Уроки, извлеченные после установки маневренных паровых турбин

Корнелия Либманн

Удаление осадка сточных вод является широко обсуждаемой темой на протяжении десятилетий. Распыление осадка сточных вод на полях добавляет в почву ценный фосфор, служащий удобрением, а также высвобождает загрязняющие вещества, содержащиеся в осадке сточных вод.

10.03.2017 в Германии вступило в силу измененное Постановление об осадке сточных вод (AbfKlärV), что повысило актуальность обсуждения. Согласно действующему Постановлению по осадку сточных вод, очистные сооружения с более чем 50 000 или

00 000 населения в эквиваленте может перерабатывать осадки сточных вод путем распыления в почву до 2029 или 2032 года соответственно. По истечении этого периода осадок сточных вод с минимальным содержанием фосфора 20 г/кг должен проходить через процесс восстановления фосфора (в соответствии со статьей 5 Раздел 3 (1) № 1 AbfKlärV).

Альтернативой чистому извлечению является предварительная термическая обработка высушенного осадка, например, на установках моносжигания осадка сточных вод с последующим извлечением фосфора.

Таким образом, помимо изучения инвестиционных затрат на установку для сжигания, имеет смысл оптимизировать технологический процесс отдельных механических компонентов с точки зрения выработки электроэнергии в зависимости от размера установки для сжигания осадка сточных вод.

Если во время сжигания осадка сточных вод образуется пар, необходимо убедиться, что этот пар также используется для сушки осадка сточных вод за счет комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), а также за счет повышения эффективности всего процесса.

Производство электроэнергии из осадка сточных вод с оптимизированным процессом сушки и сжигания

Обработка осадка - это термин, используемый для обозначения всех процессов, которые улучшают удобство использования или транспортабельность и сохранность осадка. Процессы обработки ила включают сбраживание, сгущение, гигиенизацию, стабилизацию, обезвоживание, сушку и сжигание, включая последующее преобразование отработанного тепла в электричество [1] [2]. Таким образом, упомянутые процессы обработки не являются чистой альтернативой друг другу. Напротив, их сочетание оптимизирует утилизацию осадка сточных вод.

Процессы сушки при использовании пара и влияние на выработку электроэнергии

Использование высушенного осадка сточных вод в отличие от влажного осадка, который поступает непосредственно в процессе очистки сточных вод, дает несколько преимуществ:

• Уменьшение количества осадка сточных вод

• Лучшее хранение и транспортабельность

• Улучшенные возможности транспортировки и измерения

• Подавление микробиологических процессов и установление гигиенической

безопасности

• Хорошая смешиваемость

• Повышенная теплотворная способность (тем не менее, часто требуется дожигание)

Процессы сушки по существу делятся на прямые и непрямые. [3]

Табл. 1: Используемые теплоносители, диапазоны температуры и давления, а также соответствующие сушильные агрегаты [4].

Оптимизация параметров сушки в части сочетания выработки электрической и тепловой энергии и увеличения выработки электроэнергии.

Работа по тепловому графику

Что касается использования паровых турбин для ТЭЦ, т.е. когда пар от сжигания преобразуется в электричество и впоследствии используется для сушки, наиболее эффективным способом увеличения выработки электроэнергии является проектирование сушилки таким образом, чтобы пар мог использоваться при минимально возможных давлении и температуре. Поскольку состав осадка сточных вод может сильно различаться, это также помогает спроектировать паровую турбину для переменного давления отработавшего пара. Это означает, что колебания в сушке также могут быть компенсированы температурой сушки.

Если осушитель также работает с частичной нагрузкой, важно обеспечить снижение давления пара после турбины, чтобы можно было полностью использовать сушилку или ее поверхность теплопередачи.

Электрическая производительность паровой турбины может быть увеличена за счет эксплуатации сушилки с более низким давлением пара.

В целом, работа по тепловому графику ограничена тем фактом, что можно сжигать только то количество осадка сточных вод, которое требуется для производства необходимого количества пара для сушилки, либо образующийся избыточный пар должен соответственно охлаждаться с помощью аварийных охладителей. Если позволяет установленное оборудование, то избыточный пар также может быть перенаправлен и использован для отопления других потребителей. Однако обычно установки по сжиганию осадка сточных вод не располагаются вблизи потребителей тепловой энергии, что делает использование аварийных охладителей наиболее распространенным типом систем.

Проблемой при эксплуатации являются частые циклы пуска-останова паровой турбины, которые возникают из-за сильно различающейся подачи и качества осадка сточных вод, с одной стороны, и изменяющейся потребности сушилки в паре, с другой.

Основываясь на модульной конструкции турбин KK&K MONO, компания Howden Turbo разработала стандартизированную серию типов BASE (рис. 1), которая была оптимизирована для удовлетворения этих требований. Прочные проточные части идеально подходят для работы с насыщенным паром. Благодаря консольной конструкции турбина может быть быстро запущена и оснащена безмасляной системой управления. Это позволяет турбогенератору немедленно реагировать на колебания количества пара и быстро синхронизироваться. [5]

Серия BASE подразделяется на четыре уровня производительности, обеспечивая оптимизированный по стоимости баланс между оптимальными размерами и высокой степенью стандартизации с соответствующими серийными деталями и стандартизированной проектной документацией.

Рис.1: Турбогенератор KK&K® BASE [6]

Работа по электрическому графику

Еще один способ использования пара после сжигания и подачи его в процесс сушки - преобразование его в электричество с помощью конденсационной турбины с отбором.

Только чуть более трети производимого пара требуется для сушки илового осадка. Таким образом, имеет смысл преобразовать оставшийся пар в электричество на второй ступени.

Сушильная установка имеет самые низкие инвестиционные затраты при использовании пара 10 бар (абс.). С другой стороны, самый высокий выход электроэнергии достигается, когда сушилка работает с минимально возможным давлением пара. В принципе, сушилки также могут работать с паром с давлением 3,5 бар (абс.), Но они соответственно больше и дороже.

Как и при работе с регулируемым нагревом, паровая турбина также может быть спроектирована с регулируемым скользящим давлением отвода для работы с электрическим управлением. Это позволяет контролировать температуру и количество сушки в зависимости от состава осадка сточных вод и количества тепла, необходимого для сушки. Более того, с помощью этого режима работы можно оптимизировать выработку электроэнергии.

Пример сжигания на очистных сооружениях г. Ульм

В паровой секции высокого давления пар из двух котлов на 40 бар расширяется до давления от 3 до 5 бар (абс.), В зависимости от потребности в паре для сушки. После отвода пара для сушилки ненужный пар расширяется до 0,08 бар (абс.) во второй паровой секции. Конденсационная ступень была рассчитана не на максимальный поток пара, а на около 60% количества свежего пара. Здесь предполагалось, что для сушки осадка сточных вод всегда нужен пар. Эта конструкция также оптимизирует выработку электроэнергии, поскольку конденсационная часть паровой турбины, таким образом, работает больше при полной нагрузке и, следовательно, с максимальной эффективностью. Эта адаптированная конструкция была проверена в эксплуатации в течение последних десяти лет.

Таким образом, для этого применения было выбрана решение KK&K TWIN (рис. 2). В этой компактной конструкции две паровые части установлены на общем встроенном редукторе, который приводит в действие генератор. Таким образом, необходимое пространство для установки лишь немного больше, чем для одноступенчатой турбины. Регулирующий клапан секции конденсационного пара обеспечивает постоянное давление отбираемого пара при колебаниях количества свежего пара и/или отбора, или, в случае колебания количества пара для сушки, как описано выше, он регулирует давление и количество отбираемого пара в соответствии с текущим потреблением.

Для конденсации на заводе Тапрогге используется вакуумная конденсационная установка с водяным охлаждением. В этом случае конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменник, хотя иногда также используются пластинчатые теплообменники.

Откачка с помощью пароструйных эжекторов или водяных кольцевых насосов необходима для работы аппарата в условиях вакуума. Для этих небольших систем обычно используются пароструйные эжекторы. Давление на выхлопе турбины определяется исключительно уровнем температуры охлаждающей воды.

 Используется очищенная технологическая вода, а конденсатор непрерывно очищается на заводе Тапрогге на станции очистки сточных вод Ульма.

Паровая турбина работает без сбоев десять лет.

Рис. 2: Турбогенератор KK&K® TWIN [6]

Уроки, извлеченные из эксплуатации

Проектирование паровых турбин для установок по сжиганию осадка сточных вод в Европе осложняется строгими правилами подачи вырабатываемой электроэнергии в сеть. В частности, в Германии Директива по подключению и параллельной работе генерирующих установок в сети среднего напряжения требует, чтобы наше оборудование было сертифицировано в соответствии с VDE4110. Оператор сети требует от оператора сертификат станции, который служит основанием для разрешения оператора сети на подачу электроэнергии в сеть. Поскольку турбогенераторные установки должны проходить индивидуальную процедуру испытаний, такой сертификат необходимо получать каждый раз для каждой установки.

Нормативные требования и ожидаемые затраты препятствуют запланированному производству электроэнергии и/или модернизации небольших децентрализованных ТЭЦ.

Персонал должен пройти достаточную подготовку для обеспечения оптимальной работы установок. Кроме того, различные компоненты всей установки не всегда могут быть оптимально скоординированы на этапе ввода в эксплуатацию. Это должно быть реализовано позже во время эксплуатации установки. В этом случае было бы важно выполнить планируемые изменения в спецификациях для оптимизации персоналом станции соответственно.

Выводы и перспективы

Подводя итог, можно сказать, что требования к комбинированному производству тепла и электроэнергии на установках по сжиганию осадка сточных вод с последующим преобразованием в электричество зависят от индивидуальных обстоятельств. В зависимости от режима работы и размера предприятия необходимо решить, какие улучшения имеют наибольшую эффективность. В этом контексте также необходимо учитывать, имеет ли он небольшая станция упором на инвестиционные затраты или более крупная станция фокусируется на количестве вырабатываемой электроэнергии. Основываясь на концепции модульной конструкции компактных промышленных паровых турбин, легко предложить подходящую турбину для различных требований и многих других возможных применений.

Источники

• Gujer, W .: Siedlungswasserwirtschaft. [Управление городскими водными ресурсами] Берлин-Гейдельберг: Springer-Verlag, 2007.
• Brandt, S .: Nutzung von Klärschlamm als Rohstoffquelle - Aktueller Stand in Deutschland und in der Europäischen Union sowie Perspektiven für die Zukunft. [Использование осадка сточных вод в качестве источника сырья - Текущее состояние в Германии и Европейском Союзе и перспективы на будущее] Магистерская работа, Ростокский университет, https://docplayer.org/4022212-Nutzung-von-klaerschlamm-als -rohstoffquelle. html (Версия: 07.02.2019).
• Роскош, С .; Heiecke P .: Klärschlammentsorgung in der Bundesrepublik Deutschland. [Удаление осадка сточных вод в Федеративной Республике Германия] Атрик Хайдеке, 2018.
• DWA 379 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft Abwasser und Abfall e. В .: Брошюра

DWA-M 379 Klärschlammtrocknung. [Сушка осадка сточных вод] Hennef, 2004.

• Хайманн, Ц .: Howden Turbo GmbH: Howden KK&K® Dampfturbinen für die Abwärmenutzung. [Паровые турбины Howden KK & K® для утилизации отработанного тепла] 2018.
• Howden Turbo GmbH: Вебинар - Обзор паровых турбин, https://www.howden.com/en-gb/products-and-services/steam-turbine (Версия: 07.02.2019).