Енергийна ефективност на парокондензатни системи

Установено е, че индустриалните парокондензатни системи отговарят за приблизително 30% от промишленото енергопотребление в световен мащаб. Въпреки че е наличен значителен потенциал за подобрение на енергийната ефективност в тези системи, той до голяма степен все още не е реализиран.

Сред основните причини за това са недостатъчната информираност за евентуални спестявания и тяхното значение, както и липсата на подходяща политическа рамка и програми за стимулиране.

Пречка за изготвянето на законодателство в това направление е и липсата на прозрачна методология за точното определяне на потенциала за енергийна ефективност на една парокондензатна инсталация на база достатъчно количество данни, доказващи мащаба и рентабилността на енергийните спестявания за отделна държава или регион.

Много по-лесно е да се определят количествено спестяванията от замяната на стандартен котел с енергийно ефективен такъв, отколкото да се изчислят спестяванията от прилагането на мерки за повишаване на енергийната ефективност, които не се ограничават само до котела, а може да засягат и пароразпределителната мрежа, системите за възстановяване на топлина и дори крайните потребители на парата.

Работен принцип

Парата се използва широко като средство за доставяне на енергия за индустриални процеси. Тя съдържа съществено количество енергия на единица маса, което може да бъде оползотворено или под формата на механична енергия посредством турбина, или като процесна топлина.

В допълнение, парата може да намери приложение за контролиране на температурите и наляганията по време на химични процеси, за отстраняване на замърсители от процесни флуиди и др.

Съвременните парокондензатни системи включват четири елемента - генериране, разпределение и употреба на парата, и утилизация на кондензата. Оборудването за парокондензатните системи се различава значително за отделните индустриални сектори и обикновено е специфично за даден процес или производствена площадка.

Ефективността на парните котли зависи от конструкцията им, вида на горивото и работните характеристики на горелката. Един добре проектиран котел, работещ на въглища, типично е с ефективност от около 84%.

В случай че вместо въглища като гориво се използват природен газ, мазут или биомаса, често ефективността на котела е по-ниска. Котелът обаче е само част от промишлените парокондензатни системи и загубите при разпределение също имат ключово значение за общата ефективност.

Рекуперация

Работният принцип на котлите е относително прост, но същевременно е и доста неефективен. С изключение на атомната енергетика, където има изцяло различни съображения, конвенционалните методи за подгряване на вода включват изгарянето на някакъв вид гориво, като този процес обуславя и необходимостта от изпускащи устройства за отделяне на страничните продукти от горенето.

За съжаление, заедно с тях се губи и част от генерираната топлинна енергия - обикновено около 25%.

Изключително ефективно решение на този проблем е използването на системи за рекуперация, при които отделената топлина се улавя преди изпускането на димните газове и се оползотворява например за предварително подгряване на постъпващата в котела вода.

Налични са няколко технологии за реализирането на този подход - топлообменници тип въздух/въздух, въздух/вода, с директен или индиректен контакт и кондензационни.

Това решение е достатъчно опростено, но същевременно и изключително мощно по отношение на резултатността си.

Например в едно предприятие за производство на зърнени храни, след инсталирането на система за рекуперация на отпадната топлина общата топлинна ефективност нараства до 96%, като компанията редуцира потреблението си на гориво с 25% и спестява 2000 тона емисии на парникови газове, и то само за една година. Веднага става ясно колко мащабно ще е въздействието от тези спестявания за период от 10 или повече години.

Загуби при нулев товар

Загубите при нулев товар се отнасят до самия котел и представляват излъчваната от неговия корпус разсеяна топлина. Въпреки че този вид загуби обикновено са минимални, особено при съвременните високоефективни котли, от практическа гледна точка винаги е рентабилно да се предприемат мерки за редуцирането им.

Често операторите на парокондензатни системи намаляват оперативните разходи чрез подмяна на кондензоотделителите, подобряване на изолацията на тръбите или други подобни мерки. Въпреки че тези мерки са ефективни, допълнителни спестявания могат да бъдат реализирани и чрез изменения от страната на доставянето на парата.

Все пак трябва да се отговори на въпроса дали след отстраняване на всички неефективни компоненти трябва да се поддържа същото системно налягане. Отговорът обикновено е не, което означава, че с редуцирането на налягането ще се понижат и разходите за гориво, натоварването на системата и загубите при нулев товар.

Загуби при продухване

При превръщането на водата в пара, съдържащите се в нея суспендирани твърди частици (калций, магнезий, силиций, натрий и др.) се натрупват по повърхността на котела и причиняват редица проблеми - намален топлопренос, запенване и унасяне на вода в паропровода.

За да се предотврати това, съдържащата твърди вещества вода се подменя с питателна вода, като по този начин обаче се отнема и от топлинната енергия на системата. Едно от решенията на този проблем включва повишаване качеството на контрола на химичния състав на водата - колкото по-добре е пречистена постъпващата в котела вода, толкова по-малко ще е въздействието на суспендираните частици.

Алтернативно решение е връщането на кондензата в котела, тъй като много от солите във водата се губят при преминаването й в парообразно състояние. Допълнително количество твърди вещества обаче може да се акумулира и от тръбопроводите в системата при кондензацията на парата.

При подходящо изпълнение тези две техники ще редуцират броя на необходимите продухвания. За да се предотврати загубата на топлина на този етап, е препоръчително да се използва топлообменник за предварително подгряване на питателната вода преди навлизането й в котела.

Загуби при кондензоотделителя

Основен принос за енергийните загуби от парокондензатните системи имат кондензоотделителите. Те биват четири вида - механични, които се отварят и затварят в зависимост от нивото на кондензата в тях; термостатични, които работят на база температурната разлика между пара и кондензат; термодинамични, функциониращи в зависимост от скоростта на газовия поток; и тип вентури, които се регулират благодарение на ефекта на изпарение, който се наблюдава при изпускането на горещ кондензат в рециркулационна тръба с по-ниско налягане.

Всеки от тези методи има своите предимства и недостатъци, но разгледани на системно ниво, и четирите могат да спомогнат за реализирането на значителни спестявания.

Например при подмяната на 13 механични кондензоотделителя в едно предприятие с такива тип вентури, изискванията за питателната вода се занижават, тъй като в системата се връща по-голямо количество кондензат. Това съответно намалява и разходите, свързани с предварителното третиране на водата и загубата на пара.

Загуби от изпарение на кондензат

В много парокондензатни системи кондензатът се губи като ресурс, защото се смята, че инсталирането на решение за рециркулацията му ще изисква много големи разходи. В действителност, изпускането на кондензата излиза много по-скъпо, отколкото изграждането на тръбопроводна система за връщането му в котела.

Въпреки че кондензатът вече не е в парообразно състояние, точката му на втечняване е много близо до температурата на кипене на водата, което означава, че за превръщането му обратно в пара ще е необходимо минимално количество енергия. То е много по-малко от това, необходимо за достигане температурата на кипене на питателната вода.

Отличен пример за спестяванията от връщането на кондензата в системата е производствено предприятие за торове, в което чрез подмяна на тръбопроводите и помпените станции е постигната 15% повече рециркулация на кондензат.

Загуби от изолация

Поставянето на подходящата изолация на тръбите е може би един от най-лесните начини за подобряване на енергийната ефективност в парокондензатните системи. Причините за недобра изолация може да са най-различни - модификации на системата, повреди при поддръжка, течове и др.

При избора на изолация, която според проучвания може да редуцира до 90% от топлинните загуби от паропроводите, трябва да се отчетат няколко фактора - издръжливост, лесен монтаж и устойчивост към абсорбцията на вода.

Подмяна на горелките

Дори котелът да е в отлично състояние, работните му характеристики не могат да бъдат добри, ако не се използва високоефективна горелка. Някои оператори подобряват ефективността на котела си чрез подмяна на по-старите горелки с механично управление с по-нови модели с прецизно цифрово управление и устройства за подаване на обратна информация за смесването на горивото с въздуха.

Това не само намалява необходимостта от непрекъснато прекалибриране, но и позволява на котела да работи с оптимално смесване при всякакви степени на горене.

За избора на подходяща горелка за даден котел обикновено е необходима консултация със специалист, на когото следва да се представи цялостният профил на парокондензатната система и седмичната и годишната необходимост от пара на предприятието. Периодът за възвръщане на инвестицията в нова горелка може да бъде забележително кратък - понякога само няколко месеца.

Поддръжка

Друга възможност за постигане на висока ефективност е провеждането на цялостна и систематична инспекция на котела поне веднъж годишно. При нея могат да бъдат открити спукани тръби, корозиращи повърхности и др.

В случай че котелът работи частично или изцяло на нафта, дървесни отпадъци или други горива, е необходимо редовно продухване на саждите и периодично почистване на горивната част.

Повечето газови котли изискват малка честота на почистване, но при парокондензатните системи с такива съоръжения е важно да се наблюдават тръбопроводите, за да се избегне например натрупването на котлен камък. Слой котлен камък с минимална дебелина може да понижи ефективността на топлопренос с няколко процента.