Модель расчета топливной составляющей при проектировании природоохранных технологий на ТЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.311.22:662.756

Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина¹

Модель расчета топливной составляющей при проектировании природоохранных технологий на ТЭС

Ростунцова И.А.¹

Аннотация

топливный затрата влага тепловой

Представлена модель расчета топливной составляющей затрат при проектировании природоохранных технологий на ТЭС. В основу разрабатываемой модели положена зависимость увеличения расхода топлива при вводе влаги в топку энергетического котла от водотопливного отношения. Получены зависимости увеличения тепловых потерь на испарение дополнительно вводимой влаги и расхода топлива на котельную установку от количества вводимой влаги.

Ключевые слова: теплопроизводительность котла, концентрация оксидов азота, водотопливное отношение, тепловые потери, КПД котельной установки.

Annotation

The model for calculating the fuel cost component in the design of environmental technologies to the power station. The basis of the developed model on the relationship between the increase in fuel consumption when entering the water in the boiler furnace power from the water-fuel ratio. The dependencies increase heat loss through evaporation of moisture and additionally introduced at fuel boiler plant from the amount of injected water.

Keywords: heat output of the boiler, the concentration of nitrogen oxides, water-fuel by-wearing, heat losses, the efficiency of the boiler plant.

В настоящее время наиболее востребованными являются малозатратные и быстро реализуемые природоохранные технологии на тепловых электрических станциях (ТЭС): рециркуляция дымовых газов через горелки в смеси с воздухом; двухступенчатое сжигание топлива; применение специальных горелок; впрыск воды; специальные методы сжигания; снижение температуры горячего воздуха. Все эти методы хорошо известны и практически все опробованы. Задача заключается в том, чтобы реализовать их на котлах с минимальными затратами средств, с минимальным снижением экономичности, не ухудшая показателей надежности работы энергетического оборудования.

Сжигание водотопливных смесей на ТЭС используется как оперативное мероприятие по снижению вредных выбросов в период наступления неблагоприятных метеорологических условий. Одной из модификаций данного мероприятия является ввод влаги в топку котла. Но при этом возникают дополнительные затраты, обусловленные увеличением расхода топлива котлом за счет роста тепловых потерь из-за увеличения температуры и объема уходящих газов, а также увеличения расхода теплоты на испарение дополнительно вводимой в топку котла влаги.

Сотрудниками Саратовского государственного технического университета (СГТУ) проведены опытные исследования влияния подачи воды в горячий воздух на концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания природного газа и мазута на котлах Саратовской ГРЭС и Энгельсской ТЭЦ-3 [1]. При этом экспериментально получено снижение концентраций оксида азота при вводе влаги в топку котлов [2]. В тоже время ввод влаги в топку котла вызывает дополнительные затраты. Основной составляющей являются топливные затраты, обусловленные увеличением расхода топлива котлом.

Для расчета оптимального ввода влаги в топку котла необходимо определить тепловые потери и увеличение расхода топлива котлом в зависимости от водотопливного отношения.

Водотопливное отношение определяется по выражению:

(1)

где - количество воды, подаваемой на впрыск в топку котла; - расход натурального топлива, обеспечивающий заданную теплопроизводительность котла м³/с (кг/с).

Расход топлива определяется по известной зависимости [4]:

(2)

где - полезная теплопроизводительность котла, кВт; - располагаемая теплота топлива, кДж/м³ (кДж/кг); - коэффициент полезного действия котла.

Если КПД котла при сжигании топлива с вводом влаги привести к единице исходного топлива, то расход последнего определится выражением:

(3)

где - КПД котла при сжигании топлива с вводом влаги.

При вводе влаги в топку котла его коэффициент полезного действия будет снижаться на величину дополнительных потерь , приведенных к располагаемой теплоте исходного топлива, что можно записать в виде:

. (4)

Подставив (4) в (3) , получим:

. (5)

Увеличение расхода топлива при вводе влаги в топку котла с учетом (2) и (5) составит:

. (6)

Таким образом, для расчета дополнительного расхода топлива, вызванного вводом влаги необходимо определить увеличение тепловых потерь.

Сумму тепловых потерь аналогично [3] можно представить в виде:

(7)

где - потеря теплоты на испарение дополнительно вводимой в топку влаги, определяется как отношение потери теплоты, идущей на испарение добавочной влаги [6]:

(8)

к располагаемой теплоте натурального топлива, , кДж/м³ (кДж/кг); - энтальпия воды на впрыске в топку, кДж/кг. составит:

(9)

- потеря теплоты, обусловленная превышением температуры уходящих газов над температурой кипения:

(10)

- средняя изобарная теплоемкость водяных паров, кДж/кг; -температура уходящих газов для случая ввода влаги в топку котла,⁰С.

- потеря теплоты с уходящими газами, вызванная увеличением их температуры и объема:

(11)

где - потеря теплоты с уходящими газами при сжигании топлива с вводом влаги, приведенная к располагаемой теплоте исходного топлива, кДж/м³ (кДж/кг); - потеря теплоты с уходящими газами при сжигании исходного топлива, кДж/м³ (кДж/кг); - увеличение потерь теплоты с уходящими газами при вводе дополнительной влаги в топку котла, кДж/м³ (кДж/кг).

Примем коэффициент избытка воздуха в уходящих газах постоянным при сжигании исходного топлива и при сжигании топлива с вводом влаги. При этом потери теплоты с механической неполнотой сгорания будут равны нулю. Тогда величину можно описать следующей зависимостью:

, (12)

где , , - суммарные объемы соответственно трехатомных газов, азота, водяных паров, м³/ м³(м³/кг); - теоретический объем воздуха, необходимого для сгорания, м³/ м³ (м³/кг); - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; - разности энтальпий соответственно углекислого газа, азота, водяных паров и воздуха при температурах уходящих газов при сжигании топлива с вводом влаги и при сжигании исходного топлива кДж/м³; - энтальпия водяных паров в уходящих газах при сжигании топлива с вводом влаги, кДж/м³.

Последняя составляющая в формуле (12) учитывает увеличение тепловых потерь за счет водяных паров, образующихся при испарении добавочной влаги при впрыске воды в топку котла.

Разность энтальпий, составляющих формулу (12) в общем случае можно представить в виде:

(13)

где - средняя теплоемкость уходящих газов при сжигании топлива с вводом влаги и при сжигании исходного топлива, кДж/м³·^оK; - температуры уходящих газов при сжигании топлива соответственно с вводом влаги и при сжигании исходного топлива, ^оС.

Зависимость средней теплоемкости уходящих газов определяется известным соотношением

(14)

где - постоянные коэффициенты, зависящие от химического состава уходящих газов.

Температура уходящих газов при сжигании топлива с вводом влаги определяется:

(15)

- увеличение температуры уходящих газов при вводе дополнительной влаги в топку котла, ^оС. Величину на основании экспериментальных данных можно определить зависимостью

(16)

где - коэффициент, показывающий, на сколько градусов повышается температура уходящих газов при увеличении водотопливного отношения, град/(кг_воды/м³_газа) или град/(кг_воды/м³_мазута).

Используя (13-14), получим формулу (12) в виде:

(17)

Подставив (17) в (11), имеем следующие зависимости:

- увеличения потерь с уходящими газами при вводе влаги

. (18)

- увеличение суммарных тепловых потерь в котле при вводе влаги:

(19)

Заменив в формуле (19) значение на 1,97 кДж/кг·К и сделав преобразование получим:

(20)

Анализируя зависимость (20) можно сделать вывод, что дополнительные тепловые потери при сжигании топлива с вводом влаги в основном определяются водотопливным отношением g_впр, энтальпией подаваемой на впрыск воды и значением коэффициента k_t.

Введем обозначение:

(21)

С учетом (21), выражение (20) примет вид:

(22)

Выразим увеличение расхода топлива в зависимости от водотопливного отношения:

(23)

Полный расход топлива котлом при сжигании с вводом влаги составит:

(24)

Результаты расчетов расхода топлива при сжигании водотопливной смеси по полученной модели представлены на рис.1.

Рис.1. Относительное увеличение расхода топлива в зависимости от водотопливного отношения и при k_t (град/(кг_воды/м³_{топлива})): 1- 10; 2- 20; 3- 30; 4- 40

Расчетные значения расхода топлива котлом при вводе влаги сравнивались с величиной, определенной по нормативному методу [4]. Получено совпадение расчетных данных. Величина относительного расхождения между ними при водотопливном отношении, не превышающем 0,2 кг_воды/м ³(кг_воды/кг_мазута)_, составила менее 2 %.

Алгоритм расчета по формулам (1) и (24) включен в программный комплекс для определения оптимального водотопливного отношения. Для котла БКЗ-320-140 проведено аналитическое исследование экономичности работы при сжигании топлива с вводом влаги. Получены следующие результаты: при увеличении водотопливного отношения на 1 условный процент тепловые потери возрастают, а коэффициент полезного действия котла уменьшается на 0,097-0,112 %.

Выводы

1. Предложена модель расчета топливной составляющей затрат при оценки эффективности ввода влаги в топочную камеру котельной установки как оперативного мероприятия по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;

2. Получена зависимость увеличения расхода топлива при вводе влаги в топку котла. Величина относительного расхождения между данными рассчитанными по данной методике и нормативному методу [3] при водотопливном отношении 0,2 составила менее 2 %;

3. При увеличении водотопливного отношения на 1 условный процент тепловые потери возрастают, а КПД котла уменьшается на 0,097-0,112 %, что является незначительным на фоне общестанционного эколого-экономического эффекта при внедрении рассматриваемого мероприятия.

Библиографический список

1.Подавление оксидов азота на ТЭС впрыском воды в воздуховоды котлов//А.И. Шупарский, Н.В. Голубь, В.И.Ерофеева, И.А.Ростунцова; Саратовский политехн.ин-т. - Саратов.1989, 7 ст.-Деп. в Информэнерго 04.08.89. - №3094. - эн89.

2. Шупарский А.И., Голубь Н.В., Ерофеева В.И., Ростунцова И.А. Снижение выбросов оксидов азота при вводе воды в воздуховоды котлов // Изв. вузов. Энергетика. 1991, №8. С.104-107.

3.Шупарский А.И.Оптимизация природоохранных мероприятий в теплоэнергетике. Саратов, 1992, 125 с.

4.Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод)/ Н.В. Кузнецова и др. - М.,1973. -176 с.

Размещено на Allbest.ru