Опыт утилизации тепла дымовых газов на теплоисточниках города Риги.

Статья «Утилизация тепла дымовых газов на теплоисточниках города Риги» подготовлена как отчёт РАС „Рижское агенство энергетики” (РАЭ) и АО „РИГАС СИЛТУМС” (РС) об участии в финансируемом Европейской Комиссией международном проекте о поддержании Европейской энергетики с целью изменения концепции и структуры использования топливных ресурсов в будущем (SUSTAINABLE ENERGY EUROPE; A European campaign to change the landscape of Energy) по отношению к существующей.

Введение

Централизованное теплоснабжение является доминирующим видом теплоснабжения в Риге. В концепции развития системы теплоснабжения города Риги на 2006 – 2016 годы отображены главные направления его развития, которые необходимо учитывать при планировании и реализации мероприятий по обеспечению теплом, при модернизации теплоисточников, при улучшении качества сервисных услуг, при повышении энергоэффективности, при планировании и реализации снижения энергопотребления, а также при тарифообразовании.

AО "РИГАС СИЛТУМС" является главным поставщиком тепловой энергии в Риге. 70% от общего объёма реализации закупается у принадлежащих АО „Латвэнерго” теплоэлектроцентралях ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Остальные 30% производится собственными источниками тепла. Основной вид топлива – природный газ а также древесная щепа на когенерационном блоке ТЦ „Даугавгрива” и ТЦ „Вецмилгравис’’.

За последние 15 лет была проведена большая работа по приведению в порядок и реабилитации городской системы теплоснабжения. Продолжая ранее начатую AО „РИГАС СИЛТУМС” программу модернизации, были привлечены необходимые инвестиции, в результате чего на ряде теплоисточников были реализованы технические решения по утилизации тепла уходящих газов, повысив таким образом энергоэффективность теплоэнергетических агрегатов. На ТЦ „Иманта”, когенерационных станциях на ул. Керамикас 2а и просп. Виестура 20, а также на автоматических газовых котельных на ул. Триядибас 5 и Наутрену 24 были установлены устройства утилизации тепла дымовых газов, позволяющие получать дополнительную тепловую энергию без дополнительного сжигания топлива. Особое внимание следует уделить утилизатору тепла дымовых газов, которое установлено на котле КВГМ-100 теплоцентрали „Иманта”. Котлы этого типа были широко распространены в странах Восточноевропейского блока и находятся в работе по сей день. Именно поэтому пример повышения энергоэффективности ТЦ „Иманта” имеет международное значение.

Цели и ход реализации проекта

Реализация проекта предусматривает проведение исследования эффективности утилизации тепла дымовых газов с помощью установленных на теплоисточниках AО „РИГАС СИЛТУМС” экономайзеров и родготовки отчёта о приобретённом опыте для финансируемого Европейской Комиссией международного проекта о поддержании Европейской энергетики с целью изменения структуры использования топливных ресурсов в будущем (SUSTAINABLE ENERGY EUROPE; A European campaign to change the landscape of Energy). Работа над проектом началась 1 ноября 2009 года,
и как партнёры по его реализации выступили Рижское Агенство Энергетики (РАЭ) и АО „РИГАС СИЛТУМС” (РС). В качестве источников исследования использовались установленные в РС конденсационные экономайзеры на ТЦ „Иманта”, когенерационных станциях на ул. Керамикас 2а и просп. Виестура 20, а также на автоматических газовых котельных на ул. Триядибас 5 и Наутрену 24. Диапазон установленных мощностей экономайзеров колеблется от 110 kW до 10 MW на крупнейшей в Латвии установке на ТЦ „Иманта”.

Технологические аспекты проекта и вызовы энергетики

Проведённое исследование об использовании пассивных экономайзеров для работающих на природном газе водогрейных котлов большой мощности весьма актуально для Восточноевропейского региона, где внедрение котлов такого типа было обусловлено обеспечением пиковых тепловых нагрузок, а теперь же остро поднимается вопрос повышения эффективности данных агрегатов. Полученный опыт позволяет добиться значительной экономии топлива и повыить эффективность работы котельного агрегата. В данной работе обобщены результаты реконструкции и исследования по эксплуатации водогрейных котлов средней и большой мощности оборудованных пассивными экономайзерами. Более детальную информацию о практических примерах реконструкции водогрейных котлов большой мощности можно получить ознакомившись с указанной в списке литературы 4-й публикацией, где описаны основные рекомендации по подготовке к установке конденсационных экономайзеров.

Сейчас проходит процесс постепенной реабилитации Мировой экономики от последствий крупнейшей за последние десятилетия экономической депрессии, цены на нефть, как впрочем и на другие энергетические виды топлива, понемного приближаются к той беспрецедентно высокой планке, которая была достигнута незадолго до начала кризиса и стоимость нефти составила 145 USD за баррель.



Учитывая полученный опыт, энергопредприятиям необходимо своевременно подготовиться к очередному скачку цен на топливо и провести мероприятия по повышению энергоэффективности. Первый шаг который следовало бы предпринять - это установка конденсационных экономайзеров для утилизации тепла дымовых газов.

Конденсационные экономайзеры широко используются для понижения температуры дымовых газов, повышения коэффициента полезного действия (КПД) котельного агрегата, улучшения ситуации окружающей среды а также для экономии финансовых средств на закупку топлива. Обычно конденсационные экономайзеры позволяют повысить КПД водогрейного котла от 94% до 100%, а в отдельных случаях даже до 107% по отношению к низшей теплоте сгорания топлива.

Одним из преимуществ конденсационных экономайзеров, в отличие от других устройств для теплообмена с дымовыми газами, является возможность возможность утилизации латентного (скрытого) тепла. Латентным теплом называется количество теплоты, поглощаемое системой при переходе фаз агрегатного состояния (таяние, испарение и др.) или же выделяемое при обратных процессах фазового перехода (кристаллизация, конденсация и др.). Преимущества латентного теплообмена отображены на иллюстрации Nr. 2.



На 2-й иллюстрации видно, что при понижении температуры на участке от точки С до точки В прирост КПД невелик, но начиная от точки В (температура дымовых газов прорядка 58°C) происходит заметное изменение КПД. Это связано со стремительным приростом утилизации латентного тепла, который затухает при температуре ниже 37°C.

История изучения конденсационных экономайзеров

По своей конструкции конденсационные экономайзеры делятся на активные и пассивные. Возможности их использования в Латвии изучали такие учёные Рижского Технического Университета как проф. Игорь Ильин, Dr.sc.ing. Майя Рубина, Dr.sc.ing. Павел Попов, и др.

Исследования свидетельствуют, что в странах Восточноевропейского региона получил широкое распространение принцип «качественного» регулирования теплоснабжения. В теплосети вводился высокотемпературный потенциал, температура дымовых газов непосредственно за котлом была высокой и отбор латентного тепла в экономайзерах осуществлялся при помощи впрыскивания дополнительной воды прямо на трубчатаю решетку расположенного в тракте дымохода теплообменника. Такой принцип централизованного теплоснабжения не позволял обеспечить низкую температуру обратного теплоносителя Т2 и активные конденсационные экономайзеры- КТАНы были единственой возможностью обеспечить режим конденсации в теплообменном аппарате, так как при температуре 58-60°C он практически прекращается.

В семидесятые годы прошлого века активные конденсационные теплообменные аппараты получили широкое распространение в Латвийском теплоснабжении. Разработанные Латвийскими специалистами контактные теплообменники с активной насадкой широкой публике более известны под названием КТАН (см. иллюстрацию Nr.3).

К сожалению, доступные в то время материалы для изготовления активных насадок обычно были низкокачественными, в связи с чем срок службы теплообменников был сравнительно недолгим. В связи с низким уровнем рН утилизация конденсата также бала проблематичной. В наше время активные конденсационные экономайзеры широко используются для отбора теплоты дымовых газов при работе с твёрдым топливом, где температура уходящих газов обычно достаточно высока и для обеспечения конденсации необходмио проводить дополнительные мероприятия.



Более широкому распространению конденсационных экономайзеров также мешала конструкция используемых в энергетике дымовых труб. Подключить конденсационные экономайзеры с глубоким охлаждением к кирпичной или бетонной трубе без дополнительного подмешивания горячих дымовых газов или же к футерованной нержавеющей сталью дымовой трубе практически не представлялось возможным по причине фактической недоступнусти изделий из нержавеющей стали.

Температура сетевого теплоносителя на выходе из активной насадки ограничевается температурой влажного термометра дымовых газов, так как при сжигании природного газа с коэффициентом избытка воздуха 1,0 – 1,5 температура влажного термометра дымовых газов составляет 55-65°C.

Температура дымовых газов на выходе из КТАНа принята на 8 - 10°C выше, чем температура сетевой воды на входе в экономайзер. После сепарации дымовых газов для понижения уровня влажности перед выводом в дымовую трубу дополнительно подмешиваются 7 – 10% неохлаждённых дымовых газов.

В наши дни экономайзеры с активной насадкой обычно упрощённого типа, не предусмотренные для использования большого количества холодной воды. В связи с тем, что уровень влажности дымовых газов не оказывает существенного влияния на современные дымовые трубы, больше не предусматриваются линии подмешивания «свежих» дымовых газов. Уровень потребления тёплой воды на энергопредприятиях кардинально снизился.

Пассивные конденсационные экономайзеры

Пассивными конденсационными экономайзерами называются теплообменные аппараты с достаточно большими поверхностями, на которых дымовые газы, без дополнительного увлажнения, отдают теплоносителю (обычно это вода городского теплоснабжения) частично или полностью всё латентное тепло.

АО „РИГАС СИЛТУМС” обладает опытом применения конденсационных экономайзеров на газовых водогрейных котлах с установленной мощностью 1,1; 1,4; 2,6; 5; 9 и 116 MW.

Способ подключения пассивноых экономайзеров может различаться в зависимости от теплотехнической схемы котельной и особенностей нагрузок. На 4-й иллюстрации отображена обвязка котла средней мощности с двумя параллельными конденсационными экономайзерами и прямым подключением к теплосетям в котельной на ул. Триядибас 5.



По принципу прямого подключения к теплосетям могут работать котельные как низкой, так и средней мощности.

Намного сложнее применение конденсационных экономайзеров на когенерационных станциях, где обычно для сохранения объёма генерации электроэнергии при низких температурах наружного воздуха когенерационный блок не способен выдавать в тепловые сети воду с температурой превышающей 90°C. Таким образом, функция повышения T1 приходится на водогрейные котлы, что автоматически ухудшает режим работы конденсационного экономайзера. По этому принципу работают
ТЦ „Иманта”, а также когенерационные станции на ул. Керамикас 2а и просп. Виестура 20.



Эффективность реализации проектов по установке экономайзеров в большой степени зависит от количества часов их работы на максимальной мощности. Опыт эксплуатации экономайзеров в котельных свидетельствует, что как минимум раз в квартал, даже в отопительный сезон, котёл необходимо отключать на несколько часов для проведения профилактических работ дымососов и вентиляторов, а также для проверки автоматики и др.

Для проведения исследования был выбран самый большой из установленных в Латвии пассивных экономайзеров, который установлен на типовой водогрейный котёл КВГМ с установленной мощностью 116 MW. Предварительно котёл был реконструирован с установкой четырёх горелок с пониженным уровнем содержания вредных выбросов NOx. Обработку полученных данных облегчила функционирущая в АО „РИГАС СИЛТУМС” оперативно-техническая информационная система контроля за работой технологического оборудования(OTIS), которая позволяет использовать накопленные за длительный период времени статистические данные показателей работы котельных агрегатов как в табличном, так и в графическом форматах.

Описание технического обеспечения и оборудования проведённого исследования

Для обеспечения наблюдения за параметрами работы теплоисточников и теплосетей специалистами АО „РИГАС СИЛТУМС” разработана система(TDS) позволяющая осуществлять дистанционный контроль рабочих параметров как отдельных агрегатов, так и теплоисточников в целом.

На всех главных агрегатах установлены счётчики вырабатываемой теплоэнергии, корректоры давления и температуры и другие необходимые устройства, дающие полную информацию об их деятельности.

На водогрейных котлах и когенерационном блоке ТЦ „Иманта” установлено оборудование мониторинга дымовых газов, регистрирующее их состав и температуру.

На котельных агрегатах крупнейших теплоисточников установлены измерительные приборы, контролирующие содержание кислорода и температуру дымовых газов, показания которых считываются и архивируются программами управления.

Считывание данных происходит в автоматическом режиме с интервалом времени 1 мин. и с последующим архивированием и сохранением в базе данных. Результаты можно обозревать в системе TDS, проводить анализ как в табличном, так и в графическом виде, копировать и обрабатывать в MS Exсel.

Все топливные и тепловые измерительные приборы, результаты которых использованы и обработаны в процессе исследования, соответствуют выдвигемым коммерческим требованиям.

Режимы эксплуатации пассивного конденсационного экономайзера установленного на котле КВГМ 100

В Латвии самыми большими водотгрейными котлами работающими на природном газе являются котлы КВГМ-100, режимная карта одного из них показана в таблице Nr.1. На ТЦ „Иманта” установлено 3 котла такого типа. Из приведённой ниже режимной карты следует, что эффективность котла стабильно высока вплоть до нагрузки 60 MW. После достижения определённой мощности, КПД может понизиться до 2% при максимальной нагрузке. Работа котла в режиме максимальной нагрузки увеличивает риск останова в случае перебоя электроснабжения, что может привести к нежелательной напряжённости в общей системе теплоснабжения. Данные свидетельствуют, что котёл стабильно работает при 75% от номинальной мощности, таким образом наиболее рациональная базовая нагрузка котла составляет 90 MW, что было подтверждено опытным путём начиная с момента пуска экономайзера в работу 01.11.2009 по 01.10.2010.



В ноябре 2009 года на ТЦ „Иманта” был сдан в эксплуатацию установленный за котлом КВГМ-100 Nr.3 произведённый Датской компанией „DET” пассивный конденсационный экономайзер типа 4x200-36-200 (иллюстрация Nr.6). Номинальная тепловая мощность экономайзера 10 MW. Перед этим была проведена реконструкция железобетонной дымовой трубы - в существующей трубе, используемой как несущая конструкция, было установлено три теплоизолированных, изготовленных из высококачественной нержавеющей стали марки 10 HNAP (COR-TENA) ствола с внутренним диаметром Dn 1700 мм по одному на каждый из водогрейных котлов КВГМ-100 Nr. 3,4,5.



Ниже, на иллюстрации Nr.7 можно видеть схему подключения экономайзера и режим его работы при температуре +8,9°C.



При проведении анализа работы в декабре 2009 года (иллюстрация Nr.8), было констатировано, что удерживая неизменной мощность котла
90 MW, его средняя дневная эффективность наиболее высока при Т2 ≤43°C, отдача латентного тепла, в свою очередь, стремительно понижается при T2=49°C и выше.



Как дополнительный фактор, который задерживает отдачу латентного тепла при низких температурах наружного воздуха, необходимо упомянуть заметное повышение температуры воды на выходе из котла Tk2 для возможности поддержания требований температурного режима, где в отличие от 100°C при Тн.в.=0°C она может меняться до 130-150°C при
Тн.в.-10°C и ниже. При T2≥52°C мощность экономайзера по сравнению с мощностью при T2=40°C падает как минимум на 40%. Оценив количество выделяемого конденсата, была констатировано его прямое соостветствие мощности экономайзера. При условиях низких температур наружного воздуха количество конденсата может быть на 70% меньше, чем при среднестатистических температурах отопительного сезона, но зато с гораздо большим удельным содержанием абсорбированного СО2.



Таблица Nr.2 отображает идеальные условия для работы пассивного конденсационного экономайзера несмотря на аномально низкие температуры прошедшего отопительного сезона 2009-2010 г. климатические условия в период времени с 1 января до 1 февраля 2010 года, когда среднемесячная температура достигла -10,56°C, T2 поднялась до 48,3°C, а средняя мощность экономайзера составила 5,25 MW.

Зафиксированные опытным путём мощности конденсационного экономайзера отображены на иллюстрации Nr.9. На графике обобщены сведения о работе конденсационного экономайзера при неизменной нагрузке котла 90 MW. Он показывает, что при температуре наружного воздуха -20°C, отдача латентного тепла полностью прекращается. Показания счётчика учёта конденсата свидетельствуют, что при -20°C его количество составляет всего 0,5 t/h по сравнению с 5,9 t/h при Т н.в. 0°C. Исследования показывают, что при особо низких температурах, работая с неизменной тепловой нагрузкой, периодически наблюдается низкая теплоотдача, что свидетельствует об изменчивости режима работы котла.



Результаты проекта

В данной работе обобщены достигнутые с момента начала реализации проекта достойные внимания результаты.

Среднемесячные температуры наружного воздуха прошедшего отопительного сезона были нетипично низкими, что дало возможность убедиться в качественном исполнении котельного агрегата в условиях высокой нагрузки а также изучить процесс конденсации дымовых газов в довольно суровых климатических условиях. На 10-й иллюстрации можно увидеть сравнение средних фактических температур наружного воздуха во время проведения эксперимента по отношению к нормативам.



Особо суровыми выдались погодные условия в январе 2010 года, когда среднемесячная температура была на 5,86°C ниже предусмотренных климатических норм, а по сравнению с температурой января 2009 года на 8,96 °C.

В свою очередь пониженная на 1,2°C температура воздуха в октябре (последнем месяце проводимого исследования), явилась позитивным фактором, повлиявшим как на объём производимого тепла, так и на экономию, показанную установленными конденсационными экономайзерами.



Несмотря на то, что такие климатические условия оказали значительное влияние на выработку конденсационного экономайзера, была достигнута значительная экономия природного газа, которая на момент окончания исследования суммарно составила 3 979,64 млн. м³, (Иллюстрация Nr.11). Выбросы CO2 также сократились на 7 240 тонн (Иллюстрация Nr.12), что позволило обеспечить жителям города более высокое качество окружающей среды а предприятию сэкономить на покупке дополнительных квот.



Из приведённых графиков явно следует, что цель проекта успешно реализована и среди основных результатов необходимо отметить улучшение экологической обстановки а также снижение объёма потребления импортируемого природного газа, что свидетельствует о приросте эффективности работы источника теплоснабжения при использовании конденсационных экономайзеров.

Проводимые во время исследования дополнительные мероприятия

В связи с тем, во время реализации проекта были достигнуты хорошие результаты, предприятие приняло решение о проведении дополнительных мероприятий по оборудованию как можно большего количества котлов конденсационными экономайзерами. С ноября 2010 года планируется ввести в эксплуатацию новые экономайзеры с общей мощностью 0,6 MW в котельной на ул. Баускас. На реконструируемой теплоцентрали «Вецмилгравис» суммарная мощность устанавливаемых экономайзеров составит 4,8 MW, что будет второй по мощности подобной инсталляцией
АО „РИГАС СИЛТУМС”.

Для повышения эффективности использования ранее установленных экономайзеров в котельной на ул. Керамикас 2а была реконструирована схема их пдключения.

В связи с тем, что своё дальнейшее будущее предприятие неразрывно связывает с обширным использованием местных энергоресурсов, проводятся активные исследовния вопроса утилизации тепла котельных агрегатов работающих на древесной щепе. Увеличение объёмов применения древесной щепы связано с повышением спроса на устройства повышающие эффективность работы таких котельных агрегатов, КПД которых зачастую не превышает 85%.

Ещё предстоит провести мероприятия по оптимизации утилизации образующейся в процессе конденсации воды, объёмы которой для агрегатов большой мощности достигают значительных величин.

Главные выводы

1. По результатам проведённых опытов и исследований можно констатировать, что при эксплуатации водогрейных котлов особое внимание необходимо уделять показателю КПД агрегата.
2. В системах с количественно – качественной методикой регулирования активные конденсационные экономайзеры успешно могут быть заменены пассивными, цена и эксплуатационные затраты на которые значительно ниже.
3. Приобретённый опыт буднет особо полезен для Восточноевропейских государств, где широко используются водогрейные котлы большой мощности.
4. Хороший практический пример можно использовать в качестве стандартного решения для повышения эффективности водогрейных котлов большой мощности.
5. 10 марта 2010 года проект был сертифицирован A Sustainable Energy Europen Campaign в категории демонстрации и распространения.
6. Публичная информация о ходе проекта в феврале 2010 года была представлена выходом промежуточной брошюры на латышском и английском языках. Также проект был представлен на Рижских Днях Энергетики 2009 (на своей начальной стадии) и на Рижских Днях Энергетики 2010 – презентацией на международной конференции (http://www.rea.riga.lv/files/Aivars_Cers_1...2010_VE2010.pdf).
7. В текущем году вышеупомянутые меры по утилизации тепла уходящих газов Рижских источников центрального теплоснабжения были включены в долговременную программу действий в сфере энергетики города Риги на 2010-2020 годы, которая 7 июля 2010 года была одобрена Рижской Мэрией.


Для обеспечения отбора латентного тепла режимы работы конденсационного экономайзера в отопительный период должны быть максимально эффективными.

Крайне важно учитывать строительно климатологическую информацию о среднемесячных температурах, почасовой график нагрузок конкретного теплоисточника а также информацию реальной средней Т2 при определённых температурах наружного воздуха в отопительный период.

Зачастую во внимание не принимается то, что во время максимальной нагрузки котла Т2 не всегда приемлима для отбора латентного тепла без дополнительного впрыска воды. Количество и возможности утилизации конденсата затрудняет факт изменения его объёмов, на что значительно влияет изменение температуры наружного воздуха, а значит и Т2.

При реализации подобных проектов особое внимание следует уделять вопросу утилизации конденсата, являющимся неотъемлимым побочным технологическим продуктом, успешное применение которого в процессе теплоснабжения дополнительно принесёт незапланированную прибыль.

Планируемые дальнейшие исследования

Изучив позитивный пример реализации данного проекта, представляется полезным в дальнейшем продолжить изучение технологии, которая позволит в значительной системе повысить эффективность системы теплоснабжения. КПД производства тепла и электричества в режиме когенерации всё ещё далёк от оптимального значения, представляется рациональным изучить вопрос утилизации низкопотенциального тепла с применением абсорбционных теплонасосов, которые без дополнительного потребления электроэнергии позволяют существенно повысить КПД когенерационного процесса. Как ещё один низкопотенциальный теплоисточник можно принять к рассмотрению сточные воды, температура которых на протяжении всего года достаточно высока для обеспечения тепловой энергией значительного числа жителей без дополнительного потребления топлива. Для реализации такого проекта предусматривается привлечь новых партнёров: АО «Латвэнерго» и ООО «Ригас уденс». Проект «Применение абсорбционных теплонасосов для повышения энергоэффективности централизованной системы теплоснабжения города Риги» придаст всем привлечённым партнёрам уверенности в правильности применения выборанного технологического оборудования, а также городским жителям улучшит окружающую среду и бытовые условия.

Спасибо всем, кто принял участие и поддержал проект на всём протяжении его успешной реализации.

Список литературы

1. Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. - Ульяновск: УлГТУ, 2000.-139 с.
2. Industrial Waste Heat Recovery Industrial Energy RoundTable KatheyFerland Texas Industries of the Future Riyaz Papar,Hudson Technologies Co September 21, 2006 Hudson Technologies Combustion & Energy systems LTD.
3. Д.А. Кочугов, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ УДК 662.994
4. А.Жигурс, А.Церс, С.Плискачев «Опыт АО Ригас Силтумс в реконструкции водогрейных котлов КВГМ 50 и КВГМ 100» Новости теплоснабжения № 4 ( 104) апрель 2009 г.
5. Латгипропром. Рекомендации для проектирования теплоутилизационных установок за теплогенераторами с повышенной температупой уходящих газов // Под ред. М.Рубиной, А.Сухоносова и др.,инст.,,Латгипропром”, Ташкент, 1987: 64 c.с иллюстр.
6. Латгипропром, РПИ. Рекомендации для проектирования котельных и промышленных ТЭЦ с применением КТАН-ов – утилизаторов // Под ред. М.Рубиной, И.Ильина, П.Попова и др., инст. ,,Латгипропром”, Ташкент, 1987: 187 c.с иллюстр.
7. Рубина М.А., Ильин И.Н., Попов П.Я. и др. Об эффективности контактных теплообменников с активной насадкой // Промышленная энергетика Nr. 8, 1986.