В.М. ФОКИН

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

∆Т Н ∆Т В

В.М. ФОКИН

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

МОСКВА «ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

УДК 621.182 ББК 31.361

Р е ц е н з е н т

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика»

Астраханского государственного технического университета,

А. К. Ильин

Фокин В.М.

Ф75 Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

Приведены принципиальные схемы, конструкции и особенности работы паровых и водогрейных котельных агрегатов, электродных котлов, гелио-, геотермальных и теплонасосных установок. Представлен обзор топочных и горелочных устройств, основного и вспомогательного оборудования для безопасной работы котельных установок. Изложены методики и рекомендации по расчету горения органического топлива, теплового баланса, расхода топлива, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов. Приведены номограммы, таблицы, материалы для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам «Теплогенерирующие установки», «Котельные установки и парогенераторы», «Источники и системы теплоснабжения».

Предназначена для научных, инженерно-технических работников, преподавателей вузов, аспирантов, студентов.

Научное издание

ФОКИН Владимир Михайлович

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИСИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Монография

Редактор Т.М. Глинкина Инженер по компьютерному макетированию Т.А. Сынкова

Подписано к печати 28.02.2006.

Формат 60 × 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 13,95 усл. печ. л.; 13,7 уч.-изд. л.

Тираж 400 экз. С. 96М

«Издательство Машиностроение-1», 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре

Тамбовского государственного технического университета

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ПРЕДИСЛОВИЕ

В монографии рассмотрены вопросы устройства и работы паровых, водогрейных и электродных котельных агрегатов, гелио- и геотермальных установок, котлов-утилизаторов, теплонасосных и других теплогенерирующих установок. Изложены методики и рекомендации по расчету тепловых схем теплогенерирующих установок, паровых и водогрейных котельных агрегатов, горения органического топлива, теплового баланса, расхода топлива, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева. Методики приведены в соответствии с действующими нормативными методами и документами , справочниками , СНиП

И позволяют выбрать энергосберегающий режим работы теплогенерирующих установок.

Монография написана в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и предназначена для студентов, изучающих дисциплины: СД. 02 «Источники и системы теплоснабжения» по специальности 101600 «Энергообеспечение предприятий» и СД. 02 «Котельные установки и парогенераторы» по специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика» (направление 650800 – «Теплоэнергетика»); СД. 10 «Теплогенерирующие установки» по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» (направление 653500 – «Строительство»). В монографии приведены материалы, необходимые для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам «Теплогенерирующие установки», «Котельные установки и парогенераторы», «Источники и системы теплоснабжения».

Монография позволяет приобрести практические навыки в расчетах теплогенерирующих установок, паровых и водогрейных теплогенераторов, более глубоко усвоить теоретические положения и ознакомиться с действующими нормативными и справочными материалами. Монография будет полезна при подготовке бакалавров и инженеров теплоэнергетических специальностей, специализации «Энергоаудит и энергосбережение», магистров техники и технологии, а также для самостоятельной подготовки ответственных за паросиловое хозяйство котельных и операторов котельных установок.

ВВЕДЕНИЕ

Тепловая энергия – необходимое условие жизнедеятельности человека и создания благоприятных условий его быта. Повышение надежности и экономичности систем теплоснабжения зависит от работы теплогенерирующих установок, рационально спроектированной тепловой схемы котельной, широкого внедрения энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, экономии топлива, тепловой и электрической энергии. Энергосбережение и оптимизация систем производства и распределения тепловой энергии, корректировка энергетических и водных балансов позволяют улучшить перспективы развития теплоэнергетики и повысить технико-экономические показатели оборудования теплогенерирующих установок.

Альтернативы энергосбережению в настоящее время, безусловно, нет. Поэтому покрытие дефицита энергии следует осуществлять за счет таких ее источников, которые обладали бы уникальными свойствами: были возобновляемыми, экологически чистыми и не приводили бы к поступлению на планету дополнительного количества теплоты. Такими источниками являются солнечная энергия, энергия ветра и биомассы, энергия морских волн и приливов, геотермальная энергия и ряд других нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии.

В экономике России энергосбережение и энергосберегающие технологии являются приоритетными при внедрении их в производство. Знания принципов работы, расчета и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок позволяют определить – где, что, в каких количествах, куда и почему теряется. Эффективность, безопасность, надежность и экономичность работы оборудования котельных во многом определяются методом сжигания топлива, совершенством и правильностью выбора оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией и степенью подготовки обслуживающего персонала.

Перевод предприятий на хозяйственный расчет и самофинансирование, повышение цен на топливо, воду, электроэнергию требуют пересмотра подходов к проектированию и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок. Это в значительной степени зависит от обеспеченности подготовленными инженерно-техническими работниками производственных, проектных и других организаций, а также от качества обучения и подготовки специалистов.

1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воздух.

В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия

с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

Системой теплоснабжения называют комплекс устройств, производящих тепловую энергию и доставляющих ее в виде водяного пара, горячей воды и нагретого воздуха потребителю.

Основные тенденции развития теплогенерирующих установок включают применение централизованного теплоснабжения и автоматизированных систем управления (АСУ), использование альтернативных источников энергии (водородной, солнечной, геотермальной, ветровой, приливов и отливов), местных и вторичных энергоресурсов, отходов промышленности, сельского и городского хозяйства, обеспечение минимальных выбросов вредных веществ в атмосферу.

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы производства тепловой энергии.

1. Котельные агрегаты – устройства, имеющие топку для сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермических химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

2. Атомные реакторы – устройства, в которых проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.

3. Электродные котлы – устройства, в которых проходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

4. Гелиоустановки – устройства, в которых солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу – воде или воздуху.

5. Геотермальные установки – устройства, в которых проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

6. Котлы-утилизаторы – устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое оборудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

7. Для систем теплоснабжения также используют производство тепловой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства, в которых энергия с низким энергетическим потенциалом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах).

Эффективность ТГУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии,

а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

1.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОТЕЛЬНЫХ

Паровым или водогрейным котельным агрегатом(теплогенератором)

называют устройство, имеющее топку для сжигания органического топлива и обогреваемое продуктами сгорания этого топлива, предназначенное для получения пара или горячей воды с давлением выше атмосферного, которые используют вне самого устройства.

При сжигании органического топлива горючие химические элементы (метан, углерод, водород, сера), входящие в состав топлива, соединяются с кислородом воздуха, выделяют теплоту и образуют продукты сгорания (двуокись углерода, водяные пары, сернистый газ). В котельный агрегат необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить полное сгорание топлива и передачу теплоты от топочных газов рабочему телу; удалить продукты сгорания топлива; подать рабочее тело – воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар требуемого давления, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки. Производительность теплогенератора определяется количеством теплоты или пара, получаемых в процессе сжигания топлива.

От высокотемпературных продуктов сгорания органического топлива тепловая энергия передается трубам суммарным потоком теплоты: конвекцией и лучеиспусканием. Затем от внешней поверхности кипятильных труб к

внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота передается путем теплопроводности, а от внутренней поверхности труб к воде благодаря теплопроводности и конвекции.

Котельная установка включает в себя теплогенератор – паровой или водогрейный котельный агрегат (котел), хвостовые поверхности нагрева, горелки, а также различные дополнительные устройства. Радиационные поверхности нагрева теплогенератора размещены в топочной камере и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет лучеиспускания, одновременно защищая стены топки (обмуровку) от прямого воздействия излучающей среды топочных газов. Конвективные поверхности нагрева (кипятильные трубы) установлены за топкой, в газоходах котла и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет конвекции. К конвективным или хвостовым поверхностям нагрева также относятся пароперегреватели, водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата или установки и в конечном итоге для снижения расхода топлива.

На рис. 1.1 приведена принципиальная схема котельной установки, работающей на природном газе или мазуте.

				17 15

Рис. 1.1. Принципиальная схема котельной установки:

1 – водопровод;2 – катионитовый фильтр;3 – теплообменник;4 – колонка деаэратора;5 – бак деаэратор;6 – питательный насос;7 – водяной экономайзер;8 – питательная линия;9 – верхний барабан;10 – нижний барабан котла;11 – кипятильные трубы;12 – паропровод;13 – пароперегреватель;14 – паропровод перегретого пара;15 – воздуховод;16 – дутьевой вентилятор;17 – воздухоподогреватель;18 – воздуховод нагретого воздуха;19 – горелочное устройство;20 – топливопровод;21 – боров;22 – дымосос;

23 – дымовая труба

Вода после водоподготовки (умягчения и деаэрации) питательным насосом нагнетается вначале в водяной экономайзер, а затем в верхний барабан парового котельного агрегата, где вырабатывается сухой насыщенный пар. Для производства перегретого пара дополнительно устанавливается пароперегреватель. Воздух, необходимый для горения топлива, дутьевым вентилятором нагнетается в топку котла либо предварительно нагревается в воздухоподогревателе. Котельная или теплогенерирующая установка также включает в себя: горелочные устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию; дымосос для удаления продуктов сгорания; дымовую трубу; арматуру и гарнитуру различного назначения. Устройство и работа всех этих элементов котельной установки будут рассмотрены в гл. 5, 6. Все эти установки размещаются в специальном промышленном здании, называемом котельной.

На рис. 1.2 и 1.3 приведены план и продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13, работающей на природном газе или мазуте.

Рис. 1.2. План котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Рис. 1.3. Продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Котельной называется комплекс устройств и механизмов для превращения химической энергии органического топлива в тепловую энергию. Котельная включает в себя несколько котельных установок, дымовую трубу для отвода дымовых газов в атмосферу, теплообменники, деаэратор, баки, насосы (питательные, сетевые, подпиточные и другие), разные вспомогательные устройства и машины, предназначенные для обеспечения длительной и надежной работы котельных агрегатов, в том числе и приборов, позволяющих контролировать ход процессов в котельном агрегате. В котельной также имеются помещения для различных вспомогательных служб и мастерских. Для удаления очаговых остатков топлива и золы из дымовых газов при сжигании твердого топлива в котельных имеются системы шлако- и золоудаления.

Снабжение котельной топливом может осуществляться различными путями: по трубопроводам, по железной дороге и автотранспортом. На территории котельной обычно проложены трубопроводы, подводящие природный газ к котельным агрегатам, и газорегуляторные пункты (ГРП) для приема, очистки и снижения давления газа перед котлами. При использовании жидкого топлива, подаваемого в железнодорожных или автомобильных цистернах, на территории котельной предусмотрены устройства для приемки, разгрузки, слива, хранения и подачи жидкого топлива по емко-

стям, аппараты для подогрева, фильтрации и транспортировки в котельную.

На территории котельной также располагаются склады для хранения материалов и запасных частей, необходимых при эксплуатации и ремонте оборудования; устройства для приемки и преобразования электрической энергии, потребляемой котельной. На территории котельной регламентировано устройство проездов и площадок разного назначения, зеленой зоны для защиты окружающего пространства.

Теплогенераторы с давлением выше 0,07 МПа (0,7 кгс/см2 ) и температурой выше 115° С подлежат регистрации в государственной организации, контролирующей правильность конструкции котельного агрегата, соответствие установленным правилам и нормам оборудования и здания котельной и соблюдение обслуживающим персоналом Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов Госгортехнадзора РФ . Размеры зданий котельных, проходы между стенами и оборудованием, материалы, из которых они выполняются, определяются Правилами и нормами Госгортехнадзора РФ.

Эффективность работы котельных во многом определяется правильностью выбора метода сжигания топлива, совершенством оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией обслуживающего персонала и др.

1.3. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ ТЭЦ

Для комбинированного производства тепловой и электрической энергии применяют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающие на органическом топливе, с различными схемами использования паровой турбины. На рис. 1.4 приведена принципиальная тепловая схема ТЭЦ.

Питательная вода после системы подготовки 18 (умягчения, деаэрации) питательным насосом1 подается в водяной экономайзер2 , где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем идет в паровой котел3 , где вырабатывается сухой насыщенный пар, который затем проходит через пароперегреватель4 и разделяется на два потока.

Одна часть пара (≈ 60 %) по паропроводу5 идет в паровую турбину6 , где энергия пара вначале переходит в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе7 , который соединен с турбиной на одной оси. Остаточный пар из паровой турбины проходит через конденсатор8 , где охлаждается до состояния жидкости (конденсата), и идет в обратную магистраль9 .

Рис. 1.4. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ:

1 – питательный насос;2 – водяной экономайзер;3 – паровой котел;4 – пароперегреватель;5 ,11 – паропровод;6 – паровая турбина;7 – электрогенератор;8 ,15 – конденсатор;9 – обратная магистраль;

10 – регенеративный подогреватель;12 – технологическое производство;13 ,14 – паровые подогреватели;16 – сетевой насос;

17 – потребитель теплоты;18 – система подготовки воды

Другая часть пара (≈ 40 %) по паропроводу11 подводится к технологическому производству12 и к паровым сетевым водонагревателям13 ,14 . Конденсат от технологического производства и конденсатора15 также возвращается в обратную магистраль9 .

Работа теплосети . Обратная сетевая вода насосом16 прокачивается через паровые сетевые подогреватели воды14 и13 и направляется к потребителю17 на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Для повышения КПД паросиловой установки используют регенеративный подогреватель 10 , где производится нагрев воды (конденсата) за счет отбора пара из отдельных ступеней паровой турбины6 .

1.4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ АТЭЦ

Ядерное (расщепляющееся) топливо – вещество, способное выделить значительное количество тепловой энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при взаимодействии их с нейтронами. В энергетике в качестве ядерного топлива используют природный изотоп уран-235 (235 U), искусственные изотопы уран-233 (233 U) и плутоний-239 (239 Pu). Основная руда, из которой получают уран, – урановая

смолка U3 O8 .

Чтобы реакция деления ядер началась, нейтронам необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, т.е. иметь энергию выше энергии активации реакции деления. В процессе деления образуются новые нейтроны, которые могут быть использованы для обеспечения самоподдерживающейся цепной реакции деления. Установлено, что ядра с нечетным числом нейтронов: уран-235, уран-233, плутоний-239, при захвате нейтрона делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов, а ядра с четным числом нейтронов: уран-238, торий-232, делятся под действием быстрых нейтронов. Энергия теплового нейтрона составляет 0,03…0,5 эВ (1 эВ = 1,602 10− 19 Дж), а быстрого нейтрона – 105 эВ. Однако в результате деления любого ядерного топлива (с четным и нечетным числом нейтронов) образуются преимущественно быстрые нейтроны. Чтобы снизить энергию быстрых нейтронов и тем самым обеспечить их участие в реакции деления, организуют их замедление. В качестве замедлителя используют обычную воду Н2 О, графит С, реже тяжелую воду D2 O и бериллий Ве. В результате цепной реакции деления ядер топлива кинетическая энергия быстрых нейтронов, попадающих в вещество замедлителя, трансформируется в тепловую энергию теплоносителя. Так 1 кг ядерного топлива обеспечивает реализацию тепловой мощности в 2 МВт в течение года.

Ядерное топливо применяют для комбинированного производства тепловой и электрической энергии на атомных теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) с различными контурами циркуляции. На рис. 1.5 приведена принципиальная трехконтурная тепловая схема АТЭЦ с подачей теплоты от реакторного теплоносителя в теплофикационный контур.

Контур 1. В атомном реакторе1 образуется значительная тепловая энергия, которая позволяет нагреть теплоноситель до высоких параметров (t ≈ 450° С). Из атомного реактора высокотемпературный теплоноситель циркуляционным насосом2 подается в атомный парогенератор3 . Поверхность нагрева парогенератора представляет собой систему змеевиков4 малого диаметра, внутри которых при высоком давлении течет теплоноситель. Поверхность нагрева помещена в вертикальный или горизонтальный корпус, куда питательным насосом5 подводится другой теплоноситель – вода, которая нагревается до кипения, в результате чего в парогенераторе образуется водяной пар.

Так для парогенератора ВВЭР-1000: паропроизводительность составляет 1469 т/ч, давление насыщенного пара – 6,4 МПа, длина корпуса – 15 м, внутренний диаметр корпуса – 4 м, поверхность нагрева змеевиков – 5200 м2 , число трубок змеевиков – 15 648 шт., диаметр трубок змеевиков – 12 мм, средняя длина трубок – 8,9 м, скорость теплоносителя в трубках – 4,9 м/с.

В книге приведены сведения об основных видах органического топлива и нетрадиционных источниках энергии, излагаются основы теории и прикладные вопросы генерирования тепловой энергии, методы расчета и проектирования теплогенерирующих установок, подробно рассмотрены процессы теплообмена, гидродинамики паровых и водогрейных котлов.
Во втором издании отредактированы все разделы книги, существенно переработаны главы по обеспечению водного режима, водо-подготовке и тепловым схемам теплогенерирующих установок. Учебник написан с учетом возможности самостоятельного изучения учебной дисциплины студентами, для чего в нем приведены числовые примеры, часть которых имеет подробные решения.
Для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжения и вентиляция».

Невозобновляющиеся энергетические ресурсы.
Отличительной особенностью невозобновляющихся энергетических ресурсов (угля, нефти, природного газа, урана и др.) являются их высокий энергетический потенциал и относительная доступность и целесообразность извлечения. Именно поэтому до 85 % (в мировом балансе в целом) всех используемых в настоящее время энергетических ресурсов составляет эта группа, а в ней - ископаемые горючие органические вещества - органическое топливо. Темпы его добычи и потребления во многом определяют энергетическую политику.

Наибольшие энергетические ресурсы органического топлива сосредоточены в угле. Общие прогнозируемые геологические ресурсы каменного и бурого угля составляют 6000- 15 ООО млрд т у. т., что соответствует 175 700-460 548 ЭДж (табл. 1.1), причем из них запасы каменных углей и антрацитов составляют примерно 77 %, а бурых углей - 23 %. Разведанные запасы углей не превышают 600-680 млрд ту. т., что соответствует 17 600-19 900 ЭДж, или 5-10 % их общегеологических запасов. Основные разведанные запасы угля (80 % всех мировых запасов) сосредоточены в России, США и КНР. При современном уровне потребления угля разведанные запасы угля будут исчерпаны через 200-250 лет; при росте потребления угля в 3 % ежегодно время их исчерпания уменьшится до 150- 180 лет.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Глава I. Источники тепловой энергии систем теплоснабжения. Энергетические ресурсы. Топливо
1.1. Источники тепловой энергии
1.2. Энергетические ресурсы и энергетический баланс
1.3. Топливо
1.4. Эффективность использования энергетических ресурсов, пути ее повышения. Побочные (вторичные) энергетические ресурсы
Глава 2. Процессы производства тепловой энергии и их расчет
2.1. Методы и способы производства тепловой энергии
2.2. Горение органического топлива
2.3. Тепловой расчет теплогенератора на органическом топливе
Глава 3. Паровые и водогрейные котлы
3.1. Основные направления развития котлов на органическом топливе
3.2 Паро- и теплогенераторы атомных станций теплоснабжения (ACT)
3.3. Паро- и теплогенераторы гелио- и геотермальных установок
3.4. Строительные конструкции и материалы, применяемые в паровых и водогрейных котлах
3.5. Условия работы элементов котла и расчет их на прочность
Глава 4. Топочные и горелочные устройства
4.1. Слоевые топочные устройства
4.2. Камерные топки
4.3. Вихревые (циклонные) топки
4.4. Горелочные устройства для камерного сжигания твердого топлива
4.5. Горелочные устройства для сжигания жидкого и газообразного топлива
Глава 5. Низкотемпературные поверхности нагрева котла
5.1. Общие положения. Классификация. Определения
5.2. Экономайзеры
5.3. Воздухоподогреватели
5.4. Компоновка низкотемпературных поверхностей нагрева котла
Глава 6. Процессы, происходящие в пароперегревателях и конвективных поверхностях нагрева
6.1 Процессы, происходящие в пароперегревателях
6.2. Поведение золы топлива в котельном агрегате
6.3. Загрязнение поверхностей нагрева котлов продуктами сгорания топлив
6.4. Способы борьбы с загрязнениями поверхностей нагрева
6.5. Износ поверхностей нагрева под действием золы
6.6. Коррозия поверхностей нагрева со стороны греющих газов
Глава 7. Внутрикотловые процессы в котельных агрегатах
7.1. Внутрикотловая гидродинамика
7.2. Обеспечение естественной циркуляции
7.3. Гидродинамика параллельно включенных труб при принудительном движении рабочего тела
Глава 8. Водяное хозяйство и водный режим паровых и водогрейных котлов
8.1. Общие положения
8.2. Физико-химические характеристики воды
8.3. Требования, предъявляемые к качеству пара, питательной, подпиточной и котловой воде
8.4. Внутрикотловая обработка
8.5. Способы и схемы водоподготовки
8.6. Современные способы обработки воды
8.7. Термическая деаэрация воды
8.8. Периодическая и непрерывная продувка котлов
8.9. Ступенчатое испарение
8.10. Паропромывочные устройства
Глава 9. Топливное хозяйство и шлакозолоудаление тепловых станций на органическом топливе
9.1. Принципы организации топливного хозяйства
9.2. Тепловые станции на твердом топливе
9.3. Системы топливоприготовления
9.4. Тепловые станции на жидком топливе
9.5. Тепловые станции на газообразном топливе
9.6. Шлакозолоудаление
Глава 10. Схемы тепловых станций и их оборудование
10.1. Системы теплоснабжения
10.2. Принципиальные схемы систем теплоснабжения
10.4. Тепловые схемы теплогенерирующих установок
10.6. Контрольно-измерительные приборы и арматура котельного агрегата
10.7. Тепловой контроль и автоматизация процессов генерирования тепловой энергии
Глава 11. Тягодутьевые устройства
11.1. Назначение и виды дутьевых а тяговых установок
11.2. Естественная тяга в газовоздушном тракте котельной установки
11.3. Искусственная тяга в газовоздушном тракте котельных установок
11.4. Выбор дымососов и вентиляторов и их компоновка
11.5. Регулирование тягодутьевых установок
11.6. Дымовые трубы
Глава 12. Охрана окружающей среды от вредных газообразных и жидких выбросов
12.1. Общие положения
12.2. Методы снижения и подавления газообразных выбросов
12.3. Методика расчета рассеивания вредных примесей и выбор высоты дымовых труб
12.4. Способы улавливания твердых частиц из продуктов сгорания
12.5. Очистка газообразных выбросов атомных станций теплоснабжения (ACT)
12.6. Вредные жидкие стоки
Глава 13. Основы проектирования и эксплуатации теплогенерирующих установок
13.1. Основы проектирования теплогенерирующих установок
13.2. Проектирование котельных установок
13.3. Основы эксплуатации котельных установок
13.4. Теплотехнические испытания котельных установок
13.5. Использование ЭВМ при проектировании и эксплуатации теплогенерирующих установок
Глава 14. Технико-экономические показатели теплогенерирующих установок
14.1. Основные определения
14.2. Особенности производства тепловой энергии и планирования работы теплостанций
14.3. Количественные и качественные показатели работы теплостанций
14.4. Себестоимость производства тепловой энергии и особенности ее расчета
14.5. Определение сравнительной экономической эффективности капиталовложений и новой техники
Глава 15. Экономия топливно-энергетических ресурсов
15.1. Основные виды потерь топлива в теплостанции и классификация мероприятий по их снижению
15.2. Организация экономичной и надежной работы теплостанции
15.3. Оценка эффективности мероприятий по экономии топлива
Список литературы.

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения. В системах централизованного теплоснабжения эти генераторы установлены на ТЭЦ или тепловой станции. В данном разделе рассмотрены теплогенераторы (водогрейные котлы ), применяемые в системах местного (децентрализованного) теплоснабжения и обеспечивающие теплотой инженерное оборудование одного конкретного строительного объекта.

В настоящее время многие зарубежные и ряд российских фирм предлагают котельное оборудование, отличающееся как стоимостью, так и своими техническими возможностями. Приведенный ниже анализ основных критериев выбора котельного предназначен, прежде всего, для проектировщика инженерных систем здания. Так как только он сможет грамотно учесть при проектировании все требования заказчика к тепловому комфорту в здании, оценить эксплуатационные характеристики различных теплопотребляющих систем, предложить и сопоставить различные варианты инженерного решения системы теплоснабжения.

Разница в цене на аналогичное по основным техническим характеристикам оборудование может быть существенная. Наиболее низкие цены на теплогенераторы из южных стран Западной Европы (Италия, Испания, Югославия, Греция), стран бывшего соцлагеря (Чехия, Словакия, Польша, Венгрия) и стран Азии (Южная Корея, Сирия). К этой категории можно отнести и оборудование из США. Существенное возрастание цены наблюдается по мере удаления страны-производителя на север Европы (Австрия, Швейцария, Голландия, Германия, Швеция, Финляндия), так как в странах с более суровым климатом требования к его качеству и надёжности возрастают, а, соответственно, возрастает и цена. У оборудования этих стран по опыту его многолетней эксплуатации в климатических и технических, часто отличающихся от идеальных, условиях средней полосы России гораздо меньше отказов в работе. Оно лучше адаптировано, например, к возможным сбоям в подаче к нему энергоносителей. Многие западные фирмы, давно работающие на российском рынке и заинтересованные в нём, специально занимаются вопросами, связанными с подобной адаптацией. Принимая решение о выборе теплогенератора, особенно в сложной с большим количеством разноплановых потребителей теплоты схеме теплоснабжения, необходимо помнить об обеспечении его надёжности эксплуатации в более суровых условиях России. Экономия капитальных затрат в этом случае может в последствии привести к большим эксплуатационным затратам и обернуться для заказчика в лучшем случае высокой стоимостью эксплуатации оборудования, в худшем - необходимостью дополнительных затрат на восстановительный ремонт инженерных систем, а, иногда, и самого здания.

Главными критериями выбора теплового оборудования следует признать его технические показатели, так как квалифицированный выбор инженерного решения может привести, в том числе, и к снижению капитальных и эксплуатационных затрат на систему автономного теплоснабжения здания. Ниже рассмотрены именно эти критерии.

Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива. Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы (рис. 1.2a) оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси). Если давление газа в сети ниже номинала (16…20 мбар), рекомендуется применять котлы с выносной горелкой.

Принципиально различаются теплогенераторы с ёмкостью для нагрева воды цельностальной или набранной из отдельных, как правило, чугунных секций. Последние более коррозионностойкие, что важно, так как качество воды, которой заполняются инженерные системы здания, часто далеко от идеального. Секционные котлы, которые могут поставляться на объект в разобранном виде, удобны при монтаже в стеснённых условиях стройплощадки. Ещё одно их преимущество - возможность быстрой аварийной замены в процессе эксплуатации вышедшей по какой-либо причине из строя секции котла. Стальной котёл в этом случае придется менять целиком. Котлы обычно устанавливаются непосредственно на пол котельной или на невысокий, до 200 мм, фундамент.

В особую группу необходимо выделить настенные газовые котлы (рис. 1.3), которые имеют очень широкое распространение на Западе. Настенный генератор теплоты имеет много преимуществ. Он компактен, удобен в монтаже и эксплуатации, универсален в выборе места его размещения в доме. Котёл оснащён уже встроенным в него необходимым оборудованием: циркуляционным насосом, расширительным мембранным баком, воздухоотводчиком, предохранительной и запорной арматурой. Определённый тип данного котла позволяет отказаться от традиционной дымовой трубы и отводить продукты сгорания через наружную стену с помощью специальной конструкции "труба в трубе". Однако, применительно к климатическим условиям России, эти котлы имеют существенный недостаток - низкую расчётную мощность, составляющую не более 30…50 кВт. Это в настоящее время ограничивает их применение или реконструируемыми квартирами в условиях старой городской застройки, или небольшими, чаще всего вспомогательными, постройками (гараж, баня и т. п.).

При отсутствии газа следующим по значимости является более дорогое дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты. Как правило, конструкция подобного котла (см. рис. 1.2, б) универсальна и переход на использование в нём природного газа осуществляется простой и быстрой заменой выносной дизельной горелки на газовую с последующей её наладкой. Котёл продолжает работать с той же автоматикой, каких-либо переделок в тепловой схеме котельной при этом не требуется. Ряд стран предлагают на нашем рынке и комбинированные горелки, работающие на двух видах топлива, в которых переход на другое топливо осуществляется простым поворотом крана.

Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при её использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного лимита расчётной электрической мощности, выделяемого индивидуальному застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20…30 кВт чаще всего используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или вспомогательных домов с небольшой площадью.

Правильное и точное определение расчётной мощности теплогенератора не только экономит деньги заказчика, но и в значительной мере предопределяет устойчивость работы котельного оборудования в процессе эксплуатации, а также его долговечность. К сожалению, следует констатировать, что многие торгующие котлами фирмы продолжают абсолютно порочную практику подбора котельного оборудования для своих клиентов без должного в таком случае проектного сопровождения и расчёта требуемой мощности в соответствии с действующими в России нормативными требованиями . Подобный дилетантский подход к этому важному вопросу чаще всего выражается в определении мощности по отапливаемой площади дома без учёта теплотехнических свойств его наружных ограждающих конструкций и функциональных особенностей других возможных теплопотребляющих систем.

Выбираемая мощность водогрейного котла складывается из расчётных мощностей теплопотребляющих систем здания. Мощность системы отопления определяется в результате расчёта теплопотерь здания (подробнее см. в разделе "Определение тепловой мощности систем отопления").

Выбор расчётной мощности системы "тёплый пол" зависит от её функционального назначения. Если эта система предназначена для полной или частичной компенсации теплопотерь дома, то её мощность уже учтена в предыдущем расчёте. Однако часто эта система используется, как дополнительный тепловой комфорт в отдельных помещениях (ванная комната, бассейн, сауна, зимний сад и т. п.). В этом случае требуется определение дополнительной мощности в зависимости от расчётной температуры на поверхности пола и внутреннего воздуха в этом помещении с учётом нагреваемой площади. В любом случае, при выборе и расчёте напольного отопления проектировщику следует помнить о том, что по санитарно-гигиеническим соображениям температура на поверхности нагретого пола ограничена. Причем, по российским нормам эта температура (26°C) ниже, чем в нормах западных стран.

Если в доме предусмотрена система приточной вентиляции или система кондиционирования воздуха с использованием водяных калориферов, их расчётная мощность определяется при той же расчётной температуре наружного воздуха и принятой в проекте этих систем температуре приточного воздуха с учётом расчётного воздухообмена в вентилируемых помещениях.

Требуемая мощность системы теплоснабжения бассейна рассчитывается с учётом объёма его ванны, возможных теплопотерь через её конструкцию и с поверхности воды, а также требуемой продолжительности первоначального и текущего прогрева бассейна.

Особо следует оговорить учёт при выборе мощности теплогенератора расчётной теплопотребности . Связано это с тем, что автоматика выбранной конструкции котла может иметь возможность приоритетного включения водонагревателя этой системы. При этом работа системы отопления на этот период временно прекращается. В этом случае можно получить значительную экономию за счёт частичного или полного снижения расчётной мощности теплогенератора на величину требуемой мощности системы горячего водоснабжения . Но принять такое решение можно только после тщательного анализа возможных последствий остановки системы отопления , проводимого проектировщиком с учётом её расчётной продолжительности и теплоинерционных особенностей здания. Только в результате подобного анализа может выявиться возможность снижения требуемой теплопотребности системы горячего водоснабжения при определении мощности генератора теплоты.

Особенностью всех импортных теплогенераторов является то, что они комплектуются собственными средствами автоматизации, которые обеспечивают регулирование и управление процессами функционирования не только самого котла, но и всех подключённых к нему теплопотребляющих систем. А они, в свою очередь, различаются как температурными и гидравлическими параметрами работы, так и временем и продолжительностью действия.

Система отопления и система вентиляции или кондиционирования воздуха потребляют теплоту только в холодный и переходный периоды года. Изменение теплоподачи в них осуществляется путём изменения температуры воды от котла по задаваемому на его блоке управления графику качественного регулирования в зависимости от текущей температуры наружного воздуха или, в более простом варианте, с помощью регулятора температуры внутреннего воздуха, установленного в контрольном помещении здания. Система "тёплый пол" рассчитывается с более низкими, чем в системе отопления и системе вентиляции , температурными параметрами воды и имеет в схеме котельной самостоятельный узел регулирования и управления. Подача теплоты от генератора в систему горячего водоснабжения и систему теплоснабжения бассейна осуществляется периодически по мере необходимости и с различной продолжительностью, но обычно при форсированном режиме работы котла.

Таким образом, особенно при сложной схеме теплоснабжения дома, выбор котла должен сопровождаться тщательной оценкой возможностей средств автоматизации, которыми фирма-производитель может его укомплектовать.

Теплоснабжение зданий

Теплоснабжение современных зданий осуществляется посредством комплекса санитарно-технических устройств.

Основной системой, обеспечивающей теплоснабжение зданий является система отопления. Однако современные ситемы вентиляции и кондиционирования также способны поддерживать необходимую температуру помещения и заданный температурно-влажностный режим.

В последнее время активно разрабатываются инновационные системы теплоснабжения, основанные на использовании энергии солнца, инфракрасного излучения и других энергосберегающих технологиях.

Основные составляющие традиционных систем отопления являются следующие:

· теплоисточник (генератор тепла) - элемент для получения теплоты;

· теплопроводы -элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;

· отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.

Однако с некоторые современные системы отопления имеют специфические особенности строения и в их составе могут отсутствовать некоторые из вышеперечисленных элементов. Однако постоянным элементом во всех системах отопления является – теплогенератор (теплогенерирующие установки).

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения.

Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива.

Традиционным видом топлива является твёрдое топливо (уголь, древесина и др.).

Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы (рис….) оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси).

По способу установки котлы бывают настенные и напольные.

Настенные котлы применяют для отопления небольших помещений, обычно до 200 кв. метров. Те и другие делятся на одно- и двухконтурные. Двухконтурный котёл одновременно обеспечивает отопление и горячую воду для бытовых нужд. Вода подогревается в бойлере или проточным способом, если потребности в ней невелики. Бойлер – это ёмкость для подогрева и хранения воды.

Он позволяет получить горячую воду в любой момент, однако занимает больше места и требует дополнительного расхода топлива для поддержания заданной температуры.
Многие модели современных котлов имеют встроенный бойлер. Если предполагается значительный расход горячей воды (в доме несколько ванных комнат или душевых кабин) котёл можно доукомплектовать бойлером большего объёма. В этом случае сам котёл может быть одноконтурным.
По способу удаления отработанных газов котлы бывают с естественной или принудительной тягой. В котлах с естественной тягой (или открытой камерой сгорания) воздух поступает непосредственно из помещения, а газы отходят в дымоход.

Если соорудить дымоход по каким-либо причинам невозможно, или котёл будет смонтирован в не предусмотренном для него месте, применяют котлы с закрытой камерой сгорания (с принудительной тягой). В конструкции такого котла имеется турбина (вентилятор), которая удаляет продукты горения из топки. В этом случае вместо большого традиционного дымохода устанавливают простой и недорогой коаксиальный дымоход – труба с вставленной в неё другой трубой меньшего диаметра.

Полученные таким способом два разделённых канала используются для подачи воздуха и для отвода газов. Котлы с закрытой камерой сгорания не сжигают кислород внутри помещения. Практически все современные котлы имеют регулируемую мощность горелки, позволяющую плавно менять температуру в зависимости от потребности, тем самым экономя топливо и продлевая ресурс теплообменника. Коэффициент полезного действия (КПД) газового котла превышает 90%.

При отсутствии газа в котлах используют жидкое топливо - дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты.

Более простым по конструкции является электрический котёл . Он состоит из теплообменника со встроенными нагревательными элементами и устройства автоматики.

В качестве нагревательного элемента обычно применяются ТЭНы (трубчатые электронагреватели). Но известны также и электродные нагреватели .

В электродных котлах нагрев теплоносителя происходит за счёт его ионизации в замкнутой камере при прохождении через него электрического тока. Они значительно меньше по размеру и обладают всеми преимуществами электрических котлов. Однако для них целесообразно использовать специальный антифриз.
Некоторые котлы имеют в составе циркуляционный насос, расширительный бачок и предохранительный клапан.
Электрические котлы просты в монтаже и эксплуатации, не требуют отдельного помещения и дымохода. Работают бесшумно, экологичны и недороги. Основным их недостатком является высокий расход электроэнергии, для мощных моделей (более 10 кВт) необходима трёхфазная сеть 380 Вольт.

Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при её использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного лимита расчётной электрической мощности, выделяемого индивидуальному застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20…30 кВт чаще всего используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или вспомогательных домов с небольшой площадью.

Инфракрасные плёночные нагреватели . У них в качестве нагревательного элемента используются тонкие графитовые плёнки. В настоящее время применяются в системах «тёплый пол».

Такой нагреватель представляет собой тонкий гибкий лист. Он может монтироваться непосредственно на деревянные поверхности. По разным оценкам, эффективность плёночного нагревателя до 15% выше чем у кабельного. Монтируется в основном на потолок и на стены. Это его основной режим работы, как лучевого источника тепла. Ввиду того, что его рабочая температура невысока, он пожаробезопасен и не сжигает кислород, но по стоимости дороже кабельного. При равных характеристиках с батарейной системой и электрокотлом, инфракрасные плёночные нагреватели дешевле в установке и более долговечны в эксплуатации. Однако, следует помнить, что на 1 кубический метр пространства помещения приходится ~5 Вт мощности такого нагревателя, чего может быть не достаточно для поддержания нужной температуры.
Кроме плёночного нагревателя, к лучевым системам отопления относятся электрические инфракрасные нагреватели . Оборудованные рефлектором, такие приборы способны быстро прогреть находящиеся в помещении предметы. Даже находясь на улице в прохладную погоду, возле такого обогревателя будет тепло.

Но, из-за высокой температуры нагревательного элемента, такие аппараты сжигают кислород в помещении. Существует множество конструкций таких отопительных приборов: напольной, настенной и потолочной установки.

Теплогненераторы, работающие за счет энергии солнца-солнечный коллектор . В них процесс нагрева теплоносителя происходит за счет поглощения солнечного излучения. Мощность потока солнечного излучения, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 Ватт на квадратный метр. Однако в различных точках планеты интенсивность солнечного излучения будет разной, например в Европе, она может быть менее 100 Ватт на квадратный метр, поэтому возникает задача не только эффективно поглощать солнечную энергию, но и сохранять её. Удачным решением является конструкция солнечного вакуумного солнечного коллектора .

Это плоская панель со стеклянными трубками, внутри которых находятся медные трубки меньшего диаметра. Медные трубки покрыты специальной тёмной краской, выдерживающей высокую температуру (200 градусов по Цельсию и более) и способствующей лучшему поглощению солнечного излучения. По ним циркулирует теплоноситель. Внутри стеклянной трубки создают вакуум. Вакуум, не обладая теплопроводностью, препятствует конвективной передаче тепла от нагретой медной трубки в окружающее пространство. Такая конструкция работает как термос. Стеклянные трубки изготавливают из особо чистого и прозрачного стекла. У современных солнечных вакуумных коллекторов степень поглощения солнечной энергии достигает 98%. Срок службы более 15 лет. Летом они могут полностью обеспечить дом горячей водой. Способные работать зимой, такие устройства послужат весомым дополнением к основной системе отопления. В остальном такая система отопления (или горячего водоснабжения) по своей гидравлической схеме и работе автоматики похожа на батарейную.

Другой альтернативной системой отопления является применение теплового насоса . По сути, это холодильник с источником низкой температуры во внешней среде. Принцип работы основан на том, что хладагент испаряется в камере с низким давлением и температурой, а конденсируется в камере с высоким давлением и температурой. Таким образом осуществляется перенос тепла от холодного тела к нагретому за счёт работы теплового насоса. Без него такой процесс невозможен. Низкотемпературная камера охлаждается за счёт циркуляции незамерзающего теплоносителя в коллекторе, расположенном в грунте, в воде или на открытом пространстве. В камере с высоким давлением и температурой происходит передача тепла к теплоносителю системы отопления дома. Для работы такой системы нужна электроэнергия, питающая двигатель теплового насоса. При этом на каждый затраченный кВт электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2...4 кВт тепловой энергии. Залогом устойчивой работы такой системы отопления является постоянство температуры в коллекторе ("холодном теле"). Тепловые насосы позволяют значительно экономить электроэнергию или газ, однако требуют начальных вложений и трудозатрат в устройство коллектора. Например, если коллектор укладывать в грунте (на 0,5 метра ниже уровня промерзания), можно достичь тепловую мощность ~20 Вт на 1 метр трубопровода. Для скважин ~40 Вт, для коллектора, уложенного в воде ~30 Вт. Дополнительным преимуществом теплового насоса является возможность переключения с отопления зимой на охлаждение (кондиционирование) летом.