Руководство по энергоэффективности.

(Сокращенно)

Energy Efficiency Handbook /Alliance to Save Energy, Council of Industrial Boiler Operators, U.S. DOE Office of Industrial Technologies. - 1998. - 64 p.

Котловая вода

Две проблемы - отложения на трубах (накипь) и коррозия. Часто бывают взаимосвязаны.

Накипь возникает в результате реакции кальция, магния и кремния с металлом труб и образует твердый слой на их внутренней поверхности, препятствуя теплопередаче. Чтобы преодолеть тепловое сопротивление накипи, приходится повышать температуру труб. Это приводит к их перегреву и образованию трещин. Слой накипи толщиной 3 мм вызывает потерю 2-3% тепла. В общем, накипь понижает кпд котла на 10-12%. Накипь, также, образуется в экономайзерах, насосах питательной воды и в связанных с ними трубопроводах. Обычно, накипь не образуется в системах, где применяется деминерализованная вода.

Наиболее сложно удалять кремниевую накипь, образующую на поверхности труб гладкий стеклообразный слой. Хорошие результаты дают очистители на базе фтористоводородной кислоты. Уменьшение концентрации кремния достигается за счет предварительной обработки воды и надлежащей продувки котла. В котловой воде для котлов низкого давления (менее 40 кг/см2) отношение гидратной щелочности к содержанию кремния должно поддерживаться на уровне не менее 3 : 1.

Еще одним отрицательным последствием накипи является местная коррозия. Наиболее подвержены местной коррозии в результате отложения накипи котлы, у которых удельная теплопередача превышает 200 000 ккал на 1 м2 эффективной расчетной излучающей поверхности в час.

Твердые отложения окислов железа образуются ближе к поверхности труб, а поверх них образуется слой мягких пористых отложений окислов железа. Котловая вода, которая просачивается через пористые участки, мгновенно вскипает, оставляя возле этого участка нерастворенные твердые вещества, такие как каустики и клешнеобразные соединения. Их концентрация на этих участках может увеличиться до 1 000 мг на кг воды даже при нормальной концентрации данных веществ в общем объеме котловой воды. Результат - резкое ускорение растворения металла и разрушение труб.

Очевидно, что наиболее эффективным противодействием будет устранение примесей железа из питательной воды и конденсата до того, как они попадут в котел. Обработка воды и конденсата полимерами, фосфатами и клешнеобразными соединениями может свести отложения окислов железа к минимуму.

Растворенный кислород вызывает точечную коррозию поверхностей компонентов котла, образуя мелкие кратеры на поверхности металла. Некоторые из этих кратеров продолжают увеличиваться до возникновения свищей и остановки котла. С повышением температуры агрессивность кислорода повышается.

Удаление кислорода из питательной воды производится в деаэраторе и при помощи поглотителей кислорода. После хорошо работающего деаэратора питательная вода имеет менее 15 мкг кислорода на 1 кг воды. Остаточные следы кислорода можно удалить при помощи поглотителей кислорода, наиболее распространенным из которых является сульфит натрия, хотя есть ряд органических поглотителей, которые действуют не менее хорошо. Однако, поглотители кислорода не могут заменить деаэратор. Если содержание кислорода выше 50 мкг/кг, поглотители кислорода не могут предотвратить кислородную коррозию.

Наиболее типичными причинами коррозии является присутствие в конденсате двуокиси углерода и кислорода. Газообразная СО2 , присутствующая в паре, не агрессивна. Но, растворяясь в конденсате, она образует агрессивную угольную кислоту, понижает рН конденсата и способствует кислотной коррозии, в то время как кислород непосредственно разрушает металл. Источником СО2 являются соли угольной кислоты, находящиеся в воде, превращающейся в пар. Деминерализация воды служит более эффективной зашитой, чем ее умягчение.

Щелочная агрессия.

Проявляется в двух формах - щелочное разупрочнение и щелочная хрупкость металла. Щелочное разупрочнение приводит к образованию глубоких эллиптических проседаний металлических поверхностей котла, которые возникают в зонах наибольших тепловых потоков или под толстым слоем пористых отложений, таких как окислы железа. В зонах пористых отложений концентрация щелочей резко повышается, вызывая местную коррозию. Она развивается очень быстро и может вызвать аварию через несколько дней или даже через несколько часов. Необходимо тщательно контролировать химсостав воды. Щелочное разупрочнение может возникнуть, если свободная гидроксильная щелочность поддерживается на высоком уровне или не контролируется. С другой стороны, если не допускать скопления пористых отложений (окислов железа), то не будет зон, где возникает щелочное разупрочнение.

Щелочная хрупкость - форма коррозионного разрушения напряженных участков, когда возле нагретых и напряженных стальных поверхностей образуется высокая концентрация щелочи. Такое разрушение происходит быстро и незаметно, вызывая тяжелые аварии. Данному виду коррозии подвержены все элементы котла, включая даже болты. Для предотвращения этого вида коррозии необходимо не допускать возможности повышения концентрации щелочи. Поддерживая излишнюю щелочность свободных гидроксильных групп при применении щелочи для регенерации анионообменных смол и регулирования величины рН котловой воды, можно вызвать местное резкое повышение концентрации щелочи.

Кислотная агрессия

Возникает при падении рН ниже 8,5. Результат - питтинговая коррозия вплоть до образования свищей. Присутствие отложений окислов железа усиливает коррозию. Причина возникновения - загрязнение питательной воды и/или конденсата кислотой или кислотообразующими веществами. Средство предотвращения - непрерывный мониторинг рН питательной воды.

Предпочтительные предельные концентрации химических веществ в воде

н/о - не обнаруживается; н/н - не нормируется; ^*1 ) = СаСО₃; щ - применять только щелочь     Применяются и другие способы обработки котловой воды.

Продувка котла

Определение рациональной интенсивности продувки котла является критическим фактором. Слишком большая интенсивность - потеря тепловой энергии и увеличение затрат на химикаты для обработки воды. Слишком малая - увеличение концентрации примесей. Однозначного и простого правила для определения рациональной интенсивности продувки не существует, так как состав воды сильно отличается в зависимости от местности. Она может колебаться от 1 до 25% от расхода питательной воды. Однако, есть несколько общих принципов, позволяющих добиться эффективности продувки.

1. В котлах барабанного типа качество воды должно регулироваться продувкой из парового барабана. Предпочтительна непрерывная продувка.
2. В тех же барабанных котлах продувка из грязевика или нижнего коллектора выводит из котла взвешенные твердые вещества. Пытаясь регулировать концентрацию загрязнений при помощи продувки из этих зон, можно сильно нарушить циркуляцию и вызвать аварию котла. Продувка снизу должна быть кратковременной и проводиться периодически. Периодичность зависит от конструкции котла, условий эксплуатации и скорости накопления взвешенных твердых веществ.
3. Для дымогарных котлов продувка может быть либо непрерывной, либо периодической. Она может проводиться непосредственно из-под поверхности воды или с нижней части котла. Тип, частота и продолжительность продувки зависит от конструкции котла, условий эксплуатации, типа химобработки воды.

Наиболее эффективным решением будет непрерывная продувка через устройство для утилизации тепла. Сейчас имеются технические средства, которые окупаются уже при величине продувки всего лишь 230-250 кг/час и более.

Для защиты от коррозии системы возврата конденсата, применяются смеси нейтрализующих аминов и пленочные амины. Они добавляются к котловой воде или вводятся непосредственно в пар. Тонкая защитная пленка из аминов практически не влияет на теплопередачу.

Какова выгода от правильно подобранной системы водоподготовки

Например, владелец предприятия в Аризоне сэкономил почти 100 000 долларов в год, заключив со специализированной фирмой по химобработке воды контракт на обследование шести холодильников данного предприятия, которое тратило более 50 000 долларов в год на химикаты для водоподготовки. Специалисты привлеченной фирмы посчитали эти затраты неоправданно высокими и провели компьютерный анализ результатов обследования. Обнаружилось, что один из холодильников работал с кпд около 56% от максимального. Одной из обнаруженных причин низкой эффективности было загрязнение трубок отложениями. После обработки соответствующим очистителем, кпд вырос до 99,5%. Владелец предприятия сразу же заказал фирме разработку технологии очисти всей системы. Другой из обнаруженных причин было большое количество грязи и биологических отложений на пяти градирнях предприятия. Они были удалены при помощи насадок высокого давления. В результате мер по очистке и применению новой технологии водоподготовки, владелец предприятия будет экономить около 26 000 долларов в год только на затратах на химикаты. Еще 70 000 долларов в год планируется сэкономить за счет энергии, расход которой уменьшился за счет очистки теплообменных поверхностей труб конденсоров. В сумму экономии еще не включена стоимость 9,5 тысяч м3 воды, которая экономится за счет более эффективной работы градирен после очистки.

Процесс сгорания топлива

Можно выделить несколько проблем, являющихся общими для всех типов котлов.

Подсос воздуха

Подсос воздуха через различные неплотности снижает кпд котла. Хорошим способом выявления таких неплотностей является сжигание дымовой шашки в топке холодного котла во время регламентных работ. Выявленные места просачивания дыма следует сразу же уплотнить. Как правило, выявление мест подсоса воздуха нужно производить как только повышается содержание кислорода в отходящих газах, либо увеличивается их объем, либо понижается их температура.

Полезные советы

Наименьшая температура, до которой можно охлаждать дымовые газы зависит от типа используемого топлива и составляет около 121оС для природного газа, 150оС для угля и низкосернистого мазута, 178оС для высокосернистых мазутов. Эти пределы устанавливаются для предотвращения конденсации и коррозии.

Температура воздуха, подаваемого в топку

Температура воздуха, подаваемого в топку, чрезвычайно сильно влияет на кпд котла. Изменения температуры воздуха вызывают либо увеличение избытка воздуха, либо понижение избытка воздуха.

Увеличение избытка воздуха приводит к увеличению потерь энергии, к повышению температуры дымовых газов и к снижению кпд котла.

Снижение избытка воздуха приводит к неполному сгоранию топлива, к интенсивному образованию сажи и к потере топлива.

Для сокращения этих потерь, горелки современной конструкции настраиваются на работу с максимальной эффективностью при 15% избытка воздуха. Эта величина может колебаться в зависимости от конструкции котла и типа топлива. Однако, она не может оставаться постоянной. Сезонные изменения температуры изменяют величину избытка воздуха. Влияние изменения температуры воздуха на величину избытка воздуха приведены в таблице:

Как видно из таблицы, понижение температуры воздуха, подаваемого в топку, на 17оС повышает величину избытка воздуха на 5%, а понижение температуры воздуха на 22оС повышает эту величину на 10%.

Первичными признаками этих нарушений являются изменения формы и цвета факела, звук работы горелки. Удовлетворительные результаты дает применение газоанализатора содержания О2. Наибольшая эффективность котла достигается при применении автоматической системы уравновешивания избытка кислорода, отсутствующей на котлах старой конструкции.

Типы топочных систем и частные требования к ним

Системы с газовыми горелками

Объекты Постоянного Внимания (ОПВ)

1. Котлы с несколькими горелками должны иметь устройство, задающее порядок включения горелок, обеспечивающий максимальный кпд, когда расход пара не требует использования всех горелок в течение всего времени. Следует предусматривать возможность корректировки задаваемого порядка в зависимости от сезонных изменений наружной температуры.
2. Необходимо регулярно проверять функционирование клапана, регулирующего расход газа, на соответствие его срабатывания сигналам управляющего регулятора.
3. Необходимо поддерживать требуемое давление газа в сопле горелки.
4. Необходимо регулярно проверять соответствие срабатывания регулятора воздушной тяги сигналам главного регулятора.
5. Соотношение топливо/воздух должно быть настроено на максимальную эффективность для преобладающей нагрузке по пару данного котла. Настройка соотношения может быть разной для котлов с постоянной нагрузкой (фиксированная настройка) и котлов, нагрузка которых меняется в зависимости от изменения потребления пара. Возможно, что котлы с переменной нагрузкой не смогут работать при той минимальной величине избытка воздуха, на которую настроены котлы с фиксированной нагрузкой.
6. Система управления горелками должна настраиваться для пиковых нагрузок, учитывая рекомендации изготовителя котла. Приборы, предотвращающие затухание пламени, должны настраиваться на обеспечение безопасности при минимальной величине избытка воздуха.
7. Для правильной работы горелок и обеспечения эффективного процесса сгорания определяющим фактором является давление газа. Непостоянство давления приводит к сгоранию переобогащенной смеси, к увеличению выброса СО и к засорению сажей, что понижает кпд котла. Причинами нестабильного давления газа могут быть колебания давления в питающем газопроводе, загрязненный или отказавший регулятор давления газа.

Системы с мазутными горелками

ОПВ

1. Аналогично п.1 для газовых горелок.
2. Сопла мазутных горелок склонны к засорению сажей, в результате чего снижается эффективность котла. Необходимо постоянно следить за состоянием факела. Любые изменения характеристик факела сигнализируют о необходимости очистки сопла.
3. Системы, работающие на тяжелых мазутах требуют постоянного внимания к изменениям формы факела и к обеспечению постоянства требуемой температуры мазута. Изменение температуры мазута является результатом засорения подогревателя мазута или неправильной работы системы регулирования температуры. (Следует проверить исправность конденсатоотводчиков подогревателей мазута и их соответствие данному типу подогревателя).
4. Система рециркуляции мазута должна работать без помех. При понижении температуры воздуха или температуры самого мазута необходимо проверить всю систему рециркуляции.
5. Мазутные насосы и регуляторы давления мазута должны регулярно проверяться в части обеспечения постоянства требуемого давления мазута перед соплами горелок. Контроль давления должен производиться не реже 1 раза в сутки с последующей регистрацией результатов. Возможными причинами нестабильности давления мазута могут быть изношенные насосы, негерметичность предохранительных клапанов, засоренные фильтры или увеличенные люфты механических звеньев привода регуляторов давления.
6. Подлежит проверке и система регулирования давления распыляющей среды, какой обычно является воздух или пар. Причинами потери давления может быть неисправность регулятора давления или воздушного компрессора, а также засорение мазутного сопла. ( В случае применения пара, причиной может быть отсутствие или неисправность конденсатоотводчика, в результате чего повышается влажность пара.)

Системы, работающие на угле

См. Отдельный материал.

Для принятия конкретных решений по повышению кпд котлов чрезвычайно важен статистический материал. Для его сбора рекомендуется ввести специальную ведомость проверок, в которую оператор котла должен заносить все результаты проверок ОПВ, приведенных выше.

Котлы

Обычные котлы, работающие на угле, имеют кпд от 65 до 85%. Внимание должно быть направлено на поиск путей сокращения потерь энергии, составляющих 15-35%. Для этого нужно понять, как возникают эти потери. Наиболее точный способ определения кпд котла - это измерение частных потерь тепла в процентах от тепла, содержащегося в сжигаемом топливе. Существует простая формула :

КПД котла = 100% - частные потери тепла

Источники потерь тепла

Дымовые газы

Наибольшая часть потерь тепла уходит с дымовыми газами. В худшем случае она может составлять до 30% тепла, содержащегося в сжигаемом топливе. Измерение потерь тепла производится раздельно по трем составляющим:

• тепло, уносимое сухим газом;
• потери тепла из-за влаги, содержащейся в топливе;
• потери тепла, вызываемые образованием воды при сгорании водорода.

Общая величина потерь тепла зависит от температуры и объема дымовых газов, уходящих от котла. Следовательно, уменьшая температуру либо объем дымовых газов, можно уменьшить потери тепла.

Практически, нижний предел температуры дымовых газов составляет около 150оС (см. стр. 4 Полезные советы).

Дальнейшее понижение температуры газов опасно, так как возможна конденсация влаги на холодных металлических поверхностях с образованием серной кислоты, которая вызовет ускоренную коррозию этих поверхностей.

Чтобы свести к минимуму потери тепла с дымовыми газами, применяются три основных способа:

• Уменьшение до минимума величины избытка воздуха;
• Обеспечение чистоты поверхностей теплообмена;
• Установка, в экономически оправданных случаях, на пути движения дымовых газов оборудования для утилизации тепла.

Кроме того, необходимо следить, чтобы не было подсоса воздуха через трещины и неплотности.

С уменьшением величины избытка воздуха, объем дымовых газов также уменьшается. Благодаря этому понижается температура газов, так как снижается их скорость и газы дольше остаются в пределах котла, отдавая большее количество тепла.

Практические способы оценки экономии

Каждые 15% снижения величины избытка воздуха или 1,3% избытка кислорода увеличивают кпд котла на 1%.

Для котлов, работающих на угле, имеются и другие источники экономии, которые описаны в отдельном материале, посвященном угольным котлам.

Так, например, равномерное распределение угля на колосниках и правильная регулировка дутья могут значительно снизить потери тепла из-за неполного сгорания топлива и выноса с дымовыми газами СО. Рекомендуется добиться, чтобы содержание СО в дымовых газах не превышало 0,04%.

Потери тепла через стенки котла

Для уменьшения этих потерь нужна качественная теплоизоляция котла и ее регулярное техническое обслуживание. В качестве критерия можно использовать приведенные ниже данные о характерных потерях тепла для хорошо изолированных котлов, работающих при полной нагрузке:

Следует напомнить, что потери исчисляются в % от тепла, содержащегося в сжигаемом топливе и фактически равны непродуктивным затратам топлива.

Однако, для принятия решений о проведении тех или иных работ по энергосбережению, необходимо иметь фактические данные о потерях. Для этого необходимо организовать постоянный учет ряда параметров работы котлов.

Ведомость проверок

Регистрация результатов проверок параметров работы котла дает полную картину эффективности его работы, а также позволяет определить причины нарушения нормального режима функционирования.

Например, если температура дымовых газов постепенно повышается, это может свидетельствовать о зашлаковании, о скоплении сажи или о проблемах, связанных с избытком воздуха.

Независимо от производительности котла, наиболее важными с точки зрения эффективного использования энергии параметрами, которые должны регистрироваться, являются расход пара или его давление; температура дымовых газов и коэффициент избытка воздуха. Температуру газа можно измерять при помощи термометра или термопары. Коэффициент избытка воздуха можно определять при помощи простого газоанализатора, предназначенного для кислорода или СО2. Настоятельно рекомендуется, чтобы котлы были оснащены этими приборами, которые очень быстро окупятся за счет экономии, полученной от повышения эффективности котла.

Системы управления

Уже с 1950-х годов идет замена старых пневматических и аналоговых электронных систем управления котлами на цифровые децентрализованные системы управления на компьютерной базе. В процессе этой замены выясняется, что срок службы котлов может быть увеличен. Это происходит потому, что сейчас стратегия управления основывается на изменениях компьютерных программ, а не на замене приборного оснащения, связанной с значительными трудностями, при проведении изменений в старых системах управления.

Другим преимуществом систем управления на базе компьютерных программ является их надежность. По существу, такие системы сами проверяют себя и сами вносят коррективы в свою работу.

Начиная с их широкого внедрения в конце 1970-х годов, системы управления на базе компьютерных программ заменили старые системы. Возможно, что это связано с дефицитом запасных частей и специалистов, имеющих опыт работы с аналоговыми системами управления. Однако, более важны другие причины, которые сведены в таблицу :

Управление горелками

Системы с несколькими газомазутными горелками

Котлы с несколькими горелками могут получить значительные преимущества от применения современной микропроцессорной технологии. Современная система управления в сочетании с системой уравнивания коэффициента избытка воздуха, также использующей математическую логику, может обеспечить экономию топлива около 3%.

В типичной системе автоматического управления дозированным сгоранием, контролируемой компьютером, процессом обеспечения требуемой производительности котла по пару управляет Мастер-регулятор, являющийся высшим звеном в иерархии системы управления. Его управляющий сигнал может корректировать и оператор при помощи Мастер-станции, находящейся на пульте управления котлами. В системе применяется перекрестное ограничение максимальных и минимальных расходов воздуха и топлива для обеспечения безопасного и эффективного процесса сгорания, рекомендованное Американской Национальной Ассоциацией защиты от пожаров (NFPA 85B, 85D).

Описание функций Децентрализованной системы автоматического управления приводится в отдельном материале.

Утилизация тепла

Экономайзеры

Экономайзеры помогают повысить кпд котла, отбирая тепло из дымовых газов после пароперегревателя или последней паровой секции котла. Они изготавливаются из горизонтальных трубчатых элементов и имеют развитую поверхность. Тепло используется для подогрева питательной воды. В экономайзеры из низкоуглеродистой стали вода должна поступать из деаэратора, чтобы уменьшить опасность коррозии. Небольшие котлы могут оснащаться чугунными экономайзерами, менее склонными к коррозии.

В котлах, работающих на угле, экономайзер может забиваться зольной пылью и сажей. В результате, уменьшается площадь сечения для прохода дымовых газов и увеличивается их скорость. Это приводит к ускоренной эрозии. В регламент технического обслуживания при плановых остановках котла должна обязательно входить операция промывки экономайзера.

Малейшие трещины трубок следует немедленно устранять, так как вытекающая из них вода, смешиваясь с зольной пылью и сажей, образует смесь, которая после затвердевания приобретает прочность бетона и может прочно закупорить экономайзер и подогреватель воздуха.

При разогреве котла питательная вода не проходит через экономайзер, но в нем образуется и накапливается пар, который продолжает там оставаться и после того, как начнет подаваться питательная вода. Это затрудняет поддержание правильного уровня воды в барабане и может вызвать гидравлический удар. Чтобы предотвратить подобные явления, нужно обеспечить постоянную подачу питательной воды в экономайзер и предусмотреть устройство для выпуска пара. Можно, также, организовать рециркуляцию котловой воды через экономайзер. В этом случае, запорный клапан на линии рециркуляции должен быть открыт до тех пор, пока питательная вода не начнет поступать через экономайзер в котел.

Подогреватели воздуха

Подогреватели воздуха охлаждают дымовые газы перед тем, как они уходят в атмосферу, повышая эффективность сжигания топлива и температуру воздуха, подаваемого для процесса горения. Для промышленных котлов, работающих на газе низкого давления или на мазуте, нагреватели воздуха используются как охладители газа, так как мазут и газ не нуждаются в подогреве перед сжиганием. Однако, для топок, работающих на угольной пыли, подогрев воздуха необходим для испарения влаги из угля перед его воспламенением. Этот же воздух используется для подачи пылевидного топлива в топку. Для стокерных котлов нагретый воздух не требуется, если содержание влаги в угле не превышает 25%.
Основной проблемой для подогревателей воздуха является коррозия, вызываемая присутствием серы и влаги в дымовых газах. Опасность коррозии можно уменьшить за счет правильной конструкции подогревателя воздуха, однако, и в этом случае операции технического обслуживания должны включать продувку от сажи и промывку подогревателей.

Для продувки от сажи используется перегретый пар или, что предпочтительней, сжатый воздух. Промывка водой производится только после удаления сажи.

Вспомогательные механизмы

Вентиляторы

Из всех видов вытяжных и дутьевых вентиляторов наиболее эффективными являются вентиляторы с аэродинамическим профилем лопастей. Их кпд составляет 90%. Кроме того, они отличаются стабильной работой, низким уровнем шума и подходят для работы при высоких скоростях. Наиболее эффективным приводом для таких вентиляторов является привод с изменяемой скоростью вращения.

Рекомендуемые проверки

1. Периодическая проверка степени загрязнения вентилятора и его корпуса. Налипание грязи и пыли может снизить кпд вентилятора за счет постепенного изменения конфигурации лопастей и увеличения их веса. Такая проверка должна проводиться не реже 2 раз в год или чаще, если вентилятор работает в сильно запыленном помещении.
2. Проверка износа подшипников и наличия соответствующей смазки. Одновременно проверяется величина зазора между лопастями и корпусом.

Насосы питательной воды

Для регулирования расхода питательной воды лучше всего применять насосы с приводом от электродвигателя с изменяемой скоростью вращения или с электродвигателем постоянной скорости в сочетании с гидравлическим приводом переменной скорости. В случаях, когда затраты на привод с изменяемой скоростью не окупаются или нежелательны, регулирование расхода производят при помощи дроссельного клапана между насосом и котлом. В этом случае, насос должен иметь запас по напору, так как для нормальной работы дроссельного клапана требуется создание значительного перепада давления. При такой схеме работы, конденсат в деаэраторе будет насыщаться и деаэратор должен располагаться значительно выше насосов, чтобы иметь положительное давление на всасе. Для этого могут потребоваться дополнительные затраты на строительство и трубопроводы. Вместо этого можно установить дополнительный бустерный насос, который обеспечит дополнительный напор на всасе основных насосов. Если применяется односкоростной электродвигатель и расход питательной воды может падать до величины минимального расхода для данного насоса или ниже, то необходимо предусмотреть рециркуляцию питательной воды через деаэратор. Продолжительность работы насосов в режиме рециркуляции нужно сводить к минимуму, чтобы повысить экономию энергии.

Насосы питательной воды могут работать и от паровой турбины, что позволяет изменять их скорость вращения. Децентрализованная система управления котлом на базе компьютерных программ может выполнять и эту функцию.

Электродвигатели и турбины

В качестве привода можно использовать и электродвигатели и паровые турбины. Если есть источник пара высокого давления и потребитель пара низкого давления, то турбина может служить в качестве редукционно-охладительного устройства, приводя в действие вентиляторы или насосы. Если не имеется потребителей пара низкого давления, то можно использовать конденсационную турбину, хотя турбины малой мощности этого типа имеют низкий кпд. Если же здесь вырабатывается электроэнергия, то значительно экономичней применять электродвигатели.

Сейчас производятся электродвигатели с так называемым "премиальным кпд". Они дороже обычных, но разница в цене перекрывается их преимуществами. Анализ окупаемости показывает, что при стоимости электроэнергии 0,065 за 1 кВт-час и более разница в цене быстро окупается. Ниже приводятся типичные характеристики выпускаемых в настоящее время электродвигателей с "премиальным кпд".

Электродвигатели должны регулярно проверяться на повышенную вибрацию, износ подшипников и наличие подходящей смазки в соответствии с инструкциями изготовителя.

Общим недостатком многих предприятий является применение более мощных электродвигателей, чем это требуется. Ряд обследований показал, что около 60% электродвигателей, установленных на предприятиях промышленности, имеют мощность, превышающую требуемую. Это - еще одна причина перерасхода энергии.

Электронный привод

Широкие возможности для сокращения потерь энергии и затрат на техобслуживание представляет сочетание новых электродвигателей с последним поколением электронных систем управления приводом. Такие системы могут управлять пуском, остановкой, регулированием скорости, реверсированием и даже позиционированием двигателей. Они могут осуществлять функции защиты - регулировать пусковой ток и сглаживать падение напряжения в сети, ограничивать потребляемый ток и отключать двигатель при перегрузке, уменьшить подгорание двигателя, представляющее опасность пожара.

Однако, самое главное, эти системы позволяют экономить энергию. Так, изменяя скорость вращения насоса вместо дросселирования потока на выходе насоса можно сэкономить 25-40% потребляемой энергии. Переключение двигателя в режим ожидания вместо холостого вращения также экономит энергию. Типичный электродвигатель потребляет за год энергию, стоимость которой в 10-20 раз превышает стоимость самого двигателя. Срок окупаемости электронной системы управления приводом менее двух лет.

По имеющимся оценкам, всего 3% имеющихся электродвигателей переменного тока имеют электронные системы управления. По другим оценкам, не менее 25% всех электродвигателей переменного тока будут потреблять существенно меньше энергии после установки этих систем. Привлекательность электронных систем определяется также и тем, что цены на них постоянно снижаются, а точность и надежность повышается.

Другим преимуществом электронных систем является простота установки и настройки. Это делает оператор при помощи клавиатуры или имеющегося интерфейса. Так как задания вводятся в цифровой форме, они очень точны и не имеют отклонений.

Современные электронные системы менее подвержены зависимости от колебаний напряжения в сети применению новых электронных технологий. Ранее применявшиеся силовые выключатели, кремниевые выпрямители и тому подобные могли работать при колебаниях напряжения в пределах 5-10%. Для новых систем этот предел составляет от 10 до 30%.

Дополнительные возможности экономии энергии для котлов, работающих на угле, приведены в отдельном материале.

Комбинированное производство энергии

Комбинированное производство энергии или когенерация энергии представляет собой производство электрической и тепловой энергии при едином процессе сгорания. При этом, потребление топлива меньше, чем при раздельном производстве этих видов энергии.

Типичный промышленный цикл выработки электроэнергии за счет энергии производимого пара имеет термический кпд около 75-85%, а процесс утилизации остающейся тепловой энергии пара имеет кпд всего около 35%. Общий термический кпд такой системы, в зависимости от соотношения вырабатываемого пара и потребляемой электроэнергии, может быть в пределах 66-80%.

При типичном промышленном цикле когенерации с использованием паровой турбины, пар высокого давления идет сначала на производство электроэнергии, а отработанный пар низкого давления направляется для использования в технологии. Так как предприятие, работающее по такому циклу, может получить общий кпд около 88%, то экономия топлива может составить 15-20%. При этом в качестве топлива может быть газ, мазут, уголь, древесина, муниципальные и промышленные отходы.

Подобные результаты можно получить и при когенерации энергии при помощи газовых турбин.

Энергоаудит

Ниже приводятся приемы повышения эффективности использования энергии для различных систем производства и потребления пара.

Паровая система

• Поддерживайте избыток кислорода не выше 5%, а для стокерных котлов - не выше 8%.
• Понизьте температуру дымовых газов для серосодержащих топлив до 166оС.
• Доведите до минимума содержание горючих остатков в дымовых газах и золе.
• Поддерживайте температуру в мазутных баках на минимальном уровне.
• Применяйте систему уравновешивания количества кислорода с системой регулирования расхода топлива и воздуха.
• Сократите выпар из деаэратора в атмосферу до 0,1% расхода воды или до 0,5% расхода пара или ниже.
• Если в состав системы входит турбина, поддерживайте давление и температуру пара на максимальном уровне.
• Понижайте давление пара в коллекторе, если в системе нет турбины.
• Сжигайте неопасные отходы производства в котлах или испарителях.
• Автоматизируйте продувку.
• Разделите диапазон управления вентиляторами, если они имеют изменяемую скорость вращения.
• Установите теплообменник в линии продувки.
• Оптимизируйте распределение нагрузки между котлами и испарителями.
• Проверяйте, нет ли подсоса воздуха в дымовых каналах.
• Регулярно проверяйте кпд котла/испарителя.
• Регулярно проверяйте работу турбины и конденсора.
• Следите, чтобы поверхность труб не имела накипи.
• Установите на турбине уменьшенные сопла.
• Оптимизируйте периодичность очистки от сажи.
• Применяйте метод использованных средств при определении стоимости угля.
• Установите минимальное давление нагнетания на насосах питательной воды с приводом от турбины.
• Регулярно проверяйте эффективность теплопередачи подогревателя питательной воды.
• Используйте чистую воду из естественных источников для промывки засоренного золой оборудования.

Утилизация энергии

• Ликвидируйте выпары в атмосферу или используйте их в качестве источников тепла.
• Если из мятого пара после турбины должен удаляться воздух, он должен выпускаться в атмосферу.
• Настройте режим работы турбин таким образом, чтобы давление мятого пара позволило свести к минимуму использование РОУ.
• Проверьте, чтобы запорная арматура байпасса РОУ была герметичной.
• Возвращайте весь конденсат в систему питательной воды.
• Устраните все замеченные утечки пара.
• Отключите неиспользуемые паропроводы.
• Внедрите эффективную программу техобслуживания конденсатоотводчиков.
• Добейтесь, чтобы количество изношенных конденсатоотводчиков было менее 5% от их общего числа.
• Следите, чтобы все паропроводы и конденсатопроводы имели надлежащую теплоизоляцию.
• Отрегулируйте давление на коллекторе, чтобы получить максимальную мощность турбины.
• Установите пароструйный компрессор для повышения давления пара низкого давления и его дальнейшего использования.
• Переместите потребителей пара на питание от коллектора минимального давления, чтобы получить максимальную отдачу от турбинв.
• Плотно закрывайте ручную запорную арматуру турбины или установите клапаны с пневмоприводом.
• Утилизируйте любые потери тепла.
• Оптимизируйте баланс производства и потребления пара при помощи рационального сочетания электродвигателей и турбин.
• Установите баки вторичного вскипания для выработки пара низкого давления из конденсата.
• Замените пароструйные насосы для создания вакуума механическими вакуумными насосами.
• Проверьте, чтобы сопла пароструйных устройств имели требуемый размер.
• Старайтесь сократить количество работающих вакуумных пароструйных устройств.
• Следите, чтобы к вакуумным пароструйным устройствам подавался пар требуемого давления.
• Понижайте давление пара, используемого для отопления, при оттепелях.

Градирни

• Обеспечьте свободный доступ к термометрам.
• Используйте минимальное количество насосов.
• Дросселируйте расход, чтобы перепад температуры на градирне был не менее 5оС.
• Подбирайте скорость вентилятора в соответствии с состоянием окружающего воздуха.
• Установите на вентиляторе лопасти с изменяемым шагом.
• Поддерживайте правильный цикл концентрации.
• Следите, чтобы оборудование градирни работало в расчетном режиме.

Системы сжатого воздуха

• Отношение мощности двигателя компрессора в кВт к фактической производительности в 100 х SCFM должно быть менее 19 для давления воздуха 7,0 кг/см2 и менее 24 - для давления воздуха 11,2 кг/см2 .

N кВт : V x 100 ( SCFM) ( 19 для Р = 7,0 кг/см2
N кВт : V x 100 (SCFM) ( 24 для Р = 11,2 кг/см2

• Для обеспечения фактической потребности в сжатом воздухе используйте минимальное количество компрессоров.
• Антипомпажные клапаны должны быть плотно закрыты.
• Управляйте антипомпажными клапанами при помощи расхода, а не давления.
• Перенесите основную нагрузку с центробежных и иных типов компрессоров на поршневые.
• Понизьте давление в системе до минимально необходимого уровня.
• Для регулирования давления нагнетания применяйте регулирующий клапан.
• Регулярно контролируйте давление и температуру ступеней компрессора для раннего обнаружения неисправностей.
• Устраните протечки воздуха через отделители влаги.
• Замените неподогреваемые осушители воздуха подогреваемыми.
• Небольшую потребность в воздухе высокого давления обеспечивайте при помощи малых бустерных компрессоров.
• Не используйте сжатый воздух для очистки или размешивания.
• Контролируйте температуру воздуха на выходе компрессора для раннего обнаружения неплотности клапанов или поршней.
• Следите, чтобы фильтры забираемого воздуха были чистыми.
• При возможности охлаждайте забираемый воздух.
• Утилизируйте тепло холодильника последней ступени.
• Устраните все утечки воздуха.
• Не пользуйтесь дроссельным клапаном на выходе компрессора.
• При возможности, используйте вместо сжатого воздуха воздух от вентилятора.
• Отключайте сжатый воздух от неработающего оборудования.
• Постоянно контролируйте расход сжатого воздуха чтобы вовремя заметить необычные отклонения.

Вентиляторы

• Применяйте приводы с изменяемой скоростью.
• Для понижения скорости лучше заменить шкив, чем дросселировать тягу.
• Регулируйте выходные параметры воздуха при помощи регулирующего клапана, чтобы снизить потери от дросселирования.
• Смонтируйте воздуховоды, обеспечивающие минимальные потери статического давления.
• Устраните утечки воздуха через неплотности воздуховода.
• Не допускайте проскальзывания приводных ремней вентилятора.

Насосы

• Понизьте давление в системе до минимального уровня, необходимого потребителям.
• Проводите балансировку рабочих колес, чтобы избежать эффекта дросселирования.
• Соединяйте теплообменники последовательно, чтобы уменьшить расход охлаждающей воды.
• Для малых расходов воды высокого давления используйте малые бустерные насосы.
• Для обеспечения требуемого расхода воды используйте минимальное число насосов.
• Поддерживайте техническое состояние насосов, чтобы они развивали расчетный напор.
• При возможности, заменяйте напорные потоки гравитационными.
• Если требуются значительные изменения давления в зависимости от сезона, то желательно менять рабочие колеса насосов.
• Следите, чтобы сальники имели минимальные утечки.
• Для перекачки конденсата можно использовать насосы, приводимые в действие паром или сжатым воздухом, которые не имеют сальников и не запариваются. (Примечание переводчика).

Паро-конденсатные системы

Эффективное управление паро-конденсатными системами и регулярное техобслуживание представляют собой значительный потенциал энергосбережения. Например, из-за отсутствия на предприятиях эффективных программ техобслуживания, там в среднем можно обнаружить 15-20% плохо работающих конденсатоотводчиков. Другим источником потерь энергии является терпимость к утечкам пара, которая обходится в 3-5% от производства пара. Нарушение сплошности теплоизоляции может привести к потерям пара в размере 5 - 10% во время сильных дождей, когда изоляция намокает и теряет эффективность. Неисправные турбины и теплообменники могут снизить кпд системы еще на 25%.

Для достижения максимальной эффективности при производстве пара следует соблюдать пять общих правил :

1. Всегда вырабатывайте пар максимально возможного давления и температуры. Это - основной термодинамический и экономический принцип.
2. Для использования в технологических процессах всегда подавайте пар минимально допустимого давления и температуры.
3. Пар из котлов должен предназначаться только для важных конечных целей, таких как технология и кипятильники.
4. Всегда понижайте давление пара при помощи наиболее экономичных из имеющихся средств.
5. Всегда вырабатывайте максимальное количество пара из вторичного тепла, остающегося после технологического процесса.

Правильная конструкция паро-конденсатной системы может значительно повысить ее эффективность. Плохо сконструированные конденсатоотводчики чаще всего плохо работают или вскоре полностью отказывают. Системы паровых спутников часто расширяются не вполне обдуманно для решения локальных задач, таких как компенсация неработающих конденсатоотводчиков. Утечки пара, замораживание, тупиковые паропроводы и повреждения оборудования являются последствиями неправильной конструкции системы. Так как существует множество областей, где могут возникнуть проблемы, требующие внимания, было бы полезно распределить большинство из них, насколько это возможно, на общие группы.

Общие положения технологии управления

1. Чтобы свести к минимуму потребление энергии на предприятии, должны применяться анализаторы технологического процесса и передовые технологии автоматического управления этими процессами. Многие предприятия применяют подогреватели питания, чтобы подать тепло, необходимое для рабочего процесса. Оптимизация системы подразумевает значительную экономию энергии. Постановка частных задач управления процессом производства должна предусматривать и задачу энергосбережения.
2. Неправильно работающие вакуумные системы могут значительно увеличить потребление пара. Любое проявление утечек пара должно сразу устраняться.
3. Каждый производственный участок должен иметь ведомость проверок и стандартные режимные карты, подтверждающие, что все ненужные конденсатоотводчики и паровые спутники отключены, поскольку они являются существенными потребителями пара. Спутниковые системы часто по привычке оставляют работать в течение всего года. В то время, как они необходимы только в холодный период.
4. Цель - величина минимального расхода пара и руководство для ее достижения должны быть разработаны для всех цехов и для основных видов оборудования. Эти цели должны корректироваться в установленном порядке при изменении технологического процесса. Задаваемая величина минимального расхода должна накладываться на кривую нагрузки. Необходимо решить задачу управления производством в соответствии с кривыми нагрузки.
5. Для каждого генератора тепла (котла) следует определить фактическую производительность и кпд. В период увеличения потребления пара это поможет загрузить в первую очередь наиболее эффективные котлы, затрачивая меньше топлива для производства большего количества пара при помощи наиболее эффективной системы.
6. Паровые системы следует регулярно обследовать, чтобы выявлять редко используемые паропроводы, которые можно отключить. Системы должны настраиваться так, как это диктуется потребностями предприятия в паре. Если процесс настройки систем не автоматизирован, то он должен быть описан комплектом четко изложенных письменных инструкций для оператора.
7. Системы паровых спутников должны быть сокращены до минимума, так как их применение снижает эффективность всей системы распределения пара. Следует изучить альтернативные варианты замены паровых спутников, такие как токопроводящие греющие ленты, особенно для удаленных участков, где постоянный контроль паровых спутников практически трудно осуществим.
8. Системы распределения пара и сбора конденсата должны проектироваться с учетом применения высокоэффективных систем защиты от коррозии.
9. При проектировании паровых систем следует предусматривать их оснащение достаточным количеством средств учета пара, чтобы можно было проследить, где он расходуется и иметь возможность составления балансов потребления пара как по всему предприятию, так и для отдельных единиц технологического процесса.

Конденсатоотводчики

1. Каждый участок производства должен иметь программу регулярных проверок состояния работоспособности конденсатоотводчиков. Регулярность проверок зависит от конкретных условий, но должна быть не менее одного раза в год.
2. Для упрощения проверок и регистрации результатов все конденсатоотводчики должны быть пронумерованы с привязкой к плану помещения. Входящие и выходящие трубопроводы конденсатоотводчиков должны быть отмечены для упрощения изоляции и ремонта.
3. Операторы оборудования и технический персонал, отвечающий за техобслуживание, должны быть надлежащим образом обучены методам проверки конденсатоотводчиков. В случаях, когда необходимо применять ультразвуковые приборы, следует привлекать специально обученных специалистов.
4. Наивысший приоритет при техобслуживании должен предоставляться ремонту или техобслуживанию отказавших конденсатоотводчиков. Повышение внимания к своевременному проведению техобслуживания может сократить число отказов до 3-5% или менее. Отказ конденсатоотводчика означает потерю 22 - 45 кг/час пара.
5. Все конденсатоотводчики в закрытой системе должны иметь отвод для сообщения с атмосферой, чтобы работу конденсатоотводчика можно было проверить визуально. Если конденсатные коллекторы не имеют таких отводов, их нужно устроить.
6. Для каждого конкретного места применения конденсатоотводчика нужно подбирать конденсатоотводчик наиболее подходящей конструкции. В определенных случаях конденсатоотводчики с опрокинутым поплавком могут быть более предпочтительны, чем термостатические и термодинамические.
7. Важно иметь возможность наблюдать работу конденсатоотводчиков через коллектор. Хотя можно использовать несколько различных методов проверки, наиболее надежным методом является непосредственное наблюдение. Ультразвуковые, акустические и пирометрические методы испытаний часто приводят к ошибочным выводам.
8. Конденсатоотводчики нужно правильно подбирать по пропускной способности к ожидаемой нагрузке по конденсату. Неправильный подбор ведет к потерям пара, замерзанию и к механическим отказам.
9. Системы сбора конденсата должны проектироваться надлежащим образом, чтобы предотвратить опасность замерзания и/или преждевременного отказа конденсатоотводчиков. Диаметр конденсатопроводов следует выбирать так, чтобы они могли пропускать еще и паро-конденсатную смесь от 10% конденсатоотводчиков, отказавших в открытом положении.

Теплоизоляция

1. Необходимо регулярно обследовать паровые системы, чтобы вовремя заменять или ремонтировать разрушенную или потерявшую сплошность теплоизоляцию. Это особенно важно делать после того, как изоляция снималась для ликвидации утечек пара.
2. Общее обследование всей системы паропроводов должно проводиться 1 раз в 5 лет (или же 1/5 всей системы ежегодно) для выявления мест, где изоляция или ее влагозащитный слой разрушены. Характерным последствием таких дефектов будет длительное воздействие влаги, химических веществ ил углеводородных соединений. В число приборов для измерения эффективности теплоизоляции входят термографические приборы. Они показывают температуру участков поверхности в виде участков разного цвета. Этот метод является идеальным для больших площадей. К другим приборам относятся портативные инфракрасные пирометры или тепловые пистолеты, которые измеряют температуру поверхности по инфракрасному излучению от этих поверхностей; контактные пирометры и поверхностные красители, которые должны наноситься на измеряемую поверхность.
3. После выполнения любых работ по техническому обслуживанию, необходимо проверить, чтобы в зоне выполнения работ теплоизоляция была отремонтирована или заменена. Съемные маты изоляции нужно снова укрепить на всех видах оборудования. Последней операцией при проведения любых работ по техобслуживанию должен быть ремонт, замена либо восстановление изоляции. Часто бывает, что пренебрегают такими компонентами оборудования как арматура, турбины, насосы и фланцы, в результате чего они остаются неизолированными.
4. Все новые паропроводы должны оснащаться теплоизоляцией оптимальной толщины.
5. При обследовании паропроводов необходимо визуально проверять наличие следующих дефектов изоляции:

• Физические повреждения.
• Трещины барьеров испарения.
• Лопнувшие ленты или проволока.
• Разрушенные или поврежденные влагозащитные уплотнения соединений.
• Поврежденные кожухи или влагозащитные покрытия.

Утечки пара

1. Все места утечек пара должны ликвидироваться как можно быстрее. Видимые утечки пара являются наиболее наглядными источниками потерь энергии. Приведенная ниже таблица содержит данные о потерях пара в кг/час через отверстия разных диаметров в зависимости от давления пара. Такие утечки пара олицетворяют безразличие управленцев к эффективности работы предприятия и являются предпосылками серьезных последствий нарушения безопасности работ. Утечки пара не становятся меньшими и не имеют постоянной стоимости.
2. Стандартные операции обслуживания должны предписывать, чтобы для арматуры и фланцевых соединений паровых систем применялись соответствующие прокладки, набивочные и уплотнительные материалы.
3. Если паровую систему нельзя останавливать для ремонта мест утечек пара, то нужно привлекать соответствующих специалистов, которые располагают правом и методами ремонта действующих паропроводов.
4. Все паровые системы должны проектироваться с учетом сведения к минимуму возможности утечек пара. Например, количество фланцевых и резьбовых соединений должно быть минимальным.

Методы визуальной оценки потерь пара

Потери в $ /год определены исходя из стоимости пара $ 6,6/тонна

Давление