150234 (Джерела енергії та вибір енергоносія), страница 3

Для газу вона полягає у тому, щоб подати його до пальника з необхідним тиском. Якщо тиск у магістралі низький, то використовують бустерний вентилятор для подачі газу через регулятори на пальники з (обертовими) чашками при тиску близько 100 см водяного стовпчика. Для запуску цього бустера потрібен невеликий електродвигун.

Підготовка нафти може бути більш складною, якщо використовуються важкі або середні фракції топкового мазуту, оскільки вони потребують підігріву. Якщо використовують газойль (він переважно необхідний як резервне паливо для періодів, коли відсутня подача газу), підігрів не потрібен. Для нагріву важких нафтопродуктів, зокрема топкового мазуту, потрібно від 2% до 5% теплоти пари, що виробляється котлом. Підігрів забезпечує:

– підтримку плинності у баку-накопичувачі (~40⁰С), переважно це досягається за допомогою парового змійовика або випускним нагрівачем, який забезпечує рециркуляцію гарячого нафтопродукту;

– підвищення температури нафтопродукту (~55⁰С) для зменшення в’язкості нафтового палива, що полегшує його перекачку до головки пальника, за допомогою парового або електричного випускного нагрівача, який встановлений знизу бака;

– збільшення температури (~100⁰С) для зниження в’язкості нафтового палива до оптимального рівня, що забезпечує утворення маленьких нафтових крапель, за допомогою ліній з паровим або електричним нагрівом.

До головки форсунки подають дещо більше нафтового палива, ніж це необхідно для підтримки правильного тиску, щоб мінімізувати розміри крапель.

Нагрів мазуту парою або електроенергією використовується для підтримки такої температури у лінії подачі палива, щоб виключити їх закупорку. Нафтове паливо також фільтрується на подвійних фільтрах для підвищення надійності роботи пальника.

Щодо затрат енергії для нагріву нафтового палива, то використання пари є вигіднішим ніж електроенергії, навіть незважаючи на прийняту практику зливу конденсату з системи нагріву у дренаж (щоб уникнути забруднення). Вартість тепла, що отримується від пари, становить половину або менше вартості електричної енергії. Однак електричну систему підігріву мазуту все одно необхідно встановлювати як резервну на випадки, коли пара не виробляється.

Системи, що працюють на важкому та середньому нафтовому паливі, можуть бути очищені та використані для роботи на газойлі у випадках, коли ці рідкі палива зберігаються як резервні для газових опалювальних систем.

Якщо котел працює на твердому паливі, то для роботи систем збагачення і транспортування вугілля використовують електричну енергію. Витрати залежать від того, чи транспорт вугілля в котел забезпечується електричними конвеєрами, чи фазовими повітряними. Фазові конвеєрні системи використовують розріджений або щільний повітряний потік. Фазові системи першого типу забезпечують транспорт при низькому тиску повітря, що створюється вентилятором. Фазові системи другого типу використовують стиснене повітря і є більш дорожчими в експлуатації. Вугілля потребує також затрат, пов’язаних з транспортом та видаленням попелу.

2.4.5.2 Процес згоряння палива у котлі

Керування процесом горіння є критичним фактором щодо отримання високого ККД і зменшення шкідливого впливу на довкілля. Процес горіння потребує достатньо кисню і ретельного змішування та контакту між паливом і киснем. Тому газ є найпростішим, а вугілля найскладнішим паливом з точки зору оптимізації процесів їх горіння.

Діапазон регулювання витрати для систем пальників (тобто відношення максимальної до мінімальної витрат палива) є кращим для рідких або газоподібних видів палива порівняно з твердим. Там, де значна кількість пари витрачається на опалення приміщень, необхідно мати ширший діапазон регулювання. Тому, якщо використовується один котел, вугілля як паливо непридатне. Там, де навантаження стабільніші, можливо спалювати вугілля більш ефективно, однак, в загальному, найкраще застосувати вугілля для живлення великих установок.

З точки зору впливу на природу, використання вугілля набагато шкідливіше внаслідок викидів SO_x, пилу та твердих частинок, хоча теоретично викиди дрібних твердих часточок легко контролювати. Нафта теж шкідлива, тому що містить сірку, кількість якої змінюється від приблизно 0,8% для газойлю, до максимальної величини 3,5% для важкого нафтового палива. Нафтові палива з малим вмістом сірки (до 0,3%) цінуються вище, але найчистішим паливом є газ. Необхідність знижувати викиди СО₂, NO_x, SO_x, а також пилу і дрібних твердих частинок, змушує багато компаній використовувати газові опалювальні котли з низьким вмістом NO_x. Також розглядаються системи для видалення SO_x в димарях під час роботи на нафті в комплексі з рекуператорами тепла, щоб зробити котли більш конкурентними. Застосування систем рекуперації обмежене, оскільки температура тепла, що отримується, є відносно низькою і потрібні спеціальні засоби для її ефективного використання.

2.4.5.3 Пальники

Існують два основні типи газових пальників:

• низького тиску;

• високого тиску.

У пальниках першого типу стиснене повітря виштовхує газ у повітряний потік, де відбувається грубе перемішування. В пальниках високого тиску і повітря і газ подаються до сопла під тиском, що сприяє більш ефективному змішуванню, і забезпечує контроль над формою і довжиною полум’я. Системи пальників високого тиску є найбільш гнучкими і можуть мати дуже великі діапазони регулювання витрати (для котельні типовим є діапазон 5:1).

Нафтові форсунки для котлів бувають трьох видів:

• струменеві з надлишковим тиском;

• з розпилювачем повітря або пари;

• з чашкою, що обертається.

Струменеві форсунки з надлишковим тиском засмічуються і мають діапазон регулювання витрати всього 2:1. Форсунки з розпилювачем повітря або пари особливо придатні для важкої нафти, вони мають діапазон регулювання 4:1, однак споживають більше енергії, щоб створити розпилене середовище. Форсунка з чашкою, що обертається, працює за рахунок створення тонкого шару нафти на чашці під час її обертання. При цьому нафта розпилюється при проходженні через край чашки, де вона стикається з повітрям, яке примусово подається. Така форсунка має діапазон регулювання більший від 4:1 і потребує більш низьких температур в порівнянні з іншими видами форсунок.

Топкові камери для вугілля можуть бути розділені на такі види:

• з колосниковою решіткою;

• з псевдозрідженим шаром.

Тут не розглядаються системи згоряння флюїдного типу, в яких використовують тонко подрібнене або пилоподібне вугілля, що характерне для установок, які застосовуються на електростанціях.

Котли для твердого палива з колосниковою решіткою бувають фіксованого, рухливого або спринклерного типу. Рухливі колосникові решітки можуть бути безперервного, стрічкового або нахиленого типу. Взагалі, будь-яке вугілля повинно перебувати достатньо довго у топці, щоб забезпечити максимально можливе вигорання вуглецю. Незначна кількість вуглецю все ж залишається у золі. Обидві топкові камери потребують, щоб вугілля мало розміри певного діапазону. Вони погано працюють з тонко подрібненим паливом, що виноситься з печі топковими (димовими) газами. Спринклерні котли мають діапазон регулювання 3:1.

Спалювання з використанням псевдозрідженого шару зазвичай застосовується на великих котлах, оскільки такі пристрої потребують великих капітальних затрат. Однак ці пристрої мають перевагу в тому, що у них знизу можлива подача вапна і таким чином є можливість абсорбції сірки з палива і об’єднання горіння з процесом очищення. Недолік – необхідно подавати на вентилятори більшу потужність, щоб забезпечити зрідження шару вогнетривкого піску. Часто швидкість потоку повітря є більшою від оптимальної, яка необхідна для повного згоряння, тому ККД отримується на декілька відсотків менше, ніж для інших типів котлів.

2.4.5.4 Тепловий обмін

Котли, на відміну від пальників або форсунок, є теплообмінниками. Більшість котлів призначається для передачі тепла, що отримане при згорянні палива. Вони забезпечують отримання тепла з певним ККД, величини яких наведені у табл. 7. У процесі згоряння на виході отримується тепло у формі випромінювання та конвекції. Для передачі променистого тепла використовується широка жарова труба і комплект вужчих труб для конвективної теплопередачі.

Таблиця 7. ККД котла і вміст вуглецю у паливі

Для забезпечення ефективного переносу тепла обидві поверхні труб, як жарова (вогнева), так і водяна, повинні бути чистими.

На жарових поверхнях накопичується сажа, окисли та інші забруднення, що утворюються під час згоряння палива.

Концентрація розчинених неорганічних хімічних речовин у воді, яка циркулює у котлі, внаслідок випарювання збільшується, що викликає сильне нашарування накипу на водяних поверхнях труб, і в кінцевому підсумку це може бути небезпечним через можливе їх пошкодження. Щоб це попередити, певна контрольована кількість води видаляється з котла. Ця операція називається продувкою котла і виконується за графіком або безперервно. Гаряча вода продувки виносить з собою тепло, що подеколи повертається у бак для гарячого конденсату.

Втрати тепла з поверхні котла майже постійні. При повному навантаженні вони для сучасних котлів приблизно рівні 1–1,5%, але оскільки навантаження котла часто буває неповним і можлива його робота у резервному режимі, то втрати у таких випадках бувають більш високими, біля 3% -5% від повної витрати палива на рік. Загальний ККД котла в результаті перелічених втрат знижується до 75%. Це реальна цифра для котлів, що працюють на газі, нафті та вугіллі і саме її слід брати до уваги при проектних розробках нових джерел енергопостачання чи реконструкції існуючих систем генерації пари.

2.4.5.5 Подача пари споживачам

Переважно подача пари споживачам здійснюється при тиску дещо більшому, ніж це необхідно. Це гарантує забезпечення кінцевого тиску, необхідного споживачу.

Втрати зумовлені теплопередачею з трубопроводів та витоками пари. Для добре спроектованих та правильно експлуатованих систем втрата тепла не більша від 2–5% початкової потужності пари у котлі. При втраті тепла у трубопроводі утворюється конденсат, який зазвичай видаляють за допомогою конденсаційного глечика. Використання перегрітої пари призводить до підвищення температури пари і, як наслідок, збільшення втрат з трубопроводів. На величину втрат впливає також розмір труб. Більшість систем мають труби більшого ніж це потрібно розміру, що зв’язане з додатковими капітальними та експлуатаційними затратами. Останнє зумовлене частково тим, що труби більших розмірів мають додаткові втрати тепла. Проте часто розміри труб завищують, щоб передбачити можливість збільшення продуктивності системи у майбутньому.

2.4.5.6 Втрати конденсату

Сконденсована під тиском пара починає закипати, коли рідина повертається до умов атмосферного тиску у баках-накопичувачах. Закипаючий конденсат переважно втрачається в атмосфері і для конденсату при тиску 7 бар це становить біля 50% тепла, яке до того було у конденсаті. Оскільки сам конденсат при тиску 7 бар має 26% від тепла, що була у підведеній парі, та загальна втрата на закипання становить 13% від початкової величини. Якщо пізніше конденсат при атмосферному тиску випускається у дренаж (каналізацію), втрати тепла складають ще 13% від кількості тепла у підведеній парі. Таким чином, на типовій виробничій площадці, де вся пара закипання втрачається і повертається лише 50% конденсату, загальні втрати тепла становлять не менше від 20%. Крім того, тепло втрачається при транспортуванні конденсату по трубопроводах.

2.4.5.7 Котельня – загальна система

Зменшення енергії у процесі її підготовки до споживання показане у табл. 8. Бачимо, що існують дві ділянки з найбільшими втратами – це котел та розподілювальна мережа подачі пари споживачам.

Таблиця 8. ККД системи подачі тепла

Загальний ККД системи подачі тепла близький до 45–50%. Об’єкти з довгими паропроводами, поганим станом ізоляції та проблемами з витіканням пари можуть мати значно менші значення ККД. Це робить тепло, яке подається до місця споживання пари, дуже дорогим. Але в загальному, центральна котельня має можливість зміни виду палива, що дозволяє знизити експлуатаційні затрати.

При визначенні вартості тепла необхідно враховувати всю систему, котра забезпечує подачу тепла, а не тільки котли або котельню. Якщо аналізувати зростаючу вартість пари, буде очевидно, що найбільша втрата енергії (з точки зору вартості), появляється в результаті втрати тепла у паровому конденсаті та на етапі транспортування пари. Мінімалізація втрат тепла є одним із важливих завдань енергозбереження.