Газоснабжение котельного оборудования, как метод повышения энергетической эффективности

GAS SUPPLY OF BOILER EQUIPMENT AS A METHOD OF INCREASING ENERGY EFFICIENCY

Anastasia Kosorunina

Master student, Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletovs, Russia, Vladimir

Аннотация. Большие природные запасы чистого углеводородного топлива в России и относительно низкие цены на него, как для промышленных потребителей, так и для бытовых, являются актуальными решениями большинства районов и местных котельных для повышения энергетической эффективности теплоэнергетического оборудования. К тому же в последнее время все заметно увеличилось давление со стороны экологических органов по снижению выбросов в атмосферу при сжигании топлива теплоисточниками энергии. В статье рассмотрены вопросы повышения энергоэффективности теплогенерирующего оборудования котельных при переводе их на сжигание природного газа, произведена сравнительная оценка нескольких видов традиционных топлив с метаном.

Abstract. Large natural reserves of clean hydrocarbon fuel in Russia and relatively low prices for it, both for industrial consumers and for households, are relevant solutions in most regions and local boiler houses to improve the energy efficiency of heat and power equipment. In addition, the pressure from environmental authorities to reduce emissions into the atmosphere from fuel combustion by heat sources of energy has noticeably increased recently. The article discusses the issues of increasing the energy efficiency of heat generating equipment of boiler houses when converting them to burning natural gas, a comparative assessment of several types of traditional fuels with methane is made.

Ключевые слова: котельная, котлоагрегат, тепловая энергия, потребитель, природный газ, газоснабжение, экология, энергоэффективность.

Keywords: Boiler room, boiler unit, heat energy, consumer, natural gas, gas supply, ecology, energy efficiency.

В целом, если рассматривать теплоэнергетическую отрасль в составе всей энергосистемы, то данная отрасль в целом оказывает однозначно достаточно высокое влияние на окружающую атмосферу. В частности, повышенные выбросы углекислого газа и окислов азота, горячих паров и стоков, огромное количество потребления природных вод, использование невозобновляемых источников топлива - данные факторы относят экологи как негативное воздействие на окружающую природу. Все данные воздействия носят совсем не частный характер, а глобальный и проблемы выбросов сегодня трактуются в законах и разрешениях и с каждым годом все более становятся требовательными к субъектам эксплуатации.

Теплоэнергетика начинается и нефтегазовой промышленности, то есть с добычи топлива для сжигания в котлах для получения энергии пара, для последующего его использования для получения электрической энергии. С другой стороны теплоэнергетика потребляет не только топливно-энергетические ресурсы, но также и водные ресурсы для пароводяных трактов котлов для технологических целей, но и громадные воздушные массы кислорода, необходимого для сжигания топлива в котлах, не говоря о том, что в каждом окислительно-восстановительном процессе происходит образование одного из групп вредных химических элементов, загрязняющих атмосферу.

Стоит отметить и роль использования топлива на электростанциях. К примеру природный газ - сегодня считается наиболее экологически чистым топливом, в сравнении с твердыми топливами и мазутами. Согласно статистике в нашей стране наибольший процент 70% использования топлива относят на твердое топливо, а именно уголь. Природный газ же занимает всего около 18 % использования в энергетическом топливном балансе страны.

Тем самым при сжигании углей различных марок, последние в своем составе имеют такие характеристики, как зольность и влажность, что несо-мненно вызывает еще большие трудности с процессом сжигания, а соответ-ственно с показателями экологических выбросов в атмосферу, которые в большинстве случаем превышает норматив предельно-допустимой концен-трации.

Уже на уровне выбора показателей экологической безопасности существуют некоторые противоречия. Так, использование показателей валовых выбросов вредных веществ M i (т/г или г/с) необходимо на региональном и особенно глобальном уровнях анализа экобезопасности. Однако данный критерий непригоден при сравнении локальных источников выбросов различной мощности.

Можно выделить следующие факторы влияния, обеспечивающие экологическую безопасность конкретного объекта: термодинамический, топливный, технологический и эксплуатационный.

Технологическая группа факторов в свою очередь подразделяется на три подгруппы, влияющие через изменение технологии сжигания топлива, использование технологии очистки и переработки топлива или приемов очистки дымовых газов. Каждый из определенных факторов имеет свои особенности с точки зрения условий обеспечения экологической безопасности.

Ужесточение ограничений Министерства по охране окружающей среды России в отношении выбросов угольных электростанций, рост стоимости добычи угля и транспортных расходов на его доставку к месту потребления, в то же время снижение стоимости природного газа являются весомыми аргументами в пользу перевода котлов, работающих на угле, на котлы, работающие на природном газе.

Угольные котлы имеют выбросы, которые потенциально не соответствуют Стандартам и нормам Российской Федерации, что потребует реконструкции большинства систем сжигания угля.

Так, статья 16.1 «Закона об охране окружающей среды» обозначает основные требования охраны атмосферного воздуха при эксплуатации установок очистки газа:

п.1. Эксплуатация установок очистки газа осуществляется в соответствии с правилами эксплуатации установок очистки газа, утвержденными уполномоченным Правительством Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти.

п. 2. В случае, если установки очистки газа отключены или не обеспечивают проектную очистку и (или) обезвреживание выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, эксплуатация соответствующего технологического оборудования запрещена.

Статья 16.3. Порядок исчисления платы за негативное воздействие на окружающую среду.

п. 1. Плата за негативное воздействие на окружающую среду исчисляется лицами, обязанными вносить плату, самостоятельно путем умножения величины платежной базы по каждому загрязняющему веществу, включенному в перечень загрязняющих веществ, по классу опасности отходов производства и потребления на соответствующие ставки указанной платы с применением коэффициентов, установленных настоящей статьей, и суммирования полученных величин.

п. 2. Ставки платы за негативное воздействие на окружающую среду устанавливаются за выбросы загрязняющих веществ, сбросы загрязняющих веществ в отношении каждого загрязняющего вещества, включенного в перечень загрязняющих веществ, а также за размещение отходов производства и потребления по классу их опасности.

п. 5. В целях стимулирования юридических лиц и индивидуальных предпринимателей, осуществляющих хозяйственную и (или) иную деятельность, к проведению мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду и внедрению наилучших доступных технологий при исчислении платы за негативное воздействие на окружающую среду к ставкам такой платы применяются следующие коэффициенты: коэффициент 100 - за объем или массу выбросов загрязняющих веществ, сбросов загрязняющих веществ, превышающих установленные для объектов I категории такие объем или массу.

При условии дальнейшего игнорирования технических перевооружений либо системы золоулавливания теплоисточников (в большинстве случаев – особенно в сфере ЖКХ, газоочистные установки уже давно отработали свой парковый ресурс не обеспечивают проектные показатели очистки) или переводом котельного обрудования на сжигание природного газа, возможны следующие выводы:

- будет запрещена эксплуатация золоулавливающих установок, не обеспечивающих проектную степень очистки;

- невозможность получения комплексного экологического разрешения;

- наложение штрафных санкций за осуществление хозяйственной и (или) иной деятельности на объектах, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, без комплексного экологического разрешения.

Существует два типичных варианта установки основной части котла - горелок: горизонтальная конструкция горелки настенного исполнения и вертикальная конструкция горелки. Для обеих схем важны следующие требования:

- требуемая  тепловая мощность – количество м³ природного газа необходимо сжечь, чтобы получить рабочую паропроизводительность при требуемом давлении и температуре котла;

- геометрия топки котла. Размеры котла существенно влияют на конструкцию горелки и ее размещение. Если у котла есть пароперегреватель в зоне излучения, расстояние от решетки до самой нижней части труб пароперегревателя также имеет решающее значение для конструкции;

- расчет поверхностей нагрева котла. В зависимости от размещения горелки переход с угля на газ немного изменяет выделение энергии. Пламя природного газа производит меньшую радиационную энергию, таким образом, лучистая теплопередача в нижней части котла меньше, а конвективная теплопередача увеличивается за счет экономайзера. Что касается пара, изменения температуры, количества и состава сгорания влияют на скорость и поглощение тепла в секциях печи, экономайзера и перегревателя и, таким образом, влияют на поток и температуру пара. Исследование воздействия котла может потребоваться для оценки газовых и паровых процессов, на которые может повлиять реконструкция. Этот анализ может предоставить оценку воздействия выбросов котла, теплопередачи, КПД котла, выработки пара и температуры пара.

- доступность расхода и давления природного газа. Может потребоваться новая магистральная газовая линия или станция регулирования давления с новым отводом к существующей магистральной газовой магистрали.

Успешная реализация вертикально-установленной горелки осуществлена на АО «Уссурийское предприятие тепловых сетей». В соответствии с контрактом на проектирование и строительство переоборудованы три угольных котла мощностью 3Ех10-1,4МПа тонн пара в час.

Рисунок 1. Сравнение чертежей общего вида котла до и после реконструкции

Сжигание природного газа с низким уровнем выбросов NO_X осуществляется с помощью новых вентиляторов FD, частотно-регулируемых приводов, топливных рам, элементов управления.

При вертикальном расположении горелка и воздушная камера размещаются в основании котла, обычно в зоне, свободной от напорных бункеров (рис.1), что позволяет пламени вертикально подниматься вверх в зону топки, максимально используя высоту, ширину и глубину топочного пространства.

Данный метод лучше имитирует распределение тепла в замененной системе сжигания угля, позволяя теплу излучаться снизу вверх, используя большую высоту топки и сводя к минимуму вероятность столкновения пламени - аналогично горящему слою угля.

Первоначальная конструкция включала колоссниковую решетку и бункер (слева), но при переоборудовании их заменили вертикальной установленной вверх горелкой и новым нагнетательным вентилятором (справа) – рисунок 2.

Рисунок 2. Система газопотребления с вентилятором

Уровень здания ниже котла и имеет решающее значение, так как при установке подовой гоелки необходима достаточная высота, чтобы обеспечить установку воздухозаборника и горелки под котлом, обеспечивая доступ для обслуживания (рис.2).

По возможности, почти всегда предпочтительнее расположить горелку с вертикальным расположением горелки – так называемое подовое расположение (рис. 3).

Вместо настенных горелок для подачи воздуха выбрана вертикальная конструкция горелки, чтобы обеспечить оптимальную геометрию пламени для конфигурации топки, при этом улучшена схема циркуляции воды, увеличен термический КПД, улучшеныобщие характеристики котла – его маневренность и экологические характеристики.

В качестве топлива для котельных природный газ обладает рядом преимуществ перед твердым и жидким топливом.  

Рисунок 3. Горелочное устройство реконструируемого котла

В таблице 1 приведены основные сравнительные характеристики топлива до и после реконструкции котельной №66 Уссурийска.

Таблица 1.

Удедьная низшая теплота сгорания и ориентировочная стоимость отдельных видов топдива

Из таблицы видно, что проведенная реконструкция угольной котельной с использованием природного газа - сопоставимость теплоты сгорания газа находится 39,5 МДж/кг, что, несомненно, является преимуществом в отношении каменного угля.

Надо отметить, что стоимость твердого топлива будет выше, если учитывать транспортные расходы по загрузке и доставке топлива. Таким образом, можно сделать определенный вывод о том, что, использование в качестве топлива природного газа позволяет получать эквивалентное количество тепловой энергии при меньшем количестве сжигаемого топлива.

При сгорании  природного газа образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с каменным углем. Из таблицы 2 по основным выбросам вредных веществ природный газ является наиболее безопасным.

Таблица 2.

Выбросы вредных веществ отдельными видами топлива, мг/м³

Газоснабжение котельной в разрезе расчета экономического эффекта достигается за счет следующих условий:

1. Снижение расхода топлива для выработки тепловой энергии (увеличение КПД котельного оборудования, уменьшения показателя собственных нужд).

2. Существенная экономия за счет расности стоимости по видам топлива.

Уменьшение расхода удельного топлива на выработку тепловой энергии вызвано увеличением коэффициента полезного действия котлоагрегата:

b_тэп = (142,76/η_бр ) *100, кг у.т./Гкал,                                                                                          (1)

η_бр – коэффициент полезного действия котлоагрегата  при сжигании природного газа, %.

Примерное прирост КПД исходя из условий использования существующего оборудования при переводе на газ составляет не менее 3,5%. 

Уменьшение показателя расхода тепла на собственные нужды на 2,5%.

b_тэпг = b_тэп * η_нетто^ф/ η_нетто^н, кг у.т./Гкал,                                                                                   (2)

где b_тэп - удельный расход топлива в котле при сжигании газа, кг у.т./Гкал;

η_бр^ф – фактический коэффициент полезного действия котлоагрегата, %;

η_бр^н –коэффициент полезного действия котлоагрегата при работе на газе, %.

Определение экономии условного топлива от изменения КПД котла нетто:

ΔB = Qч * Tг * (b_тэф – b_тэпг )*10-3, т у.т. ,                                                                                    (3)

где b_тэф – факт удельного расхода топлива, кг у.т./Гкал;

Q_ч – средняя нагрузка котельной, Гкал/ч;

T_г – число часов эксплуатации в году, ч.

Определение срока окупаемости реконструкции за счет разности цен на топливо:

Ср_ок = К_пг/ΔС_топл, лет,                                                                                                      (4)

где К_пг – удельные капиталовложения в реконструкцию, руб.;

ΔС_топл – разность в ценах на топливо, руб.

Расчеты технико-экономических показателей  показывают высокий показатель энергетической эффективности перевооружения котельной, имеющей в своем арсенале твердое топливо на природный газ в качестве основного. Рассматривая котельную №66 Уссурийска в разрезе 3-х котельных агрегатов, которые использовалит в качестве топлива - каменный уголь. Условно принимая тепловую нагрузку на  котельную – 18,9 Гкал/ч. Тариф на тепловую энергию установлен для котельной по данным - Форма 2 на 2020 год. «Информация о тарифах на тепловую энергию (мощность), поставляемую Уссурийским муниципальным унитарным предприятием тепловых сетей» составляет   2967,79  рублей за 1 Гкал. При этом удельный расход топлива на производство единицы тепловой энергии, отпускаемой с коллекторов источников тепловой энергии – 165,1 кгут/Гкал.

Сравнивая с периодом эксплуатации котельной на каменном угле – тариф на тепловую энергию за 2018 год составлял 7035,17 при удельном расходе топлива на производство единицы тепловой энергии – 209,17 кгут/Гкал, получаем снижение более, чем в два раза тарифа на тепловую энергию, а также уменьшение расхода топлива на 30%.

Экономическая целесообразность газоснабжения котельной состоит в том, что в первую очередь снижается количество обслуживающего персонала, увеличивается единичная мощность оборудования и количество работающего оборудования, снижается как расход топлива, так и стоимость эксплуатации, что в конечном итоге приводит к уменьшению себестоимости производимой тепловой энергии.

Газовые котельные просты в эксплуатации и безопасны при соблюдении некоторых условий. Во-первых, их производство и монтаж лучше доверить опытным специалистам, которые неоднократно имели дело именно с газовым оборудованием. Во-вторых, особенностью эксплуатации газовых котельных является четкое следование правилам. Однако не стоит забывать, что газ весьма опасен при неправильном обращении. Любая котельная вводится в эксплуатацию в четком соответствии с правилами и нормами, требует получения определенного пакета документов, в том числе разрешений.

Газ обладает высокой возгораемостью в связи, с чем государственные требования, предъявляемые к таким объектам чрезвычайно высокие, и закреплены в СП 89.13330.2012.

Эксплуатация котлов и котельных, подразумевает следующие работы:

- разработка и внедрение схемы технического учета;

- подготовка отчетов о функционировании котельной;

- регулярный профилактический осмотр оборудования;

- обнаружение и устранение неполадок;

- проведение плановых и внеплановых ремонтных работ.

Операции по эксплуатации и ремонту установок обязаны соответствовать Правилам устройства и безопасной эксплуатации для:

- котлоагрегатов, вырабатывающих пар и горячую воду;

- трубопроводов, транспортирующих насыщенный/перегретый пар и нагретую воду;

- правил технической эксплуатации теплопотребляющих установок;

- теплосетей потребителей.

В перечень технического обслуживания и ремонта включены такие основные мероприятия:

- плановый обход теплосилового оборудования и электроустановок;

- проверка работы горелок с использованием газоанализатора;

- определение и устранение неравномерных шумов, утечек пара и воды, возгораний, нарушений правил техники безопасности и противопожарных норм;

- подпитка котла, работающего на газообразном топливе и тепловой сети химически очищенной водой;

- проверка технического состояния арматуры, гарнитуры и систем ограждения котлов;

- очистка агрегатов от пыли;

- подтягивание сальниковой набивки арматуры;

- обслуживание сажеобдувочных аппаратов;

- осмотр и контроль состояния теплосиловых установок, находящегося в резерве.

О выявленных недостатках, в процессе техобслуживания, незамедлительно сообщается старшему по смене, с выполнением записи в оперативном журнале и выводом неисправного агрегата из эксплуатации для проведения капитального или текущего ремонта.

Ответственное лицо за эксплуатацию котлов назначается в соответствии с требованиями Закона No 116-ФЗ от 21.07.97 и положений, регламентирующих правила безопасности на опасном производстве.

В соответствии с существующей нормативной базой на каждом опасном производстве, к которому относятся паровые и водогрейные котельные приказом руководителя назначается ответственное лицо из ИТР и утверждается соответствующая инструкция с целью обеспечение безопасных условий эксплуатации теплосиловых установок.

Полная информация по соответствующему приказу вносится в паспорт котлоагрегата и сообщается в территориальные органы Госгортехнадзора РФ.

Ответственное лицо обязан иметь специальность теплотехника, пройти обучение и успешно сдать экзамен согласно требованиям Госгортехнадзора РФ.

Ответственность возлагается на руководящего специалиста, которому подчиняется оперативный персонал. При временном отсутствии ответственного лица исполнение таких обязанностей возлагается приказом по предприятию на другого инженерно-технического работника, обладающего профильным образованием и сдавшего соответствующий экзамен в органах Госгортехнадзора.

Руководитель предприятия на балансе, которого числится котельная, должен предоставить ответственному лицу всю необходимую нормативно-техническую документацию и директивные материалы, имеющие отношение к конкретному объекту эксплуатации и обеспечить, для выполнения обязанностей, всеми необходимыми материально-техническими и финансовыми средствами.

Энергетические компании всегда ищут способы минимизировать затраты, повысить доступность и сократить выбросы. Ежегодные изменения цен на природный газ сделали это топливо экономически привлекательным, и оно дает дополнительное преимущество в виде снижения выбросов в атмосферу. Для коммунальных предприятий с существующими угольными установками переход с угля на сжигание природного газа может быть вариантом, который стоит рассмотреть.

Цена на природный газ в последнее время стала более привлекательной в качестве топлива для базовой нагрузки из-за дополнительного предложения и снижения спроса со стороны промышленности. Есть много различных прогнозов относительно того, где могут быть цены на газ в ближайшем будущем, и все они основаны на силах спроса и предложения. Текущая цена на природный газ относительно низкая и стабильная по сравнению с предыдущими годами.

Переоборудование существующего котла обычно составляет от 15% до 30% стоимости установки нового газового котла. Кроме того, перевод угольных котлов на сжигание природного газа дает следующие основные преимущества:

- чистота продуктов сгорания. Природный газ горит чище, чем уголь, поскольку он не содержит значительных количеств серы, атомарного азота, твердых частиц или золы. Кроме того, природный газ обеспечивает большую управляемость перед сгоранием для снижения выбросов, таких как NO_X и CO, без необходимости в обширном оборудовании для очистки дымовых газов.

- экономия на эксплуатационных расходах. В течение нескольких лет стоимость природного газа снижалась, а стоимость угля увеличивалась. Используя только природный газ вместо угля, предприятия могут исключить затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и охрану окружающей среды, связанные с хранением и транспортировкой угля и золы. Благодаря отсутствию уноса золы природный газ предотвращает накопление золы, что снижает теплопередачу, а это означает, что котел может поддерживать свою эффективность.

- повышенная маневренность котла. Переход на природный газ улучшает маневренность и надежность котла и возможность его увеличения. Угольные котлы не так эффективно реагируют на резкие перепады нагрузки, как переоборудованные газовые котлы. Кроме того, угольные котлы имеют ограниченный диапазон регулирования, что ограничивает их эффективность при низкой потребности в паре. Для возобновления работы угольного котла после отключения требуется гораздо больше времени, чем требуется для котла, работающего на природном газе;

- дешёвый вид топлива;

- отсутствие в природном газе угарного газа СО;

- экологически чистое топливо, не загрязняет воздушный бассейн;

- возможность полной автоматизации процесса горения газа.

- требуется минимальный избыток воздуха при горении.

- возможность обеспечения регулировки очень точного температурного режима.