Введение в возврат конденсата

Насыщенный пар, используемый для нагрева, отдаёт свою скрытую теплоту (энтальпию парообразования), которая составляет значительную долю всей содержащейся в нём теплоты. Оставшаяся часть теплоты сохраняется в конденсате как явная теплота (энтальпия воды) (Figure 14.1.2).

Помимо тепловой энергии, конденсат по сути является дистиллированной водой, что делает его идеальным для использования в качестве питательной воды котла. Эффективная паровая система собирает этот конденсат и либо возвращает его в деаэратор, в бак питательной воды котла, либо использует в другом процессе. Только если существует реальный риск загрязнения, конденсат не следует возвращать в котёл. Даже в этом случае часто возможно собрать конденсат и использовать его как горячую технологическую воду или пропустить через теплообменник, где можно утилизировать его теплоту перед сбросом воды в дренаж.

Конденсат выводится из паровых установок и оборудования через конденсатоотводчики при переходе из более высокого давления в более низкое. В результате такого падения давления часть конденсата повторно испаряется, образуя flash steam. Доля пара, которая вскипает таким образом, определяется количеством теплоты, которое может удерживаться в паре и конденсате. Типичное содержание flash steam составляет 10% - 15% по массе (см. Module 2.2). Однако изменение объёма в процентах может быть намного больше. Конденсат при 7 bar g теряет около 13% своей массы при вскипании до атмосферного давления, но образующийся при этом пар требует объёма примерно в 200 раз большего, чем исходный конденсат. Это может привести к закупориванию заниженных по диаметру линий сброса конденсатоотводчиков, и это необходимо учитывать при подборе таких линий. Example 14.1.1 Расчёт количества flash steam из конденсата Горячий конденсат при 7 bar g имеет теплосодержание около 721 kJ/kg. При сбросе в атмосферное давление (0 bar g) каждый килограмм воды может сохранить только около 419 kJ теплоты. Следовательно, избыток энергии в каждом килограмме конденсата составляет 721 – 419 = 302 kJ. Этот избыток энергии расходуется на испарение части конденсата, а количество испарившейся массы определяется отношением избытка теплоты к количеству теплоты, необходимому для испарения воды при более низком давлении, которое в этом примере равно энтальпии парообразования при атмосферном давлении, 2258 kJ/kg.

Тема flash steam более подробно рассматривается в Module 2.2, What is steam?. В этом модуле для расчёта доли flash steam используется простой график (Figure 14.1.3). Пример: Доля flash steam по Figure 14.1.3: Давление на конденсатоотводчике = 4 bar g Давление flash steam = 0 bar g % Flash steam = 10% Количество flash steam в трубопроводе является наиболее важным фактором при подборе размеров линий сброса конденсатоотводчиков.

Пар, образуемый в котле в результате подвода теплоты к воде, часто называют live steam. Термины live steam и flash steam используются только для различения их происхождения. Независимо от того, образуется ли пар в котле или естественным образом при вскипании, он обладает одинаковой способностью отдавать тепло, и оба вида успешно используются для этой цели. Flash steam, образующийся из конденсата, может содержать до половины общей энергии конденсата. Эффективная паровая система будет улавливать и использовать flash steam. Сброс конденсата и flash steam в отходы означает дополнительную подпиточную воду, больший расход топлива и рост эксплуатационных затрат.

В этом модуле будут рассмотрены две основные области: управление конденсатом и утилизация flash steam. Также будут обозначены некоторые проблемные зоны и предложены практические решения. Примечание: термин trap используется для обозначения устройства отвода конденсата, которым может быть конденсатоотводчик, pump-trap или комбинация насоса и конденсатоотводчика. Способность любого trap пропускать конденсат зависит от перепада давления на нём, тогда как насосный trap или комбинация pump-trap сможет отводить конденсат независимо от эксплуатационного перепада давления (в пределах расчётных параметров по давлению).

Следующий пример (Example 14.1.2) демонстрирует финансовую ценность возврата конденсата. Example 14.1.2 Котёл производит: 10000 kg/h пара, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и 50 недель в год (8400 часов в год). Температура сырой подпиточной воды составляет 10°C. В настоящее время весь конденсат сбрасывается в отходы при 90°C. Стоимость сырой воды £0.61/m3, а стоимость стоков £0.45/m3 КПД котла 85%, в качестве топлива используется газ по прерываемому тарифу £0.01/ kWh (£2.77 / GJ).

m принимается равной единице; ΔT - разница между температурой холодной подпиточной воды и температурой возвращаемого конденсата; cp - удельная теплоёмкость воды, 4.19 kJ/kg °C. 1 kg x 4.19 kJ/kg °C x 80°C = 335 kJ/kg Если взять за основу среднюю производительность по испарению 10000 kg/h для установки, работающей 8 400 h/year, энергия, требуемая для компенсации теплоты подпиточной воды, составит: 10 000 kg/h x 335 kJ/kg x 8 400 h/year = 28 140 GJ/year Если средний КПД котла равен 85%, тогда энергия, подводимая для нагрева подпиточной воды, составит:

При стоимости топлива £2.77/GJ ценность энергии, содержащейся в конденсате, составит:

Годовая стоимость топлива = 33 106 GJ / year x £2.77/GJ = £91 704 Часть 2 - Определение стоимости воды Вода продаётся по объёму, а её плотность при нормальной температуре окружающей среды составляет около 1000 kg /m3. Следовательно, общее количество воды, необходимое за год для замещения невозвращённого конденсата, составит:

Если стоимость воды составляет £0.61 за m³, годовая стоимость воды будет равна:

Годовая стоимость воды = 84000 m3/ year x £0.61/m3 = £51 240 Часть 3 - Определение стоимости стоков Невозвращённый конденсат пришлось бы сбрасывать в отходы, и за это водоснабжающая организация также может взимать плату. Общий объём воды, сбрасываемой в отходы за год, также равен 84000 m³ Если стоимость стоков составляет £0.45 за m³, годовая стоимость стоков составит: Годовая стоимость стоков = 84000 m3/ year x £0.45/m3 = £37 800 Часть 4 - Общая ценность конденсата Общая годовая ценность потери 10 000 kg/h конденсата, сбрасываемого в отходы, показана в Table 14.1.1:

Table 14.1.1 Потенциальная ценность возврата конденсата в Example 14.1.2

Исходя из этого, следует, что на каждый 1% возвращённого конденсата при испарении 10 000 kg/h, как в Example 14.1.2, можно было бы получить экономию в размере 1% от каждого значения, приведённого в Table 14.1.1. Example 14.1.3 Если бы было решено инвестировать £50 000 в проект по возврату 80% конденсата на установке, аналогичной Example 14.1.2, но с общей производительностью по испарению всего 5 000 kg/h, то экономия и простой срок окупаемости составили бы:

Этот примерный расчёт не включает экономию, связанную с правильным контролем TDS и уменьшением продувки, что дополнительно снижает потери воды и затраты на химические реагенты для котла. Эти значения могут существенно различаться в зависимости от места, но их всегда следует учитывать в окончательном анализе. Очевидно, что при оценке управления конденсатом для конкретного проекта такая экономия должна быть определена и включена.

Контроль TDS и водоподготовка уже рассматривались в Block 3. Алгоритмы, показанные в Examples 14.1.2 и 14.1.3, можно развить в основу пошагового расчёта для денежной оценки проектов, направленных на улучшение возврата конденсата. Equation 14.1.1 может использоваться для расчёта годовой экономии топлива:

Экономию по стоимости воды можно определить с помощью Equation 14.1.2:

Экономию по стоимости стоков можно определить с помощью Equation 14.1.3:

Example 14.1.4 Крупный проект по управлению конденсатом стоимостью £70 000 предполагает дополнительно возвращать 35% конденсата, образующегося на установке. Средняя паропроизводительность котла составляет 15000 kg/h, а установка работает 8000 h/year. В качестве топлива используется газ по твёрдому тарифу £0.011/ kWh, а КПД котла оценивается в 80%. Температура подпиточной воды составляет 10°C, а изолированные линии возврата конденсата обеспечивают поступление конденсата обратно в котельную при 95°C. Примем стоимость воды равной £0.70/m3, а суммарную стоимость стоков - £0.45/m3. Определите срок окупаемости проекта. Часть 1 - Определение экономии топлива Используйте Equation 14.1.1:

Часть 2 - Определение экономии воды и стоков

Используйте Equation 14.1.2 для расчёта годовой экономии по воде:

Часть 3 - Определение срока окупаемости