CC BY
18
ЛиШогГО (РИНЦ): 657177
Адрес для переписки: PopovOmsk@yandex.ru
шин // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 79 — 84. БОТ: 10.25206/1813-8225-2018-160-79-84.
Для цитирования
Попов Д. И. Математическое моделирование физических Статья поступила в редакцию 18.05.2018 г. процессов в испытательных комплексах электрических ма- © Д. И П°п°в
УДК 662.925.6
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-160-84-87
Е. м. резанов
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
повышение технико-экономической эффективности работы термомаслогрейных котельных агрегатов
рассмотрены преимущества тепловой работы термомаслогрейных котлов. предложен алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива в котлоагрегатах нефтехимического производства, исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на рекуперативное устройство и сжигаемое топливо.
Обоснована целесообразность использования разработанного алгоритма, что позволяет снизить расход топлива, повысить коэффициент полезного действия термомаслогрейного котельного агрегата.
ключевые слова: эффективность, затраты, воздух, теплопередача, топливо, котельный агрегат, температура.
Наиболее актуальным направлением сегодня в нефтехимической промышленности является сбережение топливно-энергетических ресурсов. Создание современных котельных агрегатов, которые соответствуют технико-экономическим и экологическим показателям, является главным техническим направлением отрасли.
Одним из решений, которое соответствует безопасности, и эффективности нефтехимического производства стало инновационное направление в России по проектированию и исследованию кот-лоагрегата с использованием в качестве теплоносителя диатермического масла. Сегодня тер-момаслогрейные котельные агрегаты считаются инновационным вариантом получения тепловой энергии в сфере производства нефтехимии и добычи нефти. Уникальность данного оборудования заключается в том, что можно получить высокие температуры теплоносителя (диатермического масла до + 350 °С) при относительно низких показателях давления 2 — 5 бар. Именно данный критерий способствует снижению стоимости рассматриваемого оборудования и повышению уровня безопасности его работы [1].
В исследуемых установках с использованием высокотемпературного теплоносителя имеется ряд преимуществ [2, 3]: возможность получения высоких температур при низких давлениях; отсутствует водоподготовка, так как не используется вода; теплоноситель не замерзает; эксплуатация котельного
агрегата осуществляется автоматически; исключена коррозия и эрозия металлов. Но, как и в обычных котельных установках, греющей средой является тепловая энергия сжигающего топлива.
Эффективность сжигания топлива в высокотемпературных теплотехнологических агрегатах повышается при сочетании полного его сгорания при минимальном избытке воздуха с возможно более полной утилизацией тепловой энергии уходящих газов. Использование физической теплоты отходящих газов для подогрева воздуха является основным мероприятием повышения коэффициента полезного действия, снижения расхода сжигаемого топлива и улучшения экологических показателей [4 — 6]. Но при этом увеличивается поверхность нагрева рекуперативного устройства (рис. 1). Это приводит к дополнительным затратам на утилизирующий тепловую энергию аппарат. Поэтому необходимо определять оптимальную температуру подогрева воздуха, идущего для горения сжигаемого топлива в топке котла.
Для решения задачи определения оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения сжигаемого топлива в термомаслогрейных котельных агрегатах, мною был разработан алгоритм утилизации тепловой энергии уходящих газов.
Алгоритм разработан на основании нормативного метода теплового расчета котлов, современного решения уравнений теплообмена и баланса теплоты, экономических показателей [7—11]:
Горячий воздух, й'
Уходящие газы на выходе «д-из рекуператора,
Уходящие газы а— на входе в рекуператор,й
Холодный воздух, ¡в Рис. 1. Продольный разрез рекуперативного устройства
йЗ ^ йБ „ dF
— = Ст-+ С-= 0 ,
йН'' т йН) р йН)
С = Р ■ Л
т т '
(1)
(2)
С = Р (Р + П) С В \Р С {Р + С + С ■ Л], (3)
р р у н ' т.д. L т.д. у н ' э 1 у '
В =
ИТ + Икл + Иохл +
ар(1-л2) + ст • лс-
+ И П( + И ак + И шл - ВИэкз
I■ =
В-Ъ-- УВ{С'В - С - с; • с;,
К ' 8дл ' "
_ -Ь + ЬЫ2 - 4а. '(Г.
тс .
2а
а = Ср'Цв'С:Р'Ув'С2- К '4М'С"В ' Ст-с2,
Ь г 2
— С -п С ' С' • У
Д р I в в в в
/-' С2,
-г г С • 11 (С • С. • Ь + С' ■ в' (С ■ С ■ с. - С • Вв,)) -
р1в\в 1 1 в в С в в 1 2 1//
- К-Рм-СКСс-сС
Ь_ ' СВР{1в Б) + С'Ш ■/-- С ■- -V -V -1Р,вС -С с'СВ ,
г г г г В в в в '
-г =1 л-^-сВ Л 3 +
-БАС
(4)
(вв)
(С) (С) (8)
В9) (10)
(В
С г
С п в С'
в I в в
сш У-- ш, • С((ВсС)
А'УВ'СВ-С1
ш —г ■ Пг ' С/В с О)
■ + В,
(В ' л + С С ' С'
9' _ -г С /в Ш в / _
г -1 + С)с;
В' = СС Ш С-' в УС- -С -г ССС) г С г ш 'с('-г'С"г{г + ®) '
\С1)
(12
(13)
(14)
где З — суммарные дисконшир-ванные згтраты по рекуперативному устройстви та- рашходу сжигаемого топиива, руб/год; Сг — voдовая стоим-сть сжи гае во во топлвва' (рубс/м 3го д); С — годовые затраты 1 м2 поверхно сти на/рева рекугеривизно-го устройства, руб/(м2-год'; ( — рас-од /жига-ссвго топмив а, + 3/с; ^ — п гверхность нагрев а ре купе ра-тсвного устротства, м2; (/' — температура воздуха, идущая на -в рение сжигаемого го -лава, ВС; Рт — суммарная стоимость 1 м3 натурального топли-в а, ррб /м3 ' В1 — время работ ы и от е льн о г о а г се гата в течение года, с/год; Рр — суммарные капитальные вложеаия в сосрсжсние 1 м2 павпрхности нс2^ва атидшюга устрой^т^ва, р^/м2; Рн — норма ,вг,ис^)рг^^]и(:)с;вв1^ия инвестиций, 1/гоа П — ^ормс а,(_оргги;вв:зи^нныр ^г^т^исне:ньй, 1/гос; ^ВÍmь — мощно сть, заторачиваемая на обслуживание I м2 по -верхности наарер^а •'^к'пс^-сы^т'смого уст^рсйрт^а, Вт/мг; ^— - игвф сви циент запаса, включающий резерв по ртсроду и давшению тягодутьевых маши- а мощно сти эл-вт; Стд — стоимость тягодутье-машин, ]руб./Вт; Сэ — стоимость электроэне]с-тн и, руб.Ь(Е^тср В ( — тепло вас эне рги-, г^о луч-/тан в иоте—ьнсс а^ецате, Вт; Оохл — потери тепловой энергии водоохлаждаемыми элеменыат^!^, Вт; Вш — п-иери тесло вой ргии те плопроводнос^]':ю ^^рез ц бмур овку и обшивкукоте^ но го а/р ега^^, В т; Ошл — то'гепи т-пЛ'овС1Й энэргии излуч^и^м через от 1 кршты/ окна и щели, ив; О — готери тепловой энeJ)/п^и на аккумуляцию обмуровкой — обшививй при -ыводе котел!^но1'/ а1^регст^ из холодного ср-стоя^ш поолге длител>ного простоя на стационарный температурсый режим, Вт; О^ — п^тер-тепловой энергии в уводящим тешюс шкака, Вт; С)эш—теплош ая^нер^и я экг отер^1^и у ских р-а1сц ийС1:; И) —ниvп^aв т^(^нло_^а сгор^г^ия сжгГc^(;мeго топаива, Дж/кг; Я2 — доля потерь от механической неполноты огорания -жигаемого т^гзлива; С'т, Ст — средняя тепло емкость и температура сжигаемого топлива, Дж//м3К), °С; Уг — количество дымовых газов н а еди^цу киес^гз в а сжигаемого топлива, м3/м3;
Сг — температура и средняя теплоемкость ухо-дощ—х из 1со^ельного агрегата газов, °С, Дж/(м3К);
— тепкoвгя эк^ергм несгоревшего СО в уходящих газах, Дж/м3; У — количество воздуха, не-обхoаымое двя с^гигания единицы количества то-кс-в)^, м^3/м3; 8 — падение температуры воздуха на пуи от /екуперотивного устройства до горе-лоч-ы:ш устрой^'гв 1/от^;сыого агрегата вследствие потерь тепловой энергии в окружающую среду, 0С' Св, Лу — средняя теплоемкость и температура
85
воздуха на выходе из рекуперативного устройства, Дж/ (мкК), ° С; | в — коэффиц и ент, учитывающи й то -тери воздуха в рекуперативном устройстве; С,, В, — с]эедння теплоемкость и темпер) атура воздуха н а входе в релуп ер аои вн о е устро йство, Дж/ (м3-К), °С; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К); еД( — ооправоеный коэффициент при соожной схеме те-ккообмена; и — средний температурный напор, °С; Копт — оптн мальоая том п ер атура подогрева воздухе, необж/еимая ом го рения топлива в котельном огреооте, °С; а, Ь,(1, Ь , с1, с2 — комплексы величин, Нчитыексщке т^евп^оН^измое^со^ие, те ело технические, оосплуатацоооооге и стниммстнпе хораттеристики режимных параметров тепловой работы термомасло гргейного ютел^ного огрегата и рекуперативного уктройства; С,, С, — средние теплоемкости газов на входе и выходе из рекуперативного устрой-нгва, Дж/(меК)( к° — падение температуры газов на щни де реюутгерттивного устройства вследствие потерь тепловой энергии в окружающую среду, °С; А и Б — коэффициенты, зависимые от соотношения (В', - -((в( / В'В); В'в,В'В — температура газов на входе и выходе из рекуперативного устройства, °С; т — коэффициент, учитывающий выбивание продуктов сгорания из газохода; & — коэффициент, учитывающий разбавление уходящих газов воздухом на пути до рекуперативного устройства; г|г — коэффициент, учитывающий тепловые потери через ограждающие стенки рекуперативного устройства в окружающею среду.
Рассмотрим тепловую работу термомаслогрей-ного котельного агрегата на примере Lavart 500 БМН (рис. 2) производства закрытого акционерного общества «Омский завод инновационных технологий» [12], предназначенного для генерации тепловой энергии посредством нагрева высокотемпературного теплоносителя (диатермического масла) продуктами сгорания топлива. Максимальная мощность 0,5 МВт, рабочая температура диатермического масла до 300 °С и перепад температуры (разница температуры между подающей и обратной линии) до 40 °С, температура воздуха идущего на горение топлива 30 °С, температура уходящих газов 337 °С, расход топлива 0,016 м3/с, коэффициент полезного действия 86,4 % (при сжигании природного газа с низшей теплотой сгорания 35,9 МДж/м3). Поверхности теплообмена представляют собой концентрическую спираль, состоящую из двух колец, свитых из одной или нескольких стальных бесшовных труб. Первое кольцо спирали составляет топку котла. Второе кольцо спирали образует проточные каналы для дымовых газов. Змеевики расположены в герметичной металлической камере (обечайке), которая является корпусом нагревателя.
При численном исследовании влияния температуры подогрева воздуха, идущего на горение сжигаемого топлива, были приняты следующие допущения: процессы горения и теплообмена стационарны; горение топлива гидродинамически стабилизировано по длине топочной камеры; плотность теплового потока на поверхности стенки топки постоянна; производительность котельного агрегата задана и постоянна; нагрев диатермического масла ведется при постоянной температуре.
Условия однозначности: физические условия — физические свойства (вязкость, плотность, теплоемкость, теплопроводность); геометрические условия определяются диаметральными и осевыми размерами; начальные условия — рассчитывается средняя температура стенки теплопередающей спирали;
Рис. 2. Продольный разрез термомаслогрейного котельного агрегата нефтехимического производства Lavart 500 DMH: 1 — горелочное устройство; 2 — корпус котла; 3 — внешняя спираль; 4 — внутренняя спираль; 5 — изоляция корпуса; 6 — присоединение газохода; 7 — взрывной клапан; 8 — смотровое окно
25,3-
Ю5.
р./год 24,7"
24,424,1-
3min
\
\
\
\ 3=f(te)
\
te.ot т
50 75 100 125
150 175
и—
200 225 250 'С 300
Рис. 3. Зависимость суммарных дисконтированных затрат по рекуперативному устройству и сжигаемому топливу от температуры подогрева воздуха
10 м /с
В 1,43
B=f(te)
Mite)
\
\
0,4 F
50 75 100 125 150
175 200
и~
225 250 275 300 -С 350
Рис. 4. Зависимость расхода сжигаемого топлива и поверхности нагрева рекуперативного устройства от температуры подогрева воздуха
граничные условия третьего рода для рабочего пространства котла.
Реализация разработанного алгоритма применительно к условиям эксплуатации котла Lavart 500 БМН на заводе АО «Газпромнефть-ОНПЗ» в городе Омске, показала следующие результаты: t¡¡onт = = 226 °С и минимальные суммарные дисконтиро-
%
96
95
94
93
92
91
90
89
Ч=№
/
50 75 100 125 150
175
и
200 225 250 "С 300
Рис. 5. Зависимость коэффициента полезного действия котельного агрегата Lavart 500 DMH от температуры подогрева воздуха
ванные затраты по рекуперативному устройству и расходу сжигаемого топлива 2285000 руб./год (рис. 3).
Выводы
1. Результаты численного исследования показывают: повышение температуры подогрева воздуха, идущего на горение сжигаемого энергоносителя (природный газ), до оптимального значения снижает расход топлива (рис. 4) и повышает коэффициент полезного действия (рис. 5) рассматриваемого котельного агрегата до 10 %.
2. Повышение температуры подогрева воздуха и определение её оптимального значения в рекуперативном устройстве способствует максимальному технико-экономическому эффекту работы котельного агрегата с учётом наименьших затрат.
3. Разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения сжигаемого топлива в термомаслогрейных котельных агрегатах.
4. Результаты исследования подтверждают целесообразность его использования при проектировании котлов нефтехимического производства, работающих на высокотемпературных теплоносителях.
Библиографический список
1. Оснос В. Б. Энергосберегающая технология добычи трудноизвлекаемых запасов нефти: дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2016. 153 с.
2. Ибатуллин Р. Р., Кунеевский В. В., Оснос В. Б. Исследование эффективности применения высокотемпературных теплоносителей для добычи высоковязкой и битуминозной нефти // Нефтяное хозяйство. 2013. № 1. С. 62 — 64.
3. Тишаев С. Котлы на высокотемпературном теплоносителе // AW-Therm. 2014. № 3. URL: https://aw-therm.com.ua/ kotly-na-vysokotemperaturnom-teplonositele (дата обращения: 04.05.2018).
4. Парамонов А. М., Стариков А. П., Резанов Е. М. [и др.] Комплексная оптимизация работы и конструкции нагревательных печей // Промышленная энергетика. 2010. № 1. С. 42-47.
5. Парамонов А. М., Резанов Е. М. Повышение эффективности энергосбережения при работе нагревательных печей термических цехов // Промышленная энергетика. 2014. № 10. С. 21-24.
6. Шерстобитов М. С., Лебедев В. М., Резанов Е. М. Определение оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения в мусоросжигательных котельных агрегатах // Омский научный вестник. 2015. № 2 (140). С. 173-177.
7. Тепловой расчет котлов (нормативный метод) / Под ред. Г. М. Кагана. 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. 260 с.
8. Бакластов А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. М.: Энергия, 1970. 568 с.
9. Зайцев Н. Л. Экономика организации. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Экзамен, 2004. 624 с. ISBN 5-946921-99-1.
10. Парамонов А. М., Крайнов В. В. Повышение тепловой эффективности и экономичности работы нагревательных печей: моногр. М.: Спутник +, 2006. 225 с. ISBN 5-364-00238-1.
11. Парамонов А. М., Резанов Е. М., Рыжкова Е. Н., Кожина О. В. Определение оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива в печах с радиационными трубами // Промышленная энергетика. 2011. № 2. С. 35-38.
12. Официальный сайт закрытого акционерного общества «Омский завод инновационных технологий». URL: http://omzit.ru/products/kotly-maslogrejnye/ (дата обращения: 04.05.2018).
РЕЗАНоВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика». БРНЧ-код: 6614-1187 ЛиШогГО (РИНЦ): 659903 Адрес для переписки: rezanove1@mail.ru
Для цитирования
Резанов Е. М. Повышение технико-экономической эффективности работы термомаслогрейных котельных агрегатов // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 84-87. БОН 10.25206/1813-8225-2018-160-84-87.
Статья поступила в редакцию 14.05.2018 г. © е. М. Резанов
р
о
