Комплексные технологии повышения эффективности котельных коммунальной энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Комплексные технологии повышения эффективности котельных коммунальной энергетики

А.Д. Пинтюшенко

Особенности эксплуатации существующего мазутного хозяйства котельных

Основными источниками тепловой энергии для большинства потребителей различных ведомств Российской Федерации являются котельные средней мощности, которые оснащены паровыми и водогрейными котлами отечественного производства типа ДКВР, ДЕ.

На газифицированных котельных с установленной мощностью свыше 20 МВт в качестве резервного топлива используется мазут марки М100. На таких котельных, а также котельных, использующих мазут как основное топливо, наиболее широкое применение получила насосно-циркуляционная система подачи мазута с технологическим оборудованием, которое обеспечивает традиционные технологические процессы топливоподготовки: хранение, фильтрацию, перекачку, подачу на сжигание, двухступенчатый разогрев топлива и слив горячего топлива от форсунок (рециркуляцию).

Первая ступень разогрева предусматривает поддержание заданной температуры до 60-70 ОС в топливных резервуарах за счет внутри-резервуарных змеевиковых или секционных паровых подогревателей с целью возмещения тепловых потерь, отстаивания (в резервных резервуарах не менее 100 ч) и выделения воды из топлива, обеспечения самотечного движения по линии всасывания топливных насосов, предварительную фильтрацию мазута на фильтрах грубой очистки.

Вторая ступень обеспечивает разогрев в выносных мазутоподогревателях с окончательной фильтрацией мазута на фильтрах тонкой очистки для качественного распыливания мазута форсунками и циркуляционный подогрев мазута в расходных резервуарах, одновременно обеспечивая возмещение тепловых потерь и перемешивание мазута для повышения однородности топлива.

До 2020 г. в энергетической стратегии России предусматривается рост добычи нефти с увеличением глубины ее переработки. Внедрение на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) новых технологий более глубокой переработки нефти (до 75% в 2010 г. и до 80-85% к 2020 г.) приводит к тому, что уже в настоящее время наметилась устойчивая тенденция поставок высоковязкого мазута с плотностью соизмеримой с плотностью воды с повышенной долей тяжелых высококипящих фракций, увеличенным содержанием асфальтосмолистых веществ и парафинов.

В соответствии с ГОСТ 10585-99 НПЗ поставляют мазут с влажностью до 1%. Однако, после слива из железнодорожных цистерн его влажность в отдельных случаях достигает 15-20%. Применяемые мероприятия по удалению воды отстаиванием из резервуаров хранения не достигают цели, поскольку плотность тяжелого мазута практически не отличается от плотности воды даже при повышенных температурах нагрева до 90 ОС. С другой стороны, для реализации процессов перекачки высоковязких мазутов требуется увеличение температуры хранения мазута до 70-80 ОС для его самотечного движения по всасывающим трубопроводам к насосам, что приводит к снижению стабилизации мазута поверхностно-активными веществами и к расслоению по плотностям отдельных фракционных групп с образованием агломератов, выпадающих в осадок. При содержании корбоидов в мазуте более 1 % нестабильность их резко возрастает, а повышение температуры хранения только способствует увеличению скорости осаждения грубодисперсной части асфальтеносмолистых веществ с ускоренным образованием высоковязкого слоя в придонной части резервуаров. При этом подавляющая часть сернистых соединений (70-90%) концентрируется в высоковязком слое. Повышенное содержание серы в придонной части резервуара способствует развитию коррозии металла трубной системы днищевых паровых подогревателей, которая приводит к образованию свищей и, как следствие, к неконтролируемому обводнению мазута. Вода в емкостях хранения частично отстаивается, распределяясь в объеме в виде линз, прослоек или грубой эмульсии и располагается выше «мертвого остатка», дренажных и приемных патрубков всасывающих линий.

К конструктивным недостаткам проектных внутрирезервуарных устройств следует отнести расположение змеевиковых подогревателей на высоте 500-600 мм, что не обеспечивает подогрев придонного слоя, при этом забор мазута осуществляется также с высоты 500-600 мм с потерей полезного объема резервуара и значительного объема топлива с его переводом в «мертвый» остаток. Температура придонного слоя («мертвого» остатка) составляет 15-25 ОС, а температура вышерасположенного слоя в районе подогревателей имеет 70-100 ОС. При этих условиях наблюдается как подтекание высоковязких крупных агломератов придонного слоя по поверхностям днищевых подогревателей к линии всасывания насосов, так и проскок «неорганизованной» воды, что снижает эффективность подогрева мазута днищевыми подогревателями и требует дополнительных затрат тепла на собственные нужды.

При эксплуатации выносных мазутоподогревателей происходит вторичное окисление низкокипящих углеводородов на теплообменных поверхностях нагрева, которые в значительной степени снижают их тепловую эффективность, что также приводит к дополнительным затратам тепла на собственные нужды, которые достигают до 10% от суммарной выработанной котлами тепловой энергии.

При идентичности эксплуатационных проблем и технологических мероприятий, заложенных в организацию работ мазутных хозяйств газифицированных котельных и котельных, использующих мазут как основное топливо, их работа все же существенно отличается друг от друга.

Особенностью работы мазутных хозяйств на газифицированных котельных является неопределенность потребления мазута, который необходим только в период ограничения подачи природного газа. Последнее случается достаточно редко и приводит к тому, что обновление мазутного резерва растягивается на длительное время. В связи с этим к организации работы мазутных хозяйств относятся, как к второстепенному производственному участку по остаточному принципу.

При длительном хранении и периодическом подогреве мазута качество его изменяется, постепенно ухудшаются его свойства, происходит полимеризация углеводородных и окисление неуглеродных компонентов, расслоение по плотностям отдельных фракционных групп с образованием высоковязкого слоя в нижней части резервуаров хранения, несмотря на циркуляционный подогрев.

Нарушение организации работы мазутных хозяйств на ряде газифицированных котельных зачастую приводило к тому, что при аварийном отключении природного газа наличие резервного топлива не являлось достаточным условием работы котельных в форс-мажорных обстоятельствах. Важно отметить, что снижение давления природного газа или его отключение происходит, как правило, в период общего увеличения его потребления на котельных в пиковые нагрузки и последствия для потребителей тепла в наиболее холодные периоды равносильны стихийному бедствию.

При работе котельных, использующих мазут как основное топливо, потребление мазута осуществляется часто «с колес» и котельная работает во многих случаях с острым дефицитом мазута и времени для должной подготовки топлива, но к организации работы мазутных хозяйств относятся, как к важному участку работы котельной с решающей ролью человеческого фактора.

Влияние некондиционного топлива на работу котлов

Неоднородность состава топлива, переменная вязкость и плотность среды являются основными причинами нестабильной работы котлов, приводящие к повышенному химическому недожогу из-за ухудшения качества распыла мазута, с одновременным образованием сажи и коксовых частиц. В свою очередь, это способствует интенсивному образованию плотных отложений на теплообменных поверхностях нагрева котла, что приводит к развитию интенсивной коррозии металла.

К основным факторам образования зольных отложений на действующем оборудовании следует отнести физико-химические свойства используемого мазута, технологию подготовки топлива к сжиганию и организацию процесса его горения непосредственно в топке котла. В результате загрязнения теплообменных поверхностей нагрева резко уменьшается их тепловосприятие, возрастает температура уходящих газов, увеличивается аэродинамическое сопротивление газового тракта котла и понижается его КПД.

Применение некондиционного мазута с измененными физико-химическими свойствами, которые не соответствуют ГОСТ 10585-75, приводит к ряду негативных причин:

¦ неконтролируемое обводнение мазута и замазучивание конденсата вследствие попадания пара (конденсата) и мазута через неплотности в днищевых и выносных подогревателях;

¦ неоднородность состава мазута приводит к нарушению гидродинамических и тепловых процессов топливоподготовки и котла в целом;

¦ увеличение расхода тепла на мазутное хозяйство с 3,5-4,0% до 10% от общей тепловой нагрузки (при норме 1-2%), а следовательно увеличение расхода тепла на собственные нужды и снижение КПД котла до 60%;

¦ снижение надежности и ресурса работы котельного оборудования и оборудования мазутного хозяйства.

В существующих экономических условиях, когда большинство предприятий находятся на грани выживания, в т.ч. из-за резкого повышения цен на топливо, эксплуатирующим организациям необходимы реальные технические решения, способные снизить, либо устранить негативные последствия перехода на использование низкокачественного мазутного топлива. Вместе с тем от обслуживающего персонала требуется наряду с сохранением тепловых и экономических показателей работы котельной установки выполнение возросших требований по охране окружающей среды.

Трехконтурная технология подготовки низкосортных мазутов

В Санкт-Петербургском военном инженерно-техническом университете (ВИТУ) разработана технология подготовки низкосортных мазутов переменного качества и нефтесодержащих отходов к сжиганию в отопительно-производственных котельных, с условным названием «Система топливоподготовки трехконтурная» (СТТ). Эта система обеспечивает комплексное решение как эксплуатационных проблем, так и вопросов, связанных с современными требованиями по экономическим и экологическим показателям работы котельной в части использования мазута.

Разработанная авторами технология защищена более чем 30 патентами РФ по мазутной тематике и является результатом многолетних теоретических и экспериментальных исследований, и проверена в реальных условиях длительной эксплуатации на теплоэнергетических комплексах военного и гражданского назначения, внедрена на ряде котельных РФ и стран СНГ, и включает следующие новые технологические процессы:

- многоступенчатую и непрерывную многократную обработку, нагрев, фильтрацию низко-

сортного, обводненного, высоковязкого мазута для получения однородной гомогенной водо-топливной смеси (эмульсии);

- «холодное» хранение мазута с температурой близкой к температуре застывания с выделением локальной прогретой зоны и аккумулятора тепла в объеме резервуара до уровня самотечного движения мазута по линии всасывания насосов за счет циркуляционного подогрева мазута и работы устройств в объеме резервуаров на всасывающей линии;

- циркуляционный подогрев мазута с повышенными скоростями в выносных подогревателях-гомогенизаторах и фильтрах-подогревателях с возможностью плавного управления температурой мазута в широком диапазоне (от 115 до 160 ОС и выше) с удержанием нормируемой вязкости в узком диапазоне;

- многократную фильтрацию на фильтрах-подогревателях с зазором фильтрующего элемента 0,25 мм.

В состав системы топливоподготовки входит следующее оборудование и устройства:

- фильтры-подогреватели мазута самоочищающиеся (ФМПС);

- подогреватели мазута гомогенизаторы (ПМГ);

- гомогенизаторы центробежные пульсирующие (ГЦП);

- устройства всасывающей линии (УВЛ);

- диспергирующие струйно-кавитационные устройства (ДСКУ);

- топливные насосы, КИП, запорно-регулирующая арматура.

Разработанные фильтры-подогреватели мазута самоочищающиеся являются фильтрами тонкой очистки и спроектированы с учетом решения вышеперечисленных проблем. При их работе исключено разрушение фильтрующего элемента, а момент его засорения фиксируется манометрами. Очистка от уловленных механических примесей производится за счет увеличения объема транзитного потока мазута без остановки и вскрытия фильтра, не прерывая его эксплуатацию.

Подогреватели мазута гомогенизаторы (ПМГ) во многом лишены недостатков традиционных подогревателей мазута с турбулентными вставками (ПМТ). В подогревателе ПМГ движение мазута осуществляется внутри спирального оребрения с переменным шагом со скоростью 1,5-2 м/c, благодаря чему эффективность использования тепла пара увеличивается в два раза по сравнению с существующими типами подогревателей. При этом исключается образование плотных отложений из-за вторичного окисления низкокипящих углеводородов на поверхностях нагрева. В подогревателе все элементы закреплены сваркой, что обеспечивает высокую герметичность и исключает загрязнение конденсата мазутом. Для включения в работу подогревателей ПМГ необходимо 15 мин. на их постепенный прогрев. При малых расходах мазута через подогреватели отключается их часть, и в результате этого поддерживается в оставшихся в работе подогревателях необходимая скорость движения мазута. На подогреватели ФМПС и ПМГ при их эксплуатации не распространяются требования Ростехнадзора. Разработанные мероприятия по снижению тепловых потерь топливных резервуаров решают комплексную проблему и по стабилизации мазута, препятствуя расслоению по плотностям отдельных фракционных групп. Комплекс этих мероприятий обеспечивается за счет:

- хранения мазута со средней температурой близкой к температуре его застывания (до +45 ОС) с выделением локального прогретого объема (аккумулятора тепла);

- «холодного» хранения мазута неограниченное время со средней температурой +10 ОС в резервных емкостях.

Перед потреблением мазута первоначально осуществляется подогрев в придонной и прилегающей к всасывающему патрубку зоне горячим мазутом, подаваемым из рабочей емкости по проектной схеме рециркуляции (при отсутствии таковой допускается использовать для этой цели пар) за счет работы устройств всасывающей линии.

В системе СТТ непосредственно перед всеми технологическими процессами предусмотрена обязательная гомогенизация топлива. Применение гидродинамических устройств в топливной системе обусловливается необходимостью получения водо-топливной эмульсии (ВТЭ), повышения качественных характеристик и дисперсности, преобразования углеводородных молекул остаточных фракций мазута в более активные радикалы, ускоряющих в топках котлов процесс сгорания, в фильтрах процесс фильтрации, в подогревателях процесс нагрева и в насосах процесс перекачивания. Последовательная гидродинамическая обработка топлива в смесительных устройствах на всех этапах и сокращение времени между обработками и его сжиганием в энергетических установках не позволяет активным углеводородным радикалам из-за недостатка времени на осуществление обратных химических реакций возвратиться в исходное состояние, что и является одним из факторов повышения эффективности использования топлива и повышения надежности работы основного оборудования.

Результаты исследования процессов образования саже- и коксоотложений при реализации технологических процессов топливоподготовки, полученные авторами на целом ряде объектов, показали, что использование предварительно обработанного мазутного топлива для сжигания в котлах выявило значительное снижение интенсивности образования отложений на теплообменных поверхностях нагрева. При использовании качественной ВТЭ происходит более полное выгорание органической части топлива с сокращением времени выгорания, в т.ч. и тяжелых его фракций, включающих асфальтено-смолистые соединения. В продуктах сгорания ВТЭ (влажность 3-15%) сажистые частицы имеют значительно меньшие размеры (не более 20 мкм). Зольные отложения от сжигания ВТЭ содержат в 20 и более раз меньше сажистых частиц, кроме того, они - рыхлые, сыпучие, слабо сцепленные с теплообменными поверхностями труб и легко удаляются самообдувом.

Исследования зольных отложений показали, что в них практически не содержится продуктов пиролиза, а анализ продуктов сгорания ВТЭ свидетельствует об изменении в них состава углеводородов, в котором количество высокомолекулярных соединений углеводородов (фракции С12-С21) значительно снижается, а тяжелые углеводороды (фракции С20-С21) не обнаружены.

Опыт применения г. Ивангород. С проблемой использования резервного топлива - мазута в 2001 г. столкнулись на Центральной котельной г. Ивангорода. Отопительный сезон 2001 г. вынужденно был завершен 14 апреля, ввиду отключения газа, а многократные попытки перейти на резервный мазут не принесли желаемого результата. При пробных пусках даже «подсветка» газом не обеспечивала розжиг мазутного факела в топках паровых котлов. Для ликвидации аварийной ситуации в осенне-летний период совместно сотрудниками ДГУП ЖКХ «Ленжилкомсервис», МУПП «ИТС» г. Ивангорода и авторами было проведено комплексное обследование Центральной котельной.

В результате было обнаружено несоответствие уровня требуемых по месту технико-технологических мероприятий по хранению, подготовки и подачи на горение мазута с его низкими эксплуатационными характеристиками. Днищевые подогреватели, размещенные в резервуарах с мазутом, имели значительную язвенную коррозию и были частично отключены, а выносные подогреватели (типа ПМТ Таганрогского завода) не в состоянии нагреть исходный мазут до температуры свыше 90 ОС.

Мазутное хозяйство находилось в аварийном состоянии, с оборудованием, выработавшим нормативный срок безопасной эксплуатации. Организованная зачистка в резервуарах не проводилась более 15 лет. Мазут представлял собой высоковязкие остатки с плотностью равной и выше плотности воды в виде густой мазеобразной массы от черного до темно-коричневого цвета, с механическими примесями и крупными не организованными водяными включениями. Анализ проб мазута показал, что общее влаго-содержание составляет от 25% до 45%, условная вязкость при 80 ОС составляла более 70 ОУВ.

Проведенное комплексное обследование Центральной котельной показало необходимость кардинального решения проблемы: либо вычищать резервуары с последующей утилизацией мазутных остатков на полигонах, либо проводить модернизацию котельной с размещением нового технологического оборудования с возможностью сжигания топливных остатков в котлах.

Правительством Ленинградской области было принято решение по финансированию работ по модернизации и реконструкции мазутного хозяйства с использованием технологий топливоподготовки некондиционных мазутов для отопительных котельных, разработанных в ВИТУ.

После переоборудования мазутного хозяйства по предлагаемой технологии удалось успешно использовать 3,5 тыс. т топливных остатков - мазута длительного хранения.

В процессе проведения работ было установлено следующее:

¦ система работоспособна, функционирует надежно, устойчиво и обеспечивает стабильность качества подаваемого на горение подготовленного мазута длительного хранения;

¦ при сжигании в котлах подготовленной топливной смеси (эмульсии с влагосодержанием до 45%) наблюдалось устойчивое горение без пульсаций и срывов, с повышением светимости факела. На всем протяжении работы котлов наблюдалось снижение видимости дыма на срезе трубы до уровня работы котельной на газовом топливе;

¦ резко уменьшился расход пара для паровой обдувки поверхностей нагрева котлов (не менее, чем в 2,5 раза) и заметно уменьшился расход пара на обслуживание мазутного хозяйства;

¦ снизились затраты на техническое обслуживание мазутного хозяйства;

¦ обеспечивался гарантированный розжиг котлов.

г. Кронштадт. В 2003 г. аналогичная система СТТ была установлена на котельной одной из войсковых частей в г. Кронштадте. Причиной явилось крайне неудовлетворительное состояние и изношенность мазутного хозяйства котельной с паровыми котлами ДКВР10/13-3 шт.

После проведения монтажных и пусконаладочных работ мазутного хозяйства были проведены испытания сжигания топливных смесей в диапазоне нагрузок котлов от 20 до 104%.

В процессе испытаний установлено следующее.

¦ При розжиге и работе котлов во всем диапазоне нагрузок проскоков, отрывов пламени и его срывов не происходило. Котлы на обработанной топливной смеси работали устойчиво. Щитовые приборы зафиксировали небольшое увеличение паропроизводительности при постоянном расходе мазута. Температура уходящих газов снизилась на 10-15 ОС.

¦ Работа котлов при сжигании в них топливных смесей сопровождалась повышением светимости факела, изменением его размеров (уменьшение длины и увеличение ширины), отсутствием дыма на срезе трубы. Коэффициент избытка воздуха значительно снизился и находился в диапазоне 1,1-1,11 вместо 1,43 при штатной работе котла.

¦ Концентрация экологически вредных компонентов в уходящих газах снизилась в среднем на 25-50% по сравнению с сжиганием штатного топлива стандартного влагосодержания.

Количество утилизируемых жидких нефтяных отходов с влагосодержанием топливной смеси 7-15% составило для котла ДКВР 10/13 - 150-300 кг/ч. В настоящее время у обслуживающего персонала котельной особых проблем, связанных с использованием поставляемого мазута, не возникает.

г. Адлер. Вышеперечисленные проблемы накопились к 2004 г. и в МП «Тепловые сети» г. Адлера. Несмотря на высокий кадровый потенциал, организованный менеджмент и развитую техническую базу на предприятии возникли серьезные проблемы на мазутохранилище предприятия. Летом 2004 г. на двух основных расходных топливных резервуарах нефтебазы, обеспечивающей хранение мазута предприятия, произошел прорыв днищевых паровых подогревателей, ремонт которых можно было проводить только после проведения необходимых мероприятий по выкачке, очистке и вентиляции резервуаров.

Руководством предприятия было принято решение об организованной зачистке «мертвого» остатка и ремонту емкостей. Произведенное обследование резервуаров выявило наличие обводненных нефтепродуктов в количестве 250-300 т, представлявших собой густую мазеобразную массу темно-бурого цвета. Для облегчения и ускорения работ по зачистке остатки разжижали при помощи пара под давлением 0,3 МПа.

Анализ проб нефтепродуктов из аварийных резервуаров показал, что их среднее влагосо-держание составляет 50-60%, плотность 1,1 г/см2, определить условную вязкость вискозиметром ВУ по утвержденным методикам было возможно лишь при 100 ОС со значительной погрешностью в пределах 120-160 ОУВ. Сравнение физико-химических показателей проб нефтепродуктов из резервуаров с основными показателями мазута М100 по ГОСТ 10585-99 выявило их несоответствие с превышением в десятки раз установленным нормам.

В период проведения работ по зачистке резервуаров особенно остро встал вопрос складирования нефтяных отходов и их использования. Ситуация осложнялась тем, что в районе г. Сочи нет полигонов по утилизации или временных хранилищ для подобного рода жидкостей. В связи с этим, было оперативно принято решение использовать в качестве временных хранилищ мазутные емкости (2 шт. по 400 м3) котельной № 28 с немедленной модернизацией существующего мазутного хозяйства с применением технологий, которые способны обеспечить требуемый уровень нагрева, фильтрации, прокачивания топлива от резервуаров хранения до горелочных устройств с требуемым давлением и возможностью дозирования высоковязких остатков к мазуту М100 и последующей их утилизацией в составе топливных смесей, тем самым, расширив в дальнейшем диапазон использования мазутов с ухудшенными эксплуатационными характеристиками для отопления котлов.

В период с 20 мая по 25 июля 2004 г. на котельной № 28 был выполнен комплекс работ по монтажу системы СТТ и специального оборудования, выполнены пуско-наладочные работы комплекса нового оборудования, адаптированного к существующему мазутному хозяйству, и обучение обслуживающего персонала.

В результате проведенных работ стало возможным использование для отопления котлов ДКВР10/13 жидкого углеводородного топлива в количестве 250 т, ранее считавшегося топливными отходами, подлежащими вывозу на полигоны.

Выводы

Практический опыт применения предлагаемой «Системы топливоподготовки трехконтурной», накопленный на указанных выше и ряде других предприятий, позволяет не только значительно повысить эффективность подготовки низкосортных мазутов к сжиганию в котлах, но и наряду с этим дает возможность получения теплоты за счет сжигания в котлах более дешевого жидкого топлива с одновременной утилизацией нефтесодержащих отходов.

В целом можно отметить, что система СТТ - работоспособна, функционирует надежно и устойчиво.

Повышение надежности, маневренности обусловлено:

- однородностью структуры и стабильностью топливных смесей, подаваемых на сжигание в котлы;

- возможностью работы котлов в широком диапазоне влажности мазута до 65%;

- возможностью управления вязкостью и температурой топливной смеси на выносных подогревателях в широком диапазоне до 150 ОС со снижением более чем в два раза расхода греющего пара на все мазутное хозяйство;

- возможностью управления давлением в широком диапазоне до 20 кгс/см2;

- гарантированным розжигом котлов после их останова;

- увеличением времени работы форсунки (чистка форсунки до одного раза в смену);

- работа котлов при сжигании в них обработанного мазута (эмульсии) сопровождается качественным улучшением структуры факела, повышением его светимости, изменением его размеров (уменьшение длины и увеличение ширины), отсутствием дыма на срезе трубы.

Сжигание обработанного топочного мазута (эмульсии), получаемого в системе СТТ, повышает экономическую эффективность за счет:

- расширения диапазона используемого мазута с ухудшенными физико-химическими показателями (с плотностью до 1,1 г/см3, с влагосодержанием до 60%, с вязкостью условной (при100 ОС) до100 ОВУ);

- снижения затрат на техническое обслуживание мазутного хозяйства и котельной в целом;

- снижения доли ручного труда при обслуживании мазутного хозяйства.

Внедрение технологии СТТ повышает также экологическую эффективность котельной за счет:

- уменьшения вредных выбросов на 20-30%;

- резкого сокращения сбросов нефтесодержащих вод от мазутного хозяйства;

- полного сжигания топлива и уменьшения практически до нуля содержания СО;

- уменьшения средств, расходуемых на предотвращение загрязнений окружающей природной среды и устранение аварийных ситуаций на котельном оборудовании при использовании некондиционного топлива.

Размещено на Allbest.ru