иные работы обычно стоят не более 50% от стоимости модуля.

Итого, общие затраты на создание системы утилизации тепла составят порядка 3 150 000 рублей с НДС.

Таким образом, окупаемость проекта составляет 3 150 000/13 286 000 = 0,24 года, то есть три месяца после ввода в эксплуатацию.

В том случае, если котельная работает на угле, стоимость кВт тепла обычно составляет 2,5-4 руб/кВт. Таким образом, окупаемость будет примерно в два-три раза больше, но все равно практически всегда срок окупаемости не превышает двух  отопительных сезонов. Примерно на 30% срок окупаемости снижается, если производить полную систему утилизации тепла. Возможность установки полного теплового модуля определяется для каждого проекта отдельно. Модуль по утилизации тепла дымовых газов практически всегда можно установить без доработок системы.

В примере приведен только расчет экономической эффективности использования систем утилизации тепла. Для каждого отдельного проекта требуется проведение своего расчета.

ПКМ: Каковы перспективные направления применения КУ: конденсационные режимы, контактные теплообменники и т.д.?

Виктор Завацкий: Сложности в экономике страны и высокие цены на энергоресурсы заставляют собственников задуматься о необходимости энергосбережения. Перенимая европейский опыт, владельцы предприятий стараются переходить на работу котлов в конденсационных режимах. Используя скрытую теплоту парообразования, добиваются увеличения КПД установок до 100% и более процентов. Это направление у нас пока находится в зачаточном состоянии. Но судя по опыту европейских стран, использование конденсационных режимов работы будет являться наиболее стремительно развивающимся направлением в ближайшие годы в России.

Блочное исполнение котла-утилизатора ОАО «МПНУ ЭТМ»

Дмитрий Рожников: Структура рынка всевозможных устройств теплопередачи явно тяготеет к конденсационным режимам работы при использовании выхлопных газов и продуктов сгорания. Используется эффект конденсации водяных паров и утилизация энергии конденсации помимо обычного теплообмена между «теплым» и «холодным». Здесь в расчетах участвует так называемая «высшая» теплота сгорания (как раз учитывающая теплоту конденсации), которая ранее не могла быть использована. Но за это необходимо «заплатить» –  как в прямом финансовом смысле, так и в переносном технологическом смысле: налицо усложнение тепломеханических схем, появление «неприятного кислотного» конденсата (а также необходимость его отвода и подщелачивания), рост необходимой автоматизации и точности регулирования, использование в конструкции теплообменников дорогих высоколегированных и нержавеющих сталей. И, самое главное, с чем мы столкнулись на реальных объектах – а есть ли на предприятии достаточное количество «низкотемпературного теплоносителя» и схем для его реального применения. К сожалению, ставка на подогрев воды для горячего водоснабжения, как мы видим, не всегда играет – расходы холодной воды непостоянны, и утилизация с конденсацией происходит крайне редко. В итоге часто дорогие конденсационные устройства работают в обычном «дедовском» режиме – «сухой» и высокотемпературной теплоутилизации. Необходима тщательная проектная проработка этих решений, включая усилия технологов предприятия, а не только энергетиков-котельщиков. Наша организация успешно выполнила ряд проектов по конденсационным утилизаторам и на данный момент ведет работу по корректировке ошибочных и неэффективных решений, принятых другими проектными организациями (к сожалению, такие практики тоже бывают). 

Александр Левинц: Мы не ставим конденсаторы серийно, но при наличии определенных технических и стоимостных предпосылок используем и конденсационные режимы, которые позволяют повысить КПД всей установки.

Нами накоплен большой опыт в использовании перед встроенной в дымоход горелкой специальной так называемой топочной камеры, которая может быть выполнена водоохлаждаемой (водотрубной). Водоохлаждаемая топочная камера позволяет уменьшить эмиссию NOx и представляет собой дополнительную теплообменную поверхность, включенную в пароводяной контур циркуляции котла.

ПКМ: Какие есть области применения водотрубных и жаротрубных КУ?

Дмитрий Рожников: Не буду оригинален: всему свое место и свое техническое решение. В общем случае чаще применяется «жаротрубный» для утилизации тепла выхлопа поршневых агрегатов электрогенерации, имеющих значительное давление выхлопных газов, а «водотрубный» – для турбинных электрогенераторов или в качестве дополнительной утилизации промышленных котлоагрегатов, имеющих ограничения на допустимое противодавление в выхлопной системе. В нашей практике встречались и «водотрубные» – для поршневых агрегатов на жидком топливе, что обуславливалось высоким уровнем загрязнения теплообменных поверхностей и автоматизацией их очистки. 

Александр Левинц: Дымогарные котлы-утилизаторы позволяют достигать высокого значения установленной теплообменной поверхности на единицу занимаемой площади. Эти котлы, называемые также котлами с большим водяным объемом, делают возможной устойчивую работу котла при высоких колебаниях в потреблении пара. За это качество они особенно популярны на предприятиях бумажной промышленности.

Котлы водотрубной конструкции хорошо зарекомендовали себя при наличии сильных загрязнений в используемых для выработки тепла уходящих газов. Эти загрязнения откладываются на теплообменных поверхностях котла и могут быть удалены специальными приспособлениями. Такие котлы-утилизаторы применяются при более высоких параметрах среды и в специальных областях с высокой долей загрязнений дымовых газов.

В целом же, котлы-утилизаторы находят применение в таких областях, как пищевая и бумажная промышленность, энергетика, металлургия и нефтепереработка – словом, везде, где хозяин считает деньги и заинтересован в длительной и эффективной работе своего предприятия.

ПКМ: Каков, на ваш взгляд, потенциал модернизации котлов-утилизаторов и улучшения технологий теплопередачи?

Дмитрий Рожников: Технологии не стоят на месте, на поиск новых и эффективных решений направлены значительные ресурсы. Можно назвать два направления для интенсификации теплопередачи и уменьшения габаритов котлов-утилизаторов:  увеличение перепада температур путем снижения температуры теплоносителя (вплоть до конденсационных режимов) и увеличение коэффициента теплопередачи связки «отходящие газы-металл-теплоноситель» путем оптимизации геометрии элементов (форма/толщина) и использования более теплопроводных материалов. Перспективным выглядит вариант увеличения турбулизации потоков газа за счет оребрения или неожиданной  формы поверхностей теплообменных труб, однако это направление крайне трудоемко с точки зрения теоретических исследований и достаточно дорогостоящее при практических экспериментах.
 

Статья из журнала «Промышленные и отопительные КОТЕЛЬНЫЕ И МИНИ-ТЭЦ» №6/2017



Поделиться:

Опубликовано: 16 февраля 2018 г.

вернуться назад

экватэк2018
дкм
viessman

Вверх