Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ использования природного газа в энергоснабжении машиностроительных предприятий - 13
1.1. Общие положения энергоснабжения в промышленности 13
1.2. Разработка схем комплексного энерготехнологического применения природного газа
1.3. Классификация схем комплексного энерготехнологического использования природного газа 28
1.4. Анализ существующих установок комплексного использования природного газа 41
1.5. Выводы 46
2. Установки комплексного использования природного газа 48
2.1. Установки комплексного использования природного газа вне-дренные на машиностроительных заводах 48
2.2. Выводы 61
3. Исследование параметров совместной работы нагнетателей в неизотермических аэродинамических сетях - 63
3.1. Последовательная работа нагнетателей в неизотермических сетях 63
3.2. Параллельная работа нагнетателей в неизотермических сетях 82
3.3. Выводы 104
4. Усовершенствование систем комплексного использования при родного газа - 105
4.1. Комплексные установки с одновременной выработкой тепловой и электрической энергии- 105
4.2. Использование низкотемпературных вторичных тепловых ресурсов в комплексных установках для получения горячей воды - 109
4.3. Использование теплоты продуктов сгорания в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха- 117
4.4. Разработка систем автономного энергоснабжения 128
4.5. Выводы 141
5. Экономическая эффективность применения установок комплекс ного использования газа - 142
5.1. Оценка теплотехнической эффективности установок ком- плексного использования газа 142
5.1.1. Определение выхода вторичных энергетических ресурсов 142
5.1.2. Определение количества теплоты, полученной за счет использования вторичных энергоресурсов- 143
5.2. Определение экономии топлива в зависимости от направле- ния использования В ЭР 145
5.2.1. Экономия топлива за счет нагрева воздуха, подаваемого на горение в топки 146
5.2.2. Экономия топлива от применения нагрева сжатого воздуха 147
5.2.3. Экономия топлива от применения контактных и поверхно стных конденсационных теплообменников- 149
5.3. Определение экономической эффективности использования вторичных энергоресурсов 151
5.4. Выводы 154
Литература 155
- Разработка схем комплексного энерготехнологического применения природного газа
- Параллельная работа нагнетателей в неизотермических сетях
- Использование низкотемпературных вторичных тепловых ресурсов в комплексных установках для получения горячей воды
- Определение экономии топлива в зависимости от направле- ния использования В ЭР
Введение к работе
Актуальность темы. Проблеме экономии топливно-энергетических ресурсов уделяется большое внимание во всем мире. В связи с этим особое значение приобретает внедрение энергосберегающих технологий, обеспечивающих снижение энергоемкости промышленной продукции и позволяющих решать экологические задачи.
В экономике России энергетика играет ведущую роль. Структурная перестройка материального производства и жизнеобеспечение населения требуют развития сферы энергетических услуг. Энергетическое сотрудничество нашей страны с дальним и ближним зарубежьем дает бюджету значительную часть всех валютных поступлений.
Наша страна обладает огромными энергоресурсами — в ее недрах сосредоточено более 30 % разведанных мировых запасов природного газа, 13 % нефти, 23 % угля, 14 % урана. Однако этот ресурсный потенциал используется недостаточно эффективно. В России, являющейся одной из ведущих энергетических государств, уровень затрат важнейших видов энергии превосходит аналогичные показатели в развитых зарубежных странах. Это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых оцениваются по разным данным от 25 до 40 % от уровня потребляемых тепловых энергетических ресурсов (ТЭР) [1]. Удельная энергоемкость выпускаемой продукции в России в 2-3 раза выше, чем США, Японии и Западной Европе. Необходимо отметить и специфическую структуру топливно-энергетического баланса нашей страны, в котором доминирующую роль играет природный газ: его доля в настоящее время достигает 50 %, а к 2020 г. прогнозируется ее увеличение до 58 % [2].
Экономически целесообразно уже сейчас снижать объемы добычи топлива. Средства, сэкономленные на попытках увеличить или даже поддержать достигнутый нерационально высокий уровень добычи топлива, можно более эффективно вложить в энергосберегающие мероприятия.
7 В области энергосберегающих технологий имеются крупные резервы,
так как наряду с установками, работающими с КПД 90% и выше, действует большое количество промышленных печей и сушил с КПД, не превышающим 30%. Эффективность использования теплоты в этих агрегатах можно значительно повысить, причем капиталовложений для этого требуется существенно меньше в сравнении с необходимым для добычи эквивалентного количества топлива. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что стоимость энергии, сэкономленной в результате реконструкции, в 3-5 раз дешевле энергии, получаемой при строительстве новых установок аналогичной производительности.
Обследование газо- и теплоиспользующего оборудования промышленных объектов различных отраслей промышленности, проведенное специалистами РГСУ. РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, НГСАУ, показало, что примерно 25% природного газа, тепловой и электрической энергии, потребляемой предприятиями, используется для низкотемпературных процессов. К ним в первую очередь относятся отопление, вентиляция, кондиционирование, процессы сушки.
Одним из перспективных направлений экономии энергоресурсов является использование теплоты продуктов сгорания природного газа в энерготехнологических установках различного температурного уровня. При этом продукты сгорания топлива последовательно направляются из высокотемпературного источника в средне- и низкотемпературные агрегаты. Такие системы принято называть установками комплексного ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания. Элементами таких систем являются в основном теплообменники и тепловые агрегаты. Схемы и технологии комплексного использования тепловых ресурсов продуктов сгорания природного газа апробированы и применяются в различных отраслях промышленности [3].
В настоящее время интерес в промышленной энергетике представляют автономные комбинированные схемы использования природного газа для одновременной выработки тепловой и электрической энергии. В таких установках
8 природный газ сжигается в газовой турбине или двигателе внутреннего сгорания, служащих для привода электрогенераторов.
Снижение энергоемкости национального дохода требует не только изменения производственного процесса, но и уменьшения непроизводственных потерь.
В настоящее время наиболее перспективным направлением экономии энергии является использование теплоты продуктов сгорания природного газа для технологических нужд, теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха и др.
Значительным источником вторичных энергетических ресурсов являются промышленные печи, в которых сжигается природный газ. Продукты сгорания природного газа можно рассматривать как высококачественный теплоноситель, в них, как правило, отсутствуют вредные примеси и твердые частицы.
В то же время продукты сгорания часто с высокой температурой (500С и выше) удаляются в атмосферу. Однако применение этих продуктов сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих установок могло бы дать существенный экономический эффект.
Машиностроительная промышленность является одним из крупных потребителей природного газа. Предприятия этой отрасли имеют разнообразную структуру потребления энергии. Наличие на предприятиях технологического оборудования с различным температурным режимом открывает возможность широкого применения метода комплексного использования природного газа.
При разработке теплоиспользующих систем необходимо решить ряд экологических вопросов. Методы повышения эффективности применения природного газа следует рассматривать в связи с мероприятиями по охране окружающей среды.
Исследования проводились в соответствии с программой МНТП «Архитектура и строительство» в рамках тем: «Эффективные системы энергоснабжения зданий и сооружений» (2000-2002 гг.), «Системы автономного энергоснабжения производственных зданий машиностроительной промышленности»
9 (2002-2004 гг,)» а также по программе гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук (подраздел «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения» (2000-2002 гг.).
Целью работы является разработка методов совершенствования комплексных установок использования природного газа в теплоснабжении предприятий машиностроительной промышленности, обеспечивающих повышение их эффективности.
В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:
анализ технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов и потенциальных потребителей тепловой энергии на предприятиях машиностроительной промышленности; сравнительный анализ эффективности различных схем утилизации теплоты и разработка классификации установок комплексного использования природного газа;
исследование особенностей аэродинамического режима работы комплексных установок и разработка способов повышения их аэродинамической и энергетической эффективности посредством использования совместной работы нагнетателей в трактах продуктов сгорания;
исследование параметров совместной работы нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатации;
разработка энергоэффективных (схемотехнических решений) комплексных установок на основе совместной выработки тепловой и электрической энергии, применении тепловых насосов и поверхностных конденсационных теплообменников.
10 Научная новизна наиболее существенных результатов работы заключается в комплексном подходе к разработке методов и средств термодинамических и аэродинамических исследований систем комплексного использования природного газа.
В результате исследований решены следующие аспекты проблемы:
разработан метод определения параметров совместно работающих нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатации; предложены новые схемотехнические решения совместной выработки тепловой и электрической энергии, адаптированные к тепловым источникам вторичных энергетических ресурсов и потребителям энергии на предприятиях машиностроительной промышленности;
доказана возможность использования тепловых насосов с целью совместной выработки теплоты и холода для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;
обоснована целесообразность использования совместно работающих нагнетателей в трактах продуктов сгорания природного газа.
Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического материала и полученных моделей исследуемым процессам; подтверждается хорошей сходимостью аналитических расчетов, математического моделирования с экспериментальными данными. Практическая значимость результатов работы:
состоит в разработке метода расчета эффективных систем комплексного комбинированного применения природного газа с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии, предназначенного для проектирования предприятий машиностроительной промышленности;
результаты диссертационной работы позволяют повысить эффективность вновь разрабатываемых и реконструируемых установок комплексного использования природного газа;
метод определения параметров совместно работающих нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатации предназначен для использования в практике проектирования энергосберегающих установок;
разработаны установки для конкретных технологических процессов в машиностроительной промышленности;
результаты исследований включены в учебные курсы по энергосбережению в системах теплогазоснабжения и вентиляции для студентов инженерно-строительных специальностей;
разработаны установки для конкретных технологических процессов с использованием низкопотенциальных тепловых ресурсов для целей теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Реализация результатов работы. Научные положения, методология проектирования, программы расчетов используются в исследовательской и проектной практике рядя организаций (ПроектНИИстройдормаш, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, АО «Озон» и др.).
Результаты исследований и разработок включены в отраслевую нормаль по проектированию энергосберегающих установок на машиностроительных предприятиях по производству строительных и дорожных машин.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в курсе «Энергосбережение в системах теплогазоснабжения и вентиляции» для специальности 290700 - Теплогазоснабжение и вентиляция.
На защиту выносятся следующие основные положения:
метод определения параметров работы совместно работающих нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатации;
способ использования теплоты продуктов сгорания природного
газа для конкретных технологических процессов машиностроительной промышленности;
схемотехнические решения совместной выработки тепловой и электрической энергии, применения тепловых насосов и поверхностных конденсационных теплообменников, адаптированных к тепловым источникам вторичных энергетических ресурсов и потребителям энергии на предприятиях машиностроительной промышленности; энергосберегающие установки комплексного использования природного газа, обеспечивающие эффективность его применения в машиностроительной промышленности.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство - 2002», «Строительство - 2003», «Строительство -2004», на международной конференции «Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2000г.), на международных научно-технических конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» (РГАСХМ, Ростов-на-Дону, 2001, 2002 и 2003 г.г.), на международной научной конференции «Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании природного газа» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2002г.), на 5-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003г.), на научно-практических семинарах кафедр Отопления, вентиляции и кондиционирования и Теплогазо-снабжения РГСУ.
Публикации: Всего опубликовано 17 печатных работ, в том числе по теме диссертационной работы 15 работ
13 Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти
Разработка схем комплексного энерготехнологического при-менения природного газа
При разработке схем комплексного энерготехнологического использования теплоты продуктов сгорания природного газа ставится задача выявления резервов вторичных тепловых энергоресурсов и осуществления наибольшей и экономически целесообразной их утилизации. Исследование возможности использования вторичных тепловых энергоресурсов заключается в следующем: 1. Вовремя раскрыть все варианты совершенствования факторов более эффективного развития производства. 2. Оценить значения их использования в конкретных условиях предприятия. 3. На основе этого установить последовательность использования резервов для получения максимального экономического эффекта от каждой единицы затрат на техническое и организационное совершенствование производства [5]. Несмотря на совершенство новых технологий и новой техники, они все-таки содержат какие-то резервы и открывают новые возможности оптимизации процесса. Выбор технологического процесса и проектирование технологической линии оказывают существенное влияние на экономичность процесса. Это очень важно и потому, что в стадии разработки проекта определяется большая доля производственных потерь (возможно, 70-80%). Таким образом в процессе производства можно воздействовать примерно только на 20-30% потерь. При разработке схем комплексного энерготехнологического использования теплоты следует подходить к решению этой проблемы не в рамках отдельного агрегата, а в рамках цеха, целого предприятия или даже промузла или микрорайона, потому что только исследование и увязка с энергетической точки зрения действительных и возможных источников и потребителей одновременно может дать максимальный положительный эффект. Оптимальное направление утилизации вторичных энергоресурсов включает использование теплоты уходящих газов на соответствующих температурных уровнях по мере снижения температуры теплоносителя вторичных энергоресурсов. Реализацию вышеназванной задачи можно разделить на следующие этапы:
— анализ фактического энергопотребления и его эффективности при использовании топливно-энергетических ресурсов каждого топливопотреблягощего технологического агрегата в рассматриваемых рамках (отделение, цех, предприятие); — составление энергетического баланса в соответствии с температурами и количеством выхода энергоресурсов; — определение целесообразности места установки утилизирующего оборудования в комплексной схеме; — разработка и осуществление схемы комплексного использования теплоты, которая является оптимальной увязкой энергетических и экономических показателей. При разработке схем комплексного использования теплоты необходимо учитывать следующие требования к ним: — обеспечение эксплуатационной надежности всех элементов систем комплексного использования теплоты; — недопустимость снижения эксплуатационных показателей технологического оборудования; — обеспечение работы технологических агрегатов в случае отключения тепло-утилизирующего оборудования; — учет часовых, суточных и сезонных неравномерностей выработки и потребления теплоты, их сглаживание; — обеспечение гидравлической устойчивости всей системы при различных режимах работы; — наиболее выгодное потребление утилизированных вторичных энергоресурсов. При разработке и проектировании схем комплексного использования теплоты следует провести термодинамический анализ всей системы и ее отдельных элементов Потребителями тепловых вторичных энергетических ресурсов могут быть не только технологические агрегаты, но и другие потребители энергии (табл. 1.2.1).
С учетом возможных потребителей тепловых ВЭР можно предложить следующую классификацию схем комплексного энерготехнологического использования теплоты продуктов сгорания природного газа: 1. Использование теплоты продуктов сгорания в агрегате (процессе) - ис .точнике этих вторичных тепловых ресурсов (нагрев воздуха и газа, необходи мого для сгорания природного газа; нагрев изделий и материалов, поступаю щих в технологический агрегат). Такую схему использования теплоты можно назвать замкнутой (табл. 1.3.1). 2. Использование продуктов сгорания в качестве теплоносителя в нескольких технологических агрегатах с различным температурным уровнем (табл. 1.3.2). 3. Использование теплоты продуктов сгорания для технологических непроизводственных и бытовых нужд (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение, кондиционирование воздуха) (табл. 1.3.3, 1.3.4). 4. Использование теплоты продуктов сгорания в установках с выработкой электроэнергии (это направление весьма перспективно, так как электроэнергия может быть использована различными потребителями и передаваться на большие расстояния) (табл. 1.3.5, 1.3.6). Кроме указанных схем комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа, возможны различные комбинированные схемы. Так, например, вначале теплота уходящих газов применяется в технологических агрегатах, а затем используется для непроизводственных и хозяйственно-бытовых нужд (нагрев воздуха, воды). Комбинированные схемы должны найти наибольшее применение, так как позволяют наиболее полно использовать теплоту продуктов сгорания. Выбор рациональной схемы комплексной установки и количества ступеней, использующих теплоту продуктов сгорания, определяется количеством продуктов сгорания и их температурой, потребностью технологических процессов, а также систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. Условиями успешной работы установки являются возможно более полное совпадение графиков работы отдельных ступеней и близость расположения те-плоагрегатов. В качестве последней ступени комплексных установок могут применяться контактные и поверхностные водоподогреватели, позволяющие снизить температуру продуктов сгорания до 40-60С при конденсации значительной части водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания природного газа. До определенного времени комплексное использование теплоты продуктов сгорания природного газа проектировалось путем компоновки технологических агрегатов разного температурного уровня. Обычно в таких установках уходящие газы имеют температуру до 400С и выше из-за отсутствия в цехах низкотемпературных технологических потребителей теплоты (например, различных сушильных установок). В ряде случаев часть продуктов сгорания разбавляют наружным воздухом или воздухом из помещения цеха для снижения температуры до требуемой в теплоиспользующем агрегате. Таким образом, отсутствует сплошная цепь потребления теплоты и теряется определенное количество тепловой энергии (повышается объем газов, удаляемых в атмосферу). В отдельных случаях отказываются от метода комплексного использования теплоты из-за невыгодного пространственного расположения агрегатов (протяженные газоходы). Поэтому особенно важно при проектировании новых предприятий, а также при реконструкции и расширении действующих заводов, предусматривать размещение оборудования, позволяющие обеспечить оптимальные условия для создания энергосберегающих технологий на базе комплексного использования теплоты продуктов сгорания. Существенное влияние на внедрение и работу комплексных установок оказывают режимы работы источника вторичных тепловых энергоресурсов и соответствующих потребителей теплоты уходящих газов. Чем продолжительнее и равномернее работает источник продуктов сгорания, тем проще осуществить энергосберегающие установки и тем экономичнее они работают. Аккумулирование теплоты продуктов сгорания в установках, состоящих только из технологических агрегатов (непосредственным теплоносителем служат продукты сгорания), практически невозможно. Решается эта проблема применением теплообменников для нагрева вторичных теплоносителей, которые дают возможность аккумулировать теплоту..
Параллельная работа нагнетателей в неизотермических сетях
Рассмотрим аэродинамические системы, содержащие два параллельно установленных нагнетателя и теплообменник, рис. 3.2.1.
При размещении теплообменника перед нагнетателями, рис. 3.2.1 .а, аэродинамические и энергетические характеристики исследуемой системы могут быть определены из системы уравнений (3.1.2), (3.1.3) - (3.1.7):
Аэродинамические и энергетические характеристики системы, содержащей два параллельно соединенных нагнетателя и теплообменник, расположенный после нагнетателя, рис. 3.2.1.6, могут быть определены из уравнений (3.1.2),(3.1.9)-(3.1.13):
В том случае, если сопротивлением линий между точками а и б на рис. 3.2.1 можно пренебречь и при равенстве плотностей транспортируемой среды во входных патрубках, суммарная P-L характеристика двух параллельно установленных нагнетателей определяется путем сложения абсцисс точек P-L характеристик первого и второго нагнетателя, имеющих равные ординаты. При этом;
Применительно к данному случаю система из двух параллельно соединенных нагнетателей может быть формально заменена «эквивалентным нагнетателем», имеющим при одинаковых плотностях транспортируемой среды идентичную системе P-L характеристику. Условием энергетической эквивалентности данной замены является условие равенства потребляемых мощно стей для всех точек P-L характеристик «эквивалентного нагнетателя» и системы из двух параллельно соединенных нагнетателей.
Мощности, потребляемые первым N р и вторым N"p нагнетателями при величине создаваемого ими полного давления транспортируемой среды Р, равна: где V 7? tp" соответственно КПД первого и второго нагнетателя при величине создаваемого ими полного давления Р.
Мощность, N3p t потребляемую «эквивалентным нагнетателем», имеющим P-L характеристику, идентичную суммарной P-L характеристике двух па раллельно работающих нагнетателей при величине создаваемого им полного давления транспортируемой среды / , можно определить по формуле: . где Цяр - КПД «эквивалентного нагнетателя», соответствующий режиму его работы с объемной производительностью, равной L, и создаваемым полным давлением транспортируемой среды, равным Р.
Используя формулы (3.2.5) - (3.2.7), получим следующее выражение, реализующее условие энергетической эквивалентности параметров работы «эквивалентного нагнетателя» и системы из двух параллельно соединенных нагнетателей без учета аэродинамического сопротивления соединительных линий:
В том случае, если сопротивление линии между точками aw б достаточно велико, его необходимо учитывать при определении суммарной P-L характеристики.
Известен способ построения суммарной P-L характеристики двух параллельно работающих нагнетателей, учитывающий наличие сопротивлений движению транспортируемой среды на участках соединительных линий, в соответствии с которым построение суммарной характеристики осуществляется путем сложения абсцисс характеристик нагнетателей, отнесенных к точкам соединения параллельных ветвей. Данные характеристики определяются путем вычитания из ординат характеристик нагнетателей ординат характеристик сопротивления соединительных линий, расположенных между точками а и б. Пример построения суммарной P-L характеристики нагнетателей с учетом аэродинамического сопротивления соединительных линий по [61] приведен на рис. 3.2.2. Необходимо отметить, что линия 5 на данном рисунке отображает зависимость между разностью полных давлений транспортируемой среды в точках а и б и расходом транспортируемой среды на участках 3-4, см. рис. 3.2.1. а и 1-2, см. рис. 3.2.1.6, то есть является характеристикой P-L системы, состоящей из двух параллельно соединенных нагнетателей и совокупности линий, соединяющих нагнетатели с точками а и б аэродинамической сети. Давления транспортируемой среды, создаваемые первым, F, и вторым, Р", нагнетателем, связаны с величиной давления транспортируемой среды, создаваемого системой, состоящей из двух параллельно соединенных нагнетателей и соединительных линий, Р, следующими зависимостями: где k\kn - соответственно характеристики сопротивления соединительных линий первого и второго нагнетателя.
В схемах систем, представленных на рис. 3.2.1, можно выделить две части. Первую образуют участки 1-2, 2-3, 3-а, 6-А на рис. 3.2.1. а и участки 1-а, 6-2, 2-3, 3-4 на рис. 3.2.1. б. Вторую - участки а - б на данных рисунках. Заменив соединительные линии и нагнетатели, расположенные на участках а-б «эквивалентным нагнетателем», представим системы, приведенные на рис. 3.2.1, следующими эквивалентными схемами, представленными на рис. 3.2.3. Общее аэродинамическое сопротивление участков 1-2, 2-3, 3-а, 6-4 на рис. 3.2.5. а и участков 1-а, 6-1, 2-3, 3-4 на рис. 3.2.5.6 , является внешним по отношению к «эквивалентному нагнетателю» сопротивлением сети, а сопротивление участков а-б на данных рисунках является внутренним аэродинамическим сопротивлением «эквивалентного нагнетателя».
Из вышеизложенного следует, что условием аэродинамической эквивалентности системы, состоящей из двух параллельно соединенных нагнетателей с соединительными линиями и «эквивалентного нагнетателя» по отношению к внешней сети, является идентичность P-L характеристики «эквивалентного нагнетателя» и суммарной P-L характеристики двух параллельно соединенных нагнетателей, построенной с учетом потерь давления транспортируемой среды в соединительных линиях, линия 5 на рис. 3.2.2.
Условие энергетической эквивалентности заключается в равенстве мощностей, потребляемых «эквивалентным нагнетателем» и системой из двух параллельно соединенных нагнетателей, при идентичности их P-L характеристик, отнесенных к внешней сети и равенстве мощностей, расходуемых на преодоление внутренних аэродинамических сопротивлений
Использование низкотемпературных вторичных тепловых ресурсов в комплексных установках для получения горячей воды
Одним из эффективных методов повышения коэффициента полезного действия теплоиспользующих установок является снижение температуры уходящих газов.
В связи с резким повышением цен на топливо и тепловую энергию стало экономически целесообразным глубокое охлаждение продуктов сгорания природного газа.
В традиционных теплоиспользующих установках уходящие газы имеют температуру 120-20ОС. Такая температура продуктов сгорания предотвращает коррозию поверхностей нагрева от сконденсированной влаги дымовых газов.
Ощутимой потерей теплоты с уходящими газами в установках являются потери со скрытой теплотой парообразования влаги при сжигании газа. Такие потери составляют 8-12% химической теплоты природного газа и являются значительным резервом дальнейшего повышения КПД установки, что возможно лишь при условии охлаждения продуктов сгорания ниже их температуры точки росы. Температура точки росы зависит от свойств применяемого газообразного топлива и качества его сжигания (коэффициент избытка воздуха). Для продуктов сгорания природного газа начало конденсации содержащейся в них влаги наблюдается при температуре 50С.
Для утилизации теплоты уходящих газов в России применяются контактные теплоутилизаторы типа ЭК-БМ, АЭМ, КТАН и другие [9, 66].
В последние годы благодаря развитию машиностроения появились более совершенные конструкции теплообменников, в частности биметаллические, и для указанных выше целей Ростовским государственным строительным университетом стали использоваться рекуперативные конденсационные теплоутилизаторы, по многим показателям превосходящие контактные [3, 60, 67, 68].
Как показано в ряде работ авторов [3, 42,46, 47], наиболее эффективно применение конденсационных поверхностных теплоутилизаторов на базе калориферов КСк с биметаллическими теплопередающими элементами.
Процессы охлаждения газов в контактных и поверхностных конденсационных теплообменниках существенным образом отличаются друг от друга. Механизм охлаждения газов в контактном теплообменнике намного сложнее, поскольку наряду с теплообменом происходит и массообмен между газами и водой при их непосредственном соприкосновении. Так, в контактных теплообменниках с активной насадкой (КТАН) в начале подогрев орошающей воды сопровождается испарением ее и увлажнением газов, а по мере охлаждения газов и воды происходит конденсация водяных паров и подсушка продуктов сгорания. Причем подогрев воды возможен лишь до так называемой температуры мокрого термометра, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении Н20 в дымовых газах.
На рис. 4.1.1 изображен процесс охлаждения газов в поверхностном конденсационном теплоутилизаторе на І-d диаграмме продуктов сгорания природного газа российских месторождений. Сначала процесс охлаждения газов проходит при постоянном влагосодержании (вертикальная линия 1-2). После достижения газами 100% относительной влажности (точка 2 — пересечения с кривой (р — 100%) начинается процесс осушки газов путем конденсации из них водяных паров. Точка пересечения прямой d = const и р = 100% является точкой росы, а соответствующая ей температура газов — температурой точки росы Vp. Глубина осушки газов зависит от температуры продук тов сгорания на выходе из теплообменника V ; точка 3 пересечения соответствующей изотермы с кривой (р = 100% определяет остаточную влажность дымовых газов.
Зависимость влагосодержания и энтальпии насыщенной парогазовой смеси от температуры (точки росы) приводится в работе [9].
Как показывают расчеты, начальное влагосодержание дымовых газов (в кг на 1 кг сухих газов) и, следовательно, температура точки росы существенно зависят от коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания и в значительно меньшей степени от состава природного газа и влагосодержания дутьевого воздуха. Наиболее точно влажность продуктов сгорания на входе в теплоутилизатор может быть определена по методике, принятой при тепловом расчете котельного агрегата. Для приближенного определения d и ир продуктов сгорания природного газа российских месторождений (усредненного состава) можно воспользоваться эмпирическими формулами [66]. Из них следует, что уменьшение коэффициента избытка воздуха от 1,4 до 1,1 повышает влагосодержание продуктов сгорания с 0,1 до 0,14 кг/кг с.г., а точку росы - с 54 до 59С.
Таким образом, эффективность теплоиспользования в поверхностных конденсационных теплообменниках напрямую связана с необходимостью поддержания стабильного и низкого коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания, что возможно только при автоматическом регулировании подачи дутьевого воздуха в горелки.
При проектировании поверхностных теплоутилизационных установок важное значение имеет обоснованный выбор глубины охлаждения и степени осушки дымовых газов в утилизаторе. Простое охлаждение их до температуры выше точки росы, например до 60-80С, хотя и ведет к повышению КПД котлоагрегата на 2-3 %, нецелесообразно, а с точки зрения работы газоходов и дымовой трубы ненадежно и опасно. В результате в холодное время года температура стенок газоходов и дымовой трубы неизбежно будет ниже точки росы и количество образующегося в них конденсата велико, что может привести к разрушению дорогостоящих сооружений. Мерой надежности в этом случае является величина разности между температурой газов, поступающих в газоход к дымовой трубе , и точкой росы Vp. С ее увеличением защищенность газоходов, дымососа и дымовой трубы повышается.
Наиболее простым и распространенным способом увеличения этой разности является байпасирование части уходящих газов мимо теплоутили-затора. Опыт проектирования и эксплуатации контактных и поверхностных конденсационных теплоутилизаторов показывает, что оптимальными явля ются следующие параметры: температура газов на выходе из калориферов V =40С массовая доля газов, проходящих через теплоутилизатор, g„ должна быть такой, чтобы температура смеси газов, поступающих в газоход к дымовой трубе была ниже 70С. К примеру (см. рис. 4.1.1) температура уходящих газов из котлоагрегата Vyx равна 145С. Из формулы смешения следует, что g„=0,72, т.е. 28% горячих влажных газов (d =0,112 кг/кг с.г.) смешивается с 72% охлажденных, лишенных значительной части водяных паров газов (точка 3) с влагосодержанием d" = 0,047 кг/кг с.г. Этот процесс приводит к увеличению разности Ц} - Vp. Действительно, без байпасирования эта разность близка к нулю (или даже отрицательна, т.к. покидающие утилизатор газы могут быть пересыщенными). При 28%-ном байпасировании влагосо-держание смеси газов по балансу равно 0,065 кг/кг с.г. (точка 4). Этому вла госодержанию соответствует t ,=46C (точка 5). Следовательно, разность
Определение экономии топлива в зависимости от направле- ния использования В ЭР
При рассмотрении вариантов использования природного газа в промышленности эффективность его применения определяется достигаемой экономией первичного топлива и экономией народнохозяйственных затрат по добыче и транспорту газа.
Экономия топлива зависит от направления использования вторичных энергетических ресурсов и схемы энергоснабжения предприятия.
При тепловом направлении использования ВЭР и раздельной схеме энергоснабжения предприятия экономия топлива при использовании тепловой энергии, выработанной за счет вторичных энергоресурсов в установках комплексного использования теплоты, определяется по формуле: где Qx - выработка теплоты / -й ступенью установки, кДж; а - коэффициент использования выработанной теплоты; Ь3 - удельный расход топлива на выработку теплоты в замещаемом теп логенерирующем агрегате, т у.тАДж; U, Т]3- коэффициент полезного действия энергетической установки, с показателями которой сопоставляется эффективность использования ВЭР. Расчет экономии топлива производится для каждой отдельной ступени, так как различные ступени в схеме комплексного использования теплоты замещают различные теплогенераторы (парогенераторы, водогрейные котлы, воздухоподогреватели и т.п.), которые имеют соответствующие коэффициенты полезного действия.
Возврат теплоты уходящих продуктов сгорания в агрегат-источник посредством нагрева воздуха, подаваемого к газогорелочным устройствам, является распространенным способом использования вторичных энергетических ресурсов. В этом случае повышается температура в топке и производительность огнетехнического агрегата, а расход топлива соответственно уменьшается. Экономия природного газа в зависимости от температуры нагрева воздуха показана на рис. 5.2.1.
Однако надо учитывать, что при высокотемпературном нагреве необходимо применение теплоутилизирующего оборудования из дорогостоящих жаростойких материалов и что с увеличением температуры меняется состав продуктов сгорания (увеличивается выход оксидов азота). Экономический эффект от подачи нагретого воздуха можно определить
В машиностроении на выработку сжатого воздуха расходуется в среднем 14-15 % от всей энергии, потребляемой в процессе производства. Сжатый воздух требуется в основном для привода пневматического технологического оборудования и инструмента.
Расход электроэнергии на выработку сжатого воздуха заметно влияет на энергетический баланс машиностроительного завода. Нагрев сжатого воздуха является простым и эффективным мероприятием по уменьшению расхода электроэнергии. На рис. 5.2.2 [3] приведена экономия сжатого воздуха в зависимости от степени подогрева и начальной температуры. Используется факт увеличения объема газообразной среды при постоянном давлении вследствие повышения температуры, описывающийся законом Гей-Люссака. 148 На этой основе можно определить сокращение массового расхода сжатого воздуха А"?.
При уменьшении массового расхода сжатого воздуха снижается потребляемая мощность воздушного компрессора, определяемая по формуле: Дй„ = Дт-ц-р-г, (5.2.3) где А „- экономия электроэнергии, кВтчч; Д/и - величина сокращения массового расхода воздуха после компрессора, м /кг; Ц - удельный объем сжатого воздуха после компенсатора, м3/кг; т - число часов работы компрессора, ч; р - удельный расход электроэнергии на выработку одного м3 сжато-го воздуха, кВтч/м ( р =0,2 кВтч/м );
Количество сэкономленного условного топлива (Л6, т.у.т.), которое расходовалось бы на выработку электроэнергии, можно определить из выражения: где о0 - удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии (о0 =0,328 т,у.т./тыс. кВтч); Т]э - КПД электростанции.
Количество теплоты, утилизируемое в контактных теплообменниках (QT ) составляет: Qe - теплота сконденсировавшейся из продуктов сгорания влаги, кВт; где г -скрытая теплота парообразования водяных паров, кДж/кг; dnr.. - влагосодержание в расчете на 1 кг сухих газов; G„, - расход сухих продуктов сгорания, кг/с; К -степень конденсации водяных паров. Экономический эффект определяется путем пересчета количества тепловой энергии на количество сэкономленного условного топлива где Т -продолжительность работы теплообменника в расчетном режиме, ч. Чт.у.ш. =29,3-103 кДк/ту.т.; Т]к - КПД котельной.
Для оценки и сравнения экономической эффективности разных вариантов используются значения величин приведенных затрат. Они определяются по формуле: где П - приведенные затраты, руб./год; С - годовые эксплуатационные расходы, руб./год;
Е-у- установленный коэффициент эффективности капиталовложений, 1/год; К - размер капиталовложений, руб. При сравнении вариантов наиболее экономически выгодным является тот, который характеризуется минимумом приведенных затрат. Однако, экономически наиболее выгодный вариант не всегда совпадает с энергетическим оптимумом. Необходимо учитывать изменения показателей отдельных элементов комплексной системы. В ряде случаев целесообразно рассмотреть не только стоимостные показатели, но и При определении оптимального варианта можно воспользоваться разностным методом, с помощью которого сравнивается разность приведенных затрат по рассматриваемым вариантам. Учитывается только те затраты, по которым отличаются варианты. Такой прием упрощает экономические расчеты. При определении экономической эффективности мероприятий по утилизации и использованию вторичных энергетических ресурсов сравнивается вариант без использования вторичных энергетических ресурсов с вариантом применения теплоты продуктов сгорания. При условии, что экономический эффект Э является положительным, использованием вторичных энергоресурсов является целесообразным. Кроме экономии народнохозяйственных затрат необходимо определить получаемую предприятием экономию, которая зависит от прироста прибыли за счет осуществления мероприятий по использованию теплоты вторичных тепловых энергоресурсов.
