1. Факторы влияющие на техническое состояние котельного оборудования коммунальной энергетики Украины.

Сокращение запасов топливно-энергетических ресурсов, приводит к стремительному росту дефицита и цены на органические виды топлива. Следствием этого является сокращение его калорийной способности, отклонение от стандартов качества, ухудшение его химического состава, путём введения низкокалорийных ингредиентов и увеличения доли внутреннего балласта. Всё это приводит к ускорению коррозии оборудования и как следствие к созданию аварийно-опасных ситуаций, а также снижению КПД и загрязнению атмосферы.

Наиболее остро эта задача стоит в жилищно-коммунальном хозяйстве Украины, где по данным областных администраций, более 57% котлов эксплуатируется более 20 лет, а 40% имеют КПД менее 82%. На сегодняшний день, в этом секторе экономики, в модернизации либо полной замене нуждается приблизительно 14 000 котлов. На рис. 1 показана структура находящегося в эксплуатации котельного оборудования в коммунальном хозяйстве Украины по состоянию на 1.01.2007 г.

Негативно на эксплуатацию котельного оборудования влияет необоснованная децентрализация теплоснабжения, несанкционированный отбор теплоносителя, перевод без мероприятий по модернизации существующего оборудования в низкотемпературные режимы эксплуатации, снижение мощности котлов за счёт низкого давления газа, нарушения режимных карт, отложения накипи на конвективных поверхностях теплообмена, повышенные расходы потребляемой электроэнергии, нарушение регламента ремонта, материальный и моральный износ вспомогательного оборудования и тепловых сетей.

Перечисленные факторы приводят к недожогу топлива, коррозии и преждевременному выходу из строя оборудования, снижению качества теплоснабжения и обоснованным притензиям потребителя. Сложившаяся ситуация требует незамедлительного решения комплекса вопросов для модернизации системы генерации и распределения тепловой энергии, а также использование малозатратных методов для продления сроков службы существующего оборудования. Последнее обстоятельство вызвано тем, что полную замену существующего оборудования на новое невозможно провести в короткие сроки из-за отсутствия необходимых денежных средств.

Политика же резкого повышения тарифов на коммунальные услуги приводит к повышению уровня инфляции, что негативно сказывается на развитии экономики страны и уровня жизни населения. Поэтому техническое переоснащение и модернизации котельного оборудования является на сегодняшний день важной народнохозяйственной задачей.

2. Определение эффективности работы котельного оборудования и разработка технических решений по его модернизации

Определение эффективности работы котельного оборудования должно начинаться с проведения энергоаудита, в ходе которого изучается не только техническое состояние оборудования, но и струк­турные, организационные и экономические факторы влияющие на его эксплуатацию. В частности необходимо определить ежегодное потребление энергии, с выяснением объёмов закупки и собственной генерации, а также использования и распределения энергии с определением её стоимости и соотношения стоимостных показателей по различным видам энергии (электроэнергия, газ, мазут, вода, тепло, пар, воздухоснабжение, хладоснабжение и т.п.). Круг вопросов необходимых для принятия правильных решений включает в себя:

• Выяснение сезонных, месячных, суточных, часовых колебаний потребления энергии и её производных.
• Определение тарифов на энергию и топливо с рассмотрением схемы оплаты.
• Определение профиля использования энергии, с разбивкой на производственные и непроизводственные нужды, динамикой потребления энергии по видам продукции или работ, составление баланса потребления энергии по видам.
• Определение эффективности работы систем и оборудования с инструментальным контролем, визуальным осмотром, проведением необходимых замеров и обследованием состояния оборудования.
• Определением максимальной, средней и минимальной нагрузки.
• Сопоставление фактических и проектных характеристик оборудования и систем, выработка перечня предлагаемых мероприятий.
• Анализ предыдущих мероприятий проводимых на предприятии для сокращения энергопотребления.
• Анализ возможностей энергосбережения в процессе текущей эксплуатации и возможностей по их реализации.
• Описание возможностей энергосбережения, с разработкой вариантов использования различного оборудования и технологических схем.
• Расчёт минимальной и максимальной стоимости предлагаемых вариантов модернизации и переоснащения оборудования.
• Расчёт годовых затрат и экономии энергии по её видам.
• Разработка предложений по мониторингу работы генераторов тепла и температурного режима тешюиспользующего оборудования с расчётами его стоимости, годовой экономии и оценкой сроков окупаемости.

На рис. 2 показаны основные факторы влияющие на надёжность и стоимостные показатели работы отопительных котлов и вспомогательного оборудования, которые необходимо учитывать в ходе энергоаудита.

3. Методы повышения эффективности генерации тепловой энергии

Усилия по повышению эффективности работы котельного оборудования необходимо направить на сокращение потерь тепловой энергии с уходящими газами, потерь в результате химического и механического недожога, изоляции котельного оборудования и трубопроводов. Механический и химический недожог устраняются, как правило, проведением экологотеплотехнической наладки оборудования, либо заменой горелочного устройства на более совершенное. Сокращение нерационального производства и распределения теплоты обеспечивается установкой современной котловой автоматики с погодным регулированием.

Снижение температуры уходящих дымовых газов предусматривает изменение режима эксплуатации, что не всегда выполнимо, ввиду появления конденсата в оборудовании и дымовых трубах, недогреву теплоносителя и нерациональным режимом эксплуатации котлоагрегата.

Надо отметить, что при констуировании котлов в прежние годы, конструкторы стремились сократить металлоёмкость котлов и обеспечить их высокую ремонтнопригодность и с этой целью ориентировались на высокотемпературные режимы эксплуатации котлов, мало заботясь об экономии топливно-энергетических ресурсов. Результатом этого является то, что находящеяся в эксплуатации сегодня оборудование представлено в основном водотрубными котлами, имеющими пониженные объёмы котловой воды, плохо автоматизированными и часто оборудованными примитивными горелочными устройствами. Однако, в сегодняшних экономических условиях данное оборудование нет возможности вывести из эксплуатации.

Поэтому необходимы технические мероприятия позволяющие повысть КПД котлов, снизить вредные выбросы в атмосферу и продлить сроки их работы. Одним из таких мероприятий может стать применение вторичных излучателей, устанавливаемых в топку котла, которые разработаны в Институте технической теплофизики НАН Украины.

Известно, что котёл является открытой системой, в которой ввод реагентов и отвод продуктов реакции происходит во время химического процесса. Материальный обмен может производиться при конвективном и радиационном массообмене в топке котла при непрерывном отводе и подводе исходных веществ и продуктов сгорания. Важным показателем качества реакций химических превращений является интенсивность горения. В промышленных установках интенсивность горения в камерной топке оценивают по величине qv – удельного тепловыделения, отнесённого к единице объёма системы, кВт/м3:

qv = B • QH/V,

где В – расход горючего в м3/с (кг/с);

QH – теплотворная низшая способность топлива;

V – объём камеры сгорания, т.е. её геометрические параметры, конфигурация, и пр.

Исходя из этого, модернизация существующего оборудования может быть направлена на изменение топочного объёма. Это обеспечит локализацию реакций горения, создание оптимальных условий их протекания и поддержание наиболее выгодных режимов эксплуатации для получения максимально возможного КПД и снижения вредных выбросов в атмосферу.

Известно, что интенсивность горения определяемая по скорости расхода горючих веществ, зависит не только от скорости протекания химической реакции, но и от скорости процесса смесеобразования, определяющим фактором которой является интенсивность протекания турбулентной и молекулярной диффузии. Последнее может быть обеспечено организацией внутренней рециркуляции дымовых газов в топке котла.

Реакции горения протекают с выделением теплоты, т.е. являются экзотермическими, они, как правило, необратимы и протекают до полного расхода исходных веществ. Однако в высокотемпера­турных установках в зоне горения могут протекать и эндотермические реакции, идущие с поглощением теплоты, например, на реакции диссоциации конечных продуктов сгорания СО2, Н2О, NOX восстановления СО на раскалённой поверхности при недостатке кислорода и т.п. Кроме того, реакции между горючим и окислителем никогда не осуществляются непосредственно между молекулами исходных веществ, в реакции принимают участие более активные, чем молекулы элементарные частицы с незаполненными внешними электронными оболочками – свободные атомы (Н, О), гидроксил ОН и др. в достаточной степени, содержащиеся в дымовых газах поступающих на повторный дожег. Для жидкого топлива в отличие от газа изменение скорости горения происходит только в результате изменения концентрации окислителя в зоне прохождения реакции, которое компенсируется радикалами – ОН и пр.

Надо учитывать, что при температуре 1650°С 90% спектрального излучения факела находится в инфракрасной области, в видимой – 9%, в ультрафиолетовой – 1% и до 70% от общего теплосъёма происходит именно в топке котла. Поэтому, одним из методов интенсификации топочного теплообмена является достижение максимальной степени черноты топки.

Это может быть осуществлено путём создания многокамерной топки, в которой происходит позонное отделение реагентов от продуктов сгорания, с параллельным повышением радиационного теплообмена.

На основании этого нами предлагается метод использования вторичных излучателей, которые не только позволяют изменить аэродинамику хода дымовых газов, обеспечив их повторный дожег, но и за счёт переизлучения компенсируя временное затенение топки, повысить её черноту и интенсификацию теплообмена. На рис. 3 показан внешний вид вторичных излучателей, расчётная схема топочного пространства с инсталлированным вторичным излучателем и топка котла Vitola-Bifferall, производства немецкой фирмы Viessmann. Надо отметить, что новизна предлагаемого метода заключается в том, что он включает не только изменение аэродинамики топки и увеличение площади теплопередающих поверхностей, как на рис. 3 в, но и интенсификацию лучистого теплообмена. При этом оребрение вторичного излучателя позволяет за счёт конвективного теплообмена обеспечить интенсивный отвод тепла и охлаждение вторичного излучателя, предохраняющее его от температурных напряжений в процессе работы.

Аналитические расчёты показывают, что введение в корень факела газов рециркуляции обеспечивает повышение температуры в топке, изменение кинетики сжигания топлива и изменение термодинамических характеристик котла (рис. 4 а, лабораторные данные). При этом до 80% дымовых газов, в зависимости от ширины раскрытия щелевого зазора на фронте котла L проходят повторный дожег, (рис. 4 а, расчётные данные).

Проведенные исследования вторичных излучателей в котлах с вентиляторными горелками показывают повышение КПД котла, приблизительно на 1...3%, за счёт интенсификации радиационного тепообмена увеличивающего теплосъём топки. Таким образом снижается нагрузка на конвективную часть котла, что позволяет продлить сроки службы и уменьшить износ оборудования минимум на 4...6 лет.

Кроме того отмечается изменение термодинамических характеристик котла, позволяющее при одинаковых расходах топлива сократить время набора температуры котловой воды примерно на 15...20%, что в эксплуатационных условиях даёт экономию приблизительно 3,5% природного газа за счёт сокращения времени набора температуры и при выходе горелки на номинальную мощность.

Стабилизация процесса горения позволяет обеспечить бесперебойную безопасную работу оборудования, его плавный пуск, а повторный дожег дымовых газов и поддержание оптимального режима горения сокращают выбросы СО в пять раз и оксидов азота в два раза.

Подбор вторичных излучателей производится исходя из типа и мощности котла, объёма и конфигурации топочной камеры, особенностей горелочного устройства и вида топлива. На сегодняшний день уже прошли промышленные испытания и рекомендованы для внедрения вторичные излучатели для жаротрубных котлов с вентиляторными горелками.

Данная работа продолжается, так на рис. 5 показаны полученные в ходе промышленных испытаний характеристики эффективности работы котла с сеточным вторичным излучателем, свидетельствующие о перспективности этого направления. Надо отметить, что для подбора оборудования нами разработаны аналитические и компьютерные модели позволяющие производить правильный подбор вторичных излучателей. После лабораторных и промышленных испытаний появляется возможность использования вторичных излучателей для модернизации котлоагрегатов. В лабораторных условиях нами была произведена экспериментальная проверка показателей работы котла «Виктор-100», серийно выпускаемым «Броварским заводом коммунального оборудования» мощностью 100 кВт, на дизельном топливе. Определено, что после установки вторичного излучателя в топке котла происходит увеличение температуры, в среднем на 400 °С (рис. 6 а), при этом температура уходящих дымовых газов снижается на 50 °С (рис. 6 б). В начальный период времени температура уходящих из котла дымовых газов значительно ниже, при этом температура в топке выше, чем без излучателя, что объясняется тем, что в первый период времени теплота тратиться на разогрев вторичного излучателя. Как видно из графика (рис. 6 б) время стабилизации процесса выхода котла на рабочий режим не превышает 5 минут. Предлагаемый метод оказывает также положительное влияние на работу котла, устраняя образование конденсата при «холодном» пуске тем самым предохраняя его конструкцию от коррозии и локальных перегревов.

Надо отметить, что изучение процессов протекающих в топочных камерах котлов работающих под наддувом затруднительно, ввиду повышенных требований к их гермитичности. Иллюстрацию протекающих в топке котла процессов можно получить используя методы компьютерного моделирования с использованием пакетов прикладных CFD-программ. Проведенное нами CFD-моделирование подтвердило правильность выбранного метода. Таким образом появляется новая возможность определения характеристик работы котлов для подбора вторичных излучателей и других способов их модернизации. На рис. 7 представлены эпюры температур котла «Виктор-МО».

Отчётливо видно, что после установки вторичного излучателя в топку изменяется распределение температуры по её объёму, в частности отсутствуют зоны локального перегрева, снижается температура на выходе из топки и на фронте котла. Данные CFD-расчёта полностью согласуйся с данными лабораторных исследований и подтверждаются аналитическими расчётами.

На рис. 8 а представлены расчётные данные изменения аэродинамических характеристик топочной камеры и значения скорости потоков в топке котла с вторичным излучателем и без него, эпюры давлений (рис. 8 б) и, как следствие, изменения распределения метана (рис. 8 в) и концентрации NOX (рис.8 г).

Разумеется, подобные расчёты могут быть проведены для других типов котлов и любого вспомогательного и термического оборудования.