Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Современные теплотехнические установки на природном газе и комбинированные горелки на газе и дизельном топливе

Ульрих Драйцлер, дипломированный инженер, директор фирмы «Вальтер Драйцлер ГмбХ Верметехник», Шпайхинген, Германия, Председатель CEN/TC 131 по EN 676 «Горелки на газе»*

Длительность работы горелок в год может достигать до 5000 часов, что соответствует примерно 350000 км годового пробега автомобиля

 

Отопительные установки, предназначенные для новых построек и модернизации старых сооружений, должны соответствовать требованиям будущего по таким параметрам, как КПД, срок службы, закупочная цена и экономичность. В зависимости от мощности установок различают концепции в производстве тепла. В то время, как в установках мощностью до 100 кВт, используемых в бытовых целях, преобладают одиночные котлы или настенные отопительные приборы, в диапазоне средних и больших мощностей у умеющих считать свои затраты хозяев, мы встречаем смешанные концепции с тепловыми насосами, газовыми двигателями, блочными электростанциями. И все же, для гарантированного теплоснабжения, требуются, как правило, отопительные котлы с горелками. Чтобы оптимально экономить энергию, не следует отказываться от затрат на покупку низкотемпературного или газоконденсатного котла, исходя из располагаемого объема инвестиций. Здесь не существует альтернативы ни в экологическом, ни в экономическом аспекте. Чем выше мощность установки, тем быстрее произойдет амортизация перерасходованных средств.

 

Основы для снижения энергозатрат

Фундаментальные требования для производства и испытаний котлов содержатся в Европейской норме ЕС EN303-3. Для вентиляторных горелок на газе действует норма EN676, для вентиляторных горелок

на жидком топливе - EN267. Согласно этим нормам производятся испытания образцов как котельной, так и горелочной продукции и выдается Европейский сертификат CE. Что касается параметров КПД, надежности и экологичности, то вполне можно довериться указанным нормам, т. к. в имеющих главенствующее значение предписаниях содержатся высокие требования к данным величинам. Котлы изготавливаются следующих типов:

-   Стандартные с температурой прямой/обратной воды соответственно 90/70 ОС

-   Низкотемпературные котлы с соответственно70/50 ОС

-   Конденсатные котлы - отсутствует нижняя температурная граница.

Если в состав установки входит несколько котлов, то в качестве основного используется котел, имеющий наиболее высокий эффективный коэффициент полезного действия. Так, например, в области водогрейных котлов таким котлом мог бы явиться конденсатный котел. В области высокотемпературных и паровых котлов предпочтение следует отдавать котлу с экономайзером.

Не оснащать такую установку утилизатором энергии уходящих газов означает на сегодняшний день растрачивать энергию попусту. Горелочное устройство должно регулироваться в модулированном режиме и полностью соответствовать данному котлу, при этом следует учитывать характер работы горелки при противодавлении в топке, геометрию топочной камеры и не слишком высокие значения тепловой нагрузки топочной камеры. Правильный подбор горелки и котла ведет к снижению экологической нагрузки благодаря снижению содержания вредных выбросов в дымовых газах.

Для максимальной экономии энергоресурсов очень важной является правильная, хорошо выполненная наладка горелочного устройства с достижением оптимального теплотехнического КПД. В процессе наладки воздушный вентилятор горелки настраивается в соответствии с данными атмосферными условиями, которые, в свою очередь, меняются на протяжении года в соответствии с изменяющимися климатическими условиями. Вентилятор постоянно подает один и тот же объем воздуха, который в зимние месяцы из-за повышенной плотности содержит большее число молекул кислорода. В летнее время вентилятор опять приходится перенастраивать. При использовании системы регулирования по остаточному О2 можно отказаться от этого и на протяжении всего года иметь оптимальную настройку и самостоятельную оптимизацию.

Компенсировать влияние на работу горелок меняющихся характеристик топлива можно с помощью регулирования по остаточному О2. Это влечет за собой улучшение теплотехнического КПД на важные несколько процентов. Начиная с мощностей 1 МВт, амортизация затрат происходит менее, чем за 2 года, а на больших мощностях - еще быстрее.

Загрязнение и износ также ведут к снижению КПД и, в конечном счете, к увеличению затрат потребителя. Длительность работы горелок в год может достигать до 5000 часов, что соответствует примерно 350000 км годового пробега автомобиля. Даже дилетанту становится очевидной необходимость регулярного технического обслуживания, включающего контроль наладки горелки.

На рисунке 2 показана модулированная горелка со снятым кожухом.

Данные горелки оснащены газовой линией с установленными на ней устройствами безопасности и электрическим функциональным контролем с помощью газогорелочного автомата, надежно регистрирующего все неполадки. Эти горелки могут включаться и работать на протяжении года в полностью автоматическом режиме без постоянного надзора. Срок службы составляет в среднем 15 лет. Шумопоглощающие кожухи различного исполнения позволяют удерживать уровень шума ниже 80Дб(А).

К эффективной экономии первичной энергии относится также ограничение и регулирование потребления электроэнергии у модулированных горелок. С использованием систем регулирования числа оборотов электродвигателя даже на установках малой мощности можно экономить до 75% потребляемой электроэнергии. Срок амортизации составляет менее двух лет.

На рисунке 5 показана так называемая двухтопливная горелка, использующая в качестве топлива как природный газ, так и жидкое топливо. Эта горелка, работающая по выбору на газе или на жидком топливе, оснащается газовой регулирующей линией и системой регулирования и подачи жидкого топлива. Оборудование, используемое на комбинированных горелках для того или иного вида топлива, определяется соответствующими нормами безопасности. Каждый из составляющих компонентов прошел испытания и сертифицирован, поэтому потребитель может быть уверен в обеспеченной таким образом безопасности.

 

Повышение КПД

Коэффициент полезного действия отопительных установок определяется в соответствии с VDI 2067, при этом его значение тем лучше, чем продолжительнее работает установка и чем меньше она простаивает. На настоящий день установки должны иметь возможность работать в вынужденном модулированном режиме на всех мощностях. При этом электронная система регулирования по своему алгоритму регулирования (РID) должна быть согласована с автоматикой горелки. На регулируемых от компьютера DDC-установках с центральной управляющей техникой это встречается редко, т. к. на местах зачастую мало кто утруждает себя производить наладку такого рода. Здесь лучше применять адаптированные регуляторы, стабильно работающие и регулирующие горелку в диапазоне 1:8. Далее КПД может увеличиваться благодаря тому, что при модулированном режиме работы уменьшается число запусков. На котле, работающем с одноступенчатым регулированием, в год производится 50000 запусков горелки. Проектируя систему последовательного включения котлов и используя модулированные горелки, можно снизить число запусков горелок до 10000. При этом:

- предотвращаются потери из-за продувки воздухом в течение предписанного времени продувки, что, в свою очередь, повышает КПД на 2%;

- снижаются до минимума выбросы во время останова и запуска, в особенности выбросы углеводородов.

На установках с несколькими котлами, работающими по принципу последовательного каскадного включения, используются специальные газогорелочные автоматы. Горелки должны работать непрерывно без промежуточных остановов даже на протяжении месяца. Каждая горелка оснащается системой самоконтроля и непрерывно и циклично контролирует сама себя.

 

Охрана окружающей среды

На установках, работающих с минимальной нагрузкой на окружающую среду, все зависит от того, насколько соответствуют друг другу котел и горелка. Здесь важную роль играет величина нагрузки топочной камеры. Улучшенные в экологическом плане котлы с низким NOx должны быть по своим габаритам несколько больше, чем обычные котлы, т. к. здесь необходим больший объем топочной камеры.

На образование NOx влияет температура в топочной камере и в дымоходах. Решающее значение в плане образования NOx имеет отвод дымовых газов. Тенденция снова направлена оттопок с разворотом факела к более дорогим и большим по размерам трехходовым топочным камерам, поскольку в них все теплотехнические параметры и параметры уходящих газов имеют более благоприятные значения.

Правильный выбор горелки с низким NOx улучшает экологические параметры всей отопительной установки. Внутренняя рециркуляция дымовых газов играет на сегодняшний день доминирующую роль в снижении NOx. Внутренняя рециркуляция дымовых газов в топочной камере (ARZ) приводит к снижению температуры факела и уменьшению NOx. Дальнейшее сжигание газа в несколько этапов приводит к дальнейшему сокращению NOx.

Новые методы предварительного смешивания с превышением стехиометрического соотношения и поверхностным горением привели к сенсационным улучшениям параметров выбросов, особенно при использовании газа. При этом весь топочный воздух смешивается с газом, если смотреть по ходу факела, до или в самом вентиляторе горелки, после чего гомогенная смесь с очень низким шумом сжигается на плоской или круглой поверхности. При этом происходит хорошее охлаждение факела, что дает очень низкий потенциал для образования NOx. Данная инфракрасная горелка, считающаяся классическим образцом горелок с предварительным смешением и известная под торговой маркой MAGMA, происходит по используемым технологиям от компании Silicon Valley и выполнена из керамических материалов NASA. Данная горелка работает в диапазоне мощностей от 10 до 2000 кВт и поверхностной нагрузкой до 315 кВт/м2 в секторе инфракрасного излучения. Высота пламени минимальна, используются только 80 мм верхней части горелочного пространства трехходового котла. Эмиссия NOx чрезвычайно низка и составляет менее 20мг/кВт.ч, что соответствует примерно величине погрешности измерений.

Другим важным экологическим аспектом является шумовая нагрузка, создаваемая отопительной установкой. Шум из топочной камеры легко поступает по дымоходам наружу. Наиболее сильным шумовое воздействие на окружающую среду оказывается при воздействии двух источников с двумя дымоходами при одновременной работе и интерференции звуковых волн.

Целенаправленная защита от шума и демпфирование шума являются на сегодняшний день одними из важнейших требований, которые могут успешно выполняться при использовании демпферов отходящих газов и шумоподавляющих вставок.

Такие шумоподавляющие вставки выполняются из нержавеющей стали и могут использоваться при отоплении как на газе, так и на жидком топливе. Данные шумоподавляющие вставки имеют поднадзорную принципиальную конструкцию и сертификацию, что в свою очередь обеспечивает эксплуатационную надежность в различных случаях применения.

Монтаж вставок достаточно прост.

Демпфирование шума на выходе рассчитывается с помощью компьютерной программы. Эффективность демпфирования особенно заметна в диапазоне размеров поперечных сечений дымовой трубы от 200 до 400 мм.

Низкочастотные шумы, создаваемые горением факела, тяжело поддаются демпфированию, но с использованием шумоподавляющей вставки за котлом внутри дымохода или на выходе из дымохода можно уверенно снижать шумы дымовых газов на почти 20 Дб(А) при частотах 1 КГц благодаря «расстройке» резонанса колебаний дымохода.

 

Выводы:

Выбор системы теплоснабжения должен проводиться на основании точных расчетов и перепроверяться. Используя только стандартную технологию и наиболее дешевое оборудование невозможно достигнуть каких-либо значительных успехов в экономии первичной энергии. На протяжении многих лет потребитель идет на огромные расходы, ничего не сделав при этом для сохранения окружающей среды.

На основании последующего списка вопросов проектировщик или инвестор может выбрать или оптимизировать имеющиеся на сегодняшний день возможности для создания экономичной установки.

1.         Экономия первичной энергии - как распознать оптимизированную систему?

1.1.      Экономия топлива

-   Низкотемпературный котел

-   Регулирование по остаточному О2

-   Конденсатная технология или экономайзер, гдеэто возможно

-   Модулированный режим

-   Оптимизированная наладка горелки с протоколом испытаний

-   Регулярное техническое обслуживание

1.2.      Экономия электроэнергии

-          Электродвигатель с регулированием числа оборотов

-          Регулирование числа оборотов насоса для подмешивания обратной воды на котле

-          Модулированный режим

2.         Повышение КПД - наиболее верные предпосылки.

2.1.      Продолжительная непрерывная работа горелки

-    Благодаря высокому регулировочному соотношению

-    Благодаря модулированию

2.2.      Уменьшение числа предварительных продувок горелки

-   Уменьшение числа запусков горелки

-   Оптимизированное последовательное включение нескольких котлов

2.3.      Согласованное регулирование работы горелки

-          Оптимизированный PID-алгоритм

2.4.      Оптимизация теплотехнического КПД

-          Наладка горелки высококвалифицированным специалистом

3. Охрана окружающей среды - как достигнуть наилучших результатов?

3.1.      Сжигание топлива с низким выделением NOx

-    Рециркуляция дымовых газов с достижением низких или очень низких значений параметра NOx

-    3-х ходовой котел, выполненный по типу low-NOx

-          Тепловая нагрузка топочной камеры до1 МВт/м3

3.2.      Низкий шум при работе

-   Регулирование числа оборотов электродвигателя

-   Шумопоглощающий кожух

-   Демпфирование шумов от уходящих газов с помощью шумоподавляющих вставок или демпферов.

С помощью приведенного выше перечня можно проектировать и изготавливать установки, значительно превышающие по своим показателям традиционные системы. Используя данную концепцию, можно достигать значительной экономии не только на новых установках, но, в особенности, на реконструируемых или санируемых установках. При этом экономия топлива может достигать свыше 20%, а экономия электроэнергии - 60%.

Используя данную концепцию, потребитель или проектировщик может достигнуть большой экономии электроэнергии и затрат и одновременно внести значительный вклад в дело защиты окружающей среды.