ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ С ПОМОЩЬЮ ВКЛЮЧЕНИЯ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ В ЗАМКНУТЫЙ КОНТУР
На некоторых ТЭЦ и котельных пиковые водогрейные котлы работают на внутренний замкнутый контур, который подключен к трубопроводам теплосети через поверхностные водо-водяные теплообменники [58, 122]. Разделение системы теплоснабжения на два независимых контура (сетевой трубопровод и замкнутый контур водогрейных котлов) позволяет исключить попадание в тракт водогрейных котлов различных примесей из теплосети и снизить интенсивность накипеобразования в поверхностях нагрева котлов. Благодаря высокому качеству воды в замкнутом контуре появляется возможность существенно повысить надежность работы водогрейных котлов. Для обеспечения требуемой температуры сетевой воды 150 °С после водо-водяных теплообменников температура на выходе водогрейных котлов должна быть не ниже 160-180 °С, т.е. для подпитки замкнутого контура необходима вода более высокого качества, чем подпиточная вода теплосети. С другой стороны, для подпитки теплосети в двухконтурных схемах можно применять более дешевые упрощенные технологии водоподготовки.
Рассмотрим работу пиковой водогрейной котельной с одним водогрейным котлом ПТВМ-180, работающим на замкнутый контур, и определим, по какому температурному режиму нагревается вода замкнутого контура для обеспечения в трубопроводах теплосети стандартного температурного графика 150/70 °С. Составим уравнение теплового баланса для водо-водяного теплообменника и найдем из него температуру воды в замкнутом контуре t\9 °С, после водогрейного котла и перед водо-водяным теплообменником
Полученная формула показывает, что при прочих равных условиях температура воды за водогрейным котлом зависит главным образом от отношения расходов воды в системе теплоснабжения и в замкнутом контуре GJG3K. Чем больше это отношение, тем выше температура воды за водогрейным котлом.
Если пиковая водогрейная котельная расположена отдельно от ТЭЦ и водогрейные котлы работают в основном режиме с расходом воды в замкнутом контуре 2500 т/ч, а в системе теплоснабжения, работающей по температурному графику 150/70 °С, расход сетевой воды через во до-водяной подогреватель составляет 3240 т/ч, тогда определяем температуру воды tu °С, в замкнутом контуре по формуле (2.19), принимая температуру t2=T2 +ввт, °С, с учетом средней величины недогрева воды в водо-водяных теплообменниках Steem= 10 °С. Результаты расчета представлены на рис. 2.13 а.
При работе расположенных на площадке ТЭЦ водогрейных котлов в пиковом режиме температура воды перед котлами t2 равна сумме температуры воды после верхнего сетевого подогревателя и величины недогрева воды в водо-водяных теплообменниках: t2=fcn+Steem. На рис. 2.13 б представлены графики изменения температур воды замкнутого контура и системы теплоснабжения в зависимости от температур наружного воздуха.
По графикам на рис. 2.13 видно, что максимальная температура воды в замкнутом контуре при работе в основном режиме примерно на 10 °С больше, чем при работе в пиковом режиме. Поэтому, с точки зрения обеспечения надежности водогрейных котлов, двухконтурную схему котельной выгоднее использовать при работе котлов в пиковом режиме. Кроме того, нужно учесть тот факт, что чем ниже температура воды за водогрейным котлом, тем меньше температура уходящих газов и меньше тепловые потери с продуктами сгорания.
Для обеспечения требуемого качества подпиточной воды замкнутого контура водогрейных котлов и повышения надежности их работы разработаны два технических решения, первое из которых (рис. 2.14) предусматривает утечки сетевой воды из замкнутого контура восполнять питательной водой, которую отбирают после деаэратора питательной воды [156, 159]. Второе решение для компенсации утечек сетевой воды предполагает подпитку замкнутого контура глубоко умягченной добавочной питательной водой энергетических котлов (рис. 2.15) [155, 158].
С точки зрения влияния на эффективность теплофикации схема на рис. 2.15 выгоднее, чем на рис. 2.14, поскольку для вакуумной деаэрации подпиточной воды замкнутого контура в качестве греющего агента можно использовать низкотемпературные регенеративные отборы турбин, а для деаэратора повышенного давления в качестве греющего агента используется пар из регенеративных отборов более высокого потенциала.
Разделение системы теплоснабжения на два независимых контура позволяет производить защиту от накипеоборазования по упрощенной технологии, например, с помощью установки на водо-водяных теплообменниках генераторов ультразвуковых колебаний.
Так как в водо-водяных теплообменниках отсутствует ощутимая температурная разверка между трубами и невозможен их пережог, то данная схема позволяет использовать для защиты водо-водяных теплообменников от накипеобразования ультразвуковые установки. По сравнению со стандартной технологией водоподготовки, предусматривающей Na-катионирование, общие приведенные затраты на ультразвуковую обработку в 17 раз ниже и составляют около 2,8 млн руб. для пиковой водогрейной котельной с четырьмя котлами КВ-ГМ-180, работающими на открытую систему теплоснабжения. Если температура сетевой воды не превышает 130 °С во всей поверхности нагрева подогревателя, тогда возможно применение технологии противонакипной обработки с дозированием фосфонатов, что также снижает затраты на водоподготовку по сравнению со стандартной схемой.
Использование для подпитки замкнутого контура водогрейных котлов воды высокого качества из трубопроводов питательной воды или добавочной питательной воды позволяет обеспечить надежную работу водогрейных котлов, исключающую повреждения, обусловленные накипеобразованием и внутренней коррозией, а также снизить затраты на противонакипную обработку подпиточной воды теплосети при использовании более дешевых технологий по сравнению с технологиями ионообменного умягчения.
Надежность и экономичность источников пиковой тепловой мощности в значительной мере определяется схемой включения и эффективностью работы установок для деаэрации подпиточной воды. Как правило, в пиковых водогрейных котельных применяются вакуумные деаэраторы различных конструкций. Особенности эксплуатации одноконтурных водогрейных котельных с вакуумной деаэрацией подпиточной воды изложены в § 4.3.
Характерные недостатки, понижающие надежность и экономичность двухконтурных водогрейных котельных, рассмотрим на примере одной котельной республиканского производственного объединения «Таткоммунэнерго». В котельной (рис. 2.16) установлены два водогрейных котла типа ПТВМ-ЗОМ.
Деаэрация подпиточной воды для обоих контуров осуществляется в одном вакуумном деаэраторе ДВ-400, реконструированном по проекту Одесского политехнического института.
Внутренний контур работает с относительно стабильной температурой воды после водогрейных котлов, которая постоянно поддерживается на уровне 120-140 °С. Температура воды перед водогрейными котлами составляет примерно 70 °С. Расход воды через каждый водогрейный котел составляет 400 т/ч. Расход сетевой воды в открытой системе теплоснабжения достигает 2500 т/ч. Система работает по температурному графику 95/70 °С.
В рассматриваемой котельной разделение контура водогрейных котлов и системы теплоснабжения не дает ожидаемого эффекта в плане повышения надежности, поскольку контур водогрейных котлов, который по смыслу должен быть полностью замкнутым, т.е. работать практически без утечек воды из него и без ощутимой подпитки контура, работает с величиной подпитки, превышающей величину подпитки открытой системы теплоснабжения котельной.
Величина подпитки замкнутого контура Gn, т/ч, в основном определяется расходом греющего агента G, >а, т/ч, отбираемого из этого контура на вакуумный деаэратор
Причиной неэффективности данной двухконтурной схемы котельной является крайне нерациональный режим эксплуатации реконструированного вакуумного деаэратора подпиточной воды.
В процессе реконструкции была сокращена струйная ступень деаэрации и развита барботажная ступень. Поскольку барботажная деаэрация является значительно более энергоемким процессом по сравнению с деаэрацией в струйной ступени, вакуумный деаэратор рассчитан на работу с высокими температурами деаэрированной воды (75-80 °С), греющего агента (более 120 °С) и значительным нагревом обрабатываемой воды в деаэраторе (55-60 °С). В соответствии с режимной картой для нормальной работы этого деаэратора необходимо подавать в него сетевую воду из замкнутого контура после водогрейных котлов в количестве, примерно в полтора раза превышающем расход деаэрируемой подпиточной воды. Соответственно, подпитка «замкнутого» контура водогрейных котлов в полтора раза превышает величину подпитки открытого контура. Значительная подпитка контура водогрейных котлов приводит к постоянному поступлению в контур большого количества примесей, в том числе оксидов железа, что приводит к недопустимому росту сопротивления котлов и понижению надежности их работы.
В отличие от ТЭЦ в одноконтурных водогрейных котельных повышение температурного режима вакуумной деаэрации обычно не сказывается на тепловой экономичности и может способствовать повышению надежности котельных (см. § 4.3). Однако в двухконтурных котельных, выполненных по схемам, аналогичным изображенной на рис. 2.16, повышение температурного режима вакуумной деаэрации приводит к значительному снижению надежности и экономичности [99].
Отвод выпара из вакуумного деаэратора производится водоструйным эжектором, установленным горизонтально рядом с деаэратором. Эжектор включен по стандартной замкнутой схеме: рабочая вода после эжектора сливается в бак-газоотделитель, откуда насосами рабочей воды вновь подается на эжектор.
Поскольку рабочая вода нагревается отводимым из деаэратора выпаром, для поддержания температуры воды на постоянном уровне часть нагретой воды сливается по трубопроводу диаметром 219 мм в канализацию и замещается в рабочем контуре эжектора холодной водопроводной водой.
Рассмотрим некоторые количественные оценки отмеченных выше недостатков в работе такой котельной, рассчитанные по эксплуатационным данным.
Из уравнения (2.20) следует, что при расходе обрабатываемой подпиточной воды 170 т/ч с исходной температурой 18 °С, температуре греющего агента 123 °С, температуре деаэрированной воды 84 °С расход сетевой воды, забираемой после водогрейных котлов в качестве греющего агента для вакуумной деаэрации, составляет 288 т/ч, что в 1,7 раза превышает расход обрабатываемой подпиточной воды. Следовательно, подпитка «замкнутого» контура водогрейных котлов в 1,7 раза превышает подпитку открытой системы теплоснабжения.
Очевидно, что при таком режиме работы котельной не может обеспечиваться надежность водогрейных котлов, в первую очередь - из- за значительного выноса с поверхности нагрева котлов содержащихся в подпиточной воде соединений железа и других примесей, в результате чего наблюдается интенсивный занос поверхностей нагрева водогрейных котлов отложениями. Сопротивление котлов возрастает до 5 кгс/см2 и более, что приводит к понижению надежности их работы и существенному перерасходу электроэнергии на транспорт воды через котлы (мощность, затрачиваемая на преодоление повышенного сопротивления водогрейных котлов, составляет 75-100 кВт). Разделение котельной на два контура полностью теряет свой первоначальный смысл, более того, оно даже понижает экономичность котельной по сравнению с одноконтурной схемой за счет увеличения расхода электроэнергии на перекачку теплоносителей в обоих контурах.
Для надежной работы водоструйного эжектора температура рабочей воды перед ним должна поддерживаться на определенном уровне. Из уравнения теплового баланса, составленного для бака рабочей воды водоструйного эжектора, легко определить, что для понижения температуры 200 т/ч рабочей воды перед эжектором до 40-42 °С из бака постоянно сливается в канализацию около 80 т/ч воды с температурой 60-65 °С. Эта потеря восполняется таким же количеством холодной водопроводной воды с температурой 8-10 °С, добавляемой в бак рабочей воды.
По данным предприятия тепловых сетей, в состав которого входит котельная, в 1998 г. стоимость 1 м3 водопроводной воды составляла 8 руб. 12 коп., а стоимость канализации 1 м3 воды - 4 руб. 05 коп. Таким образом, на оплату сбрасываемой в канализацию рабочей воды водоструйного эжектора расходовалось (8,12 + 4,05) 80 = 973,6 руб./час.
В сутки стоимость теряемой воды составляла 23 366 руб., в месяц - 701000 руб., в год - 8412000 руб.
Кроме того, с нагретой водой, сбрасываемой в канализацию, постоянно теряется некоторое количество теплоты
После подсчета по формуле (2.21) видно, что с нагретой водой, сбрасываемой в канализацию, постоянно теряется около 4 Гкал/ч теплоты. При стоимости теплоты 189,2 руб./Гкал это увеличивает потери в котельной на 757 руб./ч и соответственно на 18163 руб./сутки, 545000 руб./месяц, 6357120 руб./год.
Для уменьшения потерь тепловой и электрической энергии в двухконтурных водогрейных котельных нами предложена новая технология работы двухконтурной водогрейной котельной [152, 153].
В качестве греющего агента для вакуумной деаэрации предложено использовать сетевую воду из внешнего контура, нагретую до необходимой температуры в поверхностном теплообменнике водой из замкнутого контура (рис. 2.17).
Водогрейная котельная работает следующим образом. Сетевую воду перед подачей потребителям нагревают в водо-водяном теплообменнике 2 по температурному графику работы теплосети в соответствии с температурой наружного воздуха. Нагрев сетевой воды производят водой, нагретой в водогрейном котле 1 и циркулирующей в замкнутом контуре через котел 1, во до-водяной теплообменник 2 и циркуляционный насос 3. Температуру воды после водогрейного котла 1 поддерживают постоянной в течение эксплуатации, например на уровне 140-150 °С, это обеспечивает стабильный режим работы замкнутого контура и минимальный расход циркулирующей в контуре воды. Регулятором РТ на трубопроводе 16 производят изменение температуры греющей воды перед теплообменником 2 с целью изменения температуры сетевой воды. Насосом 15 производят рециркуляцию части нагретой воды для поддержания необходимой температуры перед водогрейным котлом, например, на уровне 70 °С для предотвращения низкотемпературной наружной коррозии отдельных поверхностей нагрева котла.
Утечки сетевой воды компенсируют подпиточной водой, которую деаэрируют в вакуумном деаэраторе 7. Деаэрированную воду после вакуумного деаэратора 7 по трубопроводу подпиточной воды 11 через бак- аккумулятор 12 и насос подпиточной воды 13 направляют в обратный сетевой трубопровод бив трубопровод 4 замкнутого контура после водоводяного теплообменника 2. В качестве греющего агента в вакуумном деаэраторе 7 используют сетевую воду, которую отбирают из подающего сетевого трубопровода 5 и перед подачей в деаэратор нагревают в дополнительном водо-водяном теплообменнике 20 до температуры 100-130 °С, достаточной для эффективной деаэрации.
Для устранения потерь тепловой энергии вместе с нагретой водой питьевого качества, отводимой в канализацию из бака рабочей воды водоструйного эжектора, рекомендовано использовать разомкнутую схему включения водоструйного эжектора [145, 149], в соответствии с которой в эжектор подается вода, подлежащая деаэрации (рис. 2.17).
Разомкнутая схема работает следующим образом: холодная водопроводная вода по трубопроводу 8 направляется на водоструйный эжектор 17, в котором создает разрежение, под действием разрежения по трубопроводу 9 в эжектор поступает выпар из вакуумного деаэратора и кондесируется на струе рабочей воды, нагретая смесь выпара и рабочей воды поступает в бак 18, откуда насосом рабочей воды 19 подается в вакуумный деаэратор 7.
Приведенные в [145, 149] решения позволяют без усложнения схемы обеспечить работу эжектора на холодной воде, сохранить теплоту вы- пара деаэратора и исключить потери рабочей воды, вместе с которой теряется значительная часть тепловой энергии.
Произведем расчет некоторых параметров теплоносителя в новой схеме двухконтурной водогрейной котельной при новом способе ее работы. Задаваясь температурным графиком теплосети 95/70 °С, количеством G().e=200 т/ч и температурой t() e =60 °С деаэрированной подпиточной воды, температурой исходной воды . = 15 °С и температурой воды за водогрейными котлами tK= 140 °С, расходом воды в теплосети Gt = 1600 т/ч и в замкнутом контуре 6=800 т/ч, рассчитаем количество воды G, т/ч, отбираемой на дополнительный водо-водяной теплообменник при разных температурах греющего агента
Как видно из представленных графиков, рассчитанные параметры теплоносителя изменяются по линейному или близкому к нему закону в отопительный период года, оставаясь постоянными остальное время. При увеличении температуры греющего агента для вакуумного деаэратора увеличивается количество воды, отводимой из внутреннего контура после водогрейных котлов, что, в свою очередь, влияет на температурный режим работы поверхностного водо-водяного теплообменника, который предназначен для подогрева сетевой воды открытой системы теплоснабжения.
Из анализа рассчитанных параметров теплоносителя при новом способе работы двухконтурной водогрейной котельной можно сделать вывод, что наиболее предпочтительным вариантом из рассмотренных является вариант, при котором через вакуумный деаэратор проходит 225 т/ч греющего агента с температурой 100 °С.
В результате сохраняется нормативное качество вакуумной деаэрации и обеспечивается необходимый температурный режим работы водоводяного подогревателя сетевой воды.
Предложенная технология работы двухконтурной водогрейной котельной позволяет обеспечить подачу на вакуумный деаэратор греющего агента - воды, нагретой до технологически необходимой температуры, при этом исключить потери воды более высокого качества из замкнутого контура водогрейной котельной и снизить величину подпитки этого контура, вследствие чего в замкнутом контуре обеспечивается стабильный водный режим, при котором существенно уменьшается интенсивность заноса отложениями поверхностей нагрева водогрейных котлов и вероятность их пережога. Существенная экономия тепловой энергии достигается при использовании разомкнутых схем включения водоструйных эжекторов, позволяющих полностью утилизировать теплоту выпара вакуумных деаэраторов.
В результате применения рассмотренных технологий на пиковых теплоисточниках значительно снижаются потери тепловой и электрической энергии, повышаются надежность и экономичность теплоснабжения.
