Энергия пара. Вторая жизнь

Журнал «Новости теплоснабжения» № 1, 2005 г., www.ntsn.ru

Б.В. Скорев, ведущий инженер, ПО «ХимСтальКомплект», г. Озерск, Челябинская обл.

Энергоемкость промышленных производств в России значительно выше показателей промышленно развитых стран. Так, например, затраты энергии на производство в химической и нефтехимической промышленности России на 30-60% выше, чем в аналогичных зарубежных производствах. Это связано с тем, что неоправданно большое количество низкопотенциального пара выбрасывается в атмосферу (отработанный пар после паровых машин, различного рода технологических процессов, вагоноразмораживателей и т.п.). Выброс низкопотенциального пара в атмосферу снижает эффективность производства, ухудшает экологическую обстановку, усиливая парниковый эффект.

В 1999 г. специалистами ВПК в порядке конверсии была создана пароэжекторная установка - пароутилизатор (ПУ) (рис. 1).

Основное отличие от ранее выпускаемых аппаратов заключается в том, что в этой установке по прямой магистрали прокачивается вода, при разгоне которой в устройстве создается разряжение и в эту зону поступает предварительно орошенный водой сильно завихренный пар.

Для обеспечения проектирования пароутилизатора была разработана методика расчета основных гидрогазодинамических процессов, происходящих в камере смешения устройства и сужающемся сопле. При этом использовались результаты, полученные на экспериментальном стенде с расходом воды в диапазоне 3-30 т/ч.

На «Способ непрерывной подачи пара в водяную магистраль и устройство для его осуществления» получен патент РФ.

Изменение схемы потоков пара и воды, а также механизма их смешения позволило создать устройства значительно большей тепловой мощности (до 60 Гкал/ч). При этом, что очень важно, устройства работают без вибрации и акустических шумов. Имеется опыт эксплуатации устройств 3-4 года, который подтвердил, что устройства удобны в обслуживании и не требуют ремонта.

Устройство пароутилизатора

Установка состоит из тройника, соединяющего трубопроводы подачи пара и нагреваемой воды, сопла водяного, камеры смешения и напорной камеры, перепускных трубопроводов с задвижками на них (рис. 2).

Основная часть расхода нагреваемой воды поступает в установку через водяное сопло, диаметр которого рассчитан таким образом, что в нем, за счет сужения потока, происходит снижение статического давления воды до величины меньшей, чем в камере смешения.

Другая часть потока по перепускному трубопроводу подается в напорную камеру и распыляется через форсуночные отверстия в камере смешения.

Поток пара, пройдя через дросселирующую шайбу, поступает в камеру предварительного смешения, в которой, перемешиваясь с распыляемой водой, превращается в пароводяную смесь. Эта смесь поступает в зону разряжения, создаваемую соплом, через кольцевой зазор в тройнике за счет перепада между давлением в камере смешения и статическим давлением на срезе сопла.

Размеры дросселирующей шайбы и величина кольцевого зазора выбираются расчетным путем по имеющейся на предприятии методике исходя из условия, чтобы давление в камере смешения было меньшим, чем давление воды на входе в установку и большим, чем статическое давление в потоке на срезе сопла.

Для уменьшения пульсаций давления потока (помимо предварительной подготовки пара в камере смешения) предусмотрен докритический режим истечения пароводяной смеси через кольцевой зазор (критическим сечением всего паропровода является дросселирующая шайба).

После установки до ближайшей запорной арматуры должен быть прямолинейный участок трубопровода длиной 10-15 диаметров подводящей магистрали для дальнейшего перемешивания пароводяной смеси и воды, конденсации пара и увеличения за счет этого температуры подаваемой в установку воды.

Последней разработкой в области инжекционных теплообменников является пароутилизатор с регулируемым соплом (рис. 3). Использование такого устройства предоставляет расширение граничных условий применения пароутилизатора с возможностью использования низкопотенциального пара (минимальная граница подавлению составляет 0,8-1 ати).

В отличие от нерегулируемого сопла в данной модели установлен штурвал, с помощью которого регулируется угол наклона стенок сопла относительно водяного трубопровода. Следовательно, изменяется диаметр сопла, что дает возможность регулировать давление в зоне разряжения на срезе сопла. Таким образом, установка адаптируется к более широкому диапазону пульсаций давления и расхода воды на входе в установку.

Сравнительный анализ ПУ и аналогичных по назначению устройств

Сейчас на рынке энергосберегающих технологий представлен большой выбор подобных установок. Постараемся детально разобрать преимущества использования пароутилизаторов перед аналогичными по назначению устройствами (бойлеров, «Фисоников», «Экопара»).

Основными преимуществами пароутилизаторов являются:

• относительно малый расход пара при нагревании определенного количества воды (G_п=5-6% от G_в);

• максимальный коэффициент теплопередачи и КПД 99%;

• высокая надежность из-за отсутствия движущихся деталей;

• работа на неочищенной воде и при значительных изменениях давлений и расходов воды и пара;

• уменьшение потерь тепла через корпус в сравнении с существующими агрегатами, выполняющими те же задачи, и экономия производственных площадей вследствие малых габаритов и возможности установки изделия вне помещения;

• простота эксплуатации, отсутствие необходимости ремонтов;

• давление в паровой магистрали труб может быть меньше, чем в водяной;

• широкое использование граничных условий применения ПУ при утилизации низкопотенциального пара - минимальная граница по давлению составляет 0,8-1 ати;

• возможность регулирования давления в зоне разряжения на срезе сопла. Пароутилизатор адаптируется к более широкому диапазону пульсаций давления и расхода воды на входе в установку. Аналога с подобными возможностями - не существует.

Основные отличия пароутилизатора от трансзвуковых аппаратов (ТСА):

• инжектируется пар в воду;

• отсутствуют вибрации и уровень шума ниже, чем у ТСА. Пароутилизатор работает стабильно в широком диапазоне изменения давлений и расходов воды и пара;

• не требуется электронная система регулирования входных параметров. Достаточно электрозадвижки на паровой магистрали, работающей от датчика температуры, установленного на водяной магистрали после пароутилизатора;

• может работать на магистралях диаметром до 500 мм (ТСА - до 100 мм);

• не требует время на подготовку перед запуском.

Основные отличия пароутилизатора от аппаратов предшествующих разработок (рекламируемых торгующими организациями под наименованиями: «пароэжекторное устройство», «магистральный пароводяной элеватор», «Экопар», «струйный подогреватель воды») состоят в следующем:

• существенно упрощена конструкция камеры предварительного смешения пара и воды (исключены промежуточные фланцевые соединения, исключен рассекатель струй воды, применена новая схема смесеобразования на основе генератора вихрей и схемы подачи струй воды в вихревые зоны);

• исключена перегородка, опирающаяся на внешнюю поверхность сопла, что снижает потери давления при подаче пароводяной смеси в зону разрежения;

• путем устройства дополнительной перепускной магистрали появилась возможность регулирования статического давления в зоне разрежения. Для удобства обслуживания предусмотрен прибор для измерения давления на срезе активного сопла;

• исключены, как неоправдавшие свое назначение, смесительные решетки, устанавливаю-

щиеся после теплообменника, и вносящие дополнительное гидравлическое сопротивление и возмущение в зону разрежения;

• в конструкции широко применены стандартные элементы трубопроводов: штампованные переходы, тройники, фланцевые соединения, что повышает унификацию и надежность теплообменника в целом.

Экономические особенности пароводяного теплообмена

Проведем сравнительный анализ работы пароутилизатора и водоводяных теплообменников.

Энергосодержание обратной (нагреваемой) воды (t=40÷70 ^ОС) равно 0,04÷0,07 Гкал/т, прямой (нагревающей) воды - максимум 0,10 Гкал/т (конденсат при атмосферном давлении). При повышении давления нагревающей воды энергосодержание меняется незначительно: при 7 ати - 0,15 Гкал/т. Дальнейшее повышение давления в теплообменнике нерентабельно по техническим соображениям. Отданная энергия единицы массы воды максимум 0,115 Гкал/т (берем максимальные параметры греющего теплоносителя на входе и минимальные на выходе: Т_пр=150 ^ОС, Р_пр=7 ати, Т_обр⁼35 ^ОС, Р_обр=1 ати). В то же время при тех же условиях энергия единицы массы пара самых низких параметров (0,2-1,0 ати, свободный выпар) равна 0,64 Гкал/т.

Хотя транспортировка массовой единицы пара обходится гораздо дороже, чем транспортировка той же единицы горячей воды, но за счет многократно большего энергосодержания пара, в сравнении с горячей водой, гигакалория тепла, поступающая с паром, может обходиться потребителю дешевле, чем гигакалория горячей воды, т.к. происходит полное использование энергии пара.

При использовании пара для нагрева теплоносителя, в частности воды, в реальных условиях давление пара, в наиболее распространенных случаях, падает максимум с 10÷1 2 ати (T≈300÷380 ^ОС), а чаще с 4,0÷7,0 ати до 0,2÷1,0 ати (свободный выпар). Далее низкопотенциальный пар поступает в конденсатосборники или выбрасывается в атмосферу. Энергосодержание пара (энтальпия) в этом случае падает с 0,8 Гкал/т (давление пара 12 ати) до 0,64 (давление пара 0,2÷1,0 ати). Для сравнения - энергосодержание конденсата, при температуре 100 ^ОС, равно 0,1 Гкал/т.

Это пример наиболее полного использования пара в теплообменнике. При повышении температуры пара энтальпия растет незначительно.

Таким образом, мы видим, что энергия, которая используется на нагрев, многократно меньше, чем энергия, не участвующая в процессе (потерянная при конденсации или сбросе низкопотенциального пара).

Теперь рассмотрим вариант, когда весь пар конденсируется в кожухотрубном (либо пластинчатом) теплообменнике и удаляется из него в виде конденсата. Как правило, температура удаляемого конденсата колеблется в пределах 120÷90 ^ОС. Разность температур нагреваемой воды на выходе из теплообменника и удаляемого конденсата составляет обычно 20÷30 ^ОС. Из чего видно, что даже в приведенном случае энергия нагревающего агента не полностью передается нагреваемой воде. Пароутилизатор возвращает эту, потерянную в теплообменниках другого типа, энергию в процесс теплообмена, тем самым сокращая потребление пара от источника и в конечном счете экономя топливные ресурсы предприятия-производителя тепловой энергии.

Это дает очень весомый экономический эффект, позволяющий сократить срок самоокупаемости установки до полугода и меньше. А учитывая, что при применении пароутилизатора отпадает необходимость в эксплуатации и ремонте системы отвода конденсата, и малые габаритные размеры пароутилизатора по сравнению с традиционными теплообменниками, что значительно уменьшает потери в окружающую среду, установка еще более выгодно отличается от агрегатов, выполняющих те же задачи.

В период с февраля 1999 г. по июль 2003 г. изготовлено и установлено около 40 пароутилиза-торов с расходом нагреваемой воды от 20 до 600 т/ч и диаметром водяной магистрали от 50 до 500 мм. Так, например, пароутилизатор, установленный на Нижнетагильском металлургическом комбинате, осуществляет утилизацию 33 т/ч конвертерного пара, ранее выбрасываемого в атмосферу. При его эксплуатации 540 т/ч воды нагревается на 53 ^ОС, а сам пароутилизатор полностью заменил действующую до этого котельную. Годовой экономический эффект составил 8738 тыс. руб.

скачать архив.zip(102 кБт)
Обсудить на форуме
Другие Статьи

Эта статья была опубликована в журнале "Новости теплоснабжения"

Один номер - 643,50 р
(бесплатная доставка почтой) заказать

Журнал «Новости теплоснабжения» - это практические рекомендации для оказания конкретной помощи теплоснабжающим организациям, промышленным предприятиям с самостоятельным тепловым хозяйством и соответствующим подразделениям административных органов, отвечающим за качество теплоснабжения. подробнее...