Системы теплоснабжения

Источники тепловой энергии, обеспечивающие промышленные предприятия паром и горячей водой, можно разделить на две группы:

внешние источники теплоты - заводские и районные ТЭЦ и котельные;

внутренние источники теплоты - технологические агрегаты, в которых образуются вторичные энергоресурсы. При необходимости ВЭР преобразуются в пар или горячую воду в специальных утилизационных установках.

Потребители пара промышленных параметров при наличии собственных источников тепловой энергии, в число которых входят и утилизационные установки, на своей территории организовывают rобъединенную систему пароснабжения, к которой подключаются несколько источников теплоты, как внутренних, так и внешних. Это позволяет сглаживать неравномерность поступления теплоносителей от утилизационных установок, режим работы которых непосредственно зависит от режима работы основного технологического агрегата - источника ВЭР.

Доля поступления теплоты от утилизационных установок зависит от характеристик основных технологических процессов промышленного производства и в среднем составляет 8-10 % (таблица 1). Так, на производствах с высокотемпературными технологиями доля выработки пара от внутренних утилизационных источников, которыми чаще всего являются котлы-утилизаторы, достаточно высока и может достигать 7 % суммарного потребления.

В низкотемпературных технологиях доля утилизируемой теплоты незначительна и составляет всего 4-8 %.

Таблица 1 - Источники теплоснабжения предприятий химический отрасли промышленности

Крупные промышленные предприятия от внешних источников получают в основном перегретый пар. ОТ ТЭЦ и крупных центральных котельных поступает пар, перегретый относительно температуры насыщения на 50-100 ОС, чтобы покрыть тепловые потери при транспорте теплоносителя. Степень перегрева пара в зимний период повышается, так как возрастают потери теплоты в окружающую среду из-за понижения температуры наружного воздуха.

При использовании пара в тепловых процессах его перегрев не играет существенной роли, так как доля теплоты, передаваемой за счет его охлаждения до температуры насыщения, очень мала, по сравнению с долей теплоты, передаваемой за счет скрытой теплоты конденсации пара. Однако при этом условия эксплуатации теплообменного оборудования ухудшаются и возрастают потери с пролетным паром.

Для обеспечения тепловых нагрузок преимущественно используется насыщенный пар среднего и низкого давления. Перегретый пар среднего и высокого давлен ил используется в силовых процессах. Если для ведения технологических процессов требуется пар более высокой температуры 400-600 ⁰С, то у потребителя устанавливаются специальные центральные пароперегреватели (рисунок 1). За счет сжигания природного топлива в них достигается необходимая температура пара, полученного от внешних источников.

В заводских котельных, в том числе и утилизационных, преимущественно вырабатывается сухой насыщенный пар. Однако вследствие слабого контроля за степенью сухости отпускаемого пара к потребителю часто поступает влажный пар. В результате возрастают тепловые потери в теплоиспользующем оборудовании и снижается гидравлическая устойчивость транспортирующей паровой сети, поскольку в паропроводе увеличивается образование конденсата.

При поиске решений по организации эффективных систем пароснабжения промышленных предприятий необходимо рассматривать разнообразные процессы производства, транспорта, регулирования и потребления промышленного пара. Таким образом, система снабжения паром промышленного предприятия представляет собой комплекс различных установок и устройств, обеспечивающих эти процессы.

В целях упорядочения пароснабжения промышленных предприятий и снижения необоснованных потерь пара, связанных с несоответствием режимов работы потребителей и источников тепловой энергии в определенные отрезки времени, необходимо оптимизировать потребление пара. Нарушение расчетных графиков прихода и расхода теплоты по расходу и параметрам приводит к отклонению режимов работы источников пароснабжения от оптимальных, необходимости резервирования мощности, возрастанию затрат на сооружение аккумулирующих установок и, следовательно, к перерасходу топлива, материальных и денежных средств.

Эта задача может быть решена только математическим моделированием реальных процессов, позволяющим учесть многочисленные факторы, влияющие на эффективность и устойчивость работы систем в выявленных диапазонах отклонений параметров.

Рисунок 1 - Центральный пароперегреватель ЦП-60-С:

1 – горелочное устройство; 2 – экранированная топочная камера; 3 – фестон; 4 – пароперегреватели; 5 – взрывные клапаны; 6, 8 – воздухоподогреватели; 7 – догреватель топочного газа

Для построения моделей необходимо иметь надежную и подробную информацию о тепловом потреблении и уровне сопутствующих потерь теплоты. К сожалению, на промышленных предприятиях практически отсутствует информационная база по пароконденсатным балансам паропотребляющих установок, что не позволяет провести достоверный анализ эффективности энергопотребления объектов и характерных режимов их эксплуатации.

Системы технологического пароснабжения промышленных предприятий классифицируются по следующим признакам:

o вид основного источника пароснабжения: ТЭЦ, центральные или местные котельные;

o объем потребления пара: малое - до 6 кг/с; среднее 6-20 кг/с; большое - более 20 кг/с;

o состояние пара: перегретый, насыщенный, совместное использование перегретого и насыщенного пара;

o давление пара на входе в распределительную паровую сеть предприятия: низкое - менее 0,3 МПа; среднее - от 0,3 до 0,9 МПа; повышенное - от 0,9 до 1,5 МПа и высокое - более 1,5 МПа;

o сложность паровой сети: протяженность, разветвленность и пр.; организация систем сбора и возврата конденсата: закрытого и открытого типов;

o структура теплопотребления: с преобладанием технологических или санитарно-технических нагрузок;

o характер графика теплопотребления в течение рассматриваемого периода (суток, сезона, года): резко выраженный, равномерный.

Рисунок 2 – Схема подключения котельной к сети

1,4-гребенки распределения пара; 2-предохранительные клапаны; 3-редукционный клапан; 5-гидрозатвор; 6-паромер; 7-система сброса; 8-воздушная трубка; 9-паровая магистраль; 10-влагоотделитель; 11-водомер; 12-система сброса в конденсатопровод; 13-конденесатный насос; 14-конденсатный бак; 15-пар низкого давления; 16-сборный коденсатопровод.

От внешних источников пар промышленных параметров (давлением 0,8-3,5 МПа) поступает по магистральному паропроводу. При давлении более 3 МПа он направляется к потребителям, минуя центральный тепловой пункт (ЦТП); пар с давлением менее 3 МПа из магистрали сначала поступает на ЦТП. Здесь устанавливаются регулирующая арматура, регистрирующие и контрольно-измерительные приборы. Если на производстве используется пар давлением 0,6-0,9 МПа.

На ЦТП предусматривается редукционная установка (РУ) или редукционно-охладительная установка (РОУ).

Центральный тепловой пункт располагается в одном из производственных зданий или специально отведенном помещении в центре системы распределения пара между потребителями. На крупных промышленных предприятиях с протяженными и разветвленными паровыми сетями устанавливается несколько ЦТП. Выбор места их расположения зависит от распределения нагрузки по территории предприятия и удаленности потребителей.

Нa рисунке 2 показана схема подключения котельной к паровой сети через парораспределительный двухступенчатый коллектор. Ступени разделяются редукционным клапаном.

Доля отопительно-вентиляционной нагрузки в общей присоединенной тепловой нагрузке промышленного предприятия непосредственно зависит от профиля данного предприятия. В частности, отопительно-вентиляционные нагрузки крупных нефтехимических предприятий составляют 5-7 %, а на химических предприятиях достигают 20 - 30 % общего потребления теплоты. Горячая вода на покрытие этих нужд обычно поступает от центральных внешних и заводских источников теплоты.

Отопление производственных помещений часто совмещается с системой приточной вентиляции. Температура воздуха, поступающего в помещения в отопительный период, повышается от -40 ... + 10 до 25–40°С. Отопление административных помещений организуется по той же схеме, что и объектов коммунально-бытового сектора.

В настоящее время на некоторых промышленных предприятиях еще сохранились паровые отопительные системы, но их постепенно меняют на водяные. Это продиктовано следующим: водяные системы позволяют организовать качественное регулирование температурного режима отопительных систем в соответствии с температурой наружного воздуха и обеспечить лучшие санитарно-гигиенические условия отапливаемых помещений.

Сантехнические нагрузки промышленных предприятий составляют 2-10 % в структуре общего теплопотребления. Присоединение местных потребителей горячей воды к тепловым сетям можно осуществлять по смешанной или последовательной схеме, однако в действительности предпочитают устанавливать специальные пароводяные теплообменники. Это объясняется несоответствием режимов теплофикационных и сантехнических нагрузок. Потребление горячей воды происходит круглогодично, поэтому в длительный летний период, когда отопительно-вентиляционные нагрузки отсутствуют, содержание протяженной сильноразветвленной сети только на нужды горячего водоснабжения оказывается экономически невыгодным. Кроме того, температура воды, требуемой некоторыми технологическими потребителями, оказывается несколько завышенной по отношению к расчетным для открытых или закрытых систем горячего водоснабжения. Например, для отмывания сильно загрязненных техническим маслом или нефтепродуктами деталей требуется горячая вода температурой выше 70 ⁰С. В душевых, прачечных, столовых может использоваться вода более низкой температуры - 45 ⁰С. В том случае, когда сантехническая нагрузка обеспечивается местными пароводяными теплообменниками, она учитывается в общей паровой нагрузке предприятия.