16+
Регистрация
РУС ENG

Статьи компаний

http://www.eprussia.ru/teploenergetika/40/9938260.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 01 (40) февраль 2019 года

Котельные установки XXI века: перспективы развития

Оборудование и технологии К.т. н. Игорь ДУБРОВИН, к.т. н. Евгений ДУБРОВИН 1851
Котельные установки XXI века: перспективы развития

С последней четверти XX века котельные энергетические установки утратили свое первенство в качестве основных топливосжигающих комплексов. Их стали замещать дизельные и газотурбинные энергоустановки.

Котельные комплексы эксплуатируются с первой половины XIX в., и длительное время их широкое использование было обусловлено постоянным развитием и модернизацией. Сегодня кажется, что в котельных установках сделано все,и их дальнейшая модернизация невозможна, а сами котлы достигли своего технического и технологического предела. Однако это не совсем так.


О требованиях XXI века к котлу

XXI в. будет не только веком экономии и рационального использования ресурсов, но и веком значительного повышения экологической чистоты теплоэнергетических объектов.

Главными требованиями к котло­агрегатам в XXI веке становятся максимальная экономичность, высокая экологическая безопасность и многотопливность, то есть способность надежно и экономно функционировать на всех видах углеводородного топлива (угле, мазуте, дизтопливе, биотопливе, сланцевом мазуте и природном газе) и горючих на их основе (топливных смесях, суспензиях, эмульсиях и нефтеотходах), не загрязняя при этом окружающую среду.

Напомним, что действующие в России санитарные нормы и правила (СНиПы) предусматривают работу стационарных котельных установок только на двух видах топлива – основном (например, природном газе) и резервном (мазуте или угле), то есть отопление котлов только двумя видами топлива закреплено в нашей стране нормативными актами.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования котлов в XXI в. может стать развитие и улучшение таких затребованных эксплуатационных свойств, как «экологичность», «экономичность» и «многотопливность».


Экологичность котельных установок

Хорошо известно, что ресурсы, неиспользованные по прямому назначению, или их избыток, не участвующий в технологических процессах, рано или поздно становятся отходами и загрязняют окружающую среду. Очевидно, что более рациональное использование ресурсов повышает экологичность топливосжигающей установки и одновременно повышает экономичность работы установки, поэтому экологичность котельных установок непосредственно связана с их экономичностью или, говоря другими словами, экологичность и экономичность являются «двумя сторонами одной медали».

Не последняя роль в обеспечении экологической чистоты котельного комплекса принадлежит организации сгорания углеводородного топлива в топке котла, которая, в свою очередь, определяется не только видом сжигаемого топлива и технологией его подготовки к процессу горения, но и конструктивным исполнением топливной и воздухоподающей систем котельного комплекса, обеспечивающим качественно-количественные характеристики компонентов и их соотношение в подаваемой на горение горючей смеси, степень равномерного распределения топлива по объему воздуха, параметры топочного факела (длина, ширина, объем, светимость и др.) и, в конечном итоге, полноту и качество процесса сгорания.


Экономичность котельных установок

В качестве показателей экономичности энергоустановок используется расход ресурса (топлива, воздуха или воды), затраченный на получение единицы энергии, отнесенный ко времени или к количеству выработанной энергии.

Повышение экономичности энергоустановок достигается и за счет внедрения усовершенствованных технологий подготовки ресурсов, их более рационального использования, высокой технической культуры обслуживающего персонала, своевременного устранения возникающих в процессе эксплуатации замечаний.

Очевидно, что экологичность и экономичность котельных установок можно улучшить путем совершенствования их топливной и воздухоподающей систем, на основе реализации новых технологических процессов подготовки воздуха, топлива, приготовления горючей смеси и ее подачи в топку котла на сжигание.


Многотопливность котлов

Сегодня многотопливность котлов обеспечивается оборудованием их несколькими топливными системами, каждая из которых подает только один вид горючего, на котором должна работать котельная установка. Обслуживающие котельную установку системы, такие, как система подачи воздуха, топливная система, трубная система (или поверхности нагрева), конструктивно приспособлены для сжигания всех используемых углеводородных топлив с различной теплотворной способностью.

СНиПы предписывают котельным установкам иметь не менее двух топливных систем, одна из которых – основная, а вторая – резервная. Однако в настоящее время это требование руководящих документов во многих случаях не выполняется, поскольку даже поддержание в состоянии немедленного пуска, а тем более в горячем резерве второй топливной системы экономически невыгодно, особенно для собственников частных котельных по причине снижения количества продаваемого товара (горячей воды или пара), поскольку его часть идет на обеспечение горячего резерва или пускового режима второй топливной системы котла.

При этом в настоящее время за рубежом (например, в Великобритании) эксплуатируются многотопливные паровые котлы, которые могут отапливаться пятью видами горючего: углем, тяжелым топливом, биотопливом, природным газом и нефтяными отходами.

Каждый вид топлива, как известно, обладает своей теплотворной способностью, поэтому теплонапряженность топочного объема котла, а следовательно, и теплопередача при его отоплении горючими с разной калорийностью неодинакова, что неизменно приводит к выработке пара (воды) с различными параметрами. Так, например, при работе котла на дизтопливе температура вырабатываемого пара (воды) будет выше, чем при отоплении того же котла мазутом. При отоплении котла топливом с низкой теплотой сгорания в действие вводятся дополнительные поверхности нагрева – хвостовые трубные системы котла, которые отключены при сжигании в котле топлива с высокой калорийностью; в то же время при переходе к работе котла на более калорийном топливе дополнительные трубные системы отключаются. Включение и выключение дополнительных трубных систем (поверхностей нагрева) котла позволяет регулировать (увеличивать или уменьшать) количество снимаемого с поверхностей нагрева тепла, обеспечивая при этом наиболее полное использование выделяемой при горении энергии котельного топлива, исходя из его фактической теплотворной способности.

Паровой котел с самовсасывающим воздушно-топливным насосом-распылителем вместо горелки



Основной же недостаток всех без исключения эксплуатируемых сегодня многотопливных котлов – это наличие у них нескольких (например, в России, соответственно, двух, а в Великобритании – пяти) отдельных для подготовки и подачи каждого вида горючего топливных систем, которые нуждаются в техническом обслуживании и поддержание в работоспособном состоянии независимо от их практического использования.


О топливно­воздушной смеси

Не секрет, что вот уже более 170 лет в котлах сжигается топливовоздушная горючая смесь, которая практически без изменений прошла за указанное время путь от угольно-воздушной через мазутно-воздушную и дизтопливно-воздушную до газо-воздушной.

Основные недостатки топливовоздушной горючей смеси – первичность топлива и вторичность воздуха при ее приготовлении, а также невозможность получить оптимальное соотношение горючего и окислителя в ней. Это значит, что основой топливовоздушной горючей смеси является топливо, давлением (расходом) которого изменяют (увеличивают или уменьшают) режимы работы котла, а воздух при этом выполняет вторичную роль. Горючая (топливовоздушная) смесь в настоящее время готовится непосредственно в топке котла перед зоной горения, что неизменно приводит к приготовлению обедненной и обогащенной смеси со всеми вытекающими последствиями. В начале зоны горения, как известно, приготавливается обедненная (с преобладанием воздуха) горючая смесь, а в конце зоны горения – обогащенная (с преобладанием топлива) горючая смесь, и, как следствие, в атмосферу в составе дымовых уходящих газов выбрасываются продукты пиролиза (бескислородного горения топлива), что приводит к загрязнению окружающей среды.

В любом случае работа котла на топливовоздушной горючей смеси всегда приводит к перерасходу топлива, а значит, к снижению экологической чистоты (безопасности) установки в целом.

Так, при сжигании обедненной топливно-воздушной горючей смеси атмосферный воздух, доставленный в топку сверх нормы, мгновенно нагревается и перегревается, на что затрачивается дополнительное топливо, являющееся в данном случае «лишним», количество которого может достигать до 15 % от расхода топлива на котел. Очевидно, что избытки воздуха и «лишнее» топливо – это взаимосвязанный между собой прямой перерасход потребляемых ресурсов: большему коэффициенту расхода воздуха соответствует больший перерасход топлива, и наоборот.

Сжигание обогащенной топливно-воздушной горючей смеси сопровождается нехваткой атмосферного воздуха, необходимого для полного окисления топлива, что приводит к разложению углеводородов топлива без кислорода при высокой температуре и, как следствие, к выбросу продуктов пиролиза (термически преобразованных углеводородов) в атмосферу. Очевидно, что наличие в дымовых уходящих газах пусть термически преобразованных, но все же углеводородов также можно смело отнести к перерасходу исходного топлива.


Как устранить недостаток существующих котлов

Очевидно, что оснащение котлов несколькими отдельными топливоподающими системами со своими механизмами и устройствами значительно усложняет не только конструкцию всей котельной установки, но и затрудняет процесс эксплуатации и технического обслуживания котельного комплекса в целом.
Известно, что в процессе приготовления используемой в настоящее время горючей смеси участвуют две системы котла: топливоподающая и воздухоподающая, конструкции которых способны приготавливать сегодня только топливно-воздушную горючую смесь.

Авторы, основываясь на результатах своих многочисленных работ, убеждены, что для улучшения экологической чистоты, повышения экономичности и обеспечения многотопливности котельной установки необходимо приготавливать на основе всех углеводородных топлив и сжигать воздушно-топливную горючую смесь оптимального состава (11 кг воздуха на 1 кг топлива), но, к сожалению, традиционные топливоподающая и воздухоподающая системы, используемые в настоящее время на котлах, нес пособны ее приготавливать. Это значит, что на существующих энергетических установках невозможно достичь наибольшей экономичности, высокой экологической чистоты и многотопливности. Что же делать? Авторы нашли решение этой проблемы – это замена топливной и воздухоподающей (двух) систем котла на единую (объединенную) воздушно-топливную систему, которая функционирует на других физических принципах. Работа объединенной воздушно-топливной системы принципиально отличается от работы существующих сегодня топливоподающей и воздухоподающей систем.

Очевидно, что замена двух систем котла (топливной и воздухоподающей) на одну (объединенную воздушно-топливную) систему упрощает конструкцию котельного комплекса, а значит, процесс его эксплуатации и технического обслуживания в целом.


Об объединенной системе

Объединенная топливно-воздушная система котла включает вентилятор (при газовом отоплении) или компрессор (при отоплении жидким топливом и угольной пылью), трубопровод подачи воздуха, самовсасывающий воздушно-топливный насос-распылитель, топливный расходный бак, всасывающий трубопровод с приемным фильтром.
Из традиционной топливной системы котла в новую систему перешли только всасывающий трубопровод с приемным фильтром и расходный бак, остальные элементы новые.

Функции топливного насоса в объединенной воздушно-топливной системе выполняет самовсасывающий воздушно-топливный насос-распылитель, который работает на перепаде давления воздуха, подаваемого от вентилятора или компрессора, и приготавливает воздушно-топливную смесь. Для повышения экологической безопасности / чистоты котельного агрегата приготовление горючей смеси происходит до топки котла. Приготовленная горючая смесь через выходной патрубок (насоса-распылителя), вставленного в топку котла, в виде распыленной мелкодисперсной струи распыляется в зону горения (во внутренний объем топки), где и сгорает.

Самовсасывающий воздушно-топливный насос-распылитель не имеет ни механического привода от двигателя, ни вращающихся и движущихся частей, поэтому не требует смазки и охлаждения, связан с компрессором (вентилятором) только по воздуху, а с двигателем – по приготавливаемой воздушно-топливной смеси.

Компрессор (или вентилятор) приводится во вращение от автономного привода и всасывает из атмосферы воздух, который сжимается и по трубопроводу нагнетается во внутреннюю полость насоса-распылителя. Сжатый воздух с требуемыми рабочими параметрами (расходом и давлением) проходит через насос-распылитель, в приемной полости которого создается разрежение, достаточное для самовсасывания из расходного бака необходимого количества топлива для приготовления горючей смеси. Далее готовая воздушно-топливная смесь распыляется во внутренний объем топки (в зону горения), где и сгорает.

Котел, в котором используется единая система, вводится в работу следующим образом. Включается компрессор (вентилятор – при газовом отоплении) и воздух из него подается во самовсасывающий воздушно-топливный насос-распылитель, из которого поступает в топку котла на ее вентиляцию. При увеличении оборотов компрессора (вентилятора) повышаются расход и давление воздуха, поступающего в воздушно-топливный насос-распылитель. По достижении рабочих характеристик (давления и расхода воздуха) перед самовсасывающим воздушно-топливным насосом-распылителем начинается всасывание топлива (газа) из расходной емкости (газопровода) и приготовление воздушно-топливной горючей смеси, которая поступает в топку котла, где ее зажигают.

Во время работы котла количество всасываемого из расходного бака (газопровода) топлива регулируется изменением давления воздуха на насос-распылитель. Переход работы котла с одного режима работы на другой производится изменением (повышением или снижением) параметров рабочего воздуха перед насосом-распылителем.

Вывод котла из действия осуществляется путем стравливания воздуха перед насосом-распылителем. В этом случае количество подаваемого в котел топлива сначала снижается, а затем, при падении параметров воздуха перед насосом-распылителем ниже рабочих значений, вообще прекращается. В процессе снижения давления воздуха перед насосом-распылителем с рабочего значения до нуля происходит вентиляция топочного объема.
Объединенная воздушно-топливная система способна приготавливать горючую смесь на основе всех жидких углеводородных топлив без замены насоса-распылителя. Замена насоса-распылителя потребуется при отоплении котла газом и пылеобразным угольным топливом. Это значит, что одна объединенная воздушно-топливная система в состоянии заменить несколько топливных систем, предназначенных для подачи и подготовки разных видов горючих.


Что сделано

Авторами разработана схема, выбран состав элементов и рассчитаны технические показатели объединенной системы с самовсасывающим воздушно-топливным насосом – распылителем для котла, определены оптимальные соотношения воздуха и топлива на различных режимах работы котла, выявлено необходимое давление воздуха для приготовления воздушно-топливной горючей смеси оптимального состава.

После расчета системы и ее элементов проведены натурная проверка предлагаемой технологии, в которой в качестве рабочей среды использовался сжатый воздух, а подсасываемой средой служила вода. Ее результаты подтвердили практическую реализуемость, работоспособность предлагаемой технологии и правильность расчетов единой воздушно-топливной системы.

В 2007 г. объединенная система прошла испытания на стенде и показала снижение расхода жидкого топлива на 15 %, затем в течение года прошла опытную эксплуатацию на топливосжигающей установке одного из предприятий Якутии, и с 2008 г. по настоящее время находится в эксплуатации.

Необходимо отметить, что объединенная воздушно-топливная система после доработки некоторых элементов может быть использована практически на всех существующих сегодня топливосжигающих установках.
Сравнение рабочих показателей традиционных топливной и воздушной систем и объединенной воздушно-топливной системы котельных установок представлено в таблице.


tab1.jpg




Выводы

Перерасход топлива приводит к увеличению объема сбрасываемых из работающих котельных энергетических установок в воздушный бассейн газообразных продуктов сгорания – экологически вредных газов, что является признаком неудовлетворительной организации процесса сжигания углеводородного топлива в них. Именно поэтому в настоящее время приоритетной задачей специалистов должно стать одновременное повышение экологической чистоты, улучшение экономичности работы и обеспечение максимально возможной многотопливности котельных энергетических установок. Одним из направлений решения в данной области может стать, например, перевод работы котельных установок на технологию сжигания воздушно-топливной горючей смеси оптимального состава, что, по сравнению с сегодняшним использованием воздушно-топливной смеси, позволит снизить загрязнение атмосферы более чем на 6,0‑15 % и на столько же повысить экономичность работы котлов.

Безусловно, разработка и внедрение новых технологий повышения экологической чистоты и экономичности работы энергетических установок довольно затратное и трудоемкое дело, однако научно-техническое развитие современной теплоэнергетики не должно стоять на месте.

Отправить на Email

Похожие Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.