Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка процесса в системе «котельная установ ка - потребители теплоты» дизельных судов 13
1.1. Структурная схема системы «котельная установка - потребители теплоты» дизельного судна 13
1.2. Принципиальные особенности котельных установок дизельных судов и их энергетические характеристики 19
1.3. Анализ методов оценки тепловой эффективности рабочих процессов в котельной установке 25
1.4. Факторы, влияющие на экономичность котла 31
1.5. Термодинамический анализ процессов горения и теплообмена в котле : 37
1.6 Сравнение оценки эффективности вспомогательных котлов по величи нам тепловых и эксергетических потерь 42
1.7. Выводы, цели изадачи исследования 47
Глава 2. Эксергетический анализ процессов горения и теплообмена в котле 51
2.1. Затраты эксергии на процесс горения и их доля в общем балансе котла 51
2.2. Применение термодинамики необратимых процессов для оценки совершенства процессов горения и теплообмена в котле 60
2.3. Влияние конвективной и лучистой составляющих на величину необратимых потерь 67
2.4. Оценка доли эксергетических потерь процессов теплообмена и горения и их взаимосвязь 75
2.5. Уравнения качественной и количественной связей эксергетических потерь в котле 80
2.6. Эксергетический анализ необратимых взаимодействующих процессов
в судовом котле 83
2.7. Управление процессами горения и теплообмена в вспомогательных котлах 90
2.8. Выводы по разделу 97
Глава 3. Термодинамическое совершенство «ку - потребители теплоты» дизельных судов 100
3.1. Эксергетические характеристики элементов системы «КУ - потребители теплоты» 100
3.2. Затраты и потери энергии и эксергии в балансах системы «КУ - потребители теплоты» 3.3. Теоретическая оценка тепловой схемы системы «КУ - потребители теплоты» Ц 8
3.4. Расчётный алгоритм и программа ЭВМ для теоретической оценки эффективности системы «КУ - потребители теплоты» дизельного судна 127
3.5. Экспериментальное исследование температур машинного отделения, забортной воды и наружного воздуха 131
3.6. Результаты реализации программы эффективности системы «КУ - потребители теплоты» 134
3.7. Определение расхода топлива на котёл 138
3.8. Выводы по главе 141
Глава 4. Эксергоэкономическое определение удельных затрат судовой системы «ку - потребители теплоты» 145
4.1. Возможности и особенности применения оценки необратимости процессов системы «КУ - потребители теплоты» к задачам экономики 145
4.2. Оценка капитальных и эксплуатационных затрат : 150
4.3. Оценка технико - экономического совершенства системы «КУ - потребители теплоты» с учётом эксергетического КПД . 151
4.4. Оценка экономической эффективности модернизированной «КУ - потребители теплоты» 153
4.5. Выводы по главе 157
Заключение '. 158
Литература
- Принципиальные особенности котельных установок дизельных судов и их энергетические характеристики
- Применение термодинамики необратимых процессов для оценки совершенства процессов горения и теплообмена в котле
- Затраты и потери энергии и эксергии в балансах системы «КУ - потребители теплоты»
- Оценка технико - экономического совершенства системы «КУ - потребители теплоты» с учётом эксергетического КПД
Введение к работе
Масштабы современной энергетики таковы, что потребление ресурсов и взаимодействие с окружающей средой носят глобальный характер. Одним из путей, направленных на энергосбережение природных ресурсов и защиту окружающей среды, является максимальный учёт расходов рабочих сред энергетическими установками, в том числе и судовыми.
Снижение расходов топлива и выбросов в атмосферу в значительной степени зависит от правильного проектирования тепловых схем энергетических установок, при котором учитывается наибольшая часть тепловых потерь. Как правило, решение вопросов, определяющих эффективность тепловой схемы, осуществляется на основе материального баланса энергопотоков установки. Однако, такой подход к расчёту носит односторонний характер, так как при этом не учитываются реальные процессы, сопровождающие рабочий режим проектируемой установки.
В большей степени величина возникающих потерь может быть учтена при использовании анализа тепловых схем методом эксергетического баланса, при котором энегергетическое совершенство определяется не только взаимодействием участвующих масс, но таким термодинамическим показателем, как потери эксергии в процессе и суммарный эксергетический КПД.
Для внедрения новых и модернизации существующих разработок проведение термодинамического эксергетического анализа позволяет решить две задачи: учёт степени термодинамического совершенства рабочих процессов энергетических установок и указание путей увеличения экономии топлива и электроэнергии, вводимых извне. Энергозатраты в судовых системах и механизмах, в значительной степени, обусловлены несовершенством конструкций и неоптимальной организацией тепловых процессов. Применение метода, основанного на эксергетических балансах, позволяет комплексно учитывать особенности работы установки. Имеемые данные показывают, что из общего снижения расхода условного топлива на морском транспорте за последние десятилетия, равного 45,5%, на долю снижения расхода вследствие совершенствования судовых энергетических установок приходится 42,5% [23].
Развитию эксергетического подхода послужили работы Д.П. Гохштейна, И.Р. Кричевского, Я. Шаргута, А.И. Андрющенко, В.М. Бродянского, Г.Н. Костенко, Г.П. Верхивкера, A.M. Цирлина, А.Н. Штыма, В.Н. Слесаренко и др. Одним из направлений, где используется указанный метод, является оценка термодинамического совершенства теплообменных аппаратов и котлов.
Д.П. Гохштейн рассматривает теплообменник как изолированную систему с входящими и выходящими потоками, которые характеризуются расходом и энтропией [30]. В работе представлены примеры эксергетического анализа больших промышленных котлов, в силу высоких параметрических характеристик не приемлемые для судовых котельных установок. При этом отсутствует расчёт химической составляющей эксергии в уходящих газах, что делает пренебрежение этой составляющей бездоказательным. В настоящее время, использование работ Я. Шаргута и Р. Петелы [127] и исследований [20, 53], расчёт этой величины не вызывает затруднений. Д.П. Гохштейн приводит выражение для эксергетического КПД котла нетто, не учитывающее всей разветвлённой сети вспомогательных элементов и систем, работающих совместно с котлом. Не учет величины выполненной работы по перемещению среды делает рекомендуемую формулу непригодной для нахождения эксергетического КПД всей котельной установки.
В.М. Бродянский называет котёл «пожирателем» эксергии при рассмотрении потерь конденсационной электростанции [21] и доказывает существенную разницу в оценке эффективности по энергетическому и эксергетическому балансам. По данным [21], КПД котла, рассчитанный энергетическим методом, составляет 90,9% при величине эксергетического КПД 77е=46,1%. Это показывает, что благополучие здесь кажущееся. Действительно, более 90% теплоты, выделившейся при сгорании топлива, передано воде и пару, но, поскольку разность температур между продуктами сгорания, с одной стороны, водой и паром - с другой, составляет несколько сот градусов, процесс теплопередачи протекает с большими потерями эксергии. В результате высокий потенциал теплоты, отдаваемой продуктами сгорания, обесценивается почти на 25%. Автор делает предположение, что, возможно, больший регенеративный подогрев питательной воды совместно с предварительным нагревом рабочего воздуха и промежуточным перегревом пара позволяет повысить среднюю температуру теплопод-вода, а тем самым и КПД станции, но повышение параметров пара имеет технические и экономические пределы. К сожалению, В.М. Бродянский не довёл решение этой задачи до практического результата.
Л.П. Андреев и Г.Н. Костенко предложили упрощённые формулы для расчёта эксергетического КПД теплообменника. При достаточной простоте, эти формулы пригодны только для конвективного теплообмена, что делает их неточными при расчётах котлов, в которых значительная часть энергии передаётся радиацией.
Я. Шаргут и Р. Петела приводят в работе эксергию радиации, но не применяют полученные зависимости при расчёте котлов. Расчётами показано, что подогрев исходных продуктов, поступающих в котёл, уменьшает потери от необратимости и утверждается, что существует оптимальная температура подогрева применительно ко всей установке, но полученные уравнения не увязывают с опытными данными для действующих котлов.
В.Б. Ипатовым проведён анализ теплоэнергетического оборудования и определены тарифы в АО «ДАЛЬЭНЕРГО» на базе эксергетического метода [46]. В работе подтверждено, что, используя этот метод, можно рассчитать тарифы на тепло и электроэнергию более обоснованные, чем при использовании тепловых балансов, но, как и в указанных выше работах, автор исследует большие промышленные котлы, не затрагивая потери эксергии во вспомогательных системах, обслуживающих котёл, и не делает разницы в расчётах эксергии радиации и конвективного теплообмена. Основной характеристикой экономичности котлов является КПД брутто. В справочной литературе его значение колеблется от 75 до 95%. Более интересным, по нашему мнению, было бы значение КПД котла нетто, так как при этом учитываются потери в обслуживающих котёл устройствах. Однако, вследствие того, что схема котельной установки зависит от типа судна, эта величина не получила достаточного распространения, хотя она позволяет определить потери теплоты при производстве пара более точно.
Расчёт потерь эксергии применительно к стационарным энергоустановкам показывает, что основная их доля приходится на котёл (по Я. Шаргуту, эк-сергетический КПД котла достигает, в лучшем случае, 50%), что указывает на безвозвратную потерю 50% входящей эксергии. При таком соотношении, представляется целесообразным рассмотреть потери эксергии в каждом элементе котла и возможности их сокращения с учётом способа теплопередачи. Определить их значение во всех вспомогательных устройствах, обеспечивающих функционирование котла.
Следует отметить, что верхняя граница КПД относится к мощным промышленным котлам с развитыми «хвостовыми» поверхностями нагрева и значительными параметрами пара. Вспомогательные котлы дизельных судов имеют эксергетический КПД значительно более низкий.
Применительно к судовой энергетической установке, значительная доля потребляемого расхода топлива приходится на котельную установку. По данным СВ. Камкина, для сухогрузных судов эта доля составляет 3 - 8%, для танкеров - 22 - 47%, для рефрижераторных судов - 4 - 8% [50]. Исходя из количества публикаций в научной литературе, следует признать, что экономическому совершенству главного двигателя СЭУ уделяется значительно больше внимания, чем второму, по величине потребляемого топлива для значительного количества судов, агрегату - котлу.
В двигателях и котлах очевидна целесообразность борьбы за доли процента КПД. В противоположность этому, обычно, мало считаются с тем, что КПД большинства технологических процессов, выраженный через теоретический и действительный расходы теплоты, чрезвычайно мал [19].
При термодинамическом анализе эффективности преобразования энергии, под которой подразумевается получение максимальной выработки данной продукции (мощность), минимальные затраты на эксплуатацию комплектующих установку агрегатов и достижение при этом минимально вредных экологических изменений, принято использовать энергетический метод, конечной величиной для которого является эффективный КПД установки. Этот метод принято считать определяющим при оценке эффективности процессов и аппаратов.
Однако он характеризуется недостатками, выражающимися в том, что не учитывается качественная неравноценность теплоты и работы, так как теплота различного потенциала отличается неоднозначной работоспособностью. При этом, при определении КПД, во внимание принимаются только те потери, которые зависят от внутренней необратимости цикла, а величина потерь, связанных с конечной разностью температур источников теплоты и рабочего тела, не учитывается.
Принято считать, что достигнутые значения КПД современного котлоаг-регата, полученные при проектировании на основе энергетического баланса, имеют достаточно высокие значения (95-98%).
Передача теплоты при конечной разности температур представляет собой необратимый процесс, сопровождающийся увеличением энтропии и потерей доли максимально возможной работы. Величина необратимо рассеиваемой энергии в замкнутой термодинамической системе пропорциональна повышению энтропии этой системы [12]. Как известно из классической термодинамики, оптимальными, в смысле полезного использования энергии, являются обратимые процессы, в которых энтропия системы не возрастает.
Так оценка потерь необратимого процесса теплообмена от продуктов сгорания только в топке котла в среднем составляет 45-49% теплотворной способности топлива, что указывает на существенное несовершенство топочного устройства.
Это положение указывает на целесообразность оценки эффективности преобразования энергии в элементах энергетической установки отношением действительно полученной эксергии к максимальной эксергии, получаемой за счёт затрачиваемой энергии, что возможно реализовать при использовании эк-сергетического метода и установления на его основе КПД.
В особенности это относится к оценке эффективности преобразования энергии в судовом котле, так как она определяется без взаимосвязи с обслуживающими его элементами.
Пополнение и развитие современного морского транспортного флота осуществляется за счёт строительства судов с дизельными силовыми установками. Работа таких установок связана с использованием водяного пара, который производится вспомогательным котлом. Характерной особенностью котлов является их низкая паропроизводительность. Для сухогрузных судов дедвейтом до 50 тыс. т отечественной и иностранной постройки паропроизводительность вспомогательных парогенераторов составляет 0,4 - 1,2 т/ч и не превышает 2,7 т/ч [108].
Создание вспомогательных котлов и обслуживающих их устройств рассматриваются как второстепенные по значимости агрегаты. Этим объясняется тот факт, что на современных теплоходах до настоящего времени используются недостаточно экономичные конструкции котлов [34]. Качественные показатели этих установок остаются достаточно низкими, и вносимые изменения касаются, в основном, производительностей и поверхностей нагрева [78, 107]. Тепловая схема, способы и аппаратура управления практически остаются неизменными. Достаточно сказать, что на судах рыбодобывающего флота существующие типы котлов не в состоянии обеспечить потребности в паре, удельные расходы топлива очень высокие, а КПД - низкие [101].
Это объясняется тем, что для судовых вспомогательных котлов отсутствует теоретическая основа определения теплоэнергетической эффективности, построенная на анализе потерь не только котла, но и устройств, его обслуживающих. Расчёт котлов этого типа нормативным методом (энергетический баланс) приводит к высоким значениям КПД, не показывающим, что есть большие резервы для экономии топлива.
Как видно из приведенного анализа, это связано, с одной стороны, отсутствием учёта всех потерь, которые сопровождают процесс горения в котле, а также исключением из расчётов эксергетических потерь в обслуживающих котёл устройствах и, следовательно, в тепловой схеме получения и расходования теплоты в целом, что, в конечном счёте, при эксплуатации проявляется в более высоких расходах топлива и низкой эффективности использования теплоты.
Исследованиями тепловых схем энергетических установок (Гохштейн Д.П., Бродянский В.М., Андреев Л.П., Андрющенко А.И., Каневец Г.Е., Вуко-вич Л.К.) доказано, что, при их анализе, с использованием эксергетических балансов, можно получить реально достигаемые при эксплуатации показатели тепловой эффективности.
В соответствии с результатами, полученными при анализе процесса действующих на судах вспомогательных котлов, установлено, что как с термодинамической, так и технической точек зрения, необходимо решить ряд задач, на основе которых предложить рекомендации по их последующему совершенствованию.
Решение этих задач реализуется за счёт выполнения исследования, целью которого является:
- оценка процесса вспомогательных котельных установок на базе энергетических балансов и опыта эксплуатации;
- эксергетических анализ процессов горения и теплообмена и характеризующих их потерь в котле, с раздельным учётом теплоты, переданной радиацией и конвекцией;
- оценка влияния параметров котла, коэффициента избытка воздуха, температуры окружающей среды на величину эксергетических потерь;
- построение теоретической модели, рассматривающей процессы выработки и использования теплоты как единую систему «котельная установка -потребители теплоты», и программы её решения на ЭВМ;
- определение удельных затрат эксергии судовых вспомогательных котлов с установлением их значений на основе эксергетических потерь;
- разработка рекомендаций по совершенствованию теплового расчёта котельной установки за счёт привлечения эксергетического метода;
- сравнение энерго-экономических показателей действующих судовых
котельных установок с достигаемыми при проектировании с учётом эксергетических потерь.
Объектом исследования является система «котельная установка — потребители теплоты» дизельных судов, её тепловые схемы на судах различного на значения. Предметом исследования является влияние КПД элементов тепловой схемы на экономичность системы «котельная установка - потребители теплоты». В работе использованы теоретический и экспериментальный методы исследования. Теоретические исследования основаны на эксергетическом и энтропийном методах оценки совершенства элементов тепловой схемы, термодинамике необратимых процессов и методах графового анализа установок. Экспериментальные исследования включают численное моделирование любого теплового режима системы «котельная установка - потребители теплоты» на ЭВМ и физическое - на котельной установке УПС «Надежда». Результаты опытов обработаны математическими методами с применением теории погрешностей измерений.
Предметом защиты являются следующие основные положения диссертационной работы, определяющие её научную новизну:
1. Новые научно-технические решения по оценке и повышению термодинамического совершенства судовой системы «КУ - потребители теплоты».
2. Анализ зависимости прироста энтропии от коэффициента избытка воздуха, температуры воды и воздуха и их влияния на эксергетических КПД.
3. Оценку процессов горения и теплообмена на основе учёта сопровождающих их необратимых потерь.
4. Термодинамический анализ распределения теплового потока в котле между поверхностями нагрева.
5. Методику использования моделирования на ЭВМ теории графов для установления взаимодействия системы «котельная установка - потребители теплоты».
Практическую ценность имеют следующие результаты:
1. Разработана программа для ЭВМ, предназначенная для моделирования тепловых режимов системы «котельная установка - потребители теплоты», что позволяет выбирать КУ уже на стадии проектирования.
2. Даны рекомендации по расчёту расхода топлива и КПД судовой системы «котельная установка - потребители теплоты», основанные на выполненном эксергетическом анализе.
3. Показана целесообразность увеличения площади лучевоспринимающих труб, участвующих в конвективном теплообмене, с целью совершенствования эффективности теплообмена в топке.
4. Указаны элементы системы «котельная установка - потребители теплоты», характеризующиеся наибольшими значениями необратимых потерь и требующие замены в тепловой схеме.
5. Предложена схема, позволяющая применить регулирование воздушной заслонкой по закону минимального суммарного производства энтропии во всех процессах, происходящих при генерации пара.
Принципиальные особенности котельных установок дизельных судов и их энергетические характеристики
Анализ показывает, что в целях повышения КПД вспомогательных котлов, проводится их конструктивное усовершенствование: экранирование топки, хвостовые поверхности нагрева (экономайзеры и реже воздухоподогреватели, двойная обшивка, сажеобдувочные устройства). Однако, это только в некоторой степени способствует повышению их эффективности.
К отдельному виду вспомогательных котельных установок, как отмечено в 1.1, относятся установки дизельных танкеров вследствие того, что их паро-производительность близка к этому параметру для главных паровых котлов.
Особенностью котлоагрегатов дизельных судов является открытая система питания и, в связи с этим, низкое качество питательной воды. Чтобы избежать кислородной коррозии, загрязнения маслом и накипью поверхностей нагрева, на дизельных танкерах находят применение двухконтурные котлы.
Вспомогательные паровые котлы сухогрузных и пассажирских судов обслуживают, главным образом, хозяйственно-бытовые нужды и, поэтому, вырабатывают насыщенный пар при давлении 500-600 кПа. Такие котлы расходуют сравнительно небольшое количество топлива и имеют простую систему управления.
Вспомогательные котлы транспортных судов характеризуются малым временем нахождения в работе при нагрузках, близких к номинальной [108].
Меньшая паропроизводительность по сравнению с главными котлами определяет их большую компактность и простоту. Они не имеют развитых хвостовых поверхностей и поэтому температура уходящих газов достигает 300-450 С, а потери при этом составляют 12-23% располагаемой теплоты топлива [40, 123].
Топки судовых вспомогательных паровых котлов характеризуются малыми размерами (до 0,5 м3) и высокой тепловой напряжённостью топочного объёма, что способствует интенсификации конвективного теплообмена в суммарном тепловосприятии лучевоспринимающей поверхности, так как скорости движения топочных газов оказываются значительно выше, чем в стационарных котлах [52,118].
Их характерным признаком является более существенное влияние нагрузки на тепловую неравномерность экрана [118].
КПД вспомогательных котлов при всех номинальных паропроизводи-тельностях и давлениях имеют близкие значения (рис. 1.6). Только в области давлений более 1,75 МПа и паропроизводительностей выше 25000 кг/ч КПД имеют большие значения. Это объясняется наличием у котлов развитых хвостовых поверхностей, что обеспечивает меньшие потери с уходящими газами.
В процентном отношении все эксплуатирующиеся вспомогательные котлы, установленные на судах морского флота, распределены следующим образом: водотрубные котлы - 60%, огнетрубно-водотрубные - 16%, вертикальные огнетрубные котлы -19%, горизонтальные огнетрубные котлы - 5% [38].
К современным представителям газотрубных котлов относятся: Стимблок фирмы «Бабкок и Вилькокс», КВА (г. Киев, з-д «Ленинская Кузница»), а также Санрод фирмы «Машинверкен». К огнетрубно-водотрубным относятся вышеупомянутый котёл VX польской постройки (рис. 1.10). Наиболее широкое распространение на дизельных судах нашли водотрубные отечественные котлы КАВ и зарубежные VWS и VW фирмы «Миура» (рис. 1.10). Анализ показывает, что выбор котельной установки определяется назначением судна и типом энергетической установки [13,37, 63, 108].
Зависимость тепловой схемы котельной установки и производительности котла от типа энергетической установки судна обусловлена тем, что общесудовые и системы, обеспечивающие работу главного двигателя, являются крупными потребителями теплоты.
Рассмотрение находящихся в эксплуатации вспомогательных котлов транспортного флота показывает, что они, наряду с разнообразием, характеризуются низкой паропроизводительностью. Так, для судов дедвейтом до 50 тыс. т отечественной и иностранной постройки, паропроизводительность вспомогательных парогенераторов составляет 0,4 -1,2 т/ч и не превышает 2,7 т/ч [108].
Вспомогательные котлы рассчитаны на производство насыщенного пара, давление которого колеблется от 0,5 до 1 МПа, независимо от дедвейта судна. Оно достаточно для достижения необходимой температуры всех нагреваемых сред, в том числе тяжёлого топлива, при создании необходимого температурного напора в подогревателях, и преодоления гидравлических сопротивлений в паровых и конденсатных магистралях. Эксплуатация вспомогательных котлов на сухогрузных теплоходах отличается широким диапазоном изменения рабочих нагрузок и длительной работой при нагрузках 2 - 10%, определяемой расходом пара в летнее время года - только на мытьевые нужды [44,108].
Паровой вспомогательный котёл работает, в большей степени, на стоянке судна и, поэтому, обеспечивает ограниченное число потребителей: подогреватель топлива вспомогательного котла, подогреватели топлива в расходной и запасной топливных цистернах, подогреватель мытьевой воды, установку кондиционирования воздуха, подогреватели балластных цистерн.
Проведённое сравнение позволяет представить (табл. 1.4) характерное отличие вспомогательных котлов транспортных судов от главных котлов паротурбинных судов.
Как видно из анализа, оборудование, обеспечивающее работу котла, в частности, топливная система, до расходной цистерны, используется совместно с главным двигателем, и, следовательно, зависит от его характеристик. Нормальное функционирование схемы конденсатно-питательной системы определяется способом охлаждения паро-конденсатной смеси. Система воздухоподачи и температура воздуха, подаваемого в топку, является функцией температуры в машинном отделении.
В качестве вывода из анализа параграфа, следует:
1. Входящие в состав тепловой схемы вспомогательные устройства оказывают влияние на снижение эффективности системы «КУ - потребители теплоты» сухогрузного судна не менее, чем оборудование главного котла паротурбинного судна.
2. Все взаимодействующие с котлом элементы требуют соответствующих расходов теплоты для обеспечения технологической схемы получения и расходования пара, значения которых, при тепловых расчётах, полностью не учитываются.
3. Анализ тепловой эффективности вспомогательной котельной установки необходимо производить по схеме взаимодействия энергетических потоков в системе «КУ - потребители теплоты», так как только в этом случае может быть получен КПД всей установки, а не только её главного элемента - котла.
Применение термодинамики необратимых процессов для оценки совершенства процессов горения и теплообмена в котле
Для определения доли химической эксергии газов, образовавшихся в процессе горения, следует принять: используемое топливо - мазут стандартного состава, коэффициент избытка воздуха -1,15, содержание водяных паров в воздухе - 1% по объёму, стандартное содержание газов в воздухе согласно [24], температура воздуха - 300 К, используются расчётные данные при работе котла КАВ 2,5/7 в номинальном режиме [134].
В результате определения химической эксергии по уравнению (2.15) при принятых условиях, получено значение eCh=0,665 МДж/кг, что составляет 1,644% от низшей теплоты сгорания мазута. Следовательно, химическая эксер-гия газов составляет значительную величину и ей не следует пренебрегать в расчётах, что, к сожалению, не учитывается при энергетическом анализе потерь в котле [20]. При этом, необходимо учитывать, что увеличение содержания кислорода в уходящих газах (или коэффициента избытка воздуха) увеличивает величину химической эксергии газов и уменьшает эксергетический КПД котла.
Наши оценки показывают, что для котла КАВ 2,5/7 при номинальном режиме, температуре окружающей среды 300 К и работе на мазуте М40 минимальные эксергетические потери горения равны 1053 кДж/час или 13,5% от располагаемой эксергии топлива. При оснащении котла воздухоподогревателем, минимально возможные потери эксергии существенно меньше. Если учитывать только потери от химической реакции, то они будут в 10-200 раз меньше и для указанного котла составляют 0,068-1,35% от располагаемой эксергии топлива.
Так как в рассматриваемом примере подразумевается, что теплообмен отсутствует, следовательно, потери, равные 13,5-(0,07-И,35)=12,15-г13,43% определяются несовершенством смешивания топлива и воздуха.
По имеемым данным, номинальные потери эксергии от необратимости горения составляют для вспомогательных котлов 22 25% [127], для котла КАВ 2,5/7 - 23,6% ( 3.3). Следовательно, существующие потери выше минимально возможных в 1,75 раза. Для сравнения, потери в топке при горении в стационарном котле ТП-170-1 составляют 47,85% [132]. Это свидетельствует о том, что эксергетические потери горения в стационарных котлах составляют гораздо большую величину, чем во вспомогательных. Такая разница обусловлена большей передачей теплоты экранным поверхностям в мощных стационарных котлах.
Из сравнения потерь в котле и обслуживающих устройствах следует, что обычно, на подготовку 1 кг мазута к его сжиганию в топке, расходуется около 10% низшей теплоты сгорания топлива [55,120].
Потери эксергии от теплообмена при горении зависят от температур теп-лообменивающихся сред, которыми являются продукты сгорания топлива, экранные поверхности котла, поверхности топки, а также топливо и воздух.
Топки судовых котлов, как показано в [37, 52, 56, 123], характеризуются значительной долей конвективного теплообмена в тепловосприятии экрана и меньшей величиной коэффициента загрязнения экрана по сравнению со стационарными котлами. Следовательно, эксергия пара, полученная в результате излучения в топке, будет меньше из-за большей отражающей способности экранов судовых котлов. По приведенным в [118] опытным данным, величина коэффициента загрязнения экрана С, в топках судовых котлов равна 0,4. В нормативном методе её рекомендуется принимать равной =0,55. Поэтому плотность поглощённого потока, при одинаковых падающих, будет больше в стационарных котлах примерно в (0,55/0,4)=1,375 раз. Экранные поверхности, которые находятся не на пути уходящих из топки газов, оказываются меньше загруженными. Через конвективную поверхность экрана происходит наибольший по интенсивности теплообмен в топке. Это подтверждает целесообразность увеличения площади лучевоспринимающих труб, участвующих в конвективном теплообмене, с целью совершенствования эффективности теплообмена в топке.
По проанализированным данным и приведенным уравнениям, нами построена диаграмма, характеризующая прирост энтропии в процессе горения в топке. В обоих процессах теплота, затраченная в топке на теплообмен, одинаковая. В процессе 2 прирост энтропии больше (например, за счёт подачи более холодных воздуха, топлива и питательной воды, чем в процессе 1). Это позволяет сказать, что эксергетические потери в топке котла, будут выше в процессе 2, что способствует перерасходу топлива на котёл при одинаковой паропроиз-водительности.
Проведенный теоретический анализ и сопоставление данных реально действующих котлов по эксергетическому методу расчёта потерь в топке, позволяет сделать выводы:
1. Организованные процессы в топке котла, включающие горение и теплообмен, должны происходить с минимальными суммарными потерями эксер-гии.
2. Из сравнения относительных эксергетических потерь в топке больших промышленных котлов и судовых вспомогательных следует, что в первых эти потери значительно больше.
3. Вследствие значительной доли теплоты, переданной конвекцией экранным поверхностям, необходимо развивать эти поверхности способами, характерными для конвективных поверхностей.
Из первого вывода следует, что термодинамические процессы в топке накладываются один на другой и влияют взаимно друг на друга. Установление закономерностей, определяющих это влияние, можно получить на основании термодинамики необратимых процессов.
Судовые котлы представляют собой термодинамические системы с происходящими в них необратимыми процессами, одним из которых является передача теплоты от более горячего тела (газа) к более холодному (питательной воде). В таком случае энтропия системы будет возрастать, а её работоспособность - уменьшаться. Это будет справедливо, если рассматривать продолжительность передачи теплоты с постоянными расходами, давлениями и температурами теплоносителей, концентрациями топлива и воздуха и протекающими химическими реакциями. Характеристики процесса определяют тепловое состояние системы в целом в течение всего времени её функционирования (при периодически повторяющихся процессах). В состоянии равновесия энтропия имеет максимальное значение, а значения отклонения перечисленных характеристик равно нулю. Для неравновесного состояния отклонение энтропии от её значения при равновесии обычно представляется в виде ряда соотношений, для чего вводятся понятия о потоках энергии и термодинамических движущих силах [32, 94]. Термодинамические движущие силы вызывают такие необратимые явления, как перенос теплоты, массы и химическая реакция.
Процесс горения в топке котла представляет собой подогрев топливовоз-душной смеси до температуры испарения топлива, смешивание исходных продуктов, собственно химическую реакцию и теплообмен с холодным теплоносителем. Следовательно, анализ горения взаимосвязан с оценкой этих четырёх составляющих процесса. В топке действуют силы, обусловленные разностью потенциалов температур и концентраций, а также сродством химической реакции. Полный поток теплоты делится на составляющие его части, связанные с передачей теплоты воде и топливо - воздушной смеси. Возникновение энтропии в топке, причиной которой является необратимость, выражается уравнением
Затраты и потери энергии и эксергии в балансах системы «КУ - потребители теплоты»
Из рассмотрения структурной схемы системы «КУ - потребители теплоты» (рис. 1.2 - 1.4) видно, что её эксплуатацию обеспечивает значительное количество систем: паровая; конденсатно-питательная; отработавшего пара; продувания; расходно-топливная; топливоподготовки; подачи воздуха; газоотвода; охлаждения; электроэнергетическая; очистки и промывки оборудования. В то же время нагрузку котла и обслуживающего оборудования определяют потребители судовых систем: балластной; бытового водоснабжения; сточно-фановой; отопления, хозяйственного пароснабжения, обогревания и пропари-вания; вентиляции и кондиционирования воздуха. При этом каждая система включает в себя: теплообменные аппараты, устройства очистки рабочих сред (фильтры, сепараторы, отделители); механизмы (насосы, вентиляторы); ёмкости (цистерны, тёплые ящики, баки и пр.); трубопроводы. Поэтому объективная оценка экономичности и термодинамического совершенства всей системы «КУ - потребители теплоты» невозможна без анализа эффективности работы входящих в неё элементов.
Так, в зависимости от назначения, теплообменные аппараты имеют различные поверхности теплообмена, расходы нагреваемой среды, давления и температуры на входе и выходе из аппарата. Однако, затраты теплоты в них при взаимодействии с котлом не учитываются. В обеспечивающих эксплуатацию котельной установки системах проточные и непроточные теплообменники обслуживают такие системы тепловой схемы как топливоподготовки, расход-но-топливной, подачи воздуха и конденсатно-питательной и оказывают влияние на суммарный расход топлива. Этот вывод подтверждается тем, что в системах топливоподготовки и расходно-топливной, проточные топливоподогре-ватели обеспечивают температуру топлива перед сепаратором и перед форсункой, с использованием в качестве греющей среды насыщенного пара.
На судах нашли применение кожухотрубные паровые подогреватели топлива типа ПТК и секционные типа ПТС [5, 15]. Подогреватели типа ПТС, греющей средой в которых является пар, отбираемый из котла, применяются при малых расходах топлива (от 30 до 180 кг/час). Подогреватели типа ПТК, с тем же теплоносителем, применяются при расходах топлива от 0,95 до 20 т/час. Максимальная температура пара в этих подогревателях 230 С, давление 2,5 МПа. Среднее эксплуатационное значение коэффициента теплопередачи 117-140 Вт/(м-К) [2, 15, 111, 112]. Тепловой КПД этих теплообменных аппаратов, при эксплуатации, редко превышает 90%, в то время как, например, при расчётах подогревателей мазута, их КПД принимается равным 98% [15].
Оценку эффективности теплообменников, как показано Л.П Андреевым и Г.Н. Костенко [6], более целесообразно производить при помощи эксергети ческого, а не обычного КПД. Так как при этом учитываются все реально возможные потери от необратимости протекающих процессов. Например, при загрязнении поверхностей нагрева и возрастания вследствие этого общего термического сопротивления, значение эксергетического КПД оказывается значительно ниже, чем рассчитанное по паспортным данным [2]. На принципе сравнения эксергетических КПД теплообменников можно судить об их эффективности и энергетическом совершенстве.
Чтобы оценить качество работы судовых теплообменников, воспользуемся данными по их среднеэксплуатационным коэффициентам теплопередачи и выражениям для минимальной скорости прироста энтропии, приведенным в [3, 66]. Это выражение имеет вид AST= wln sA [KF + WIH - . (3.1) Тсеп ) I \ Тсеп ) Как показывает анализ, при нагреве мазута М 40 подогревателем ПТС 1/1, с начальной температурой 323 К и конечной 343 К, расходом топлива через подогреватель 100 кг/ч, средним эксплуатационным коэффициентом теплопере-дачи 128 Вт/(м -К), минимальная скорость прироста энтропии составит 0,307 кДж/К-ч. Если давление греющего пара на входе 0,7 МПа, температура окружающей среды 7У=300 К, то эксергетический КПД теплообменника будет равен 7е=28,4%. При этой оценке, используемой эксергией является полученная эк-сергия топлива, располагаемой - отданная эксергия пара. В то же время, рекомендуемые величины КПД для этого теплообменника имеют значения 95 - 97%. Судя по ним, эффективность подогревателей, вводимая в последующие расчёты, высока и практически достигла своего максимального значения.
Как показывают наши исследования [80, 86, 137, 138], такое различие наблюдается вследствие того, что коэффициент теплопередачи в подогревателях топлива, от которого в значительной степени зависит скорость прироста (возникновение) энтропии при теплообмене, определяется сортом, скоростью и средней температурой топлива, а также влиянием ретардеров и давлением греющего пара.
Теоретическая зависимость скорости прироста энтропии от коэффициента теплопередачи находится из уравнения ASt=Q(l/Tc-l/Th). (3.2) Если принять j2=const, то её значение составит Q = rG,=w(Tcexce„), (3.3) или при интенсивности теплопередачи Q = 3,6KF(TSe), (3.4) где ASr - скорость прироста энтропии, кДж/(К-ч); Q - средняя тепловая нагрузка за время г, кДж/ч; -температура пара, К; Тс- среднелогарифмическаятемпература нагреваемого тела, К; г - теплота парообразования, кДж/кг; Т сеп, Тсех - температура нагреваемого тела на входе и выходе из подогревателя, К; Gs - расход пара, кг/ч
Тогда из равенства rGs = 3,6KF(TSe) видно, что, при увеличении коэффициента теплопередачи, уменьшается время теплообмена, что приводит к снижению скорости прироста энтропии и потерь эксергии.
Проточные тешюобменные аппараты типа ПТК и ПТС для подогрева вязких жидкостей характеризуются низкими значениями коэффициента теплоотдачи со стороны топлива, что обусловлено ламинарным характером течения жидкости. Поэтому интенсификация теплообмена, а, следовательно, и скорость прироста энтропии, больше зависит от скорости и температуры топлива в теплообменнике, чем от параметров пара, которые определяют значения КПД обычным стандартным способом.
Оценка технико - экономического совершенства системы «КУ - потребители теплоты» с учётом эксергетического КПД
С использованием программы установлена зависимость эффективности системы «КУ — потребители теплоты» от изменения типа обобщённого потребителя теплоты. Если обобщённым потребителем теплоты является мазут 40, то КПД котельной установки повышается с .0,116 до 0,118 (по сравнению с потребителем - пресной водой) при равных температурах нагреваемых сред и равной тепловой нагрузке котла.
При работе котла на дизельном топливе, производительность котла возрастает за счёт большей теплоты сгорания топлива. КПД системы «КУ — потребители теплоты» при этом равен 0,117.
При обработке результатов расчёта эффективности системы замечено, что во всех случаях снижение КПД системы «КУ - потребители теплоты» сопровождается увеличением суммы относительных потерь эксергии Д элементов тепловой схемы, а её привлечение к расчетам делает его менее трудоёмким.
Подобный расчёт системы «КУ — потребители теплоты» произведён для т/х «Амур». При номинальной нагрузке и температуре окружающей среды 7о=283К, эксергетический коэффициент полезного действия системы «КУ — потребители теплоты» составил 0,124, что в сравнении с системой т/х «Николай
Колотов» (0,116) оказывается выше, что указывает на большую эффективность использования теплоты на т/х «Амур».
Полученные результаты подтверждают правомерность использования программы ( 3.4) для диагностики эффективности системы «КУ - потребители теплоты». Одновременно следует отметить, что сравнение энергетических КПД реальных систем «КУ - потребители теплоты» двух судов и полученных значений их эксергетических КПД, говорит о том, что последний показатель характеризует тепловую эффективность установки более достоверно.
При определении норм расхода топлива на судах учитываются технические возможности их энергетических установок и при условии оборудования одинаковыми установками, находящимися в исправном техническом состоянии, должны иметь одинаковые нормы расхода топлива.
Между тем, суда с одинаковыми энергетическими установками могут работать в разных географических широтах и, следовательно, потреблять различные количества теплоты. Поэтому, расход топлива на систему «КУ - потребители теплоты» необходимо корректировать в зависимости от теплопотребления и температуры окружающей среды. Изменение нагрузки котла при постоянной температуре окружающей среды вызывается, например, сильным ветром и, как следствие, изменением коэффициента и площади теплопередачи между системой «КУ - потребители теплоты» и окружающей средой.
Например, норма, указанная в проектной документации, для вспомогательного котла ПУС «Надежда» VX 409 - 15 производительностью 900 кг насыщенного пара в час для летнего периода (температура наружного воздуха t 14 С) составляет 25 кг дизельного топлива в час. Для зимнего периода норма составляет 42 кг топлива в час. При реальной эксплуатации котла, в зимний период (декабрь, январь, февраль), во время стоянки в п. Владивосток в 2001-2002 г.г., расход топлива составлял не менее 75 кг в час (номинальный режим).
Разница между нормой и реальным расходом топлива объясняется, прежде всего, отсутствием изменений температур наружного воздуха и забортной воды. Теплотехнические испытания, на основании которых назначаются нормы, носят большей частью чисто нормировочный характер - измеряется расход топлива и мощность, отданная котлом. Такие испытания не дают, естественно, возможности судить о том, какая часть установки является основным источником перерасхода топлива, какие нужны меры для устранения перерасхода [62].
Так как эффективность любого котла характеризуется расходом топлива, нами, на примере ПУС «Надежда», представлены расчёты его величины с учётом условий изменения параметров окружающей среды, которые, как видно из 3.6, определяются потерями эксергии в тепловых процессах.
Для оценки эффективности вспомогательного котла ПУС «Надежда» были проведены испытания, результатом которых являются энергетические и эк сергетические характеристики, приведённые на рис. 3.24. При установлении эффективности котла были использованы расчётные данные, полученные методом прямого баланса. Величина эксергии пара вычислена по температуре наружного воздуха и паропроизводительности. Энергия пара и топлива котла оценены по времени работы питательного и форсуночного насосов с допущением, что они действуют в номинальном режиме. Время работы механизмов контролируется по судовым приборам в ЦПУ.
При подсчёте количества топлива, израсходованного за календарный период времени использованы усреднённые величины. Например, для данных, представленных на рис. 3.24, расчётная средняя тепловая нагрузка котла, составила 278 МДж/ч при среднеквадратичной относительной ошибке 3,6%. С энергетическим КПД, равным 79% и низшей теплоте сгорания топлива 42,7 МДж/кг, средний расход топлива должен достигать 8,4 кг/ч. Между тем, измерения и расчёт показывают, что средний расход топлива равен 12,3 кг/ч при среднеквадратичной относительной ошибке 10,0%, а энергетический КПД соответственно 53% при ошибке 10,6%. Между тем, эксергетический КПД, по уравнению (2.34) и в соответствии с данными рис. 3.24, даёт одинаковую вели чину 77 = 17%, что свидетельствует в его преимущество по сравнению с тепловым кпд. При нормировании топлива на вспомогательный котёл исходят из величины теплоты, которая определяется потребностями судна.
Для точного определения расхода топлива на котёл требуется корректировка, учитывающая влияние на расход температуры окружающей среды. Основанием для этого предположения являются экспериментальные данные, позволяющие, с достаточной для эксплуатационника точностью, рассчитать расход топлива на вспомогательный котёл при использовании энергии пара, в основном, для подогрева помещений судна. Для таких условий, расход топлива на котёл равен Gf=Q p lQ,HtoUBn, (3.21) где Q - теплота, необходимая потребителю; р - коэффициент, учитывающий потери энергии и равный 1,21-Я,46; At - разность между температурами в помещениях судна (принимается в соответствии с Санитарными Правилами) и наружного воздуха; Atmwc - максимальная разность между температурами в помещениях судна и наружного воздуха; QPH - низшая теплота сгорания топлива; ц -КПД котла [106].
Представим отношение At/Atmax следующим образом А/ _ Т„-Т0 _ \jT„ (3.22) где T„ - температура в помещениях судна, К; T0mm - минимальная температура наружного воздуха (окружающей среды). Для простоты, значение T0min необходимо принять такой, при которой котёл работает в номинальном режиме.
Выражение (3.22) представляет собой отношение температурных эксерге-тических функций теплоты помещений судна при существующей и минимальной температуре окружающей среды. Следовательно, чем больше потенциал конечного потребителя (помещения судна), тем больший расход топлива (при прочих равных условиях) имеет котёл. Физическая сущность выражения (3.22) -это коэффициент изменения нагрузки на котёл при изменении температуры окружающей среды.
При помощи уравнения (3.21) можно определить расход топлива на такие потребители теплоты как подогреватели воды, топлива и т.д. с заменой в (3.21 и 3.22) величины Т„ на температуру, до которой подогревается потребитель.
В период проведения измерений на ПУС «Надежда», пар использовался только для подогрева мытьевой воды. Уставка датчика температуры воды на подогревателе соответствовала значению 80 С, среднее значение температуры окружающей среды 12 С .
