Оценка эффективности котельных установок по эксергетическим параметрам Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.181

В. А. Мовчан, Р. А. Ильин Астраханский государственный технический университет

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПО ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

В данной работе рассмотрены и оценены некоторые схемы использования котельных установок. Актуальность этого вопроса достаточно высока [1, 2] вследствие, во-первых, весьма низкого КПД котлов в широком секторе ЖКХ (см. в качестве примера данные на рис. 1) и, во-вторых, низкого коэффициента эффективности использования первичной эксергии в котлах [1].

• К

Рис. 1. Номинальный КПД котлов в котельных ЖКХ г. Астрахани.

На оси К - номера котельных: вправо - уменьшение их тепловой производительности

Схемы котельных приведены на рис. 2. Анализ выполнен в основном по методике [1]. Схема 1 соответствует обычному варианту «котел-потребитель» (К-П), схема 2 - вариант работы котла(ов) с дополнительным низкопотенциальным источником теплоты (от солнечных водонагревательных установок, утилизация вторичных энергоресурсов и др.), схема 3 - вариант модернизации путем «надстройки» котла газовой турбиной (ГТ) и перевода его в режим утилизационного котла (УК), т. е. газотурбинная установка (ГТУ)-мини-ТЭЦ.

е

т К бт ■ Лк

Схема 1

Тп

П

I

бт Д бт ■ Лк

Тт " К

Схема 2

бт ■ Лк ■ Лпот1

б2 = У ■ бт

Т 1 п Лпот2

Т2 > Тп

П

Схема 3

Рис. 2. Схемы использования котельных установок

Т

т

За основу анализа приняты зависимости для коэффициентов использования первичной эксергии:

- для схемы 1

6Лех1 Лк * ^пот * (1 — Хп) / (1 —т); (1)

- для схемы 2

6Пех2 = (Лк * Лпот1 + У * Лпот2) (1 - Хп) / [(1 - Хт) + У * (1 - Х2)], (2)

- для схемы 3

бЛехЭ = ф * Лр / (1 - Хт) + (1 - х) * Лр * Лук * (1 - Хп) / (1 - Хт). (3)

Здесь и на схемах: Тт - максимальная теоретическая температура горения топлива в котле или в камере сгорания, К; Лк, Лиот, ЛУК - КПД по потерям теплоты (к - котел; пот - потери); Хт, Хп (п - потребитель), Х2 - эксер-гетические температурные функции соответственно в интервалах температур Тт - Т0, Тп - Т0, Т2 - Т0; Q - количество теплоты; у - доля тепловой энергии, поступающей к потребителю в схеме 2; ф - доля тепловой энергии, использованной в ГТ в схеме 3; Лр - КПД реальных потерь в ГТ.

Наибольший интерес, очевидно, представляет ГТУ-мини-ТЭЦ. Ее возможности по использованию первичной эксергии представлены на рис. 3. Расчеты по (3) выполнены для условий: Тт = 2 273 К, ТГТ = 1 173... 1 600 К, Туг = 823 К (у. г - уходящие газы), Тп = 423 К, Т0= 283 К, Лр = 0,7, ЛУК = 0,85.

Рис. 3. Зависимость коэффициентов использования первичной эксергии

в ГТУ (производство электричества) и в УК (производство теплоты) в составе одной мини-ТЭЦ от температуры газа перед газовой турбиной

С использованием зависимостей, полученных на основе выражения (3), 6Пук = (1 - ф) ■ Лр ■ Лук ■ (1 - V) / (1 -т),

^Лгту ф ■ "Лр / (1 — Хт)*

Рис. 3 показывает существенные возможности повышения эффективности котельных при надстройке котлов газовой турбиной.

Аналогичный анализ выполнен также для схем 1 и 2. По его результатам сделаны следующие выводы:

1. При больших величинах потерь теплоты при ее передаче от котла к потребителю и при низком КПД самого котла эффективность такой системы весьма мала, что говорит о нецелесообразности ее использования.

2. Для повышения эффективности стандартной схемы теплоснабжения от котлов целесообразно использовать дополнительные низкопотенциальные источники тепловой энергии. Применение таких источников дает возможность замещения части тепловой энергии, идущей от котла к потребителю, что обеспечивает снижение расхода топлива на котел. Использование дополнительных низкопотенциальных источников тепловой энергии соответственно повышает коэффициент использования первичной эксергии.

Для сравнения относительных сроков окупаемости котельных установок по схемам 1, 2 и 3 использована упрощенная формула на основе полученных выше коэффициентов 5Лех для этих схем:

5С = С / Со = (1 - То / Эо) (бПехо / бПехО / [(1 - То / Эо) (бПехо / бПехО2], (4)

где С - срок окупаемости, То и Эо - текущие затраты на котельную установку и стоимость отпущенной энергии за год по схеме 1; индекс «о» -к схеме 1, индекс «1» - к сравниваемой схеме (2 или 3).

Сравнение схем по 5^ех и С1 по (4) представлено на рис. 4. Величины 5^ех вычислены по (1)—(3) для характерных параметров схем: Т0 = 300 К,

Т2 = 423 К, Тп = 423 К, Тт = 2273 К, Тгт = 1473 К, Туг = 773 К, Лк = Лист = 0,95, Лр = 0,7, = 0,85, у = 0,2, ф = 0,475, Т0 / Э0 = 0,8, С0 = 5 лет.

Рис. 4. Сравнительные характеристики рассмотренных схем

Таким образом, усложнение схем котельных установок приводит к существенному увеличению эффективности использования первичной эксергии (топлива) и, соответственно, к уменьшению срока окупаемости.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Ильин Р. А. Анализ эффективности теплоэнергетических установок. - Астрахань: СНЦ РАН, ЮНЦ РАН, 2003.

2. Мовчан В. А., Ильин Р. А. Энергетическая эффективность котельных в Астраханской области // Материалы VI Всерос. совещания-выставки по энергосбережению. - Екатеринбург: РИА «Энерго-Пресс», 2005. - С. 62.

Получено 9.11.05

THE EFFICIENCY ESTIMATION OF BOILER-HOUSES PLANTS ON EXERGY PARAMETERS

V. A. Movchan, R. A. Iljin

The efficiency estimation of the use of three variants of boiler-houses on the basis of exergy parameters is executed in the work. All the necessary design equations and examples are given there.