Content uploaded by Vladimir Demchenko
Author content
All content in this area was uploaded by Vladimir Demchenko on Apr 03, 2017
Content may be subject to copyright.
Сокращение запасов топливноэнергетичес
ких ресурсов приводит к стремительному росту
дефицита и стоимости органических видов топ
лива. Зачастую происходит ухудшение химичес
кого состава топлива, снижение его калорийной
способности, отклонение от стандартов качества
вследствие введения низкокалорийных ингреди
ентов и увеличения доли внутреннего балласта.
Ускоренная коррозия оборудования нередко со
здает аварийноопасные ситуации, а плохое ка
чество топлива снижает КПД теплоагрегатов и
приводит к загрязнению атмосферы.
Негативно на эксплуатацию котельного обо
рудования влияет необоснованная децентрализа
ция теплоснабжения, несанкционированный от
бор теплоносителя, перевод без мероприятий по
модернизации существующего оборудования в
низкотемпературные режимы эксплуатации,
снижение мощности котлов за счёт низкого дав
ления газа, нарушение режимных карт, отложе
ние накипи на конвективных поверхностях теп
лообмена, повышенные расходы потребляемой
электроэнергии, нарушение регламента ремон
та, материальный и моральный износ вспомога
тельного оборудования и тепловых сетей. Пере
численные факторы приводят к недожогу
топлива, коррозии и преждевременному выходу
из строя оборудования, снижению качества теп
лоснабжения и обоснованным притензиям по
требителей.
Сложившаяся ситуация требует незамедли
тельного решения комплекса вопросов для мо
дернизации системы генерации и распределения
тепловой энергии, а также использования мало
затратных методов для продления сроков служ
бы существующего оборудования. Последнее
обстоятельство вызвано тем, что полную замену
существующего оборудования на новое невоз
можно провести в короткие сроки изза отсутст
вия необходимых денежных средств. Поэтому
52 ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
В поданій статті наведено аналіз
факторів, які впливають на експлуатацію
котельного та допоміжного обладнання,
запропоновано технічні та організаційні
заходи, які спрямовані на вирішення за)
дач щодо ефективності роботи тепло)
технічного обладнання.
В данной статье приводится анализ
факторов влияющих на эксплуатацию ко)
тельного и вспомогательного оборудова)
ния, предложены технические и органи)
зационные мероприятия, направленные
на решение задач эффективности рабо)
ты теплотехнического оборудования.
We analyze the factors affecting the
operation of boilers and auxiliary equip)
ment and propose technical and organiza)
tional measures intended for the solution
of problems of enhancing the efficiency of
operation of thermal equipment.
УДК. 536.24:697.326
ДОЛИНСКИЙ А.А., ДЕМЧЕНКО В.Г.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
КОТЛОАГРЕГАТОВ
B– расход горючего;
е– коэффициент внутренней рециркуляции;
fо– относительный коэффициент объёма
котловой воды;
L– ширина раскрытия щелевого зазора на
фронте котла;
t– время;
Т – температура;
V – объём камеры сгорания;
w– проток котловой воды;
θη′ – теплотворная низшая способность топлива.
Нижние индексы:
n – низшая теплотворная способность топлива;
Верхние индексы:
2+ – валентность.
ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6 53
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
техническое переоснащение и модернизации
котельного оборудования является на сегодняш
ний день важной народнохозяйственной зада
чей.
Определение эффективности работы котель
ного оборудования должно начинаться с прове
дения энергоаудита, в ходе которого изучается не
только техническое состояние оборудования, но
и структурные, организационные и экономичес
кие факторы, влияющие на его эксплуатацию. В
частности, необходимо определить ежегодное по
требление энергии с выяснением объёмов закуп
ки и собственной генерации, а также использова
ния и распределения энергии с определением её
стоимости и соотношения стоимостных показа
телей по различным видам энергии (электро
энергия, газ, мазут, вода, теплота, пар, воздухо
снабжение, хладоснабжение и т.п.). Круг
вопросов необходимых для принятия правиль
ных решений включает в себя:
Выяснение сезонных, месячных, суточ
ных, часовых колебаний потребления энергии и
её производных.
Определение тарифов на энергию и топ
ливо с рассмотрением схемы оплаты.
Определение способа использования
энергии, в зависимости от производственных и
непроизводственных нужд, вида продукции или
работ, составление баланса потребления энергии
по видам.
Определение эффективности работы сис
тем и оборудования с использованием инстру
ментального контроля, визуального осмотра,
проведения необходимых замеров, обследования
состояния оборудования.
Определение максимальной, средней и
минимальной нагрузки,
Сопоставление фактических и проектных
характеристик оборудования и систем, выработ
ка перечня предлагаемых мероприятий.
Анализ предыдущих мероприятий, прово
димых на предприятии для сокращения энерго
потребления.
Анализ возможностей энергосбережения в
процессе текущей эксплуатации и возможностей
по их реализации.
Описание возможностей энергосбереже
ния, с разработкой вариантов использования
различного оборудования и технологических
схем.
Расчёт минимальной и максимальной сто
имости предлагаемых вариантов модернизации и
переоснащения оборудования.
Расчёт годовых затрат и экономии энергии
по её видам.
Разработку предложений по мониторингу
работы генераторов теплоты и температурного
режима теплоиспользующего оборудования с
расчётами его стоимости, годовой экономии и
оценкой сроков окупаемости.
Методы повышения эффективности ис
точников тепловой энергии.
Усилия по повышению эффективности
работы котельного оборудования, направленные
на сокращение потерь тепловой энергии с уходя
щими газами, потерь в результате химического и
механического недожога, изоляцию котельного
оборудования и трубопроводов. Механический и
химический недожог устраняются, как правило,
проведением экологотеплотехнической наладки
оборудования либо заменой горелочного устрой
ства на более совершенное. Сокращение нераци
онального производства и распределения тепло
ты обеспечивается установкой современных
систем автоматики котлов с погодным регулиро
ванием.
Снижение температуры уходящих дымо
вых газов, предусматривающие изменение режи
ма эксплуатации, что не всегда выполнимо в
связи с появлением конденсата в оборудовании и
дымовых трубах, недогревом теплоносителя и
нерациональным режимом эксплуатации котло
агрегата.
Надо отметить, что при конструировании кот
лов в прежние годы конструкторы стремились
сократить металлоёмкость котлов и обеспечить
их высокую ремонтнопригодность и с этой целью
ориентировались на высокотемпературные ре
жимы эксплуатации котлов, мало заботясь об
экономии топливноэнергетических ресурсов.
Результатом этого является то, что находящееся в
эксплуатации сегодня оборудование представле
но в основном водотрубными котлами, имеющи
ми пониженные объёмы котловой воды, плохо
автоматизированными и часто оборудованными
примитивными горелочными устройствами. Од
нако в сегодняшних экономических условиях это
оборудование нет возможности вывести из экс
плуатации.
Поэтому необходимы технические мероприя
тия, позволяющие повысть КПД котлов, снизить
вредные выбросы в атмосферу и продлить сроки
их работы. Одним из таких методов может стать
применение вторичных излучателей с установ
кой их в топку котла, разработанных в Институте
технической теплофизики НАН Украины [1].
Важным показателем качества реакций хими
ческих превращений является интенсивность го
рения. В промышленных установках интенсив
ность горения в камерной топке оценивают по
величине θv– удельного тепловыделения, отне
сённого к единице объёма системы, кВт/м3:
. (1)
Исходя из этого модернизация существующего
оборудования может быть направлена на измене
ние топочного объёма. Это обеспечит локализа
цию реакций горения, создание оптимальных ус
ловий 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 скоро
сти расхода горючих веществ, зависит не только
от скорости протекания химической реакции, но
и от скорости процесса смесеобразования, опре
деляющим фактором которой является интен
сивность протекания турбулентной и молекуляр
ной диффузии. Данное условие обеспечивает
организация внутренней рециркуляции дымовых
газов в топке котла.
Надо учитывать, что при температуре 1650 оС
90% спектрального излучения факела находится
в инфракрасной области, видимой – 9%, ультра
фиолетовой – 1%, до 70% от общего теплосъёма
происходит именно в топке котла. Поэтому од
ним из методов интенсификации топочного теп
лообмена является достижение максимальной
степени черноты топки. Это предлагается осуще
ствить путём создания многокамерной топки, в
которой происходит позонное отделение реаген
тов от продуктов сгорания с одновременным по
вышением радиационного теплообмена.
Нами предлагается метод использования
промежуточных излучателей (рис.1), которые
не только позволяют изменить аэродинамику
хода дымовых газов, обеспечив их повторный
дожег, но и за счёт переизлучения, компенси
руя временное затенение топки, повысить её
черноту и интенсификацию теплообмена.
Оребрение вторичного излучателя позволяет
за счёт конвективного теплообмена обеспе
чить интенсивный отвод теплоты и охлажде
ние вторичного излучателя, предохраняющее
V
η
ν
Βθ
θ=
54 ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 1. Промежуточные излучатели, разработанные в ИТТФ НАН Украины.
а. Внешний вид промежуточных излучателей в виде огневой трубы;
б. Промежуточный излучатель, изготовленный из просечной нержавеющей стали
a б
его от температурных напряжений в процессе
работы. Аналитические расчёты показывают,
что введение в корень факела газов рециркуля
ции обеспечивает повышение температуры в
топке, изменение кинетики сжигания топлива
и изменение термодинамических характерис
тик котла (рис. 2).
При этом до 80% дымовых газов, в зависимос
ти от ширины раскрытия щелевого зазора на
фронте котла Lпроходят повторный дожег
(рис. 2, расчётные данные).
Проведенные исследования вторичных из
лучателей в котлах с вентиляторными горел
ками показывают, что КПД котла повышается
приблизительно на 1…3% за счёт интенсифи
кации радиационного тепообмена, увеличи
вающего 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 термоди
намических характеристик котла, позволяющее
при одинаковых расходах топлива сократить вре
мя набора температуры котловой воды примерно
на 15…20%, что в эксплуатационных условиях да
ёт экономию приблизительно 3,5% природного
газа за счёт сокращения времени набора темпе
ратуры при выходе горелки на номинальную
мощность.
Стабилизация процесса горения позволяет
обеспечить бесперебойную безопасную рабо
ту оборудования, его плавный пуск, а повтор
ный дожег дымовых газов и поддержание оп
тимального режима горения сокращают
выбросы СО в пять раз и оксидов азота в два
раза.
Подбор промежуточных излучателей произво
дится исходя из типа и мощности котла, объёма и
конфигурации топочной камеры, особенностей
горелочного устройства и вида топлива. На сего
дняшний день уже прошли промышленные ис
пытания и рекомендованы для внедрения вто
ричные излучатели для жаротрубных котлов с
вентиляторными горелками.
В лабораторных условиях нами была произве
дена экспериментальная проверка показателей
работы котла “Виктор100”, серийно выпускае
мого “Броварским заводом коммунального обо
рудования”, мощностью 100 кВт, на дизельном
топливе. Определено, что после установки вто
ричного излучателя в топке котла происходит
увеличение температуры, в среднем на 400 оС,
при этом температура уходящих дымовых газов
снижается на 50 оС. В начальный период време
ни температура уходящих из котла дымовых га
ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6 55
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 2. Показатели работы промежуточных излучателей в котлах с реверсивными топками.
а.Зависимость коэффициента внутренней рециркуляции от ширины щелевого зазора
(аналитический расчёт);
б. Термодинамические изменения отношения температуры подачи/обратки:
1 – без излучателя, 2 – с излучателем.
a б
56 ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
зов значительно ниже, при этом температура в
топке выше, чем без излучателя, что объясняет
ся тем, что в первый период времени теплота
тратится на разогрев вторичного излучателя.
Надо отметить, что изучение процессов, проте
кающих в топочных камерах котлов, работаю
щих под наддувом, затруднительно, ввиду по
вышенных требований к их герметичности.
Иллюстрацию протекающих в топке котла про
цессов можно получить, применяя методы ком
пьютерного моделирования, с использованием
пакетов прикладных CFDпрограмм. Прове
денное нами CFDмоделирование подтвердило
правильность выбранного метода. Таким обра
зом, появляется новая возможность определе
ния характеристик работы котлов для подбора
вторичных излучателей и других способов их
модернизации. Данные CFDрасчёта полно
стью согласуюся с данными лабораторных ис
следований и подтверждаются аналитическими
расчётами [2].
Значительное сокращение расхода топлива
можно получить за счёт качественного его сжига
ния и сокращения нерациональных потерь теп
лоты. Качественное автоматическое регулирова
ние процессов генерации и распределения теплоты
также обеспечивает существенную экономию топ
ливноэнергетических ресурсов. Значительной
экономии тепловой энергии и улучшения эксплуа
тационных характеристик оборудования можно
добиться путем модернизации гидравлической
схемы [3].
Гидравлическая схема существенно влияет на
процесс генерации и распределения теплоты и
срок службы котельного оборудования. Поэтому
при её рассмотрении необходимо учитывать сле
дующие параметры: почасовую динамику изме
нения температур, расходы по отдельным конту
рам и относительный коэффициент отношения
объёма котловой воды к общему объёму воды в
системе отопления fо. Важным параметром так
же является температура обратной воды. Для ис
ключения образования конденсата в котле и ды
мовых газах, температура обратной воды должна
всегда поддерживаться выше точки росы, т.е. в
среднем от +50 оС до +70 оС. Исключением яв
ляются котлы конденсационного типа, в которых
при низких температурах обратной воды проис
ходит интенсификация процесса конденсации и,
как следствие, повышение КПД.
При этом, если fо≤10% необходимо проводить
дополнительные мероприятия по обеспечению
поддержания заданной температуры обратной во
ды. Такими мероприятиями являются организация
подмеса, разделение контуров теплообменными
аппаратами, установка смесительных клапанов и
гидравлического разделителя. Кроме того, важ
ным фактором снижения расходов топлива и эле
ктрической энергии является правильное опреде
ление расхода теплоносителя через котёл и
определение оптимального протока. Обычно его
легко установить, воспользовавшись формулами:
Номинальный проток: wn= 0,86N/15,
Минимальный проток: wmin = 0,86N/45, (2)
Максимальный проток: wmax = 0,86N/5.
Химический состав и качество воды в систе
ме оказывают непосредственное влияние на
срок службы котельного оборудования, работу
системы отопления в целом. Отложения, воз
никающие изза содержащихся в воде солей
Са2+, Мg2+ и Fe2+ – наиболее распространенная
проблема, с которой мы сталкиваемся в быту и
в промышленности. Образование отложений
приводит к значительным потерям энергии.
Эти потери могут достигать 60 %. Рост отложе
ний существенно снижает теплоотдачу, они мо
гут полностью блокировать часть системы, при
вести к ее закупориванию и ускорить коррозию.
Наличие в воде кислорода, хлора, двухвалент
ного железа и солей жёсткости увеличивает ко
личество аварийных ситуаций, приводит к увели
чению расхода топлива и снижает срок службы
оборудования. Отложения карбонатной жёсткос
ти формируются при невысоких температурах и
легко удаляются. Отложения, образованные рас
творёнными в воде минералами, например суль
фатом кальция, откладываются на поверхностях
теплообмена при высоких температурах. Для
обеспечения надлежащей работы системы необ
ходимо применять умягчители воды.
В так называемых “мёртвых зонах” ситемы
могут образовываться стационарные пузыри
сложного химического состава, в которых, кроме
кислорода и азота, могут присутствовать метан и
водород. Они вызывают точечную коррозию ме
талла и образование илистых отложений, нега
тивно сказывающихся на работе системы. В связи
с этим необходимо использовать автоматические
воздухоотводчики, которые устанавливаются в
верхних точках системы и зонах слабой циркуля
ции теплоносителя.
При использовании для подпитки городской
водопроводной воды необходимо следить за
концентрацией хлоридов. Она не должна превы
шать 200 мг/л. Повышенное содержание хлори
дов приводит к тому, что вода становится более
коррозиционноагресивной. Этому способствует
и неправильнная работа фильтров умягчения во
ды. В последнии годы качество водопроводной и
сетевой воды в целом улучшилось благодаря при
менению специальной арматуры, сильфонных
компенсаторов и переходу от гравитационных си
стем центрального отопления к системам цент
рального отопления замкнутого типа.
Проблемы отложений решаются с использо
ванием как физических, так и химических мето
дов. Сегодня химикаты широко используются в
борьбе с отложениями. Однако высокие затраты
и сложность технологического процесса, а также
возрастающие требования к защите окружаю
щей среды, не оставляет никакого выбора, кро
ме как поиска физических методов. [4]. В по
следнее десятилетие ведётся активный поиск
новых способов физической обработки воды,
онованных на современных нанотехнологиях.
Примером могут служить приборы немецкой
фирмы “MERUS®”, которые изготавливаются с
использованием специального производственно
го процесса прессовки различных материалов, та
ких как алюминий, железо, хром, цинк, кремний.
Данная технология позволяет получать уни
кальный сплав, который при последующей тех
нологической обработке преобразует так называ
емый электрический смог в направленные в
сторону протока воды электромагнитные сигна
лы. Благодаря новому принципу воздействия ос
нованному на активации воды, приборы
“MERUS®” эффективно используются даже в
тех случаях, когда известные методы обработки
воды неэффективны. Например, на конденсато
проводах и прямоточных технологических паро
перегревателях, работающих на водопроводной
воде без возврата конденсата. Эффективность та
кой обработки достигает 80%, позволяет обраба
тывать воду без химических компонентов, сокра
тить расход соли при натрийкатионировании.
Выводы
1. Определение эффективности работы ко
тельного оборудования должно начинаться с
проведения энергоаудита.
2. Повышения эффективности работы и сроков
службы котельного оборудования можно достичь
путём установки промежуточных излучателей, ко
торые обеспечат улучшение аэродинамических и
кинетических процессов протекающих в топке.
3. Значительной экономии тепловой энер
гии и улучшения эксплуатационных характерис
тик оборудования можно добиться произведя
модернизацию гидравлической схемы.
4. В процессе эксплуатации котельного обору
дования необходимо уделить внимание качествен
ной водоподготовке и деаэрации теплоносителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Демченко В.Г., Долинский А.А., Сигал А.И.
Организация внутренней рециркуляции дымо
вых газов в реверсивных водоохлаждаемых топ
ках с целью модернизации отопительных котлов.
NATO workshop conference “Advanced combustion
and aerothermal technologies”, Kiev, 2006.
2. Басок Б.И., Демченко В.Г., Мартыненко М.П.
Численное моделирование процессов аэродина
мики в топке водогрейного котла с вторичным
излучателем // Промышленная теплотехника. –
№1. – 2006. – С. 17–22.
3. Рабочие характеристики, указания по под
ключению и гидравлические схемы котлов средней
и большой мощности. – De Dietrich, 1998. – 36c.
4. Демченко В.Г. Методы активации водных
растворов с помощью слабых электромагнитных
импульсов для борьбы с отложениями накипи и
ржавчины. Материалы XV конференции “Еко
логічна та техногенна безпека”, г. Бердянск,
11–15.06.2007.
Получено 28.09.2007 г.
ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6 57
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА