SELECTION OF LIQUID FUEL TYPE FOR BOILER ROOM

Full Text

Традиционно в Российской Федерации для генерации тепловой энергии для нужд промышленных комплексов и гражданского населения используются разнообразные энергоресурсы - от дров до ядерного топлива. Выбор конкретного вида топлива для теплогенерирующих установок различного назначения определяется с учетом его наличия в регионе, возможностей доставки, стоимости хранения и топливоподачи, а также экологических факторов. Приоритетным топливом для котельных в настоящее время является природный газ. Он поставляется к потребителю централизованно через сеть газопроводов (СП 62.13330.2011. Газораспределительные системы. Актуализированная редакция СНиП 42-01-2002). Однако при возникновении аварийной ситуации [1] в сети газоснабжения котельные переводятся на резервное топливо. Как правило, используется жидкое и твердое топливо. Твердое топливо в силу ряда экономических, технологических и экологических аспектов имеет строго ограниченную сферу применения. В качестве основных видов используемого в котельных жидкого топлива можно выделить топочный мазут, дизельное топливо (ДТ) и сжиженные углеводородные газы (СУГ) [2, 3]. DOI: 10.17673/Vestnik.2019.03.4 К. Ю. Дегтярев, Н. С. Зотов, С. А. Минкина, Е. А. Черноброва 23 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Целью настоящей статьи является сравнительный анализ экономических и экологических факторов использования различных вариантов резервного топлива. Рассмотрим технологический комплекс для каждого из видов топлива и рассчитаем экономические затраты резервного топливного хозяйства на примере паровой производственной котельной, расположенной в Самаре, в которой установлены три паровых жаротрубных котлоагрегата ТЕРМОТЕХНИК ТТ200 типа 6/12-196. В расчете будут учитываться цена резервного топлива и тепловые затраты для подготовки топлива на один год его содержания. Запас топлива рассчитан на трое суток непрерывного сжигания. Приняты следующие допущения. Не учитываются: - энергозатраты, связанные с электропитанием насосов, средств контроля и управления и др.; - исходные капиталовложения на оборудование для топливного хозяйства; - стоимость доставки топлива; - амортизация котельного оборудования. Мазут. Жидкое топливо подается в топку котла через форсунки, поэтому для качественного распыления и сжигания мазута, практически без недожога, необходимо, чтобы условная вязкость перед подачей его в форсунки была не более 6,8 ° условной вязкости (ГОСТ 10585-2013. Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия). Этого можно достигнуть при температуре мазута 100-110 °С. При этом в резервуарах для хранения мазута должна обеспечиваться температура 60-90 °С для поддержания жидкотекучего состояния и требуемых параметров, необходимых для непрерывной рециркуляции мазута во избежание его застывания в трубопроводах. Данные технологические операции требуют значительных эксплуатационных расходов. Кроме того, при горении мазута образуются окислы серы и появляется возможность образования серной кислоты, что отрицательно влияет на экологическую обстановку окружающей среды. Принципиальная схема мазутного топливного хозяйства представлена на рис. 1. Необходимое количество тепла на подогрев мазута определяется формулой [4]: Q1 = G·(1,736 + 0,00251·(t2 + t1)/2)× ×(t2 - t1)/4,187, ккал, (1) где G - количество топлива, требующее обогрева, кг; t1, t2 - температура до и после подогрева, °С. Для мазута нужно учесть подогреватель в резервуаре, греющий топливо до 70 °С при начальной температуре 10 °С. Следует отметить, что температура в резервуаре должна поддерживаться постоянно, вне зависимости от того, сжигается топливо или нет, поэтому нужно учитывать этот подогрев на протяжении всего времени работы котельной (350 суток). Распыление мазута через форсунки осуществляется с помощью парового дутья. Количество тепла, вносимого в топку с паровым дутьем, определяется формулой [4]: Q2 = 0,3·G·(iн.п. - 2400)/4,187, ккал, (2) где iн.п. - энтальпия пара, идущего на дутье или распыление топлива, кДж/кг. Рис. 1. Принципиальная схема мазутного хозяйства: 1 - цистерна; 2 - канал (лоток); 3 - приемный бак; 4 - насос перекачки из приемного бака; 5 - основной резервуар; 6, 10 - фильтры грубой и тонкой очистки; 7, 11 - насосы I и II ступеней; 8 - подогреватель мазута; 9 - линия рециркуляции мазутной насосной; 12 - аварийные задвижки; 13 - регулятор давления мазута; 14 - расходомер мазута; 15 - форсунки котла; 16 - рециркуляционный мазутопровод из котельной в мазутную насосную Дизельное топливо. ДТ не требует затрат на хранение и подогрев, так как его марка зависит от температуры окружающего воздуха в диапазоне от минус 5 до минус 45 °С (ГОСТ 305- 2013. Топливо дизельное. Технические условия). Состав продуктов сгорания ДТ аналогичен тому, который будет при сжигании мазута, однако концентрация вредных веществ значительно ниже. Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 24 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Весомым недостатком является цена на ДТ и ее активный рост вслед за подорожанием моторного топлива. При расчете стоимости эксплуатации Рис. 2. Принципиальная схема топливного хозяйства на ДТ: 1 - топливный насос; 2 - обратный клапан; 3 - обратный трубопровод; 4 - вентиляционный штуцер; 5 - заливная горловина; 6 - запорный кран; 7 - подающий трубопровод; 8 - фильтр; 9 - основной бак; 10 - кран для слива топлива; 11 - насос перекачки топлива; 12 - расходный бак; 13 - датчик уровня топлива; 14 - блок управления котельной для этого варианта учитывают лишь цену ДТ. Принципиальная схема топливного хозяйства на ДТ представлена на рис. 2. Рис. 3. Принципиальная схема подачи СУГ: 1 - резервуар СУГ; 2 - люк-лаз; 3 - арматурный узел резервуара; 4 - запорная арматура; 5 - трубопровод с жидкой фазой СУГ; 6 - трубопровод с паровой фазой; 7 - фильтр для жидкой фазы СУГ; 8 - насос; 9 - обратный клапан; 10 - регулятор давления жидкой фазы; 11 - пружинный клапан безопасности; 12 - нормально-закрытый пневматический запорный клапан; 13 - конденсатосборник; 14 - жидкостный испаритель; 15 - трубопровод паровой фазы; 16 - фильтр паровой фазы; 17 - регулятор давления паровой фазы; 18 - датчики давления; 19 - штуцер для отбора пробы паровой фазы СУГ Сжиженные углеводородные газы. Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан, также в виде примесей могут присутствовать легкие и более тяжелые предельные и непредельные углеводороды. Температура кипения сжиженного пропана составляет минус 42,1 °С, а бутана - минус 0,5 °С [5], следовательно, за счет изменения объемной доли компонентов в смеси можно регулировать характеристики топлива, обеспечивая требуемые параметры хранения, которые задаются территориальными климатическими условиями. СУГ перед сжиганием переводятся в газообразное состояние, поэтому перед подачей топлива на горелки сжиженная фаза подается в испарительную установку, в которой образуется паровая фаза. Также в резервуаре происходит естественная регазификация СУГ, позволяющая подавать образовавшийся насыщенный пар в обход испарительной установки, тем самым осуществляется снижение затрат тепла на искусственную регазификацию СУГ [6]. Сжигание этого вида топлива происходит с большей полнотой сгорания и практически отсутствием вредных выбросов в атмосферу. Принципиальная схема подачи СУГ приведена на рис. 3. К. Ю. Дегтярев, Н. С. Зотов, С. А. Минкина, Е. А. Черноброва 25 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Для сжиженных углеводородных газов затраты тепла связаны с искусственной регазификацией, осуществляемой в водяном испарителе Azeovaire A640W [7]: Q3 = 3·24·0,75·LT·(T1 - T2)·ρ, ккал/кг, (3) где 0,75 - коэффициент, характеризующий естественное испарение СУГ в резервуаре; LT - расход теплоносителя в испарителе, 17,04 м3/ч; T1, T2 - температура теплоносителя до и после испарителя, принимается 90 и 40 °C соответственно; ρ - средняя плотность теплоносителя, принимается 978 кг/м3. Необходимо учитывать следующий факт, что переход с основного вида топлива на резервное осуществляется после непосредственной остановки котельного агрегата. Это связано с соплом горелки, размер которого определяется по теплотворной способности природного газа. Поскольку данная характеристика у СУГ сильно отличается от природного газа, для обеспечения нормальной работы горелки необходимо произвести замену сопла. Помимо этого нужно произвести настройку горелки по давлению топлива перед котлом и отрегулировать подачу воздуха на горение. Время, затраченное на данные операции, зависит от конструктивных особенностей горелочного устройства и квалификации рабочего персонала. При использовании резервного топлива - СУГ нужно также учесть, что будет затрачено такое же время при переходе с резервного топлива на основное. Практически избежать простои, связанные с переходом на резервное топливо и обратно, возможно лишь с остановкой котельных агрегатов [8]. В последнее время развитые западные страны успешно реализовали технологию «Propane-Air». Данный технологический метод позволяет получать синтетический природный газ (SNG - synthetic natural gas) - смесь воздуха и паровой фазы СУГ. Данная смесь, при верном соотношении СУГ с воздухом, по энергетическим характеристикам практически идентична природному газу [8]. Эта система позволяет значительно повысить уровень автоматизации перехода на резервное топливо, что особенно актуально для предприятий, где необходима бесперебойная подача тепла для производственного процесса, а также для потребителей первой категории. Для получения газовоздушной смеси применяются два типа смесителей: смесительный клапан (рис. 4) и трубки Вентури (рис. 5). Первый вариант позволяет регулировать состав газоводушной смеси в автоматическом режиме для обеспечения требуемого температурного режима эксплуатации, давления на входе и выходе, необходимой производительности, режима эксплуатации, свойства природного газа и других параметров. Данная установка чаще всего применяется, когда условия эксплуатации нестабильны при получении высокого давления SNG. Поэтому стоимость установки на смесительном клапане значительно выше, чем трубки Вентури. Трубки Вентури по сравнению со смесительным клапаном не обладают данным уровнем автоматизации, однако для условий котельной это и не требуется, так как большинство паровых и водогрейных котельных работают на низком и среднем давлении. Состав SNG регулируется подачей воздуха с помощью ручного воздушного дроссельного клапана (рис. 5, поз. 8). Если в газгольдерах произойдет разделение пропан-бутановых фракций, то калориметр сигнализирует о изменении состава смеси (рис. 6), следовательно, необходимо изменить положение дроссельного клапана [8]. Расчет затрат. Результаты расчета затрат тепла для рассмотренных вариантов применения жидкого топлива для сжигания в котельных приведены в табл. 1. Таблица 1 Вид топлива Теплота сгорания, МДж/кг КПД, % Расход топлива котельной, т/ч Общий запас топлива G, т Тепловые затраты на подогрев топлива Q, ккал/кг хранение сжигание Мазут 40,53 0,85 1,3 90,5 835176858 2494487 ДТ 42,62 0,875 1,2 83,6 - - СУГ/SNG 46,1 0,9 1,0 75,2 - 37232460 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 26 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Рис. 4. Принципиальная схема SNG на базе смесительного клапана: 1 - регулятор давления; 2 - пневматический трехходовой клапан; 3 - редуктор с электрическим переключателем; 4 - двойной трехходовой клапан; 5 - датчик дифференциального давления; 6 - регулятор давления с фильтром; 7 - электромагнитный клапан; 8 - переключатель дифференциального давления; 9 - устройство для управления смесительным клапаном; 10 - осушитель воздуха; 11 - воздушный компрессор; 12 - переключатель давления; 13 - пневматический регулятор с электрическим переключателем; 14 - смесительный клапан; 15 - трубопровод паровой фазы; 16 - манометр Рис. 5. Принципиальная схема SNG на базе трубок Вентури: 1 - газовый фильтр; 2 - регулятор давления; 3 - датчик расхода и давления; 4 - электромагнитный клапан; 5 - пневматический клапан (СУГ); 6 - воздушный обратный клапан; 7 - пневматический клапан (воздух); 8 - дроссельный клапан с датчиком давления; 9 - воздушный фильтр; 10 - корпус трубки Вентури; 11 - переключатель с датчиком давления; 12 - резервный переключатель давления; 13 - ресивер; 14 - сбросной клапан; 15 - манометр К. Ю. Дегтярев, Н. С. Зотов, С. А. Минкина, Е. А. Черноброва 27 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Расчет общей стоимости складывается из затрат на технологические издержки и стоимости полной заправки топлива: З = З1 + З2, тыс. руб., (4) З1 = G + GT, тыс. руб., (5) где GT - средняя рыночная цена топлива, руб./т. З2 = ΣQi·y·10-6, тыс. руб., (6) где y - средний тариф тепловой энергии по Самарской области, руб./Гкал. Результаты расчетов приведены в табл. 2. Расчет выбросов продуктов сгорания. Наряду с экономическими аспектами, суще- Рис. 6. Принципиальная схема анализа газовоздушной смеси Таблица 2 Вид топлива Цена топлива CT, тыс. руб./т Стоимость полной заправки топлива З1, тыс. руб. Средний тариф тепловой энергии y, тыс. руб./Гкал Стоимость технологических издержек З2, тыс. руб. Общая стоимость З, тыс. руб. хранение сжигание Мазут 19,1 1728,8 1,73 1444,9 4,3 3177,9 ДТ 46,5 3888,1 - - 3888,1 СУГ/SNG 27,1 2039,0 - 64,4 2103,4 ственным фактором, определяющим выбор тех или иных видов топлива, является номенклатура и концентрации загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании топлива. Расчет выделений загрязняющих веществ для рассмотренных видов резервного топлива выполнен в соответствии с «Методикой определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час (с учетом методического письма НИИ Атмосфера № 335/33-07 от 17 мая 2000 г.)» (М., 1999). Составы исследуемых топлив представлены в табл. 3; результаты расчетов - в табл. 4. В расчете присутствует Таблица 3 Вид сжигаемого топлива Плотность ρ, кг/м3 Объемная доля элементарного состава топлива, % C CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 H2 O2 CO2 S Аr Природный газ - Оренбург- Совхозное 0,883 - 91,4 4,1 1,9 0,6 0,2 1,1 - 0,7 - - Мазут М100 990 84,65 - - - - 0,07 11,7 0,03 - 0,5 0,14 Дизельное топливо 850 86,3 - - - - - 13,4 0,1 - 0,2 0,025 СУГ 587 - - - 50 50 - - - - - - SNG 1,851 - - - 28,35 28,35 34,21 - 9,09 - - - Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 28 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ природный газ как эталон наиболее «чистого» топлива для качественной оценки количественных характеристик загрязняющих веществ. Диаграммы, иллюстрирующие выброс загрязняющих веществ, приведены на рис. 7, а их концентрации - на рис. 8. Таблица 4 Вид топлива Наименование Масса выброса, г/с Макс. концентрация, мг/м3 Природный газ Диоксид азота 0,5529 0,18 SNG 0,5529 0,075 СУГ 0,5529 0,075 ДТ 1,2786 0,18 Мазут 1,2786 0,18 Природный газ Оксид азота 0,08985 0,006 SNG 0,08985 0,006 СУГ 0,08985 0,006 ДТ 0,2079 0,015 Мазут 0,2076 0,015 Природный газ Углерод оксид 1,2981 0,006 SNG 0,6489 0,003 СУГ 1,2978 0,006 ДТ 2,5287 0,015 Мазут 5,8971 0,033 Природный газ Бензапирен 0,0000006 0,003 SNG 0,0000003 0,003 СУГ 0,0000003 0,003 ДТ 0,0000027 0,024 Мазут 0,000003 0,024 ДТ Сера диоксид 1,1937 0,066 Мазут 5,3328 0,303 ДТ Сажа 0,3177 0,177 Мазут 0,3969 0,225 К. Ю. Дегтярев, Н. С. Зотов, С. А. Минкина, Е. А. Черноброва 29 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Рис. 7. Результаты расчета выброса Масса выброса, г/с Масса выброса, г/с Масса выброса, г/с Масса выброса, г/с Масса выброса, г/с Масса выброса, г/с Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 30 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Рис. 8. Результаты расчета концентрации К. Ю. Дегтярев, Н. С. Зотов, С. А. Минкина, Е. А. Черноброва 31 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 По результатам расчетов можно сделать вывод, что наиболее экономичным из рассмотренных вариантов является применение сжиженных углеводородных газов, так как они дешевле ДТ почти в 2 раза и в 1,5 раза дешевле мазута. Кроме того, использование СУГ (SNG) является наиболее экологичным вариантом.

About the authors

Konstantin Yu. DEGTYAREV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nikolay S. ZOTOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Svetlana A. MINKINA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ekaterina A. CHERNOBROVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files