Состояние проблемы

Статья является продолжением публикации [1]. В ней предложена дальнейшая разработка технологии глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания станционных котлов и конкретировано схемное решение и работа узла глубокой утилизации. Также выполнен расчет эффективности системы для котельной установки в технологической схеме ТЭЦ.

В передовых западных странах глубокая утилизация теплоты продуктов сгорания осуществляется применением водогрейных котлов конденсационного типа, оборудованных конденсационным экономайзером (КЭ) без искусственного хладоносителя, т. е. без применения теплонасосной установки [2, 3].

Отопительные конденсационные котлы получили на Западе массовое применение. За рубежом разрабатываются технологии глубокой утилизации и для паровых котлов [4]. В США начато освоение и выпуск поверхностных конденсационных экономайзеров для паровых котлов. В котельной фирмы «Тимкен» (информация из Интернета) испытан поверхностный экономайзер, установленный за котлом паропроизводительностью 20 т/ч. Температура газов на входе в экономайзер 200 °C, на выходе – 45 °C. Вода в нем (22 т/ч) нагревается с 17 до 46 °C. Теплопроизводительность – более 1,1 Гкал/ч, срок окупаемости – 1,5 года.

В типичной для паротурбинных электростанций технологической схеме конденсат подогревают в газовом подогревателе (ГПК), размещенном в хвостовых поверхностях котла. В нем продукты сгорания охлаждают до температуры не ниже 60 °C во избежание конденсации [5].

После конденсатора насосами (иногда через блочную обессоливающую установку – БОУ) конденсат направляется в газовый подогреватель, после которого поступает в деаэратор. При нормативном качестве конденсата БОУ байпасируют. Для того чтобы исключить конденсацию на последних трубах газового подогревателя, температуру конденсата перед ним поддерживают не ниже 60 °C посредством рециркуляции на вход в него подогретого конденсата. С целью дополнительного снижения температуры уходящих газов в линию рециркуляции конденсата нередко включают водоводяной теплообменник, охлаждаемый подпиточной водой теплосети.

Общие положения. Расчетные данные

Надежная конденсация водяных паров продуктов сгорания требует их охлаждения до температуры ниже точки росы Т _Р (для продуктов сгорания природного газа Т _Р = 50–55 °С), примерно до Т _ГУ = 40±5 °С. При этом конденсируются пары, содержащиеся в дутьевом воздухе и образующиеся при сжигании углеводородов топлива (метан, водород и пр.). КПД котла в конденсационном режиме¹ η_K =105 % (по Q _Р^Н) [2]. Очевидно, по сравнению с паспортным режимом газового котла с КПД² 92–94 % выигрыш в КПД, а следовательно, экономия топлива, при глубокой утилизации составит 11–13 % от тепловой мощности котла Q _К. При КПД котла η_K = 100 % удельный расход условного топлива q _УД по определению равен 1 ×106 ккал / 7 000 (ккал/кг) = 142,86 кг у. т./Гкал, а при η_K = 105 %, пересчетом 136,06 кг у. т./Гкал. Таким образом можно подсчитать указанные величины для любого случая. С целью получения простых и достаточно надежных соотношений для расчета процесса глубокой утилизации³ обработан большой массив данных для 13 котлов различных марок в диапазоне Q _К от 8 до 58 МВт и Т _УХ от 98 до 194 °С [1]. Коэффициент теплопередачи «продукты сгорания – конденсат» в конденсационном теплообменнике определялся по эмпирической методике завода – изготовителя теплообменника (ОАО «Калориферный завод», Кострома). Получены следующие значения: 1. Отношение Q _ГУТ / q ₂ находится в пределах 1,22–1,52, где Q _ГУТ – количество утилизируемого теплоты при глубокой утилизации; q ₂ – потеря теплоты с уходящими газами по температуре газов за котлом Т _УХ. 2. Отношение q ₂ / Q _К варьируется в пределах 0,080–0,106. 3. Отношение Q _ГУТ / Q _К изменяется в пределах 0,108–0,143 [4]. Как видно, при глубокой утилизации в 1,22–1,52 раза больше утилизируется теплоты, чем при обычной (сухой). Потенциал сухой утилизации – от 8,0 до 10,6 %, а глубокой – от 10,8 до 14,3 % теплоты от мощности котла Q _К. Существенный разброс результатов связан в основном с неопределенностью значений температуры Т _УХ, меняющейся резко и непрерывно. При всем при этом полученные соотношения позволяют оценить возможности, потенциал и качественно-конкретные показатели исследуемого процесса. Так, по литературным данным 55–60 % теплосодержания продуктов сгорания природного газа составляет теплота парообразования (конденсации), остальное – физическая теплота. Этой пропорции, 60/40, соответствует соотношение Q _ГУТ / q ₂ = 1,47, что хорошо вписывается в полученный диапазон. Как надежные расчетные характеристики можно принимать величины количества сэкономленной в результате глубокой утилизации теплоты – 10–12 % от мощности котла и удельный расход условного топлива порядка 136 кг у. т./Гкал.