Альтернативные источники тепловой энергии. Котельные как источник теплоснабжения потребителей. Назначение котельных. Тепловая схема водогрейной котельной

Системой теплоснабжения называют комплекс технических устройств, обеспечивающих приготовление теплоносителя, его транспортирование я распределение по потребителям.

Назначение системы теплоснабжения - обеспечение потребителей те­плоты необходимым количеством тепловой энергии требуемых параметров,

Потребителями теплоты являются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения, а также технологи­ческие установки промышленных предприятий.

В зависимости от изменения потребности в теплоте во времени разли­чают сезонных и круглогодичных потребителей теплоты.

Системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха являют­ся сезонными потребителями теплоты.

Применяют централизованные и децентрализованные (автономные) системы теплоснабжения. В централизованных системах один источник теплоты обслуживает раздельно расположенные теплопотребляющие уст­ройства ряда абонентов. В децентрализованных (автономных) системах теплоснабжения каждый потребитель имеет собственный источник теплоты.

Теплоноситель - материальная среда, которая используется для передачи теплоты от источника к потребителям. В системах теплоснабжения в качестве теплоносителя служат вода и водяной пар. Воздух для передачи теплоты на значительное расстояние малопригоден из-за его невысокой плотности и теплоемкости.

Вода: р= 1000 кг/м 3 ; с = 4187 кДж/кг-°К; v= 1,5 м/с;

Пар: р = 0,6-1,6 кг/м 3 ; с = 2250-2160 кДж/кг; v = 40-80 м/с.

Для обеспечения теплотой больших жилых массивов городов и про­мышленных предприятий применяются системы централизованного теп­лоснабжения. Источниками теплоты в них являются теплоэлектроцентра­ли (ТЭЦ) или крупные (обычно районные) котельные.

Применяются водяные и паровые системы теплоснабжения.

К пре­имуществам воды как теплоносителя относятся значительно меньшие поте­ри теплоты при транспортировании. В больших системах температура воды падает примерно на 1 °С на 1 км теплопровода, в то же время давление пара снижается примерно на 0,1-0,15 МПа, что соответствует 5-10 °С.

Преимуществом воды как теплоносителя является также возможность регулирования подачи теплоты путем изменения температуры воды (каче­ственное регулирование). Водяная система более проста в эксплуатации, чем паровая, так как в ней отсутствуют конденсатоотводчики, конденсато-проводы, конденсатные насосы. При теплоносителе-воде поддерживается более низкая температура отопительных приборов. Это является гигиениче­ским преимуществом воды. Трубопроводы, транспортирующие воду, в меньшей степени подвержены коррозии и служат дольше, чем паропроводы.

Достоинством пара является возможность удовлетворять как отопи­тельные, так и технологические нагрузки, а также малое гидростатическое давление. С учетом преимуществ и недостатков теплоносителей водяные системы применяют для теплоснабжения жилых домов, общественных и коммунальных зданий, предприятий, которым необходима горячая вода, а

паровые системы - для снабжения промышленных предприятий. Центра­лизованное теплоснабжение городов составляет до 70-80% в крупных го­родах, в которых преобладает современная застройка.

Теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе ТЭЦ .

На конденсационной электростанции (КЭС) 40% теплоты - на произ­водство электроэнергии.

В этих котельных могут быть механизированы подача топлива, уда­ление золы и шлака.

Сокращение количества источников теплоты и их укрупнение позво­ляют значительно улучшить экологическую ситуацию в крупных городах. Уменьшается количество дымовых труб, через которые в окружающую среду выбрасываются продукты сгорания.

Нет необходимости в большом числе складов топлива, может быть ме­ханизирован процесс удаления золы и шлаков. Легче осуществлять очистку дымовых газов от токсичных компонентов.

Наряду со значительными преимуществами централизованное тепло­снабжение имеет определенные недостатки. К ним в первую очередь отно­сятся значительные потери теплоты в тепловых сетях, достигающие 30%.

В качестве источника теплоты в этих системах все шире применяют­ся блочные и крышные котельные, работающие на газе и жидком топливе. Тепловая мощность котельных от 50 до 3840 кВт.

Тепловые сети

Водяные тепловые сети разделяются на закрытые и открытые. В от­крытых сетях циркулирующая в тепловой сети вода полностью или частич­но разбирается для горячего водоснабжения. В закрытых сетях вода из сети не отбирается.

Тепловая сеть - это система трубопроводов, по которым теплоноситель (горячая вода или пар) поступает от источника к потребителям теплоты. В тепловой сети можно выделить три основных элемента: трубопроводы, по которым перемещается теплоноситель; изоляцию, предназначенную для уменьшения попутных потерь теплоты; строительные конструкции (кана­лы, опоры и др.).

В зависимости от схемы магистральных трубопроводов применяют кольцевые и радиальные (лучевые) тепловые сети.

Тепловые сети разделяются на магистральные, распределительные (внутри квартала, микрорайона) и ответвления к отдельным зданиям.

Тепловые сети могут быть одно-, двух- и многотрубными. 3-трубныс: 1-я и 2-я трубы - подающие теплоноситель с разной температурой, 3-я -обратная.

4-трубная: 1-я, 2-я трубы - для отопления, вентиляции и кондициони­рования; 3-я, 4-я - для горячего водоснабжения и технологических нужд.

Тепловые сети могут быть подземными и надземными. Подземная про­кладка производится на территории населенных пунктов и предприятий. Применяется канальная и бесканальная прокладка.

Надземная прокладка производится на территории предприятий, в не­которых случаях на незастроенных территориях в населенных пунктах. Трубы устанавливаются на высоких опорах, наземных опорах, кронштей­нах у стен зданий, эстакадах. Трассу тепловых сетей прокладывают в специально отведенных техни­ческих полосах параллельно улицам, дорогам и проездам.

При бесканальной прокладке тепловых сетей необходимо выдерживать определенные расстояния по вертикали и горизонтали от зданий, сооруже­ний, водопровода, канализации, газопровода, электрических кабелей, кабе­лей связи.

Твердое топливо

К твёрдому топливу относятся горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. Это – каменный и бурые угли, горючие сланцы, торф и древесина. Свойства топлива в значительной степени определяются его химическим составом - содержанием в нем таких веществ, как углерод, водород, кислород, азот и сера. Одинаковые количества топлива дают при сжигании различное количество теплоты. Поэтому для оценки качества топлива определяют его теплотворную способность, то есть наибольшее количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива.

Самым распространенным, дешевым и быстро возобновляемым твердым топливом является древесина и все ее производные. Сжигание дерева наиболее благоприятно для экологии, а содержание золы всего около 1%. Сера в дымовые газы не входит, а теплота сгорания составляет 4460 ккал/кг. Современные твердотопливные котлы позволяют использовать дрова, древесные гранулы и пиллеты, щепу, кору и опилки максимально эффективно для организации отопления и горячего водоснабжения. В Европе древесина используется в качестве сжигаемого топлива в основном только в виде отходов лесной и лесопильной промышленности, обычно в виде древесной стружки или древесных опилок. Древесный уголь представляет собой эти отходы, переработанные в углевыжигательных или других специальных печах.

Торф образуется из разложившихся растений и воды; по этой причине он содержит большое количество влаги. Его добывают из болот. На поверхности большие пласты добытого торфа разрезаются на блоки, которые высушиваются перед сжиганием. От качества сушки зависит влажность топлива: от 33% до 50%. Торф по своим тепловым качествам близок к древесине: его теплоотдача от 3500 до 4500 ккал/кг. При горении зольность торфа может составлять 7-15%. Себестоимость торфа довольна низкая.

Для отопления частных домов применяется торфяные брикеты и являются хорошей альтернативой углю и дровам. Торфяные брикеты горят значительно дольше чем дрова и брикеты из опилок, при этом выделяют значительно больше тепла, не уступая бурому углю.

Уголь может быть разных видов: каменный, бурый и антрацит.

Каменный уголь является наиболее древним природным минеральным топливом,

распространенном во всем мире, залежи которого находят на разной глубине. Каменный уголь лишен гигроскопичности бурого угля, может долго храниться на воздухе и не склонен к самовозгоранию. Он обладает низкой зольностью и высокой теплотой сгорания: от 5100 до 6700 ккал/кг. Поэтому каменный уголь является преимущественным выбором для частного домохозяйства и промышленности.

Бурый уголь образовался гораздо позднее и содержит древесные остатки. Содержание воды в буром угле составляет 45 - 60%; добывается он, как правило, открытым способом. Бурый уголь имеет очень низкую энергетическую ценность и обычно не перевозится на большие расстояния. Бурый уголь характеризуется высокой зольностью – до 34% и очень хорошо впитывает влагу. Его влажность может достигать 55%. Кроме этого, в состав продуктов сгорания входит до 5,9% серы. Максимальная теплота сгорания составляет 4177 ккал/кг. Среди недостатков этого топлива – его склонность к самовозгоранию. А при продолжительном хранении бурый уголь рассыпается в пыль.

Антрацит – наиболее качественный вид каменного угля, самый древний по происхождению. Он плотный, отличается глянцевым блеском, дает короткое пламя и трудно загорается. Его теплотворность от 5800 ккал/кг до 6500 ккал/кг. Из него производят кокс, так как он способен спекаться. Это основной источник тепла для промышленных нужд.

Горючие сланцы - это слежавшийся ил (сапропель), на который воздействовал водород, уплотняя его. При сжигании сланцев образуется свыше 60% золы. Их теплота сгорания 2477 ккал/кг. Достаточная редкость этого вида твердого топлива и большая зольность сделали сланцы малопопулярным источником тепла, не сравнимым с углем и древесиной.

Газ (природный и СУГ)

Природный газ - смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ - это самое распространенное топливо на сегодняшний день. Природный газ так и называется природным, потому что он добывается из самых недр Земли. Процесс горения газа является химической реакцией, при которой происходит взаимодействия природного газа с кислородом, cодержащимся в воздухе.

Основным горючим компонентом природного газа является метан - CH 4 . Его содержание в природном газе достигает 98 %. Метан не имеет запаха, не имеет вкуса и является нетоксичным. Предел его воспламеняемости находится от 5 до 15 %. Именно эти качества позволили использовать природный газ, как один из основных видов топлива. Опасно для жизни концентрация метана более 10 %, так может наступить удушье, вследствие нехватки кислорода.

Для обнаружения утечки газ подвергают одоризации, иначе говоря, добавляют сильнопахнущее вещество - этилмеркаптан. При этом газ можно обнаружить уже при концентрации 1 %.

Кроме метана в природном газе могут присутствовать горючие газы - пропан, бутан и этан.

Сжиженный углеводородный газ (СУГ) - это углеводороды или их смеси, которые при нормальном давлении и температуре окружающего воздуха находятся в газообразном состоянии, но при увеличении давления на относительно небольшую величину, без изменения температуры, переходят в жидкое состояние.

Сжиженные газы получают из попутных нефтяных газов, а также газоконденсатных месторождений. На перерабатывающих заводах из них извлекают этан, пропан, а также газовый бензин. Наибольшую ценность для отрасли газоснабжения имеют пропан и бутан. Их главное преимущество в том, что их легко хранить и перевозить в виде жидкости, а использовать в виде газа. Другими словами, для перевозки и хранения сжиженных газов используются плюсы жидкой фазы, а для сжигания - газообразной.

Для систем газоснабжения, эксплуатируемых в России, наиболее подходящим является технический пропан (C 3 H 8), так как он имеет высокую упругость паров вплоть до минус 35°C (температура кипения пропана при атмосферном давлении - минус 42,1°C). Даже при низких температурах из баллона или газгольдера, наполненного пропаном, легко отбирать нужное количество паровой фазы в условиях естественного испарения. Это позволяет устанавливать газовые баллоны со сжиженным пропаном на улице зимой и отбирать паровую фазу при низких температурах.

Бутан (C 4 H 10) - более дешевый газ, но отличается от пропана низкой упругостью паров, поэтому применяется только при положительных температурах. Температура кипения бутана при атмосферном давлении - минус 0,5°C. При сгорании молекулы бутана в реакцию вступают четыре атома углерода и десять атомов водорода, что объясняет его большую теплотворную способность по сравнению с пропаном

В коммунально-бытовой сфере используется смесь пропана и бутана технических (СПБТ), в простонародии называемая пропан-бутаном. При содержании бутана в СПБТ свыше 60% бесперебойная работа резервуарных установок в климатических условия России невозможна. В таких случаях для принудительного перевода жидкой фазы в паровую применяются испарители СУГ.

Сжиженный газ – один из распространённых видов топлива для отопления частного дома, коттеджа или дачи, представляет собой природный газ, искусственно сжиженный, путём охлаждения до −160 °C. По своим физико-химическим свойствам выглядит как бесцветная жидкость без запаха, состоящая на 75-99% из метана, при этом имея плотность в два раза меньше плотности воды. Отопление сжиженным газом позволяет сэкономить на сжижении до 50% энергии, теряемой на газораспределительных станциях. В процессе самого отопления используется как сама собственно потенциальная энергия сжатого газа, так и его естественное охлаждение при снижении давления.

Отопление сжиженным углеводородным газом (пропан-бутан) - это удобная, безопасная и доступная альтернатива магистральному природному газу для отопления дачного дома, коттеджа, коттеджного поселка, офиса, ресторана, производственного объекта и т. д. Этот вариант рассматривают, если планируется реконструкция системы теплоснабжения. Отопление домов сжиженным газом подразумевает установку автономной системы теплоснабжения.

Отопление сжиженным газом проводится с помощью подземной емкости (газгольдера). Газгольдеры – специальные резервуары для хранения запаса сжиженного газа. От газгольдера проводится небольшой мини - газопровод к котельной. Расстояние от дома до газгольдера должно быть не менее 10 м.

Объем газгольдера, в зависимости от площади газифицируемого объекта, может быть от 3-х тысяч до 20-ти тысяч литров. Частота наполнения емкости зависит от расхода тепла и, как правило, осуществляется не чаще 2-х раз в год.

Отопление сжиженным газом, конечно, дороже отопления магистральным, но зато гораздо доступнее, чем отопление с помощью электричества. Более того, оборудование, применяемое при отоплении домов сжиженным газом (котлы и т.п.), может использоваться в дальнейшем и с магистральным газом.

Дизельное топливо

В децентрализованном теплоснабжении используют, как правило, дизельное топливо и легкие сорта мазута. Прежде всего, это обусловлено удобством их транспортировки и хранения, невысокой вязкостью, облегчающей задачу эффективного сжигания, а также низким содержанием серы и золы, что решает проблему загрязнения окружающей среды и сохранности оборудования.

За рубежом котельное топливо принято разделять на дистиллятное (печное) и остаточное (мазут).

Первое получают при термическом и каталитическом крекинге нефтепродуктов и коксовании остаточного топлива. Около 60% его расходуется на отопление зданий. В Великобритании печное топливо иногда называют бытовым, во Франции – легким, в США – форсуночным.

В нашей стране термин «печное топливо» часто употребляют, подразумевая дизтопливо, что не совсем корректно. По фракционному составу печное бытовое топливо (ТУ 38. 101656-87) может быть несколько тяжелее дизельного, выпускаемого по ГОСТ 305-82. Сравнение характеристик того и другого горючего предопределяет выбор в пользу дизтоплива, но в теплоснабжении используют оба.

ГОСТ 305-82 устанавливает три вида дизельного топлива; летнее (Л), зимнее (З) и арктическое (А). По содержанию серы дизтопливо подразделяют на топливо с содержанием серы (по массе) не более 0,2 и не более 0,5%.

Жидкое топливо – экологически опасный и горючий материал. Требования к размещению и устройству работающих на нем установок обусловлены соображениями защиты от загрязнения природных вод и пожарной безопасности.

Хранение необходимого запаса жидкого топлива осуществляется в специальных баках – стальных или пластиковых. Применению последних в настоящее время отдается предпочтение, поскольку стальные баки подвергаются внешней и внутренней коррозии.

Электричество

Говоря об электрическом отоплении частного дома, обычно подразумевают электрический котел и систему трубопроводов с жидким теплоносителем (водой или антифризом). Общепризнано, что электрическое отопление по многим своим параметрам приближается к идеальному.

Электрический котел относительно дешев (в несколько раз дешевле, например, дизельного), компактен, в работе – экологически чист, не сжигает кислород, не нуждается в вентиляции, бесшумен и прост в монтаже. Электрическое отопление легко поддается автоматизации. Электронные таймеры и термостаты позволяют составить расписание температурного режима на любой день и час, и на любой по продолжительности период времени.

Однако, кроме достоинств, у каждого вида отопления есть присущие только ему недостатки. Главный недостаток электрического отопления – высокие эксплуатационные расходы как следствие высокой цены на электричество. Другой недостаток электрического отопления зависит от состояния электрических сетей в том или ином регионе - это нестабильность подачи электроэнергии и перепады напряжения. Но возможность точного программирования, учитывание ночного тарифа и гибкого использования мощности электрического котла, а также применение дополнительных технических решений (например, установка системы солнечных вакуумных коллекторов и/или использование других источников энергии – бензогенераторы, твердотопливные котлы и т.п.) позволит владельцу электрического котла существенно сэкономить на оплате за электричество и защитить дом от нестабильной подачи электроэнергии.

Альтернативные источники тепловой энергии

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергиии от источника низкопотенциальной тепловой энергии к потребителю с более высокой температурой. Термодинамическии тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако, если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Теплоноситель нагревается на несколько градусов, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходит через теплообменник (испаритель) и отдает собранное тепло внутреннему контуру теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом, имеющим низкую температуру кипения, который, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное при температуре -5 о С и низком давлении. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, там он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Затем горячий газ поступает во второй теплообменник - конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент, отдавая тепло системе отопления, охлаждается и превращается в жидкость, а теплоноситель системы отопления поступает в отопительные приборы. После прохождения через конденсатор жидкий хладоген может быть еще более охлажден, а температура прямой воды системы отопления увеличена посредством дополнительно установленного сабкулера. Давление хладагента, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро, вообще любой источник тепла с температурой от 1 градуса Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, выход теплого воздуха из системы вентиляции или какого-либо промышленного оборудования.

Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. Теплоноситель – 30% раствор этиленгликоля (либо этилового спирта).

Скважина

При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Можно пробурить несколько не глубоких скважин - это, возможно, обойдётся дешевле, чем одна глубокая. Главное - получить общую расчетную глубину.

Для предварительных расчетов используется следующее соотношение – 50-60 Вт тепловой энергии на 1 метр скважины. То есть, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.

Земляной контур

При укладке контура в землю желательно использовать участок с влажным грунтом, лучше всего с близкими грунтовыми водами. Использование сухого грунта тоже возможно, но это

приводит к увеличению длины контура. Трубопровод должен быть зарыт на глубину примерно 1 м, расстояние между соседними трубопроводами - примерно 0.8-1.0 м.

Удельная тепловая мощноть трубопровода, уложенного в землю трубопровода - 20-30 Вт/м. Т. е. для установки теплового насоса производительностью 10 кВт достаточно 350-450 м теплового контура, для чего хватит участка 20х20 кв.м.
Специальной подготовки почвы не требуется, влияния на растения трубопровод при правильном расчёте не оказывает.

Водоем
Ближайший водоём - идеальный источник тепла для теплового насоса. При использовании в качестве источника тепла воды озера или реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения – «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), короткий внешний контур, высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

На 1 метр трубопровода приходится ориентировочно 30 Вт тепловой мощности.Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.

Для того, чтобы трубопровод не всплывал, необходимо установить около 5 кг груза на 1 погонный метр трубопровода.

Теплый воздух

Существует и специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником для получения тепловой энергии из воздуха, например, из вытяжки вентиляционной системы. Она может использоваться на производственных предприятиях, вырабатывающих большое количество тёплого воздуха (пекарни, производство керамики и т.д.).

Такая модель пригодится и для загородного дома для работы системы горячего водоснабжения в летний период.

Гелиосистема -это комплекс оборудования, которое преобразовывает энергию солнечной радиации в другой вид энергии - тепловую или электрическую. Гелиоустановки применяют для нагревания воды или воздуха и выработки электроэнергии. Гелиосистемы являются экологически чистыми источниками бесплатной энергии.

Солнечный коллектор -устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой светом и инфракрасным излучением.

В отличие от солнечных батарей (правильное называние - фотоэлектрические элементы), производящих электричество, солнечный коллектор нагревает воду. Есть всего две модификации солнечных коллекторов: плоские и вакуумные.

Гелиосистемы находят широкое применение в мире. В настоящее время во всем мире эксплуатируется более 160 000 000 кв.м солнечных коллекторов. В Китае установлено более 10 000 000 кв.м гелиоколлекторов, ежегодно продается до 3 000 000 кв.м. Общая площадь всех устновленных солнечных коллекторов в Японии – около 8 000 000 кв.м. В США эксплуатируются солнечные коллекторы общей площадью около 10 000 000 кв.м. В Германии, которая является лидером по использованию солнечной энергии, в более чем 630 000 частных домовладениях действуют солнечные установки суммарной площадью 6 500 000 кв.м. В Европе солнечные коллекторы установлены почти на каждом доме. К 2020 г. большинство европейских государств планируют перевод около 70 % систем теплоснабжения всего жилого фонда на солнечную энергию.

В России же установленная общая площадь гелиоустановок не превышает 20 000 кв.м, хотя в том же Хабаровске 300 солнечных дней в году, а количество излучаемой солнечной энергии Московская область получает даже больше, чем Германия.

Как показывает опыт европейских специалистов, целесообразно рассчитывать солнечную систему отопления на покрытие 30 - 40% от годовых затрат на отопление. И большинство этих затрат приходится на межсезонье, т.е. весну и осень, когда отопительный сезон уже начался или еще не закончился, а солнечных дней достаточно. Дальнейшее увеличение % покрытия приводит к существенному нелинейному удорожанию гелиосистемы и не имеет экономического смысла. Таким образом, гелиосистема для нужд отопления - это не автономная система, а дополнение к существующей основной. А делать основную систему отопления даже немного менее мощной в расчете на то, что от солнца поступит остальное тепло, нельзя. Система отопления должна на 100% перекрывать потребности в тепловой мощности, без использования солнечной энергии. То есть солнечные коллекторы можно рассматривать как дополнительный источник нагрева, как дополнительный теплоисточник в системе отопления, который работает, когда на улице есть солнце. А когда солнца нет, не работает. Максимально эффективно солнечные системы отопления будут работать с так называемыми низкотемпературными системами отопления, т.е. с водяными теплыми полами. В отличии от радиаторной системы отопления, в которую подается теплоноситель с температурой 70 - 90 градусов, теплым полам достаточно 40 – 50 градусов. Нагреть теплоноситель до такой температуры гелиосистеме намного проще и ее эффективность будет максимальна.

В.М. ФОКИН

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

∆Т Н ∆Т В

В.М. ФОКИН

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

МОСКВА «ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

УДК 621.182 ББК 31.361

Р е ц е н з е н т

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика»

Астраханского государственного технического университета,

А. К. Ильин

Фокин В.М.

Ф75 Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

Приведены принципиальные схемы, конструкции и особенности работы паровых и водогрейных котельных агрегатов, электродных котлов, гелио-, геотермальных и теплонасосных установок. Представлен обзор топочных и горелочных устройств, основного и вспомогательного оборудования для безопасной работы котельных установок. Изложены методики и рекомендации по расчету горения органического топлива, теплового баланса, расхода топлива, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов. Приведены номограммы, таблицы, материалы для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам «Теплогенерирующие установки», «Котельные установки и парогенераторы», «Источники и системы теплоснабжения».

Предназначена для научных, инженерно-технических работников, преподавателей вузов, аспирантов, студентов.

Научное издание

ФОКИН Владимир Михайлович

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИСИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Монография

Редактор Т.М. Глинкина Инженер по компьютерному макетированию Т.А. Сынкова

Подписано к печати 28.02.2006.

Формат 60 × 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 13,95 усл. печ. л.; 13,7 уч.-изд. л.

Тираж 400 экз. С. 96М

«Издательство Машиностроение-1», 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре

Тамбовского государственного технического университета

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ПРЕДИСЛОВИЕ

В монографии рассмотрены вопросы устройства и работы паровых, водогрейных и электродных котельных агрегатов, гелио- и геотермальных установок, котлов-утилизаторов, теплонасосных и других теплогенерирующих установок. Изложены методики и рекомендации по расчету тепловых схем теплогенерирующих установок, паровых и водогрейных котельных агрегатов, горения органического топлива, теплового баланса, расхода топлива, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева. Методики приведены в соответствии с действующими нормативными методами и документами , справочниками , СНиП

И позволяют выбрать энергосберегающий режим работы теплогенерирующих установок.

Монография написана в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и предназначена для студентов, изучающих дисциплины: СД. 02 «Источники и системы теплоснабжения» по специальности 101600 «Энергообеспечение предприятий» и СД. 02 «Котельные установки и парогенераторы» по специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика» (направление 650800 – «Теплоэнергетика»); СД. 10 «Теплогенерирующие установки» по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» (направление 653500 – «Строительство»). В монографии приведены материалы, необходимые для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам «Теплогенерирующие установки», «Котельные установки и парогенераторы», «Источники и системы теплоснабжения».

Монография позволяет приобрести практические навыки в расчетах теплогенерирующих установок, паровых и водогрейных теплогенераторов, более глубоко усвоить теоретические положения и ознакомиться с действующими нормативными и справочными материалами. Монография будет полезна при подготовке бакалавров и инженеров теплоэнергетических специальностей, специализации «Энергоаудит и энергосбережение», магистров техники и технологии, а также для самостоятельной подготовки ответственных за паросиловое хозяйство котельных и операторов котельных установок.

ВВЕДЕНИЕ

Тепловая энергия – необходимое условие жизнедеятельности человека и создания благоприятных условий его быта. Повышение надежности и экономичности систем теплоснабжения зависит от работы теплогенерирующих установок, рационально спроектированной тепловой схемы котельной, широкого внедрения энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, экономии топлива, тепловой и электрической энергии. Энергосбережение и оптимизация систем производства и распределения тепловой энергии, корректировка энергетических и водных балансов позволяют улучшить перспективы развития теплоэнергетики и повысить технико-экономические показатели оборудования теплогенерирующих установок.

Альтернативы энергосбережению в настоящее время, безусловно, нет. Поэтому покрытие дефицита энергии следует осуществлять за счет таких ее источников, которые обладали бы уникальными свойствами: были возобновляемыми, экологически чистыми и не приводили бы к поступлению на планету дополнительного количества теплоты. Такими источниками являются солнечная энергия, энергия ветра и биомассы, энергия морских волн и приливов, геотермальная энергия и ряд других нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии.

В экономике России энергосбережение и энергосберегающие технологии являются приоритетными при внедрении их в производство. Знания принципов работы, расчета и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок позволяют определить – где, что, в каких количествах, куда и почему теряется. Эффективность, безопасность, надежность и экономичность работы оборудования котельных во многом определяются методом сжигания топлива, совершенством и правильностью выбора оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией и степенью подготовки обслуживающего персонала.

Перевод предприятий на хозяйственный расчет и самофинансирование, повышение цен на топливо, воду, электроэнергию требуют пересмотра подходов к проектированию и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок. Это в значительной степени зависит от обеспеченности подготовленными инженерно-техническими работниками производственных, проектных и других организаций, а также от качества обучения и подготовки специалистов.

1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воздух.

В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия

с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

Системой теплоснабжения называют комплекс устройств, производящих тепловую энергию и доставляющих ее в виде водяного пара, горячей воды и нагретого воздуха потребителю.

Основные тенденции развития теплогенерирующих установок включают применение централизованного теплоснабжения и автоматизированных систем управления (АСУ), использование альтернативных источников энергии (водородной, солнечной, геотермальной, ветровой, приливов и отливов), местных и вторичных энергоресурсов, отходов промышленности, сельского и городского хозяйства, обеспечение минимальных выбросов вредных веществ в атмосферу.

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы производства тепловой энергии.

1. Котельные агрегаты – устройства, имеющие топку для сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермических химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

2. Атомные реакторы – устройства, в которых проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.

3. Электродные котлы – устройства, в которых проходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

4. Гелиоустановки – устройства, в которых солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу – воде или воздуху.

5. Геотермальные установки – устройства, в которых проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

6. Котлы-утилизаторы – устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое оборудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

7. Для систем теплоснабжения также используют производство тепловой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства, в которых энергия с низким энергетическим потенциалом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах).

Эффективность ТГУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии,

а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

1.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОТЕЛЬНЫХ

Паровым или водогрейным котельным агрегатом(теплогенератором)

называют устройство, имеющее топку для сжигания органического топлива и обогреваемое продуктами сгорания этого топлива, предназначенное для получения пара или горячей воды с давлением выше атмосферного, которые используют вне самого устройства.

При сжигании органического топлива горючие химические элементы (метан, углерод, водород, сера), входящие в состав топлива, соединяются с кислородом воздуха, выделяют теплоту и образуют продукты сгорания (двуокись углерода, водяные пары, сернистый газ). В котельный агрегат необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить полное сгорание топлива и передачу теплоты от топочных газов рабочему телу; удалить продукты сгорания топлива; подать рабочее тело – воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар требуемого давления, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки. Производительность теплогенератора определяется количеством теплоты или пара, получаемых в процессе сжигания топлива.

От высокотемпературных продуктов сгорания органического топлива тепловая энергия передается трубам суммарным потоком теплоты: конвекцией и лучеиспусканием. Затем от внешней поверхности кипятильных труб к

внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота передается путем теплопроводности, а от внутренней поверхности труб к воде благодаря теплопроводности и конвекции.

Котельная установка включает в себя теплогенератор – паровой или водогрейный котельный агрегат (котел), хвостовые поверхности нагрева, горелки, а также различные дополнительные устройства. Радиационные поверхности нагрева теплогенератора размещены в топочной камере и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет лучеиспускания, одновременно защищая стены топки (обмуровку) от прямого воздействия излучающей среды топочных газов. Конвективные поверхности нагрева (кипятильные трубы) установлены за топкой, в газоходах котла и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет конвекции. К конвективным или хвостовым поверхностям нагрева также относятся пароперегреватели, водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата или установки и в конечном итоге для снижения расхода топлива.

На рис. 1.1 приведена принципиальная схема котельной установки, работающей на природном газе или мазуте.

				17 15

Рис. 1.1. Принципиальная схема котельной установки:

1 – водопровод;2 – катионитовый фильтр;3 – теплообменник;4 – колонка деаэратора;5 – бак деаэратор;6 – питательный насос;7 – водяной экономайзер;8 – питательная линия;9 – верхний барабан;10 – нижний барабан котла;11 – кипятильные трубы;12 – паропровод;13 – пароперегреватель;14 – паропровод перегретого пара;15 – воздуховод;16 – дутьевой вентилятор;17 – воздухоподогреватель;18 – воздуховод нагретого воздуха;19 – горелочное устройство;20 – топливопровод;21 – боров;22 – дымосос;

23 – дымовая труба

Вода после водоподготовки (умягчения и деаэрации) питательным насосом нагнетается вначале в водяной экономайзер, а затем в верхний барабан парового котельного агрегата, где вырабатывается сухой насыщенный пар. Для производства перегретого пара дополнительно устанавливается пароперегреватель. Воздух, необходимый для горения топлива, дутьевым вентилятором нагнетается в топку котла либо предварительно нагревается в воздухоподогревателе. Котельная или теплогенерирующая установка также включает в себя: горелочные устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию; дымосос для удаления продуктов сгорания; дымовую трубу; арматуру и гарнитуру различного назначения. Устройство и работа всех этих элементов котельной установки будут рассмотрены в гл. 5, 6. Все эти установки размещаются в специальном промышленном здании, называемом котельной.

На рис. 1.2 и 1.3 приведены план и продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13, работающей на природном газе или мазуте.

Рис. 1.2. План котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Рис. 1.3. Продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Котельной называется комплекс устройств и механизмов для превращения химической энергии органического топлива в тепловую энергию. Котельная включает в себя несколько котельных установок, дымовую трубу для отвода дымовых газов в атмосферу, теплообменники, деаэратор, баки, насосы (питательные, сетевые, подпиточные и другие), разные вспомогательные устройства и машины, предназначенные для обеспечения длительной и надежной работы котельных агрегатов, в том числе и приборов, позволяющих контролировать ход процессов в котельном агрегате. В котельной также имеются помещения для различных вспомогательных служб и мастерских. Для удаления очаговых остатков топлива и золы из дымовых газов при сжигании твердого топлива в котельных имеются системы шлако- и золоудаления.

Снабжение котельной топливом может осуществляться различными путями: по трубопроводам, по железной дороге и автотранспортом. На территории котельной обычно проложены трубопроводы, подводящие природный газ к котельным агрегатам, и газорегуляторные пункты (ГРП) для приема, очистки и снижения давления газа перед котлами. При использовании жидкого топлива, подаваемого в железнодорожных или автомобильных цистернах, на территории котельной предусмотрены устройства для приемки, разгрузки, слива, хранения и подачи жидкого топлива по емко-

стям, аппараты для подогрева, фильтрации и транспортировки в котельную.

На территории котельной также располагаются склады для хранения материалов и запасных частей, необходимых при эксплуатации и ремонте оборудования; устройства для приемки и преобразования электрической энергии, потребляемой котельной. На территории котельной регламентировано устройство проездов и площадок разного назначения, зеленой зоны для защиты окружающего пространства.

Теплогенераторы с давлением выше 0,07 МПа (0,7 кгс/см2 ) и температурой выше 115° С подлежат регистрации в государственной организации, контролирующей правильность конструкции котельного агрегата, соответствие установленным правилам и нормам оборудования и здания котельной и соблюдение обслуживающим персоналом Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов Госгортехнадзора РФ . Размеры зданий котельных, проходы между стенами и оборудованием, материалы, из которых они выполняются, определяются Правилами и нормами Госгортехнадзора РФ.

Эффективность работы котельных во многом определяется правильностью выбора метода сжигания топлива, совершенством оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией обслуживающего персонала и др.

1.3. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ ТЭЦ

Для комбинированного производства тепловой и электрической энергии применяют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающие на органическом топливе, с различными схемами использования паровой турбины. На рис. 1.4 приведена принципиальная тепловая схема ТЭЦ.

Питательная вода после системы подготовки 18 (умягчения, деаэрации) питательным насосом1 подается в водяной экономайзер2 , где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем идет в паровой котел3 , где вырабатывается сухой насыщенный пар, который затем проходит через пароперегреватель4 и разделяется на два потока.

Одна часть пара (≈ 60 %) по паропроводу5 идет в паровую турбину6 , где энергия пара вначале переходит в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе7 , который соединен с турбиной на одной оси. Остаточный пар из паровой турбины проходит через конденсатор8 , где охлаждается до состояния жидкости (конденсата), и идет в обратную магистраль9 .

Рис. 1.4. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ:

1 – питательный насос;2 – водяной экономайзер;3 – паровой котел;4 – пароперегреватель;5 ,11 – паропровод;6 – паровая турбина;7 – электрогенератор;8 ,15 – конденсатор;9 – обратная магистраль;

10 – регенеративный подогреватель;12 – технологическое производство;13 ,14 – паровые подогреватели;16 – сетевой насос;

17 – потребитель теплоты;18 – система подготовки воды

Другая часть пара (≈ 40 %) по паропроводу11 подводится к технологическому производству12 и к паровым сетевым водонагревателям13 ,14 . Конденсат от технологического производства и конденсатора15 также возвращается в обратную магистраль9 .

Работа теплосети . Обратная сетевая вода насосом16 прокачивается через паровые сетевые подогреватели воды14 и13 и направляется к потребителю17 на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Для повышения КПД паросиловой установки используют регенеративный подогреватель 10 , где производится нагрев воды (конденсата) за счет отбора пара из отдельных ступеней паровой турбины6 .

1.4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ АТЭЦ

Ядерное (расщепляющееся) топливо – вещество, способное выделить значительное количество тепловой энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при взаимодействии их с нейтронами. В энергетике в качестве ядерного топлива используют природный изотоп уран-235 (235 U), искусственные изотопы уран-233 (233 U) и плутоний-239 (239 Pu). Основная руда, из которой получают уран, – урановая

смолка U3 O8 .

Чтобы реакция деления ядер началась, нейтронам необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, т.е. иметь энергию выше энергии активации реакции деления. В процессе деления образуются новые нейтроны, которые могут быть использованы для обеспечения самоподдерживающейся цепной реакции деления. Установлено, что ядра с нечетным числом нейтронов: уран-235, уран-233, плутоний-239, при захвате нейтрона делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов, а ядра с четным числом нейтронов: уран-238, торий-232, делятся под действием быстрых нейтронов. Энергия теплового нейтрона составляет 0,03…0,5 эВ (1 эВ = 1,602 10− 19 Дж), а быстрого нейтрона – 105 эВ. Однако в результате деления любого ядерного топлива (с четным и нечетным числом нейтронов) образуются преимущественно быстрые нейтроны. Чтобы снизить энергию быстрых нейтронов и тем самым обеспечить их участие в реакции деления, организуют их замедление. В качестве замедлителя используют обычную воду Н2 О, графит С, реже тяжелую воду D2 O и бериллий Ве. В результате цепной реакции деления ядер топлива кинетическая энергия быстрых нейтронов, попадающих в вещество замедлителя, трансформируется в тепловую энергию теплоносителя. Так 1 кг ядерного топлива обеспечивает реализацию тепловой мощности в 2 МВт в течение года.

Ядерное топливо применяют для комбинированного производства тепловой и электрической энергии на атомных теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) с различными контурами циркуляции. На рис. 1.5 приведена принципиальная трехконтурная тепловая схема АТЭЦ с подачей теплоты от реакторного теплоносителя в теплофикационный контур.

Контур 1. В атомном реакторе1 образуется значительная тепловая энергия, которая позволяет нагреть теплоноситель до высоких параметров (t ≈ 450° С). Из атомного реактора высокотемпературный теплоноситель циркуляционным насосом2 подается в атомный парогенератор3 . Поверхность нагрева парогенератора представляет собой систему змеевиков4 малого диаметра, внутри которых при высоком давлении течет теплоноситель. Поверхность нагрева помещена в вертикальный или горизонтальный корпус, куда питательным насосом5 подводится другой теплоноситель – вода, которая нагревается до кипения, в результате чего в парогенераторе образуется водяной пар.

Так для парогенератора ВВЭР-1000: паропроизводительность составляет 1469 т/ч, давление насыщенного пара – 6,4 МПа, длина корпуса – 15 м, внутренний диаметр корпуса – 4 м, поверхность нагрева змеевиков – 5200 м2 , число трубок змеевиков – 15 648 шт., диаметр трубок змеевиков – 12 мм, средняя длина трубок – 8,9 м, скорость теплоносителя в трубках – 4,9 м/с.