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.