Решение проблемы

Конденсат паротурбинной установки с температурой 20–35 °C позволяет охладить продукты сгорания в поверхностном газоводяном конденсационном теплообменнике до требуемых 40 °C и обеспечить глубокую утилизацию теплоты.

В основе конструктивного решения (рис.) лежит известная схема: последняя по ходу дымовых газов секция хвостовых поверхностей является водяным конденсационным теплообменником-экономайзером (КЭ) 8. Отличие в том, что КЭ работает в конденсационном режиме, т. е. продукты сгорания охлаждаются не до температуры около 60 °C, а до Т _ГУ = 40 ±5 °C (см. Общие положения. Расчетные данные).

Температура продуктов сгорания сразу за конденсационным экономайзером равна 40 ±5 °C, а после байпаса – 70–90 °C. Поэтому ограждения газохода с узлом глубокой утилизации не требуют огнеупорной футеровки и выполняются из листовой нержавеющей стали с покрытием теплошумоизоляцией. Возможен другой вариант⁴ схемы – установка конденсационного теплообменника-утилизатора в газоходе сразу за котлом. Узел содержит ту же систему сбора, удаления и очистки конденсата продуктов сгорания.

Конденсационный экономайзер включен в конденсатную линию станции. Этот вариант в статье не рассматривается.

¹ Теплотворная способность топлива. Коэффициент полезного действия котлоагрегата

«Различают низшую и высшую рабочую теплоту сгорания (теплотворную способность) топлива. Низшая рабочая теплота сгорания Q^Н_Р меньше высшей Q^В_Р на то количество теплоты, которая затрачивается на испарение воды, образующейся при сгорании топлив, а также влаги, содержащейся в нем. Высшей называют теплоту сгорания, определяемую без учета затрат теплоты на испарение влаги топлива и влаги, полученной при сгорании свободного и связанного водорода (водород и углеводороды). Например, низшая объемная теплота сгорания природного газа – 31–38 МДж/м³ или 7 400–9 000 ккал/м³. Низшей называют теплоту сгорания, определяемую с учетом затрат теплоты на испарение влаги». [М. С. Ильюхин, Ф. Т. Сидоренков. Основы теплотехники. М.: Агропромиздат, 1987. С. 114.] Величина Q _P^H получается из высшей теплоты сгорания тепла за вычетом тепла, израсходованного на испарение влаги, как имеющейся в топливе – W ^P, %, так и образующейся при сжигании топлива 9 Н ^Р, % (около 600 ккал на 1 кг влаги): Q _P^H = Q_В^H – 600(9 • НР / 100 + WP / 100), ккал/кг. В нашей стране (в отличие от США и Великобритании) в теплотехнических расчетах используют низшую теплоту сгорания Q _P^H, при определении которой учитываются затраты теплоты на испарение образующейся при сгорании топлива (углеводородов) воды, поскольку вода обычно выбрасывается с продуктами сгорания в виде пара (несконденсированного). В справочной литературе приводятся, как правило, только значения Q _P^H. Коэффициент полезного действия (КПД) котла (как любой теплоиспользующей установки) η_K равен отношению полезного тепла Q _ПОЛ к израсходованному, т. е. к мощности (теплопроизводительности) котла Q _K. Тепловая мощность котла Q _K = В × Q _P^H, где В – расход топлива. Q _ПОЛ, в свою очередь, – разность между Q _K и суммой тепловых потерь котла ∑ q. В эту сумму входят потери: q ₂ – c уходящими газами, q ₃ и q ₄ – вследствие химической и механической неполноты горения соответственно, q ₅ – рассеянием в окружающую среду (через ограждения): η_K = (Q _K – ∑ q) / Q _K. (1) Преобладающей является потеря q ₂. Ввиду малости остальных статей в практических расчетах ими пренебрегают, что близко к реальности, учитывают только величину q ₂. Тогда формула (1) получает вид: η_K = (em>Q_K – q ₂) / em>Q_K. (2) При глубокой утилизации продукты сгорания ПС, уходящие из котла, охлаждают до температуры ниже точки росы Т _Р (для ПС природного газа Т _Р = 50–55 °С), при этом конденсируются водяные пары, как образовавшиеся при сжигании топлива, так и содержащиеся в дутьевом воздухе, а выделившееся тепло испарения (скрытое тепло парообразования) утилизируется и полезно используется (обычно для подогрева обратной воды). В этом случае количество утилизируемого тепла Q _УТ – это полезное тепло, используемое в технологической схеме котла или котельной. Для подсчета КПД котла η_K.КОНД с глубокой утилизацией (конденсационные котлы) в числителе формулы надо прибавить величину Q _УТ к полезному теплу котла. В результате получаются значения η_K.КОНД больше 100 %. Очевидно, никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет, а есть принятая в расчетах величина Q _P^H, которая меньше высшей теплотворности Q _P^В на количество тепла, затраченного на испарение образующейся воды. Рассмотрим тепловые балансы котла в обычном и конденсационном режимах и определение КПД котла по низшей Q _P^H и высшей Q _P^В теплоте сгорания. С учетом тепла утилизации получим КПД котла в конденсационном режиме η_K.КОНД при расчете по Q _P^H: η_K.КОНД = (Q _P^H – q ₂ + Q _УТ) / Q _P^H. (3) В балансе котла для простоты учитывается только статья q ₂. Так как величина Q _УТ больше q ₂, от прибавления в числителе величины Q _УТ значение η_K.КОНД получается больше единицы. Здесь разность em>Q_P^H – q ₂ – полезное тепло (от сжигания топлива), реализуемое непосредственно в котле. Q _УТ – дополнительное тепло глубокой утилизации тепла отработавших в котле продуктов сгорания, привнесенное в технологическую схему котла (котельной). При расчете по Q _P^В в знаменателе дроби (3) подставляют не Q _P^H, а Q _P^В, так как для всей технологической схемы котлоагрегата учитывается использование тепла конденсации ПС, входящее в величину Q _УТ. Этому условию соответствует значение Q _P^В: η_K.КОНД = (Q _P^H – q ₂ + Q _УТ) / Q _P^В. (4) Верхние индексы Н или В при величинах Q и η_K.КОНД означают, что эти величины относятся (рассчитаны) соответственно к нижней или высшей теплоте сгорания. Покажем расчет КПД для котла ПТВМ-30М, ориентируясь на типичный эксплуатационный режим (статья Е. Шадек, Б. Маршак, А. Анохин, В. Горшков «Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов», «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ», 2014, № 2 (23), с. 38–39, табл. 1, столбец 1). Исходные данные: расход газа В _Г = 3 600 м³/ч, температура продуктов сгорания за котлом Т _УХ = 130 °С, коэффициент расхода воздуха 1,25, топливо – природный газ с em>Q_P^H = 8 558, Q _P^В = 9 496 ккал/м³ [М. Б. Равич. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. М.: Изд-во АН СССР, 1958, с. 257, табл. 112]; удельный объем влажных продуктов сгорания V = 13,1 м³/м³; теплоемкость продуктов сгорания С = 0,33 ккал/м³•град. 1. Режим без утилизации Тепловая мощность котла по QPВ Q _К^Н = В _Г × Q _P^H = 3 600 × 8 558 = 30,808 Гкал/ч. Объем продуктов сгорания W = В _Г × V = 3 600 × 13,1 = 47 160 м³/ч. q ² = С × W × Т _УХ = 0,33 × 47 160 × 130 = 2,023 Гкал/ч. По формуле (3) η_K^Н = (Q _К^Н – q ₂) / Q _К^Н = (30,808 – 2,02) / 30,808 = 0,934. 2. Режим с глубокой утилизацией Принимаем величину Q _УТ равной 11 % от Q _К^Н (по опытным и расчетным данным, см. статью) Q _УТ = 0,11 × Q _К^Н = 0,11 × 30,808 = 3,39 Гкал/ч. КПД конденсационного режима по Q _P^Н, формула (3): η_K.КОНД = (30,808 – 2,023 + 3,39) / 30,808 = 1,044. Принимаем постоянство расхода газа, В _Г = 3 600 м³/ч. Тепловая мощность Q _К^В котла по Q _P^В. Q _К^В = 3 600 × 9 496 = 34,18 Гкал/ч. КПД конденсационного режима по Q _P^В, формула (4): η_K.КОНД = (Q _К^Н – q ₂ + Q _УТ) / Q _К^В = (30,808 – 2,023 + 3,39) / 34,18 = 0,941. Значения q ₂ и Q _УТ не зависят от методики расчета, они остаются неизменными. Близкие значения η_K.КОНД дает расчет и для постоянной тепловой мощности котла Q _К^В = 30,808 Гкал/ч. Таким образом, при расчете по высшей теплоте сгорания QРВ получены значения КПД в конденсационном режиме меньше 1. Расчеты КПД при глубокой утилизации можно найти в книге А. А. Кудинова «Энергосбережение в теплогенерирующих установках» (М.: Машиностроение, 2012) и других многочисленных публикациях.