Котли-утилізатори: сучасні схемні рішення, реальні та вигідні перспективи, приклади експлуатації
Про б ефективності використання теплоти відхідних газів, критерії вибору, економіці і практиці експлуатації котлів-утилізаторів розповіли, відповідаючи на запитання журналу «Промислові та опалювальні КОТЕЛЬНІ І МІНІ-ТЕЦ» (ПКМ), професіонали галузі теплопостачання:
Віктор Завацкий, технічний директор ВАТ «МПНУ Енерготехмонтаж», Брянський ділянку
Дмитро Рожников, провідний інженер-конструктор ВАТ «МПНУ Енерготехмонтаж»
Євген Хейфец, комерційний директор ТОВ «ТМ МАШ»
Олександр Лівинці, д.т.н., керівник проектів VELDE Boilers and Plants GmbH, м Дуйсбург, Німеччина
ПКМ: Розкажіть про досвід установки котлів-утилізаторів (КУ).
Віктор Завацкий: У своїй трудовій діяльності ми працюємо з різного роду і типу котлами-утилізаторами. Якщо ми говоримо про станції з газопоршневими або газотурбінними установками, то це різні парові і водогрійні утилізатори: кожухотрубчасті, водотрубні (в тому числі змієвидного типу) утилізатори. Якщо говоримо про котлах, то останнім часом ми все більше отримуємо замовлення на установку конденсаційних утилізаторів.
Євген Хейфец: Компанія ТОВ «ТМ МАШ» займається виготовленням котлів-утилізаторів з 2011 р в Санкт-Петербурзі, має власне конструкторське бюро і виробнича дільниця. Виробничі потужності дозволяють виготовляти водогрійні котли-утилізатори вагою до 9 т для дизельних, газопоршневих і турбінних установок потужністю від 100 до 6000 кВт.
До теперішнього моменту виготовлено понад 130 теплових модулів для основних світових виробників ДВС. Другим основним напрямом діяльності ТОВ «ТМ МАШ» є випуск глушників для ДВС. За даними 2016 р компанія випустила 92% вітчизняних глушників різних типів для іноземних дизельних і газопоршневих двигунів. Середньомісячна виробництво глушників становить 58 шт.
На даний момент силами ТОВ «ТМ МАШ» виготовлені утилізатори тепла практично на всі типи газових і дизельних електростанцій, встановлених в Росії. Порядку 12% випущених утилізаторів тепла і глушників відправляється на експорт (в основному, в Казахстан).
Ми поставили обладнання від найзахіднішої точки РФ (поставка глушників на аеропорт «Храброво», Калінінград) до самої східної (утилізатори тепла для селищних ДГУ на Камчатці) і від самої північної (СУТи для ДГУ на архіпелазі «Земля Франца Йосипа») до самої південної точки (утилізатори тепла для кількох мікрорайонів м Сочі).
Олександр Лівинці: Фірма Velde Boilers and Plants виготовила і встановила на різних підприємствах Європи і Азії понад 100 промислових котлів-утилізаторів і має, таким чином, дуже великий досвід в цій області. Для промислових установок з комбінованої генерацією теплової та електричної енергії (установки когенерації) з газовими турбінами малої потужності до 15 MВт (ел) фірмою, як правило, поставляються котли-утилізатори з великим водяним об'ємом. Для цих установок добре зарекомендував себе принцип модульного підбору компонент котельні установки в залежності від потужності газової турбіни. Приклад конструкції котла-утилізатора показаний на рис. 1.
Рис. 1. Котел-утилізатор з додатковими елементами: 1 - вхід димових газів, 2 - додаткова пальник, 3 - подача палива на пальник, 4 - водотрубний топкова камера, 5 - додаткові теплообмінні поверхні, 6 - димогарний котел, 7 - димогарниє труби, 8 - вихід пара, 9 - введення живильної води, 10 - економайзер, 11 - вихід газів
Установки на базі котлів-утилізаторів для промислових теплоцентралей проектуються з урахуванням індивідуальних потреб замовника. Для проектування котла-утилізатора важливі, серед іншого, такі дані: - гази, що йдуть (кількість, температура, склад); - теплоносій (гаряча вода, насичена пара, перегріта пара); показники потужності (паропродуктивність, допустимий робочий тиск, допустимі втрати тиску в газоходах); - принцип роботи (пріоритет вироблення електроенергії, пріоритет вироблення теплової енергії, часткові навантаження, коливання навантаження); - допустимий вміст забруднень у викидах; - умови монтажу.
ПКМ: Які типи котлів-утилізаторів Ви застосовуєте, виробляєте, встановлюєте?
Віктор Завацкий: Крім установки, ми також займаємося виробництвом котлів-утилізаторів різних конструкцій для різних завдань і схем. Це і кожухотрубчасті для застосування в схемах з газопоршневмі установками, і водотрубні (з ребрами і без). Зараз, наприклад, ми готуємо партію котлів-утилізаторів, що минає газу для об'єкта в Якутії.
Євген Хейфец: ТОВ «ТМ МАШ» займається виробництвом утилізаторів тепла антифризу (УТА) як на базі кожухотрубчасті теплообмінників, так і на базі пластинчастих теплообмінних апаратів. Основним нашим напрямком є виробництво утилізаторів тепла димових газів на базі вироблених в нашому цеху котлів-утилізаторів кожухотрубного типу.
Величина отриманого тепловим модулем тепла порівнянна з виробленої електроенергією та знаходиться в наступній залежності: на 100% кВт отриманої електроенергії виробляється 100-130% кВт теплової енергії.
ТОВ «ТМ МАШ» утилізує тепло як по контуру антифризу (позначення ТММ-ТМВВ), так і по контуру вихлопних газів (позначення ТММ-ТМВГ).
Котел-утилізатор ТММ-ТМВГ знімає тепло з димових газів і дозволяє здійснити нагрів води споживача, при цьому температура димових газів після котла-утилізатора опускається до 120-150ºС.
У стандартному котлі-утилізатори в трубному просторі протікають димові гази, в міжтрубному - вода (антифриз). Даний теплообмінник є теплообмінником жаротрубного (Газотрубна) типу. Рідше проводяться теплообмінники водотрубний типу, де в трубках тече рідкий теплоносій, а димові гази знаходяться в міжтрубному просторі.
Тепловий модуль ТММ-ТМ.200 для контейнерної ДГУ ( «ТМ МАШ»)
Як було сказано вище, «ТМ МАШ» виробляє утилізатори тепла антифризу на базі кожухотрубчасті теплообмінників і на базі пластинчастих теплообмінників. Кожухотрубні виконання теплообмінника істотно спрощує його експлуатацію, обслуговування і ремонт. Засмітилися трубки можна прочистити сталевим шомполом-йоржиком для прочищення труб. У разі ремонту можлива заміна тільки деяких, що вийшли з ладу труб. Виконання трубного пучка повністю з нержавіючої сталі дозволяє збільшити його надійність і термін служби. При цьому пластинчасті теплообмінники - утилізатори тепла антифризу трохи компактніше і мають дещо меншу ціну.
Олександр Лівинці: Наскільки різноманітні умови експлуатації котлів-утилізаторів, настільки ж можуть варііровать можливості комплектації: - димогарниє котли, водотрубні котли, димогарниє котли з водотрубними тепловими поверхнями; - гладкотрубние і оребрені теплові поверхні, розмір труб і оребрения; - розташування теплообмінних труб в лінію або зі зміщенням, різні співвідношення заповнення трубами, перетин прохідного каналу; - відведення газів: вертикальний або горизонтальний; - циркуляція води / пара: природна, одноразова або багаторазова примусова циркуляція, прямотоком або противотоком до які йдуть газам; - додаткова пальник з додатковим повітряним вентилятором або без такого.
Однією з областей застосування котлів-утилізаторів в установках когенерації є вже згадане їх використання разом з газовими та дизельними двигунами. На таких установках часто знаходять застосування одночасно кілька двигунів. Для таких умов добре себе зарекомендувало включення декількох двигунів на один котел-утилізатор, тому що завдяки цьому знижуються витрати на комплектацію установки.
Приклад 1. У разі використання котла-утилізатора, що обігрівається газами від трьох газових двигунів, що йдуть гази двигунів подаються на котел окремо, так що двигуни не впливають в своїй роботі один на одного. При необхідності можливе переспрямування відхідних газів по байпасу повз котла.
Приклад 2. Якщо котел-утилізатор встановлюється за дизельним двигуном, то завдяки додатковій пальнику котел дозволяє здійснювати вироблення пара при відключеному дизельному двигуні. В цьому випадку пальник встановлюється в жаровую трубу, після якої є ще два ходи димогарних труб. Такого типу котли-утилізатори встановлені нами на ряді російських підприємств. Вони добре зарекомендували себе в роботі, і наші російські замовники розглядають можливість нарощування встановленої потужності.
ПКМ: Розкажіть про найцікавіші схемах застосування КУ.
Олександр Лівинці: До цікавих реалізованим об'єктам можна віднести, наприклад, котел-утилізатор з великим водяним об'ємом, встановлений за газовою турбіною Solar Titan 130, потужністю 15 МВт (ел) і виробляє з додатковою пальником 65 т / год перегрітої пари, з температурою 250 ° C при тиску 14 бар (рис. 2). Це установка з високим рівнем автоматизації.
Рис. 2. Котел-утилізатор за газовою турбіною Solar Titan 130
В іншому прикладі котла-утилізатора, встановленого за газовою турбіною Kawasaki GPB80D, потужністю 6,8 МВт (ел) показано, як методами обчислювальної гідродинаміки можуть бути оптимізовані складні гідродинамічні умови перебігу перед додатковою пальником, що дозволяє встановлювати котли в умовах обмеженого простору.
Взагалі треба сказати, що кожен проект з котлом-утилізатором представляє інтерес, тому що в таких проектах, як правило, потрібні індивідуальні рішення під конкретного замовника, якими так відома наша фірма.
Євген Хейфец: Системи утилізації тепла особливо ефективні для об'єктів, де ДГУ або ГПУ є джерелом постійного електропостачання. Особливо ефективний СУТ для електростанцій, де ДЕС використовується в якості основного джерела тепла, тому що в таких районах вартість вироблення тепла дуже висока і окупність теплових модулів займає від чотирьох місяців.
Особливим нашим напрямком є виготовлення теплових модулів для важкодоступних ДЕС віддалених вахтових селищ (особливо поширене серед гірничодобувних і бурових компаній). Теплові модулі дозволяють істотно мінімізувати витрати на вироблення тепла (особливо на дизельному паливі), і окупаються за 4-10 місяців.
Монтаж теплового модуля ТММ-ТМВГ.550 в Якутії для «Золото Селігдара» ( «ТМ МАШ»)
Приклад. Наведемо приклад розрахунку ТЕО для однієї з раніше виготовленої і запущеної в експлуатацію установки.
Приклад розрахунку ТЕО на основі теплового модуля ТММ-ТМВГ.550 для дизель-генераторної установки Caterpillar 3512 електричною потужністю 800 кВт (замовник - ТОВ «Золото Селігдара»). Тепловий модуль (ТМ) встановлено в республіки Якутія. В даному проекті ДГУ працює практично цілодобово, весь опалювальний сезон (з жовтня по травень, тобто 2/3 року). Річна напрацювання ТМ становить 5800 год (8700 * 2/3 = 5800).
Утилізація тепла виробляється тільки по одному контору - вихлопні гази. В даному тепловому модулі вихлопні гази від ДГУ нагрівають мережевий теплоносій з «обратки» котельного контуру системи опалення і нагріта таким чином вода надходить знову в «обратку». Опалювальна котельня отримує воду температурою не 70, а 80-90 ° С (в залежності від завантаження ДГУ), і, відповідно, істотно менше витрачає палива на догрів її до необхідних 90 ° С.
Максимальна теплова потужність установки при зниженні температури вихлопних градусів з 500 до 120 ° С становить 550 кВт. Середня теплова вироблення тепла модулів становить 385 кВт (при 70% завантаженні ДГУ).
Річне виробництво тепла на СУТ = 385 кВт * 5800 = 2 233 000 кВтг.
Максимальні втрати зазвичай складають 15%. Тобто реальна річна вироблення складе не менше 2 233 000 * 0,85 = 1 898 0000 кВтг.
За даними замовника, вартість вироблення 1 кВт тепла на дизельному паливі до використання теплового модуля становила 7 рублів з урахуванням ПДВ.
Пояснення: на вироблення 1 кВт тепла витрачається приблизно 0,1 л дизельного палива (у більшості котлів). Вартість 1 л дизпалива в важкодоступних районах становить не менше 70 руб / л.
Таким чином, річна економія складе: 7 * 1 898 000 = 13 286 000 руб.
Вартість модуля ТММ-ТМВГ.550 становить близько 2 100 000 рублів з ПДВ.
Доставка, монтаж, ПНР, прив'язка модуля до контуру опалення і інші роботи зазвичай коштують не більше 50% від вартості модуля.
Разом, загальні витрати на створення системи утилізації тепла складуть близько 3 150 000 рублів з ПДВ.
Таким чином, окупність проекту становить 3 150 000/13 286 000 = 0,24 року, тобто три місяці після введення в експлуатацію.
У тому випадку, якщо котельня працює на вугіллі, вартість кВт тепла зазвичай становить 2,5-4 руб / кВт. Таким чином, окупність буде приблизно в два-три рази більше, але все одно практично завжди термін окупності не перевищує двох опалювальних сезонів. Приблизно на 30% термін окупності знижується, якщо проводити повну систему утилізації тепла. Можливість установки повного теплового модуля визначається для кожного проекту окремо. Модуль по утилізації тепла димових газів практично завжди можна встановити без доробок системи.
У прикладі наведено лише розрахунок економічної ефективності використання систем утилізації тепла. Для кожного окремого проекту потрібне проведення свого розрахунку.
ПКМ: Які перспективні напрямки застосування КУ: конденсаційні режими, контактні теплообмінники і т.д.?
Віктор Завацкий: Складнощі в економіці країни і високі ціни на енергоресурси змушують власників задуматися про необхідність енергозбереження. Переймаючи європейський досвід, власники підприємств намагаються переходити на роботу котлів в конденсаційних режимах. Використовуючи приховану теплоту пароутворення, домагаються збільшення ККД установок до 100% і більше відсотків. Цей напрямок у нас поки знаходиться в зародковому стані. Але судячи з досвіду європейських країн, використання конденсаційних режимів роботи буде найбільш стрімко розвиваються напрямком в найближчі роки в Росії.
Блочне виконання котла-утилізатора ВАТ «МПНУ ЕТМ»
Дмитро Рожников: Структура ринку всіляких пристроїв теплопередачі явно тяжіє до конденсаційним режимам роботи при використанні вихлопних газів і продуктів згоряння. Використовується ефект конденсації водяної пари і утилізація енергії конденсації крім звичайного теплообміну між «теплим» і «холодним». Тут в розрахунках бере участь так звана «вища» теплота згоряння (якраз враховує теплоту конденсації), яка раніше не могла бути використана. Але за це необхідно «заплатити» - як в прямому фінансовому сенсі, так і в переносному технологічному сенсі: в наявності ускладнення тепломеханічних схем, поява «неприємного кислотного» конденсату (а також необхідність його відводу і подщелачивания), зростання необхідної автоматизації і точності регулювання, використання в конструкції теплообмінників дорогих високолегованих і неіржавіючих сталей. І, найголовніше, з чим ми зіткнулися на реальних об'єктах - а чи є на підприємстві достатню кількість «низькотемпературного теплоносія» і схем для його реального застосування. На жаль, ставка на підігрів води для гарячого водопостачання, як ми бачимо, не завжди грає - витрати холодної води непостійні, і утилізація з конденсацією відбувається вкрай рідко. В результаті часто дорогі конденсаційні пристрої працюють в звичайному «дідівський» режимі - «сухий» і високотемпературної теплоутілізаціі. Необхідна ретельна проектна проробка цих рішень, включаючи зусилля технологів підприємства, а не тільки енергетиків-котельщиков. Наша організація успішно виконала ряд проектів по конденсаційним утилізаторів і на даний момент веде роботу по коригуванню помилкових і неефективних рішень, прийнятих іншими проектними організаціями (на жаль, такі практики теж бувають).
Олександр Лівинці: Ми не ставимо конденсатори серійно, але при наявності певних технічних і вартісних передумов використовуємо і конденсаційні режими, які дозволяють підвищити ККД всієї установки.
Нами накопичено великий досвід у використанні перед вбудованої в димохід пальником спеціальної так званої камери згоряння, яка може бути виконана водоохлаждаемой (водотрубний). Водоохлаждаемая топкова камера дозволяє зменшити емісію NOx і являє собою додаткову теплообмінну поверхню, включену в пароводяної контур циркуляції котла.
ПКМ: Які є області застосування водотрубних і жаротрубних КУ?
Дмитро Рожников: Не буду орігінальнім: всьому своє місце и своє технічне решение. У загально випадка Частіше застосовується «жаротрубного» для утілізації тепла Вихлоп поршневих агрегатів електрогенерації, что ма ють Значний Тиск Вихлопна газів, а «водотрубний» - для турбінніх електрогенераторів або в якості додаткової утілізації промислових котлоагрегатів, что ма ють обмеження на допустимий протитиску у віхлопній системе. У нашій практиці зустрічалися і «водотрубні» - для поршневих агрегатів на рідкому паливі, що обумовлювалося високим рівнем забруднення теплообмінних поверхонь і автоматизацією їх очищення.
Олександр Лівинці: Димогарні котли-утилізатори дозволяють досягати високого значення встановленої теплообмінної поверхні на одиницю займаної площі. Ці котли, звані також котлами з великим водяним об'ємом, уможливлюють стійку роботу котла при високих коливаннях в споживанні пара. За це якість вони особливо популярні на підприємствах паперової промисловості.
Котли водотрубні конструкції добре зарекомендували себе при наявності сильних забруднень в використовуваних для вироблення тепла відхідних газів. Ці забруднення відкладаються на теплообмінних поверхнях котла і можуть бути видалені спеціальними пристосуваннями. Такі котли-утилізатори застосовуються при більш високих параметрах середовища і в спеціальних областях з високою часткою забруднень димових газів.
В цілому ж, котли-утилізатори знаходять застосування в таких областях, як харчова і паперова промисловість, енергетика, металургія і нафтопереробка - словом, скрізь, де господар рахує гроші і зацікавлений в тривалій та ефективній роботі свого підприємства.
ПКМ: Який, на ваш погляд, потенціал модернізації котлів-утилізаторів і поліпшення технологій теплопередачі?
Дмитро Рожников: Технології не стоять на місці, на пошук нових і ефективних рішень спрямовані значні ресурси. Можна назвати два напрямки для інтенсифікації теплопередачі і зменшення габаритів котлів-утилізаторів: збільшення перепаду температур шляхом зниження температури теплоносія (аж до конденсаційних режимів) і збільшення коефіцієнта теплопередачі зв'язки «гази-метал-теплоносій» шляхом оптимізації геометрії елементів (форма / товщина) і використання більш теплопровідних матеріалів. Перспективним виглядає варіант збільшення турбулізації потоків газу за рахунок оребрення або несподіваної форми поверхонь теплообмінних труб, однак цей напрям вкрай складно з точки зору теоретичних досліджень і досить дороге при практичних експериментах.
Стаття з журналу «Промислові та опалювальні КОТЕЛЬНІ І МІНІ-ТЕЦ» №6 / 2017
Опубліковано: 16 февраля 2018 р
Повернутися назад