Глава девятая ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК МЕЖДУ КОТЛАМИ
9.1. ВЫБОР ВКЛЮЧАЕМЫХ КОТЛОВ
Проблема оптимального распределения нагрузок между котлами имеет две стороны. Во-первых, необходимо рассмотреть практически важный вопрос, какие именно котлы следует включать для покрытия имеющейся нагрузки, поскольку в большинстве случаев нагрузка промышленных котельных может быть обеспечена при работе части имеющихся котлов. Во-вторых, для уже включенных в работу котлов следует решить вопрос об их оптимальной загрузке. Сначала рассмотрим первую задачу — сколько котлов и каких именно следует включать в работу для достижения минимального расхода топлива при данной загрузке котельной. Следует отметить, что для многих промышленных котельных важнейшим потребителем тепловой энергии являются системы отопления и вентиляции, для которых действительная нагрузка близка к расчетной практически только несколько недель в году. Кроме того, промышленные котельные часто строят с учетом дальних перспектив расширения предприятий, и даже максимальные нагрузки настоящего времени могут быть значительно ниже номинальной тепловой мощности котельной. Для выбора включаемых котлов (на данный квартал, месяц, сутки) следует учесть их производительность, экономичность, условия работы на резервном топливе, необходимость планового ремонта и другие условия эксплуатации. Эта работа должна проводиться наладчиками объективно, без оглядки на сложившуюся в данной котельной практику. Возможны случаи, когда старые неэкономичные котлы эксплуатируются вместо новых, более экономичных, но к которым эксплуатационный персонал пока не привык. В некоторых пароводогрейных котельных одной из причин, по которой значительная часть отопительно-вентиляционной нагрузки остается на старых паровых котлах, является работа калориферов приточных систем на паре. Перевод систем вентиляции на перегретую воду позволяет в этих случаях повысить экономичность теплоснабжения не только за счет передачи тепловой нагрузки котельной на более экономичные водогрейные котлы, но и за счет более эффективного регулирования систем теплоснабжения. Иногда для работы на мазуте выделяют самые неэкономичные котлы, которые подлежат демонтажу, и при значительной доле мазута в годовом расходе топлива это может привести к заметному снижению экономичности котельной. При наличии в котельной групп котлов условия их включения в работу зависят прежде всего от нагрузки котельной. Например, в котельной имеются три старых котла ДКВ-6,5 с общим газоходом и групповым экономайзером и три более новых котла ДКВр-10 с индивидуальными дымососами и экономайзерами. Суммарная производительность котлов типа ДКВ 20 т/ч, КПД — 82 — 84%. Более современные котлы типа ДКВр имеют суммарную производительность до 40 – 45 т/ч, КПД — 89 – 91%. Совершенно очевидно, что для суммарных нагрузок котельной до 40 – 45 т/ч целесообразно использовать только котлы типа ДКВр. Вообще при такой явной разнице в экономичности между группами котлов следует по возможности не включать в работу котлы типа ДКВ и рассмотреть вопрос об их списании и демонтаже, если в зимнее время нагрузка котельной не превышает 40 т/ч. Если обойтись без них нельзя, надо ставить вопрос об их замене на современное котельное оборудование. В таких случаях целесообразно рассматривать вопрос о реконструкции котельной с заменой устаревшего оборудования — деаэраторов с плоскими днищами, питательных и других насосов, химводоочистки. Выбор оптимальных условий сжигания резервного топлива (мазута) в газовых котельных является весьма ответственной наладочной рекомендацией, так как включение для работы на мазуте котлов, работавших ранее только на газе, приведет к практически необратимому снижению их экономичности при последующей работе на газе. Степень загрязнения поверхностей нагрева при работе на мазуте может устанавливаться довольно быстро и при последующей работе котлов на мазуте увеличивается медленно. Степень загрязнения определяется наличием в продуктах сгорания золы и особенно сажевых частиц, и в связи с этим она сильно зависит от качества сжигания. Кроме того, загрязнение поверхностей нагрева зависит от температуры стенки поверхности нагрева. При наличии сернокислотной росы на стенке к ней прилипают все твердые частицы, находящиеся в продуктах сгорания, и степень загрязнения поверхностей нагрева может быстро прогрессировать, вплоть до выхода котла из строя (см. гл. 2). В дальнейшем при работе котла на газе за счет подсушивания отложений начинается их постепенное разрушение, и степень загрязнения может постепенно уменьшаться. При работе котельной в течение практически всего отопительного сезона на мазуте степень загрязнения отдельных котлов может меняться в разной степени, так что экономичность котлов может сильно зависеть от длительности их работы на мазуте. В летний период при работе на газе и после чистки (обмывки) их экономичность может быть повышена до исходного уровня. По имеющимся данным эксплуатационного учета и специальных испытаний можно построить зависимость КПД котлов от длительности их работы на мазуте и на основе этих зависимостей выявить оптимальные условия их загрузки. В зависимости от условий загрузки котельной, доли мазута в годовом расходе топлива, условий газоснабжения могут быть выбраны различные варианты работы на газе и мазуте. При малой загрузке котельной, когда максимальное теплопотребление может быть обеспечено работой части котлов, можно рассмотреть вариант, когда на мазуте работают только специально выделенные для этого котлы, а остальные — только на газе. В зависимости от годового расхода мазута для этого можно выбрать либо более экономичные котлы (при значительном расходе мазута), либо менее экономичные (при малом расходе мазута). При малом расходе мазута может оказаться целесообразным сжигать мазут и в устаревших малоэкономичных котлах. В этом случае снижение экономичности котельной при работе на мазуте может быть с избытком перекрыто повышенной экономичностью при сжигании газа в чистых экономичных котлах. Для повышения экономичности котлов, специально выделенных для сжигания мазута, следует предусмотреть мероприятия по повышению экономичности котлов на мазуте. Эти мероприятия могут включать реконструкцию горелок, замену и переделку форсунок, переделку амбразур, реконструкцию мазутного хозяйства, организацию периодических обмывок или наладку дробеочистки и т. п. (см. гл. 3). Целесообразность и эффективность таких мероприятий необходимо оценивать для каждой конкретной котельной. Эти мероприятия наиболее эффективны в случаях, когда доля мазута в годовом расходе топлива велика и экономичность котлов на мазуте заметно сказывается на среднегодовой экономичности котельной в целом. Выбор условий оптимальной загрузки котлов на газе и мазуте зависит также и от условий газоснабжения. В наиболее холодный период, когда нагрузки котельных максимальны, подача газа может отключаться полностью. В этом случае необходимо предусматривать работу котельной на одном мазуте и учитывать загрязнение котлов при последующей работе на газе. Если в холодный период газ в котельную все же будет подаваться хотя бы частично, то следует решать вопрос о целесообразности работы либо части котлов на мазуте, либо всех работающих в этот период котлов при совместном сжигании газа и мазута, что дает возможность снизить загрязнение работающих на мазуте котлов Выбор оптимальных условий работы котлов на газе и мазуте, как и любой выбор котлов по любым другим условиям, должен быть обоснован расчетом расхода топлива по всем суточным графикам нагрузки для планируемого года для различных вариантов загрузки. При этом для котлов, не работавших ранее на мазуте, оценку снижения КПД при работе на мазуте и при последующей работе на газе следует проводить по имеющимся материалам испытаний котлов в данной и других котельных. Для предварительных оценок можно использовать паспортные данные котлов, приведенные, в частности, в гл. 1. Для водогрейных котлов, у которых КПД имеет максимальное значение при нагрузке 40 — 50% номинальной и при увеличении нагрузки заметно падает, вообще может быть целесообразно распределить нагрузку на большее число котлов, что по расчетам [80], выполненным для водогрейных теплофикационных котельных с 3 – 6 котлами, дает экономию топлива до 3%. Для промышленных котельных, в которых обычно не бывает больше двух-трех водогрейных котлов, возможности такого распределения практически ограничены, но и для них целесообразно рассмотреть возможность включения в параллельную работу нескольких водогрейных котлов хотя бы на ограниченный период времени. Техническим обоснованием оптимального выбора количества и типа включаемых котлов является расчет расхода топлива для различных вариантов. В качестве примера приводится расчет для относительно простого случая, когда имеются три однотипных котла ДКВр-10 с практически одинаковой зависимостью КПД от нагрузки, приведенной на рис. 9.1. Расчетный суточный график нагрузки котельной, например, для рабочих дней четвертого квартала, приведен на рис. 9.2. Рассмотрим два варианта выбора включаемых котлов: 1) в работе постоянно два котла, нагрузка между ними распределена поровну; 2) в работе одновременно три котла, но с 22 до 7 ч один из них выводится в горячий резерв. Для удобства расчета зависимость экономичности котла от нагрузки представляется в виде графика зависимости bу от количества выработанной котлом тепловой энергии Qв, которая определяется по формуле (8.30). Удельный расход условного топлива bу, кг/ГДж, находим по формуле bу = 3412/ h (9.1) Зависимость bу от Qв представлена на рис. 9.3, где помимо основных шкал для (Qв, МВт, и bу, кг/ГДж, даны дополнительные шкалы Qв Гкал/ч, и bу, кг/Гкал. Расчет сведен в табл. 9.1. Выработанная за сутки котлами тепловая энергия суммируется по ступеням: Qсут в = (7·7 + 8·2+14·4+10·3+12·6 +9·2) 3600 = 867 000 МДж (867 ГДж), что соответствует 207,1 Гкал. Удельный расход условного топлива по варианту 1:
___________ * Расход топлива на растопку из горячего резерва. ______________________________________________________________________________________
b1 у = 32 700/867 = 37,72 кг/ГДж (157,9) кг/ГДж); по варианту 2: b2 у = 33 331/867 = 38,44 кг/ГДж (160,9 кг/Гкал).
По второму варианту суточный расход топлива больше, чем по первому, на (33331–32700)·100/32700 = 1,92%, т.е. почти на 2%. Необходимо отметить, что для других суточных графиков и другого вида зависимости рис. 9.1 результат может получиться иным. Заранее, т. е. без такого расчета, определить, какой из вариантов включения котлов является оптимальным, во многих случаях очень трудно. Аналогичные вариантные расчеты должны быть выполнены и для других суточных графиков. Для более сложных вариантов расчеты выполняются аналогично и также могут быть сведены в табл. 9.1. В расчетах для вариантов с остановами котлов в течение суток (как в приведенном примере) следует учитывать расход топлива на растопку котлов после останова.
На основе расчетов оптимального выбора котлов для всех суточных графиков планируемого года составляется технологическая карта загрузки котлов (табл. 9.2). Приведенная в технологической карте загрузка котлов должна учитывать не только их экономичность, но и условия эксплуатации — планово-предупредительные ремонты, работу на газе и мазуте и др. При определении расхода топлива за квартал и год следует учитывать расход топлива на растопки из холодного состояния, количество которых указано в технологической карте. Необходимо учитывать также расход электроэнергии в различных вариантах загрузки котельной.
9.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК МЕЖДУ РАБОТАЮЩИМИ КОТЛАМИ
Оптимальное распределение нагрузок между работающими котлами достигается при условии, когда относительные приросты расхода топлива всех работающих котлов равны между собой [82]. Относительным приростом называют первую производную dBy/dQв расхода условного топлива данным котлом Ву по его тепловой мощности Qв.
Таблица 9.2. Технологическая карта загрузки котлов на 19____г.
Общий вид зависимости By=f(Qв) приведен на рис. 9.4. Легко видеть, что приведенный здесь график отражает зависимость КПД котла от нагрузки (см., например, рис. 9.1). Если бы максимальное значение КПД, достигаемое при нагрузке Qоптв, имело бы место и при других нагрузках, то зависимость By=f(Qв) имела бы вид прямой, проходящей через начало координат (показана штриховой линией). В действительности, как известно, КПД котла при других нагрузках котла меньше и расход топлива соответственно больше, чем он был бы при h = hопт. Именно этим и определяется вогнутый вид зависимости By=f(Qв). Можно отметить также, что прямая, соответствующая работе котла при всех нагрузках с одинаковым КПД, должна проходить через начало координат, так как расход топлива при нагрузке, приближающейся к нулю, также должен при постоянном КПД котла стремиться к нулю. Действительная зависимость из-за ухудшения КПД котла при других нагрузках отклоняется от прямой в сторону большего расхода топлива. При нагрузке, стремящейся к нулю, расход топлива должен приближаться к некоторому значению Вуг.р, соответствующему расходу топлива на поддержание котла в горячем резерве. Касательная, проведенная к кривой Ву =f(Qв) через начало координат, касается ее в точке, где КПД имеет максимальное значение. Зависимость By=f(Qв) можно построить по результатам испытаний котлов. Относительный прирост при произвольной нагрузке Qмв представляет собой тангенс угла MNL наклона касательной MN, проведенной к кривой при данной нагрузке, и численно равен отношению длины отрезка ML в единицах расхода топлива (например, в СИ — кг/с) к длине отрезка LN, выраженной в соответствующих единицах (в СИ — МВт, причем 1 МВт = 1 МДж/с); нахождение относительного прироста bотн расхода топлива таким путем (графическое дифференцирование) не представляет принципиальных трудностей. Единица bотн в СИ находится как отношение (кг/с)/МВт = (кг/с)/(МДж/с) = кг/МДж; обычно используют единицу кг/ГДж.
Рис. 9.5. Распределение нагрузок по относительным приростам
В применяемой ранее технической системе единиц единица относительного прироста bотн находилась как отношение расхода топлива, кг/ч, к тепловой мощности котла, Гкал/ч, т. е. кг/Гкал. Значения удельного расхода топлива bу и относительного прироста расхода топлива bотн близки по значению. При нагрузке Qоптв, при которой КПД котла имеет максимальное значение, относительный прирост bотн точно совпадает с удельным расходом bу по значению. По изложенному здесь методу можно практически построить зависимость относительного прироста bотн от нагрузки котла по результатам его испытаний. Относительный прирост показывает, насколько возрастает (уменьшается) расход топлива при повышении (снижении) нагрузки котла на одну единицу. При повышении нагрузки в первую очередь должны загружаться котлы с низким относительным приростом, а при снижении нагрузки должны разгружаться в первую очередь котлы с максимальным относительным приростом — независимо от абсолютного уровня их КПД. Напомним, что эти соображения относятся только к распределению нагрузок между уже включенными в работу котлами. Вопрос о выборе котлов, которые должны быть включены в работу для данных условий, рассмотрен в предыдущем параграфе. Для нахождения оптимального распределения нагрузок между включенными в работу котлами строят в одном масштабе рядом их зависимости bотн = j(Qв) как показано на рис. 9.5. Затем проводят горизонтальные линии, соответствующие нескольким значениям относительного прироста, и строят суммарную зависимость bотн=j(Qв) для котельной в целом. Суммарная нагрузка котельной при данном относительном приросте, например по горизонтальной линии а равна сумме нагрузок QIa и QIIa всех работающих котлов при данном значении относительного прироста bотн. Построив заранее такую зависимость, можно для любой суммарной производительности котельной найти оптимальное распределение нагрузок между котлами. Аналогично вместо относительного прироста расхода топлива можно использовать и относительный прирост тепловых потерь [44]. В настоящее время для оптимизации распределения нагрузок между котлами начинают использовать ЭВМ. Это дает возможность выполнения оперативных расчетов и использования результатов в любой момент времени для всех возможных условий как в режиме совета оператору, так и для непосредственного управления загрузкой котлов. Кроме того, использование ЭВМ позволяет учесть не только зависимость общего расхода топлива от нагрузки, но и изменение ее по времени между ремонтами (чистками, обмывками) котла, а также расчет или измерение отдельных потерь теплоты. Такие расчеты выполняют для городских [21] и промышленных [48] ТЭЦ, а также и для промышленных котельных [98]. При этом выбор наивыгоднейшего числа работающих котлов выполняется путем прямого просчета и сравнения различных вариантов [21]. При отсутствии ЭВМ для условий наладки промышленных котельных расчеты, необходимые для оптимального распределения нагрузок по относительным приростам, могут быть выполнены и без использования ЭВМ. На рис. 9.6 приведены полученные в результате испытаний зависимости КПД двух котлов ДКВр-10 от нагрузки. Пересчет этой зависимости по формуле (9.1) позволяет перейти к зависимости by=f(Qв), приведенной на рис. 9.7. Для дальнейших расчетов удобно аппроксимировать экспериментальные кривые достаточно простыми аналитическими зависимостями, в качестве которых наиболее естественно использовать полиномы. Зависимость by=f(Qв) с достаточной точностью можно аппроксимировать полиномами вида bу = АQ2в+ВQв+С (9.2) Коэффициенты А, В и С полинома (9.2) находятся подстановкой известных значений bу и Qв, для трех точек. Точки лучше брать на краях и в середине рабочего диапазона нагрузок. В результате подстановок известных значений Qв и bу из полинома (9.2) получается система из трех линейных уравнений с тремя неизвестными – А, В, С. Решение этих систем с применением определителей или просто последовательных подстановок дает для двух
графиков рис. 9.7 значения коэффициентов, при которых полином (9.2) принимает вид b1 = 0,0641Q2- 0,891Q + 40,59; b2 = 0,0272Q2 - 0,336Q + 38,82. Полный расход условного топлива на котел By = byQв,. Умножая полученные выражения на Q и дифференцируя, получим аналитическое выражение для относительного прироста bотн: bIотн = 0,1923Q2 – 1,782Q + 40,59; bIIотн = 0,0816Q2 – 0,672Q + 38,82. Графики зависимости относительного прироста расхода топлива от нагрузки для каждого котла, построенные по этим аналитическим выражениям, приведены на рис. 9.8. Оптимальному распределению нагрузок отвечает равенство относительных приростов. Горизонтальной линии, проведенной на рис. 9.8 при некотором значении относительного прироста, соответствуют показанные на рисунке значения нагрузок, при которых суммарный расход топлива минимален. Равенство относительных приростов возможно только при нагрузке котла № 1, большей 7 МВт. При меньших нагрузках котла № 1 равенство bотн невозможно, и работа котла № 1 с нагрузкой менее 7 МВт в паре с котлом № 2 будет неизбежно вести к общему перерасходу топлива. В зоне минимального относительного прироста котла № 2 при нагрузках 4—5 МВт величина bотн имеет практически стационарное значение, и изменение нагрузки котла № 2 в этих пределах (при нагрузке котла № 1. близкой к 7 МВт) практически не влияет на КПД котельной в целом. Для суммарных нагрузок котельной до 18 МВт оптимальное распределение нагрузок можно получить, используя одинаковые значения bотн для обоих котлов. Окончательный график, представляющий собой диаграмму нагрузок, показан на рис. 9.9. Аналогичные диаграммы можно построить и для нескольких котлов. По диаграмме рис. 9.9 для суммарной нагрузки, например 12 МВт, можно определить оптимальное распределение нагрузок между котлами: котел № 1 — 7 и котел № 2 — 5 МВт. Элементарная проверка показывает,
Рис. 9.8. Относительные приросты расхода топлива в зависимости от нагрузки
что это распределение действительно является оптимальным. Суммарный расход условного топлива котельной можно определить по формуле bIу QIв + bIIу QIIв = bсру Qсумв = Всуму (9.3) где удельный расход топлива bу для каждого котла в зависимости от нагрузки QB определяется по графику рис. 9.7. Результаты расчетов bcрy по формуле (9.3) для суммарной нагрузки котельной 12 МВт при разном распределении нагрузок между котлами приведены на рис. 9.10. Из рис. 9.10 очевидно, что полученное по равенству относительных приростов распределение нагрузок (7 и 5 МВт) действительно является оптимальным. Однако при сдвиге распределения нагрузок в сторону увеличения нагрузки котла № 1 (вправо на рис. 9.10) суммарный расход топлива возрастает очень незначительно. Этот дополнительный результат, который нельзя непосредственно получить по методу относительных приростов, может быть очень полезен для практических целей. В связи с этим, учитывая также большую трудоемкость расчетов по методу относительных приростов (подбор коэффициентов полинома, вычисления значений полиномов), в ряде случаев целесообразно выполнить вместо расчетов по относительным приростам элементарные вычисления по (9.3), которые могут дать и дополнительную полезную информацию. В реальных условиях работы промышленных котельных действительные возможности распределения нагрузки между работающими котлами часто весьма ограничены. Можно отметить, что для котлов с очень близкими характеристиками (например, в случае рис. 9.1) оптимальным всегда является равное распределение нагрузок. Например, если принять для этого случая нагрузку одного из котлов близкой к минимальной, а второй котел по возможности загружать, то это приведет к суммарному перерасходу топлива. Расчет суточного расхода топлива котельной для этого варианта приведен в табл. 9.3. Легко видеть, что по сравнению с равной загрузкой котлов (вариант 1 табл. 9.2) перерасход топлива составляет (32 827 – 32 700)·100/32 700 = 0,4% Такая система расчета вариантов загрузки котлов по (9.3), очевидно, может быть применена и для котлов с различными характеристиками. Во многих практически важных случаях расчет вариантов загрузки котлов как по их выбору, так и по распределению нагрузок для характерных суточных графиков может быть выполнен по приведенной здесь методике, которая значительно менее трудоемка по сравнению с методикой расчета по относительным приростам. Общая методика выбора оптимальных условий загрузки котлов для практических потребностей наладки промышленных котлов состоит в следующем.
Таблица 9.3. Результаты расчета расхода топлива для котельной
1. По результатам анализа работы котельной выбирают для данного суточного графика возможные варианты загрузки котлов как по выбору, так и по распределению нагрузок между работающими котлами. 2. Для данного суточного графика для каждого из вариантов выполняют расчеты по формуле (9.3), которые оформляют по типу табл. 9.1 и 9.3. Основанием для выбора оптимального варианта является минимальный суточный расход топлива котельной. 3. В случаях, когда выбор вариантов распределения нагрузок между работающими котлами затруднителен (например, когда в работе одновременно находятся несколько котлов, зависимости КПД которых от нагрузки существенно различаются) целесообразно использовать для нахождения оптимального распределения нагрузок метод относительных приростов. Графики относительных приростов могут быть построены либо путем дифференцирования аппроксимирующих полиномов (9.2), либо непосредственным графическим дифференцированием зависимости By=f(QB). Эту работу наиболее целесообразно выполнять с использованием ЭВМ. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||