Операторы электростанций должны задать себе четыре ключевых вопроса.
Одним из основных внутренних потребителей энергии тепловой электростанции является главный насос питательной воды котла. Он служит для подачи воды под высоким давлением в котел, вырабатывающий пар. Его энергопотребление влияет на общую теплоэффективность установки и эксплуатационные расходы.
Оптимизация системы подачи воды позволяет повысить тепловой КПД всей установки на целых 0,3%. Это может показаться тривиальным, но для электростанции мощностью 900 мегаватт (МВт) это эквивалентно 2,7 МВт дополнительной электроэнергии, которая может быть подана в сеть. Следующие методы помогут определить возможности системы:
- действуйте от обратного, начав с того места, где используется гидравлическая энергия (котел);
- затем изучите, как контролируется это требование (регулирующие клапаны котла);
- и, наконец, перейдите к насосам питательной воды котла и приводным механизмам, вырабатывающим энергию, а также вспомогательному оборудованию (например, системы сбора контролируемых утечек).
Шаги по минимизации затрат на электроэнергию
При покупке питательных насосов для котлов операторы электростанций и специалисты по проектированию/закупкам/строительству часто отдают предпочтение более низким капитальным затратам, чем более низким эксплуатационным расходам на протяжении всего жизненного цикла.
Растущие затраты на электроэнергию усложняют это экономическое обоснование, побуждая операторов установок искать меры по минимизации энергопотребления питательных насосов котла. Замена главного питательного насоса котла — это крупный проект, требующий тщательного планирования со стороны всех подразделений.
Методы проектирования, инжиниринга и внедрения проектов по оптимизации насосов хорошо известны. За последние полвека технологии были испытаны и хорошо зарекомендовали себя, но питательные насосы для котлов также имеют особое значение для процессов выработки электроэнергии. Отключение их от сети на длительное время, необходимое для внесения изменений, может поставить под угрозу способность удовлетворять потребности в электроэнергии и производственные показатели.
Поэтому операторам установок рекомендуется задать следующие четыре ключевых вопроса, чтобы изучить варианты минимизации энергопотребления и успешно реализовать проект по оптимизации насосов.
Рисунок 1. Модернизация и ремонт, оптимизирующие работу питательного насоса котла, могут обеспечить значительную экономию затрат на электроэнергию. (Изображения предоставлены компанией Flowserve)
Каковы возможности?
Этот вопрос часто задают руководители предприятий и инженеры-технологи. Сочетание различных решений на уровне системы подачи воды может повысить общий тепловой КПД установки на 0,3%. Для электростанции мощностью 900 МВт это эквивалентно 2,7 МВт дополнительной электроэнергии, которая может быть подана в сеть. Даже если потенциал насоса питательной воды котла ограничен, незначительное изменение КПД может обеспечить значительную экономию. Ежегодное снижение затрат на типичной электростанции может достигать сотен тысяч или миллионов евро (или долларов).
Повышение эффективности на практике
Десять лет назад был реализован проект по оптимизации конструкции многоступенчатого центробежного насоса мощностью 30 МВт, установленного для подачи питательной воды в котел. Вся гидравлика насоса была модернизирована для повышения общей эффективности.
С помощью вычислительной гидродинамики и испытаний на масштабных моделях были внесены изменения в конструкцию отдельных компонентов, включая спиральные камеры, короткие и длинные переводные трубы, камеру всасывания и нагнетательный патрубок.
В документе, представленном Американскому обществу инженеров-механиков (ASME), были подробно описаны конструктивные изменения, которые повысили общий КПД насоса как минимум на 3%. Годы спустя владелец электростанции сообщает, что установка неизменно достигает такого же уровня КПД и даже выше.
В результате на этой угольной электростанции на сверхкритические параметры пара, расположенной в Нидерландах, удалось добиться снижения энергопотребления примерно на 10 200 мегаватт-часов (МВтч) в год — предполагаемая финансовая выгода в размере 816 000 евро (866 257 долларов США) в год.
Кроме того, повышение КПД питательного насоса котла обеспечило дополнительное преимущество в виде сокращения выбросов углекислого газа (CO2) примерно на 6 120 метрических тонн в год, что позволило обеспечить соблюдение нормативных требований и продвинуться вперед в достижении целей компании в области устойчивого развития.
Гидравлический КПД до и после оптимизации насоса
Model test results — Результаты испытания модели
Efficiency / original peak efficiency [.] — КПД / исходный максимальный КПД [.]
Original – Исходный
Optimized — Оптимизированный
Rated flow — Номинальный расход
Flow rate [m3/hr] — Расход [м3/ч]
Рисунок 3. Незначительное повышение максимального КПД может существенно повлиять на эксплуатационные расходы мощных центробежных насосов, используемых для подачи питательной воды в основные котлы.
Энергия: самые большие затраты на насосы критически важного назначения
Capex — Капитальные затраты
Energy — Энергия
Production loss — Производственные потери
Maintenance cost — Затраты на техническое обслуживание
Operational cost — Эксплуатационные расходы
Рисунок 2. Доля затрат на насосы критически важного назначения, включая питательные насосы главного котла больше, чем любые другие эксплуатационные или капитальные затраты.
Какова рентабельность инвестиций?
Никогда не было более веских экономических обоснований для оптимизации питательных насосов котла, чем сегодня. Исторически затраты на электроэнергию были достаточно низкими, чтобы питательные насосы котла могли потреблять избыточную мощность без существенного влияния на эксплуатационные и финансовые показатели. Все изменилось из-за роста цен на энергоносители и стремления к декарбонизации.
Обоснование оптимизации насосов
Владельцы электростанций хотят продавать всю производимую ими электроэнергию для достижения коммерческих показателей. Они также сталкиваются с ценовым давлением, что влияет на капитальные и эксплуатационные расходы. Ожидаемый срок службы насосов для питательной воды котлов составляет от 20 до 40 лет. При проектировании и строительстве электростанций насосы обычно приобретаются по минимально возможным первоначальным ценам для моделей, отвечающих современным требованиям к питательной воде. Эти параметры могут меняться с течением времени по мере увеличения спроса, и владельцы электростанций вынуждены учитывать фактические данные о производительности насосов.
Оптимизация системы подачи воды в котел требует тщательного подбора гидравлики насоса для достижения максимального КПД с учетом оптимальной быстроходности.
Первоначальные капитальные затраты невелики (примерно 6%) по сравнению с общей стоимостью жизненного цикла питательного насоса котла. Однако затраты энергии на питание насоса могут составлять до 50% от общей стоимости жизненного цикла. Таким образом, все, что мы можем сделать для модернизации насоса и повышения его КПД — даже небольшими шагами — может быстро обеспечить значительную экономию затрат на электроэнергию в течение длительного срока службы оборудования.
Предполагаемая окупаемость инвестиций в проект оптимизации питательного насоса котла может быть получена всего за два года. Кроме того, во многих странах практикуется стимулирование инвестиций, повышающих энергоэффективность. В некоторых странах также применяется налог на выбросы углекислого газа, что еще больше усиливает экономическое обоснование инвестиций в оптимизацию питательного насоса котла.
Каковы технические риски и как их избежать?
Владелец электростанции в предыдущем примере избежал технических рисков, связанных с оптимизацией насоса питательной воды, которая могла бы задержать запланированный выход на полную мощность. Соблюдение сроков реализации проекта по оптимизации электростанции потребовало повторного использования существующих подшипников и механических уплотнений.
Изменения, внесенные в динамические характеристики, начальный кавитационный запас (NPSHi) и характеристики осевой нагрузки, сначала были подтверждены с помощью различных моделирования, прежде чем питательный насос котла был выведен из эксплуатации. Ожидаемое повышение КПД было также подтверждено изменениями в гидравлической конструкции с использованием масштабных испытаний на модели и анализа методом вычислительной гидродинамики. Исследование и испытание модели заняли один год. Модификация насосов питательной воды котла была одобрена после успешного завершения исследования и испытания модели.
Окончательная проверка работоспособности питательного насоса котла была проведена на месте с использованием термодинамических испытаний.
Может ли внедрение уложиться в график отключений?
При ответе на этот вопрос не должно быть никаких колебаний.
Поставщик насоса питательной воды для котла должен быть в состоянии завершить модернизацию и ремонт в рамках запланированного отключения критически важного оборудования электростанции. На задержки нет ни времени, ни бюджета.
Электростанция должна возобновить производство, чтобы удовлетворить потребности в энергии и ожидания акционеров в отношении прибыли. Однако владельцы электростанций могут свести к минимуму риски, связанные с выводом из эксплуатации питательного насоса котла для модернизации и ремонта. Сотрудничайте с поставщиком систем управления и контроля движения жидкости, располагающим ресурсами для проектирования, производства, испытания, ввода в эксплуатацию и послепродажной технической поддержки своего оборудования, а также оборудования, первоначально поставляемого другими производителями.
Услуги, необходимые от партнера по оптимизации насосов
Партнеру по оптимизации потребуются все возможности и ресурсы, о которых говорилось выше, чтобы:
- демонтировать питательные насосы котла из критически важных мест;
- оценить состояние всех компонентов;
- при необходимости порекомендовать работы по ремонту или замене, выходящие за рамки первоначального проекта;
- перепроектировать компоненты для повышения эффективности;
- подтвердить изменения конструкции с помощью инженерного анализа и анализа видов и последствий отказов;
- выполнить модернизацию и ремонт в удаленном цеху;
- использовать заводские испытания, чтобы подтвердить, что ожидаемое повышение КПД может быть реализовано;
- вернуть насосы и ввести их в эксплуатацию вовремя и в рамках согласованного бюджета.
Оптимизация системы подачи воды в котел требует тщательного подбора гидравлики насоса для достижения максимального КПД с учетом оптимальной быстроходности. Сведение к минимуму дросселирования регулирующего клапана котла требует анализа фактических системных требований на основе данных и того, как они удовлетворяются с помощью дросселирования, а также частотно-регулируемого привода, если это применимо. Учитывая типичный набор систем, эти средства управления должны быть проверены на соответствие допустимому рабочему диапазону насоса
Также может потребоваться свести к минимуму гидравлические и объемные потери за счет улучшения конструкции и зазоров изнашиваемых деталей и уплотнений.
АО Энергопром готово подобрать и поставить питательные насосы для котлов от китайского производителя в кратчайшие сроки и по конкурентным ценам info@energoprom.su
Питер Тизинк — технический директор программы Energy Advantage в компании Flowserve. 12 лет проработал в компании Flowserve, получил степень магистра в области машиностроения в Технологическом университете Эйндховена.
