Обеспечить паром производственный цех, как и любой другой объект, можно двумя способами: воспользоваться услугами централизованной тепловой сети или оборудовать предприятие автономным парогенератором. Недостатки обоих способов очевидны: в первом случае компании придется оплачивать услуги поставщика и устройство паропровода (при этом подача пара может быть нестабильной, а его качество — не соответствовать технологическим требованиям); во втором — покупка, установка и эксплуатация собственного парогенератора потребуют соответствующих затрат.
Данные затраты можно минимизировать, подобрав парогенератор, точно соответствующий потребностям того или иного предприятия. Далеко не везде необходимо устанавливать агрегаты производительностью тонны пара в час, да и качество требуемого пара может быть разное, в зависимости от его предназначения. Сейчас можно разделить рынок парогенераторов малой мощности на ряд секторов. Подобное разделение можно провести и по максимальному рабочему давлению парогенераторов.
Определившись, каким видом топлива располагает предприятие: твердым (торф, дрова, уголь, древесные отходы), жидким (мазут, дизельное топливо, печное бытовое топливо), природный газ или электричество, необходимо оценить какое из них наиболее выгодно использовать при эксплуатации парогенерирующего оборудования.
Парогенераторы на органическом топливе
Современная промышленность предлагает достаточно большой выбор парогенераторов. Пар в парогенераторах получают за счет тепла сжигаемого органического топлива, или преобразования электрической энергии в тепловую. По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара), парогенераторы могут быть подразделены на две группы: жаротрубные и водотрубные. В жаротрубных парогенераторах внутри труб движутся дымовые газы, а вода омывает трубы снаружи.
В водотрубных, наоборот, внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В результате этого процесса происходит выработка пара. По принципу движения воды пароводяной смеси парогенераторы подразделяется на агрегаты с естественной и с принудительной циркуляцией. Последние подразделяются на прямоточные и с многократно-принудительной циркуляцией (беструбные).
Среди парогенераторов малой мощности есть котлы классических жаротрубной и водотрубной конструкций, но самые распространенные — прямоточные и так называемые беструбные (tubeless). В прямоточных парогенераторах питательный насос подает воду в змеевик, размещенный в камере сгорания. Полное испарение происходит за один проход воды через змеевик. Их основное достоинство — возможность получения пара высокого (до 22,1 МПа) давления и относительно небольшие габариты.
Конструкция змеевика обеспечивает эффективное использование поверхности теплообмена, а во время работы требует минимального количества воды, что исключает возможность взрыва парогенератора. Труба змеевика спроектирована таким образом, что обеспечивает турбулентный продув дымовых газов через змеевик. По конструкции беструбный парогенератор напоминает жаротрубный двухходовой котел.
Однако при втором проходе продукты сгорания в нем движутся не по трубам, а по цилиндрическому газоходу, образованному корпусом котла и оребренной стенкой водяной рубашки. Поверхность камеры сгорания у некоторых моделей выполнена гофрированной, что также улучшает теплообмен и снижает напряжение, вызванное термическим расширением различных элементов котла. Интересное решение по интенсификации теплообмена воплощено в парогенераторах фирмы Clayton.
В отличие от традиционных жаротрубных парогенераторов с природной циркуляцией воды, преимущество Clayton заключается в использовании принципа противопоточного обмена тепла (встречного потока дымовых газов и воды в змеевике) в сочетании с принудительной циркуляцией. В данных парогенераторах горелка находится внизу, а дымовые газы движутся природным способом вверх. Такая конструкция значительно увеличивает безопасность, особенно при работе котла на жидком топливе, т.к. любая утечка топлива будет немедленно выявлена, в отличие от горелки сверху.
Теплообмен в парогенераторе Clayton улучшается за счет сферообразной формы пламени, которая имеет наибольшую площадь теплоотдачи. Котловая вода в парогенератор Clayton поступает в самом холодном месте (где дымовые газы имеют наименьшую температуру) и поэтому градиент температур максимальный. Также для того чтобы поглотить максимальное количество тепла, диаметр трубы змеевика увеличивается в три раза (т.к. увеличивается объем пароводяной смеси).
Окончательно вода отделяется от пара в сепараторе, и к потребителю поступает качественный энергосберегающий пар (в котором находится большое количество тепла), а это в свою очередь влияет на потребления топлива. К примеру, пар с 5 %-й влажностью увеличивает потребление топлива на 4–5 %, если же влажность будет достигать 40– 50 %, то соответственно и потребление топлива увеличиться в полтора раза для поддержания теплового режима на технологическом процессе.
Регулирующим устройством парогенератора являются прессостаты, под управлением которых горелка и питательный насос работает на частичной или полной мощности и в соответствии с реальным расходом пара в автоматическом режиме. Сегодня на отечественном рынке представлены парогенераторы производительностью от нескольких десятков кг/ч, работающие на газе, различных видах жидкого топлива или электричестве. Подобные агрегаты есть в ассортименте компаний Viessmann, Buderus, Ferroli, «Интех» (Clayton) и др.
Электрические парогенераторы
Производительность электрических парогенераторов редко превышает несколько сотен кг/ч. В более мощных паровых установках электричество используется крайне редко. Для таких производств, где потребность в технологическом паре не очень велика (порядка 300 кг пара/ч) и имеется возможность использовать электроэнергию для генерации пара, самым оптимальным решением проблемы пароснабжения становится приобретение электропарогенераторов.
Как и другие электрические тепловые приборы, парогенераторы имеют следующие основные достоинства: они дешевле, чем парогенераторы, работающие на жидком топливе или газе, экологически чище и обладают меньшими габаритами и массой. Электрические парогенераторы проще установить (обычно, электропарогенераторы поставляются в виде модулей полно заводской готовности), эксплуатировать и, как правило, их не надо регистрировать в органах «Kотлонадзора».
В то же время на предприятии, где установлен такой парогенератор, должен быть источник электрической энергии соответствующей мощности. В современных электропарогенераторах используются следующие способы нагрева: ТЭНовый, электродный и индукционный. В ТЭНовых электропарогенераторах для кипячения применяются трубчатые нагревательные элементы ТЭНы.
Рубашку ТЭНов изготавливают из материалов, не загрязняющих воду, например, из нержавеющей стали, что позволяет получить достаточно чистый пар, который можно использовать в пищевой промышленности, в непосредственном контакте с продуктами. Еще одно достоинство ТЭНовых парогенераторов — эффективный нагрев воды любой электропроводности. К основным недостаткам таких приборов можно отнести интенсивное отложение солей жесткости (накипи) на поверхности ТЭНов, что может привести к его перегоранию, а также невозможность плавного регулирования мощности агрегата.
Избежать перегорания ТЭНа можно только используя глубоко умягченную подпиточную воду или омагничивание, что весьма удорожает стоимость установки. В отличии от емкостных ТЭНовых парогенераторов, многотрубная конструкция парогенераторов циркуляционного типа, позволяет создать несколько замкнутых циркуляционных контуров, что дает возможность при небольшом объеме жидкости обеспечить высокую скорость омывания ТЭНов, (максимальную теплоотдачу), что практически исключает перегрев ТЭНа и обеспечивает длительный срок службы.
В отличие от ТЭНов, электроды не могут перегореть, и выпадение осадка на них незначительно (температура электродов почти не отличается от температуры воды). Путем изменения площади соприкосновения электрода с нагреваемой водой, можно плавно регулировать мощность парогенератора. Кроме того, большинство электродных парогенераторов обладает меньшими габаритами и стоимостью, чем ТЭНовые аналогичной мощности.
Однако вода, используемая в электродных котлах, должна иметь достаточно высокую электропроводность, поэтому в нее добавляют различные химически активные вещества (соли, кислоты, пищевую соду и т.д.). Такой пар может привести к разрушению элементов системы, в которую он поступает. Кроме того, его нельзя использовать в ряде технологических процессов. В индукционных парогенераторах вода нагревается с помощью высокочастотного излучения.
Отсутствие прямого контакта воды и нагревательного элемента (излучателя) позволяет получить особо чистый «медицинский» пар. К недостаткам этих приборов относятся их высокие стоимость и энергопотребление. Поэтому индукционные парогенераторы используют только в тех случаях, когда необходим пар медицинского качества. Практически все европейские парогенераторы — ТЭНовые. Производительность электрических парогенераторов европейских фирм редко превышает 100–150 кг/ч. Более мощные модели изготавливаются только «под заказ».
Критерии выбора парогенератора
Расход пара, выработка пара или производительность по пару — основная техническая характеристика парогенераторов, которая измеряется в кг пара/ч. Для подбора парогенератора также надо знать давление пара, которое он должен обеспечивать. Расход пара часто не сравнивается при одинаковых условиях, что может приводить к ошибке при выборе или покупке (котел может оказаться других габаритов или мощностей).
Причина этому — то, что при выборе котла надо как-то классифицировать выработку пара. Вот три термина, обычно характеризующие выработку пара: производительность котла при заданной температуре питательной воды (например, при 100 °C) и давлении пара на выходе 0 атм; максимальная выработка пара; полезная выработка пара. Производительность парогенератора — выработка пара котлом на выходном фланце при температуре питательной воды 100 °C и давлении пара 0 атм, т.е. при температуре пара также 100 °C.
Это наиболее часто и широко используемое понятие при выработке пара, которое указывается в большинстве брошюр и др. технических описаниях. Например, в американской индустрии принято оценивать производительность котлов в лошадиных силах [л.с.], имея в виду, что одна котловая л.с. равна 34,5 фунтам пара в час при температуре питательной воды 100 °C и давлении пара 0 атм.
Максимальная выработка пара — расход пара, который обеспечивается на выходном фланце котла при рабочих параметрах, зависит от состояния питательной воды и состояния пара для данных условий. Максимальная выработка пара обычно отличается от производительности пара при температуре питательной воды 100 °C и 0 атм, потому что питательная вода на входе и состояние пара на выходе различны при 100 °C и 0 атм.
Полезная выработка пара — количество пара в единицу времени, непосредственно доходящее до потребителя; является наиболее важным параметром. По определению, полезная выработка пара равна максимальной выработке пара (на котле) минус потери пара на котле при изменениях нагрузки минус потери пара при его транспортировке минус пар, идущий на собственные нужды котельной.
При колебаниях нагрузки пар может оказаться в избытке или его необходимо поддерживать постоянно в несколько избыточном объеме для компенсации возможных изменений нагрузки вследствие запаздывания в реакции котла на ее изменение. При значительном удалении котла от потребителя происходят потери пара как на котле, так и на трубопроводе вследствие его охлаждения и конденсации.
Кроме нескольких очень специфичных приложений, обычно полезная выработка пара меньше максимальной выработки пара (на котле) и производительности пара при температуре питательной воды 100 °C. Существует еще один фактор, который может оказывать существенное влияние на работу котла. Это количество продувок, которое требуется для его эффективной работы. С помощью продувок удаляют нерастворимые соли из котла и трубопроводов.
В этом случае продувка относится к количеству воды, которое постоянно должно удаляться из котельной системы для контроля количества нерастворимых солей в котле. Вода, которая удаляется из котла, нагревается, и количество энергии, необходимое для нагрева этой воды, уменьшает количество энергии, необходимое для производства пара. Таким образом, эксплуатационная эффективность котла может существенно отличаться от заявленных изготовителем процентов КПД при неизменной нагрузке (25, 50 или 100 %).
Кроме того, выбирая конкретную модель парогенератора среди присутствующих на рынке моделей со сходными техническими характеристиками, необходимо обращать внимание на характерные особенности выбираемого парогенератора: дополнительные возможности регулировки выходных параметров пара — давления, влажности, расхода пара, а также возможность регулирования потребляемой парогенератором мощности в соответствии с текущими потребностями; наличие в конструкции парогенератора всех необходимых для полноценной его работы элементов, комплектующих, включая блок водоподготовки; материал и толщина корпуса; степень автоматизации процесса выработки пара, возможности аварийной сигнализации и т.п., соответствующих соблюдению жестких требований безопасности; ремонтопригодность парогенератора, популярность и, как следствие, степень развития рынка запчастей и комплектующих к данной модели парогенератора; внешний вид парогенератора, удобство эксплуатации, доступность элементов регулировки процесса производства пара, отсутствие травмоопасных элементов конструкции.
Большинство специалистов считает, что в настоящее время отечественный рынок парогенераторов малой производительности находится в стадии становления, и оценить его объем очень сложно. Оценка продаж электрических парогенераторов затруднена, поскольку, как уже говорилось, их применение обычно не требует регистрации, а выпуском этого оборудования занимается множество производителей, часть из которых представляет собой мелкие, почти кустарные предприятия. Тем не менее специалисты отмечают позитивные тенденции роста, инвестиционную привлекательность данной отрасли.
