Оценка эффективности глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котлов электростанций

Е. Г. Шадек, канд. техн. наук, независимый эксперт

Глубокая утилизация тепла продуктов сгорания (ПС) обеспечивается при их охлаждении ниже температуры точки росы, равной для ПС природного газа 50–55 ⁰С. При этом происходят следующие явления:

• конденсация водяных паров (до 19–20 % объема или 12–13 % веса продуктов сгорания),
• утилизация физической теплоты ПС (40–45 % всего теплосодержания),
• утилизация скрытой теплоты парообразования (соответственно 60–55 %) [1–3].

Ранее установлено, что экономия топлива при глубокой утилизации в сравнении с котлом с паспортным (максимальным) КПД 92 % составляет 10–13 %. Отношение количества утилизируемого тепла к тепловой мощности котла составляет порядка 0,10–0,12, а КПД котла в конденсационном режиме – 105 % по низшей теплотворной способности газа.

Кроме того, при глубокой утилизации в присутствии в ПС водяных паров эмиссия вредных выбросов сокращается на 20–40 % и более, что делает процесс экологически чистым.

Еще один эффект глубокой утилизации – улучшение условий и продолжительности службы газового тракта, т. к. конденсация локализуется в камере, где установлен утилизационный теплообменник, независимо от температуры наружного воздуха [1].

Глубокая утилизация для отопительных систем

В передовых западных странах глубокая утилизация для отопительных систем осуществляется применением водогрейных котлов конденсационного типа, оборудованных конденсационным экономайзером [1, 3].

Низкая, как правило, температура обратной воды (30–40 ⁰С) при типичном температурном графике, например 70/40 ⁰С, в системах отопления этих стран позволяет обеспечить глубокую утилизацию тепла в конденсационном экономайзере, оснащенном узлом сбора, отвода и обработки конденсата (с последующим его использованием для подпитки котла). Такая схема обеспечивает конденсационный режим работы котла без искусственного хладоносителя, т. е. без применения теплонасосной установки.

Рисунок 1 Система глубокой утилизация тепла продуктов сгорания котлов электростанций

Эффективность и рентабельность глубокой утилизации для отопительных котлов в доказательствах не нуждаются. Конденсационные котлы получили на Западе широкое применение: до 90 % всех выпускаемых котлов – конденсационные. Эксплуатируются такие котлы и в нашей стране, хотя их производство у нас отсутствует.

В России, в отличие от стран с теплым климатом, температура в обратной магистрали тепловых сетей, как правило, выше значения точки росы, и глубокая утилизация возможна только в четырехтрубных системах (встречающихся крайне редко) или при использовании тепловых насосов. Главная причина отставания России в разработках и внедрении глубокой утилизации – низкая цена природного газа, высокие капзатраты из-за включения в схему тепловых насосов и длительные сроки окупаемости [3].

Глубокая утилизация для котлов электростанций

Эффективность глубокой утилизации для котлов электростанций (рис. 1) значительно выше, чем для отопительных, в силу стабильной нагрузки (КИМ = 0,8–0,9) и больших единичных мощностей (десятки мегаватт).

Оценим ресурс тепла продуктов сгорания станционных котлов, учитывая их высокий КПД (90–94 %). Данный ресурс определяется количеством сбросного тепла (Гкал/ч или кВт), однозначно зависимым от тепловой мощности котла Q_K, и температурой за газовыми котлами Т_1УХ, которую в России принимают не ниже 110–130 ⁰С по двум причинам:

• для увеличения естественной тяги и снижения напора (расхода энергии) дымососа;
• для исключения конденсации водяных паров в боровах, газоходах и дымовых трубах.

Таблица 1 Сводные (опытные и расчетные) данные для определения утилизации тепла продуктов сгорания котлов

Расширенный анализ большого массива¹ опытных данных балансовых, пусконаладочных испытаний, проведенных специализированными организациями, режимных карт, отчетной статистики станций и т. п. и результаты расчетов значений потери тепла с уходящими продуктами сгорания q₂, количествa утилизируемого тепла² Q_УТ и производных от них показателей в широком диапазоне нагрузок станционных котлов приведены в табл. 1³. Цель – определение q₂ и соотношений величин Q_K, q₂ и Q_УТ в типовых условиях работы котлов (табл. 2). В нашем случае не имеет значения, какой котел: паровой или водогрейный, промышленный или отопительный.

Показатели табл. 1, выделенные голубым цветом, рассчитывали по алгоритму (см. справку). Расчет процесса глубокой утилизации (определение Q_УТ и др.) проводили по инженерной методике, приведенной в [4] и описанной в [1]. Коэффициент теплопередачи «продукты сгорания – конденсат» в конденсационном теплообменнике определяли по эмпирической методике завода – изготовителя теплообменника (ОАО «Калориферный завод», Кострома).

Результаты свидетельствуют о высокой экономической эффективности технологии глубокой утилизации для станционных котлов и рентабельности предлагаемого проекта. Срок окупаемости систем – от 2 лет для котла минимальной мощности (табл. 2, котел № 1) до 3–4 мес. Полученные соотношения β, φ, σ, а также статьи экономии (табл. 1, строки 8–10, 13–18) позволяют сразу оценить возможности и конкретные показатели заданного процесса, котла.

Утилизация тепла в газовом подогревателе

Обычная технологическая схема электростанции предусматривает нагрев конденсата в газовом подогревателе (часть хвостовых поверхностей котла, экономайзера) на отходящих из котла дымовых газах.

После конденсатора насосами (иногда через блочную обессоливающую установку – далее БОУ) конденсат направляется в газовый подогреватель, после которого поступает в деаэратор. При нормативном качестве конденсата БОУ байпасируют. Для исключения конденсации водяных паров из уходящих газов на последних трубах газового подогревателя температура конденсата перед ним поддерживается не ниже 60 ⁰С посредством рециркуляции на вход в него подогретого конденсата.

Для дополнительного снижения температуры уходящих газов в линию рециркуляции конденсата нередко включают водоводяной теплообменник, охлаждаемый подпиточной водой теплосети. Подогрев сетевой воды осуществляется конденсатом из газового подогревателя. При дополнительном охлаждении газов на 10 ⁰С в каждом котле можно получить около 3,5 Гкал/ч теплофикационной нагрузки.

Для предотвращения кипения конденсата в газовом подогревателе за ним устанавливают регулирующие питательные клапаны. Основное их назначение – распределение расхода конденсата между котлами в соответствии с тепловой нагрузкой ПТУ [6].

Система глубокой утилизации с конденсационным теплообменником

Как можно видеть из технологической схемы (рис. 1), конденсат пара из конденсатосборника насосом 14 подается в сборный бак 21, а оттуда в распределительный коллектор 22. Здесь конденсат при помощи системы автоматического регулирования станции (см. ниже) разделяется на два потока: один подается в узел глубокой утилизации⁴, в конденсационный теплообменник 7, а второй – на подогреватель низкого давления (ПНД) 18, а затем в деаэратор 15. Температура конденсата пара из конденсатора турбины (около 20–35 ⁰С) позволяет охладить продукты сгорания в конденсационном теплообменнике 7 до требуемых 40 ⁰С, т. е. обеспечить глубокую утилизацию.

Нагретый конденсат пара из конденсационного теплообменника 7 подается через ПНД 18 (либо минуя 18) в деаэратор 15. Полученный в конденсационном теплообменнике 7 конденсат продуктов сгорания сливается в поддон и резервуар 10. Оттуда он подается в бак загрязненного конденсата 23 и перекачивается дренажным насосом 24 в бак запаса конденсата 25, из которого конденсатным насосом 26 через регулятор расхода подается на участок очистки конденсата продуктов сгорания (на рис. 1 не показан), где производят его обработку по известной технологии. Очищенный конденсат продуктов сгорания подают в ПНД 18 и далее в деаэратор 15 (либо сразу в 15). Из деаэратора 15 поток чистого конденсата подают питательным насосом 16 в подогреватель высокого давления 17, а из него в котел 1.

Таким образом, утилизируемое в конденсационном теплообменнике тепло продуктов сгорания экономит топливо, расходуемое в технологической схеме электростанции на подогрев станционного конденсата перед деаэратором и в самом деаэраторе.

Конденсационный теплообменник устанавливают в камере 35 на стыке котла 27 с газоходом (рис. 2в). Тепловую нагрузку конденсационного теплообменника регулируют байпасированием, т. е. отводом части горячих газов помимо конденсационного теплообменника через байпасный канал 37 дроссель-клапаном (шибером) 36.

Простейшей была бы традиционная схема: конденсационный экономайзер, точнее хвостовые секции экономайзера котла, типа газовый подогреватель, но работающие в конденсационном режиме, т. е. с охлаждением продуктов сгорания ниже температуры точки росы. Но при этом возникают трудности конструктивного и эксплуатационного плана (обслуживание и пр.), требующие специальных решений.

Применимы различные типы теплообменников: кожухотрубные, прямотрубные, с накатанными ребрами, пластинчатые или эффективная конструкция с новой формой теплообменной поверхности с малым радиусом гиба (регенератор РГ-10, НПЦ «Анод»). В данной схеме в качестве конденсационного теплообменника приняты теплообменные блоки-секции на базе биметаллического калорифера марки ВНВ123-412-50АТЗ (ОАО «Калориферный завод», Кострома).

Выбор компоновки секций и подключения по воде и газам позволяют варьировать и обеспечивать скорости воды и газов в рекомендуемых пределах (1–4 м/с) [1]. Газоход, камера, газовый тракт выполняются из коррозионно-стойких материалов, покрытий, в частности нержавеющих сталей, пластиков – это общепринятая практика.

Таблица 2 Основные показатели котлов ПТВМ-30М в широком диапазоне нагрузок

Показатели Котел № 1 Котел № 2 Теплопроизводительность, QK, Гкал/ч 11,30–26,50 7,84–24,00 Потери тепла*, %: – с уходящими продуктами сгорания, q2 – в окружающую среду 4,16–7,00 1,36–3,18 4,16–6,56 1,54–5,33 КПД котла брутто, % 91,57–92,67 90,51–92,41 Коэффициент расхода воздуха, a 1,23–1,34 1,38–1,68 Температура уходящих газов ТУХ, 0С 144 125

* Потери тепла с химической неполнотой сгорания отсутствуют.

Особенности глубокой утилизации с конденсационным теплообменником

Высокая эффективность технологии позволяет в широких пределах регулировать тепловую мощность системы, сохраняя ее рентабельность: степень байпасирования, температуру продуктов сгорания за конденсационным теплообменником и пр. Тепловую нагрузку конденсационного теплообменника QУТ и, соответственно, количество конденсата, подаваемое в него из коллектора 22 (рис. 1), определяют как оптимальную (а не обязательно максимальную) по технико-экономическим расчетам и конструктивным соображениям с учетом режимных параметров, возможностей и условий технологической схемы котла и станции в целом.

После контакта с продуктами сгорания природного газа конденсат сохраняет высокое качество и нуждается в простой и недорогой очистке – декарбонизации (и то не всегда) и дегазации. После обработки на участке химводоподготовки (не показан) конденсат насосом через регулятор расхода подается в конденсатную линию станции – на деаэратор, а после него в котел. Если конденсат не используется, его сливают в канализацию.

В узле сбора и обработки конденсата (рис. 1, поз. 8, 10, рис. 2, поз. 23–26) применяют известное штатное оборудование систем глубокой утилизации (см., например, [1]).

В установке вырабатывается большое количество избыточной воды (конденсата водяных паров от сгорания углеводородов и дутьевого воздуха), поэтому система не нуждается в подпитке.

Температура продуктов сгорания на выходе из конденсационного теплообменника Т_2УХ определяется условием конденсации водяных паров в уходящих продуктах сгорания (в диапазоне 40–45 ⁰С).

С целью исключения выпадения конденсата в газовом тракте и особенно в дымовой трубе предусматривается байпасирование, т. е. перепуск части продуктов сгорания по обводному каналу помимо узла глубокой утилизации так, чтобы температура смеси газов за ним была в пределах 70–90 ⁰С. Байпасирование ухудшает все показатели процесса. Оптимальный режим – работа с байпасированием в холодное время года, а летом, когда опасности конденсации и обледенения нет, – без него.

Температура уходящих газов котлов (обычно 110–130 ⁰С) позволяет нагревать конденсат в конденсационном теплообменнике перед деаэратором до требуемых 90–100 ⁰С. Таким образом, удовлетворяются требования технологии по температурам: и нагрева конденсата (порядка 90 ⁰С), и охлаждения продуктов сгорания (до 40 ⁰С) до конденсации.

Сравнение технологий утилизации тепла продуктов сгорания

Принимая решение по утилизации тепла продуктов сгорания котла, следует сравнивать эффективности предлагаемой системы глубокой утилизации и традиционной схемы с газовым подогревателем как ближайшего аналога и конкурента.

Для нашего примера (см. справку 1) мы получили при глубокой утилизации количество утилизируемого тепла Q_УТ равным 976 кВт.

Принимаем температуру конденсата на входе в газовый подогреватель конденсата 60 ⁰С (см. выше), при этом температура продуктов сгорания на выходе из него как минимум 80 ⁰С. Тогда утилизируемое в газовом подогревателе тепло продуктов сгорания, т. е. экономия тепла, будет равна 289 кВт [0,33 × 13,1 × 1 150 (130 – 80)], что в 3,4 раза меньше, чем в системе глубокой утилизации. Таким образом, «цена вопроса» в нашем примере 687 кВт, или, в годовом исчислении, 594 490 м³ газа (при КИМ = 0,85) стоимостью около 3 млн руб. Выигрыш будет расти с мощностью котла.

Система глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котлов электростанций

Достоинства технологии глубокой утилизации

В заключение можно сделать выводы, что, помимо энергосбережения, при глубокой утилизации продуктов сгорания котла электростанции достигаются следующие результаты:

• снижение эмиссии токсичных окислов CO и NOx, обеспечение экологической чистоты процесса;
• получение дополнительной, избыточной воды и исключение тем самым потребности в подпиточной воде котла;
• конденсация водяных паров продуктов сгорания локализуется в одном месте – в конденсационном теплообменнике. Не считая незначительного брызгоуноса после каплеуловителя, исключается выпадение конденсата в последующем газовом тракте и связанные с этим разрушение газоходов от коррозионного воздействия влаги, образование наледи в тракте и особенно в дымовой трубе;
• необязательным в ряде случаев становится применение водо-водяного теплообменника; отпадает необходимость в рециркуляции: подмешивании части горячих газов к охлажденным (или нагретого конденсата к холодному) в целях повышения температуры уходящих продуктов сгорания для предотвращения конденсации в газовом тракте и дымовой трубе (экономия энергии, средств).

Литература

1. Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Горшков В. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 2 (23).
2. Шадек Е. Тригенерация как технология экономии энергоресурсов // Энергосбережение. 2015. № 2.
3. Шадек Е., Маршак Б., Крыкин И., Горшков В. Конденсационный теплообменник-утилизатор – модернизация котельных установок // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 3 (24).
4. Кудинов А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. М. : Машиностроение, 2012.
5. Равич М. Упрощенная методика теплотехнических расчётов. М. : Изд-во АН СССР, 1958.
6. Березинец П., Ольховский Г. Перспективные технологии и энергоустановки для производства тепловой и электрической энергии. Раздел шестой. 6.2 газотурбинные и парогазовые установки. 6.2.2. Парогазовые установки. ОАО «ВТИ». «Современные природоохранные технологии в энергетике». Информационный сборник под ред. В. Я. Путилова. М. : Издательский дом МЭИ, 2007.

¹ Первоисточник данных: обследования водогрейных котлов (11 шт. в трех котельных тепловых сетей), сбор и обработка материалов [1].

² Методика расчета, в частности Q_УТ, приведена в [1, 4].