Опыт применения дополнительного охлаждения дымовых газов в Удмуртии

журнал "Новости теплоснабжения" май 2014

В этой статье описан опыт внедрения и эксплуатации системы дополнительного охлаждения дымовых газов на примере отопительной водогрейной котельной в г. Ижевске, а также приведена экономическая оценка данного энергосберегающего мероприятия.

Согласно технической литературе, одно из составляющих в тепловом балансе теплогенерирующей установки – это потери с уходящими газами. Даже после стальных и чугунных экономайзеров паровых котлов температура дымовых газов может достигать 150÷200 ºС, в водогрейных котлах дополнительное охлаждение изначально не предусматривается. Потери теплоты с уходящими газами в водогрейных котлах достигают 10%, а это тысячи Гкал тепловой энергии, выброшенной в атмосферу.

Вспомним, из чего состоит тепловой баланс котла:

q1+q2+q3+q4+q5+q6=100%

1. q1 - теплота, полезно использованная в котле на получение пара или горячей воды.
2. q2 - потери теплоты с дымовыми газами, уходящими из котла.
3. q3 - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива. В газовых котлах с современными горелками q3=0.
4. q4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива. Этот вид потерь свойственен твердотопливным котлам.
5. q5 - потери тепла в окружающую среду с поверхности котла. В целях безопасности и энергосбережения поверхность котла подлежит теплоизоляции, долю потерь при этом производители оценивают по-разному. В технической литературе [5] встречаются номограммы, отражающие зависимость потерь через поверхность котла от его мощности, вида топлива, конструкции. В ряде случаев возможна ситуация, что потери с поверхности котла полностью покрывают отопительную нагрузку помещения котельной.

Таким образом, в современном газовом котле практически все потери сводятся к теплоте уходящих дымовых газов. Однако, как часто водогрейные котельные оснащаются системой глубокого охлаждения дымовых газов? Всеобщий отказ от дополнительного охлаждения продуктов сгорания обусловлен некоторыми мифами:

1. Низкая температура дымовых газов приводит к интенсивной коррозии. Сравнительно недавно появились технологии для устройства газоходов и дымовых труб из нержавеющих сталей, а при охлаждении дымовых газов выпадает конденсат, который, естественно, служит причиной коррозии стальных дымоходов. В Удмуртии сегодня несколько компаний предлагают теплоизолированные сборные газоходы из коррозионностойких материалов.
2. При глубоком охлаждении образуется сернистая кислота. При локальном охлаждении дымовых газов до точки росы (60÷80 ºС в зависимости от вида топлива [2]) выпадает конденсат и, соединяясь с продуктами сгорания серосодержащих топлив (каменный уголь, мазут), образует сернистую кислоту. Однако большинство котельных в малой энергетике Удмуртии по очевидным причинам сжигают исключительно природный газ, поэтому конденсат при охлаждении дымовых газов до точки росы представляет собой бесплатную чистую дисцилированную воду, пригодную для подпитки сети или хозяйственно-бытовых нужд. Ни для кого не секрет, что затраты на воду – одна из статей расходов в структуре тарифа.
3. При глубоком охлаждении дымовых газов температурный напор слишком мал для нагревания воды. В этой связи возникает вопрос: «Что нагреть, охлаждая дым?» Действительно, холодную воду за счет охлаждения дымовых газов даже теоретически можно нагреть лишь до 50 ºС, остаточная температура продуктов сгорания при этом составит порядка 70 ºС. На первый взгляд, при отсутствии централизованного горячего водоснабжения и значительного расхода исходной воды на подпитку сетей низкопотенциальную энергию дымовых газов утилизировать невозможно. Но это лишь на первый взгляд.
4. У охлажденных газов хуже рассеивание. Как показывает практика, высота дымовых труб из условий рассеивания выбросов при сжигании природного газа редко превышает 15÷20 м даже в черте города, их самотяга намного меньше, чем напор вентилятора горелки или дымососа.

Классический подход глубокого охлаждения дымовых газов прост, широко известен, где-то даже применяется. Как правило, используются контактные, они же рекуперативные, утилизаторы, продукты сгорания охлаждаются до температуры, несколько превышающей точку росы, теплота направляется на подогрев сырой воды для нужд ГВС или подпитки. Экономия топлива при этом достигает 5÷10 %. В этой статье рассмотрено нестандартное техническое решение по дополнительному охлаждению теплоту дымовых газов.

На территории Удмуртии большое количество водогрейных газовых котельных, обеспечивающих лишь отопительную нагрузку. Как правило, это бюджетные организации в сельской местности, административные, складские комплексы. Расход воды на подпитку тепловых сетей невелик.

В г. Ижевске в 2012г. спроектирована и построена водогрейная котельная ООО «Уральская управляющая компания» по ул. Салютовская на базе 1-го котла мощностью 2 МВт и 2-х котлов мощностью по 1 МВт. В целях энергосбережения была предусмотрена система охлаждения дымовых газов, принципиальная тепловой схема которой изображена на рисунке 1.   

                                                        

Рисунок 1. Тепловая схема

На пути дымовых газов устанавливаются воздушные калориферы (2 шт. для котла мощностью 2 МВт, 1 шт. для котлов мощностью 1 МВт), в водяной контур направляется часть обратной сетевой воды (трубопровод Т2). Сразу хочется отметить, давление горелок достаточно для преодоления дополнительного аэродинамического сопротивления, создаваемого калорифером. Слив конденсата с дымовой трубы предусмотрен в дренажный приямок котельной (трубопровод Т8). Распределение потоков настраивается регулятором перепада давления.

Методика теплового и конструктивного расчета контактных теплоутилизаторов подробно изложена в [2]. В рассматриваемой котельной были выбраны калориферы КСК 3-9 по приближенной оценке площади теплообмена, аэродинамическому сопротивлению и массогабаритным параметрам. Теплоутилизаторы вмонтированы в дымоходы, как изображено на рисунке 2.

                                                   

                                                                         а)                                                                                                                 б)

                                  

                                                                        в)                                                                                                                    г)

Рисунок 2.

    а) –2 калорифера в дымоходе котла мощностью 2 МВт после монтажа;

    б) – то же в проекте;

    в) калорифер в дымоходе котла мощностью 1 МВт после монтажа;

    г) – то же в проекте.

Технико-экономический расчет системы дополнительного охлаждения дымовых газов выполнен со следующими граничными условиями:

1. При качественном регулировании отпуска теплоты на нужды отопления по графику 115/60 ºС и среднеотопительной температуре наружного воздуха в г. Ижевске -5,6 ºС [1] средняя температура воды в обратном трубопроводе составит 44 ºС.
2. Поскольку все котлы отличаются лишь мощностью, расчет производится в целом для котельной.
3. Расход сетевой воды через котельную всегда остается постоянным.
4. Среднеотопительная нагрузка рассчитана по температуре воздуха у потребителей +18 ºС.
5. При среднеотопительной нагрузке в работу включено минимум 2 теплоутилизатора.
6. Продолжительность отопительного периода 219 суток.
7. Годовое потребление природного газа получено расчетным путем.
8. Стоимость топлива – 4 руб./ м³.

Температура дымовых газов после теплоутилизатора получена по тепловому балансу:

Q = a· B_газ· V_{дг ·} ((273₊Т^дг₁) / 273) · с_{дг ·} (Т^дг₁- Т^дг₂) = G_{в ·} с_{дг ·} (t_в1 - t_в2)

Где - Q - тепловая энергия, выделяемая при дополнительном охлаждении дымовых газов, Гкал/час;

- a - коэффициент избытка воздуха, принимается по проектным данным;

-  V_дг - удельный выход продуктов сгорания при сжигании природного газа, м³/м³. Принимаем по [4];

- Т^дг₁ - температура дымовых газов на выходе из котла, ºС. Принимается по паспортным данным котлов;

- Т^дг₂ - температура дымовых газов на выходе из теплоутилизатора, ºС. Определяется расчетно по балансу;

-  с_дг - удельная изобарная теплоемкость продуктов сгорания, ккал/кг∙ºС [4];

- G_в - расход обратной сетевой воды через теплоутилизатор, кг/час. Принимается по гидравлическим параметрам калорифера и настраивается регулятором перепада давления при наладке котельной.

- t_в1 и t_в2 - температура воды до теплоутилизатора и после него соответственно, ºС. Реальные эксплуатационные значения.

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчет дополнительного охлаждения дымовых газов

Параметр	Расчетный режим (34 ºС)	Среднеотопит. значение (-5,6 ºС)
Установленная мощность котельной, Гкал/час	3,44	3,44
Присоединенная нагрузка, Гкал/час	2,58	1,17
Кол-во работающих теплоутилизаторов, шт.	3	2
Расход природного газа, м³/час	350,5	159,1
Температура дымовых газов на выходе из котла по паспортным данным, ºС	190	150
Расход дымовых газов, м³/час	7848	3254
Плотность продуктов сгорания, кг/м³	0,76	0,83
Расход дымовых газов, кг/час	5983	2715
Температура дымовых газов на выходе теплоутилизатора, ºС	80	115
Средняя теплоемкость, ккал/кг∙ºС	0,3	0,3
Тепловыделение при охлаждении газов, Гкал/час	0,197	0,029
Температура обратной сетевой воды, ºС	70	44
Расход сетевой воды в котельной, м³/час	47	47
Расход сетевой воды через теплоутилизаторы, м³/час	6,0	4,0
Температура сетевой воды на выходе из теплоутилизатора, ºС *	103	51
Температура сетевой воды на входе в котлы, ºС **	74,2	44,6
Прирост КПД котла	7,7%	2,4
Годовое потребление газа (расчетно), тыс. м³	-	836,2
Годовые затраты на газ, тыс. руб.	-	3344,8
Экономия топлива, тыс. руб.	-	81,4

* Эксплуатационное значение

** После смешивания основного потока и воды, подогретой в теплоутилизаторе

Согласно тепловому балансу дымовые газы при среднеотопительном режиме работы котельной охлаждаются до 115 ºС. Для более глубокого охлаждения необходимо увеличение площади теплообмена калорифера и температурного напора между греющим и нагреваемым контуром.

Таким образом, даже при отсутствии возможности подогревать холодную воду применение дополнительного охлаждения дымовых газов дает прирост КПД в среднеотопительном режиме 2,4 %. Экономический эффект определен из сокращения издержек на топливо.

Конечно, наряду с техническими характеристиками большой интерес представляют также капитальные вложения и сроки окупаемости энергосберегающих мероприятий.

Среднерыночная стоимость калорифера КСК 3-9 с нагревательными элементами из сварных труб составляет 7 тыс. руб. В Удмуртии несколько предприятий производят подобное оборудование.

Дополнительные затраты на монтаж примем равными 70 % от стоимости оборудования. Тогда капитальные вложения составят:

К= 4 шт.∙7 тыс. руб.∙1,7= 47,6 тыс. руб.

Простая окупаемость С= 47,6/81,4 = 0,58 от отопительного сезона, т.е. 128 суток.

Итак, что получается на выходе? Скромная годовая экономия в денежном выражении, но малые сроки окупаемости становятся на чаши весов. Личное мнение автора таково, что описанное выше мероприятие вполне приемлемо при внедрении его на стадии строительства котельной или технического перевооружения системы дымоудаления. Эксперимент по дополнительному охлаждению дымовых газов обратной сетевой водой, считаю, удался.

На территории Удмуртии также применяется утилизации теплоты дымовых газов традиционным подогревом подпиточной воды или исходной воды для ГВС в котельных ОАО «Балезинский литейно-механический завод», ОАО «Реммаш».

Список литературы:

1. СНиП 23-01-99. Строительная климатология
2. Использование тепла уходящих газов газифицированных котельных/ Аронов И.З.-М.: Энергия, 1967г.
3. Энергосбережение в теплогенерирующих установках/ Кудинов А.А. – Ульяновск: УлГТУ, 2000г.
4. Справочник по газоснабжению и использованию газа/ Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н. -Л.: Недра, 1990. – 762 с.
5. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). Издание 3-е переработанное и дополненное. Издательство НПО ЦКТИ, Спб, 1998.

Автор Л.Ф.Иллалетдинов