Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

дисциплина: Техническая термодинамика

тема: Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата

Введение

Теплотехника - фундаментальная общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности связанных с этим аппаратов и устройств. Современное химическое производство представляет собой совокупность технологических и тепловых процессов и соответствующего технологического теплоэнергетического оборудования.

Котлами называют устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива или подводимой от посторонних источников (обычно с горючими газами). Котлы, использующие теплоту отходящих из печей газов или других основных и побочных продуктов различных технологических процессов, называют котлами-утилизаторами. Комплекс устройств, включающий в себя собственно котел и вспомогательное оборудование, называют котельной установкой. Котельные установки, снабжающие паром турбины тепловых электрических станций, называют энергетическими. Для снабжения паром производственных потребителей создают специальные производственные и отопительные котельные установки.

В данной работе на примере котельного агрегата рассматриваются методы расчета процесса сжигания и расхода топлива, к.п.д., теплового и энергетического балансов. Экономия топлива при его сжигании является одной из важнейших задач в решении топливно-энергетической проблемы. Вопросы экономии топлива и рационального использования тепла решаются в курсовой работе применением в схеме котельной установки экономайзера, воздухонагревателя, котла-утилизатора.

В качестве источников теплоты для котельных установок используются природные и искусственные топлива, отходящие газы промышленных печей и других устройств, солнечная энергия, энергия деления тяжелых элементов (урана, плутония).[1]

1. Литературный обзор

1.1 Общие понятия

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей.[13]

1.2 Образование биомассы

Двуокись углерода из атмосферы и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы. В дополнение к своему эстетическому значению земной флоры биомасса представляет собой полезный и значимый ресурс для человека. В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в виде энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу, используя энергию сахаров и крахмала. В течение нескольких последних веков человечество научилось добывать ископаемую биомассу, в частности, в виде угля. Ископаемые виды топлива представляют собой результат очень медленной химической трансформации полисахаридов в химические соединения, сходные с лигниновой фракцией. В результате химический состав угля обеспечивает более концентрированный источник энергии. Все виды ископаемого топлива, которые потребляет человечество - уголь, нефть, природный газ - представляют собой древнюю биомассу. В течение миллионов лет на Земле остатки растений превращаются в топливо. Несмотря на то, что ископаемое топливо состоит из тех же компонентов - водорода и углерода - как и "свежая" биомасса, оно не может рассматриваться в качестве возобновляемого источника, потому что его образование требует весьма длительного времени. Другое важное различие между биомассой и ископаемыми видами топлива определяется их воздействием на окружающую среду. В процессе разложения растения химические вещества попадают в атмосферу. Напротив, ископаемое топливо "заперто" глубоко под землей и не воздействует на атмосферу до тех пор, пока не будет сожжено. Древесина, по-видимому, является наиболее известным примером биомассы. В процессе сжигания высвобождается энергия, которую дерево усвоило, поглотив солнечные лучи. Однако, древесина - только один пример биомассы. Кроме древесины могут использоваться и другие виды биомассы: сельскохозяйственные отходы (например, жом сахарного тростника, стебли кукурузы, рисовая солома и шелуха, скорлупа орехов), древесные отходы (например, опилки, порубочные остатки, щепа), бумажные отходы, отходы зеленых насаждений в городском мусоре, энергетические растения (быстрорастущие деревья, например, тополь или ива), а также метан, собранный на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО), станциях очистки муниципальных сточных вод. Для этой цели может использоваться и навоз животноводческих и птицеферм.

Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14% потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38% первичной энергии (а в некоторых странах 90%). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века. В отдельных странах доля биомассы в общем потреблении первичных энергоносителей значительно превышает среднеевропейскую и составляет в Финляндии 23% (мировой лидер среди развитых стран), в Швеции -- 19%, в Австрии -- 12%, в Дании -- 12%.В соответствии с Новым энергетическим планом ЕС (2007 г.), к 2020 г. вклад ВИЭ в общее энергопотребление должен составить 20%. При этом доля ВИЭ в производстве тепловой энергии увеличится до 20% (вклад биомассы -- 76% всех ВИЭ), в производстве электроэнергии -- до 34% (вклад биомассы -- 24% всех ВИЭ). В США, где 4% энергии получают из биомассы (почти столько же, как от атомных электростанций), сегодня работают установки, сжигающие биомассу для получения электроэнергии общей установленной мощностью 9000 МВт. Биомасса может с легкостью обеспечить более 20% энергетических потребностей страны. Другими словами, имеющиеся земельные ресурсы и инфраструктура сельского хозяйства позволяют заменить все работающие атомные станции без изменения цен на продовольственные товары. Более того, использование биомассы для производства этанола могло бы уменьшить импорт нефти на 50%.

1.3 Недостатки использования биомассы

Большая часть критики использования биомассы, особенно в крупномасштабном производстве топлива, связана с опасениями, что оно отвлекает сельское хозяйство от производства пищи, особенно в развивающихся странах. Основной аргумент заключается в том, что программы выращивания энергетических растений конкурируют с выращиванием пищевых культур различными способами (сельское хозяйство, инвестиции в сельские районы, инфраструктура, вода, удобрения, обученные человеческие ресурсы и т.д.), а это может привести к нехватке продовольствия и повышению цен. Однако, это так называемое противоречие "пища против топлива" оказывается преувеличенным во многих случаях. Предмет обсуждения более сложен, чем это обычно представляется, поскольку сельскохозяйственная и экспортная политика снабжения продовольствием представляют собой факторы огромного значения. Аргументы должны анализироваться с учетом реальной ситуации в мире, отдельной стране или регионе с обеспечением и потребностью в продовольствии (увеличением излишков продуктов питания в большинстве промышленных и некоторых развивающихся странах), использованием продовольствия в качестве корма для скота, недостаточным использованием аграрного потенциала, увеличивающимся потенциалом сельскохозяйственного производства и преиму-ществами или недостатками производства биотоплива.

Недостаток продовольствия и увеличение цен, с которыми столкнулась Бразилия несколько лет тому назад, часто связывали с реализацией программы "ProAlcool". Однако тщательное изучение не подтверждает, что производство этанола отрицательно воздействует на рынок продовольствия, поскольку Бразилия остается одним из самых больших экспортеров сельскохозяйственной продукции, а рост производства продуктов питания обгоняет темпы роста населения. Производство зерновых в стране в 1976 году составляло 416 кг на человека, а в 1987 году - 418 кг. Из 55 млн га земельных угодий, предназначенных для выращивания пищевых культур, только 4.1 млн га (7.5%) были использованы для выращивания сахарного тростника, что составляет только 0.6% общей площади страны, пригодной для экономического использования или 0.3% территории Бразилии. При этом только 1.7 млн га были использованы для производства этанола. Таким образом, противоречие между пищевыми и энергетическими культурами не является критическим. Более того, замена выращиваемых культур на сахарный тростник привела к увеличению выращиваемой пищи, поскольку биомасса (тростник после гидролизной обработки) и сухие дрожжи используются для питания животных. Недостаток продовольствия и увеличение цен в Бразилии были вызваны комбинацией политических и экономических причин - политикой увеличения экспорта, гиперинфляцией, обесцениванием денег, политикой контроля цен на продукты местного производства и т.д. В этих условиях любые возможные негативные воздействия производства этанола могут рассматриваться как часть общих проблем, но не единственной проблемой. Важно отметить, что развивающиеся страны испытывают на себе как продовольственную, так и энергетическую проблемы. Поэтому адаптация сельскохозяйственной практики должна учитывать это обстоятельство и развивать эффективные методы использования имеющейся земли и других ресурсов для удовлетворения как пищевых, так и энергетических потребностей с использованием агролесной системы.

1.4 Биомасса в развивающихся странах

Несмотря на широкое применение биомассы в развивающихся странах, обычно оно неэффективно. Общая эффективность традиционного использования биомассы составляет только 5-15%. Кроме того, биомасса менее удобна для использования, чем ископаемое топливо. В некоторых случаях ее использование может быть опасно для здоровья, например, при использовании биомассы для приготовления пищи в плохо проветриваемых помещениях. При этом могут образовываться твердые частицы, CO, NОx, формальдегиды и другие органические вещества, концентрация которых может превысить уровень, рекомендуемый ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения). Более того, традиционное использование биомассы (обычно сжигание древесины) часто ассоциируется с увеличивающимся дефицитом выращиваемой древесины, истощением запасов питательных веществ, проблемами уменьшения площади лесов и расширения пустынь. В начале 80-х годов почти 1.3 миллиарда жителей Земли обеспечивали свои потребности в топливе за счет уменьшения запасов древесины. Существует огромный потенциал биомассы, который может быть задействован в случае улучшения использования существующих ресурсов и увеличения продуктивности растений. Биоэнергетика может быть модернизирована путем использования современных технологий для преобразования исходной биомассы в современные и удобные для использования виды энергоносителей (такие, как электроэнергия, жидкие и газообразные топлива и подготовленное твердое топливо). В результате значительно большее количество энергии, чем сегодня, могло бы быть извлечено из биомассы. Это могло бы принести существенную социальную и экономическую пользу как сельскому, так и городскому населению. Существующее в настоящее время ограничение доступа к удобным ресурсам ограничивает качество жизни миллионов людей в мире, в частности, в сельских районах развивающихся стран. Выращивание биомассы представляет собой сельский процесс, требующий больших человеческих ресурсов. В случае его развития могут быть созданы многочисленные рабочие места в сельскохозяйственных районах и ограничена миграция сельского населения в города. В то же время, выращивание биомассы может обеспечить развивающуюся в сельских районах промышленность удобным энергоносителем.

1.5 Главное требование для использования биомассы

Фундаментальным отличием биомассы от других видов топлив является потребность в земле для ее выращивания. При этом возникает вопрос: как и кем эта земля будет использоваться. Существует два базовых подхода для определения способа использования земли. В рамках "технократического" подхода рассматриваются потребности, затем идентифицируются биологические источники, территории для выращивания и возможный экологический эффект. Такой подход игнорирует многие местные и большинство удаленных эффектов, вызываемых плантациями биомассы, а также игнорирует мнение местных фермеров, которые знают местные условия. В результате многие проекты в прошлом оказались неудачными. В рамках "комплексного" подхода задается вопрос, каким образом нужно использовать землю для обеспечения устойчивого развития, и рассматривается, какое сочетание методов и выращиваемых культур приведет к оптимальному использованию конкретного участка земли для удовлетворения потребностей в пище, топливе, корме для скота, социальном развитии и т.д. Такой подход требует полного понимания сложных вопросов землепользования.

Необходимо отметить, что продуктивность биомассы может быть увеличена, потому что во многих местах сегодня она низкая и составляет менее 5 т/га в год для древесных видов в условиях неэффективного менеджмента. Повышение эффективности является ключевым моментом, как для формирования конкурентоспособных цен, так и для лучшей утилизации пригодных земель. Улучшение может включать идентификацию быстрорастущих видов, успешное размножение и использование комбинаций культур, новые знания о выращивании растений и биотехнологиях, которые могут привести к увеличению производительности растений в 5 - 10 раз по сравнению с их природным ростом. Сегодня является возможным, в случае хорошего менеджмента, проведения исследований и выращивания отобранных видов растений на пригодных землях получить от 10 до 15 т/га в год в районах с умеренным климатом и от 15 до 25 т/га в год в тропических странах. Рекордное значение 40 т/га в год (сухой вес) достигнуто при выращивании эвкалипта в Бразилии и Эфиопии. Высокий выход биомассы может быть достигнут при выращивании трав, если существуют пригодные агроэкологические условия. Например, в Бразилии средний выход сахарного тростника вырос от 47 до 65 т/га (вес урожая) в течение последних 15 лет, в то время как в таких регионах, как Гавайи, Южная Африка и Квинсленд (Австралия) обычным урожаем считается 100 т/гa. Представляется возможным достичь трехкратного увеличения производительности для различных видов выращиваемых культур, как это было сделано для зерновых в течение последних 45 лет. Однако это потребует интенсивных аналогичных усилий и развития инфраструктуры.

1.6 Энергетическая емкость биомассы

При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем. Теплотворная способность сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10-20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20% в пшеничной соломе, 30 - 60% в древесине, до 75 - 90% в навозе сельскохозяйственных животных и 95% в водном гиацинте. В противоположность этому, влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля. С другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность биомассы значительно ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения.

Обычно биомассу ошибочно причисляют к низкосортным видам топлива, поэтому во многих странах ее использование даже не отражается в статистических отчетах. Однако она обеспечивает большую гибкость снабжения энергоносителями ввиду большого количества видов топлива, которые могут быть из нее получены. Энергия биомассы может использоваться для производства тепловой и электрической энергии посредством сжигания в современных устройствах - от миниатюрных домашних котлов до многомегаваттных электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях, обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку биомасса является нейтральной по отношению к выбросам СО₂ в атмосферу в случае, если ее производство и использование осуществляется разумным образом. Биомасса обладает другими щадящими экологическими свойствами (малой эмиссией серы и оксидов азота) и может способствовать реабилитации деградированных земель. Растет понимание того, что использование биомассы в больших коммерческих системах основано на устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом.

1.7 Преимущества биомассы как источника энергии

Экономическое развитие сельскохозяйственных районов, как в развитых, так и развивающихся странах является одним из преимуществ использования биомассы. Увеличение доходов фермеров и диверсификация рынка, уменьшение аграрного перепроизводства и дополнительные денежные поступления, увеличе-ние конкурентоспособности на международном рынке, общее оживление экономики в сельских районах, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду, все это является важными факторами использования биомассы в качестве источника энергии. Новые финансовые поступления фермеров и сельского населения улучшают материальное положение сельских общин и могут приводить к дальнейшей активизации локальной экономики. Наконец, это означает замедление темпов миграции в города, что очень важно для многих регионов в мире.

Увеличение рабочих мест (для производства, выращивания и утилизации биомассы) и промышленный рост (развитие предприятий для производства жидких топлив, другие виды промышленности, энергетика) могут быть огромными. Например, департамент сельского хозяйства США оценил, что 17 тысяч рабочих мест создается для производства каждого миллиона галлонов этанола. В свою очередь, исследовательский институт электрической энергии оценил, что производство 5 квадриллионов Бте (Британская тепловая единица) электроэнергии на площади 50 миллионов акров увеличит доходы фермеров на 12 миллиардов долларов США ежегодно (США потребляет ежегодно 90 квадриллионов Бте). Обеспечение фермеров стабильным доходом создает новый рынок и усиливает локальную экономику, создавая циркуляцию денежных средств в локальных сообществах.

Улучшение использования аграрных ресурсов часто предлагается в ЕС. Развитие альтернативного рынка сельскохозяйственных продуктов приводит к более эффективному использованию посевных площадей, которые недостаточно используются во многих странах ЕС. В 1991 году 128 миллионов га в ЕС использовалось для выращивания зерновых. Примерно 0.8 млн га были выведены из использования в рамках программы сокращения производства. Значительно большее количество земли планируется вывести из производства в будущем. Ясно, что переориентация части этих земель для непродуктовой утилизации (например, биомасса для производства энергии) помогла бы избежать нерационального использования аграрных ресурсов. Европейское сельское хозяйство основано на производстве ограниченного количества культур, в основном использующихся в качестве пищи для людей и животных, и многие из этих культур производятся с избытком. Падение цен привело к снижению и нестабильности доходов европейских фермеров. Выращивание энергетических культур может уменьшить перепроизводство. Такие культуры могут быть конкурентоспособны по отношению к выращиванию избыточных пищевых сортов растений.[13]

2. Принципиальная схема установки. Описание работы установки

На рисунке 1 представлена технологическая схема котельной установки барабанного котла высокого давления со сжиганием твердого топлива в пылевидном состоянии.

Рисунок 1 - Схема котельной установки с барабанным котлом естественной циркуляции

1 - здание котельной; 2 - дутьевый вентилятор; 3 - воздухоподогреватель; 4 - горелки; 5 - топка котла; 6 - водяной насос; 7 - бак питательной воды; 8 - золоулавливающее устройство; 9 - дымосос; 10 - дымовая труба; I - водяной тракт; II - перегретый пар; III - топливный тракт, IV - путь движения воздуха; V - тракт продуктов сгорания

Для удобства схему котельной установки рассматривают в виде отдельных трактов соответствующего назначения: топливного, газового, пароводяного и золошлакоудаляющего.

Основными элементами парового котла являются поверхности нагрева - теплообменные поверхности, предназначенные для передачи теплоты от теплоносителя к рабочему телу (вода, пароводяная смесь, пар или воздух).

Совокупность последовательно расположенных по ходу рабочего тела поверхностей нагрева соединяющих их трубопроводов составляет пароводяной тракт парового котла. В основной пароводяной тракт входят: экономайзер, барабан, отводящие трубы, опускные трубы, распределительный коллектор, трубы топочных экранов, потолочный и конвективный пароперегреватели. горение биомасса топливо интерполяция

Топливо подается к горелкам 4. К горелкам подводится также воздух, предварительно нагретый уходящими из котла газами в воздухонагревателе 3. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топливную камеру (топку) 5 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500°С) факел, излучающий теплоту из трубы, расположенные на внутренней поверхности стен топки. Это испарительные поверхности нагрева - экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого здесь разведены в два - три ряда и омывают паронагреватель. Затем продукты сгорания движутся через водяной экономайзер, воздухонагреватель и покидают котел с температурой около 110 - 150 °С.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогревается в водяном экономайзере, забирая теплоту сожженного топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах. Испарительные поверхности подключены к барабану и вместе с опускными трубами, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель, перегретый пар направляется к потребителю.

3. Расчёт котельного агрегата

3.1 Расчёт процесса горения топлива

Исходные данные:

Р_п.п=10 МПа

t_п.п=435⁰ С

t_п.в.=70⁰ С

t_ух=170⁰ С

Р_к.у=1,9 МПа

_m =1,10

t_воз=200⁰ С

t₀ =0⁰ С

величина непрерывной продувки П=3%

теплота сгорания сухого газа Q=35,8 МДж/м³

Вид топлива:

Саратовский газ НПЗ

паропроизводительность D=40 т/ч

присос воздуха =0,30.

3.1.1 Для обеспечения полного горения топлива практически в котельный агрегат подаётся воздух с избытком по сравнению с теоретическим

Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха за установкой:

(1)

где

3.1.2 Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 нм газообразного топлива

(2)

где

3.1.3 Объём трёхатомных газов

(3)

3.1.4 Теоретический объём азота

(4)

3.1.5 Объём избытка воздуха

(5)

3.1.6 Объём водяных паров

(6)

3.1.7 Объём продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м³ (при н.у.) топлива

(7)

V_г = 1,07+7,72+2,13+3,89=14,79 м³/м³.

3.1.8 Плотность топочного газа (при н.у.)

(8)

3.1.9 Масса дымовых газов при сжигании газообразного топлива

(9)

3.1.10 Определяем теоретическую температуру горения, для чего вычисляем энтальпию продуктов сгорания при произвольных температурах (например, 1400 и 2000 °С) по формуле

(10)

При t=1400⁰С

При t=2000⁰С

Энтальпию продуктов сгорания (кДж/м³) при теоретической температуре определяем из уравнения теплового баланса топки

(11)

где (физическое тепло топлива)кДж/м ;

физическое тепло воздуха кДж/м .

Физическое тепло воздуха определяем по формуле:

(12)

Вычисляем энтальпию продуктов сгорания при теоретической температуре

Построим график зависимости изменения энтальпии продуктов сгорания от температуры горения (рисунок 1).

Теоретическую температуру горения определяем по графику (1541,84С).

Рисунок 2 - Диаграмма f=h(t) продуктов горения

3.1.11 Энтальпию уходящих газов (кДж/м³) определяем

С воздухоподогревателем:

(13)

Без воздухоподогревателя

(14)

Для этого случая определим приближённое значение температуры уходящих газов без воздухоподогревателя из уравнения теплового баланса последнего

(15)

где средняя изобарная массовая теплоёмкость газов, принимаем

средняя изобарная массовая теплоёмкость воздуха, принимаем.

Откуда:

(16)



Энтальпия равна

3.2 Тепловой баланс котельного агрегата

Тепловой баланс котла, как и любого теплотехнического агрегата, характеризуется равенством между количествами подведённой (располагаемой) и расходуемой теплоты: . Обычно тепловой баланс составляют на единицу количества сжигаемого топлива: 1 кг твёрдого или жидкого, либо 1 м³ газообразного топлива, взятого при нормальных условиях. С учётом этого и пренебрегая физической теплотой топлива и холодного воздуха, можно считать, что низшая теплота сгорания единицы топлива в рабочем состоянии).

Тепловой баланс котельного агрегата рассчитывается по уравнению

(17)

Или по уравнению

_, (18)

где полезно использованная в котельном агрегате теплота;

потери теплоты с уходящими газами;

потери теплоты от химической неполноты сгорания ();

потери теплоты от механической неполноты сгорания, принимаем равными нулю;

потери теплоты от наружного охлаждения ();

потери с физическим теплом шлака, принимаем равными нулю.[1]

3.2.1 Потери теплоты с уходящими газами определяем для случаев

С воздухоподогревателем:

(19)

.

Без воздухоподогревателя:

(20)

.

3.3 К.п.д брутто котельного агрегата, %

3.3.1 С воздухоподогревателем

(21)

3.3.2 Без воздухоподогревателя

(22)

3.4 Часовой расход натурального тепла

3.4.1 С воздухоподогревателем

, (23)

где энтальпия перегретого пара, определяем ;

энтальпия питательной воды, определяем ;

энтальпия воды в котельном агрегате, определяем , 1407,7.

3.4.2 Без воздухоподогревателя

(24)

В соответствии с рассчитанными данными, вычертим тепловой баланс котельного агрегата

Рисунок 3 - Тепловой баланс котельного агрегата

4. Упрощённый эксергетический баланс котельного агрегата [1]

Различные виды энергии имеют неодинаковую ценность с точки зрения возможности их практического использования. Способность совершения механической работы принята в качестве всеобщего показателя качества энергии различных видов. Чем больше отличаются параметры системы от параметров окружающей среды, тем выше энергетическая ценность данной системы. Практическая энергетическая ценность вещества или системы равна нулю, если их параметры соответствуют параметрам окружающей среды.

Максимальная работа, совершаемая системой при её взаимодействии с окружающей средой, получила название эксергии. «Эксергия материи является максимальной работой, которую эта материя может совершить в обратимом процессе с окружающей средой, если в конце этого процесса все участвующие в нём виды материи приходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды».

В произвольном процессе 1-2 к телу подводится теплота (площадь 12S₂S₁). Эксергия подводимой теплоты изображается заштрихованной площадью Площадь под линией равна , представляет собой часть теплоты, которую невозможно использовать для практических целей. Та часть энергии, которая не может быть превращена в механическую энергию, называется энергией , следовательно, , где

Различают эксергию теплоты, эксергию вещества в замкнутом объёме, эксергию вещества в потоке. Для расчёта удельных эксергий, используются зависимости:

- эксергия теплоты



- эксергия вещества в замкнутом объёме

- эксергия вещества в потоке

где абсолютные температуры окружающей среды, вещества или потока соответственно;

внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, удельный объём при

то же при

давление окружающей среды.

Приведённые зависимости не всегда позволяют просто рассчитать эксергию, поэтому используют другие упрощённые зависимости. В частности, это относится к топливам. Их химическую эксергию рассчитывают по формулам:

- для жидких топлив

- для твёрдых топлив

- для газообразного топлива

где высшая теплота сгорания топлива, кДж/м³; влажность твёрдого топлива.

Каждая анализируемая система характеризуется материальным, тепловым и эксергетическими балансами. Всякий реальный необратимый процесс сопровождается потерями эксергии и уравнение потоков эксергии имеет вид неравенства , т.е. сумма эксергий на входе в систему всегда больше суммы эксергий на выходе из неё. С учётом потерь эксергий вследствие необратимости процессов (уравнение Гюи-Стодолы), происходящих в системе, получим уравнение эксергетического баланса

На рисунке 4 изображена диаграмма Грассмана для процесса сжигания топлива.

Установка состоит из подогревателей топлива и воздуха ВП, камеры сжигания КА и элемента ПП, где происходит использование эксергии топлива. В установку поступают потоки топлива и воздуха с эксергиями и соответственно. В результате подогрева топлива и воздуха в подогревателе ВП за счёт эксергии продуктов сгорания их эксергия возрастает от до . Процесс подогрева сопровождается потерей эксергии , вызванной необратимым теплообменом между продуктами сгорания, топливом и воздухом. Далее подогретое топливо и воздух с эксергией поступает в камеру сгорания КА, где осуществляется процесс превращения эксергии топлива и воздуха в продукты сгорания высокой температуры. Процесс сгорания топлива в камере сгорания сопровождается потерей эксергии . Продукты сгорания с эксергией поступают в элемент ПП, которым является парогенератор (пароперегреватель). Процесс использования эксергии продуктов сгорания в ПП сопровождается эксергетическими потерями , вызванными необратимым теплообменом. Остаточная эксергия частично используется для подогрева топлива и воздуха в топливо- и воздухоподогревателях. Эксергия выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания используется в котлах-утилизаторах. является полезно использованной эксергией перегретого пара.

4.1 Эксергия топлива (кДж/м³) с достаточной точностью для приближённых практических расчётов может быть принята равной теплоте сгорания топлива

(25)

4.2 Эксергия тепла продуктов сгорания (кДж/м³) определяется по зависимости

, (26)

где температура окружающего воздуха, К;

теоретическая температура горения, К.

4.3 Потери при адиабатном горении (без учёта потерь эксергии за счёт теплообмена топки с окружающей средой)

(27)

Или в %:

(28)

4.4 Определяем уменьшение эксэргии продуктов сгорания (кДж/м³) за счёт теплообмена в нагревательно-испарительной части

(29)

4.5 Приращение эксергии в процессе превращения воды в перегретый пар

(30)

где удельная энтропия перегретого пара, определяем

удельная энтропия питательной воды, определяем

4.6 Потеря эксергии от теплообмена по водопаровому тракту

(31)

Или в %:

(32)

4.7 Уменьшение эксергии продуктов сгорания за счёт теплообмена в воздухоподогревателе

(33)



4.8 Увеличение эксергии воздуха в воздухоподогревателе

(34)

4.9 Потеря эксергии за счёт теплообмена в воздухоподогревателе, кДж/м³

(35)

Или в %:

(36)

4.10 Составим эксергетический баланс котельного агрегата и определим эксергию уходящих газов

(37)

(38)

Или в %:

(39)

4.11 Эксергетический к.п.д. котельного агрегата оценим через среднетермодинамическую температуру при теплоподводе

(40)

4.12 Эксергетический к.п.д. котельного агрегата

С воздухоподогревателем:

(41)



Без воздухоподогревателя:

(42)

Эксергетическая диаграмма сжигания топлива изображена на рисунке 5.

5. Расчёт газотрубного котла-утилизатора

5.1 Выбор типа котла

Газы пред котлом-утилизатором имеют невысокую температуру , а абсолютное давление насыщенного пара составляет всего 0,55…1,4 МПа. Этим условиям наиболее удовлетворяет газотрубный котёл-утилизатор с большим водяным объёмом. Такой тип котла отличается простотой обслуживания и большой надёжностью.

5.2 Объём продуктов сгорания принимаем согласно расчёту и по расходу газов через котёл-утилизатор

(43)

Выбираем котёл-утилизатор Г-420 с объемом продуктов сгорания 72600 м³/ч.

5.3 Определяем среднюю температуру продуктов сгорания в котле-утилизаторе

(44)

5.4 Рассчитываем теплофизические свойства продуктов сгорания методом интерполяции при :

- коэффициент теплопроводности:

;

- коэффициент кинематической вязкости:

;

- средняя объёмная теплоёмкость дымовых газов:

;

-критерий Прандтля

.[1]

5.5 Выбираем скорость движения продуктов сгорания по дымовым трубам

W=26 м/с.

5.6 Определяем необходимую площадь поперечного сечения дымовых труб:

(45)

5.7 Принимаем диаметр дымогарных труб котла-утилизатора d_вн=0,028 м [1],тогда количество дымогарных труб определяется

(46)

.

Принимаем количество дымогарных труб 1037 шт.

Полученное количество сравниваем с величиной, имеющейся в технической характеристике.

1037 < 1044 [1]

что удовлетворяет условию .

5.8 Коэффициент теплоотдачи конвекций от продуктов сгорания к стенкам дымогарных труб при продольном движении газа в трубах

(47)

где и поправочные коэффициенты [1], ,.

5.9 Коэффициент теплопередачи от газов к воде через дымогарные трубы

(48)

где коэффициент загрязнения поверхности нагрева (опытная величина) [1];

5.10 Теплота, переданная продуктами сгорания испаряемой водой в котле-утилизаторе

(49)

5.11 Величина температурного напора (°С) определяется по зависимости

(50)

где разность температур сред на том конце поверхности нагрева, где она наибольшая, °С;

разность температур сред на другом конце поверхности нагрева, где она наименьшая, °С. [2]

Определяем:

Вычисляем температурный напор

5.12 Принимая потери тепла котлом-утилизатором в окружающую среду равной 10%, определяем поверхность нагрева котла-утилизатора

(51)



Рисунок 5 - Схема относительного движения сред и изменения их температур вдоль поверхности нагрева

t'₁ - температура дымовых газов, входящих в котел-утилизатор; t”₁ - температура дымовых газов; покидающих котел-утилизатор; t'₂ - температура питательной воды; t”₂ - температура насыщения воды при давлении в котле-утилизаторе

5.13 Длина дымогарных труб (м) вычисляется по зависимости

(52)

где d_ср. - средний диаметр дымогарных труб, определяемый по уравнению:

(53)

.

Тогда

Полученное значение длины дымогарных труб сравниваем со значением, имеющимся в технической характеристике котла утилизатора

,

что удовлетворяет условию l < l^, [1].

5.14 Паропроизводительность (кг/с) котла-утилизатора определяется из уравнения теплового баланса

, (54)

где удельная энтальпия сухого насыщенного пара, определяем [2]

удельная энтальпия питательной воды, определяем

Тогда:

(55)

Известно, что эксергетический к.п.д. проточного теплообменника (теплогенератора) равен отношению изменения эксергии нагревающего (горячего) тела. Тогда при отсутствии тепловых потерь в котле-утилизаторе эксергетический к.п.д. выразится следующим образом:

 (56)

где S^''-удельная энтропия сухого насыщенного пара, S^''=6,359 кДж/(кг·К)

S_п.в. - удельная энтропия питательной воды, S_п.в=0,9549 кДж/(кг·К) [2]

.

Потери эксергии за счёт теплообмена в котле-утилизаторе

(57)

(58)

Или в %:

(59)

Эксергетический баланс котельного агрегата, работающего без воздухоподогревателя, но с котлом-утилизатором, имеет следующий вид:

(60)

(61)

Или в %:

(62)

Эксергетический к.п.д. котельного агрегата с котлом-утилизатором:

(63)

6. Описание работы котла-утилизатора и вспомогательного оборудования

6.1 Паровой котел БГ-35-Р

Котел БГ - 35 - Р Белгородского котельного завода производительностью 35 т/ч при давлении пара 3,9 МПа и температуре пара 440⁰С предназначен для природного газа. Топочная камера 2 объемом 147 м³ полностью экранирована трубами 60Ч3 мм.

Котел оборудован двумя рядами мазутных или газовых горелок, из которых три нижних являются основными, а две верхних - дополнительными для регулирования температуры перегретого пара.

В горизонтальном газоходе размещен пароперегреватель 7 с вертикальными трубами. Первая ступень его по ходу газов выполнена из труб 40х3,5 мм. В конвективной шахте расположены водяной экономайзер 5 с поверхностью нагрева из труб 32х3 мм и трубчатый воздухоподогреватель 6 из труб 40х1,5 мм. Расположение воздухоподогревателя в отдельном газоходе, смещенном к задней стенке топки, вызвано стремлением облегчить очистку труб воздухоподогревателя от летучей золы [7].

6.2 Котел-утилизатор Г-420

Горизонтальный газотрубный котел-утилизатор Г-420 используют для охлаждения технологических газов с целью конденсации паров серы и выработки насыщенного пара в процессе обезвреживания отбросных сероводородных газов. Испаряющие поверхности в этом котле расположены в барабане 3 и по ходу газов разделены на две отдельные равные ступени. Входная газовая камера 1 и выходная камера 6 снабжены разделительными перегородками 2,5 и штуцерами с паровым обогревом для отвода жидкой серы. Сепорационное устройство расположено внутри парового объема барабана 3 и выполнено в виде пароприемного цельного короба и дырчатых листов. В радиационную камеру снизу входят газы, которые сначала охлаждаются в ней. Большой объем этой камеры позволяет иметь повышенную температуру излучающего слоя и повышенную степень черноты газа. Первичное охлаждение газов необходимо для затвердевания уносимых из печи расплавленных частиц шлака или технологического продукта до прилипания их к холодильным змеевикам и затвердевания на них.

6.3 Воздухоподогреватель

Данный воздухоподогреватель является трубчатым и выполняется из тонкостенных труб 1, герметично заделанных в отверстие трубных досок с помощью приварки, взрывом или иным способом. Нижняя трубная доска является опорной, устанавливается на колонны каркаса 4.

По трубам движутся продукты сгорания (v=9-13 м/с), а в межтрубном пространстве в поперечном направлении со скоростью вдвое меньшей проходит воздух. Этим обеспечивается эффективный теплообмен между колоннами. Для уменьшения нагрузки в воздушном направлении воздухоподогреватель выполнен двухпоточным. Воздух может совершать несколько перекрестных ходов, для чего устанавливаются промежуточные трубные доски. Снаружи от окружающей среды воздухоподогреватель отделен пропускными коробами 2 и металлическими стенками. При работе котла трубы 1 вследствии нагрева удлиняются, перемещая промежуточные и верхнюю трубные доски. Также удлиняются металлические перепускные короба и ограждения. Для обеспечения свободного перемещения трубной системы при сохранении плотности между газоходами и внешней средой, а также между воздушной и газовой средами предусматривается установление компенсаторов, которые выполняют в виде сегментов линз, привариваемых по всему периметру с одной стороны к балкам перепускного короба, а с другой- к стене газохода или к трубной доске.

6.4 Пароперегреватель

Данный пароперегреватель с вертикальными трубами предназначен для повышения температуры пара, поступающего из испарительной части котла. Температуре перегретого пара должна поддерживаться постоянной всегда, так как при ее понижении повышается влажность пара в последующих ступенях турбины, а при повышении появляется опасность термических и снижения прочности. Температуру можно поддерживать с помощью пароохладителей. Пароперегреватель этого типа имеет змеевиковую поверхность нагрева с коллекторами 6. Расположение труб 2 вертикальное, а труб 4 потолочное. В соединенном газоходе коллектора 6 пароперегревателя и вертикальные змеевики подвешены скобами подвески 3 к трубам соответственно потолочного перегревателя 5 и каркасу котла или здания. Дистанционирование труб 2 осуществляется дистанционирующими гребанками 1 и накладками 7.

6.5 Змеевиковый экономайзер

Данный водяной экономайзер предназначен для подогрева питательной воды, выполняется из стальных труб диаметром 28-38 мм при толщине стенки 2,5-4 мм, согнутых в виде змеевиков 3 и их дистанционирование осуществляется опорными балками 4 и 5. В экономайзере с нижним1 и верхним 2 коллекторами до 20% воды может превращаться в пар. По условиям надежности работы металла труб скорость воды ее должна быть не ниже 0,4-0,5 м/с. При W<0,5 м/с наблюдается расасоение воды на жидкость и пар. Газы, растворенные в воде, при нагреве выделяется и собирается верхний части трубы. Возникает вероятность возникновения газовой кислородной коррозии металла с последующим образованием свищей в трубах. Кроме того, наличие газовой ''подушки'' в трубе может привести к перегреву стенки экономайзера и ее разрыву, так как газ отводит теплоту от металла гораздо хуже воды. Внешняя очистка труб осуществляется периодическим включением дробеочистки. Вода из экономайзера отводится по трубе 6. Дымовые газы, поступающие в поперечном направлении подогревают воду в змеевиках 3 и подогретая вода отводится далее. Данные дымовые газы поступают в воздухонагреватель для дальнейшего охлаждения.

6.6 Газовая горелка

Эта горелка является акустической типа АГГ. Эту горелку используют для энергетических топок, для печей пиролиза углеводородного сырья и высокотемпературных трубчатых печей нефтяных процессов. Эта конструкция основана на применении акустического резонанса, создающего мощный вихревой эффект смешения топливного газа с атмосферным воздухом [6].

Заключение

По результатам расчётов проводим анализ влияния энергосберегающего оборудования на эффективность и энергетическое совершенство котельной установки.

Эксергетический к.п.д. котельного агрегата с воздухоподогревателем равен ^ех_К.А= 43,32 %, а без воздухоподогревателя ^ех'_К.А= 39?68 %.

Эксергетический к.п.д. котельного агрегата с котлом-утилизатором ^ех_К.А=43,74 %.

Энергосберегающее оборудование (котёл-утилизатор) на энергетическое совершенство котельного агрегата практически не влияет.

В ходе курсовой работы произведен расчет процесса горения топлива, и по построенной диаграмме ht - продуктов сгорания определена теоретическая температура горения t_теор.=1541,84 ⁰С.

Произведен расчет теплового баланса котельного агрегата.

Построение эксергетической диаграммы Грассмана для процесса производился после расчета эксергетического баланса котельного агрегата, при этом эксергия топлива принимается равной теплоте сгорания топлива, то есть ex_m=35800 кДж/м³.

В ходе расчета газотурбинного котла - утилизатора выбран котел - утилизатор Г - 420. При этом выполняется условие неравенства полученных при расчете количества дымогарных труб, с величиной имеющиеся в технической характеристике котла - утилизатора. В том числе эксергетический К.П.Д. котла с котлом-утилизатором, выше, чем без него и поэтому целесообразно устанавливать котел - утилизатор вместо воздухоподогревателя.

Выбраны горелочные устройства типа ГП; трубчатый воздухоподогреватель двухпоточный; водяной экономайзер змеевиковый; горизонтальный пароперегреватель.

В соответствии с заданием выполнены необходимые эскизы.

Cписок литературы

1. Н.Г. Евдокимова, В.П. Шеин Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата. - Уфа.:УГНТУ,2009. - 57с.

2. О.М. Рабинович Сборник задач по технической термодинамике. - М.: Машиностроение, 2009. - 344с.

3. Теплотехника: Учеб. Для вузов/ А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. - 2-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 2007.- 224 с.: ил.

4. Котлы-утилизаторы и энергетические агрегаты/ А.П. Воинов, В.А. Зайцев, Л.И. Куперман, Л.Н. Сидельковский; Под ред. Л.Н. Сидельковского. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 272 с.: ил.

5. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами: Учебник для вузов/Т.Г. Морозова, М.П. Победина, Г.Б. Поляк и др.; Под ред. проф. Т.Г. Морозовой.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ, 2000. - 472 сАхметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. Уфа: Гилем, 2010. 672 с.

6. Панин В.И. Котельные установки малой и средней мощности. - М.: Изд-во по строительству, 2004. - 367 с.: ил.

7. Деев Л.В., Балахничев Н.А. Котельные установки и их обслуживание: Практ. пособие для ПТУ. - М.: Высш. шк., 2000. - 239 с.: ил.

8. Учебник для студентов вузов/ Т34 А. М. Архаров, С. И. Исаев, И. А. Кожинов и др.; Под ред. В. И. Крутова. - М.: Машиностроение, 1986.-432 с.: ил.

9. Петкин А.М. “Экономия энергоресурсов: резервы и факторы эффективности”, 2002г.

10. Михаилов В.В. “Рационально использовать энергетические ресурсы”, 2000г.

Размещено на Allbest.ru

...