Високоефективни парни инсталации

• Промишлените парни инсталации включват компоненти за производство, разпределение, потребление и утилизация на топлинна енергия
  
  
• Съвременните котелни агрегати за промишлени парни инсталации разполагат с контролни модули, които включват технологии за електронно управление на запалването и горивния процес, защитни системи, прибори за управление на водното ниво и т. н.
  
  
• Основен принцип при проектирането на горелки за парни инсталации е да се постигне оптимална горивна ефективност при минимално количество вредни емисии

Промишлените парни инсталации допринасят за производството на около една трета от общото количество енергия, използвана за индустриални приложения. Те са незаменимо решение за разнородни задачи като технологично нагряване и отопление, контрол на налягането, механично задвижване, разделяне на компоненти и производство на гореща вода за процесни реакции. С непрекъснатото покачване в цените на електричеството промишлените предприятия се нуждаят от ефективни способи за редуциране на количеството енергия, консумирано от парните им инсталации. Различни системни подобрения, изискващи сравнително ниска инвестиция, могат да спомогнат за реализирането на икономии от разходи за електроенергия с 10 до 15% при една типична индустриална парна инсталация. Дори в съоръженията с вече внедрени програми за енергиен мениджмънт е възможно постигане на подобни спестявания с помощта на по-съвременни технологии при парните турбини и котли, спомагателното оборудване и аксесоарите. Достъпните на пазара модерни решения в този сегмент обикновено са лесни за въвеждане в експлоатация при ретрофит на съществуващи инсталации и често се изплащат за по-малко от година.

Потенциал за оптимизация

Промишлените парни инсталации включват компоненти за производство, разпределение, потребление и утилизация на топлинна енергия. Крайното оборудване обхваща различни по функция и приложение топлообменни апарати, турбини, ректификационни колони, изпарителни секции и химични реактори. В парните системи могат да бъдат интегрирани още т. нар. суперподгреватели, подгреватели за предварително повишаване температурата на въздушния поток към горивната камера, икономайзери за питателната вода в котелната система, изпускателни топлообменници и други елементи, чрез които се повишава енергийната ефективност. В допълнение към редуциране на разходите за електроенергия, с инвестицията във високоефективно оборудване е възможно да се постигне и намаляване на вредните емисии от промишлените предприятия с милиони метрични тонове годишно. За пример, около 80% от енергията в целулозно-хартиената промишленост отива за парогенерация, а в химическия отрасъл и петролните рафинерии делът й обикновено е над 50%.

Значително повишаване на ефективността може да бъде осъществено посредством ретрофит и модернизация на горелките и контролните модули на котелните системи, внедряване на дигитални решения за мониторинг на концентрацията на кислород в димните газове, които позволяват директно измерване на горивната ефективност в реално време и регулиране на настройките на инсталацията с цел подобряването й, както и възстановяване (рекуперация) на по-голямо количество кондензат.

Последната мярка позволява редуциране на общия брой котли, необходими за постигане на желаната мощност.

Добро решение са котлите утилизатори. Те могат да са водотръбни или с димогарна тръба, в хоризонтално или вертикално изпълнение. Този тип котли произвеждат пара от отпадна топлина, например от отработени газове, отработено гориво, високотемпературни отпадни продукти от химическата, петролната промишленост и т. н. – горещи газове, въздух, вода, пара, които могат да бъдат повторно използвани в качеството им на енергоносители. На подобен принцип функционират и парогенераторите утилизатори, които оползотворяват отпадна топлинна енергия например от изхода на газова турбина.

Потенциал за повишаване на ефективността на парните инсталации имат още т. нар. суперподгреватели, които добавят допълнителна енергия към вече генерираната пара, повишавайки температурата й до точка, която надвишава точката на насищане. Те могат да бъдат конвекторни или лъчисти. Експертите препоръчват използването и на икономайзери (кондензни или некондензни) за котлоагрегати, които могат да пренасят например топлината от димните газове към входящия поток питателна вода.

Възможности при котлоагрегатите

Съвременните котелни агрегати за промишлени парни инсталации разполагат с контролни модули, които включват технологии за електронно управление на запалването и горивния процес, защитни системи, прибори за управление на водното ниво и т. н. Контролът на горивния процес се базира на прецизно регулиране на гориво-въздушната смес, като най-новите модели горелки на пазара са снабдени с възможности за цифрово управление и мониторинг на горенето и емисиите, както и интегриране в цялостни дигитални платформи за автоматизация на сградни или технологични процеси. При някои модели контролните модули разчитат на сигнали от цифрови предаватели, за да определят позициите на отделните клапани за гориво и въздушни демпфери. При отклонение от допустимите работни параметри системата може да алармира потребителя, както и да извърши диагностика с цел откриване и отстраняване на проблема.

Допълнителни компоненти, които повечето модерни котелни системи включват, са елементи за контрол на налягането в парната камера, които могат да регулират мощността на горелката, както и паромери (вихрови, кориолисови или с диференциално налягане), които измерват ефективността на котела и необходимото количество пара, за да функционира безпроблемно инсталацията.

Помпите за питателна вода в котелните системи се задвижват от електродвигатели или парни турбини. В т. нар. модулиращи системи, използвани за промишлени нужди, тези компоненти обикновено работят непрекъснато, ето защо е препоръчително да са с висока ефективност.

Част от парните инсталации са още въздухоснабдителните системи, които включват вентилатори, демпфери, клапани за регулиране на притока и/или честотни регулатори и се грижат за подаването на правилното количество въздух според използваното гориво в горелката. В зависимост от вида на горивото се осигурява и специална система за управление на подаването. При газовите и течните горива са необходими регулиращи вентили, които определят количеството, което постъпва в котела. Обикновено те разполагат с функция за незабавно аварийно затваряне при регистриране на неизправност в инсталацията от системата за мониторинг и диагностика. Обемният дебит на горивото се измерва с помощта на разходомери, като и тук дигиталните модели са все по-предпочитани поради множеството им предимства в сравнение с аналоговите им предшественици.

Високоефективни горелки

Един промишлен котел работи толкова ефективно, колкото ефективна е горелката му, припомнят специалистите в бранша. По-зле проектиран котел с високоефективна горелка би бил по-добро решение от котел с оптимален дизайн, но недобре работеща горелка. Основен принцип при проектирането на горелки за парни инсталации е да се постигне оптимална горивна ефективност при минимално количество вредни емисии. Най-общо тези устройства са предназначени да смесват горивото и въздуха и да впръскват сместа в горивната камера. След това следва възпламеняването й и поддържането на процеса при различни степени на интензивност на горенето и разход на гориво. Разнородните модификации на пазара се нуждаят от съответното количество допълнителен въздух и се отличават с даден коефициент на излишък на въздуха. Той изразява съотношението между количеството гориво и първичен въздух, постъпващи в горелката, и се получава като максималната интензивност на горене се раздели на минималния разход на гориво. Една ефективна газова горелка се нуждае едва от 2 до 3% допълнителен кислород или 10 до 15% излишен въздух в димните газове, за да изгаря ефикасно горивото, без да произвежда излишен въглероден монооксид.

Голяма част от популярните модели на пазара се характеризират с коефициенти от порядъка на 10:1 или 12:1 при пренебрежима или нулева загуба на горивна ефективност. При маслените горелки съотношението достига 20:1, а при газовите – 35:1. По-високите стойности на този показател редуцират времето за стартиране на горелката, осигуряват по-добър контрол на натоварването, намаляват износването на оборудването, както и влошаването на огнеупорните му свойства, намаляват количеството въздух на изхода на системата и осигуряват отлични икономии на гориво.

Високоефективните съвременни горелки подават гориво-въздушна смес в подходящо съотношение през целия диапазон на разход и интензивност. Някои модели са оборудвани със сервомотори с паралелно позициониране, които осъществяват независимо управление на въздушния и горивния поток, постъпващи в системата.

Парни турбини и спомагателно оборудване

Парните турбини са сред ключовите компоненти на множество промишлени инсталации в различни отрасли - нефтено-газовата, химическата, целулозно-хартиената индустрия и т. н. Те осигуряват възможности за надеждна доставка на технологична пара с висока енергийна ефективност на процеса. Освен на големите турбини в тези сектори, генериращи мощност от порядъка на 10 – 60 MW, е възможна ефективната експлоатация и на по-малки варианти от порядъка на 2 MW, които са популярни в хранително-вкусовия сектор например.

Безпроблемната и рентабилна работа на една парна турбина зависи от избора на подходящ модел (с обратно налягане или кондензаторна), прецизно оразмеряване, както и правилното й интегриране в мрежата от топлообменни апарати. Ефективността на паротурбинните агрегати се увеличава, когато се използва регенеративно извличане на пара от турбината. Регенеративното извличане е неконтролирано изпускане на парата с цел повишаване на температурата на захранващата вода в агрегата. В този цикъл питателната вода се загрява от топлината, отделена в процеса на охлаждане и кондензация на парата.

Кондензиращите парни турбини имат ефективност в диапазона 36 до 42%. От това следва, че само малка част от топлината, отделена в процеса на изгаряне на горивото, се трансформира в ефективна работа. Турбинните агрегати за производство на енергия и пара имат по-висока обща ефективност.

Част от спомагателното оборудване в една промишлена парна инсталация обикновено са паросепараторите, които отделят капките влага от водната пара, пароакумулаторите – големи изолирани съдове под налягане, които са частично пълни с гореща вода (наситена течност), както и т. нар. пароспирачки или кондензни гърнета, които биват механични, термодинамични или термостатични.

Други компоненти на индустриалните парни системи (особено в рафинериите) са: дестилационни кули, изсушители, изпарители, процесни топлообменници, т. нар. ребойлери или топлообменници, използвани за генериране на пара, подавана към дъното на дестилационната колона, инсталации за реформинг, компонентни сепаратори, парни инжектори и ежектори, изпарителни секции в ректификационните колони, термокомпресори и т. н. На етап крайно потребление на технологичната пара се използват още абсорбционни чилъри, овлажнители, бобини за предварително или последващо загряване на технологичен въздух и т. н.

Популярни стратегии за повишаване на ефективността

Експертите популяризират набор от препоръки, чрез които е възможно значителното повишаване на ефективността на парните инсталации в различни промишлени приложения. В етапа на производство на технологична пара е добре да бъде минимизиран излишният въздух, необходим за горивния процес. Важно е повърхностите на котлите, през които се извършва трансфер на топлинна енергия, да бъдат регулярно почиствани. Препоръчителна е комбинация от котли под високо налягане и турбинни генератори с обратно налягане. Интегрирането на система за пречистване на технологичната вода би редуцирало нуждата от продухване на инсталацията. Огнеупорните свойства на котлите е важно да бъдат налице и да бъдат поддържани, а в обратния случай е необходимо тяхното възстановяване. Обезвъздушаването е нужно да става с подходяща скорост.

На етап дистрибуция е от критично значение да бъдат отстранени всички течове, както и предотвратени загубите на пара при обезвъздушаване. Тръбопроводите, спирателно-регулиращата арматура (клапаните, фитингите и т. н.), както и резервоарите и всички съдове трябва да бъдат добре изолирани. Специалистите препоръчват създаване на специална програма за поддръжка и профилактика на кондензните гърнета. Притокът на пара към неизползваните сектори на инсталацията е необходимо да бъде ограничен. Вместо редуциращи клапани могат да бъдат използвани турбини с обратно налягане.

Във фазата на утилизация на наличните отпадни енергоносители е добре да се обърне специално внимание на кондензата и рекуперацията на възможно най-много топлинна енергия от него. С кондензат под високо налягане може ефективно да бъде произвеждана пара под ниско налягане. Във всяка точка, в която това е възможно, е добре да бъдат инсталирани икономайзери, например за питателната вода в котелната система. От продухването на котлите също е възможно и препоръчително да рекуперира енергия. Топлина пък е важно да се възстановява от всички отработени изходящи потоци.

Развитието на технологиите в сферата на измервателната апаратура позволява инсталирането на безжични сензори в различни критични зони на парната инсталация (например кондензните гърнета), на база данните от които да се извършва непрекъснат мониторинг на системата и незабавно да се откриват различни неизправности като течове.

В поддръжката на котлоагрегатите пък могат да бъдат внедрени иновации като базирани на изкуствен интелект платформи за превантивна диагностика, които да регистрират не само възникнали, но и потенциални проблеми, да следят сервизния живот на всеки компонент и да спомагат за предотвратяването на скъпи и времеемки аварии.

Препоръчително е инсталирането на честотни регулатори в котелните системи, както и инвестирането в горелки с автоматизирани цифрови системи за управление на горенето, които да извършват интелигентен мониторинг на процеса. Ретрофитът на инсталацията с високоефективна горелка би спомогнал за значителни икономии на гориво (с около 20%) и би се изплатил за изключително кратък период, обикновено от порядъка едва на няколко месеца.