Лекция-1. Способы производства и потребления энергии. Тепловые электрические станции – основной источник производства электрической и тепловой энергии

Под вторичными экономическими ресурсами понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся при технологических процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использоваться для энергосбережения других агрегатов (процессов).

Термин “энергетический потенциал” здесь следует понимать в широком смысле, он означает наличие определённого запаса энергии - химически связанного тепла, физического тепла, потенциальной энергии избыточного давления и напора, кинетической энергии и др. Химически связанное тепло продуктов топливоперерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных, углеобогатительных и др.) к вторичным энергетическим ресурсам не относятся.

Общий выход вторичных энергетических ресурсов за рассматриваемый период времени (сутки, месяц, квартал, год) определяют исходя из удельного или часового. Только часть энергии из общего выхода вторичных энергетических ресурсов может быть использована как полезная. Поэтому для оценки реального потенциала вторичного энергетического ресурса, пригодного к использованию, рассчитывают возможную выработку энергии за счет вторичных энергетических ресурсов.

На основе результатов расчета экономии топлива за счет использования вторичных энергетических ресурсов определяется степень утилизации вторичных энергоресурсов на предприятии.

Выделяют следующие основные группы вторичных энергетических ресурсов: горючие, избыточного давления, тепловые.

1. Горючие вторичные энергетические ресурсы. К горючим вторичным энергетическим ресурсам относятся образующиеся в процессе производства основной продукции газообразные, твердые или жидкие отходы, которые обладают химической энергией и могут быть использованы в качестве топлива. Источником горючих вторичных энергетических ресурсов являются лесная и деревообрабатывающая промышленность, химическая промышленность, сельское и коммунальное хозяйство.

К горючим вторичным энергетическим ресурсам относятся:

- древесные отходы;

- отходы гидролизного производства;

- отходы целлюлозно-бумажной промышленности;

- отходы от производства аммиака, капролактама;

- сельскохозяйственные отходы (солома и ботва растений);

- городской мусор.

В настоящее время большое внимание уделяется утилизации твердых древесных отходов, лигнина, отходов сельскохозяйственного производства и т. п. В лесной и деревообрабатывающей промышленности приблизительно половина заготавливаемой древесины идет в отходы. Одной из первостепенных задач является их утилизация путем сжигания с целью получения теплоты.

Древесные отходы делятся на несколько типов:

- лесосечные отходы (неодревесневшие молодые побеги, хвоя, листья);

- стволовая древесина, кора и древесная гниль.

Древесина по своему составу включает такие же компоненты, что и твердое топливо, за исключением серы. Особенностью древесных отходов некоторых производств является повышенная влажность. Отходы лесозаготовительных предприятий имеют влажность 45-55%.

Тепловые вторичные энергетические ресурсы делятся на:

- высокотемпературные (с температурой носителя выше 500°С);

- среднетемпературные (при температурах от 150 до 500°С);

- низкотемпературные (при температурах ниже 150°С).

При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности.

Рассмотрим некоторые способы и устройства для утилизации тепловых вторичных энергетических ресурсов. Применение энергетических отходов для внутреннего использования рассматривалось ранее при изучении работы парового котла, где за счет рекуперации теплоты отходящих газов проводится подогрев питательной воды в экономайзере и окислителя воздуха в воздухоподогревателе.

Имеются и другие возможности внутреннего использования энергетических отходов. Теплота уходящих дымовых газов используется как для внутреннего, так и для внешнего потребления. При внутреннем потреблении энергоотходов в печах и котлах осуществляется подогрев воздуха, подаваемого на горение.

В котлах дополнительно может подогреваться питательная вода. При внешнем использовании нагревают теплоноситель или сырье. Нагрев рабочей среды проводится в регенеративных, рекуперативных или смесительных (контактных) аппаратах. Регенеративные аппараты по принципу действия являются периодическими.

Через неподвижные насадки потоки дымовых газов и нагреваемой среды проходят попеременно путем переключения направления их течения. Реализуемый уровень температур в регенераторах с керамическими насадками составляет 1700°С. Недостатком этих аппаратов является снижение за цикл температуры нагреваемой среды на 10-15%. Они пригодны для маловязких и чистых сред.

Рекуперативные подогреватели выполняются из металла, поэтому уровень рабочих температур снижается до 700-800°С по сравнению с регенераторами. Преимущество их заключается в постоянстве параметров рабочих сред, что обеспечивает стабильность технологического процесса.

Рассмотрим простейший рекуператор. Передача теплоты от дымовых газов к нагреваемой среде осуществляется через разделяющую поверхность, которая может иметь различное конструктивное исполнение. В нашем случае это кольцевой канал, который связан с раздающим и сборным коллекторами.

При утилизации низкотемпературных дымовых газов целесообразно использовать контактный теплообменник с активной оросительной насадкой для повышения интенсивности теплообмена. С помощью данного устройства можно получать горячую воду 50-70°С, что позволяет проводить сжигание топлива с учетом высшей теплоты сгорания и тем самым добиваться дополнительного энергосберегающего эффекта.

Достоинством аппарата являются небольшие габариты и масса, достигаемые за счет интенсификации теплообмена при орошении пучка труб промежуточным теплоносителем в жидкой фазе, подогретым непосредственным соприкосновением с дымовыми газами. Это также дает косвенный энергосберегающий эффект за счет экономии металла.

Кроме того, в данном аппарате происходит очистка дымовых газов. Энергетический эффект от утилизации теплоты дополняется экологическим эффектом уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду. При внешнем использовании теплоты отходящих газов промышленных печей применяются паровые или водогрейные котлы-утилизаторы.

В отличие от энергетических котлов их поверхности нагрева располагаются не в топке, а по тракту отходящих газов. Конструкция котла-утилизатора включает: экономайзер, барабан-сепаратор, испаритель и пароперегреватель. Циркуляция воды через испаритель осуществляется с помощью насоса или естественной конвекцией. Принцип работы котлов-утилизаторов идентичен котлам котельных установок.

Лекция-2

Способы произ­водства пара. Принципы получения пара и типы паровых котлов. Устройство парового энергетического котла. Тепловые схемы паровых котлов. Основные характеристики паровых котлов. Виды энергетических топлив и их технические характеристики.

Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию (электрический паровой котёл) или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках (котлы-утилизаторы).

По назначению:

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.

• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».

• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы

• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественной и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)

• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи.

стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Барабанные котлы

Циркуляция воды в барабанном котле с принудительной циркуляцией 1 Питательный насос 2 Экономайзер 3 Подъемные трубы 4 Опускные трубы 5 Барабан 6 Пароперегреватель 7 В турбину 8 Циркуляционный насос

Вода в этом котле, пройдя экономайзер, попадает в барабан (находится вверху котла), из которого под действием силы тяжести (в котлах с естественной циркуляцией) попадает в опускные необогреваемые трубы, а затем в подъёмные обогреваемые, где происходит парообразование (подъёмные и опускные трубы образуют циркуляционный контур). Из-за того, что плотность пароводяной смеси в экранных трубах меньше плотности воды в опускных трубах, пароводяная смесь поднимается по экранным трубам в барабан. В нем происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Вода заново идёт в опускные трубы, а насыщенный пар уходит в пароперегреватель. В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции воды по циркуляционному контуру — от 5 до 30 раз. Котлы с принудительной циркуляцией оснащены насосом, который создаёт напор в циркуляционном контуре. Кратность циркуляции составляет 3—10 раз. Котлы с принудительной циркуляцией на территории постсоветского пространства распространения не получили. Барабанные котлы работают при давлении меньше критического.

Прямоточные котлы

Циркуляция воды в прямоточном котле 1 Питательный насос 2 Экономайзер 3 Испарительные трубы 6 Пароперегреватель 7 В турбину

Прямоточные котлы не имеют барабана. Через испарительные трубы вода проходит однократно, постепенно превращаясь в пар. Зона, где заканчивается парообразование, называется переходной. После испарительных труб пароводяная смесь (пар) попадает в пароперегреватель. Очень часто прямоточные котлы имеют промежуточный пароперегреватель. Прямоточный котел является разомкнутой гидравлической системой. Такие котлы работают не только на докритическом, но и на сверхкритическом давлении.