ТЕХНОЛОГИИ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИКОВОЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ТЭЦ ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ
Одним из основных направлений повышения эффективности пиковых теплоисточников и систем теплоснабжения в целом является совершенствование температурных режимов их работы и способов центрального регулирования тепловой нагрузки.
В настоящее время основным способом центрального регулирования нагрузки в отечественных системах теплоснабжения является качественное регулирование путем изменения температуры теплоносителя при постоянстве его расхода в подающей магистрали. Преимуществом такого регулирования является стабильность гидравлического режима, особенно в закрытых системах теплоснабжения, что несколько упрощает эксплуатацию и повышает надежность тепловых сетей.
В то же время на тепловых электростанциях центральное качественное регулирование тепловой нагрузки, предусматривающее последовательное включение основных и пиковых источников теплоты (рис. 1.5 а), значительно повышает стоимость подготовки воды для систем теплоснабжения и понижает надежность работы теплоисточников [113].
При последовательном включении сетевая вода после основных подогревателей, работающих на отборном паре турбин ТЭЦ, поступает в водогрейные котлы, где подогревается до температуры, требуемой по температурному графику теплосети. Если система работает по стандартному температурному графику 150/70 °С, то сетевую воду подогревают в основных сетевых подогревателях ТЭЦ от 70 до 95-120 °С с последующим догревом воды в пиковых водогрейных котлах до 150 °С. С учетом температурных разверок в отдельных поверхностях нагрева температура воды достигает 190 °С и выше.
В зарубежных системах теплоснабжения широко применяется количественное регулирование, что во многом связано со 100%-ой автоматизацией теплопотребляющих установок [116]. Анализ перспектив развития отечественных систем централизованного теплоснабжения показывает, что в дальнейшем и в них получат большее распространение методы количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки.
Одним из наиболее значимых факторов, приводящих к переходу на количественное регулирование нагрузки систем теплоснабжения, является неизбежное оснащение в ближайшем будущем абонентских установок местными автоматическими регуляторами потребляемой теплоты. Другой фактор обусловлен тем, что системы водяного отопления дают наилучшие режимные показатели при переменном расходе воды через них, что возможно при количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки [26, 27]. Наличие третьего фактора объясняется необходимостью повышения надежности источников пиковой тепловой мощности путем перехода на низкотемпературный режим теплоснабжения. Четвертый фактор связан с необходимостью снижения затрат на водоподготовительные установки.
Тепловая нагрузка теплоисточника Q вычисляется по формуле
Тепловая нагрузка зависит от расхода и температуры сетевой воды. При снижении температуры теплоносителя, чтобы сохранить тепло, некоторые потребители самостоятельно в одностороннем порядке пытаются интенсифицировать теплообмен местной системы отопления, внося изменения в конструкцию местного теплового пункта. Такое изменение приводит к определенному улучшению температурной обстановки на данном объекте, но уже следующим за ним по сети потребителям не хватает напора для обеспечения достаточной тепловой нагрузки местной системы отопления. Конструктивные изменения в местных тепловых пунктах приводят к полному разрегулированию системы теплоснабжения и вызывают значительное (в 2-3 раза) увеличение количества сетевой воды, повышая соответственно затраты на перекачку теплоносителя и водоподготовку [93, 94].
Для обеспечения высокого качества теплоснабжения обычно применяется комбинированное регулирование, Которое принципиально должно являться рациональным сочетанием трех ступеней регулирования - центрального, местного и индивидуального. К сожалению, в нашей стране применение индивидуального количественного регулирования тепловой нагрузки возможно лишь в перспективе, т.к. потребуются большие начальные затраты и определенное время, чтобы оснастить всех потребителей индивидуальными регуляторами. Поэтому в большинстве случаев регулирование ограничивается только двумя уровнями - центральным и местным.
Наш анализ показал, что для повышения технологической и экономической эффективности источников пиковой тепловой мощности целесообразно переходить на низкотемпературный режим теплоснабжения и вместо центрального качественного регулирования применять центральное количественное и количественно-качественное регулирование тепловой нагрузки [56, 119, 118, 138]. Для реализации этого положения нами разработаны новые технологии работы тепловых электростанций с количественным и качественно-количественным регулированием тепловой нагрузки систем теплоснабжения [154, 157, 162].
Особенностью тепловых схем ТЭЦ, предназначенных для реализации этих технологий является то, что сетевые подогреватели включены в сетевой трубопровод параллельно пиковым водогрейным котлам. Схема ТЭЦ с количественным регулированием изображена на рис. 2.10.
Применяя количественное регулирование, на ТЭЦ температуру сетевой воды в подающей магистрали поддерживают постоянной. Устанавливают ее исходя из средней температуры насыщения пара верхних отопительных отборов теплофикационных турбин f° с учетом средней величины недогрева воды в верхних сетевых подогревателях. Расход сетевой воды в базовой части графика регулирования тепловой нагрузки регулируют изменением количества включенных сетевых подогревателей, а в пиковой части графика, при включенных сетевых подогревателях всех турбин, расход сетевой воды регулируют изменением количества водогрейных котлов, включенных параллельно сетевым подогревателям.
Ограничение температуры сетевой воды величиной в сочетании с количественным регулированием нагрузки теплоснабжения, проводимым по предложенному порядку, позволяет повысить экономичность систем теплоснабжения за счет работы водогрейных котлов при более полной загрузке (благодаря увеличению перепада температур воды на входе и на выходе водогрейных котлов) и за счет снижения затрат на подготовку подпиточной воды. Понижение величины Т\ приводит к снижению повреждаемости водогрейных котлов и повышению надежности систем теплоснабжения.
В [117] изложена методика расчета количественного регулирования тепловой нагрузки с учетом влияния на работу открытых систем теплоснабжения тепловой нагрузки, которая приходится на горячее водоснабжение. В результате расчетов получены зависимости расходов сетевой воды и температуры обратной сетевой воды от температуры наружного воздуха.
Проанализируем и сравним работу ТЭЦ с тремя теплофикационными турбинами Т-100-130 и тремя водогрейными котлами КВ-ГМ-180 (рис. 2.10) при центральном количественном и при качественном регулировании тепловой нагрузки. Предположим, что абоненты подключены к открытой системе теплоснабжения по широко распространенной зависимой схеме. Примем отопительный температурный график 150/70 °С при качественном регулировании и 110/70 °С при количественном регулировании. Выбор температурного графика обусловлен тем, что при давлении пара в верхних отопительных отборах 0,15-0,20 МПа с температурой насыщения 115-120 °С и величине недогрева воды в верхних сетевых подогревателях 5 °С температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети после подогревателей =110 — 115 °С.
К недостаткам параллельного включения при выполнении количественного регулирования можно отнести увеличение на 25-30% капиталовложений в тепловые сети. Однако незначительное увеличение затрат в тепловые сети компенсируется многократным снижением затрат на водоподготовку [57, 111, 137]. Кроме того, при разделении сетевой воды на параллельные потоки снижается гидравлическое сопротивление оборудования ТЭЦ, более полно используется тепловая мощность сетевых подогревателей турбин, а также водогрейных котлов за счет увеличения температурного перепада на их входе и выходе до 40-50 °С, а также увеличивается электрическая мощность ТЭЦ и возрастает абсолютная величина комбинированной выработки электрической энергии [100].
Прирост электрической мощности ДЛ, кВт, выработанной на тепловом потреблении, объясняется большей загрузкой теплофикационных отборов турбин за счет снижения температуры обратной сетевой воды при переходе на количественное регулирование. Величину ДNm(p, кВт, можно найти по формуле
Расчеты для ТЭЦ тепловой мощностью 1240 МВт с тремя турбинами Т-100-130 и тремя водогрейными котлами КВ-ГМ-180 показывают, что увеличение расхода пара в теплофикационных отборах увеличивает выработку электроэнергии на тепловом потреблении на 19,95 млн кВт ч в год. При этом на электростанции сэкономится до 4980 т условного топлива, что при стоимости условного топлива 2000 руб./т составит 9960 тыс. рублей в год.
Схема ТЭЦ для реализации комбинированного количественно-качественного регулирования (рис. 2.11) предусматривает разделение поступающей от потребителей сетевой воды на два параллельных потока, один из которых нагревают в базовом режиме в сетевых подогревателях, а другой - в пиковом режиме в водогрейных котлах. Потоки сетевой воды перед подачей потребителям смешивают.
В базовом режиме осуществляют центральное качественное регулирование тепловой нагрузки путем изменения температуры сетевой воды, циркулирующей только через сетевые подогреватели, а после полной загрузки сетевых подогревателей, в пиковом режиме, осуществляют количественное регулирование тепловой нагрузки, для чего увеличивают расход сетевой воды за счет подачи ее в водогрейные котлы, включенные параллельно сетевым подогревателям, и изменение тепловой нагрузки производят путем изменения расхода сетевой воды, циркулирующей через водогрейные котлы [154].
Другим вариантом качественно-количественного регулирования является способ [162], по которому в пиковой части графика Q=f(tn) увеличивают расход сетевой воды за счет подачи ее в водогрейные котлы, включенные параллельно сетевым подогревателям, и изменение тепловой нагрузки производят путем изменения расхода и температуры сетевой воды, циркулирующей через водогрейные котлы.
Регулирование температуры общего потока сетевой воды, подаваемой потребителям, производят по пониженному температурному графику теплосети 105-110/70 °С (вместо традиционно применяемого в известных способах графика 150/70 °С) в первую очередь за счет изменения тепловой нагрузки водогрейных котлов и во вторую очередь - за счет изменения нагрузки сетевых подогревателей.
Переход на низкотемпературный режим теплоснабжения вызывает снижение максимальной температуры прямой сетевой воды. При низкотемпературном режиме работы процессы коррозии и накипеобразования в водогрейных котлах замедляются, что приводит к снижению повреждаемости поверхностей нагрева котлов и повышению надежности систем теплоснабжения.
Благодаря переходу на пониженный температурный график работы теплосети на теплоисточнике создаются условия, позволяющие применить для противонакипной обработки подпиточной воды упрощенные технологии, не требующие значительных капитальных и эксплуатационных затрат и не создающие загрязненных стоков. Например, подпиточная вода может подвергаться противонакипной обработке с помощью дозирования в тракт фосфонатов, в частности, цинкового комплекса ОЭДФ-Zn или ингибитора отложений минеральных солей ИОМС-1 (вместо необходимого в известных способах ионообменного умягчения).
Положительным моментом при низкотемпературном теплоснабжении является снижение затрат в местные тепловые пункты и системы отопления. Это обусловлено тем, что расход воды у абонентов регулируется центрально со станции путем изменения расхода воды, поступающей с коллектора ТЭЦ в подающую линию тепловой сети, и местная система отопления в большинстве случаев может быть присоединена к теплосети по зависимой безэлеваторной схеме.
Кроме того, трубопроводы местной системы отопления могут быть не металлическими, а пластиковыми или металлопластиковыми. В настоящее время за рубежом широко применяются многослойные композиционные трубы на основе металлопластика фирмы «Unipipe», которые выдерживают длительную температурную нагрузку в 95 °С и выше при максимальном давлении 1 МПа, а также обеспечивают стойкость к коррозии, стабильность формы, малое тепловое расширение. Гарантийный срок их эксплуатации - 50 лет. В Финляндии фирмой «Ecoflex» выпускаются пластиковые трубы с изоляцией и пластмассовым кожухом, которые снабжены системой защиты от замерзания в виде теплового кабеля. Эти трубы можно прокладывать и наружно без каналов на небольшой глубине. Максимальный диаметр трубы без изоляции 110 мм. Трубы рассчитаны на температуру 95 °С при давлении 0,6 МПа. Простота монтажа, относительно низкая стоимость и высокие эксплуатационные показатели позволяют использовать трубы фирм «Unipipe» и «Ecoflex» в отечественных системах отопления и теплоснабжения.
Рассмотрим пример реализации предложенной технологии низкотемпературного теплоснабжения на тепловой электростанции с турбинами Т-100-130 при параллельном включении сетевых подогревателей и пикового водогрейного котла ПТВМ-180.
До включения пиковых водогрейных котлов в базовом режиме вся сетевая вода в количестве 3600 т/ч нагревается только за счет отопительных отборов пара в сетевых подогревателях турбины Т-100-130 до 70-110 °С, при этом осуществляется центральное качественное регулирование тепловой нагрузки по температурному графику 150/70 °С. В пиковый период при полной загрузке сетевых подогревателей осуществляется качественно-количественное регулирование тепловой нагрузки путем пропуска дополнительного параллельного потока сетевой воды через пиковый водогрейный котел ПТВМ-180, где дополнительный параллельный поток нагревается до 60-110 °С (в максимальном расчетном режиме). Потоки сетевой воды перед подачей потребителям смешивают.
Регулирование температуры общего потока сетевой воды, подаваемой потребителям в пиковый период, производят по пониженному температурному графику теплосети 110/70 °С в первую очередь за счет изменения тепловой нагрузки водогрейных котлов и во вторую очередь - за счет изменения нагрузки сетевых подогревателей. Утечки воды из теплосети компенсируются подпиточной водой, которая подвергается противонакипной обработке в узле умягчения по упрощенной технологии путем дозирования в воду фосфонатов, деаэрируется в деаэраторе и по подающему трубопроводу подается в теплосеть.
Рассчитаем по формуле (2.16) тепловую нагрузку станции при качественном регулировании в пиковый период для климатических условий г. Ульяновска при последовательном включении сетевых подогревателей и пиковых водогрейных котлов с учетом величины нагрузки, приходящейся отдельно на подогреватели и котлы, при температурном графике теплосети 150/70 °С.
Затем рассчитаем тепловую нагрузку при качественно-количественном регулировании, осуществляемом по новому способу работы станции, с использованием пониженного температурного графика 110/70 °С. Результаты расчетов представлены в виде графика расхода теплоты по продолжительности стояния температур наружного воздуха на рис. 2.12.
Из графиков видно, что при параллельной работе сетевых подогревателей и пиковых водогрейных котлов обеспечивается такая же тепловая нагрузка станции, как и при последовательной, несмотря на пониженный температурный график. Однако наблюдается различие в распределении нагрузки между сетевыми подогревателями и водогрейными котлами. В верхней части графика при последовательном включении сетевых подогревателей и водогрейных котлов в пиковом режиме нагрузка первых постоянно снижается, а при параллельном - сначала возрастает, а потом тоже начинает снижаться.
Дело в том, что в условиях двухтрубной системы повышение температуры сетевой воды в подающей магистрали в период максимальной отопительной нагрузки приводит к повышению температуры и обратной сетевой воды, что уменьшает расход пара из нижних отборов турбины и увеличивает долю теплоты, отпускаемой пиковой котельной (см. § 1.1).
В момент включения водогрейных котлов в пиковый период при переходе с качественного регулирования нагрузки по температурному графику 150/70 °С на количественно-качественное регулирование по графику 110/70 °С разность температур воды после сетевых подогревателей и обратной сетевой воды сначала увеличивается, а по мере снижения температур наружного воздуха постепенно уменьшается до 40 °С (при расчетной температуре наружного воздуха tH = -31 °С), т.е. становится равной разности температур при качественном регулировании.
Температуру наружного воздуха t"UK, °С, соответствующую моменту включения (выключения) пиковых водогрейных котлов, можно определить как
Для рассматриваемого примера включение в работу пиковых водогрейных котлов происходит при температуре наружного воздуха tUK = -14 °С.
При дальнейшем снижении температуры наружного воздуха происходит постепенное увеличение тепловой нагрузки сетевых подогревателей за счет увеличения расхода теплоносителя до максимального значения 3600 т/ч и увеличение нагрузки пикового водогрейного котла как за счет увеличения расхода воды через него, так и за счет увеличения температуры воды за котлом до 110 °С. Подробнее технологии количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения рассмотрены в [117].
Возрастание тепловой нагрузки сетевых подогревателей при качественно-количественном регулировании увеличивает коэффициент теплофикации ТЭЦ агэц, определяемый по формуле (1.2). Расчеты по этой формуле показывают, что при одинаковой максимальной тепловой нагрузке ТЭЦ 288 Гкал/ч доля максимальной нагрузки ТЭЦ, покрываемой из отборов турбин, при качественно-количественном регулировании составляет 192,6 Гкал/ч, а при качественном регулировании 191,5 Гкал/ч, соответственно аТэц=0,61 и атэц= 0,66.
Это свидетельствует о том, что при разделении сетевой воды на параллельные потоки более полно используется тепловая мощность сетевых подогревателей турбин, а также водогрейных котлов за счет увеличения температурного перепада на их входе и выходе до 40-50 °С.
В [74] отмечается, что при неизменной величине присоединенной к ТЭЦ тепловой нагрузки Qm и повышении аТЭц увеличивается электрическая мощность ТЭЦ и возрастает абсолютная величина комбинированной выработки электрической энергии, поскольку уменьшается доля тепловой нагрузки, покрываемой непосредственно от котлов. Увеличение абсолютной величины комбинированной выработки электрической энергии является положительным фактором, повышающим экономичность ТЭЦ.
Прирост электрической мощности ANm(p, кВт, развиваемой турбиной на тепловом потреблении, определяется по формуле (2.17).
Применение пониженного температурного режима с качественно-количественным регулированием нагрузки обусловливает увеличение нагрузки отопительных отборов пара турбин. Для рассматриваемого примера с турбиной Т-100-130 и котлом ПТВМ-180 прирост электрической мощности достигает 1,6 млн кВт ч в год. При этом средняя экономия условного топлива по электростанции составляет около 400 т в год.
Таким образом, переход на низкотемпературный режим теплоснабжения с использованием технологий работы ТЭЦ с количественным и комбинированным регулированием тепловой нагрузки при параллельном включении пиковых водогрейных котлов и основных сетевых подогревателей теплофикационных турбин позволяет полнее использовать преимущества теплофикации, снизить вероятность повреждения пиковых водогрейных котлов, применить для подготовки подпиточной воды теплосети упрощенные относительно дешевые технологии и, тем самым, повысить надежность и экономичность как пиковых источников тепловой мощности, так и всей ТЭЦ в целом.
