Устройство котла-утилизатора

Современная конструкция котла-утилизатора обеспечивает возможность проведения предпусковых и эксплуатационных водно-химических промывок пароводяного тракта, а также консервации внутренних поверхностей котла при остановках.

Элементы каркаса котла соединены между собой на монтаже с помощью высокопрочных болтовых соединений.

Пароводяной тракт котла укомплектован запорной, регулирующей и защитной арматурой, контрольно-измерительными приборами, дренажами, воздушниками, устройствами для отбора проб воды и пара. В газоходе котла-утилизатора предусмотрена установка штуцеров, бобышек и других отборных устройств для газового тракта.

Котел оснащен технологическими защитами, блокировками, авторегуляторами, средствами дистанционного управления. На станции котел-утилизатор установлен в закрытом помещении.

Отработавшие в котле-утилизаторе продукты сгорания газотурбинной установки удаляются в атмосферу через дымовую трубу. С дымовой трубой и с газовой турбиной котел соединен через компенсаторы.

Величина выбросов окислов азота в системе газотурбинная установка — котел-утилизатор определяется их концентрацией за газотрубинной установкой, в самом котле не предусмотрено мероприятий по снижению выбросов.

Крупные котлы-утилизаторы не имеют всех элементов котлоагрегата. Отходящие вторичные газы попадают сразу на поверхности нагрева (экономайзер, испаритель, пароперегреватель). Воздухоподогреватель и топка в котлах-утилизаторах отсутствуют, так как газы, используемые в котле, образуются в технологическом процессе основного производства. Температура газов, поступающих в энергетический котел-утилизатор, приблизительно составляет 350—700°C.

Газоход котла образован металлической обшивкой. Размещенные в газоходе поверхности нагрева подвешены к потолочному перекрытию каркаса. Барабаны опираются на металлоконструкции каркаса.

Металлическая обшивка крепится в районе поверхностей нагрева к колоннам каркаса.

Диффузор и газоход поверхностей нагрева изнутри покрыты изоляцией, поверх которой установлена металлическая обшивка.

Выходная часть газохода (конфузор, шумоглушитель) покрыта наружной изоляцией и декоративной обшивкой. Входная и выходная части газохода опираются на металлоконструкции.

Поверхности нагрева котла-утилизатора выполнены в виде вертикальных блоков из труб с наружным поперечным просечным и сплошным оребрением. По ходу газов последовательно расположены ПВД, ИВД, ЭВД, ПНД, ИНД, ГПК.

В верхней и нижней частях газохода в районе поверхностей нагрева выполнены «теплые» ящики, отделенные от потока газов съемными металлическими щитами.

В выходной части газохода расположен электрифицированный отсечной клапан для поддержания котла в горячем состоянии при остановке. За отсечным клапаном установлен двухступенчатый шумоглушитель и компенсатор за котлом.

Котлы-утилизаторы часто выполняются однокорпусным вертикального профиля с принудительной циркуляцией среды в испарительных контурах высокого и низкого давления с подвеской поверхностей нагрева к собственному каркасу через промежуточные металлоконструкции.

 

Котел-утилизатор выполнен газоплотным за счет металлической обшивки. Пароводяной тракт состоит из отдельных контуров высокого и низкого давлений. Контур высокого давления включает экономайзерную, испарительную и пароперегревательную поверхность. Контур низкого давления - испарительную и пароперегревательную.

Для снижения температуры уходящих газов на котле установлен работающий автономно газовый подогреватель конденсата (ГПК).

Поверхности нагрева котла-утилизатора изготавливаются из труб с наружным спиральным оребрением и поставляются модулями, габариты которых ограничены габаритами железнодорожного пути.

Рабочий диапазон регулирования нагрузки котла-утилизатора составляет 100%...50% от номинальной.

Регулирование давления и температуры пара в котлоагрегате не предусматривается, так как он должен работать при скользящих параметрах пара, определяемых расходом и температурой газов, поступающих в котел-утилизатор от ГТУ, и паровой турбиной.

Котел-утилизатор оснащается системами контроля технологических параметров, защит и блокировок и автоматического регулирования, необходимых для оперативного управления, безопасной эксплуатации, экономической работы и анализа его надежности и экономичности.

 

Лекция 23 Нетрадиционная энергетика и энергоресурсосбережение

Нетрадиционная энергетика и энергоресурсосбережение. Вклад возобновляемых источников энергии в энергетику

Выделяют четыре направления энергетики: традиционная энергетика на органическом топливе (уголь, газ, нефть, нефтепродукты); гидроэнергетика; атомная энергетика; возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Кроме того, в энергетике пользуются следующими понятиями: большая и малая энергетика; альтернативные источники энергии; централизованная энергетика и автономные источники энергии; нетрадиционная энергетика; нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ).

В понятие нетрадиционная энергетика мы будем вкладывать четыре основных направления.

Возобновляемые источники энергии (солнечная энергия, ветровая, биомасса, геотермальная, низкопотенциальное тепло земли, воды, воздуха, гидравлическая, включая мини-ГЭС, приливы, волны). Подчеркнем, что большие ГЭС обычно не включаются в возобновляемые источники энергии.

Вторичные возобновляемые источники энергии (твердые бытовые отходы - ТБО, тепло промышленных и бытовых стоков, тепло и газ вентиляции).

Еще одно направление: нетрадиционные технологии использования невозобновляемых и возобновляемых источников энергии (водородная энергетика; микроуголь; турбины в малой энергетике; газификация и пиролиз; каталитические методы сжигания и переработки органического топлива; синтетическое топливо - диметиловый эфир, метанол, этанол, моторные топлива).

Следующее направление - это энергетические установки (или преобразователи), которые существуют обычно независимо от вида энергии. К таким установкам следует отнести: тепловой насос, машину Стирлинга, вихревую трубку, гидропаровую турбину и установки прямого преобразования энергии - электрохимические установки и, прежде всего, топливные элементы, фотоэлектрические преобразователи, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные установки, МГД-генераторы.

А теперь покажем роль в целом нетрадиционной энергетики и ее вклад в энергообеспечение. Вначале обратимся к очень важному графику, который показывает взаимосвязь между ВВП (валовым внутренним продуктом) и душевым энергопотреблением (рис.1).

Рис.1. Взаимосвязь между ВВП и душевым энергопотреблением

Считается, чем больше энергопотребление, тем выше уровень жизни. Также полагается, что при превышении некоторого критического уровня ВВП, равного примерно 18 тысячам долларов на человека, общество чувствует себя комфортно, и дальнейшее увеличение ВВП уже не оказывает столь радикального влияния.

В нижней части графика находятся такие страны с низким энергопотреблением и уровнем жизни, как Китай и Индия. Россия тоже, к сожалению, находится в нижней части графика, хотя имеет весьма высокий уровень энергопотребления. Значительно выше критического уровня находятся страны ЕС, Япония, США, Канада. Но при этом четко выделяются две группы стран с высоким уровнем жизни. Один и тот же высокий уровень жизни может быть достигнут при существенно различных уровнях энергопотребления. Это означает, что такие страны, как Япония, Германия и другие, очень большое внимание уделяют энергосбережению.

Учитывая, что основная задача энергетики заключается в необходимости достаточного энергообеспечения, можно сделать вывод, что необходимый уровень энергообеспечения достигается не только валовым количеством производства энергии, но и путем энергоресурсосбережения.

Этот же вывод касается и России. Как показано стрелками на графике, достичь высокого уровня жизни можно как огромным увеличением производства энергии (это очень длительный путь), так и используя принципы энергоресурсосбережения, почти не увеличивая производство энергии. В этом состоит чрезвычайно тесная связь между производством энергии, потреблением энергии и энергоресурсосбережением.

Для России потенциал энергосбережения просто огромен. Он составляет более 40% от общего энергопотребления. Это означает, что почти половину производимой энергии мы тратим впустую, обогревая внешнюю среду. Но для реализации такого потенциала энергосбережения необходимы значительные целевые инвестиции, которых у России просто нет. Потенциал возобновляемых источников энергии в России еще больше. Если говорить о техническом потенциале, то есть потенциале, который может быть реализован на современном уровне развития техники, то для России он составляет 4,6 млрд т.у.т. А это в 5 раз больше общего энергопотребления. Если говорить о цифрах по разным видам ВИЭ, то они следующие: биомасса - 53 млн т.у.т., солнечная энергия - 2300, ветровая энергия - 2000, геотермальная энергия - 180, низкопотенциальное тепло - 115, энергия малых водотоков - 125.

Существующий на сегодня вклад ВИЭ в энергетику виден из двух таблиц, которые демонстрируют установленную мощность ВИЭ в мире по различным видам энергии и вклад ВИЭ в общее энергопотребление и производство электроэнергии. Наибольший вклад в производство тепла дает биомасса, а в производство электроэнергии - биомасса, малые реки и ветер. Но в целом вклад ВИЭ, например в мировое производство электроэнергии, чрезвычайно мал - всего 1,6%. Как сегодня, так и в обозримом будущем (до 2020 года) в России вклад ВИЭ в энергетику пренебрежимо мал - 1-2% по производству электроэнергии.

Это прогноз в соответствии с Энергетической стратегией РФ. В то же время в Европейском сообществе планы грандиозные и более чем на порядок превышают планы России. По последним данным 48 стран, в том числе 14 развивающихся, планируют к 2012 году производить от 5 до 30% электроэнергии за счет ВИЭ. Другие данные: в 2004 году наблюдался резкий рост инвестиций в мире в развитие ВИЭ - 30 млрд долл. А это 20-25% от общих инвестиций в энергетику.

Рис.2. Вклад возобновляемых источников энергии в энергетику

Тогда каковы же побудительные мотивы использования возобновляемых источников энергии в России, учитывая их пренебрежимо малый вклад в энергетику? В целом мотивы такие же, как и для энергоресурсосбережения. Прежде всего, истощаемость запасов органического топлива. Так, по официальным прогнозам легко добываемого газа в России хватит на 80 лет, а нефти - на 20 лет.

Другой мотив - энергетическая безопасность страны. Далее - экология. Общеизвестно, что наибольший вклад в загрязнение окружающей среды вносит традиционная энергетика на органическом топливе. А, в частности, в соответствии с Киотским протоколом в 2008-2012 годах выбросы СО2 должны оставаться на уровне 1990 года, что означает значительное сокращение темпов сжигания органического топлива традиционными методами. Хотя для России в связи с резким сокращением промышленного производства последняя проблема неактуальна.

По-видимому, для России главным побудительным мотивом использования ВИЭ является специфика, связанная с труднодоступностью многих районов страны (особенно, Сибири) для централизованного энергоснабжения. По некоторым оценкам от 50 до 70% территории России с населением 20 млн человек не охвачены централизованным электроснабжением. И поэтому для многих регионов возобновляемые источники энергии могут быть единственным источником энергии, а значит, и существования.

К сожалению, в России практически никакого внимания не уделяется развитию нетрадиционной энергетики и в особенности ВИЭ. Выполняются в основном инициативные проекты. В частности, по программе энергосбережения СО РАН на 2005 год из 42 финансируемых проектов 13 посвящены непосредственно нетрадиционной энергетике, включая тепловые насосы, переработку биомассы, глубокую переработку угля, газификацию, солнечную энергетику и т. д. В этих проектах участвуют почти все соответствующие институты СО РАН, однако целевая направленность на развитие исследований по нетрадиционной энергетике отсутствует.

Виды возобновляемых источников энергии (виды ВИЭ)

Возобновляемые источники энергии. Солнечная энергетика. Ветровая энергия. Геотермальная энергия

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика обладает самым большим потенциалом из возобновляемых источников. В солнечной энергетике выделяют 3 направления: солнечные водонагревательные установки, солнечные электростанции и фотоэлектрические преобразователи. Солнечные водонагревательные установки обычно представляют собой плоский солнечный коллектор, в котором нагревается вода, воздух или другой теплоноситель. Эти устройства характеризуются величиной площади нагрева.

Суммарная площадь солнечных коллекторов в мире достигает 50-60 млн м2, что эквивалентно 5-7 млн т у. т. в год. В России их применение незначительное. Хотя даже для условий Сибири возможен полезный эффект. В частности, в Новосибирске работа по солнечным коллекторам для индивидуального домостроения ведется в рамках программы «ЭКОДОМ». В строящемся ЭКОпоселке вблизи Академгородка уже сооружаются разного вида солнечные коллекторы, в том числе с подземными аккумуляторами тепла.

Солнечные электростанции (СЭС) используют обычный паросиловой цикл, но при этом требуется применение концентратора солнечной энергии. Так, в США действует 7 СЭС общей мощностью 354 МВт. Но для России такие устройства считаются неэффективными.

Что касается фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), то сегодня в мире наблюдается настоящий бум в этой области. В 2000 году в мире было произведено ФЭП общей мощностью 260 МВт. Больше всего в Японии - 80 МВт. А в России пренебрежимо мало - лишь 0,5 МВт. КПД ФЭП достигают 24% для монокристаллических преобразователей, 17% - для поликристаллических и 11% - для аморфных. Основным материалом является кремний. К сожалению, фотоэлектричество сегодня является самым дорогим способом получения электроэнергии.

Цена модулей ФЭП достигает 4000 долл./кВт, а установок на их основе - даже до 10000. Самой дорогой является и стоимость производимой электроэнергии: 15-40 центов/кВтч. В области фотоэлектричества наиболее перспективными считаются следующие направления: ФЭП с концентраторами солнечной энергии; ФЭП на основе арсенида галлия - арсенида алюминия; тонкопленочные солнечные элементы.

По нашему мнению, тонкопленочные солнечные элементы, может быть, даже представляют наибольший интерес в связи с их относительной дешевизной, связанной с существенно уменьшенным использованием чувствительного материала и более дешевыми технологиями. В качестве примера приведем разработку Института теплофизики СО РАН, основанную на высокоскоростном струйном плазмохимическом методе.

Суть его заключается в том, что создается сверхзвуковая струя моносилана в атмосфере аргона, которая облучается пучком электронов, вследствие чего на нагретой подложке формируется тонкая пленка аморфного или поликристаллического кремния с очень высокой скоростью осаждения. Скорость осаждения кремния до 500 раз превышает скорость осаждения в диффузионных методах. Кроме того, в разработанном методе достигается максимальная энергоэффективность. В итоге ожидается, что в силу этих и других факторов стоимость получаемых материалов будет достаточно низкой с точки зрения массового производства и применения солнечных элементов. В частности, по оценкам, длина производственной линии и капитальные вложения в завод по производству солнечных элементов одной и той же мощности в нашем проекте примерно на порядок меньше по сравнению с другими зарубежными проектами. Планируется производство солнечного кремния с использованием данного метода в Новосибирске на базе ПО «Север».

Ветровая энергия

К ветровой энергии как возобновляемому источнику энергии наибольший интерес проявляется в Германии, США, Дании. В 2002 году суммарная мощность ветроэнергетических установок в мире составила 31,1 ГВт. Это достаточно большая величина, и ожидается дальнейший существенный рост в будущем, хотя есть ряд экологических проблем, связанных с сильным шумом от установок и большой площадью отчуждения земель.

В России использование ветра в энергетике незначительно и основано преимущественно на зарубежном оборудовании. Тем не менее в СО РАН (ИТПМ) есть оригинальная разработка ветроэнергетической установки с вращающимися цилиндрами. Ее преимущество проявляется при низких скоростях ветра 2-6 м/с. Запланировано промышленное производство.

Геотермальная энергия

Использование другого вида ВИЭ - геотермальной энергии - в России может быть весьма существенно, поскольку Россия обладает высоким потенциалом геотермальной энергии, а Западная Сибирь является самым богатым регионом страны по ее запасам.

Считается, что если температура геотермальных источников превышает 100°С, то выгодна генерация электрической энергии на ГеоЭС. Если температура немного меньше 100°С, то горячая вода может быть использована для теплоснабжения, а при пониженных температурах необходимо использование тепловых насосов. Следует заметить, что в Сибирском отделении имеется очень хороший опыт использования геотермальной энергии в энергетике.

В 1970 году была сооружена на Камчатке Паратунская ГеоЭС по проекту ИТФ СО АН СССР, где впервые в мире была применена фреоновая турбина мощностью 815 кВт, она работала на горячей воде с температурой всего 80°С. Сейчас в мире общая мощность систем геотермального теплоснабжения составляет 17 ГВт, а мощность ГеоЭС - 10 ГВт. В России на Камчатке функционируют Верхнемутновская ГеоЭС (12 МВт) и первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт с перспективой до 220 МВт. Подчеркнем, что температура геотермальных источников в Новосибирской области достигает 39°C, а в Томской области - даже 85°С. Есть опыт применения тепловых насосов для теплоснабжения сельских объектов. Одним из новых способов получения электрической энергии с использованием горячей воды от геотермальных источников является гидропаровая турбина, которая была недавно разработана независимо на ЗАО «ЭНЕРГИЯ» и НПВП «ТУРБОКОН» и принцип действия которой основан на применении Сегнерова колеса.