Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ энергопотребления в характерных производствах неорганической химии 11
ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ 27
ГЛАВА 2. Методические основы оптимизации и сопоставления комбинированных теплотехнологических систем на базе встроенных ГТУ ... 29
2.1. Методика оценки энергетической эффективности комбинирования ГТУ
с теплотехнологическими установками 29
2.1.1. Особенности методики оценки энергетической эффективности комбинирования ГТУ с выпарными установками 42
2.1.2. Особенности методики оценки энергетической эффективности комбинирования ГТУ с сушильными установками 51
2.2. Методика общеэкономической оптимизации и сопоставления комбинированных тешготехнологических установок (КТТУ) на базе встроенньгх ГТУ 57
2.2.1. Особенности методики общеэкономической оптимизации и сопоставления комбинированных теплотехнологических установок с выпарными установками 66
2.2.2. Особенности методики общеэкономической оптимизации и сопоставления комбинированных теплотехнологических установок с сушильными установками 75
ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ 79
Глава 3. Математическое моделирование комбинированных теплотехнологических установок на базе встроенных ГТУ. 80
3.1. Моделирование работы ГТУ в нерасчетных условиях 81
3.2. Расчет устройства ввода дополнительного топлива (УДТ) 86
3.3. Математическое описание котла-утилизатора (КУ) 88
3.4. Моделирование многоступенчатой выпарной установки (МВУ) 90
3.5. Математическое моделирование КТТУ с сушильными установками 104
ВЫВОДЫ ПО 3 ГЛАВЕ 122
ГЛАВА 4. Оптимизация и сопоставление комбинированных теплотехнологических установок на базе встроенных ГТУ 123
4.1. Оптимизация КТТУ с выпарными установками 123
4.1.1. Определение оптимального стандартного КУ типа Г в схеме ГТУ-КУ..123
4.1.2. Оптимизация схемы ГТУ - КУ с определением оптимальных характеристик нестандартного КУ типа Г при тепловом конструкторском расчете 125
4.1.3. Оптимизация схемы ГТУ - КУ - МВУ со стандартными газотрубными КУтипаГ 127
4.1.4. Оптимизация схемы ГТУ — КУ - МВУ с определением оптимальных характеристик нестандартных газотрубных КУ типа Г 133
4.1.5. Оптимизация схемы ГТУ - КУ 1-й ступени - КУ 2-й ступени - МВУ
со стандартными газотрубными КУ типаГ , 138
4.1.6. Оптимизация схемы ГТУ - УДТ — КУ - МВУ со стандартными газотрубными КУ типа Г 142
4.1.7. Оптимизация схемы ГТУ - УДТ - КУ 1-й ступени - КУ 2-й ступени -МВУ со стандартными газотрубными КУ типа Г 148
4.1.8. Сопоставление схем КТТУ с многоступенчатыми выпарными установками по энергетической и экономической эффективности.
Выводы по оптимизации КТТУ с многоступенчатыми выпарными установками 151
4.2. Оптимизация и сопоставление КТТУ с сушильными установками 153
4.2.1. Оптимизация параметров барабанной сушилки в КТТУ ГТУ - КУ -КС-БС 153
4.2.2. Сопоставление схемы с КУ и без КУ (частичное использование выхлопных газов ГТУ) 161
4.2.3. Сопоставление КТТУ с барабанной сушилкой и сушилкой псевдоожиженного слоя 162
4.2.4. Выводы по оптимизации и сопоставлению КТТУ с сушильными установками 166
ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ 166
Глава 5. Оценка экономической эффективности комбинированных теплотехнологических установок с использованием интегральных показателей 168
5.1. Экономическая эффективность применения КТТУ с многоступенчатыми выпарными установками в производстве хлора и каустической соды , 171
5.2. Экономическая эффективность применения КТТУ с сушильными установками в производстве минеральных удобрений 176
ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ '. 180
Заключение 181
Список использованных источников
- Особенности методики оценки энергетической эффективности комбинирования ГТУ с выпарными установками
- Расчет устройства ввода дополнительного топлива (УДТ)
- Оптимизация схемы ГТУ - КУ с определением оптимальных характеристик нестандартного КУ типа Г при тепловом конструкторском расчете
- Экономическая эффективность применения КТТУ с сушильными установками в производстве минеральных удобрений
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в промышленности России сложилась ситуация, когда энергоемкость отечественной промышленной продукции значительно превосходит энергоемкость аналогичной продукции зарубежного производства. Это утверждение в полной мере соответствует положе-
* нию дел в химической отрасли. При этом химическая промышленность являет-
ся одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов, ко-
І торые в большинстве случаев поставляются предприятиям от централизован-
себестоимость выпускаемой продукции и доля энергозатрат постоянно увеличиваются. В результате это может привести к снижению темпов экономического роста, потере конкурентоспособности продукции отечественных химических предприятий и кризису отрасли в целом, что очень негативно скажется на всей экономике РФ. Следовательно, повышение эффективности использования энергоресурсов и снижение энергоемкости химической продукции является важной и актуальной задачей. Перспективным направлением повышения эффективности использования энергоресурсов в химической промышленности является создание и внедрение комбинированных теплотехнологических установок (КТТУ) на базе встроенных ГТУ.
Процессы выпаривания и сушки распространены в химической промышленности; они достаточно энергоемкие и являются неотъемлемыми стадиями
^ производства ряда химических продуктов (минеральных удобрений, хлора и
каустической соды и др.), определяющими их качество и технико-
I экономические показатели производства. Поэтому создание и внедрение КТТУ
с выпарными и сушильными установками на базе встроенных ГТУ является одним из путей повышения энергетической и экономической эффективности производства химической продукции.
Эффективность комбинированных теплотехнологических установок зависит от решения большого числа задач, связанных с оптимизацией рабочих параметров и конструктивных характеристик оборудования КТТУ, сопоставлением схемных решений комбинированных установок по энергетической и общеэкономической эффективности, определением областей их применения.
Цель настоящей работы - анализ и оптимизация схем, рабочих napa
lm метров, конструктивных характеристик комбинированных теплотехнологиче
ских установок на базе встроенных ГТУ применительно к'теплотехнологиче-
f ским процессам выпаривания и сушки.
> Объектом исследования являются комбинированные теплотехнологи-
ческие установки на базе встроенных ГТУ с выпарными и сушильными установками.
Основными задачами диссертационного исследования являются: 1.. Оценка влияния встроенных ГТУ на эффективность теплотехнологических систем с выпарными установками поверхностного типа и сушильными установками для характерных производств химической промышленности.
Разработка методических основ оценки энергетической и общеэкономической эффективности и оптимизации комбинированных теплотехнологических систем (КТТС) с ГТУ, выпарными и сушильными установками.
Выбор и обоснование применения критерия общеэкономической оптимизации и сопоставления схем комбинированных теплотехнологических установок на базе встроенных ГТУ.
J. 4. Разработка математического описания теплотехнологических устано-
вок (выпарных и сушильных) и других элементов КТТУ для последующей ин-
L теграции в состав единых экономико-математических моделей комбинирован-
ных теплотехнологических установок на базе встроенных ГТУ.
5. Разработка и программная реализация комплекса, экономико-математических моделей КТТУ на базе встроенных ГТУ с выпарными и сушильными установками, позволяющего рассчитывать ТТУ в комплексе с ГТУ с
7 учетом особенностей схемных решений, взаимосвязей элементов КТТС и их влияния друг на друга.
Оптимизация рабочих параметров, состава и конструктивных характеристик оборудования КТТУ с выпарными и сушильными установками применительно к производствам хлора, каустической соды и минеральных удобрений для различных вариантов исходных данных.
Оценка общеэкономической эффективности комбинированных установок в производствах хлора, каустической соды и минеральных удобрений с использованием интегральных показателей.
Научная новизна.
С использованием системного подхода уточнены методические положения оценки энергетической эффективности КТТУ, позволяющие учесть влияние параметров и условий совместной работы газотурбинных, выпарных и сушильных установок.
Предложен и обоснован критерий общеэкономической оптимизации и сопоставления КТТУ с выпарными и сушильными установками, на основе которого разработаны методические положения оптимизации и сопоставления комбинированных теплотехнологических установок.
Разработаны математические описания ТТУ (выпарных и сушильных установок) и других элементов КТТУ для интеграции в экономико-математические модели КТТУ.
Разработаны и программно реализованы экономико-математические модели комбинированных теплотехнологических установок на базе встроенных ГТУ с выпарными и сушильными установками, учитывающие особенности схемных решений КТТУ, взаимосвязь элементов КТТУ и их влияние друг на друга.
Определены оптимальные схемные решения и рабочие параметры, состав и конструктивные характеристики оборудования комбинированных установок в зависимости от экономических факторов: коэффициента эффективно-
8 сти инвестиций, цен на энергоносители от внешних источников, цен на оборудование КТТУ.
Практическая ценность:
1. Предложена методика оценки энергетической эффективности комби
нированных теплотехнологических систем на базе встроенных ГТУ с выпар
ными и сушильными установками.
* 2. Разработаны экономико-математические модели КТТУ на базе встро-
енных ГТУ, позволяющие определять оптимальные схемные решения и рабо-
\ чиє параметры комбинированных установок, конструктивные характеристики
( оборудования КТТУ в зависимости от экономической ситуации, цен на топлив-
но-энергетические ресурсы и оборудование.
Предложены схемные решения комбинированных теплотехнологических систем с выпарными и сушильными установками, обоснованные по показателям энергетической и общеэкономической эффективности.
Результаты оптимизации, определения энергетической и экономической эффективности КТТУ с выпарными и сушильными установками в производствах хлора и каустической соды, минеральных удобрений могут быть использованы при создании и внедрении аналогичных установок на этих и других характерных производствах химической промышленности.
Автор защищает: методические положения оценки энергетической эффективности, общеэкономической оптимизации и сопоставления КТТС на базе встроенных ГТУ с выпарными и сушильными установками; экономико-
^ математические модели КТТУ с выпарными и сушильными установками; ре-
зультаты численных исследований и оптимизации комбинированных установок
і с выпарными и сушильными установками в производствах хлора, каустической
соды и минеральных удобрений.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием методологии системного подхода в промышленной теплоэнергетике, применением фундаментальных законов технической термоди-
9 намики, тепломассообмена при описании процессов выпаривания и сушки, широко апробированных и подтвержденных инженерной практикой методик расчета и определения характеристик выпарных и сушильных установок. Личный вклад автора заключается в следующем:
Выполнена оценка влияния встроенных ГТУ на эффективность тепло-технологических систем с выпарными установками поверхностного типа и сушильными установками для характерных производств химической промышленности.
Разработаны и уточнены методические положения оценки энергетической эффективности, общеэкономической оптимизации и сопоставления КТТУ с выпарными и сушильными установками на базе встроенных ГТУ.
Разработаны и реализованы экономико-математические модели КТТУ с выпарными и сушильными установками на базе встроенных ГТУ, учитывающие особенности схемных решений КТТУ, взаимосвязь элементов КТТУ и их влияние друг на друга.
Выполнена оптимизация схем, рабочих параметров и конструктивных характеристик КТТУ с выпарными и сушильными установками применительно к производствам хлора, каустической соды и минеральных удобрений в зависимости от цен на оборудование, энергоносители от внешних источников и экономической ситуации. Проведено сопоставление схем КТТУ по энергетической и экономической эффективности.
С использованием интегральных показателей определена экономическая эффективность применения КТТУ с оптимальными параметрами в производствах хлора, каустической соды и минеральных удобрений.
Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета под руководством доктора технических наук, профессора Симонова Вениамина Федоровича.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Промышленная теплотехни-
10
ка» Саратовского государственного технического университета, кафедры
«Промышленная теплоэнергетика» Самарского государственного технического
университета, кафедры «Тепломассообменные процессы и установки» Москов
ского энергетического института (Технического университета), Четвертой Рос
сийской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хо
зяйстве, энергетике, промышленности» (г. Ульяновск, 24-25 апреля 2003 г.),
i-f^ Международной научно-технической конференции, посвященной памяти про-
фессора Л. А. Бровкина «Вопросы тепломассообмена, энергосбережения и эко-
\ логии в теплотехнологических процессах» (г. Иваново, 2-3 июня 2003 г.), Меж-
' дународной научно-практической конференции «Проблемы развития централи-
зованного теплоснабжения» (г. Самара, 21-22 апреля 2004 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 5 печатных работах [57-61].
Объем работы. Диссертация изложена на 194 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 49 рисунков, 7 таблиц. Список использованных источников включает 116 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, док
тору технических наук, профессору Симонову Вениамину Федоровичу за вни
мательное руководство и помощь при выполнении работы, а также коллективу
кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного тех
нического университета за ценные советы и замечания, высказанные в процессе
ІІ подготовки и обсуждения диссертации.
п ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В ХАРАКТЕРНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Химическая промышленность — важное звено экономики Российской Фе
дерации, которое имеет большое влияние на другие секторы экономики и обес
печение оборонной, экономической и экологической безопасности государства.
,1 По объему товарной продукции химическая отрасль занимает одно из ведущих
мест в промышленности России [19]. После кризисных явлений начала 90-х го-
t дов и кризиса 1998 года, характерных для всей экономики России, в отрасли
' произошла стабилизация ситуации, прекратилось падение объемов производст-
ва, начало расти число стабильно работающих предприятий, и с февраля 1999 г. начался рост объемов производства химической продукции. При этом произошел рост рентабельности экспортной составляющей в объеме выпуска продукции, перемещение платежеспособного спроса с импортной продукции на отечественную [18].
С тех пор наблюдается постепенное уменьшение роста показателей промышленного производства, замедление темпов прироста производства химической продукции, что объясняется исчерпыванием выше указанных позитивных факторов, ростом цен на продукцию естественных монополий: природный газ, электрическую и тепловую энергию. За период 1999-2002 гт. рост цен на природный газ составил 200 %, на электроэнергию - 260 % [38].
Высказывается мнение, что при существующем прогрессирующем удо-
$ рожании продукции естественных монополий в ближайшие несколько лет вме-
сто прогнозируемого многими аналитиками роста промышленного производст-
А ва в химической и нефтехимической отрасли может напротив наступить эконо-
мический кризис, который нанесет непоправимый урон всей промышленности. Такая ситуация объясняется тем, что доля затрат в себестоимости химической продукции на энергоносители достигает значений 50-60 % и является опреде-
12 ляющей, в то время как доля затрат на оплату труда равна 10-15 %, амортизации-4-6 % [38].
Как видно из динамики потребления энергоносителей (табл. 1.1), потребление всех видов ТЭР предприятиями химической индустрии постоянно увеличивалось до 1990 г. Энергетические затраты в отрасли в 1985 г. выросли в 2,5 раза по сравнению с 1970 г. При этом несмотря на такой существенный рост
- энергозатрат структура потребления топливно-энергетических ресурсов изме-
нялась незначительно. В виде тепловой энергии (пара или горячей воды) по-
) t треблялось 48,3 % топливно-энергетических ресурсов; в виде электроэнергии -
30,2 %, остальное количество составляло потребление топлива (без учета топлива, расходуемого в качестве сырья). При росте энергопотребления химической промышленностью энергоемкость продукции уменьшалась в среднем на 2,5 % в год, т. е. рост энергопотребления был вызван ростом объема выпускаемой продукции [13].
Таблица І Л Потребление ТЭР предприятиями химического профиля [99]
Одной из особенностей химической промышленности, вытекающей из приведенных данных о размере и структуре энергопотребления отрасли, является одновременное потребление большого количества.топлива, электрической и тепловой энергии. Непосредственное потребление топлива на энергетические цели составляет в химической промышленности около 12,5 % суммарного энергопотребления, при этом не учитывается использование топлива в качестве сырья химических производств. Около 40 % топлива сжигается в промышленных котельных и на ТЭЦ для производства тепловой и электрической энергии.
13 Остальное топливо (главным образом твердое и газообразное) используется в технологических установках [13].
Основную часть электрической и тепловой энергии предприятия химиче
ского профиля получают от сторонних источников. Практически вся электро
энергия 97 %) поступает на химические предприятия от РАО «ЕЭС России» и
ТЭЦ АО-энерго, собственные же ТЭЦ вырабатывают всего лишь 3 % электро-
j^ энергии [12, 13]. На собственных ТЭЦ промышленных предприятий, в про-
мышленных котельных и теплоутилизационных установках вырабатывается
). 33 % тепловой энергии, остальное количество также поступает от ТЭЦ АО-
энерго.
На технологические процессы расходуется около 75 % тепловой энергии. Тепловая энергия используется в большинстве химических производств для нагрева, перегонки, сушки, выпаривания, обжига, спекания, плавления и в других технологических процессах. Одной из характерных особенностей химических производств является большое потребление тепловой энергии на процессы, не связанные напрямую с технологией — отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха в производственных помещениях. На эти цели расходуется почти 25 % тепловой энергии. Причем для обеспечения такого теплопотребления требуется теплота среднего и низкого температурного потенциала, что имеет особое значение при утилизации тепловых ВЭР.
ft лі
Электрическая нагрузка (%) на химических предприятиях распределяется следующим образом [113]:
технологические установки 40-50;
сырьевые, промежуточные, товарные парки 15-20;
водоснабжение, охлаждение, канализация 22-30;
подсобно-вспомогательные объекты 15-20;
освещение 8-12.
Большая часть потребляемой электроэнергии расходуется в силовых процессах (65 %), примерно 30 % потребляется электроаппаратами. Особенностью хими-
14 ческой промышленности является большое потребление электроэнергии в при-точно-вытяжных вентиляционных системах (около 10 %) [13].
Большинство ТЭЦ промышленных предприятий достаточно давно введе
ны в эксплуатацию. На многих из них эксплуатируется устаревшее оборудова
ние, которое выработало свой ресурс, и его трудно модернизировать. При этом
не всегда используются преимущества выработки электрической энергии на те-
Jj$ пловом потреблении, производственные отборы турбин загружены нерацио-
нально, большое количество пара дросселируется [12], что увеличивает зависи-
) мость предприятий от централизованных источников энергоснабжения.
Большая часть расхода ТЭР в химической промышленности определяется их потребностью при производстве ряда наиболее энергоемких химических продуктов (табл. 1.2) [13]. Абсолютное потребление энергоресурсов на выработку данных продуктов связано либо с большими объемами их выпуска, например, кальцинированная сода, либо они имеют высокую удельную энергоемкость.
Таблица 1.2 Энергозатраты на производство основных
энергоемких химических продуктов
В табл. 1.3 приведена доля энергетических затрат химических подотраслей от общих энергетических затрат химической промышленности (ХП) и доля энергозатрат в себестоимости продукции этих подотраслей по состоянию на се-
15 редину 80-х гг. XX века. При этом с переходом на условия рыночной экономики доля ТЭР в себестоимости многократно увеличилась.
Таблица 1.3
Энергозатраты и их доля в себестоимости продукции отраслей химической индустрии
Причины такого изменения следующие:
1. В СССР проводилась политика «дешевых» энергоносителей [10], при которой стоимость энергоносителей для внутреннего потребления была гораздо ниже, чем на внешнем рынке. Это привело к тому, что энергоемкость отечественной химической продукции была значительно выше импортной, даже если она выпускалась по аналогичной технологии. В то же время доля энергозатрат в структуре себестоимости продукции была достаточно низкой. При разработке новых химических технологий энергетика процесса прорабатывалась в последнюю очередь, при оптимизации процесса энергетический фактор не был определяющим, ставилась задача достичь максимального выхода продукта, максимальной степени использования сырья, что приводило к повышенным расходам ТЭР [43].
Объем выпуска химической продукции в России по сравнению с 80-ми годами существенно уменьшился [38, 45, 81, 111]. О значительном падении объемов выпускаемой продукции свидетельствует и тот факт, что потребление электроэнергии предприятиями химической отрасли в 2001 г. уменьшилось по сравнению с 1990 г. на 40 % [45]. При этом мощности по выпуску продукции загружены не полностью, а с уменьшением степени загрузки производственных мощностей удельная энергоемкость выпускаемой продукции увеличивается. Например, мощности по производству минеральных удобрений в 2000 г. были загружены только на 62 % [18].
Снижения себестоимости химической продукции и, в частности, доли энергозатрат в себестоимости продукции можно достичь путем уменьшения удельного энергопотребления за счет совершенствования технологии и рациональной организации тепловой схемы. Сравнительные данные по этому показателю при производстве некоторых химических продуктов в России и за рубежом (табл. 1.4, [81]) свидетельствуют о том, что резервы энергосбережения на этом направлении являются весьма существенными.
Таблица 1.4 Удельное энергопотребление
при производстве некоторых химических продуктов, Гкал/т
4. В настоящее время продолжается ощутимый рост цен на топливно-энергетические ресурсы, которые в большинстве случаев поставляются хими-
17 ческим предприятиям от централизованных источников по монопольно высоким ценам. В этих условиях себестоимость продукции постоянно растет.
Выше сказанное позволяет сделать вывод, что одной из первоочередных задач для предприятий химического профиля является снижение энергоемкости продукции и доли энергозатрат в ее себестоимости. Экономное и более полное использование энергоресурсов обусловливается не только хозяйственными требованиями. Следует помнить об ограниченности и невозобновляем ости запасов органического топлива, особенно природного газа, который для химической индустрии является еще и незаменимым сырьем для производства различной продукции [12].
Энергосберегающие решения определяются следующими основными направлениями:
Переход на энергосберегающие технологии и оптимизированные тепловые схемы производства, сокращение его материалоемкости, повышение уровня организации производственных процессов.
Совершенствование энергетического оборудования, создание и внедрение более эффективных в энергетическом отношении машин и механизмов.
Применение комбинированных энерготехнологических процессов [4, 82, 84, 85].
Сокращение всех видов энергетических потерь и повышение уровня использования ВЭР.
Наибольшие энергетические потери имеют место в установках конечного использования энергии. В СССР 50 % экономии электроэнергии на 11-ю пятилетку планировалось достичь за счет реконструкции производства и улучшения химических технологий [12]. При этом эффективность использования ТЭР на стадии конечного потребления зависит в основном от современного уровня энергетических показателей энергоиспользующих установок - промышленных печей, котельного оборудования, сушильных, выпарных установок, оборудования для дробления материалов и др., т. е. соответствия их показателей совре-
18 менным достижениям науки и техники. На стадии разработки, проектирования и изготовления нового оборудования необходимо руководствоваться определенными энергетическими показателями [99].
Процессы сушки являются достаточно распространенными как в химической технологии, так и других отраслях промышленности: пищевой, машиностроении, производстве строительных материалов и т. д. Часто сушка является одной из основных технологических операций, определяющей как качество выпускаемой продукции, так и технико-экономические показатели ее производства [48].
В химической промышленности на сушку расходуется около 22 % потребляемого топлива [12], по другим оценкам [47] на процессы сушки расходуется 12 % топлива, добываемого в стране. Так как сушка относится к очень энергоемким процессам [28, 79], то экономия энергоресурсов при сушке различных материалов является одной из актуальных проблем повышения энергоэффективности производства. В себестоимости некоторых видов химической продукции доля затрат на процесс сушки достигает 25-30 % [112], причем есть все основания считать, что с учетом значительного роста цен на энергоносители эта величина может быть значительно выше в современных условиях.
Существуют различные по конструкции и принципу действия сушильные установки, работающие с различной энергетической эффективностью. С целью достижения экономии энергии при сушке проводятся исследования и анализ использования сушильных установок в различных отраслях промышленности, для этого также требуется интенсификация процессов сушки, классификация и унификация сушильных установок. Повышение эффективности использования энергии при сушке материалов достигается, в частности, при внедрении в производство установок с современными энергетическими показателями: аппаратов с инертным носителем, вихревых, аппаратов с псевдоожиженным слоем без уноса материала, сушильных установок с использованием ВЭР, комбинированных установок, в которых одновременно с сушкой происходят другие техноло-
19 гические процессы и т. д. [99]. Помимо разработки и внедрения новых аппаратов необходимо решать задачи эффективного выбора и использования уже существующих конструкций применительно к заданным условиям, регламентирующим состояние высушиваемого материала, ограничения по максимальной температуре сушильного агента и т.д.
Выпарные установки широко применяются в различных отраслях промышленности (химической, пищевой и др.) для концентрирования растворов и получения чистого растворителя, причем выпаривание является важным технологическим процессом, часто определяющим качество и себестоимость конечного продукта, так как процесс выпаривания является очень энергоемким [1, 91]. На выпаривание затрачиваются многие миллионы тонн топлива [90].
Кроме этого процесс выпаривания применяется в опреснительных установках для получения дистиллята из морской или минерализованной воды [86], при очистке загрязненных промышленных сточных вод для уменьшения их объема [29, 93], для концентрирования загрязненных вод АЭС [96]. При такой распространенности и важности этого процесса снижение энергетических затрат на выпаривание является одной из актуальных задач современной науки и техники.
Ниже приведены характеристики некоторых производств химической промышленности с высоким уровнем энергопотребления, в которых процессы выпаривания и сушки являются одними из основных в технологии производства продукции.
Производство хлора и каустической соды (едкого натра) методом электролиза относится к группе производств с высокой удельной энергоемкостью и большим объемом выпускаемой продукции [12, 13]. Хлор применяется в производстве хлорорганических и органических продуктов,, в производстве пластмасс, красителей, лекарственных веществ, ядохимикатов, дезинфицирующих, отбеливающих и моющих средств и многих других веществ. Водород,, выделяющийся при электролизе поваренной соли, применяется в производстве хло-
20
ристого водорода, в синтезе аммиака, аминов, углеводородов, метанола и в дру
гих химических производствах. Каустическая сода является одним из важней
ших продуктов ХП и применяется почти во всех отраслях промышленности: в
производстве искусственных волокон, мыла, глицерина, в целлюлозно-
бумажной промышленности, текстильной промышленности, для очистки неф
тепродуктов и жиров, при получении алюминия, а также в черной металлургии
.^ [113,114].
При производстве хлора и каустической соды методом электролиза с
/ ртутным катодом из электролизера получают концентрированную щелочь осо-
бой чистоты, которая не требует дополнительного упаривания, т. е. этот метод связан с более высоким удельным расходом электроэнергии по сравнению с диафрагменным способом, но при этом меньше потребление тепловой энергии. Ртутный способ связан с ухудшением экологической обстановки за счет содержания в производственных отходах ртути. При диафрагменном методе из электролизеров получают малоконцентрированные щелока, которые затем выпаривают в многоступенчатых выпарных установках для получения товарной каустической соды [113, 114]. Доля производства каустической соды и хлора ртутным способом постоянно снижается в пользу диафрагменного и мембранного методов [46].
Данные по расходу энергоресурсов на производство хлора и каустической соды различными методами приведены в табл. 1.5.
-4\ Таблица 1.5
Расход энергоресурсов на производство хлора и каустической соды [114]
* - Без учета затрат тепла на выпарку рассола для получения чистой соли
21 Непосредственно на стадии выпаривания электролитических щелоков при производстве каустической соды диафрагменным методом расходуется около 90 % потребляемой тепловой энергии.
Водород, получаемый при электролизе, практически не используется, при
отсутствии потребителей его сбрасывают через свечу в атмосферу, что приво
дит к энергопотерям 65 тыс. т у. т. [13]. Для использования сбросного водорода
, JL. разработаны специальные горелки. Утилизация теплоты дымовых газов при
сжигании водорода в КУ может дать экономию около 720 ТДж (127 тыс. Гкал)
} тепловой энергии в год только на одном заводе. В Калушском ПО «Хлорвинил»
'"Г
внедрена система сжигания водорода с природным газом в топках сушильных
установок. Типовая горелка ГМГБ-5,6 низкого давления с принудительной подачей воздуха обеспечивает устойчивое горение смеси в диапазоне содержания водорода от 0 % до 80 % [13].
Особенностями горения водорода являются: большая скорость распространения пламени (в 6 раз больше, чем у метана), широкие пределы воспламенения, низкая энергия воспламенения, что обеспечивает эффективное использование водорода в качестве дополнительного энергоносителя [26]. При этом водород является почти идеальным топливом с экологической точки зрения. Количество NOx может быть сведено к минимуму при соответствующей организации процесса горения.
Производство минеральных удобрений также относится к энергоемким
производствам с большими объемами выпускаемой продукции. По данным [45]
^4^ в 2001 году в России было произведено 13,5 млн. т удобрений, причем около
90 % всего объема производства идет на экспорт.
v В нашей стране выпускается широкая номенклатура минеральных удоб-
рений: азотные, фосфорные, калийные и комплексные. Технология их получения различна в зависимости от используемого сырья, качества продукта, оборудования, отработанности технологического процесса. Но общим в этом многообразии технологий и способов производства является наличие в большинстве
22
технологических схем процессов выпаривания и сушки [30]. Процессы концен
трирования широко применяются при производстве минеральных удобрений:
для выпаривания экстракционной фосфорной кислоты, аммонизированных сус
пензий, растворов аммиачной селитры и карбамида. Выпарные установки раз
личных конструкций являются составной частью технологических схем произ
водства минеральных удобрений и часто определяют экономические и энерге-
L тические показатели всего производства. Наибольшее распространение полу-
чили двух-, трех- и четырехкорпусные выпарные установки [30].
) Сушка в производстве минеральных удобрений является частью одного
'-Г
' из самых сложных с практической точки зрения процесса — перехода продукта
из жидкого состояния в твердое. В этом процессе формируются потребительские качества готового продукта: размер, прочность, влажность и т.д. Часто сушка совмещена с процессом грануляции в одном технологическом агрегате, который является одним из основных аппаратов технологии производства.
При производстве аммофоса конечной операцией производства является сушка-грануляция продукта, которая осуществляется в барабанных сушил ках-грануляторах (БГС) топочными газами, получаемыми при сжигании природно-' го газа. На производство 1 т аммофоса (в пересчете на 100 % Р2О5) расходуется: электроэнергии - 155 кВт-ч, природного газа - 130 нм , тепловой энергии (пар) - 0,15 Гкал, сжатого воздуха - 150 нм3.
Производство сульфата аммония характеризуется следующими энергоза
тратами на 1 т готового продукта: электроэнергия — 34 кВт-ч, тепловая энергия
"~^Ч (пар) - 1,3 Гкал, промышленная вода — 105 м3. Сушка соли производится горя-
чим воздухом с температурой 130-140 С (по регламенту производства). Воздух
V. подогревается в калориферах, обогреваемых паром.
Как отмечено выше, одним из направлений повышения энергоэффективности химических производств является энерготехнологическое комбинирование, под которым понимается, в частности, комплексное использование топливно-энергетических ресурсов в технологических процессах. При этом
23 сокращается размер энергетических отходов и увеличивается полезное использование потенциала первичных энергетических и сырьевых ресурсов [84]. Так как химическая промышленность является крупным потребителем электрической и тепловой энергии, то перспективным направлением энерготехнологического комбинирования является создание комбинированных теплотехнологиче-ских установок (КТТУ) на базе встроенных ГТУ [4, 83, 85, 95]. В данных установках энергетический потенциал топлива может комплексно использоваться для выработки необходимых энергоносителей и осуществления определенного технологического процесса. При этом вырабатываемые энергоносители (тепловая и электрическая энергия) могут использоваться в предшествующих или последующих технологических операциях производства этой продукции, либо использоваться на предприятии за пределами данной технологии.
Применение КТТУ на базе встроенных ГТУ в производствах хлора и каустической соды, минеральных удобрений является перспективным способом повышения эффективности использования ТЭР, уменьшения удельных энергозатрат на производство продукции. При этом решается проблема использования водорода, который можно сжигать в смеси с природным газом в камере сгорания ГТУ, замещая часть покупного топлива.
Внедрение ГТУ в энергетику идет в основном по пути создания парогазовых установок большой мощности и мини-ТЭЦ. Газотурбинные установки с производством электроэнергии на тепловом потреблении, с низкими удельными выбросами вредных веществ, незначительными расходами охлаждающей воды являются также одним из наиболее предпочтительных вариантов децентрализованного энергоснабжения промышленных предприятий и отдельных производств [63, 65, 80, 83, 85, 87, 88, НО]. Эффективный КПД современных ГТУ малой и средней мощности достигает 24-30 %, поэтому их использование для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на предприятиях становится технически и экономически оправданным. К тому же ГТУ могут размещаться в непосредственной близости от энергопотребляющих про-
24 изводств. О целесообразности использования ГТУ малой и средней мощности для автономного энергоснабжения предприятий и отдельных производств говорит тот факт, что эти установки требуют в 3-4 раза меньше удельных капитальных затрат и в 2 раза меньше эксплуатационных расходов по сравнению с крупными централизованными энергоустановками [80].
В литературе описаны различные варианты и схемы реального и возможного применения встроенных ГТУ в технологических процессах различных отраслей промышленности [5, 6, 14, 15, 76,98, 108, 112].
Технологическая газовая турбина является частью схемы производства слабой азотной кислоты. Энерготехнологическая газотурбинная установка типа ГТТ-3 НЗЛ применяется в технологических комплексах с годовой производительностью 120 тыс. т. Газотурбинный агрегат в данной схеме служит для сжатия воздуха, необходимого на стадии окисления аммиака. При наличии избыточной мощности на валу турбины предусмотрена выработка электрической энергии при помощи мотор-генератора. Двухвальная установка ГТТ-12 НЗЛ применяется в схеме производства с различными давлениями конверсии и абсорбции производительностью 400 тыс. т азотной кислоты. Производство слабой азотной кислоты с использованием газовых турбин получило широкое промышленное применение [6].
Использование ГТУ в технологическом процессе синтеза аммиака из природного газа и азота позволит снизить энергозатраты за счет интенсификации конверсии природного газа и уменьшения его расхода на технологические цели [5]. ГТУ предлагается использовать для привода воздушного компрессора. Включение ГТУ в технологическую схему синтеза аммиака позволит проводить конверсию природного газа при высоких давлениях - (1,0-2,0) МПа.
Выделение химических продуктов в коксохимическом производстве может быть осуществлено при давлении (1,8-2,0) МПа. Применение паротурбинного привода компрессоров для сжатия больших объемов коксового газа является неперспективным из-за большого расхода оборотной воды и большой тре-
25 буемой мощности. Использование газотурбинного привода компрессоров для сжатия коксового газа является способом улучшения процесса его комплексной переработки [108].
Применение газовых турбин также возможно в производстве серной кислоты. При сжигании серосодержащего сырья выделяется большое количество теплоты, которое необходимо утилизировать. Альтернативой охлаждения водой является использование воздуха для отвода теплоты. Воздуха сжимается в компрессоре и подается для охлаждения печи, затем он расширяется в воздушной турбине. Полезная мощность воздушной турбины используется для привода компрессора и выработки электроэнергии [98].
Описаны варианты использования ГТУ в технологических процессах нефтеперерабатывающей и газовой промышленности. Внедрение комбинированных энерготехнологических установок со встроенными ГТУ является одним из направлений.повышения эффективности энергоснабжения нефте- и газоперерабатывающих заводов, ГТУ могут использоваться для привода технологических компрессоров и электрических генераторов. Выхлоп газовых турбин может использоваться для генерирования технологического пара различных параметров. Тепловой потенциал выхлопных газов ГТУ может использоваться для нагрева технологических продуктов, при этом газы после ГТУ сбрасываются в трубчатые печи НПЗ, где они используются еще и в качестве окислителя топлива. Это обусловливается тем, что топливо в камере сгорания ГТУ сжигается с большим избытком воздуха, поэтому выхлопные газы содержат 16-19 % кислорода [5]. За рубежом ГТУ нашли промышленное применение на некоторых производствах для комбинированной выработки энергии. Например, на установке АВТ фирмы «Тексано» установлена ГТУ мощностью 14 МВт производства фирмы «Rolls-Royce». Газы после ГТУ применяются в качестве горячего окислителя в трубчатой печи [15]. В США на технологической установке по производству этилена фирма «Дау Кемикл» применила для привода компрес со-
26 ров пропилена ГТУ мощностью 25 МВт фирмы «General Electric», выхлопные газы которых используются для выработки пара давлением 0,4 МПа [14].
В [4, 114] упоминается о возможности использования дымовых газов вы
сокотемпературных установок для энергоснабжения сушильных установок, ва
риантом промышленного использования ГТУ является применение ее при суш
ке с непосредственным использованием теплоты газов [76]. Использование те-
{ L.v пла выхлопных газов ГТУ для концентрирования растворов и опреснения воды
приводит к значительному снижению затрат на выпаривание за счет комбини-
/ рованного производства тепловой и электрической энергии [90, 93].
Вопросам применения ГТУ малой и средней мощности в составе комби
нированных децентрализованных источников энергоснабжения различных
групп потребителей посвящены ряд работ, выполненных в Саратовском госу
дарственном техническом университете на кафедрах «Теплоэнергетика» и
«Промышленная теплотехника» [2, 20, 21, 63, 78, 105]. В [105] решаются про
блемы энергетической и экономической эффективности использования децен
трализованных энергоисточников на базе ГТУ для автономного энергообеспе
чения производств нефтехимии. Остальные работы [2, 20, 21, 63, 78] связаны с
вопросами системной эффективности применения малых ТЭЦ на базе ГТУ в
схемах теплоэнергоснабжения. Анализ проведенных исследований показал, что
авторами решен ряд проблем, связанных с обеспечением экономичности и на
дежности эксплуатации децентрализованных источников на базе ГТУ, разрабо
таны методические подходы к определению системной эффективности их ис-
^-^ пользования в комплексе с крупными централизованными источниками энерго-
снабжения. Общей особенностью работ [2, 20, 21, 63, 78, 105] является опреде-
\у л ение эффективности децентрализованных источников энергоснабжения без
оптимизации характеристик потребителей энергии. При этом потребители энергии в указанных работах учитываются соответствием параметров вырабатываемых энергоносителей требуемым параметрам установок конечного использования энергии и масштабов их потребления. В [9] решена задача исполь-
27 зования низкопотенциальной и сбросной теплоты КЭС для теплоснабжения теплично-овощных комбинатов. Оптимизация параметров системы теплоснабжения теплично-овощных комбинатов производится в комплексе с источником энергоснабжения - КЭС.
При определении эффективности и целесообразности использования ГТУ
для децентрализованного энергоснабжения промышленных предприятий, про-
^ ч изводств и ТТУ необходимо рассматривать систему «источник энергии - по-
требитель энергии». В связи с этим созданию КТТУ должна предшествовать
/ совместная оптимизация схем, конструктивных характеристик и рабочих пара-
* р'
метров энергоисточников (ГТУ и теплоутилизационное оборудование) и установок конечного использования энергии (ТТУ) с целью достижения такого уровня использования основных и побочных энергоносителей, при котором обеспечивается наибольший экономический эффект с учетом прогнозного изменения цен на энергоносители.
Выводы по 1 главе:
Химическая промышленность является энергоемкой отраслью промышленности России и характеризуется одновременным потреблением большого количества топлива, тепловой и электрической энергии.
Большая часть энергопотребления химических предприятий обеспечивается за счет централизованных источников энергоснабжения.
~»^ 3. Высокий уровень цен на ТЭР и завышенные показатели удельной
энергоемкости продукции обусловливают значительную долю энергозатрат в
v. себестоимости выпускаемой продукции,
4. Выпаривание и сушка — энергоемкие технологические процессы, являющиеся важными и неотъемлемыми стадиями производства многих химических продуктов.
Важным направлением повышения эффективности энергоиспользования и снижения себестоимости химической продукции является создание и внедрение комбинированных теплотехнологических установок со встроенными ГТУ малой и средней мощности для децентрализованного энергоснабжения выпарных и сушильных установок в комплексе с централизованными источниками энергоснабжения.
При разработке КТТУ на базе встроенных ГТУ необходимо проведение комплексной общеэкономической оптимизации схем, конструктивных характеристик и рабочих параметров источников энергии (ГТУ и теплоутилизационное оборудование) и ее потребителей (ТТУ).
Особенности методики оценки энергетической эффективности комбинирования ГТУ с выпарными установками
ГТУ могут эффективно использоваться для децентрализованного энергоснабжения мощных выпарных установок (ВУ). Выхлопные газы ГТУ можно использовать в качестве источника теплоты для многоступенчатых выпарных установок (МВУ), при этом экономится топливо, и уменьшаются энергозатраты на выпаривание. Мощные ВУ потребляют большое количество насыщенного пара низких параметров (0,4—1,4) МПа. Пар, получаемый от ТЭЦ или котельных, обычно является перегретым. Перед использованием его увлажняют, превращая в на сыщенный, для предотвращения снижения коэффициента теплопередачи и эф фективности работы выпарных аппаратов [ИЗ]. Поэтому применительно к КТТС на базе встроенных ГТУ с МВУ тепловая нагрузка системы обеспечива ется насыщенным паром низких параметров, так как нет необходимости в ис Ч У пользовании перегретого пара высоких параметров.
Возможны следующие варианты комбинирования ГТУ и МВУ:
1. ГТУ - КУ - МВУ (рис. 2.2). Физическая теплота выхлопных газов га зотурбинной установки утилизируется в котле-утилизаторе (КУ) для производства пара, который частично или полностью используется в качестве греющего пара для МВУ.
2. ГТУ - КУ 1-й ступени - КУ 2-й ступени - МВУ (рис. 2.3). Выхлопные газы проходят последовательно через КУ 1-й и 2-й ступени, которые вырабатывают пар различных параметров. Пар высокого давления рку от КУ 1-й ступени является греющим паром первой ступени МВУ, пар низкого давления от КУ 2-й ступени добавляется после любой ступени МВУ. При установке КУ 2-й ступени уменьшается расход пара высокого давления на МВУ и достигается более глубокая утилизация теплоты выхлопа ГТУ.
3. ГТУ - УДТ — КУ — МВУ. УДТ предназначено для сжигания дополнительного топлива - подъема температуры газов перед КУ; в качестве окислителя топлива используется остаточный кислород выхлопных газов ГТУ. УДТ позволяет регулировать производительность КУ в зависимости от потребности в тепловой энергии.
Для КТТС с МВУ, выполненных по схемам № 1,3, потребление тепловой энергии не изменяется по сравнению с системой II, т. е. Qffey Ош у Электрическая нагрузка сравниваемых систем одинакова: N } - N n = NmaK. Годовой расход топлива в ТТС с МВУ, энергоснабжение которой осуществляется от централизованных источников равен: Вюс Тітс кх- Кв .т +О у.т І-Ь .ІтК (2.28) где тшу — годовое число часов использования расчетной производительности МВУ, ч/год.
При определении экономии топлива для схем КТТС № 2,4 Q%j$y Qtmy КУ 2-й ступени, установленным по ходу газов за КУ 1-й ступени, вырабатывается пар низкого давления (относительно КУ 1-й ступени), который направляется в феющую камеру промежуточной ступени МВУ; в результате этого уменьшается расход пара высокого давления в первой ступени МВУ.
Годовой расход условного топлива в КТТС с МВУ без УДТ определяется: б = ВПУ + А ад + А . 2-29) Годовой расход условного топлива в централизованных источниках на энергоснабжение КТТС с МВУ определяется: А ЛЧ2 = IK - m-+АЛ& hrry + (л у - )TIW) J" + (2 3Q) где ANlKy; ANJIy - потери мощности ГТУ от установки КУ соответственно в I и II режимах работы КТТС, кВт; Q!Ky; Q"y - производительность КУ соответственно в I и II режимах работы КТТС, кВт.
Установка КУ на выхлопе ГТУ приводит к уменьшению полезной мощности ГТУ N" y, за счет того, что из-за аэродинамического сопротивления КУ уменьшается степень расширения газов в газовой турбине. Это также приводит к увеличению температуры газов на выходе из турбины относительно ее номинального значения.
Величины QxytQJcy учитывают выработку пара высокого давления, его избытки которого могут быть направлены в заводскую сеть предприятия. Про изводительность КУ 2-й ступени учитывается при определении энергетической эффективности комбинирования ГТУ и МВУ в неявном виде. Как указывалось выше, подача пара низкого давления в промежуточную ступень МВУ приводит к уменьшению потребления пара высокого давления в первой ступени, но при І, этом избытки пара низкого давления не используются в других теплопотреб ляющих установках. По этой причине при остановке МВУ в КТТС КУ 2-й ступени также останавливается, а поток газов байпасируется.
Расчет устройства ввода дополнительного топлива (УДТ)
УДТ устанавливается после выхлопного патрубка ГТУ и предназначено для увеличения температуры газового потока путем сжигания дополнительного топлива. Выхлопные газы ГТУ за счет высоких коэффициентов расхода воздуха в камере сгорания содержат значительное количество кислорода, достаточное для устойчивого горения топлива без ввода дополнительного количества окислителя (воздуха). Для рассматриваемых КТТУ выбрана конструкция УДТ (рис. 3.1), аналогичная блоку дожигающих устройств, установленному перед подогревателем сетевой воды на Якутской ГРЭС [56]. Конструкция УДТ обеспечивает устойчивость воспламенения и удовлетворительную полноту сгорания топлива в широком диапазоне изменения коэффициента расхода продуктов сгорания. По опытным данным при скорости потока между стабилизаторами ж, = 55 м/с потери давления составляют (200-250) Па.
Выхлопные газы ГТУ обеднены кислородом по сравнению с воздухом и содержат продукты сгорания (С02, НгО), вследствие этого возрастает стехиометрический коэффициент [75] ((/, кг пр. сгУкг топл.), определяемый: (3.14) 1 + io ! + Lt\ — Lc LQ "(«ЛГУ +1). где L0 - стехиометрический коэффициент при использовании в качестве окислителя воздуха, кг воздУкг топл.; -о Рв (3.15) о = К пр.газ где рв - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м ; рпр-газ - плот ность природного газа при нормальных условиях, кг/м . Соответственно, выражение для определения коэффициента расхода продуктов сгорания в УДТ имеет вид: _ V аУДГ-у , (3.16) где V- действительный расход продуктов сгорания в УДТ, кг пр. сп/кг топл; или пс а GK УДТ (3.17) Gm W где Gnc - расход продуктов сгорания ГТУ, кг/с. Расход топлива в УДТ (Gm, кг топл./с) в зависимости от коэффициента расхода продуктов сгорания определяется: Gm= псТ1, (3.18) аУДТ 0 Температура газов после УДТ определяется из уравнения теплового баланса УДТ: Gnc Kc+QyAT =(Gnc + Gm).h„c, (3.19) где hnp а; hnp сг - энтальпия газов соответственно до и после УДТ, Дж/кг; 1 вудт теплота, подведенная к газам в УДТ, Вт; "пс спс U "пр.сг = спр.сг УДТ» (3.20) Г и где спс\ спс - теплоемкость газов соответственно до и после УДТ, Дж/(кгС); и удт температура газов соответственно после ГТУ и после УДТ, С. _QH -13 Рпр.газ где г}уДТ - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду в УДТ.
Следует отметить, что коэффициент расхода продуктов сгорания в УДТ изменяется путем изменения количества сжигаемого топлива в УДТ, так как при работе ГТУ при номинальной нагрузке расход выхлопных газов не изменяется (при 7j = const).
Математическое описание котла-утилизатора КУ применяются для энергетической утилизации физической теплоты уходящих газов различных установок, в частности выхлопных газов ГТУ. Задачей построения и реализации модели КУ на выхлопных газах ГТУ является оп ределение параметров и режимов работы стандартных газотрубных КУ типа Г в порядке поверочного расчета для различного расхода, состава и температуры выхлопных газов, а также учет влияния КУ на ГТУ.
Математическое описание КУ основано на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи: Qs =( Ъ-4 - 4- )- = DKy{h„-hne) + Dnp-(hKI)-hnt)y (3.22) Л 2т=ЬкуРкУ& (3-23) где Gnc;Gnc -расход газов соответственно на входе и выходе из КУ, кг/с; ( Ч 1-Я \ с„с;с„с-теплоемкость газов соответственно на входе и выходе из КУ, t н Дж/(кг-С); tKy\tKy - температура газов соответственно на входе и выходе из КУ, С; (р— коэффициент, учитывающий потери теплоты через наружную поверхность КУ; DKy ,Dnp - паропроизводительность КУ и расход продувочной воды, кг/с; hHn\hm\hm- энтальпия соответственно пара, питательной и кипящей воды, Дж/кг; kKy - коэффициент теплопередачи КУ, Вт/(м2 С);; FKy -площадь поверхности теплопередачи КУ, м ; Д/ - среднелогарифмический температурный напор, С.
Для реализации алгоритма расчета котла аппроксимированы табличные данные теплофизических свойств газов, воды и:водяного пара; разработаны подпрограммы расчета теплофизических свойств выхлопных газов ГТУ в зависимости от их состава и температуры.
Взаимное влияние ГТУ и КУ учитывается добавлением в алгоритм итерационного контура для уточнения температуры газов после ГТУ. При установке двух последовательных по газам КУ потери мощности ГТУ определяются при суммарном сопротивлении КУ.
Оптимизация схемы ГТУ - КУ с определением оптимальных характеристик нестандартного КУ типа Г при тепловом конструкторском расчете
Сушка представляет собой совмещенный процесс переноса теплоты и массы. Сушильные установки являются сложными объектами для математиче ского моделирования по причине многообразия конструкций СУ, протекающих в них процессов, большого количества объективных влияющих факторов, принципов действия, отсутствия в теории сушки обобщенных уравнений теп ломассопереноса [41, 55, 48, 79, 77, 107, 42]. Методы расчета тепломассопере носа в СУ в основном базируются на результатах обработки эксперименталь V ных данных, полученных для конкретной конструкции или принципа действия
СУ. В данной работе ставится задача создания математической модели СУ на уровне, достаточном для определения размеров СУ, расхода энергоносителей на процесс сушки и капитальных затрат, оптимизации этих величин применительно к задачам разработки КТТУ с СУ на базе встроенных ГТУ.
Исходные данными для математической модели СУ являются: тип СУ, высушиваемый материал и его характеристики, производительность СУ по высушенному материалу G2, начальная и конечная влажность материала wlfw2t система ограничений и т. д. Результат расчета математической модели: размеры СУ, расход сушильного агента и электроэнергии, параметры работы СУ, изменяющаяся часть годовых расчетных затрат &3 с (при оптимизации КТТУ с СУ).
В соответствии с возможными вариантами КТТУ с СУ при моделирова-1 /г 4 нии необходимо решение следующих задач: 1. Расчет процесса смешения выхлопных газов ГТУ с воздухом в камере смешения. х Г 2. Разработка, реализация и проверка работоспособности математической модели барабанной сушилки в комбинации с ГТУ. 3. Разработка, реализация и проверка работоспособности математической модели сушилки псевдоожиженного слоя в комбинации с ГТУ.
Расчет процесса смешения
Параметры сушильного агента, полученного в результате смешения выхлопных газов ГТУ и атмосферного воздуха, определяются на основе совместного решения уравнений теплового и материального балансов по влаге: Lnc hfic + возд Козд = ( пс + возд ) Км (3.45) / S- - пс Хпс возд хвозд = (Л «с + возд ) Хсм (эАЬ) где Lnc - расход сухих выхлопных газов (без учета содержания Н20), кг/с; i Le03d - расход сухого воздуха, подаваемого на смешение, кг/с; hnc\heo3d - эн V тальпия соответственно выхлопных газов и воздуха, Дж/кг; hCM - энтальпия получаемого СА на выходе из КС, Дж/кг; хпс\хеозд - влагосодержание выхлопных газов ГТУ и воздуха, подаваемого на смешение, кг/кг.
Определяющей для расчета является температура смеси на входе в рабо чую камеру СУ tCA, зависящая от термостойкости материала. В результате расчета определяются коэффициент смешения к см, энтальпия hCM и влагосодержание СА х. к см - возд/ Км = Кс " " см возд + « хсм = хпс + & см хвозд l + kCM см (3.47) (3.48) (3.49) [ Энтальпия потоков рассчитывается по выражениям: і Кс =Cce-U+ хпс (2493 + сНг0 UI (3.50) К = ?« о + « » (2493 + сИг0 0\ (3.51) где ссг\сн о\ссв— теплоемкость сухих газов, водяного пара и сухого воздуха, Дж/(кг-С); /0 - температура атмосферного воздуха, С. 106 Расход сухих газов и влагосодержание выхлопных газов ГТУ определяются: L - пс х = Ні П 52Ї где 1Я 0; (7„с - расход водяных паров и выхлопных газов ГТУ, кг/с. Расчет статики сушки
Статика процесса сушки в СУ рассчитывается по известным аналитическим уравнениям при заданных параметрах: начальная температура и влагосодержание СА, температура СА на выходе из СК, начальная и конечная влажность высушиваемого материала. Количество влаги, удаляемое из материала при сушке, (W, кг/с): W = G2—± -, (3.53) 2 100-V где G2 - производительность СУ по высушенному материалу, кг/с; Wi;vf2 - начальная и конечная влажность материала на общую массу, %. Расход сушильного агента: W LCA= Z , 3-54) х2 хсм где х2 - конечное влагосодержание сушильного агента, кг/кг. Конечное влагосодержание СА х2 определяется по результатам теплового расчета СУ при заданной температуре С А на выходе из СК по уравнению: JtoZbL!d_3 (3.55) 2493+ 0- где hCA — энтальпия СА на выходе из СК, Дж/кг; 107 hCA=hCM+ . (3-56) LCA где Д - величина, характеризующая изменение энтальпии С А в процессе сушки, Дж/кг. Уравнение теплового баланса СУ без внутренних источников теплоты записывается: Lot кем + 4,186- 0, = LCA- hCA +Q„+Q5, (3.57) где QH - расход теплоты на нагрев материала, Вт; Q5 - потери теплоты в окружающую среду, Вт. QH=G2-Cl\e2-ex\ (3.58) где 0\\9г- температура материала соответственно на входе и выходе из СК, С; с2 - теплоемкость материала на выходе из СК, Дж/(кг-С). Расход теплоты в окружающую среду рассчитывается по формуле: Qs = „,, Fa,-\[СУ-ікрі О-59) где аокр - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности СУ в окру-жающую среду, Вт/(м -С); Fcy - площадь наружной поверхности СУ, м ; tCy ,tOKp - температура наружной поверхности СУ и окружающей среды, С. Величина Д определяется по выражению:
Экономическая эффективность применения КТТУ с сушильными установками в производстве минеральных удобрений
В качестве котлов-утилизаторов выбраны газотрубные КУ типа Г. Применение горизонтальных газотрубных котлов-утилизаторов является одним из вариантов эффективного использования теплоты выхлопных газов ГТУ малой мощности (до 6700 кВт) для производства насыщенного или перегретого водяного пара низких параметров. Утилизируемые газы в них движутся внутри труб, которые размещены в водяном объеме барабана [33].
КУ этого типа имеют ряд преимуществ, определяющих их комбинирование с ГТУ малой мощности для выработки технологического пара: эти котлы не требуют специальной обмуровки, характеризуются высокой газоплотностью. Что немаловажно, эти котлы отличаются простотой изготовления, монтажа и обслуживания и пониженными требованиями к питательной воде [33].
К недостаткам КУ типа Г относят низкое давление вырабатываемого пара (до 1,4 МПа), низкий паросъем с единицы поверхности нагрева КУ, ограниченная пропускная способность по отходящим газам из-за высокого аэродинамического сопротивления [33].
Эти недостатки данных КУ практически полностью компенсируются при использовании их для выработки насыщенного пара в КТТС с ГТУ и МВУ. Для работы выпарной установки как раз требуется насыщенный пар низких параметров. Увеличение расхода выхлопных газов через КУ по сравнению с паспортными данными приводит к соответствующему увеличению коэффициента теплопередачи через теплопередающую поверхность. Поэтому повышается степень использования теплоты выхлопных газов без увеличения площади поверхности теплообмена и паропроизводительность КУ. В тоже время высокий расход газов и, как следствие, высокое аэродинамическое сопротивление приводят к потере полезной мощности газотурбинной установки из-за уменьшения теплоперепада в турбине. Но целесообразность установки того или иного КУ на выхлопе определенной ГТУ выявляется при технико-экономической оптимизации. Следовательно, можно сделать вывод, что повышенное газовое сопротивление КУ типа Г не является серьезным техническим препятствием для их комбинирования с ГТУ малой мощности.
Проведена оптимизация параметров схемы ГТУ - КУ - МВУ (№ 1) со стандартными газотрубными КУ типа Г. Оптимизируемыми параметрами яв І, ляются: типоразмер стандартного КУ типа Г; давление пара рКу, вырабаты ваемого в КУ; число ступеней МВУ пмву. Пар от КУ поступает в греющую : камеру первой ступени МВУ. Давление пара изменяется в пределах (1,0 -1,4)
МПа. Нижний предел давления обусловлен давлением в заводской паровой сети, так как излишки пара от КУ направляются в заводскую сеть предприятия. Верхний предел обусловлен ограничением давления пара, вырабатываемого КУ, и допустимым давлением в греющей камере первой ступени МВУ по условиям их прочности. Число ступеней МВУ изменяется в пределах (2-4). Верхний предел числа ступеней МВУ ограничивается минимальной полезной разностью температур в В А, обеспечивающей нормальную скорость естественной циркуляции раствора. Раствор каустической соды характеризуется высокими значениями температурной депрессии, поэтому максимальное число ступеней равно 4. Оптимальные параметры схемы при 4-х вариантах цен на энергоносители в зависимости от коэффициента рин приведены на рис. 4.3.
В результате расчетов установлено, что оптимальным для вариантов 2-4 в диапазоне рт.-(0,1 — 0,9) является комбинирование ГТУ с КУ Г-1030Б; для варианта № 1 в диапазоне рш = (ОД - 0,8) оптимальным является КУ Г-103ОБ, в \ диапазоне рин - (0,8 - 0,9) - КУ Г-660Б.
При увеличенной стоимости оборудования при 3 и 4 вариантах цен на энергоносители оптимальным является КУ Г-1030Б (рис. 4.4); при 1-м варианте Г-І030Б оптимален в диапазоне рин =(0,1-0,55), при 2-м — рин =(0,1-0,81); соответственно комбинирование ГТУ-4П с КУ Г-660Б оптимально при 1-м варианте цен в диапазоне рт = (0,55 - 0,9), при 2-м варианте - рин = (0,81 - 0,9).
Проведена оптимизационные расчеты схемы ГТУ - КУ - МВУ для принятых исходных данных, в ходе которой конструктивные характеристики нестандартных КУ типа Г определялись при тепловом конструкторском расчете в зависимости от средней скорости газов в КУ we и разницы температур на «холодном» конце КУ Atmin. Таким образом, оптимизируемыми параметрами являются: давление пара рКу число ступеней МВУ пШУ) конструктивные характеристики нестандартного КУ типа Г, определяемые wa и Atmin. Определение оптимальных параметров производилось методом покоординатного спуска. Стоимость нестандартных КУ типа Г определялась по зависимости для удельной стоимости КУ при базовых ценах с учетом затрат на изготовление нестандартного оборудования. Оптимальные значения параметров представлены на рис. 4.5-4.6.
С целью определения устойчивости полученных результатов выполнены расчеты при ценах на оборудование, увеличенных на 30 % по сравнению с базовыми ценами. Результаты расчетов представлены в на рис. 4.7-4.8.
