Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы совершенствования угольных теплоисточников небольшой мощности, состояние исследований и постановка задач 14
1.1. Роль слоевых котлов небольшой мощности в системах теплоснабжения Иркутской области 14
1.2. Технические проблемы угольных теплоисточников малой мощности 16
1.3. Экономические проблемы угольных теплоисточников малой мощности 19
1.4. Экологические проблемы угольных теплоисточников малой мощности 22
1.5. Анализ тенденций в развитии котлов со слоевым сжиганием низкокачественных углей 26
1.6. Постановка задач 38
2. Методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования угольных теплоисточников небольшой мощности 40
2.1. Базовые положения 40
2.2. Общая схема исследований 51
2.3. Математическая модель слоевого котла и вычислительная система на ее основе 57
3. Исследование влияния присосов воздуха на экономичность и максимальную производительность слоевых котлов небольшой мощности 65
3.1. Исходные предпосылки 65
3.2. Влияние присосов воздуха на КПД котла 68
3.3. Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при отсутствии ограничений на производительность и напор дымососа 70
3.4. Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при ограничении производительности дымососа 74
3.5. Технико-экономические оценки 76
3.6. Выводы 77
4. Исследование влияния наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева слоевых котлов на технико-экономические характеристики теплоисточников 80
4.1. Исходные положения 80
4.2. Влияния наружного загрязнения поверхностей нагрева на КПД и производительность котла 83
4.3. Влияния внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на технико-экономические характеристики теплоисточников 87
5. Выбор приоритетных направлений совершенствования слоевых котлов для различных условий применения 91
5.1. Базовые физико-технические принципы создания высокоэффективных слоевых водотрубных котлов малой мощности на низкокачественных углях 91
5.2. Выбор оптимальной температуры уходящих газов 94
5.2. 1 КПД котла и площадь конвективных поверхностей нагрева 95
5.2.2 Металлоемкость конвективной части котла 99
5.2.3 Приведенные затраты в конвективную часть котла... 101
5.2.4 Окупаемость капвложений в конвективную часть котла 103
5.3. Разработка конструкций слоевых котлов малой мощности для различных условий применения 106
5.3.1 Механизированные котлы с цепной решеткой прямого хода 108
5.3.2 Механизированные котлы с шурующей планкой 112
5.4. Практические результаты внедрения разработанных котлов 116
Заключение 119
Литература
- Экономические проблемы угольных теплоисточников малой мощности
- Математическая модель слоевого котла и вычислительная система на ее основе
- Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при отсутствии ограничений на производительность и напор дымососа
- Влияния внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на технико-экономические характеристики теплоисточников
Введение к работе
Актуальность темы.
Теплоисточники на основе водогрейных котлов со слоевым сжиганием угля получили большое распространение в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения небольшой мощности, особенно в районах с отсутствием природного газа, которые охватывают значительную часть территории Российской Федерации. Низкая энергетическая эффективность большинства таких систем во многом, часто в решающей степени, обусловлена неудовлетворительными характеристиками теплоисточников в реальных условиях эксплуатации [1,2].
В результате многочисленных натурных измерений, выполненных в 1995-2004 гг. специалистами ИСЭМ СО РАН (Ю.В. Наумов, А.А. Иванов, П.П. Павлов и др.), выяснено, что характеристики отопительных котлов в реальных условиях эксплуатации зачастую кардинальным образом отличаются от проектных значений в худшую сторону. Согласно полученным данным реальные КПД водогрейных котлов небольшой мощности (0.3-3 МВт) со слоевыми топками при использовании низкокачественных восточно-сибирских углей оказались в диапазоне 30-60% против нормативных 75-80%. Максимальная достижимая в эксплуатации тепловая мощность котлов часто также была существенно (до полутора-двух раз) ниже проектной, что приводило к появлению дефицита и снижению качества отпускаемой в сеть тепловой энергии [3].
Угольные теплоисточники небольшой мощности характеризуются плохими экологическими показателями. Натурными измерениями и численными экспериментами доказано (СП. Филиппов, А.В. Кейко, А.Г. Горшков, Л.А. Белых и др.) [4, 5], что именно мелкие источники в наибольшей степени ответственны за высокие концентрации в атмосферном воздухе многих населенных пунктов Восточной Сибири таких опас ных загрязнителей как моноксид углерода, сажа, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), включая бенз(а)пирен.
Главными причинами низкой эффективности (энергетической, экономической, экологической) малых угольных теплоисточников являются, во-первых, их техническое несовершенство и, во-вторых, низкий уровень эксплуатации, во многом обусловленный недостаточной квалификацией обслуживающего персонала и отсутствием у него стимулов к эффективной работе.
Разработка базовых принципов угольных котлов со слоевыми топками (далее - слоевых котлов) относится ко второй половине XIX и началу XX веков. К середине XX века в стране и за рубежом был накоплен огромный научный и технический потенциал в области технологий слоевого сжигания твердого топлива и конструирования слоевых котлов (работы Л.К Рам-зина, А.С. Предводителева, Г.Ф. Кнорре и многих других) [6-22]. Однако затем на протяжении более чем 50 лет основная масса научных исследований и опытно-конструкторских работ была сосредоточена в области пылеугольных крупнотоннажных технологий сжигания угля. Недостаток научного внимания в нашей стране к проблемам мелких теплоисточников на угле привел к тому, что до сих пор в них используются технологии сжигания и конструкции котлов середины и даже начала прошлого века.
В то же время, коренным образом изменились требования к угольным теплоисточникам небольшой мощности. Во-первых, изменились условия хозяйствования, и потому резко возросла роль экономических факторов. Особенно актуальными они стали для небольших систем теплоснабжения в отдаленных районах страны (Восточная Сибирь, Дальний Восток) в условиях постоянного роста цен на топливо и металл, транспортных тарифов, а также стоимости рабочей силы. Во-вторых, потребители становятся более требовательными к надежности и качеству теплоснабжения. В третьих, стали реальностью экологические ограничения. Более того, имеет место неуклонное ужесточение природоохранного законодательства. Наконец, в-четвертых, повышаются социальные требования к условиям труда в угольных котельных.
В последние годы отечественные котельные заводы (прежде всего Бийский) прилагают большие усилия для разработки новых, более современных, угольных котлов для коммунальной теплоэнергетики [23]. Однако выпускаемые котлы пока не в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей. Они характеризуются высокой ценой, требуют высокого уровня эксплуатации и спроектированы, в основном, для сжигания высококачественных каменных углей и угольного концентрата.
Поэтому в эксплуатирующих организациях страны продолжается практика кустарного изготовления в больших количествах котлов собственных конструкций, специализированных для сжигания местных углей. Как показывает анализ, такие котлы имеют низкий КПД, высокие выбросы вредных веществ в атмосферу, малые сроки службы. Но они дешевы, просты в изготовлении и монтаже, неприхотливы в эксплуатации, обладают хорошей ремонтопригодностью. Например, в Иркутской области популярны так называемые котлы «Димакова», известные во множестве модификаций, спроектированные местным изобретателем Димаковым без каких-либо теплотехнических расчетов и обоснований. В условиях дешевизны топлива и металла и мощного дотирования коммунальных теплопроизво-дителей из местных бюджетов такая практика имела экономический смысл. Однако с развитием рыночных отношений, сопровождающихся резким ростом цен на топливо и металл и ужесточением бюджетной политики, эта практика становится экономически порочной.
На основе прогнозов развития энергетики Российской Федерации и ее регионов (А.А. Макаров, Б.Г. Санеев) [24, 25] можно заключить, что котлы со слоевым сжиганием угля останутся на достаточно длительную перспективу для обширных территорий страны базовым оборудованием для теплоснабжающих систем небольшой мощности. Следовательно, задача со вершенствования таких котлов остается актуальной. Но такое совершенствование должно базироваться на прочной научной основе. При этом первоочередными являются задачи выяснения влияния технических характеристик и условий эксплуатации котлов на эффективность теплоисточников и получения соответствующих количественных оценок. Важность данной задачи обусловлена рядом особенностей слоевого способа сжигания углей и слоевых котлов малой мощности в целом. В частности, сложностью обеспечения их герметичности и чистоты поверхностей нагрева в реальных условиях эксплуатации. Полученные результаты позволят сформулировать требования к таким теплоисточникам для нынешних условий хозяйствования и приступить к разработке соответствующего котельного оборудования.
Объектом исследования в диссертационной работе являются теплоисточники на основе водогрейных котлов тепловой мощностью от 0.3 до 3 МВт со слоевым сжиганием низкокачественных углей.
Предметом исследований в работе являются физико-технические, конструкционно-компоновочные и технико-экономические характеристики теплоисточников со слоевыми котлами при различных условиях эксплуатации.
Цели и задачи исследований.
Основными целями диссертационной работы являются:
1) получение новых знаний о влиянии внутренних (физико-технических и конструкционно-компоновочных) и внешних (системных) факторов на энергетическую, экономическую и экологическую эффективность применения слоевых котлов небольшой мощности;
2) выработка научно-обоснованных рекомендаций по комплексному совершенствованию теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей тепловой мощностью от 0.3 до 3 МВт для реальных условий эксплуатации.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. разработать методику комплексной оценки эффективности теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами;
2. определить причины низкой эффективности существующих угольных теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами в реальных условиях эксплуатации;
3. получить количественные оценки влияния ключевых физико-технических факторов, в частности, избытков воздуха по газовому тракту котла, наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на экономичность и максимальную производительность слоевых котлов небольшой мощности;
4. обосновать предложения по совершенствованию угольных теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
1) Впервые применена системная методология для анализа эффективности и выбора направлений развития угольных теплоисточников на основе слоевых котлов небольшой мощности. Она заключается в комплексном рассмотрении физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических факторов, определяющих эффективность использования слоевых котлов и теплоисточников в целом.
2) Анализ эффективности котельной техники небольшой мощности и предложения по ее совершенствованию базируются на результатах многолетних инструментальных исследований многочисленных теплоисточников, эксплуатируемых в действующих системах теплоснабжения на территории Сибири, а также результатах опытно-промышленной эксплуатации нескольких десятков котлов конст рукции ИСЭМ СО РАН при сжигании в них местных низкокачественных углей.
3) Получены новые количественные результаты при исследовании зависимостей производительности и экономичности слоевых котлов от характера и величины избытков воздуха в газовом тракте котлов, а также от состояния поверхностей нагрева (внутреннего и внешнего загрязнения).
4) Впервые сформирована взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов теплопроизводительностью 0.3-3 МВт со слоевыми топками, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.
Практическая значимость работы.
Результаты работы легли в основу разработанной в ИСЭМ СО РАН при непосредственном участии автора серии водогрейных котлов тепловой мощностью 0.5, 1, 1.5, 2 и 3 МВт. Котлы этой серии введены в эксплуатацию в Иркутской области. Кроме того, результаты работы использовались при подготовке «Программы энергосбережения Иркутской области на период до 2005 года», «Программы реконструкции жилищно-коммунального хозяйства Иркутской области на 2000-2003 гг.», «Программы реконструкции коммунальной теплоэнергетики Иркутской области на 2003-2007 гг.».
Методы исследований, использованные в работе: методология системных исследований в энергетике, методы технико-экономического анализа энергоустановок, методы термодинамического и кинетического анализа многокомпонентных гетерогенных физико-химических систем, методы математического моделирования сложных теплоэнергетических установок; методы теплового, аэродинамического и гидродинамического расчетов котельных агрегатов, методы расчета на прочность элементов конструкций.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования угольных теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей для систем теплоснабжения небольшой мощности.
2. Результаты исследования влияния избытков воздуха на экономичность и максимальную производительность котлов небольшой мощности со слоевыми топками для различной структуры присо-сов воздуха и разных ограничений на параметры тягодутьевых машин.
3. Результаты исследования воздействия наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева слоевых котлов на технико-экономические характеристики теплоисточников.
4. Взаимосогласованная система базовых физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов небольшой мощности (0.3-3 МВт) для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена данными стендовых испытаний разработанных котлов, выполненных на Братском котельном заводе (ЗАО «СТО», г. Братск), а также результатами многолетней эксплуатации большого количества котлов, изготовленных разными производителями и установленных в различных коммунальных и промышленных котельных Иркутской области.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались:
• на международной конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ,2002г.);
• на международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» (Иркутск, ИрГУПС, 2004 г.);
• на российско-японском семинаре по инновационным технологиям (Иркутск, 2003 г.);
• на всероссийских научно-практических конференциях «Теплоисточник в коммунальной энергетике» (Иркутск, 2001, 2002, 2003 гг.);
• на совместном заседании Совета РАН по проблемам развития энергетики России и Научного совета РАН по комплексным проблемам энергетики по теме «Проблемы теплоснабжения России» (Москва, 2003 г.);
• на заседаниях Ученого совета и секции Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2000-2004 гг.);
• на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2002, 2003,2004 гг.).
Котлы конструкции ИСЭМ, при разработке которых использованы результаты настоящей работы, и автор работы отмечены премией губернатора Иркутской области по науке и технике за 2002 г.
На физико-технические принципы и конструкционно-компоновочные решения, применяющиеся при разработке котлов, коллективу разработчиков, включая автора работы, выдан патент Российской Федерации № 2238480 с приоритетом от 25.12.2002 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 12 печатных работах. Личный вклад автора.
Диссертационная работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН и является частью исследований, проводимых в отделе научно-технического прогресса в энергетике. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. В частности, анализ современного состояния ко тельной техники в системах теплоснабжения в Восточной Сибири подготовлен по материалам обширных натурных обследований котельных, проведенных автором совместно с Ю.В. Наумовым, А.А. Ивановым, П.П. Павловым. Математическая модель слоевого котла разработана автором совместно с В.И. Самусевым. Термодинамические и кинетические исследования процессов слоевого сжигания угля выполнены совместно с А.В. Кейко с использованием термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний - МЭПС (Б.М. Каганович, СП. Филиппов, Е.Г. Анциферов) и кинетической модели - NICK (А.В. Кейко). Методический подход к системному обоснованию направлений развития котельной техники небольшой мощности на угле, базовые физико-технические и конструкционно-компоновочные принципы высокоэффективных водогрейных котлов для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири сформированы автором по результатам обсуждений с СП. Филипповым и Ю.В. Наумовым. Защищаемые положения получены автором лично.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 135 страницах, включает 36 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 110 наименований.
Экономические проблемы угольных теплоисточников малой мощности
Одной из ключевых проблем коммунальной теплоэнергетики Иркутской области является высокая себестоимость производства тепловой энергии в котельных. Особенно это касается котельных небольшой мощности [30]. В результате, с учетом больших потерь энергии в тепловых сетях, тарифы на тепловую энергию приходится устанавливать очень высокими. В условиях низкой платежеспособности потребителей это ведет, во-первых, к высокой финансовой нагрузке на них, и, во-вторых, к росту неплатежей. Установление тарифов на тепловую энергию ниже себестоимости требует выплаты соответствующих дотаций (субсидий) из бюджетов различного уровня, что ложится на них непосильным бременем. Особенно в тяжелом положении оказываются местные бюджеты. Поэтому назрела необходимость разобраться с причинами высокой себестоимости производства тепловой энергии в коммунальных котельных и подготовить рекомендации по их снижению.
В результате выполнения специалистами ИСЭМ СО РАН в течение 1996-2004 гг. энергетических обследований около 200 котельных разной мощности накоплен большой объем первичной технико-экономической информации. Обобщение и анализ ее позволили количественно определить удельные значения основных составляющих себестоимости производства тепловой энергии в коммунальных котельных. Результаты технико-экономического анализа представлены в табл. 1.3. Здесь приведена структура себестоимости производства тепловой энергии в котельных неболь шой мощности (до 5.8 МВт (5 Гкал/ч) с котлами единичной мощностью 1.16 МВт (1 Гкал/ч) и менее с ручной загрузкой топлива) и в котельных большой мощности (10-30 МВт с механизированными котлами единичной мощностью свыше 1.16 МВт).
Анализ себестоимости показывает, что наиболее затратными статьями являются расходы на топливо и «зарплатная составляющая» (фонд оплаты труда с начислениями на зарплату). Их доля в себестоимости теплоэнергии составляет соответственно 30-40% и 15-20% , т.е. в сумме 45-60% и более. Ниже на основе технико-экономического анализа рассмотрим причи ны столь высоких значений перечисленных составляющих себестоимости и основные направления их снижения. Величина топливной составляющей себестоимости производства тепловой энергии определяется двумя основными факторами: 1) стоимостью топлива, 2) величиной КПД теплоисточника.
Стоимость местных углей в последние годы стремительно росла. Если осенью 1999 г. местные угли стоили для коммунальных потребителей 85— 100 руб/т или 3.3-3.8 $/т, то осенью 2001 г. их цена уже превысила 300 руб/т или 10 $/т, а в 2004 г. она была не меньше 450 руб/т или 15 $/т. Величина КПД теплоисточника при этом оставалась чрезвычайно низкой, о чем сказано выше.
Как уже указывалось выше, второй важнейшей составляющей себестоимости тепловой энергии, вырабатываемой коммунальными котельными, является фонд оплаты труда (включая начисления на зарплату).
Величина фонда оплаты труда в котельной определяется главным образом двумя следующими факторами: 1) штатным коэффициентом (численностью персонала на единицу установленной мощности); 2) уровнем заработной платы (основной и дополнительной) персонала.
Принципиальной особенностью котельных малой мощности является высокий штатный коэффициент, который для них всегда будет выше, чем для крупных котельных. Большой штатный коэффициент в малых котельных также обусловлен отсутствием в них не то что автоматизации, а даже механизации технологических процессов. Также нередко в малых котельных устанавливают избыточное число котлов. Это увеличивает нагрузку на персонал, что приводит к ухудшению эксплуатации.
Математическая модель слоевого котла и вычислительная система на ее основе
Основным инструментом для проведения исследований, направленных на решение поставленных в диссертационной работе задач, является математическая модель слоевого котла. Модель позволяет: выполнить конструкторский расчет новых котлов; подготовить предложения по модернизации существующих котлов; провести исследования влияния внешних факторов на параметры котла; обеспечить интерпретацию результатов измерений параметров эксплуатируемых котлов, а также объяснить результаты испытаний опытно-промышленных образцов.
Для этого модель разработана с учетом возможностей проведения конструкторского и поверочного расчетов слоевого котла.
Базовая версия математической модели слоевого котла выполнена в имитационной постановке. Для решения некоторых проблем использовалась версия модели котла в оптимизационной постановке.
В данной работе преимуществами имитационной постановки над оптимизационной являются следующие: возможность более детального описания и последующего исследования сложных физико-технических процессов, протекающих в котле, а также технических и компоновочных решений; возможность анализа работы котлов на переменных нагрузках, а также в непроектных и аварийных условиях; возможность имитации реальных условий эксплуатации котла (сжигание непроектного топлива, сверхнормативные присосы воздуха, непроектный расход воды, интенсивное шлакование поверхностей нагрева, большие внутренние отложения и т.д.) и получения оценок отклика состояния котла на неквалифицированные действия оператора.
Математическая модель котла состоит из следующих расчетных блоков: 1) теплового расчета топочной камеры и конвективных газоходов; 2) аэродинамического расчета котла; 3) гидравлического расчета котла; 4) расчета элементов поверхностей нагрева и опорных конструкций на прочность.
Математическая модель слоевого водогрейного котла разработана автором диссертационной работы совместно с к.т.н. В.И. Самусевым. Компьютерная реализации модели принадлежит автору диссертационной работы.
В основу описания процессов теплообмена в модели положены расчетные зависимости из нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов [36]. Для описания аэродинамики и гидравлики котлов использовались расчетные зависимости из нормативных методов [97, 98], а для выполнения расчетов на прочность - из справочника[99].
Следует отметить, что использование нормативного метода позволяет проводить расчет новых котлов или оценивать характеристики работающих котлов только при нормативных условиях. Коэффициенты (загрязне ния поверхностей нагрева, теплового использования поверхностей нагрева, химического недожога, присосов воздуха и др.), используемые в формулах нормативного метода, подобраны эмпирически при определенных условиях. Использование их при ненормативных условиях непременно приведет к результатам не соответствующим действительности. Поэтому для построения модели, позволяющей производить оценки для реальных режимов работы существующих котлов, необходимо было в расчетах использовать реальные величины загрязнений, недожогов, присосов воздуха и т.д.
Автором диссертации была проведена соответствующая работа. Она базировалась на привлечении результатов инструментальных обследований большого количества котлов, а также результатах испытаний опытных котлов, разработанных в ИСЭМ СО РАН с участием автора. В результате была разработана модель котла с возможностями учета ненормативных условий его эксплуатации.
Математическое описание расчетных блоков
Математическая модель котла представляет собой систему алгебраических и трансцендентных уравнений, балансовых условий, а также линейных и нелинейных ограничений.
Структура математического описания расчетных блоков представлена ниже. 1. Тепловой расчет котла. Уравнения материальных балансов. Баланс расходов воды для каждого і-го элемента котла: где Gt, G( - расходы воды на входе и на выходе из элемента котла; к- количество расчетных элементов котла. Уравнение энергетического баланса:
Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при отсутствии ограничений на производительность и напор дымососа
В реальных условиях эксплуатации достаточно часто имеет место ситуация, когда котлы оснащены проектными тягодутьевыми машинами, но не обеспечивают нормативной газовой плотности. Регулирование производительности тягодутьевых машин также не осуществляется. В этом случае сверхнормативные избытки воздуха способны чрезвычайно сильно лимитировать максимальную мощность котла. В зависимости от структуры присосов воздуха снижение мощности котла может составить 2-3 раза — с 2.3 до 0.7-1.2 МВт (рис. 3.7). Многочисленные энергетические обследования мелких угольных котельных подтверждают эти выводы [1].
Результаты, представленные на рис. 3.7, получены исходя из предположения, что расчетная производительность дымососа выбрана с запасом 10%, а запас по напору равен 20% [36 ,97]. Расчеты показали, что предел по производительности дымосос достигает раньше, чем предел по напору. Поэтому мощность котлов в эксплуатации лимитируется, прежде всего, производительностью дымососа, а не напором.
Технико-экономические исследования указывают на значительное влияние избытка воздуха в котел на себестоимость производимой тепловой энергии. Их результаты для случая присосов воздуха в топку котла представлены в табл. 3.2.
Исследования выполнены при следующих исходных данных: мощность котла - 2.3 МВт; проектная величина избытка воздуха на выходе из котла - 1.6; расчетное топливо - азейский уголь; цена угля в котельной — 400 руб/т; цена электроэнергии - 80 коп/кВтч; проектная величина условно-постоянных расходов в котельной - 59.7 руб/ГДж (250 руб/Гкал); капиталовложения в дополнительную тепловую мощность (для условий Восточной Сибири) - 2.58 млн, руб/МВт или 3 млн. руб/(Гкал/ч); величина амортизационных отчислений - 5% для дополнительных котлов и 10% для вновь устанавливаемых дымососов. Для обеспечения сопоставимости результатов расчетов рассмотренные варианты приводились к одинаковому производственному эффекту путем ввода дополнительной тепловой мощности с проектными показателями, принятыми для рассматриваемой котельной.
Согласно расчетам для проектных условий удельная себестоимость производства тепловой энергии составляет 91 руб/ГДж (381 руб/Гкал). При увеличении коэффициента избытка воздуха на выходе из котла с проектной величины 1.6 до 5 себестоимость тепловой энергии возрастает на треть и достигает 121 руб/ГДж (508 руб/Гкал) при отсутствии ограничений на производительность дымососа. При наличии таких ограничений влияние присосов воздуха в котел на его технико-экономические характеристики еще выше. В этом случае себестоимость производства тепловой энергии возрастает более чем на 56%, достигая величины 142 руб/ГДж (596 руб/Гкал).
Результаты выполненных натурных и расчетных исследований влияния присосов воздуха на показатели котла позволяют сделать следующие выводы.
1. Длительная эксплуатация котлов с высокими сверхнормативными избытками воздуха стала повсеместным явлением в коммунальных ко тельных небольшой мощности на угле. Результатом такого хозяйствования являются снижение энергетической эффективности производства тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения, увеличение ее себестоимости, образование дефицита тепловой мощности, недоотпуск тепловой энергии потребителям и ухудшение ее качества (занижение параметров теплоносителя).
2. Наибольшее негативное влияние на экономичность и максимальную мощность котлов оказывает поступление избыточного воздуха в высокотемпературную зону (в топочную камеру). В этом случае при увеличении избытка воздуха за котлом с нормативной величины 1.6 до 5 КПД котла падает с 80 до 51%, максимальная тепловая мощность снижается в 1.3-3 раза, а себестоимость производимой тепловой энергии возрастает на 33-56%, соответственно, при отсутствии и наличии ограничений на производительность дымососа.
3. Эксплуатационному персоналу коммунальных котельных нужно пересмотреть свое пренебрежительное отношение к проблеме больших избытков воздуха в котлах. Целесообразно наладить регулярный контроль газовой плотности котлов в процессе эксплуатации, в том числе, путем оснащения их соответствующими приборами. Необходимо обеспечить своевременное устранение обнаруженных неплотностей. Тщательного уплотнения требуют не только топочная камера и конвективные газоходы, но и система шлакозолоудаления, которая часто является основным каналом поступления избыточного холодного воздуха в топку. Особенно это касается котлов малой мощности. Надо обеспечить регулирование производительности тягодутьевых машин при изменение нагрузки котлов (для малых котлов хотя бы в очень грубой форме).
4. На необходимость обеспечения высокой газовой плотности котлов небольшой мощности со слоевыми топками (в реальных условиях эксплуа тации и в течение длительного времени) должны обратить особое внима ние производители котельного оборудования и организации, занимающие ся его монтажом. В силу конструктивных особенностей таких котлов успешное решение данной проблемы силами ремонтных организаций системы ЖКХ оказывается достаточно сложной задачей. Заводы-изготовители также обязаны решить проблему оснащения небольших котлов надежными системами регулирования тяги и дутья.
Влияния внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на технико-экономические характеристики теплоисточников
В результате проведенных расчетных исследований и натурных экспериментов автором предложены следующие физико-технические принципы, которые необходимо учитывать при разработке слоевых котлов малой мощности на низкокачественных углях.
1 Механизация подачи топлива в котел, процесса его сжигания и удаления шлака из котла.
Реализация этого принципа уменьшает влияние человеческого фактора на процесс. При использовании топки с шурующей планкой улучшается процесс горения топлива, хоть топливо и подается периодически. Время между подачами топлива сокращается, при этом выравниваются характеристики котла, повышается эффективность его работы. При использовании в качестве топочного устройства цепной решетки процесс горения стационарный, котел работает с постоянными характеристиками. Использование любого вида механических решеток значительно повышает эффективность сжигания низкокачественного топлива в слоевых котлах.
2. Создание горячей зоны горения слоя топлива.
Применение этого решения обусловлено необходимостью сжигания в разрабатываемых слоевых котлах малой мощности углей низкого качества: многозольных, с большим содержанием мелочи, с большой влажностью. Для создания горячей зоны на колосниковой решетке (в месте зажигания и горения твердого топлива) предлагается установка в нижней части топочной камеры теплоотражающих экранов и зажигательного пояса. Это по зволяет ускорить прогрев и воспламенение свежего топлива и повысить устойчивость его горения. Следствием является обеспечение высокой скорости и полноты сжигания низкокачественного твердого топлива. В результате уменьшаются потери тепла топлива с механическим и химическим недожогом и повышается КПД котла.
3. Устройство горячей топочной камеры.
Обеспечивается это требование выбором соответствующего объема топочной камеры и обмуровки части экранных труб. При этом происходит выравнивание полей температур в топочной камере и, как следствие, уменьшение образования продуктов неполного сгорания топлива.
4. Турбулизация продуктов сгорания в топочном объеме. Турбулизация продуктов сгорания в топочном объеме обеспечивается выбором а) конфигурации и компоновки теплоотражающих экранов, б) скорости первичного воздуха, в) места ввода и траектории вторичного воздуха, г) места размещения газового окна.
Результатом реализации данного решения является обеспечение хорошего перемешивания продуктов сгорания и воздуха в топочном объеме для выравнивания в нем полей температур и концентрации окислителя, создания во всем топочном объеме окислительной среды с целью повышения полноты сгорания горючих компонентов, уменьшения образования сажи, полициклических ароматических углеводородов, включая бенз(а)пирен и других продуктов неполного горения, а также оксидов азота. Также повышается КПД котла за счет дополнительного уменьшения потерь тепла с механическим и химическим недожогом.
5. Обеспечение высокой скорости дымовых газов по всей длине кон вективного газохода.
Это достигается устройством конвективного газохода переменного сечения и применением плотных трубных пучков в конвективных поверх ностях нагрева. При этом повышается коэффициент теплоотдачи от газов к стенке труб. В результате удается повысить КПД котла и сократить площадь конвективной поверхности нагрева.
6. Обеспечение высокой скорости воды в экранных трубах и труб ных пучках конвективных поверхностей нагрева.
Применение этого принципа обусловлено необходимостью повышения срока службы котла при использовании воды неудовлетворительного качества (с большим содержанием солей жесткости). Повышение скорости воды в трубах ведет к уменьшению отложения солей на их внутренней поверхности. В результате обеспечивается надежное охлаждение металла труб, следствием чего является увеличение надежности котла и срока его службы.
7. Устройство многоходового конвективного газохода. Реализация данного принципа позволяет уменьшить габариты котла. Кроме того, наличие поворота газов обеспечивает внутреннюю сепарацию золовых частиц из дымовых газов в конвективных газоходах (использование инерционного и гравитационного механизмов сепарации). Это облегчает работу внешних золоулавливающих устройств и увеличивает экологическую чистоту дымовых газов.
8. Обеспечение высокой газовой плотности котла
Высокая газовая плотность котла достигается путем применения газонепроницаемой обшивки, например, стального листа, что сокращает при-сосы воздуха в топочную камеру, уменьшает потери тепла с дымовыми газами и, следовательно, повышает КПД котла.
