Энергосбережение в котельных установках ТЭС и систем теплоснабжения

Москва

ИНФРА-М

2020

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 

В КОТЕЛЬНЫХ
В КОТЕЛЬНЫХ 

УСТАНОВКАХ ТЭС
УСТАНОВКАХ ТЭС 

И СИСТЕМ
И СИСТЕМ 

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß
ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß

À.À. ÊÓÄÈÍÎÂ, Ñ.Ê. ÇÈÃÀÍØÈÍÀ
À.À. ÊÓÄÈÍÎÂ, Ñ.Ê. ÇÈÃÀÍØÈÍÀ

Кудинов А.А.
Энергосбережение в котельных установках ТЭС и систем 
теплоснабжения : монография / А.А. Кудинов, С.К. Зиганшина. — 
Москва : ИНФРА-М, 2020. — 320 с. + Доп. материалы 
[Электронный ресурс]. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/
11565.

ISBN 978-5-16-011155-1 (print)
ISBN 978-5-16-103236-7 (online)
Рассмотрены вопросы энергосбережения в теплоэнергетических установках. Представлены результаты экспериментальных исследований, математические модели тепло- и массообменных процессов, методики теплотехнических расчетов теплообменников различного назначения. Обобщены 
данные экспериментально-теоретических разработок в области создания 
новых тепловых схем котельных установок, конструкций вращающихся 
регенеративных воздухоподогревателей и вакуумных деаэраторов, совершенствования тепломеханического оборудования паротурбинных ТЭС.
Предназначена для преподавателей, аспирантов и студентов теплоэнергетических специальностей вузов, будет полезна инженерно-техническим 
работникам энергетической промышленности.
УДК 621.1(075.4)
ББК 31.38

УДК 621.1(075.4)
ББК 31.38
 
К88

ISBN 978-5-16-011155-1 (print)
ISBN 978-5-16-103236-7 (online)

К88

Подписано в печать 03.09.2019. Формат 6090/16. 
Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 20,0. 
ППТ20. Заказ  № 00000
ТК 382300-1058679-250615

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru   http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Р е ц е н з е н т ы:
А.И. Щелоков — зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» 
Самарского государственного технического университета, д-р техн. наук, 
профессор;
А.Г. Салов — профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» 
Самарского государственного архитектурно-строительного университета, 
д-р техн. наук, доцент 

© Кудинов А.А., Зиганшина С.К., 
2016

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ВВЕДЕНИЕ

Развитие энергетики в настоящее время характеризуется значи
тельно возросшей стоимостью органического топлива и других природных ресурсов, а также постоянно возрастающими трудностями охраны окружающей среды от воздействия энергоустановок, ТЭС и промышленных предприятий.

Для снижения себестоимости тепловой и электрической энергии

особое внимание уделяется малозатратным технологиям, которые могут быть внедрены в кратчайшие сроки. К ним относятся технологии
повышения экономичности котельных установок и тепломеханического
оборудования ТЭС  и систем теплоснабжения путем использования
вторичных энергоресурсов.

Содержание монографии изложено в 10 главах, скомпонованных в

3-х частях.

В 1 и 2 главах приводится обзор состояния проблемы в области

энергосбережения в котельных установках за счет глубокого охлаждения газов, утилизации воды непрерывной продувки барабанных котлов
и повышения экономичности ТЭС. Дано описание конструкций конденсационных теплоутилизаторов (КТ) различного типа.

В 3 и 4 главах представлены результаты натурных испытаний КТ,

выполненного на базе биметаллического калорифера КСк-4-11  и установленного за котлом  ДЕ-10-14 ГМ Ульяновской ТЭЦ-3. Приведены
математические модели тепло- и массообменных процессов, при охлаждении уходящих газов ниже точки росы. Получены критериальное
уравнение теплоотдачи в КТ поверхностного типа и аналитические зависимости, позволяющие устанавливать условия надежной защиты наружных газоходов и дымовых труб от гидратной коррозии методом байпасирования части неохлажденных продуктов сгорания. Приведены методики тепловых расчетов конденсационных теплоутилизаторов поверхностного и контактного типов. Результаты разработок внедрены на Ульяновской ТЭЦ-3.

В 5 и 6 главах рассматриваются задачи повышения эффективности

использования топлива в котельных установках за счет использования
вторичных энергоресурсов. Представлены методики расчетов расхода

3

конденсата водяных паров из продуктов сгорания при их охлаждении
ниже точки росы, потерь с непрерывной продувкой барабанных котлов,
обобщены результаты обследований паровых котлов ООО “Самараоргсинтез”, энергетических котлов Безымянской ТЭЦ и Саранской ТЭЦ-2.

В 7, 8 и 9 главах описаны способы повышения экономичности ТЭС

путем использования теплоты вентилируемого воздуха дымовых труб и
отработавшего в турбине пара, приведены результаты реконструкции и
натурных испытаний вакуумного деаэратора
ДВ-800 на Самарской

ТЭЦ, разработок и внедрения вакуумно-кавитационного деаэратора на
центральной отопительной котельной Самарской ГРЭС.

В 10 главе описаны результаты разработок в области создания эф
фективных теплообменных поверхностей и конструкций вращающихся
РВП, устанавливаемых за энергетическими котлами.

Теоретические разработки, представленные в монографии, выпол
нены авторами самостоятельно. Экспериментальные исследования КТ
поверхностного типа на Ульяновской ТЭЦ-3 выполнены совместно с
главным 
инженером 
В.А. Антоновым 
и 
начальником 
ПТО

Ю.Н. Алексеевым. Реконструкция вакуумного деаэратора ДВ-800 на Самарской ТЭЦ проводилась совместно с начальником КТЦ Ю.С. Панамаревым и инженером Д.В. Кожиным. Авторы выражают им свою глубокую
признательность.

Обследования тепломеханического оборудования ТЭЦ Волжской ТГК

и ОАО “Мордовэнерго” были произведены при выполнении плановых
НИР СамГТУ в соответствии с Программой энергетических обследований
предприятий РАО “ЕЭС России”.

Настоящее издание разработано на кафедре «Тепловые электрические

станции» Самарского государственного технического университета. Авторы будут благодарны за критические замечания и пожелания, которые
просим направлять по адресу: 127282, Москва, Полярная ул., 31В, стр. 1,
ООО “Издательство ИНФРА-М”.

Часть I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
 В ОБЛАСТИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ТЕПЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

1.1. Состояние проблемы в области энергосбережения

в котельных установках за счет использования

теплоты уходящих газов

Газифицированные котельные имеют сравнительно высокие тех
нико-экономические показатели в связи с отсутствием при сжигании
природного газа потерь теплоты в результате механической неполноты сгорания, близостью к нулю химической неполноты сгорания и
весьма небольшой потерей теплоты в окружающую среду. Потери
теплоты с уходящими газами значительны и в котлах без хвостовых
поверхностей могут достигать 25%.

При номинальной нагрузке газомазутных паровых котлов типа

ДЕ температура уходящих продуктов сгорания за экономайзером при
работе на газе составляет 140–160 С, а на мазуте – 170–190 С. У водогрейных газомазутных котлов эта температура еще выше: соответственно 140–190 и 180–230 С. Снижение температуры уходящих газов – главный путь повышения использования топлива.

В связи с этим все большее распространение получают конденса
ционные теплоутилизаторы (КТ) контактного и поверхностного типов, позволяющие охлаждать уходящие дымовые газы ниже точки
росы и дополнительно полезно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров [5,
162]. Точка росы продуктов сгорания природного газа при
ух
α = 1,25–

1,35 равна 55,3–54 С.

Эффективность применения КТ для утилизации теплоты продук
тов сгорания природного газа объясняется повышенным содержанием
в них водяных паров и высоким качеством выделяющегося из продуктов сгорания конденсата (обессоленной воды). Этот конденсат после дегазации (удаления растворенных в нем СО2 и О2) может использоваться в качестве питательной воды котлов и (или) подпиточ
5

ной воды системы теплоснабжения [5, 8, 22, 24, 154]. Это направление научных исследований является приоритетным в соответствии с
распоряжением Правительства Российской Федерации № 1715-р от
13 ноября 2009 г.

Известно, что контактные (смесительные) теплообменники широ
ко применяются в промышленности и энергетике (скруббера, абсорбционные и ректификационные колонны, градирни и др.). Их широкое
распространение объясняется простотой конструкции, малым расходом металла, относительно высокой интенсивностью теплообмена.

По конструктивным особенностям контактные теплоутилизаторы

можно разделить на три основные группы: насадочные, полые и типа
КТАН (контактный теплообменник с активной насадкой). Принципиальные схемы этих теплообменников представлены на рис. 1.1.

В насадочном теплообменнике уходящие газы нагревают жид
кость, стекающую по насадке (рис. 1.1, а). Теплоутилизаторы такого
типа получили наибольшее распространение на практике. Основным
элементом, определяющим интенсивность процессов тепло- и массообмена в таком аппарате, является теплообменная насадка, в качестве
которой чаще всего используется засыпка из керамических колец Рашига. В этих теплообменниках дымовые газы и жидкость, как правило, движутся противотоком.

Общим преимуществом насадочных контактных теплообменников

является простота изготовления и высокая тепловая эффективность.

К недостаткам можно отнести:
1) возможность нагревания воды только до температуры мокрого

Рис. 1.1. Схемы контактных теплообменников:

а – с насадкой; б – без насадки; в – с “активной” насадкой (КТАН); 1 – каплеуловитель; 2 – ороситель; 3 – теплообменная насадка; 4 – поддон; 5 – насос

а
б
в

2

3

1
2

5
5

1
2

3

4
4
4

1

5

6

термометра, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в дымовых газах;

2) высокое аэродинамическое сопротивление (300–1700 Па);
3) существенную зависимость аэродинамического сопротивления

от плотности орошения, что усложняет эксплуатацию этих теплообменных аппаратов при работе в переменных режимах;

4) небольшую предельную скорость движения газов (1–2,5 м/с),

обусловливающую увеличение габаритов;

5) высокую вероятность влагоуноса, усложняющую эксплуата
цию газоходов, дымососов и дымовых труб.

Меньшее распространение получили полые контактные теплооб
менные аппараты (рис. 1.1, б), в которых основным элементом, обеспечивающим развитую поверхность контакта газов с жидкостью, являются форсунки механического распыливания или другие оросители. От характеристик и расположения последних зависят дисперсность, равномерность распространения и, в конечном счете, интенсивность процессов тепло- и массообмена.

Полые контактные теплообменники отличаются от насадочных

следующими преимуществами:

1) простотой конструкции (отсутствием насадки);
2) низким аэродинамическим сопротивлением (не более 100–200 Па),

слабо зависящим от плотности орошения;

3) более высокими скоростями газов (2,5–3 м/с).
Полые контактные теплообменники не находят широкого приме
нения в качестве утилизаторов теплоты уходящих газов из-за их низкой тепловой эффективности, обусловленной малым временем контакта теплоносителей.

Контактные теплообменники с активной насадкой (КТАНы)

(рис. 1.1, в) разработаны позднее насадочных и полых контактных
теплообменников. Основное отличие КТАНа от обычного теплообменника с насадкой заключается в том, что исходная вода подогревается уходящими газами в активной насадке – пучке труб диаметром
20–30 мм, который орошается циркулирующей водой. Тепловая эффективность таких аппаратов зависит от интенсивности процессов
тепло- и массообмена между газами и орошающей жидкостью, а также от интенсивности процесса теплообмена между орошающей жидкостью и жидкостью, проходящей в трубном пучке.

7

Анализ публикаций показывает, что КТАНы сочетают как пре
имущества, так и недостатки насадочных и полых контактных теплообменников. К преимуществам можно отнести:

1) повышение скорости движения газов (до 6–10 м/с);
2) относительно низкое аэродинамическое сопротивление (300–

700 Па);

3) отсутствие контакта газов с нагреваемой водой, что снимает

ограничения по ее качеству.

Вместе с тем КТАНы имеют следующие недостатки:
1) не обеспечивают нагревание жидкости до температуры выше

температуры мокрого термометра;

2) холодная вода, орошающая змеевик, в верхней зоне охлаждает

нагреваемую воду;

3) уступают теплообменникам с насадкой по коэффициенту ис
пользования тепла уходящих газов;

4) в этих теплообменниках имеется вероятность влагоуноса ды
мовыми газами.

Краткий обзор научных работ по разработке и внедрению кон
тактных экономайзеров с пассивной насадкой приведен в [5]. В частности отмечено, что еще в 1929 г. профессор А.К. Сильницкий предложил и осуществил установку контактного водяного экономайзера.
Позднее разработкой контактных экономайзеров занимались сотрудники Ленинградской конторы Оргэнерго  Л.С. Горович, Б.Н. Николаевский и др. Профессор Г.К. Филоненко предложил в 1938 г. конструкцию контактного теплоутилизатора для сушильных установок.

Однако предложенные в то время конструкции теплоутилизато
ров-экономайзеров работали на продуктах сгорания твердого топлива
и не получили распространения из-за плохого качества получаемой
воды (до 1939 г. в СССР природный газ почти не добывался).

В послевоенные годы вопросами теории взаимодействия уходя
щих дымовых газов и воды занимался доцент института энергетики
БССР Г.Б. Пекелис.

Применительно к промышленным установкам М.Б. Равичем пред
ложена весьма перспективная и уже в течение многих лет внедряемая на
предприятиях схема комплексного ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания, предусматривающая в качестве последней ступени глубокое охлаждение дымовых газов в контактных экономайзерах.

8

Систематическая работа по конструированию контактных эконо
майзеров, их исследованию и внедрению с 1957 г. осуществляется в научно-исследовательском институте санитарной техники и оборудования зданий и сооружений (НИИСТ) г. Киева. В период с 1957-1960 гг.
НИИСТ разработал конструкцию экономайзера, проверил ее в полупромышленных условиях (Киевский пивзавод № 1) и на опытнопромышленной установке (Соломенский банно-прачечный комбинат
г. Киева). Позднее контактные экономайзеры были запроектированы
и внедрены НИИСТ на ряде предприятий УССР, работы проводились
под руководством профессора Б.Н. Лобаева и к.т.н. И.З. Аронова.

В период 1961-1965 гг. Промэнерго запроектированы и сооруже
ны установки экономайзеров на ряде предприятий г. Москвы (Тишино-Сокольнической красильно-отделочной фабрике, Электроламповом заводе, Кунцевской ткацко-отделочной фабрике, Краснохолмском камвольном комбинате).

Глубокое охлаждение продуктов сгорания природного газа в

промышленных топливоиспользующих установках и особенно в
энергетике – наиболее эффективный путь экономии газа. Именно это
направление начало усиленно развиваться в странах Западной Европы и США в начале 70-х годов, когда в зарубежных странах начался
топливный кризис. На XIII конгрессе МИРЭК (г. Ленинград, 1987 г.)
глубокое охлаждение продуктов сгорания признано одним из наиболее важных энергосберегающих методов.

Конструкции, принцип работы, методика расчета и результаты

эксплуатации контактных теплоутилизаторов с пассивной насадкой
полно описаны в работе И.З. Аронова [5]. Однако в настоящее время
созданы новые конструкции контактных теплообменников различного назначения, разработаны схемы и типовые проекты их установки,
внедряются конструкции блочных контактно-поверхностных экономайзеров, контактных теплообменников с активной насадкой и компактных конденсационных поверхностных теплоутилизаторов для
глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы. В связи с
этим проанализируем и сопоставим преимущества и недостатки контактных, контактно-поверхностных и поверхностных конденсационных теплообменников (экономайзеров), определим наиболее рациональные области их применения.

Контактные экономайзеры, установленные за энергетическими

9

котлами, прошли более детальные испытания, чем экономайзеры в
промышленных котельных [5].

В 1978 г. службой наладки Мосэнерго совместно с персоналом

Московской ГЭС-I были проведены испытания наиболее крупного
контактного экономайзера, установленного за котлами № 6 и № 7
[186]. Средняя температура дымовых газов на входе в экономайзер
равнялась 150–160 С, а на выходе из него – 40–50 С, температура
газов в дымовой трубе поддерживалась на уровне 95–110 С. Максимальная 
теплопроизводительность 
экономайзера, 
составляющая

8 Гкал/ч, была достигнута при начальной температуре воды 2 С и
конечной 38 С. Экономайзер был установлен на напорной стороне
дымососа. С целью увеличения тяги повышалась частота вращения
дымососа с 730 до 960 об/мин при соответствующей реконструкции
двигателя. Затраты на установку экономайзера на Московской ГЭС-I
окупились за 4 месяца.

Испытания экономайзеров на Первоуральской ТЭЦ показали, что

с увеличением нагрузки котла теплопроизводительность экономайзера
растет, особенно если при этом сохраняется неизменным соотношение
паропроизводительности котла и расхода воды на экономайзер. Так, с
увеличением паровой нагрузки котла с 50 до 70 т/ч, т.е. на 40%, теплопроизводительность экономайзера возросла с 2,6 до 4,7 Гкал/ч, т.е. на
80% [5]. В экономайзерах Первоуральской ТЭЦ использованы насадки
из керамических колец Рашига типа КК 80808 мм, правильно уложенные рядами, высота слоя колец – 2,0–2,5 м. Аэродинамическое
сопротивление экономайзеров составляло от 110 до 180 мм вод. ст.,
при этом не потребовалось замены дымососов.

Теплотехнические испытания экономайзера на Челябинской

ГРЭС проводились Челябэнерго в разное время года. Было установлено, что снижение температуры воды на входе в экономайзер приводит к заметному повышению его теплопроизводительности в результате снижения температуры и влагосодержания уходящих газов. Теплопроизводительность экономайзера возрастает с увеличением нагрузки котла.

Результаты теплотехнических испытаний контактных экономай
зеров на Бердичевской электростанции и на ТЭЦ одного из промышленных предприятий Украины приведены в [5]. Было установлено,
что при использовании кольцевых насадок КК 25253 мм аэроди
10