HE Smart: умное решение для повышения КПД

Наиболее распространенной практикой повышения КПД паровых котлов является использование экономайзера для подогрева питательной воды. Именно такой котел был взят для всестороннего сопоставления характеристик с разработкой Cannon Bono Energia – HE Smart.

Рабочие условия исследования

В рассматриваемом случае средний расход сухого насыщенного пара должен составлять 8 тонн в час под давлением 12 бар в течение 14 часов в день, 6 дней в неделю.

В таблице 1 приведены проектные данные, использованные для построения графиков основных характеристик сравниваемого оборудования. В сравнении участвовали котлы трех типов:

1. Энергоэффективный паровой котел, основанный на технологии HE Smart
2. Представленный на рынке высокоэффективный паровой котел с экономайзером (ECO)
3. Паровой котел последнего поколения в базовом исполнении без системы рекуперации тепла

Для расчета эксплуатационных характеристик котлов использовался корпоративный экспериментальный программный пакет Cannon Bono Energia.

Для технологии HE Smart характерно синхронное, мгновенное, самоадаптирующееся комбинирование и управление различными способами рекуперации тепла дымовых газов, включая экономайзер и подогреватель воздуха для горелки.

Такая система вместе с инверторами на водяных насосах и воздушных вентиляторах регулирует расход воды из экономайзера в подогреватель в зависимости от температуры питательной воды на входе, температуры наружного воздуха и нагрузки. Это обеспечивает постоянный КПД независимо от внешних условий, а также температуру отходящих дымовых газов равную 80°C.

В первой части исследования рассматривается корреляция между температурой горячей воды на входе в рекуператор и температурой дымовых газов на выходе из котла.

Существенной отличительной особенностью HE Smart является способность регулировать температуру дымовых газов на выходе и поддерживать ее на заданном уровне (обычно 80°C) при любых условиях эксплуатации и при любой температуре питательной воды с допуском ±15°C относительно проектного показателя.

Два ключевых аспекта

1. Низкая температура дымовых газов на выходе свидетельствует о высокой эффективности рекуперации и, следовательно, о высоком КПД котла.
2. В случае сжигания природного газа, при температуре дымовых газов 58°C формируется кислый конденсат. При температуре 80°C разность температур (ΔT) как минимум на 20°C выше температуры конденсации, и это предотвращает образование кислого конденсата по всей длине каминной трубы, которую часто оставляют без теплоизоляции.

Наоборот, паровой котел, оснащенный только экономайзером, чрезвычайно чувствителен к колебаниям проектной температуры питательной воды. Как показано на диаграммах (рис. 1-2), даже незначительное изменение температуры воды приводит к существенному изменению температуры дымовых газов и, следовательно, к снижению КПД на 1÷1,5 процентных пункта.

Рисунок 1: Температура дымовых газов относительно температуры питательной воды

Таким образом, можно утверждать, что поведение теплогенератора ECO определяется термодинамическими параметрами самого экономайзера, т. е. статического теплообменника, который не может активно регулировать количество поглощаемого тепла, поэтому сохраняется обратно пропорциональная зависимость от температуры питательной воды на входе.

На рисунке 2 поведение парового котла HE Smart представлено одной точкой: температура отходящих дымовых газов определена и может быть настроена, как правило, на 80°C, чему соответствует расчетный КПД 97%.

Рисунок 2: Изменение КПД парового котла в зависимости от температуры дымовых газов

Рисунок 3: Изменение КПД парового котла в зависимости от температуры питательной воды

На рисунке 3 наглядно сопоставляется КПД двух описанных выше технологий в зависимости от температуры питательной воды; обратите внимание на значения КПД при низкой и высокой температуре питательной воды.

Как видно, питательная вода с низкой температурой способствуют рекуперации тепла дымовых газов, однако создает потенциальные проблемы с кислым конденсатом, см. выше. При выборе парового котла этот аспект часто игнорируют, хотя его следует обязательно учитывать.

Конденсат может вызывать сильную коррозию тех комплектующих частей, на которых он оседает. Это вынуждает останавливать производство и выделять дополнительные средства на техобслуживание или, в наиболее критических случаях, на замену таких частей.

Важно подчеркнуть, что разрыв между этими технологиями по КПД тем заметнее, чем выше температура питательной воды, и превышает 4 процентных пункта при температуре выше 140°C. Такие рабочие условия характерны для многих производственных процессов, например, на бумажных фабриках, где огромное значение приобретает интенсивная и эффективная рекуперация тепла из горячих дымовых газов.

Рисунок 4: Изменение КПД парового котла в зависимости от нагрузки (по пару)

На рисунке 4 показано изменение КПД двух высокоэффективных паровых котлов и базового парового котла в зависимости от величины нагрузки при температуре питательной воды 140°С.

На диаграмме видно, что кривая HE Smart приближается к максимальному значению КПД при нагрузке, составляющей 40% от максимальной, при этом для всех значений нагрузки сохраняется разница по КПД порядка 3%.

Как отмечено выше, это происходит за счет усовершенствованного ретроактивного управления рекуперацией тепла на различных трактах, что вместе с инверторами на насосах и вентиляторах обеспечивает возможность эксплуатации системы с постоянно оптимизируемой частичной нагрузкой.

Изменение КПД в зависимости от нагрузки имеет решающее значение с точки зрения итоговой экономии расходов на энергию за год, поскольку именно этот фактор, а не пиковые значения, возникающие в определенных условиях, определяет сокращение годового потребления топлива и, значит, экономию средств.
До сих пор этот аспект не получал должного внимания, поскольку установки и паровые котлы не были оснащены необходимыми контрольно-измерительными приборами.

Многочисленные предлагаемые сегодня стимулы для повышения энергоэффективности и инициатива «Индустрия 4.0» побудили поставщиков вышеназванных технологий сосредоточить усилия на разработке надежных и эффективных решений по более доступной цене.

Рисунок 5: Сопоставление технологий: годовые расходы на метан в зависимости от температуры питательной воды

На рисунке 5 показаны годовые затраты на метан в зависимости от температуры воды в котле.

Как видно, самый низкий уровень потребления метана во всем температурном диапазоне приходится на паровой котел HE Smart, причем эта тенденция усиливается по мере повышения температуры воды.

Она проявляется еще более явно на рисунках 6 и 7, где показано, сколько природного газа можно сэкономить благодаря двум рассмотренным технологиям, а также проводится сравнение между ними.

Как показано на рисунке 7, по сравнению с ECO, HE Smart может обеспечить экономию от 10 до 35 тыс. евро в год при температуре питательной воды в пределах от 80 до 150°C.

Рисунок 6. Сопоставление технологий: годовая экономия метана в зависимости от температуры питательной воды

Рисунок 7: Сопоставление HE и ECO: годовая экономия метана в зависимости от температуры питательной воды

В статье неоднократно подчеркивается важное значение высокой энергоэффективности для парового котла; в таблице 2 и на рисунке 8 этот аспект рассматривается через финансовую призму, а именно, с точки зрения экономии, которую может обеспечить рост КПД на каждый процентный пункт.

Важно отметить, что представленные значения, хотя и высокие, являются тем не менее консервативными, так как при их расчете за средние показатели принимались пиковые значения, которые можно легко получить при использовании HE Smart и невозможно – при использовании других технологий.

Очевидно, что каждый процентный пункт имеет разное финансовое значение в зависимости от температуры питательной воды – при увеличении температуры уменьшается как количество тепла, необходимого для выработки пара, так и расход метана. В то же время становится все труднее отводить тепло из отходящих дымовых газов, и именно здесь адаптивная система управления HE Smart обеспечивает наилучшую отдачу, улучшая КПД на 4,5 процентных пункта по сравнению с ECO и, соответственно, обеспечивая годовую экономию порядка 35 000 евро.

В любом случае, следует подчеркнуть важность повышения КПД парового котла даже только на один процентный пункт; ведь, то, что может показаться незначительным преимуществом с точки зрения эксплуатационных характеристик, обеспечивает среднегодовую экономию в размере около 8000 евро.

Рисунок 8: Годовая экономия расходов на метан при увеличении КПД на один процентный пункт

Другие преимущества HE Smart:
специальная система для оптимизации переходных процессов

HE Smart, работающий под управлением системы Optispark, становится незаменимым на предприятиях, которым приходится часто выключать паровой котел (в ночную смену, в выходные дни) и стравливать давление из парового котла и паровой магистрали.

В этих случаях давление и, следовательно, температура пара внутри парового котла резко падают и при следующем запуске их значение должно быть восстановлено.

Это влечет за собой различные последствия:

1. Паровой котел необходимо включать гораздо раньше, чем момент, когда он действительно будет поднимать давление воды до заданного значения; это особенно касается котлов, вмещающих большое количество воды;
2. Каждый раз при запуске парового котла должен присутствовать квалифицированный оператор, что влечет за собой финансовые затраты и необходимость принимать организационные меры;
3. При запуске парового котла в условиях атмосферного давления, величина которого намного ниже заданного значения, расходуется существенно больше топлива.

Под управлением системы Optispark эта технология использует различные программные и аппаратные средства для уменьшения рассеивания тепла от парового котла в дымовую трубу и/или паровую магистраль без необходимости стравливать давление и при этом существенно ограничивая потери тепла/давления.

Рисунок 9: Система управления переходными процессами

Как показано на рисунке 9, в отсутствие системы управления переходными процессами давление пара при перезапуске парового котла существенно отличается от заданного рабочего значения, чаще всего его температура и давление приближаются к значениям давления и температуры окружающей среды.
Использование этой системы обеспечивает значительную экономию средств за счет сокращения расхода метана – здесь перепад давления не превышает 3 бар.

Предотвращение частого увеличения и снижения температуры полностью устраняет тепловую нагрузку на находящуюся под давлением конструкцию, к тому же требуется гораздо меньше времени для восстановления в системе рабочих условий.
При этом паровой котел можно запустить двумя способами: «быстро», если необходимо как можно скорее восстановить заданные условия работы, или «экономно», если предпочтение отдается сокращению финансовых средств.

В системах, работающих без постоянного присутствия оператора, можно выставить уставку давления для ночного времени на более низкое значение, чем для дневного рабочего времени (но не слишком низкое), и тогда управление системой будет осуществляться в «резервном» режиме (stand-by) и ее перезапуск будет безопасно происходить без участия оператора.

Система управления переходными процессами зарекомендовала себя как эффективное решение для оптимизации работы установки и способствует значительному снижению расхода топлива, увеличивающемуся при частой смене нагрузки.