Модели и средства повышения эффективности и безопасности объектов теплоэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модели и средства повышения эффективности и безопасности объектов теплоэнергетики

Назаренко Андрей Александрович

научный сотрудник, ООО "Научный производственно-технологический центр ОКТАЭДР", аспирант, Донской государственный технический университет

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Аннотация

В статье рассматриваются проблемы пожарной и экологической безопасности современных объектов теплоэнергетики, в частности, котельных и тепло-электро-централей (ТЭЦ). Предлагаются и описываются инновационные методы и средства автоматизации технологических процессов котельных и ТЭЦ, которые позволят оптимизировать технологические процессы и снизить себестоимость производства тепловой энергии, а также восстановить природные циклы круговорота кислорода, воды и углерода с помощью биотуннелей, биогумусных и биотермических технологий, поглощающих и утилизирующих в геосферу вредные выбросы котельных и ТЭЦ. Методология решения указанных проблем заключается в изменении подсистемы химической водоочистки, в оптимизации использования энергетического потенциала паровых котлов, в обеспечении требуемых уровней пожарной, экологической и энергетической безопасности. Новизна предлагаемых решения заключается в применении паро-винтовых машин, которые повышают КПД за счет использования утилизируемого в специальных редукционно-охладительных установках избыточного давления пара, а также в применении сепараторов воздуха, которые позволяют сжигать углеводородное топливо в кислороде, а оставшимися инертными газами обеспечить предотвращение и тушение пожаров.

Ключевые слова: котельные, тепло-электро-централь, экология, природные циклы, сепаратор воздуха, мембрана, пожарная безопасность, химводоочистка, паро-винтовые машины, биотуннели

пожарный безопасность паровой котел

Nazarenko Andrei Aleksandrovich

"Science, Production and Technology Center OCTAEDR" LLC, Research Fellow; Donskoy State Technical University, gradutate student

344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, pl. Gagarina, 1

octaedr@list.ru

Abstract.

The paper deals with the problems of fire and ecological safety of modern heat supply facilities, in particular boiler rooms and combined heat and power plants (CHPP) Innovative methods and automation equipment of technological processes of boiler rooms and CHPP, which will allow to optimize technological processes and to reduce cost of production of thermal energy and also to recover natural cycles of circulation of oxygen, water and carbon by means of biotunnels, biohumus and biothermal technologies absorbing and utilizing harmful bursts of boiler rooms and CHPP in a geosphere are offered and described. The methodology of the solution of the specified problems consists in changing the subsystems of chemical water purification, optimization of boilers' energy potential usage and in providing the required levels of fire, ecological and energy safety. The novelty of the proposed solution is in the application of the steam screw machines which increase efficiency by using the excessive steam pressure utilized in special reduction and cooling installations and in application of the air separators, allowing to burn the hydrocarbon fuel in the oxygen and to use the remaining inert gases to prevent and suppress fire hazards.

Keywords: chemical water purification, fire safety, membrane, separator of air, natural cycles, ecology, thermal power station, boilers, steam-screw machines, biotunnels

Промышленные и отопительные котельные всегда занимали одно из ведущих ролей, наряду с ТЭЦ в системах отопления промышленного производства и жилых массивов. Их значение трудно переоценить в теплоснабжении и энергетике нашего государства, а значит в её экономике и благосостоянии населения. Развитие промышленного производства, а так же строительство жилья обуславливают непрерывный рост потребления тепловой энергии. Всё это приводит к тому, что общая нагрузка промышленных и отопительных котельных, а также их количество возрастает. С их увеличением, возникают проблемы, связанные с ростом выбросов вредных веществ в атмосферу. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Однако кроме них в окружающую среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения металлов, сажа, углеводороды, а также остатки твёрдого, жидкого или газообразного топлива и канцерогенный бензопирен (С20Н12), из-за их неполного сгорания. Подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46% всего сернистого ангидрида и 25% угольной пыли выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями [1].

По данным Мосэнерго приведены характеристики (таб.1), расположение (рис.1) и зоны выбросов (рис.2) 19-ти ТЭЦ - источников загрязнения воздуха [2].

Рис. 1 - Расположение ТЭЦ в Москве

Таблица 1 - Сводные данные о ТЭЦ Москвы

Основные характеристики приведены в таблице (таб.1) и в обобщенном виде представлены в картографической форме (рис.2), где цветокоды (от белого цвета до черного) характеризуют интенсивность выбросов (от нуля до максимального значения). Данные по ряду ТЭЦ и ГРЭС, расположенных за пределами Москвы, не учтены [2].

Рис. 2 - Зоны выбросов

Для устранения проблем связанных с выбросом вредных веществ в атмосферу, большинство современных котельных и ТЭЦ используют дымовые трубы (рис.3) которые предназначены для отвода продуктов сгорания на такую высоту, при которой вред, наносимый окружающей среде, сводится к минимуму. Но, дымовые трубы не снижают количества вредных выбросов, а лишь позволяют разбросать последние на большую площадь. Следовательно, этот метод не избавляет от проблем нарушения существующих в природе трех основных циклов, обеспечивающих жизнедеятельность на нашей планете [3]:

- сезонных циклов круговорота кислорода в системе атмосфера-биосфера/гидросфера;

- годовой цикл круговорота воды в системе атмосфера-геосфера/гидросфера;

- семилетний цикл круговорота углерода в системе атмосфера-биосфера-геосфера/гидросфера.

Котельные и ТЭЦ нарушают эти циклы, «сжигая геосферу» (углеводородное топливо), и выбрасывая воду и углерод (его окислы) в атмосферу, изменяя тем самым климат на планете, являясь самыми уязвимыми объектами техносферы, с точки зрения пожарной безопасности. И на таких объектах потушить пожар очень сложно, если он распространяется на топливохранилище [3].

Рис. 3 - Типовая ТЭЦ

Системный анализ показал, что существующие технологии объектов теплоэнергетики, построенные на паровых котлах, имеют следующие принципиальные недостатки [3-5]:

- неэффективное использование избыточной энергии пара, которая бесполезно утилизируется в специальных редукционно-охладительных установках (РОУ),

- использование в качестве рабочего тела - воды в паровых котлах, что приводит к образованию в них накипи, которая выводит их из строя.

Следовательно, необходимо осуществить системный синтез функционирования котельных и ТЭЦ, используя инновационные методы и средства, в т.ч. при автоматизации технологических процессов, которые позволят [4-6]:

· восстановить природные циклы кислорода, воды и углерода,

· устранить проблемы, порождающие вредные выбросы,

· найти решение проблемы накипеобразования в паровых котлах,

· найти применение неиспользуемому энергетическому потенциалу паровых котлов,

· обеспечить требуемые уровни пожарной и экологической безопасности.

Добиться полного сгорания топлива, и, тем самым существенно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу, можно сжигая топливо не в атмосферном воздухе, а в кислороде [3,6].

Методы «газоразделения воздуха» на кислород и азот известны давно и реализуются в промышленных масштабах криогенными установками. Но этот способ является энергозатратным, трудоемким и не безопасным. Применяя наноматериалы и нанотехнологии, можно применить более эффективные способы сепарации воздуха, например, с помощью половолоконных мембран (рис.4). Себестоимость кубометра азота и кислорода, получаемого мембранными установками, на порядок дешевле криогенных. Кроме того, мембранные сепараторы способны вырабатывать кислород на месте, т.е. не требуют специальных средств хранения и транспортировки [6-8].

Рис. 4 - Мембраны сепаратора фирмы «PRISM PA»

Принципы работы мембранных установок хорошо известны и широко используются, в т.ч. за рубежом - это кнудсеновская диффузия, в соответствии с которой компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями, в связи с чем, коэффициент разделения смеси зависит от молекулярных масс [8]:

(1)

где и -числа молей компонентов соответственно, с молекулярными массами и .

Атмосферный воздух, почти на 99% состоит из азота и кислорода, а также 1% приходится на другие газы (углекислый газ, аргон и пр.). Каждый газ обладает собственным коэффициентом проницаемости, характеризующим его способностью проходить через мембрану. Кислород представляет собой «быстрый» газ, который диффундирует через стенку мембраны, в то время как азот проходит вдоль внутренней поверхности волокна, таким образом, на двух выходах мембранного сепаратора получаются два потока газов. Первый обогащён кислородом, а второй азотом. Затем, азот и кислород по трубам (рис.1) выводятся напрямую к тому месту, где требуется их практическое применение [7,8].

Существенным при этом является тот факт, что азот, накапливаемый в специальных ресиверах в результате сепарации кислорода из воздуха, можно применить в автоматизированной системе противопожарной защиты технологических процессов котельных и ТЭЦ, путем локального введения азота из трубопроводов в оборудование и устройства, предотвращая тем самым распространение огня, т.к. понижение концентрации кислорода делает невозможным процесс горения [7,9].

Крупнейшим производителем мембранных кислородных и азотных установок являются отечественные компании ООО «Краснодарский компрессорный завод» и ЗАО «ГРАСИС» (рис. 5), выпускающие, как стационарные, так и мобильные установки, в т.ч. для пожаротушения [7].

Рис. 5 - Мобильные мембранные комплексы

Тушение азотом имеет преимущества перед другими способами пожаротушения, так как в отличие от водяных систем, не повреждает электротехническое оборудование [7,9].

Инновационные технологии, например, паро-винтовые машины (ПВМ) могут когенерировать неиспользуемый энергетический потенциал паровых котельных с разным давлением и качеством пара в электрическую энергию, тем самым, превращая котельные в мини-ТЭЦ (рис.6). При этом, помимо обеспечения электроэнергией самого предприятия, с помощью ПВМ можно поставлять электроэнергию на сторону в несколько раз дешевле в сравнении с действующими тарифами, без дополнительного сжигания топлива и с минимальными затратами на эксплуатацию [4,10].

Рис. 6 - Паро-винтовая машина компании «Газавтоматика»

К достоинствам и преимуществам ПВМ можно отнести следующее [4,11]:

· высокий КПД и работа в широком диапазоне мощностей;

· нечувствительность к влажности и чистоте пара;

· возможность использования и в качестве основного, и в качестве вспомогательного источника электроэнергии;

· значительный моторесурс и возможность продолжения работы после капремонта;

· высокая надежность и ремонтопригодность;

· требуемый уровень безопасности;

· возможность установки ПВМ в существующих помещениях котельных, благодаря малой массе и небольшим размерам.

ПВМ разработана в России и не имеет зарубежных аналогов, представляя собой модифицированный тип парового двигателя, предназначенного для преобразовании механической энергии в электрическую, полученную за счёт остаточного давления пара [10,11].

ПВМ способна обеспечить предприятие электроэнергией, в 6-7 раз более доступной, по сравнению с действующими тарифам, при этом затраты на ее эксплуатацию остаются минимальными, а ресурс измеряется десятками лет. Это устройство отлично подходит для переоснащения действующих котельных с минимальным сроком выполнения всех необходимых работ.

Целесообразность подобной реконструкции обусловлена тем, что встраивание ПВМ (рис.7) может обеспечить дополнительную выработку около 100 кВт электрической мощности на каждую тонну произведенного пара и увеличение коэффициента использования топлива до 15%, при этом [4,10]:

- удельные капитальные затраты составят до 25000 руб./кВт, а расход условного топлива на выработку 1 кВт/ч электрической энергии - 150 грамм;

- при расширении в ПВМ насыщенного пара расходом 50 т/ч, например, от 1,4 до 0,12 МПа можно получить до 4 МВт электроэнергии;

- потребление газа возрастет примерно на 10%, а себестоимость произведенной электроэнергии составит не более 50 копеек за 1 кВт/ч;

- срок окупаемости проекта реконструкции котельной в мини-ТЭЦ составит от двух до четырех лет.

Рис. 7 - Схема включения ПВМ для мини ТЭЦ

Более того, стабильность электроснабжения котельных - важная социальная и технико-экономическая задача, т.к. их обесточивание, как правило, вызывает не только перебои в теплоснабжении населения или производственных потребителей, но и приводит к расхолаживанию систем отопления и огромным затратам на их ремонт. В этом случае ПВМ обеспечит бесперебойность снабжения котельной электроэнергией [3,11].

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) котельной должна обеспечивать автоматическую защиту мини-ТЭЦ при возникновении любой чрезвычайной ситуации. Защита заключается в приостановке поступления пара в ПВМ и моментальном отключении генератора от электросети [9,10].

Инновационным решением, ликвидирующим технологии химводоочистки, предотвращающие образование накипи в паровых и водогрейных котлах, путем использования катионных фильтров, является использование вместо воды агрегатных состояний элегаза (Хладона 510), который разработан в институте имени Кржижановского [5,11-13].

Рис. 8 - Структурная схема АСУ ТП мини-ТЭЦ

Помимо сокращения огромных затрат на химводоочистку, элегаз позволяет оптимизировать тепломассобмен в котле, а его исключительная химическая стабильность позволяют использовать его при длительном контакте практически со всеми конструкционными материалами. При этом существенными технологическими преимуществами элегаза являются невысокая чувствительность к загрязнениям трубопроводов, к наличию остаточной влаги, а также простота обнаружения утечек [5,13].

Последним инновационным решением является использование «биотуннелей» (рис.8), сформированных из вечнозеленых и сезонных сортов деревьев и кустарников, включая генетически измененную коноплю, который создается вместо труб, для поглощения воды и углекислого газа [3,6,12-14]. При этом «биотуннели» необходимо состыковать с «биотехнологиями утилизации углерода в геосферу», чем восстановить указанные выше «природные циклы», т.к. СО2 и Н2О могут поглощаться природным фотосинтезом деревьев и кустарников (с выделением О2 в атмосферу), а углерод и вода легко утилизируются в геосферу с помощью биогумусной и биотермической технологиях, основанных на природных процессах разложения их опада (гниения, употребления фитомассы в качестве пищи животными и др.).

Заключение

Принимая во внимание изложенное, можно выделить следующие способы устранения основных недостатков типовых проектных решений АСУ ТП объектов теплоэнергетики:

· использование паровых винтовых машин, для повышения эффективности и превращения паровых котельных в мини-ТЭЦ, вырабатывающих электрическую энергию,

· использование агрегатных состояний элегаза («Хладон-510») вместо воды и пара в паровом котле, для снижения себестоимости производства тепловой и электрической энергии, за счет ликвидации системы химводоочистки и связанных с ней эксплуатационных затрат,

· использование сепарированного из воздуха кислорода для полного сгорания углеводородных топлив, а также исключения из выбросов наиболее токсичных газов (СО, NOx, и др.)

· использование сепарированного из воздуха азота в подсистеме противопожарной защиты помещений и оборудования котельных и ТЭЦ,

· использование вместо труб котельных и ТЭЦ «выпускных коллекторов» необходимой пропускной способности внутри «биотуннеля» («биоквартала»), т.е. поглощения выбросов обсадкой из вечнозеленых и сезонных сортов деревьев и кустарников,

· восстановление природных циклов (воды, кислорода и углерода) с помощью природоподобных технологий с их соответствующей автоматизацией.

Библиография

1. Сайт Экология Земли. Статья: Влияние вредных выбросов ТЭС и ТЭЦ на атмосферу-URL: http://www.ecostam.ru/eaecos-538-1.html

2. Ранжировка ТЭЦ Москвы по опасности, создаваемой для районов города-URL: http://www.iki.rssi.ru/ehips/Moscow/MoscowStep1.htm

3. Белозеров В.В. Синергетика безопасной жизнедеятельности - Ростов н/Д: ЮФУ, 2015.-420с. URL: http://bibliofond.ru/view.aspx?id=649726#1

4. Назаренко А.А. О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ И ТЭЦ С ПОМОЩЬЮ ПВМ //Международный студенческий научный вестник.-2017.-№ 5 (ч.1), с. 122-124. URL: http://www.eduherald.ru/pdf/2017/2017_5_1.pdf

5. Водоподготовка для теплоэнергетики и котельных. Национальный центр водных технологий - URL: http://ncwt.ru/ochistka_vody_i_vodopodgotovka/55/187/

6. Назаренко А.А. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ, ПОЖАРНОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ //Материалы X Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2018» URL: http://www.scienceforum.ru/2018/3129/4428

7. Захаревич В.Г., Матишов Г.Г., Шумейко В.И. Создание термобаромагнитного сепаратора воздуха и синергетических моделей сжигания топлива, с поглощением углекислого газа и воды, компенсирующих выжигаемый кислород (проект по ЛОТ 4 2007-6-1.6-19-02) // Электроника и электротехника. -- 2017.-№ 1.-С.16-44. DOI: 10.7256/2453-8884.2017.1.21781. URL: http://e-notabene.ru/elektronika/article_21781.html

8. Мембранные сепараторы. Официальный сайт фирмы Air Products-Режим доступа: http://www.airproducts.com/products/Gases/supply-options/prism-membranes .

9. Богуславский Е.И., Белозеров В.В., Богуславский Н.Е. Прогнозирование, оценка и анализ пожарной безопасности /учеб. пос. М-во образования и науки Рос. Федерации-Рост. гос. строит. ун-т. Ростов н/Д, 2004.-150с.

10. Боровков В.М., Зысин Л.В. Основные направления развития мини-ТЭЦ на основе современных парогазовых технологий-Изв. АН. Энергетика.-2001.-№1.-С.100-105.

11. Березин С.Р. Технология энергосбережения с использованием паровых винтовых машин //Теплоэнергетика.-2007.-№ 8, с. 40-43.

12. Айдаркин Е.К., Белозеров В.В. и др. Физико-химические и хронобиологические методы и технологии в системе подавления вреда и пожарной защиты ТЭЦ //Современные наукоемкие технологии».-2006.-№ 4, с.86-87.

13. Айдаркин Е.К., Белозеров В.В., Новакович А.А., Костарев Н.П., Мазурин И.М. «ПАРСЕК»: физико-химическая и биотехнологическая система подавления экологического вреда котельных //«Техносферная безопасность. Надежность. Качество. Энергосбережение.»: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. /Шепси, 05-08.09.2006.-Ростов н/Д: РГСУ , 2006, с.243-246.

14. Белозеров В.В. Рецензия на проект «Разработка и постановка на производство сепараторов воздуха и выпуск средств противопожарной защиты на их основе» (№ 2013-218-04-23, руководитель-Ворошилов И.В.) //Электроника и электротехника. -- 2016.-№ 1.-С.72-128. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.21117. URL: http://www.nbpublish.com/library_read_article.php?id=24160

Размещено на Allbest.ru