3. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОНАБЖЕНИЯ

3.1 Тепловая схема водогрейной котельной

Принципиальная тепловая схема водогрейной котельной представлена на рис.3.1.

Котлы, устанавливаемые в системе централизованного теплоснабжения, выпускаются производительностью 4; 6,5; 10; 20; 30; 50; 100; 180 Гкал/ч.

            Котлы до 20 Гкал/ч могут применяться только в качестве основных источников тепла. Нагрев воды до 150 0С.

            Котлы более 30 Гкал/ч могут использоваться как в качестве основного, так и пикового источника тепла. По особому согласованию с заводом – изготовителем котлы могут выпускаться с нагревом до 180 0С.

            Марки котлов:

1)      газомазутные: ПТВМ, КВ-ГМ;

2)      твердотопливные: КВ-ТК, КВ-ТС.

В водогрейных котлах недопустимо парообразование во избежание образования накипи, пережога труб и гидроударов. Для этого необходимо поддерживать постоянной скорость воды в трубной системе, т.е. водогрейные котлы работают нормально только при постоянном расходе. Давление на выходе из котла должно быть такое, чтобы tнас превосходило на 10…15 0С максимальную температуру в сети – это определяет расположение насоса в схеме.

Во избежание низкотемпературной коррозии в хвостовых поверхностях котла поддерживают температуру воды выше температуры точки росы.

Температура точки росы:

-                                              при сжигании газа: 54…57 0С;

-                                              при сжигании низкосернистого мазута: около 60 0С;

-                                              при сжигании высокосернистого мазута: около 90 0С.

Допустимая температура воды на входе в котел при сжигании:

-                                              газа: не ниже 60 0С;

-                                              низкосернистого мазута: не ниже 70 0С;

-                                              высокосернистого мазута: не ниже 110 0С.

Рис.3.2. Схема рециркуляции и перепуска

             Восполнение потерь воды в сети производится химочищенной деаэрированной водой, поэтому в котельной предусматривается установка химводоочистки и деаэратор.

Деаэратор предусмотрен вакуумного типа. Давление в деаэраторе может быть от 0,07 до 0,6 атм. Обычно деаэратор регулируется на давление 0,3 ата. Он может работать с обогревом и без обогрева. При работе без обогрева температура воды на входе в деаэратор должна быть на 5…10 0С выше температуры насыщения по давлению в деаэраторе. При работе с обогревом температура воды на входе в деаэратор на 5…7 0С ниже температуры насыщения по давлению в деаэраторе. Нагрев производится водой из котла.

Температура исходной воды зависит от места забора воды. Для нормальной работы водоочистки температура перед ней должна быть 25…40 0С (зависит от схемы химводоочистки). Поэтому перед химводоочисткой вода должна быть нагрета горячей водой из котла в водоводяном теплообменнике. После ХВО температура воды на 0…5 0С ниже температуры воды перед ней. Для нормальной работы деаэратора после ХВО устанавливают водоводяной теплообменник.

            При использовании в котельной мазута в качестве основного или резервного топлива, температура воды на выходе из котла должна быть не ниже 100 0С (если мазут поступает по трубопроводам разогретым). При поступлении мазута в цистернах для разогрева при его сливе и перед форсунками котла используется только пар. В этом случае в водогрейной котельной устанавливаются служебные паровые котлы. Схема котельной – по варианту паро-водогрейной.

Для нормальной работы ВПУ требуется большое количество реагентов. При работе водоочистки большое количество агрессивных растворов выбрасывается в окружающую среду. Поэтому при работе системы при температуре не выше 95…105 0С для обработки воды применяются ИОМСы. Они вводятся через дозатор в трубопровод. При этом ионный состав воды не меняется, но сдерживается накипеобразование.

            Вместо вакуумных деаэраторов в котельных небольшой производительности можно устанавливать центробежные деаэраторы (труба длиной 1,5 – 2 метра, завихритель. Вода внутри трубы движется по спирали. При этом за счет действия центробежных сил газы отделяются от воды и удаляются в окружающую среду через трубку малого диаметра, расположенной по оси). Недостаток: большие потери давления (до 3…4 атм), вода должна быть нагрета перед деаэратором до температуры не ниже 95 0С.

При работе котельной на открытые системы в схеме источника тепла обязательно предусматривается установка бака - аккумулятора после деаэратора.

3.2 Тепловая схема паровой котельной

            Принципиальная тепловая схема паровой котельной представлена на рис.3.3.

            Паровые котельные сооружаются при отпуске тепла с паром и в небольшом количестве - с горячей водой. Промышленные паровые котлы выпускаются на давление 9, 14, 20,

40 атмосфер. Котлы 9 атм имеют производительность 0,2…2,5 т/ч; котлы 14 атм – 2,5; 4;

6,5; 10; 16; 25; 35; 50; 100 т/ч. Котлы на давление 9, 14, 20 атм вырабатывают либо сухой насыщенный пар, либо слабо перегретый (температура перегретого пара не выше 250 0С).

            Маркировки котлов:

ДЕ – 25 – 14 ГМ;

ДЕ – 25 – 14/225 ГМ.

            Для поддержания солевого баланса делается продувка котла. Максимально допустимая величина продувки для котлов до 14 атм включительно не более 10%, а для давления 20 и 40 атм – не более 5% паропроизводительности.

            При величине продувки более 1 т/ч обязательно использование тепла продувочной воды. Для этого в схеме котельной предусмотрена установка расширителя с сепаратором непрерывной продувки. Вода после сепаратора должна быть охлаждена до температуры порядка 40…50 0С. Для охлаждения предусмотрена установка теплообменников, в которых греется либо сырая вода, либо химочищенная вода перед деаэратором. Пар после сепаратора используется в деаэраторе.

            Пар внешним потребителям отпускается либо непосредственно из котла, либо через РОУ или РУ.

            Рис.3.4. Схема редукционных установок

Пар на собственные нужды котельной подается только через РУ. При отпуске тепла с горячей водой в котельной обязательно устанавливаются не менее двух пароводяных сетевых подогревателей и резервные не устанавливаются.

            Для снижения температуры конденсата (из условия нормальной работы деаэратора) обязательна установка охладителей конденсата. Температура конденсата после них составляет 90…95 0С.

            При частичном или полном возврате конденсата от потребителей в котельной предусмотрена установка не менее двух конденсатных баков. Отстоявшийся в баке конденсат должен быть охлажден и пропущен через химводоочистку для очистки от масел, окислов железа и др. Так как требования к качеству питательной и подпиточной воде разные (по содержанию солей жесткости), то в котельной предусмотрена установка двух деаэраторов атмосферного типа (давление 1,2 атм, температура 104 0С). Для уменьшения потерь пара через деаэратор подпиточной воды химочищенная вода должна быть нагрета перед ним до температуры 90…95 0С. Допускается установка одного совмещенного деаэратора при работе на закрытые системы и мягкой исходной воде.

            Если средневзвешенная температура входящих потоков Д-1 недопустимо низка, то после ОСВ ставится дополнительный пароводяной теплообменник.

Температура питательной воды для котлов с давлением до 20 атм включительно должна быть не ниже 100 0С. Если котлы вырабатывают пар с давлением 40 атм, то температура питательной воды должна быть 145 0С. В этом случае питательная вода после атмосферного деаэратора догревается до требуемой температуры в пароводяном теплообменнике.

3.3 Тепловая схема пароводогрейной котельной

Принципиальная тепловая схема пароводогрейной котельной представлена на рис.3.4.

При суммарном отпуске тепла с паром и горячей водой более 50 МВт (из них более 50% с горячей водой) целесообразно устанавливать паровые и водогрейные котлы. Окончательный выбор варианта котельной должен определяться технико-экономическим расчетом.

При составлении тепловой схемы пароводогрейной котельной должны учитываться особенности как паровых, так и водогрейных котельных, а именно: в котельной должно быть два деаэратора. Питательный деаэратор должен быть только атмосферного типа. Подпиточный деаэратор может быть как атмосферного, так и вакуумного типа. Обогрев в атмосферных деаэраторах производится только паром, а вакуумные деаэраторы могут работать с паровым, водяным обогревом или без обогрева. Химочищенная вода перед деаэратором нагревается тем же теплоносителем, что и деаэратор. Если деаэратор без обогрева – то по выбору проектировщика.

Наличие в котельной паровых и водогрейных котлов позволяет использовать водогрейные котлы для покрытия части коммунально-бытовой нагрузки. Так, в открытых системах при подогреве сырой, химочищенной воды и подпиточного деаэратора паром, нагрузка ГВС обеспечивается работой паровых котлов, а водогрейные котлы рассчитываются на отпуск отопительно-вентиляционной нагрузки. В закрытых системах возможно применение двухступенчатого подогрева сетевой воды: сначала в пароводяных теплообменниках, а затем в водогрейных котлах.

Фрагмент схемы:

На основе котла ПТВМ – 30 разработан котел КВП – 30/8 (30 Гкал/ч – производительность по воде, 8 т/ч – производительность по пару).

При работе в пароводогрейном режиме в котле формируются два самостоятельных контура: паровой и водогрейный. Распределение поверхностей нагрева между этими контурами может быть разным. При различных включениях поверхностей нагрева может меняться тепло- и паропроизводительность при неизменной суммарной мощности котла.

0                                 50                            100  загрузка, %

Для разделения пароводяной смеси в паровой контур должен быть включен выносной циклон – сепаратор.

Недостатком пароводяных котлов является невозможность регулирования одновременно нагрузки и по пару, и по горячей воде. Как правило, регулируется работа котла по отпуску тепла с водой. При этом паропроизводительность котла определяется характеристикой. Возможно появление режимов с избытком или недостатком паропроизводительности. Для использования избытков пара на линии сетевой воды обязательна установка пароводяного теплообменника. В остальном схема с комбинированными котлами аналогична схеме водогрейной котельной с разнотипными котлами.

4. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ КОТЕЛЬНЫХ

4.1 Общие положения расчета тепловых схем котельных

Выбор типа котельной, если он предопределен внешними факторами, проводится на основе технико-экономических расчетов. Количество и единичная мощность оборудования определяется по результатам расчета тепловых схем котельных. При выборе оборудования следует стремиться к укрупнению единичной производительности.

В котельных отопительного назначения резервных котлов не устанавливают. В котельных промышленного и промышленно – отопительного назначения вопрос о резервировании паровых котлов определяется требованиями внешних потребителей. Если потребитель не допускает перерывов в подаче пара, то в котельной устанавливается минимум один резервный паровой котел и максимум два. Во всех остальных котельных резервных котлов не устанавливают.

Для расчета тепловой схемы должно быть задано:

1.      Часовой отпуск тепла с горячей водой Qотп

Qтехн – технологическая нагрузка, покрываемая горячей водой;

Qпот – потери тепла в системах теплоснабжения.

По нормам годовые потери не должны превышать 5%. Принимать можно:

2.      Часовой расход воды на выходе из теплоснабжающей станции Gпр

 В общем случае

 Gут – потери теплоносителя в сети. Они должны составлять не более 5% объема воды в  тепловых сетях, включая местные системы. При расчете тепловых схем можно принимать:

 Gут = (1,5…2,0) % от расхода воды в подающем трубопроводе, то есть

3.      Часовой расход воды на входе теплоотдающей станции Gоб

Gподп = Gпр – Gоб

Gподп = Gут + Gгвс – для открытых систем

Gподп = Gут            - для закрытых систем

1.      Температура сетевой воды на входе и выходе теплоснабжающей станции. Зависит от метода регулирования.

5.      При отпуске тепла с паром задается часовой расход пара на выходе из теплоснабжающей станции Dотп

               Dо + Dв + Dгвс – если паром покрываются нагрузки отопления, вентиляции и ГВС.

 Dпот принимают 3% от технологической нагрузки Dтехн.

2.      Давление и состояние пара (степень сухости или температура) на выходе.

7.      Гарантированный возврат конденсата и его температура.

Расчет тепловых схем ведется для четырех режимов:

- Максимально зимний режим (соответствует расчетной температуре tно). По результатам расчета определяется максимальная мощность источника тепла и составляются варианты котельной по составу оборудования.

- Контрольный (соответствует средней температуре наиболее холодного месяца ). Расчет ведется из условия выхода из строя наиболее крупного агрегата. Оставшееся оборудование должно обеспечить расчетную нагрузку на технологию, отопительно-вентиляционную при и средненедельную на ГВС. По результатам расчета определяется единичная мощность оборудования.

- Среднеотопительный (соответствует средней температуре за отопительный период  ).

- Летний (при отсутствии нагрузки на отопление и вентиляцию и при сниженной нагрузке на ГВС). По результатам расчетов 3 и 4 режимов определяются технико-экономические показатели источника тепла. Иногда появляется необходимо сть расчета 5 режима, соответствующего .  По результатам расчета определяются перекачивающие установки.

4.2 Особенности расчета тепловых схем водогрейных котельных

При расчете необходимо помнить, что расход воды через котел во всех режимах должен быть постоянным. Отпуск тепла можно изменять только количеством работающих котлов.

tх = 5 0С – зимой;       tх = 15 0С – летом.

            Температура воды    зависит от схемы обработки воды. При наличии предочистки:

30 0С – при коагуляции;

40 0С – при коагуляции с известкованием.

            Без предочистки: 25…35 0С.

В общем случае , лучше (0…2) 0С.

            Если деаэратор работает с обогревом, то:

            Если деаэратор работает без обогрева, то:

 , где tнас – по давлению в деаэраторе (0,3 атм).

.Рис.4.1. Расчетная тепловая схема водогрейной котельной

            Температура   - температура на входе в котел. Зависит от вида сжигаемого топлива. При сжигании газа или низкосернистого мазута – не ниже 70 0С. При сжигании высокосернистого мазута - не ниже 110 0С. При сжигании твердых топлив первоначально определяют температуру точки росы и температуру на входе в котел принимают не ниже:

 tгр = 60…70 0С. При работе на открытые системы лучше принимать tгр = 60 0С.

            Порядок расчета:

1)      Определяется количество работающих (для максимально зимнего режима – установленных) котлов. Для максимально зимнего режима минимально допустимое количество установленных котлов – 2, оптимальное – 2. Исходя из этого оценивается единичная производительность котла:

По найденым значениям    и     выбирается котел с производительностью из номенклатурного ряда. По выбранной производительности котла Q1К определяется количество установленных котлов:

    n’ округляется до ближайшего большего целого числа.

     Для всех остальных режимов определяется количество работающих котлов по уже выбранной единичной мощности.

2)  Определяется температура воды на выходе из котла.

G1к – расход воды через котел по технической характеристике выбранного котла.

Если для какого-либо режима (обычно для максимально зимнего) получится , то принимают   и пересчитывают  :

2)      Определяются расходы греющей среды деаэратора, и подогревателей сырой и химочи-щенной воды.

- для деаэратора:

  Отсюда определяют Gд.

     - действительный расход воды через деаэратор.

 Gвып = 0,002 Gподп

   - для подогревателя химочищенной воды:

                           ,

где r – теплота парообразования по давлению в деаэраторе;

                   - коэффициент сохранения тепла (0,98…0,99).

Отсюда определяют GП2.

 - для подогревателя сырой воды:

где    - расход на собственные нужды ХВО.

3)       Расчет температуры воды после сетевых насосов (по тепловому балансу точки 1).

4)      Расчет количества перепускаемой воды (по тепловому балансу точки 2).

5)      Расчет узла рециркуляции. По уравнению материального баланса узла 3 определяется расход рециркулируемой воды, а из теплового баланса этого же узла – температура воды на входе в котел. Если найденное значение     не совпадает с ранее принятым значением (смотри п.2), то следует искать ошибку в расчетах.

Допустимое расхождение при определении   не более 3%.

a.         Расчет тепловой схемы паровой котельной

      Рис.4.2. Расчетная схема паровой котельной

3.      Расход пара на деаэратор подпиточной воды

 - энтальпия пара на выходе из котла;   iк – энтальпия конденсата. iк=с(tнас-10…15 0С).

tнас – температура конденсата при давлении греющего пара. При наличии подрегулировки перед подогревателем tнас определяется при давлении 2…2.5 атм., без регулировки – 6 атм.

=0.002Gподп.

 - если нет охладителя деаэрированной воды; - температура насыщения по давлению в деаэраторе;  =65 0С для работы на открытые системы (с охлаждением деаэрированной воды) и 60…70 0С при работе на закрытые системы. Из уравнения теплового баланса деаэратора

      t’д2. Действительный расход пара есть

.

4.      Расчет расхода пара на подогреватель подпиточной воды перед деаэратором Д-2.

5.      Расчет расхода пара на подогрев сетевой воды.

 Отсюда находят  Dпсв.

6.      Оценивают паропроизводительность котельной.

.

- расходы пара на подогрев сырой, химически очищенной воды перед питательным деаэратором и питательным деаэратором.

7.      Оценивается величина продувки котла

.  Здесь Sкв – солесодержание котловой воды, зависит от типа котла и сепарационных устройств в барабане. Для промышленных котлов Sкв =3000…7000 мг/л;

Sпв – солесодержание питательной воды.

,

 - солесодержание воды после химводоочистки;  - солесодержание конденсата,

=4…8 мг/л; a – доля химически очищенной воды в питательной воде котла. Расход продувки есть .

8.      Расчет расширителя с сепаратором продувочной воды.

Рис.4.3. Схема сепаратора

iсп =ic + rx,     x=0.98...0.99. Из уравнений материального и теплового балансов находят Dс и Gс.

1.      Расчет расхода пара на подогрев сырой воды.

Рис.4.4. Схема подогрева исходной воды

исх.воды=Gподп. + Dпот +Gс + Gнев.к + Gхво.сн.                 

Gнев.к   - невозврат  конденсата от технологического потребителя;

Gхво.сн. =(20…30)% от мощности водоподготовки (Gподп. + Dпот +Gс + Gнев.к).

1.      Расчет расхода пара на подогрев химически очищенной воды выполняется, если перед питательным деаэратором есть пароводяной теплообменник. В противном случае рассчитывается температура воды перед питательным деаэратором.

Рис.4.5. Схема расчета деаэратора

Уравнение теплового баланса

      .

Если отсутствует подогреватель П3, то расход пара на него Dп3=0, и из уравнения теплового баланса находят . Если теплообменник П3 есть, то =90…95 0С. Из уравнения находят Dп2.

1.      Определение расхода пара на деаэратор питательной воды.

Расход пара Dд1 определяется из уравнения материального баланса деаэратора. Действительный расход пара определяется с учетом выпара.

.

2.      Уточняется паропроизводительность котельной и сравнивается с предварительно заданной величиной.

Dк=Dтехн + Dпсв + Dп1 + Dп2 + Dп3.

Если расхождение больше 3%, то расчет повторяют, начиная с п.5.

Доля химически очищенной воды в питательной воде

.

При первом приближении

. В последующих приближениях a принимается по результату предыдущего приближения.

a.         Схемы отпуска тепла от ТЭЦ.

Особенности отпуска тепла от турбин типа Р

При использовании этих турбин вся электроэнергия вырабатывается в теплофикационном режиме, но так как существует жесткая связь между отпусками тепла и выработкой электроэнергии, то станции только турбинами типа Р не оснащаются.

1.Пар после турбин с давлением 1.2…4 атм. используется для подогрева сетевой воды. В этом случае сетевую воду можно подогреть до температуры 115…120 0С, т.е. турбины рассчитываются на покрытие основной нагрузки, а пиковая нагрузка покрывается пиковыми водогрейными котлами. Но лучше покрывать паром из турбин типа Р только нагрузку ГВС.

2.Пар используется для покрытия технологической нагрузки низкого давления и базисной части коммунально-бытовой нагрузки, Р=4…9 атм.

2.Покрывается технологическая нагрузка повышенного давления Р=10…15 атм.

Особенности схем отпуска тепла от турбин с отборами.

Максимальное давление в теплофикационном отборе определяется по температуре сетевой воды, соответствующей средней за отопительный период температуре наружного воздуха. С переходом на повышенный температурный график должно расти давление в теплофикационном отборе, а с ростом давления снижается выработка электроэнергии в теплофикационном режиме. Чтобы не ухудшать экономические показатели теплофикационных турбин, теплофикационные отборы делают сдвоенными с одним регулятором давления. Пределы регулирования давления в нижнем теплофикационном отборе 0.6…2.0 атм., в верхнем – 0.6…2.5, 2.0 атм. Давление регулируется либо в нижнем отборе, либо в верхнем. Если регулирование происходит в верхнем отборе, то нижний становится нерегулируемым с Р=0.85 атм. Теплофикационные турбины имеют в конденсаторах встроенные конденсационные пучки в которых можно подогревать сетевую воду не меняя давления в конденсаторе. При работе встроенных конденсационных пучков можно получить  до 10 Гкал/ч тепла. Сегодня во встроенных пучках можно греть сырую воду перед химводоочисткой в открытых системах теплоснабжения.

Схема подогрева сетевой воды на станциях как правило двухступенчатая. Первая ступень – основной подогреватель (бойлер), в котором сетевая вода греется паром теплофикационного отбора. Пиковая часть нагрузки может обеспечиваться работой пиковых водогрейных котлов, либо паром производственного отбора.

Для деаэрации подпиточной воды могут использоваться вакуумные или атмосферные деаэраторы. Обогрев деаэратора осуществляется как правило паром регулируемого или нерегулируемого отбора.

Перевод турбин в режим ухудшенного вакуума.

В этом случае конденсатор используется для подогрева сетевой воды. Конденсатор нормально работает при давлении < 0.8…0.9 ата. Поэтому сетевую воду можно нагреть максимум до 80-90 0С. Схема нагрева сетевой воды становится трехступенчатой – конденсатор-основной подогреватель-пиковый котел. Так как допустимое давление по воде в конденсаторе не более 2…2.5 атм., то конденсатор включают в схему подогрева до сетевых насосов.

      Рис.4.6. Схема отпуска тепла от ТЭЦ

Режимы работы ступеней нагрева ТЭЦ

 Одной из характеристик работы ТЭЦ является коэффициент теплофикации a - отношение количества тепла из отборов турбины к общему количеству тепла, отпускаемого от ТЭЦ.

   ,    aт=0.4…0.6,                  aп = 0.8…1.0.

Различают следующие режимы работы ступеней нагрева сетевой воды.

1.      Режим с использованием максимальных параметров в отборе. Пиковая нагрузка покрывается паром производственного отбора.

2.      Режим с постоянным перепадом температур по сетевой воде. Пиковая нагрузка обеспечивается работой водяного котла.

3.      Режим, сочетающий особенности первых двух (тоже с пиковым водяным котлом).

   Рис.4.7.

Технико-экономическим расчетом определяется оптимальное значение a. По известному  определяется максимально возможная температура сетевой воды на выходе из основного подогревателя (tотб).  =0.2…0.3 ата.

,     где  - потери по пути от турбины до подогревателя.

Рис.4.8.

включается и пиковый подогреватель.  соответствует максимальному отбору пара в отборе Т при отключенном отборе П. С введением в работу пикового подогревателя расход пара в отборе Т уменьшается до номинального.

            Рассмотрим случай, когда установлен пиковый водяной котел.

 Рис.4.9.

Технико-экономическим расчетом определяется оптимальное значение a и . При tн > tнa работает только основной подогреватель.

Рис.4.10.

При работе по режиму 2  < , определенному в п.1. При работе по режиму 3 определяются . По найденному  находят tнa и .