ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 536.24
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Бойко Л. Г.
Кременчугский государственный политехнический университет
Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий
Введение. Существенное место в энергосбережении Украины занимает промышленность. На сегодня промышленность потребляет около 70% котельно-печного топлива и 64% тепловой энергии от
общего потребления всех областей национальной
экономики.
При внедрении энергосберегающих мероприятий в промышленности уделяется внимание энергоемким областям и усовершенствованию структуры промышленного комплекса. Достичь этого
можно путем:
- снижения доли топливных областей (электроэнергетика и черная металлургия) в промышленном производстве;
- снижения в структуре промышленного производства доли легкой и пищевой промышленности;
- улучшения структуры производства материалов
за счет повышения темпов развития химического и нефтехимического производств.
Существенные резервы повышения использования промышленно-энергетических ресурсов есть в
коммунальной энергетике. Сегодня на балансе
этой области находятся в эксплуатации около 5 тысяч котельных установок, 12 тыс. км тепловых сетей. Годовое производство тепла составляет 48
млн. Гкал. На предприятиях используется в год
около 8 млрд. м3 природного газа, 400 тыс. тонн угля и 300 тыс. тонн жидкого топлива, что составляет
6,5 % от общего потребления в Украине. Уменьшение удельной затраты топлива на изготовление
тепловой энергии является одним из основных показателей экономного использования топливных
ресурсов.
Современные технологии энергосбережения
направлены на сокращение тепловых потерь, выделяемых с продуктами сгорания, и оптимизацию
температурного режима в печах для снижения тепловых потерь через кладку. Оптимизация технологии горения повышает эффективность использования топлива за счет снижения коэффициента избытка воздуха. Второй составляющей повышения
эффективности работы тепловых агрегатов при использовании горелок является короткий факел.
Поскольку большинство печей, используемых в
промышленности, имеют большие поверхности, и
работают круглосуточно практически весь год, то
величина затрат энергии в них значительна. На сегодняшний день эти печи находятся в неудовлетворительном состоянии. В некоторых случаях это
связано с проблемой недостатка запасных частей.
Для поддержки оптимальной рабочей температуры и газовой среды в печи при производстве некоторых видов продукции, необходимо использование быстродействующих эффективных контрольно-измерительных приборов (КВП). Современное оборудование контроля производственных
процессов (микрокомпьютерные вычислительные
системы и вычислительные устройства) используется на крупных установках совместно со счетчиками и датчиками для осуществления технического
регулирования, управления и передачи информации. Такое оборудование на предприятиях встречается редко, либо вообще отсутствует.
Цель работы. Основной целью при управлении
теплоэнергетическими процессами является достижение максимума отдаваемой потребителю тепловой энергии при минимуме энергетических затрат
(топлива и электроэнергии).
Материал и результаты исследований. Регулирование необходимой температуры разных типов
печей осуществляется с помощью систем, оптимизирующих давление подаваемого газа и воздуха.
Управление регулированием с помощью микроэлементной аппаратуры и компьютерных мониторов выполняется редко или не выполняется вообще.
Для экономии электроэнергии и повышения
эффективности ее использования следует предусмотреть мероприятия:
- обеспечение оптимальной нагрузки на всех тепловых установках;
- обеспечение необходимого аэродинамического
режима работы тепловых агрегатов;
- оптимизацию теплообмена в производстве путем замены существующих горелок на более
подходящие для данного процесса и оптимизации их расположения;
- сведение к минимуму затрат энергии путем
установления более точного времени обработки
автоматического регулирования температуры и
других параметров.
К другим возможностям экономии энергии, которые требуют капитальных затрат, нужно отнести:
сведение к минимуму уровня тепловых потерь
от разогретых поверхностей печей и водоводов путем их изоляции;
- оптимизацию конструкции небольших печей
разного типа методом замены огнеупорного
кирпича на легкие изоляционные материалы;
- реконструкцию или полную замену устаревших
печей и других элементов установок тепловой
обработки;
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
89
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
Система реализуема при наличии датчиков контроля поступающего воздуха в топку, качества и
количества газа на горелке, температуры и объема
входной и выходной воды, а также датчиков аварийного состояния объекта.
Управление системой осуществляется от вычислительного устройства, работающего по алгоритму, реализующему выше указанные функции.
Сущность алгоритма состоит в следующем:
- по требованиям на количество и качество выходного продукта (тепловой воды) определяется
требуемое количество газа и воздуха;
-
-
исходя из полученных значений расхода воды,
газа и воздуха, устанавливаются режимы топливоподачи, работы насоса подачи воды и вентилятора системы сжигания топлива;
исходя из существующих норм, устанавливаются границы опасных режимов;
осуществляется контроль полноты сгорания
топлива при подготовке воды;
контролируются и регулируют параметры топливоподачи, водоподачи и режима работы вентилятора котельного комплекса.
2
Qт
УТ
ПС
H1
34
Qc
Тсп
Uy1
ЭП1
K
T0
33
1
Н2
ЭП Uн
3
31
УЗ
5
U31
6
П
OC
Тсо
Qc
32
4
ЭП2
У2
В
Uв
Рисунок 1 - Блок-схема комплекса котельной
Для того, чтобы установка работала экологически чисто, экономично и безотказно, необходимо
во время регулирования горелки осуществлять контроль состава отходящих газов.
Энергобаланс системы теплоснабжения должен
учитывать количество и характеристики топлива,
температуру окружающей среды, температуру воды, количество подаваемого теплоносителя.
Одной из важнейших задач является контроль
целостности водоводов, наличие порывов, и значительных утечек теплоносителя. Важна методология
оценки местоположения утечек и разрывов с использованием автоматических устройств и систем.
Рационализация теплоэнергетических процессов
котельной установки представляет собой достаточно сложную задачу, которая до настоящего времени не решена должным образом по целому ряду
причин:
в виду значительного числа объектов, связанных
с теплообменными энергопроцессами;
- из-за объектов инерционности (котла, теплосети и
др.);
- из-за изменения ряда параметров системы теплоснабжения во времени, окружающей температуры, задаваемой температуры в помещениях и т.п.;
- из-за существенных утечек тепла по каналам
транспортирования и производства.
Блок–схема простейшей котельной представлена
на рис. 1. Основные узлы комплекса: 1 - водогрейный котел; 2 - насосная установка для подачи
теплоносителя потребителю П; 3 - теплосеть с прямой сетью ПС и обратной сетью ОС; 4 - система
воздухоподачи в систему котла; 5 - система подкачки
воды в водогрейную часть котла для компенсации
утечек теплоносителя; 6- установка подачи топлива в
котел.
-
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
90
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
Каждый из элементов системы теплоснабжения
представляет собой комплекс оборудования с определенными функциями использования и преобразования энергии. Общим является то, что эффективность энергопреобразования определяется общим
результатом энергопроцессов в каждом из элементов.
Общий энергетический баланс системы теплоснабжения может быть представлен как:
W  = WT + W Э
где WT - энергия теплоснабжения, WЭ - электроэнергия, потребляемая оборудованием комплекса.
Важна и другая сторона вопроса – финансово экономическая. Важна затратная часть на оба вида
энергии. Приведенная зависимость может быть
представлена как:
W  = WT + WH1 + WH2 + Wв,
где WH1 – энергия, потребляемая электрооборудованием насоса теплоподачи теплоносителя,
WП
WΣ
где WП – энергия, переданная потребителю.
При известных характеристиках котельного оборудования, энергия, переданная потребителю, существенным образом зависит от потерь тепла при его
транспортировке. При этом потери можно разделить
на две составляющие: тепловые потери в прямом
контуре теплопередачи и потери в обратном контуре.
Они зависят от температуры окружающей среды:
КЭ =
Т
WПС    ПС (Т 0ПС  Т 00 )dt
0
где  ПС - коэффициент тепловых потерь в прямом
контуре; T 0ПС - температура теплоносителя на выходе котла; T 00 - температура окружающей среды.
Т
WОС    ОС (Т 0ОС  Т 00 )dt ,
Т
 Р Н1 (t)dt;
WH1 =
0
0
где
WH2 - энергия, потребляемая электрооборудованием
насосом теплоподкачки,
 Р Н2 (t)dt;
0
Wв - энергия, потребляемая электрооборудованием
котла,
Т
Wв =
 Р в (t)dt;
0
РН1, РН2, Рв – мощность соответствующих механизмов.
Энергия топлива определяется выражением:
Т
WТ =
T 00
- соответствующие параметры
для обратной ветви теплосети.
Так как энергобаланс непосредственно котла хорошо известен, то, с учетом полученных зависимостей для мощности электрооборудования, энергохарактеристик прямой и обратной сети теплоподачи,
можно составить общее уравнение баланса с несколькими входными и одним выходным параметром
(температурой потребителя). Изменение входных
параметров, как следует из вышеизложенного, приводит к соответствующему изменению параметра на
выходе.
Выводы. Представляется возможным создание
системы, позволяющей, при минимуме затрат на
функционирование комплекса, получить необходимые параметры теплоснабжения потребителя при
существующих характеристиках сети другого оборудования.
Т
WH2 =
 ОС, T 0ОС ,
 c(t)q(t)dt;
0
где с(t) – теплоемкость потребляемого топлива.
Предполагается, что этот параметр изменяется во
времени; q(t) – количество топлива, потребляемого
в единицу времени.
Общие затраты на технологический процесс создания и транспортировки теплоносителя:
С  = а WT + в Wэ
где а и в - коэффициенты, определяющие суммарную стоимость энергии.
Мощность каждого из анализируемых объектов
теплофикационного объекта определяется в соответствии с их индивидуальными характеристиками.
Например, мощность насоса подачи теплоносителя
H (t)Q1 (t)
PH1(t)  1
102η H1
где Н1 – давление на выходе насоса; Q1(t) – текущая
производительность насосного агрегата.
Коэффициент, характеризующий эффективность использования энергии может быть определен таким путем:
ЛИТЕРАТУРА
1. Беликов А.Б., Другов Ю.С. Методы анализа загрязнений воздуха// Москва "Химия". – 1984, - с.9 –
14.
2. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива//Л.: Недра, - 1988, - с.17 - 30.
3. Муравьева С.И., Казнина Н.И. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе//, Справ. Изд. –
М.: Химия, - 1988, - с.46 - 54.
5. Ратушняк Г.С., Попова Г.С. Енергозбереження та
експлуатація систем теплопостачання // Вінниця:
Унвірсум – Вінниця, - 2004, - с. 53-56.
Стаття надійшла 25.04.2006р.
Рекомендована до друку
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
91
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
92