Модели и средства повышения эффективности и безопасности объектов теплоэнергетики

Назаренко Андрей Александрович научный сотрудник, ООО "Научный производственно-технологический центр ОКТАЭДР", аспирант, Донской государственный технический университет 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1 Nazarenko Andrei Aleksandrovich "Science, Production and Technology Center OCTAEDR" LLC, Research Fellow; Donskoy State Technical University, gradutate student 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, pl. Gagarina, 1 octaedr@list.ru

Введение. Промышленные и отопительные котельные всегда занимали одно из ведущих ролей, наряду с ТЭЦ в системах отопления промышленного производства и жилых массивов. Их значение трудно переоценить в теплоснабжении и энергетике нашего государства, а значит в её экономике и благосостоянии населения. Развитие промышленного производства, а так же строительство жилья обуславливают непрерывный рост потребления тепловой энергии. Всё это приводит к тому, что общая нагрузка промышленных и отопительных котельных, а также их количество возрастает. С их увеличением, возникают проблемы, связанные с ростом выбросов вредных веществ в атмосферу. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Однако кроме них в окружающую среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения металлов, сажа, углеводороды, а также остатки твёрдого, жидкого или газообразного топлива и канцерогенный бензопирен (С20Н12), из-за их неполного сгорания. Подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46% всего сернистого ангидрида и 25% угольной пыли выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями ^[1].

По данным Мосэнерго приведены характеристики (таб.1), расположение (рис.1) и зоны выбросов (рис.2) 19-ти ТЭЦ - источников загрязнения воздуха ^[2].

Рис. 1 – Расположение ТЭЦ в Москве

Таблица 1 - Сводные данные о ТЭЦ Москвы

Основные характеристики приведены в таблице (таб.1) и в обобщенном виде представлены в картографической форме (рис.2), где цветокоды (от белого цвета до черного) характеризуют интенсивность выбросов (от нуля до максимального значения). Данные по ряду ТЭЦ и ГРЭС, расположенных за пределами Москвы, не учтены ^[2].

Рис. 2 - Зоны выбросов

Для устранения проблем связанных с выбросом вредных веществ в атмосферу, большинство современных котельных и ТЭЦ используют дымовые трубы (рис.3) которые предназначены для отвода продуктов сгорания на такую высоту, при которой вред, наносимый окружающей среде, сводится к минимуму. Но, дымовые трубы не снижают количества вредных выбросов, а лишь позволяют разбросать последние на большую площадь. Следовательно, этот метод не избавляет от проблем нарушения существующих в природе трех основных циклов, обеспечивающих жизнедеятельность на нашей планете ^[3]:

- сезонных циклов круговорота кислорода в системе атмосфера-биосфера/гидросфера;

- годовой цикл круговорота воды в системе атмосфера-геосфера/гидросфера;

- семилетний цикл круговорота углерода в системе атмосфера-биосфера-геосфера/гидросфера.

Котельные и ТЭЦ нарушают эти циклы, «сжигая геосферу» (углеводородное топливо), и выбрасывая воду и углерод (его окислы) в атмосферу, изменяя тем самым климат на планете, являясь самыми уязвимыми объектами техносферы, с точки зрения пожарной безопасности. И на таких объектах потушить пожар очень сложно, если он распространяется на топливохранилище ^[3].

Рис. 3 - Типовая ТЭЦ

Системный анализ показал, что существующие технологии объектов теплоэнергетики, построенные на паровых котлах, имеют следующие принципиальные недостатки ^[3-5]:

- неэффективное использование избыточной энергии пара, которая бесполезно утилизируется в специальных редукционно-охладительных установках (РОУ),

- использование в качестве рабочего тела - воды в паровых котлах, что приводит к образованию в них накипи, которая выводит их из строя.

Следовательно, необходимо осуществить системный синтез функционирования котельных и ТЭЦ, используя инновационные методы и средства, в т.ч. при автоматизации технологических процессов, которые позволят ^[4-6]:

· восстановить природные циклы кислорода, воды и углерода,

· устранить проблемы, порождающие вредные выбросы,

· найти решение проблемы накипеобразования в паровых котлах,

· найти применение неиспользуемому энергетическому потенциалу паровых котлов,

· обеспечить требуемые уровни пожарной и экологической безопасности.

Добиться полного сгорания топлива, и, тем самым существенно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу, можно сжигая топливо не в атмосферном воздухе, а в кислороде ^[3,6].

Методы «газоразделения воздуха» на кислород и азот известны давно и реализуются в промышленных масштабах криогенными установками. Но этот способ является энергозатратным, трудоемким и не безопасным. Применяя наноматериалы и нанотехнологии, можно применить более эффективные способы сепарации воздуха, например, с помощью половолоконных мембран (рис.4). Себестоимость кубометра азота и кислорода, получаемого мембранными установками, на порядок дешевле криогенных. Кроме того, мембранные сепараторы способны вырабатывать кислород на месте, т.е. не требуют специальных средств хранения и транспортировки ^[6-8].

Рис. 4 – Мембраны сепаратора фирмы «PRISM PA»

Принципы работы мембранных установок хорошо известны и широко используются, в т.ч. за рубежом - это кнудсеновская диффузия, в соответствии с которой компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями, в связи с чем, коэффициент разделения смеси зависит от молекулярных масс ^[8]:

(1)

где и -числа молей компонентов соответственно, с молекулярными массами и .

Атмосферный воздух, почти на 99% состоит из азота и кислорода, а также 1% приходится на другие газы (углекислый газ, аргон и пр.). Каждый газ обладает собственным коэффициентом проницаемости, характеризующим его способностью проходить через мембрану. Кислород представляет собой «быстрый» газ, который диффундирует через стенку мембраны, в то время как азот проходит вдоль внутренней поверхности волокна, таким образом, на двух выходах мембранного сепаратора получаются два потока газов. Первый обогащён кислородом, а второй азотом. Затем, азот и кислород по трубам (рис.1) выводятся напрямую к тому месту, где требуется их практическое применение ^[7,8].

Существенным при этом является тот факт, что азот, накапливаемый в специальных ресиверах в результате сепарации кислорода из воздуха, можно применить в автоматизированной системе противопожарной защиты технологических процессов котельных и ТЭЦ, путем локального введения азота из трубопроводов в оборудование и устройства, предотвращая тем самым распространение огня, т.к. понижение концентрации кислорода делает невозможным процесс горения ^[7,9].

Крупнейшим производителем мембранных кислородных и азотных установок являются отечественные компании ООО «Краснодарский компрессорный завод» и ЗАО «ГРАСИС» (рис. 5), выпускающие, как стационарные, так и мобильные установки, в т.ч. для пожаротушения ^[7].

Рис. 5 – Мобильные мембранные комплексы

Тушение азотом имеет преимущества перед другими способами пожаротушения, так как в отличие от водяных систем, не повреждает электротехническое оборудование ^[7,9].

Инновационные технологии, например, паро-винтовые машины (ПВМ) могут когенерировать неиспользуемый энергетический потенциал паровых котельных с разным давлением и качеством пара в электрическую энергию, тем самым, превращая котельные в мини-ТЭЦ (рис.6). При этом, помимо обеспечения электроэнергией самого предприятия, с помощью ПВМ можно поставлять электроэнергию на сторону в несколько раз дешевле в сравнении с действующими тарифами, без дополнительного сжигания топлива и с минимальными затратами на эксплуатацию ^[4,10].

Рис. 6 - Паро-винтовая машина компаниb «Газавтоматика»

К достоинствам и преимуществам ПВМ можно отнести следующее ^[4,11]:

· высокий КПД и работа в широком диапазоне мощностей;

· нечувствительность к влажности и чистоте пара;

· возможность использования и в качестве основного, и в качестве вспомогательного источника электроэнергии;

· значительный моторесурс и возможность продолжения работы после капремонта;

· высокая надежность и ремонтопригодность;

· требуемый уровень безопасности;

· возможность установки ПВМ в существующих помещениях котельных, благодаря малой массе и небольшим размерам.

ПВМ разработана в России и не имеет зарубежных аналогов, представляя собой модифицированный тип парового двигателя, предназначенного для преобразовании механической энергии в электрическую, полученную за счёт остаточного давления пара ^[10,11].

ПВМ способна обеспечить предприятие электроэнергией, в 6-7 раз более доступной, по сравнению с действующими тарифам, при этом затраты на ее эксплуатацию остаются минимальными, а ресурс измеряется десятками лет. Это устройство отлично подходит для переоснащения действующих котельных с минимальным сроком выполнения всех необходимых работ.

Целесообразность подобной реконструкции обусловлена тем, что встраивание ПВМ (рис.7) может обеспечить дополнительную выработку около 100 кВт электрической мощности на каждую тонну произведенного пара и увеличение коэффициента использования топлива до 15%, при этом ^[4,10]:

- удельные капитальные затраты составят до 25000 руб./кВт, а расход условного топлива на выработку 1 кВт/ч электрической энергии - 150 грамм;

- при расширении в ПВМ насыщенного пара расходом 50 т/ч, например, от 1,4 до 0,12 МПа можно получить до 4 МВт электроэнергии;

- потребление газа возрастет примерно на 10%, а себестоимость произведенной электроэнергии составит не более 50 копеек за 1 кВт/ч;

- срок окупаемости проекта реконструкции котельной в мини-ТЭЦ составит от двух до четырех лет.

Рис. 7 – Схема включения ПВМ для мини ТЭЦ

Более того, стабильность электроснабжения котельных - важная социальная и технико-экономическая задача, т.к. их обесточивание, как правило, вызывает не только перебои в теплоснабжении населения или производственных потребителей, но и приводит к расхолаживанию систем отопления и огромным затратам на их ремонт. В этом случае ПВМ обеспечит бесперебойность снабжения котельной электроэнергией ^[3,11].

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) котельной должна обеспечивать автоматическую защиту мини-ТЭЦ при возникновении любой чрезвычайной ситуации. Защита заключается в приостановке поступления пара в ПВМ и моментальном отключении генератора от электросети ^[9,10].

Инновационным решением, ликвидирующим технологии химводоочистки, предотвращающие образование накипи в паровых и водогрейных котлах, путем использования катионных фильтров, является использование вместо воды агрегатных состояний элегаза (Хладона 510), который разработан в институте имени Кржижановского ^[5,11-13].

Рис. 8 - Структурная схема АСУ ТП мини-ТЭЦ

Помимо сокращения огромных затрат на химводоочистку, элегаз позволяет оптимизировать тепломассобмен в котле, а его исключительная химическая стабильность позволяют использовать его при длительном контакте практически со всеми конструкционными материалами. При этом существенными технологическими преимуществами элегаза являются невысокая чувствительность к загрязнениям трубопроводов, к наличию остаточной влаги, а также простота обнаружения утечек ^[5,13].

Последним инновационным решением является использование «биотуннелей» (рис.8), сформированных из вечнозеленых и сезонных сортов деревьев и кустарников, включая генетически измененную коноплю, который создается вместо труб, для поглощения воды и углекислого газа ^[3,6,12-14]. При этом «биотуннели» необходимо состыковать с «биотехнологиями утилизации углерода в геосферу», чем восстановить указанные выше «природные циклы», т.к. СО2 и Н2О могут поглощаться природным фотосинтезом деревьев и кустарников (с выделением О2 в атмосферу), а углерод и вода легко утилизируются в геосферу с помощью биогумусной и биотермической технологиях, основанных на природных процессах разложения их опада (гниения, употребления фитомассы в качестве пищи животными и др.).

Заключение. Принимая во внимание изложенное, можно выделить следующие способы устранения основных недостатков типовых проектных решений АСУ ТП объектов теплоэнергетики:

· использование паровых винтовых машин, для повышения эффективности и превращения паровых котельных в мини-ТЭЦ, вырабатывающих электрическую энергию,

· использование агрегатных состояний элегаза («Хладон-510») вместо воды и пара в паровом котле, для снижения себестоимости производства тепловой и электрической энергии, за счет ликвидации системы химводоочистки и связанных с ней эксплуатационных затрат,

· использование сепарированного из воздуха кислорода для полного сгорания углеводородных топлив, а также исключения из выбросов наиболее токсичных газов (СО, NOx, и др.)

· использование сепарированного из воздуха азота в подсистеме противопожарной защиты помещений и оборудования котельных и ТЭЦ,

· использование вместо труб котельных и ТЭЦ «выпускных коллекторов» необходимой пропускной способности внутри «биотуннеля» («биоквартала»), т.е. поглощения выбросов обсадкой из вечнозеленых и сезонных сортов деревьев и кустарников,

· восстановление природных циклов (воды, кислорода и углерода) с помощью природоподобных технологий с их соответствующей автоматизацией.