Проект 36.

Реконструкция котельных в мини-ТЭЦ и снижение потребления электроэнергии на транспорт тепла в водогрейных котельных.

Велицко В.В.

 

В настоящее время на территории России по состоянию на 2000 г., насчитывается более 70 тысяч отопительных и производственно-отопительных котельных, 4 000 из которых имеют мощность более 20 Гкал/час. Исходя из технологических потребностей, большинство мощных котельных содержит не только водогрейные котлы, но также и паровые котлы.

Наличие паровых котлов, даже котлов, не поднадзорных Ростехнадзору, вырабатывающих пар любого давления позволяет обеспечить полной или частичное автономное энергоснабжение оборудования котельной. Полное автономное энергоснабжение котельной позволит использовать внешнюю сеть исключительно в качестве резервного источника энергии, тогда как частичное энергоснабжение основных потребителей котельной, таких как КИПиА, питательные, сетевые насосы, позволит обеспечить сохранение оборудования котельной и теплотрасс от размораживания даже при прекращении внешнего электроснабжения.

Например, системные аварии (блэкауты марта 2006 г. или зимы 2010-2011гг.) при сильных морозах приводят к частичному или полному размораживанию теплотрасс, в результате чего, даже при восстановлении электроснабжения, становится сложно обеспечить подачу тепла потребителям. Наличие в котельной паровых приводов сетевых и питательных насосов, а также парового привода электрогенератора, обеспечивающего питание КИПиА, а также освещения, позволит даже при ограничении в теплоснабжении потребителей, сохранить в целости систему теплоснабжения.

Автономная система электроснабжения позволит также безопасно проходить кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) – «мигания». При «миганиях», являющихся стандартным режимом работы энергосистемы, когда, например, происходит перехлест проводов воздушных линий электропередачи (ЛЭП), автоматика защиты на десятые доли секунды отключает потребителей. Данной продолжительности отключения достаточно, что бы автоматика остановила котлы и упали газовые клапаны.

Остановка котельных, требующая розжига, особенно в ночное время, особенно на фоне стремительно падающей квалификации персонала, который, зачастую эксплуатирует котельные с грубыми нарушениями и без учета режимных карт котлов, приводит к тому, что особенно операторы ночных смен совершают ошибка, приводящие к взрывам котлов.

При этом энергоснабжение котельных, например, на базе производимых паровых турбин, не представляется возможным, т.к. отечественные котельные имеют недостаточно совершенные КИПиА, что приводит к уносу с насыщенным паром до 30% конденсата от массы пара. Учитывая, что последние ступени паровых турбин работоспособны при влажности пара не более 16-17% очевидно, что подача пара с указанной влажностью в паровую турбину приведет к ее немедленному выходу из строя по причине эрозионного разрушения лопаток.

Более стойкими для работы на влажном пару являются паровые турбины со сложным движением пара, являющиеся современными репликами турбины «Электра», производившейся в конце XIX – XX века. Однако, как и турбина «Электра», и ее современные реплики, крайне громоздки, имеют большую по оси высоту ротора, а также КПД на уровне 5%. При этом указанные турбины сложно масштабируемы, а производимая турбина мощностью 250 кВт имеет массу 5 тонн, что не позволяет установить ее в качестве замены асинхронному электродвигателю для прямого привода сетевого или питательного насоса.

Разработанные паровые приводы на базе турбопоршневых машин позволяют создать приводы для котельного оборудования, более компактные и простые в обслуживании, нежели короткозамкнутые асинхронные электродвигатели. Данные приводы могут быть установлены непосредственно на рамы насосов и тягодутьевого оборудования вместо применяемых электродвигателей, при этом возможность регулирования частоты вращения величиной открытия впускного клапана, позволяет получить аналог электродвигателя с частотным управлением, что позволяет эффективно автоматизировать котельные и эксплуатировать оборудование на оптимальных режимах.

Технические характеристики серийного образца:

o Мощность номинальная (Nnom) – 18,5-1 000 кВт;

o Частота вращения номинальная (nnom) – 500-3 000 об./мин.;

o Давление входное, максимальное (Pвх max) – 35 МПа (здесь и далее указано избыточное давление, если иное не указано отдельно);

o Температура свежего пара (tвх max) – 540°C.

o Качество свежего пара – перегретый, в сверхкритическом состоянии, насыщенный.

o Давление входное, минимальное (Pвх min) – 0,5 МПа;

o Давление выходное, максимальное (Pвх max) – 5 МПа;

o Давление выходное, минимальное (Pвх min) – 0 МПа или вакуум;

o Минимальный используемый для работы перепад давлений (между входом и выходом в привод) – 0,05 МПа;

o Качество мятого пара – перегретый, насыщенный или влажный.

o Влажность мятого пара – до 50%.

o Защита от разгона при пропадании нагрузки (разгона) – встроенная;

o Система управления – микропроцессорная (по отдельному заказу возможна комплектация пневматической системой управления)

o Расположение шкафов управления – локально и (при необходимости – в операторной);

o Запуск / останов – автоматический и/или по команде оператора.

Режим работы: регулирование парового привода осуществляется микроконтроллером, настроенным на два режима работы: 1) Поддержание стабильной частоты вращения. 2) Поддержание заданного выходного давления в магистрали нагнетания (прямом трубопроводе) для насосов.

 

Эксплуатация оборудования осуществляется в рамках использования существующего котельного оборудования, в тепловую схему которого паровые приводы и электростанции включаются аналогично существующим паровым приводам, паровым насосам и пароэлектростанциям.

 

Используемые в котельных паровые котлы вырабатывают пар более высокого давления, чем необходимо большинству потребителей. Для снижения давления пара, на выходе паровых котлов или у теплопотребителей всегда устанавливаются РОУ или редукторы, снижающие давление пара до давления, необходимого теплопотребителям. Например, давление пара в котле с 8-12 ати снижается до 2-3 ати, подаваемых в пароводяной подогреватель (деаэратор, мазутные подогреватели и пр.)

 

Рис. 1. Пример установки паровой электростанции в котельную, работающую на сельскохозяйственных отходах.

 

Паровой противодавленческий двигатель устанавливается параллельно РОУ и выполняет его задачу по снижению давления до необходимого потребителю пара, при этом превращая 5-10% проходящего через нее тепла в электрическую или механическую энергию. Паровой двигатель работает по тепловому графику нагрузки (через него проходит ровно столько пара сколько нужно тепловому потребителю) либо через паровой привод проходит только часть пара, например постоянная составляющая в паропотреблении, а переменная составляющая проходит через РОУ, включено параллельно паровому приводу.

Схема включения парового привода в тепловой контур паровой ТЭЦ аналогична включению классических конденсационных ПТУ (рис.2). При сооружении новой мини-ТЭЦ с использованием в качестве двигателей тубропоршневых машин, начиная от мощностей паровых котлов от 1 тонны пара в час и более, оптимально использование энергетических параметров пара (температура: 440 °С, давление свежего пара: 3,9 МПа и выше). Указанные параметры пара при работе с противодавлением или при реализации конденсационного цикла обеспечат электрический КПД в пределах 25-45% (при различных типах теплоносителей).

Потенциал конвертирования котельных в мини-ТЭЦ по России составляет не менее 20 ГВт. При этом установка механических приводов, в отличие от, например, установки когенераторных (теплофикационных) мини-ТЭЦ, позволит снизить нагрузки на изношенные электрические сети и не потребует их реконструкции, что, например, требуется для случая установки автономных электрогенерирующих мощностей, работающих параллельно с сетью, т.к. в случае такой установки мини-ТЭЦ растут токи короткого замыкания.

В ходе эксплуатации паровой привод совершает работу по приводу нагрузки. Все отходящее от парового привода тепло (пар) направляется в теплообменное оборудование для теплоснабжения потребителей.

 

Рис. 2. Схема включения парового привода в котельной.

 

При этом тепловой привод выполнен теплоизолированным, что обеспечивает снижение потерь тепла во внешнюю среду ниже 1%. Это обеспечивает коэффициент полезного использования (КПИ) топлива не ниже 99%. Поэтому тепловую мощность котельной необходимо увеличить только на величину вырабатываемой паровыми приводами электроэнергии.

Например, при замещении паровыми приводами потребителей электроэнергии суммарной мощностью 200 кВт, теплопроизводительность котельной должна увеличиться на 0,326 Гкал/час (1 Гкал/час = 1 163 кВт или 1 Гкал = 1 163 кВт•час).

В зависимости от стоимости приобретаемых электрической энергии и мощности, качества электроснабжения, стоимости выполнения техусловий на подключение новых мощностей и стоимости топлива, ориентировочный срок окупаемости оборудования менее 2 лет. При этом срок окупаемости менее 1 года имеет место при выполнении технических условий на подключение к внешним сетям.

 

"Фонд Байбакова". Все права защищены. Разработка и продвижение сайта - Kadis tech.