Прежде чем начать обзор пароконденсатных систем и перейти к описанию технической части, мы расскажем о том, как вообще используется пар, и какими преимуществами обладает.
Во времена начала технической революции понятие “пар” у людей ассоциировалось в основном с паровозом. Однако с тех времен изменилось очень многое. Сегодня пар является важнейшей, неотъемлемой частью современных технологических процессов. Без него не смогли бы существовать пищевая, текстильная, химическая, медицинская, энергетическая и транспортная промышленность.
Пар представляет собой средство для транспортировки контролируемых объемов тепловой энергии от котельной, в которой он производится, на место использования.
По многим причинам пар является одним из наиболее широко используемых средств для переноса и передачи тепловой энергии. Он используется во многих отраслях промышленности для решения различных задач, начиная от производства механической энергии и заканчивая обогревом помещений и использованием в различных производственных процессах.
Воды в мире много, и цена на нее относительно невысока. Она не представляет опасности для здоровья человека и окружающей среды.
В газообразной форме вода является безопасным и эффективным переносчиком энергии. Пар может накапливать в пять-шесть раз больше энергии, чем равное ему по массе количество воды.
При нагреве в котле вода поглощает тепловую энергию. При определенной температуре, зависящей от давления в котле, вода испаряется и превращается в пар. Пар содержит в себе большое количество тепла, которое, используется в производственном технологическом процессе, затрачивается на обогрев помещений и зданий или используется для других целей.
Пар можно генерировать при высоком давлении – это позволит получить пар высокой температуры. Чем выше давление пара, тем выше его температура. Чем сильнее нагрет пар, тем больше тепловой энергии он содержит.
- Современные жаротрубные котлы имеют компактную и эффективную конструкцию. Многоходовая конструкция топки позволяет передавать воде высвобождающееся при сгорании топлива тепло с минимальными потерями.
- В качестве топлива для горелок можно использовать самые разные вещества, включая горючие отходы, что делает паровые котлы экологически чистым оборудованием, и это выгодно отличает их от другого оборудования, предназначенного для получения тепла. В качестве топлива для централизованной котельной установки вы можете использовать газ, поставляемый по дешевому тарифу «с возможностью отключения», поскольку в случае прекращения подачи газа вы сможете перейти на подготовленные запасы резервного топлива.
- Высокоэффективные системы рекуперации тепла могут свести практически к нулю затраты на продувку и возврат в котельную конденсата, а также повысить общую
- эффективность пароконденсатной системы.
Транспортировка пара к месту потребления проста и экономична
Пар часто используют для передачи тепла на большие расстояния. Поскольку поток пара образуется благодаря разнице давлений в паропроводе, дорогостоящие циркуляционные насосы становятся не нужны.
Возможность выработки и транспортировки пара по трубопроводам при высоким давлением позволяет использовать трубы относительно небольшого диаметра. Далее, при необходимости, в месте потребления давление пара можно снизить до требуемого. Все это делает капитальные затраты на паровую систему значительно меньше, чем для систем, использующих другие теплоносители.
Параметрами пара легко управлять
Так как между давлением и температурой насыщенного пара существует прямая зависимость, то регулировать количество тепловой энергии, можно, просто поддерживая необходимое давление пара. При этом, современные системы регулирования параметров пара быстро реагируют на любые происходящие в технологическом процессе изменения.
На Рис 1.1.4 показан двухпортовый регулирующий клапан с пневматическим приводом предназначенный для использования на паре. Использование позиционера гарантирует точное регулирование и быстрый отклик на изменение параметров технологического процесса.
Использование двухпортовых клапанов упрощает монтаж и сам процесс регулирования, а также может уменьшить стоимость оборудования, в отличие от систем с трехпортовыми клапанами, без которых часто нельзя обойтись в жидкостных системах.
Рис. 1.1.4 Двухпортовый регулирующий клапан с пневматическим приводом и позиционером.
Пар является превосходным переносчиком тепла. Пар мгновенно передает нагреваемой среде огромное количество тепла при конденсации.
Пар может отдавать свое тепло или через разделяющую его с нагреваемым продуктом стенку, например в теплообменнике, или при непосредственном впрыске в продукт, который должен быть нагрет. Пар полностью заполняет пространство, в которое поступает, и конденсируется при постоянной температуре, что исключает наличие градиента температур вдоль поверхности нагрева – обычной проблемы, когда в качестве теплоносителя используется минеральное масло или вода. Наличие градиента температуры может отрицательно сказаться на процессе теплопередачи и даже привести к порче нагреваемого продукта.
Столь высокое теплосодержание пара дает возможность использования оборудования с относительно малыми поверхностями нагрева. Также это дает возможность создания компактных теплообменных установок, обладающих небольшими габаритными размерами и весами, что положительно сказывается на стоимости как самих установок, так и затрат на их монтаж. Современная установка нагрева воды мощностью 1200 мВт, включающая пластинчатый теплообменник и необходимое оборудование для регулирования температуры, занимает всего 0,7 м².
Современная организация пароконденсатной системы
Современные компании, использующие пар на своих производствах, уделяют много времени и прилагают много усилий для повышения эффективности использования тепловой энергии и минимизации себестоимости продукции, в которой стоимость пара зачастую составляет немалую долю. Снижение себестоимости продукции является актуальным на фоне все повышающейся конкуренции практически на любых рынках сбыта. Киотское соглашение о снижении выбросов тепла в атмосферу является действенным моментом, заставляющим предприятия предпринимать соответствующие действия в данном направлении.
Одним из способов повышения эффективности использования тепловой энергии на предприятии является контроль потребления энергии различными подразделениями. Это позволяет оценивать затраты и концентрироваться на достижении поставленных целей. Накладные расходы предприятия могут быть снижены за счет своевременного и систематического техобслуживания оборудования. Это позволит повысить эффективность работы всей пароконденсатной системы, улучшить качество продукции и снизить время простоя.
Большинство локальных систем управления параметрами паром можно соединять с современными системами контроля, что позволяет осуществлять централизованное управление, как, например, в системе SCADA (система диспетчерского контроля и сбора данных). По желанию клиента можно сделать паровую систему, компоненты которой могут также работать независимо друг от друга.
Котел
Большинство параметров современной котельной системы можно контролировать автоматически. На-пример, существует система контроля за работой конденсатоотводчиков, которая автоматически обнаруживает наличие пролётного пара и затопление системы конденсатом, немедленно сообщая о них оператору.
В то же время для контроля за утечками газа требуется дорогостоящее оборудование, а контроль масляных или водяных систем занимает много времени.
Когда паровая система нуждается в техобслуживании, соответствующую часть этой системы легко изолировать и быстро выпустить из нее пар, что позволит отремонтировать ее в кратчайший срок. Бесчисленные примеры показывают, что установка современной пароконденсатной системы, оборудованной сложными система- ми управления и контроля, обходится намного дешевле, чем использование вместо нее, например, децентрализованной газовой системы обогрева. В Главе 1.2 приведены конкретные примеры существующих систем.
Принято считать, что пар и паровое оборудование остались в далеком прошлом, во временах технической революции. Однако современные технологии не имеют с традиционными представлениями ничего общего. Возьмите потребительские товары различных марок – и в девяти случаях из десяти окажется, что при их производстве важную роль играет именно пар.
Пар не только является превосходным теплоносителем, он еще и стерилен, что позволяет активно использовать его в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности.
Пар применяется на самых разных предприятиях, начиная от гигантских нефтехимических заводов и заканчивая небольшими прачечными. Пар используют при производстве бумаги и тканей, в пивоварении и производстве пищевых продуктов, больницах для стерилизации, для вулканизации резины, при обогреве зданий, в системах кондиционирования для увла- жнения воздуха.
Многие предприятия предпочитают использовать пар в качестве переносчика тепловой энергии как для обогрева помещений, так и в производственных целях. Например, в пивоварении пар используется на различных стадиях процесса, начиная от прямого впрыска в воду для ее нагрева и дальнейшего использования в технологическом процессе, нагрева сусла с помощью паровых “рубашек” и т. д.
Кроме того, пар безопасен с точки зрения использования в пожаро- и взрывоопасных зонах. На многих нефтехимических заводах используются паровые системы пожаротушения.
Другие способы снабжения тепловой энергией
К альтернативным теплоносителям относятся вода и различные термальные жидкости, такие как минеральное масло. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки, делающие его наиболее подходящим в определенных ситуациях и диапазонах температур.
По сравнению с паром вода обладает более низкой потенциальной возможностью для переноса тепла, следовательно, для выполнения требований в систему необходимо закачивать большее количество воды. Тем не менее, вода часто используется при отоплении помещений и в низкотемпературных процессах (до 120ºС), допускающих вариации температуры.
Такие теплоносители как различные минеральные масла, можно использовать в ситуациях, когда требуется более высокая температура (до 400ºС), но нельзя использовать пар. Примером такой ситуации может служить нагрев некоторых химикатов в циклических процессах. Использование больших объемов масла не всегда оправдано так как его стоимость высока, а также каждые несколько лет весь объем масла необходимо менять на новое. Кроме того, масла способны проникать в самые мельчайшие отверстия, поэтому, чтобы не допустить утечек, нужно использовать очень качественные соединительные детали и разъемы.
В приведенной ниже Таблице 1.1.1 сравниваются различные теплоносители. Окончательный выбор теплоносителя зависит от технических, практических и финансовых факторов, и эти факторы каждый пользователь определяет для себя сам.
Проще говоря, в коммерческих системах обогрева и вентиляции, а также в промышленных системах пар остается наиболее практичным и экономичным выбором.
Таблица 1.1.1 Сравнение пара и других теплоносителей
| Пар | Горячая вода | Минеральное масло |
|---|---|---|
| Высокое теплосодержание Теплота парообразование около 2100 кДж/кг | Среднее теплосодержание Удельная теплоемкость 4,19 кДж/кгºC | Низкое теплосодержание Удельная теплоемкость обычно 1,69-2,93 кДж/кгºC |
| Дешевый. Небольшие расходы на пред- подогрев воды | Дешевая водоподготовка применяется только при необходимости | Высокая стоимость |
| Высокий коэффициент теплопередачи. | Средние значения коэффициентов | Сравнительно низкие значения коэффициентов |
| При высоких температурах требуется высокое давление | При высоких температурах необходимо высокое давление | Для достижения высоких температур достаточно небольшого давления |
| Насосы не нужны. Трубопроводы малого диаметра | Требуются насосы. Трубопроводы большего диаметра | Требуются насосы. Трубопроводы еще большего диаметра |
| Легко регулировать с помощью 2-х портовых клапанов | Для регулирования нужны 3-х портовые клапаны или клапаны для поддержания перепада давления | Для регулирования нужны 3-х портовые клапаны или клапаны для поддержания перепада давления |
| Легко снизить температуру с помощью редукционного клапана | Регулировать температуру сложнее | Регулировать температуру еще более сложно |
| Нужны конденсатоотводчики | Конденсатоотводчики не нужны | Конденсатоотводчики не нужны |
| Необходимо отводить конденсат | Конденсат отводить не надо | Конденсат отводить не надо |
| Имеется пар вторичного вскипания | Пара вторичного вскипания нет | Пара вторичного вскипания нет |
| Котлы должны иметь системы продувки | Продувка котлов не требуется | Продувка котлов не требуется |
| Необходима водоподготовка для предупреждения коррозии | Менее интенсивная коррозия | Незначительная коррозия |
| Обычные трубы и соединения | Сварные или фланцевые соединения из-за высокой проникающей способности воды | Еще более высокая проникающая способность, сварные или фланцевые соединения |
| Опасности возгорания нет | Опасности возгорания нет | Существует опасность возгорания |
| Система универсальна и гибка | Менее универсальна и гибкая система | Негибкая система |
Преимущества пара – краткий обзор
Таблица 1.1.2 Преимущества пара
| Факторы окружающей среды | Применение |
|---|---|
| Топливная экономичность котлов Отвод конденсата и возможность утилизации тепла Расход пара можно измерять и регулировать Пар экономичен и безопасен для окружающей среды | Пар применяется во многих устройствах – холодильных установках, насосах, вентиляторах, увлажнителях Стерилизация Обогрев помещений Различные отрасти промышленности |
| Преимущества самого пара | Преимущества системы |
|---|---|
| Вода всегда есть в наличии Вода дешевая Пар отличается чистотой и не содержит примесей Пар безопасен Пар отличается высоким содержанием тепла Параметры легко контролировать благодаря связи давления и температуры Пар отдает тепло при постоянной температуре | Трубы малого диаметра, компактные по размеру, имеющие небольшой вес Не нужны насосы и балансировка системы Можно использовать дешевые 2-х портовые клапаны Небольшие затраты на обслуживание Меньшие капитальные затраты, чем для жидкостных систем Изделия, совместимые с системами SCADA Автоматизация: полностью автоматизированные котельные соответствуют требованиям различных стандартов Низкие шумовые показатели Небольшой размер системы (по сравнению с водяной) Долговечность оборудования Широкий выбор тарифов и топлива для котлов Система универсальна и легко может быть расширена |