Енергийна ефективност на индустриални котли

Oценката на енергийната ефективност на индустриалните котли най-често се прави опростено и категоризирано посредством един универсален подход. Четири фактора са критични за оценката на енергийната ефективност в индустриалните инсталации, доставящи енергия за производството - това са типът на горивото, ограниченията на горивната система, конструкцията на оборудването и изискванията за функциониране на парната инсталация.

Сравнение на новите и съществуващите агрегати
Преди да се проучат спецификите на енергийната ефективност на промишлените котли е важно да се разбере, че след като те бъдат проектирани, конструирани и монтирани, подобряването на тяхната ефективност може да бъде трудно и скъпо.

От друга страна, промяната на горивото, натоварването и работният режим могат лесно да повлияят на цялостната им ефективност. Поради високата цена на енергийните инсталации, котлите и свързаните с тях системи обикновено се закупуват еднократно и са изчислени за целия жизнен цикъл на предприятието, с достатъчен резерв за бъдещо развитие и вариации на процесите.

При правилна поддръжка животът на котела е неопределено дълъг.
При съвременните технологии е възможно да се проектират котли, които да се справят с широк спектър от изисквания и да предложат редица възможности. Въпреки това в повечето случаи това е икономически неизгодно.

Днес новите агрегати се закупуват с гарантирана ефективност на MCR (постоянна максимална мощност) за конкретно гориво, което генерира определено количество пара или гореща вода с дадена температура и налягане. Всяка промяна на тези параметри влияе върху работната ефективност на котела.

Технически е възможно да се гарантира запазване на ефективността при използване на различни горива, капацитет, температура и налягане. Това обаче може да не е икономически оправдано за даден обект. В крайна сметка, може да се допусне, че едно ново устройство е проектирано, закупено и инсталирано за определени експлоатационни условия, но никога не функционира при тях, освен при преминаване на изпитанията за съответствие.

Тип гориво
Всички отклонения в състава на горивото от оригиналния проект на системата оказват пряко влияние върху ефективността на котела. В повечето съвременни конструкции котли обаче вариации от по-малко от 1 или 2% от състава на проектното гориво няма да имат почти никакво влияние върху ефективността.
Дори калоричността на природния газ може да варира между 8000 и 9800 kcal/m3 в зависимост от съдържанието на метан.

С течение на годините технологиите позволиха на газовите компании да размесват газа и да контролират калоричността и състава му до ниво от около 8900 kcal/m3 (+/- 1-2%) на средногодишна и средночасова база. Това, заедно с лесните условия на доставка, възпламеняемост и регулируемост са добри причини, поради които природният газ се използва като основно гориво за отопление.

Много високото съдържание на водород (високо съотношение водород към въглерод) на природния газ, който при изгаряне образува вода, отнема значително количество топлина от процеса и може сериозно да повлияе на цялостната ефективност на котела в сравнение с другите горива.

Суровият петрол се подлага на рафиниране, за да се извлекат високоценените съставки за промишлени суровини като пластмаси и други продукти, за бензин, авиационно и дизелово гориво за транспорта, както и за отоплителна нафта, с много ниски вариации. Възможността за промяна на качеството на всеки от тези първични продукти може да бъде равна или по-добра от тази при природния газ.

Индустриалните горивни продукти са остатъци от рафинирането и се отличават със значителни вариации в качеството – например мазут клас от № 2 до № 6, мазут с високо съдържание на асфалтен суров петрол, обикновен пътен асфалт или петролен кокс. В такива случаи вариациите на вискозитета могат да имат сериозно въздействие върху ефективността на горивния процес и на котела като цяло.

Промяната в характеристиките на горивото на средна почасова база може да бъде по-добра или равна на тази на природния газ. Въпреки това разликите в характеристиките на горивата между доставките през годината може да увеличат средногодишните вариации в диапазона от около 5%. Тъй като нефтът има по-ниско съдържание на водород (намаляващо с увеличаване на качеството) в сравнение с природния газ, общата ефективност на котела, свързана с използваните нефтени горива, обикновено е по-висока.

Въглищата, най-изобилното гориво, могат да бъдат добивани с нови технологии и инсталации за подготовка на въглища, в които примесите се отстраняват до +/- 10% естествени вариации в даден пласт. Калоричността на различните въглищни пластове обаче варира значително - от лигнитните с 2222 kcal/kg със 7% водород и 35% влага до антрацитните със 7770 kcal/kg с 2% водород и 3% влага. При ниско съдържание на водород (ниско съотношение водород към въглерод) въглищата са най-ефективният енергиен източник за превръщане на калоричността в използваема енергия.

Когенерация
В идеалния случай енергията се използва най-ефективно, когато горивото се изгаря при висока температура и получената топлинна енергия се превръща в електричество или механична енергия в газови турбини, двигатели с вътрешно горене или парни турбини с обратно налягане, с последващо използване на по-нискотемпературната топлинна енергия, за да се отговори на енергийните нужди на процеса чрез топлопренос.

В индустрията това преобразуване започва с изгаряне на горивото и освобождаване на топлина. След това двигател превръща топлинната енергия в механична или електрическа. Ако изгарянето се осъществява вътре в двигателя, то той преобразува топлинната енергия в механична, която може да се използва за задвижване на помпа, вентилатор, компресор или електрически генератор. Отработените газове, които напускат двигателя, са с висока температура.

Тези газове съдържат повече от половината количество топлинна енергия, освободена по време на първоначалното изгаряне на горивото, а температурата им може да надхвърли 500°C. Ако топлината от отработените газове не се оползотворява, то устройството е с прост цикъл. Ако топлината се извлича от отработените газове за допълнително използване, комбинацията от двигателя и другите устройства е известна като система за когенерация или система с комбиниран цикъл.

Ефективността на простите цикли варира в зависимост от конструкцията, размера и разположението на двигателя (газова турбина, двигател с вътрешно горене). Тези фактори определят и широкия диапазон на ефективност на комбинираните цикли.

Когато електричеството е единственият краен продукт, максималната възстановена топлинна енергия е около 40% за прости цикли и 54% за комбинирани цикли. Повишената ефективност на комбинирания цикъл показва, че само около 25% от топлината на отработените газове може да бъде преобразувана в електричество със съвременната технология. Разликата от 40% конверсия за прост цикъл и 25% допълнителна конверсия демонстрира разликата в стойността между нискотемпературна и високотемпературна топлина.

Концепцията за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия осигурява по-голямо подобрение на ефективността, отколкото производството само на електроенергия, тъй като при когенерацията отработената топлина директно се използва в производствения процес. Много производствени процеси изискват наличието на топлина при температури между 120 и 370°C.

Топлинната енергия, осигурена от отработените газове на горепосочените приложения, са с температура, която отговаря на тези изисквания. Следователно, чрез преобразуване на високотемпературни, висококачествени килокалории към механична или електрическа енергия и използване на по-нискотемпературните, по-нискокачествени килокалории, за да се покрият температурните нужди на процеса, енергията в горивото може да се използва най-ефективно и рационално. При такава комбинация от 60 до 85% от килокалориите на горивото могат да бъдат извлечени и използвани ефективно.