При планировании новой системы или котла важно точно определить, для чего вы используете пар и как он используется для удовлетворения потребностей вашего бизнеса. Составьте список всех вариантов использования пара, требуемой температуры, давления и расхода, их местоположения и вариантов рекуперации тепла. На основе этого списка вы можете определить необходимую температуру и давление, а также средний расход для вашей системы. Важно обеспечить безопасное и надлежащее использование пара и парового оборудования.
В ходе этого анализа всегда задавайте себе вопрос, действительно ли пар необходим для конечного использования. Производство и обслуживание пара — дорогостоящая услуга. Возможно, тот же уровень обслуживания для конечного использования может быть обеспечен с помощью перекачиваемой горячей воды или перекачиваемого теплоносителя. При рассмотрении возможностей рекуперации тепла учитывайте все источники тепла на вашем предприятии. Примерами могут служить конденсаторы холодильных систем, теплообменники для отвода тепла воздушных компрессоров, выхлопные газы печей, выхлопные газы газовых турбин и теплообменники для отвода тепла оборудования охлаждения компьютерных залов. Для оценки их потенциала необходимо измерить и наблюдать за доступными температурами, количеством выделяемого тепла и соответствием между моментом, когда тепло доступно из источника, и моментом, когда оно необходимо для вашего процесса.
Проектирование трубопроводов, фитингов и системы рекуперации конденсата
После определения потребностей в паре можно приступать к проектированию системы распределения и рекуперации пара. Она будет включать в себя трубопроводы, фитинги, клапаны, пароотводчики и, возможно, паросмесительные емкости и приемники конденсата. На этом этапе также следует рассмотреть возможности рекуперации тепла. Особое внимание следует уделить углу наклона паропроводов для более удобного отвода конденсата естественным путем, а не с помощью специальных насосов для конденсата.
По возможности избегайте длинных трубопроводов малого диаметра. В них большая часть энергии пара будет расходоваться только на преодоление потерь на поток и тепловых потерь. Возможно, будет экономически выгоднее установить небольшой специализированный газовый или электрический парогенератор рядом с небольшим конечным потребителем, чем прокладывать трубопровод от основного котла. Убедитесь, что диаметр труб соответствует ожидаемым нагрузкам. Если труба слишком мала, потери на поток будут слишком высокими, и возникнет риск попадания конденсата в поток высокоскоростного пара. Это может привести к чрезмерному износу трубопроводов и компонентов. Если труба слишком велика, то тепловые потери могут стать высокими из-за большей площади поверхности трубы.
Выбор типа топлива
Выбор наиболее подходящего топлива для вашего котла — важный и порой сложный вопрос. Варианты могут включать природный газ, мазут, биомассу, уголь и другие. Также следует учитывать тепловые потери от других частей вашего предприятия или от расположенной на территории когенерационной системы. Принимая решение, следует учитывать следующие факторы:
• требуемый тип котла
• относительная стоимость топлива
• возможность хранения топлива в достаточном количестве для ваших нужд
• простота обращения с топливом
• очистка и обработка дымовых газов, которые могут потребоваться при использовании определенных видов топлива
• стабильность цен на топливо
• изменения цен или ваших обстоятельств в условиях ограничений выбросов углерода
• текущая/будущая государственная или корпоративная политика, которая может повлиять на поставку выбранного топлива
• наличие бесперебойной поставки топлива (например, перебои в поставках)
• вероятность образования отложений и необходимое время на очистку
• требования к техническому обслуживанию и простоям
• эффективность
• чистое воздействие на окружающую среду.
Газ
Газ — распространенное и удобное топливо, широко используемое в небольших парогенераторах, а также в некоторых крупных котлах для выработки электроэнергии. Хотя обычно используется природный газ, возможно и использование сжиженного нефтяного газа (СНГ). Забор воздуха может осуществляться путем естественной конвекции или принудительной с помощью вентиляторов, встроенных в горелку.
Преимуществом газа является его чистое сгорание, высокая управляемость и низкий углеродный след по сравнению с углем или мазутом. Газовые котлы, как правило, быстро реагируют на изменение спроса, могут быть быстро запущены и более эффективно справляются с колебаниями нагрузки, чем эквивалентные котлы на твердом топливе.
Электричество
Электричество реже используется для производства пара и обычно применяется только в небольших парогенераторах. Эти котлы обычно состоят из резистивного элемента, который непосредственно нагревает воду. Существуют также индукционные парогенераторы. Они работают за счет индуцирования тока в металлическом блоке внутри потока воды. Металлический блок нагревается и передает тепло окружающей воде.
Электроэнергия обычно дороже газа для производства пара, но имеет преимущество в том, что котлы могут быть довольно небольшими и не иметь дымоходов, поэтому их можно размещать близко к конечному потребителю. Они также легко справляются с переменной нагрузкой и могут включаться и выключаться без тех же затрат энергии и времени, что и любые котлы, основанные на технологии сжигания.
Древесина
Древесная биомасса может поставляться в различных формах, которые могут использоваться в котлах. Выбор наиболее подходящей формы будет зависеть от размера котла, доступного способа хранения топлива, удобства обращения, наличия биомассы, которая может быть произведена на месте или в окрестностях, и стоимости.
Древесные гранулы
Самая простая в обращении и одна из наиболее эффективных форм — это древесные гранулы. Низкая влажность и однородность гранул означают, что сгорание чистое и эффективное, а также позволяют плавно контролировать подачу топлива в зону сгорания.
Древесная щепа
В качестве топлива может использоваться древесная щепа. Относительная однородность древесной щепы обеспечивает бесперебойную подачу топлива в зону сгорания, но естественная изменчивость содержания влаги означает, что сгорание менее эффективно, чем при использовании древесных гранул. Это также означает, что контроль процесса сгорания для поддержания необходимого уровня кислорода в дымовых газах более сложен.
Древесные отходы
Древесные отходы, как правило, образуются на месте и могут иметь различные формы: от древесного волокна, производимого на заводе по производству древесноволокнистых плит средней плотности, до опилок и древесной стружки, производимой лесопильными заводами. Мебельные предприятия также производят древесную стружку в качестве отходов. Как правило, система подачи топлива для котлов, использующих древесные отходы в качестве топлива, должна быть тщательно выбрана, чтобы обеспечить их бесперебойную работу и минимизировать время простоя котла из-за засоров в системе подачи топлива.
• Древесное волокно и древесная стружка имеют низкое содержание влаги и, следовательно, обладают хорошими свойствами сгорания. Будучи более или менее однородными по размеру, они могут подаваться в зону сгорания довольно плавно и легко. Производители мебели часто прессуют свои древесные отходы в дрова для внутреннего рынка.
• Топливо из древесной стружки: Топливо из древесной стружки состоит из полос древесины, коры и пыли, остающихся после лесопильных и лесоперерабатывающих работ. Содержание влаги может быть высоким в зависимости от местных погодных условий, а содержание золы может быть значительно выше, чем у большинства видов биотоплива, из-за высокой концентрации коры и возможного попадания гравия во время погрузочно-разгрузочных работ. Требуется надежная система подачи топлива и оператор котла, готовый оперативно реагировать на любые проблемы с системой подачи топлива.
• Опилки: Опилки можно без проблем подавать в камеры сгорания благодаря однородности размеров частиц, но они могут иметь высокое содержание влаги в зависимости от сухости древесины на момент распила. Камеры сгорания должны быть спроектированы для работы с опилками.
Дизельное топливо
Дизельное топливо обычно используется только в небольших тепловых установках, поскольку является относительно дорогим жидким топливом. Сгорание чистое и легко контролируемое. Преимущество для небольших котлов заключается в простоте хранения и отсутствии необходимости в большой площади. Биодизельное топливо может заменить минеральное дизельное топливо, обеспечивая низкий углеродный след.
Масло
Масло дешевле дизельного топлива, но сгорает не так чисто из-за более широкого диапазона размеров молекул углеводородов и наличия загрязняющих веществ, таких как сера и сернистые соединения. Масла могут быть довольно вязкими, поэтому оборудование для сжигания и обработки топлива должно быть специально разработано для работы с ними. Масло выпускается в нескольких сортах, от легкого, похожего на дизельное топливо, до тяжелого, представляющего собой тяжелые фракции сырой нефти, остающиеся после процесса дистилляции, удалив все остальное.
Уголь
Уголь бывает разных сортов (или рангов), от лигнита, низкокачественного топлива с высоким содержанием влаги, до антрацита, очень твердого угля с низким содержанием влаги. Большинство промышленных котлов Новой Зеландии работают либо на суббитуминозном угле, либо на лигните. Уголь имеет широкий диапазон содержания влаги, золы и серы. Свойства угля при подаче топлива, как правило, довольно хорошие, но высокое содержание золы и выбросов серы могут сделать его непригодным для некоторых применений.
Выбор типа котла
Существует два распространенных типа котлов – водотрубные и жаротрубные. Определяющим фактором при выборе котла является характер технологического процесса, особенно в отношении требований к температуре и давлению.
Водотрубные котлы
В проволочно-трубных котлах имеются отдельные паровой и водяной барабаны, соединенные трубами, по которым циркулирует вода. Горячие продукты сгорания из топки проходят над трубами, нагревая воду. Сосуды высокого давления (барабаны) относительно малы и вмещают сравнительно небольшой объем воды. Трубчатые котлы обладают высокой скоростью циркуляции воды и теплопередачи по сравнению со своими жаротрубными аналогами. Их конструкция позволяет им лучше справляться с большими и быстрыми колебаниями нагрузки, чем жаротрубным котлам. Они предъявляют гораздо более высокие требования к эксплуатации, особенно к водоподготовке, чем жаротрубные котлы.
Трубчатые котлы гораздо лучше подходят для работы при высокой мощности и высоком давлении, чем жаротрубные котлы, и рабочее давление до 140 бар не является чем-то необычным. Тем не менее, они довольно широко используются в небольших установках, требующих высокого рабочего давления для достижения более высокой технологической температуры, чем это было бы возможно с жаротрубным котлом.
Жаротрубные котлы
Жаротрубные котлы отличаются прочностью, относительно низкими капитальными затратами и менее жесткими рабочими параметрами, чем проволочно-трубные котлы, особенно в отношении водоподготовки. В жаротрубном котле весь котел, по сути, является сосудом под давлением, и существуют физические и производственные ограничения, которые устанавливают верхний предел размера и рабочего давления. Жаротрубные котлы наиболее широко используются в диапазоне мощностей до 6–8 МВт. Есть исключения, но, например, жаротрубный котел мощностью 12 МВт обычно имеет диаметр более 10 метров. Фактически, проволочно-трубные котлы физически меньше, чем их аналоги аналогичного размера. В Кодексе правил эксплуатации котлов установлен верхний предел давления для жаротрубных котлов в 17 бар, хотя в некоторых специализированных областях применения (например, в производстве удобрений) есть несколько исключений. Жаротрубные котлы, благодаря своей сравнительно большой емкости для хранения пара, обладают тем преимуществом, что они хорошо работают в качестве паровых аккумуляторов.
Паровые аккумуляторы
Паровые аккумуляторы могут использоваться для хранения пара для использования в часы пиковой потребности в паре. Это позволяет использовать котел меньшего размера, поскольку ему нужно удовлетворять только среднюю потребность в паре, оставляя пиковые потребности для удовлетворения аккумулятора. При стабильной работе котла, близкой к оптимальной нагрузке, можно достичь максимальной эффективности работы. Использование паровых аккумуляторов в правильном применении позволяет сэкономить как капитальные, так и эксплуатационные затраты.
Использование пара
Пар, вырабатываемый котлами, может использоваться двумя способами:
• под высоким давлением (> 4200 кПа) для привода турбин или поршневых двигателей;
• под более низким давлением (от 700 кПа до 1400 кПа) для обеспечения теплоснабжения технологических процессов через теплообменники или путем прямой инъекции в технологический процесс.
На некоторых предприятиях используется комбинация этих способов использования. Перегретый пар высокого давления используется для привода турбины для выработки электроэнергии, а отработанный пар турбины используется для теплопередачи. В этих системах конденсат, как правило, возвращается в котел для повторного использования, а общая эффективность составляет почти 80%.
В большинстве промышленных и коммерческих предприятий пар используется только для технологического и бытового отопления. Важно оптимизировать эффективность каждой части таких систем за счет правильного выбора, расчета размеров, эксплуатации и технического обслуживания.
Давление, при котором вы выбираете распределение пара, будет представлять собой баланс между высокими давлениями, которые минимизируют диаметры труб и, следовательно, тепловые потери, и низкими давлениями, которые минимизируют образование мгновенного пара из отводимого конденсата. В промышленных процессах решение об использовании теплообменников/рубашек или прямой подачи пара определяется следующими факторами:
• требуемая скорость теплопередачи
• перемешивание растворов
• природа продукта
• рабочие температуры
• стоимость обработки питательной воды
• риск загрязнения продукта.
В большинстве распространенных процессов с паровым нагревом используются теплообменники, поэтому в них отсутствует прямой контакт пара с продуктом или нагреваемой средой.