CC BY
14Раздел 6.
ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ И ВОДООТВЕДЕНИЕ, ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ
И ЭНЕРГЕТИКА
Посвящается VВсеукраинскому съезду преподавателей по теплогазоснабжению и вентиляции (27-30 сентября 2011г.)
УДК 628.314.2
Анисимов С.Н., доцент, Глухов Н.Д., д.т.н., профессор, Слободина А.Д., ассистент
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ОТОПИТЕЛЬНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ КОТЕЛЬНОЙ С УЧЕТОМ НЕОБРАТИМЫХ ПОТЕРЬ
Проведен термодинамический анализ эффективности работы традиционной тепловой схемы котельной с паровыми котлами. Выявлены элементы с наибольшими потерями работоспособности. Предложена модернизированная тепловая схема.
Тепловая схема, необратимые потери, эффективность работы котельной, модернизация, утилизация теплоты, теплонасосная установка.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Украине примерно треть топливно-энергетических ресурсов расходуется на коммунально-бытовые нужды. Подавляющая часть этих ресурсов используется на морально и физически устаревших объектах - котельных различного назначения, проектирование и строительство которых осуществлялось еще во второй половине прошлого столетия, когда проблема энергосбережения и экологической безопасности не стояла так остро.
Современный подход к этой проблеме базируется на разработке и внедрении энергосберегающих и природоохранных технологий во всех сферах жизнедеятельности человека и общества.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Отопительно-производственные котельные предназначены для обеспечения тепловой энергией коммунально-бытовых потребителей и технологических нужд предприятий.
Как показывает анализ [1,2,3], эти котельные обычно вырабатывают насыщенный или слабоперегретый пар с давлением до 1,4 или 2,4 МПа.
Для технологических потребителей и подогревателей систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, использующих пар более низкого давления (0,5...0,7 МПа) по сравнению с вырабатываемым котлоагрегатами, в тепловых схемах котельных предусматривается редукционно-охладительная установка (РОУ) для снижения давления и температуры пара.
Тепловые схемы паровых котельных довольно стабильны и мало отличаются друг от друга. Типовая тепловая схема отопительно-производственной котельной представлена на рис.1.
Рис.1. I - парогенератор; II - РОУ; III - сборник конденсата; IV - питательный насос; 1 - пар к потребителям; 2 - возврат конденсата.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводятся термодинамическим методом на основе анализа энергоэнтропийных балансов.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью данной статьи является исследование энергетической эффективности тепловой схемы котельной и поиск путей её усовершенствования.
Задача исследования состоит в расчете энерго-энтропийных балансов и выявлении элементов тепловой схемы, в которых необратимые процессы вносят основной вклад в потери работоспособности и требуют усовершенствования в первую очередь.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Рассмотрим тепловую схему отопительно- производственной котельной рис.1, вырабатывающей насыщенный пар с давлением Р1 = 1,4 МПа. Понижение давления пара происходит в РОУ. В котельной установлены три котла типа ДЕ-16-14 ГМ. Производительность котельной по пару В = 48 т/ч, общая тепловая мощность Р 2 = 31,3 МВт. Топливо - природный газ с низшей теплотой сгорания = 37,6 МДж/нм3.
Рис.2. Термодинамические процессы, протекающие в тепловой схеме
Для удобства анализа, термодинамические процессы, протекающие в тепловой схеме изобразим в системе координат Тб.
На диаграмме, рис. 2: 1-2-процесс дроселирования пара в РОУ; 2-3 - изобарный процесс охлаждения в РОУ; 3-4-изобарно-изотермический процесс конденсации водяного пара у потребителей; 4-5 - адиабатный процесс повышения давления питательной воды в питательном насосе; 5-6-1 - изобарный процесс подогрева и парообразования в котельном агрегате.
Численные значения параметров рабочего тела в характерных точках цикла находим по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара [4].
В формате статьи не предоставляется возможным показать весь объем проведенных расчетов, поэтому далее ограничимся рассмотрением основных этапов расчета и анализом полученных результатов.
На предварительном этапе по методике [5] рассчитываем объемы и энтальпии продуктов сгорания, тепловой баланс котельного агрегата и находим численные значения: коэффициента полезного действия цка = 91% и расчетный расход топлива
В р = 0,305 нм3/с.
Анализ тепловой схемы с учетом необратимых потерь проведен по методике [6].
Используя метод коэффициентов полезного действия определяем потери тепла в отдельных элементах и составляем тепловой баланс системы:
Ч' = Чпотр + АЯ ка + Я пп ,
где я'- количество тепла, выделяющегося при сгорании топлива в топке котла, в расчете на 1 кг рабочего тела; я потр - количество тепла, отданного потребителям; Ачка = (1 -п) • Я' - потери тепла котельным агрегатом; Адпп = <^-цка (1 -Ппп)- потери тепла паропроводом, включая РОУ; ппп = 0,99- коэффициент полезного действия паропровода.
Расчет потерь работоспособности выполнен с помощью энтропийного и эксергетического методов
А1 уст =^А1г =£ Т0 •Аsг ;
1=1 1=1
АЬ =У АЬ =У {(е + е )-е ]-Ь }
уст / . г / . Цд вх Явх / вых J полезн
1=1 1=1 1 где То = 283 К - температура окружающей среды; АБ1 - увеличение энтропии в 1-том элементе схемы в результате протекания в нем необратимых процессов; евх, ечвх и евых -эксергия потоков рабочего тела и потока тепла на входе и выходе, соответственно; Ьполезн
- полезная работа, производимая этим элементом и отдаваемая внешнему потребителю.
Расчеты показали, что наибольшие потери работоспособности (1203 кДж/кг) имеют место в котельном агрегате, где необратимость наиболее велика вследствие большой разности температур топочных газов и рабочего тела. Таким образом, котельный агрегат, эффективное теплотехническое устройство (пка = 0,91) с позиций первого закона термодинамики, является весьма неэффективным с позиций второго закона (коэффициент потери работоспособности г/пр = 0,59 ) и это несовершенство вскрывается энтропийным и
эксергетическим методами анализа.
Уменьшение потери работоспособности котельного агрегата можно достигнуть главным образом за счет повышения температуры рабочего тела, однако это мероприятие выгодное с термодинамической точки зрения, влечет за собой увеличение капитальных затрат, которое экономически не может быть оправдано.
Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Сводная таблица результатов расчета_
Элемент тепловой схемы Причины потери работоспособности Типовая схема Модернизированная схема
Ая, кДж АЬ, кДж Ппр , % АЯ, кДж АЬ, кДж Ппр, %
кг кг кг кг
1 2 3 4 5 6 7 8
Котлоагрегат Теплопотери котла и необратимый теплообмен в котле 209 1203 58,91 209 1203 58,91
Паропровод Теплопотери паропровода и РОУ 9 0,44 23 9 0,44
Редукционно- Необратимый 23
охладительная процесса дросе- 74 3,62 - - -
установка лирования
Необратимость
Паровая турбина с противодавлением расширения пара в турбине, механические потери в турбине - - - - 23,7 1,16
Питательный насос Необратимость процесса в насосе - 0,1 0,005 - 0,1 0,005
Потребители Необратимый теплообмен при конденсации пара 2089 756 37 2089 708 34,67
В целом по тепловой схеме 2321 2042 100 2321 1944 95,2
Потери в паропроводе относительно малы; их дальнейшее снижение связано с улучшением теплоизоляции паропровода и его гидродинамических характеристик.
В РОУ для снижения давления пара используется процесс дросселирования. Этот процесс является безусловно вредным, так как сопровождается уменьшением работоспособности рабочего тела.
Для снижения начального давления пара на выходе из котельного агрегата, до давления необходимого потребителям, предлагается заменить процесс дросселирования адиабатным процессом расширения в паровой турбине с противодавлением. При этом параметры пара на выходе из турбины будут примерно такими же, как и в случае использования РОУ, но турбина будет производить полезную работу, которая может быть использована для различных целей, например, для привода электрогенератора.
Еще больший интерес представляет использование полезной работы турбины для привода турбокомпрессора теплонасосной установки с целью глубокой утилизации тепла уходящих газов, которое можно использовать для нужд горячего водоснабжения. Это позволит не только понизить температуру уходящих газов, но и использовать теплоту конденсации водяных паров в уходящих газах, т. е. появляется возможность использования не низшей, а высшей теплоты сгорания топлива. Такая модернизация тепловой схемы позволит серьезно улучшить тепловой баланс всей котельной установки в целом.
Модернизированная тепловая схема и ее цикл представлены на рис. 3 и 4.
Рис. 3. I - парогенератор; II - паровая турбина; III - турбокомпрессор; IV -конденсатор; V - испаритель; VI - насос исходной воды для ГВС; VII - сборник конденсата; VIII - питательный насос; IX - система ГВС. 1 - пар к потребителям; 2 -возврат конденсата; 3 - дымовые газы к испарителю; 4 - дымовые газы в атмосферу.
Рис. 4.
На диаграмме, рис. 4: 1-21-теоретический (адабатный) процесс расширения пара в турбине; 1-2д-действительный процесс расширения; 2д-3-процесс конденсации пара у потребителей; 3-4-адиабатный процесс повышения давления питательной воды в насосе; 4-5-1-изобарный процесс подогрева и парообразования в парогенераторе.
Результаты расчетов модернизированной тепловой схемы представлены в табл. 1. По данным табл. 1 строим диаграммы потоков эксергии в типовой (рис. 5) и модернизированной (рис. 6) тепловых схемах.
Из рис. 5 и 6 следует, что в модернизированной схеме за счет замены РОУ паровой турбиной производится полезная работа. Как показали детальные расчеты, этой работы (мощность на валу турбины N & 1,3 МВт) вполне хватает для привода турбокомпрессора
теплонасосной установки, использующей в качестве холодильного агента фреон-113, чтобы полностью утилизировать теплоту уходящих газов с учетом теплоты конденсации водяных паров в уходящих газах. Теплота утилизации может быть использована в системе горячего водоснабжения, обеспечивая расход горячей воды примерно 180 т/час при температуре 1 = 50 °С. Кроме того, за сутки из дымовых газов можно получить порядка
150 т конденсата, который в дальнейшем при соответствующей обработке (при необходимости), может быть использован в технических целях для нужд котельной.
0% 4,8%
Рис.5. Рис.6.
1 - эксергия тепла, выделившегося при сгорании топлива; 2 - потери в котле; 3 -потери в паропроводе; 4 - потери в РОУ (Рис. 5) и потери в турбине (Рис. 6); 5 -потери у потребителей; 6 - полезная работа.
Расчеты показали, что коэффициент использования тепла в типовой схеме составляет кт = 0,8 , а в модернизированной км = 1,0 .
Таким образом, модернизация тепловой схемы котельной позволит доиспоьльзовать около 20% располагаемой теплоты топлива, которая в традиционной схеме бесполезно теряется, приводя к тепловому загрязнению окружающей среды.
ВЫВОДЫ
1. Выявлены элементы тепловой схемы котельной, в которых необратимые процессы вносят основной вклад в потери работоспособности и намечены пути усовершенствования тепловой схемы.
2. Усовершенствование тепловой схемы дает возможность повысить коэффициент использования располагаемой теплоты топлива с 0,8 до 1,0 и резко снизить тепловое загрязнение окружающей среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хаванов П.А. Расчет и проектирование теплогенерирующих установок систем теплоснабжения: Учебное пособие - М.: Стройиздат, 1994 - 358с.: ил.
2. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки.- М.: Стройиздат, 1986. - 559с. ил.
3. Либерман Н.Б., Нянковская М.Т. Справочник по проектированию котельных установок систем центрального теплоснабжения. - М.: Энергия, 1979. -224с.
4. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.- М. -Л.: Энергия, 1965, - 400 с. с черт.
5. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) Под. Ред. Н.В. Кузнецова и др. - М.: Энергия, 1973.- 296с.
6. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М.: Энергия 1973.-296с.
