Мероприятия по энергосбережению в промышленных котельных разнообразны. Среди них по­вышение КПД котлоагрегатов за счет снижения температуры уходящих газов, использование тепла продувочной воды, рациональное снижение давления пара от давления в барабане котла до давле­ния, требуемого в технологических аппаратах, рациональное распределение нагрузки между несколь­кими котлоагрегатами, работающими одновременно и др.

При рассмотрении мероприятий по экономии тепловой энергии и топлива наиболее приоритет­ными являются такие, применение которых позволяет не только обеспечить значительную экономию, но и позволяют повышать производительность и надежность теплотехнических установок.

Напомним некоторые положения из теплового расчета котлоагрегатов. Коэффициент полезно­го действия котельного агрегата характеризует степень совершенства процесса превращения химиче­ской энергии топлива в тепловую энергию вырабатываемого пара или горячей воды.

КПД брутто учитывает использование тепловой энергии топлива в котлоагрегате и представ­ляет собой отношение выработанного тепла к затраченному.

ППа = Q^ -100% =100% — Sq (2.1)

Q затр

Sq — сумма удельных (на единицу массы или объема топлива) потерь тепла с уходящими газами, от химической и механической неполноты сгорания топлива и потери в окружающую среду, %.

Тепловые потери с уходящими газами q1 можно оценить по формуле:

T — t

Q =j*——- L [, + (h — 1).и. Ј].(100 — q3), (2.2)

Tmax

R02max

H =————— 2———— , (2.3)

RO2 + CO + CH4

Где q3 — тепловые потери от механической неполноты сгорания топлива, %; t^, tmax — температуры уходящих газов; воздуха, подаваемого в котельный агрегат; максимальная температура дымовых га­зов, °С; с’ и k — поправочные коэффициенты, показывающие отношение средних удельных теплоемко- стей разбавленных и не разбавленных воздухом дымовых газов в интервале температур от 0 до tyx к средним удельным теплоемкостям в интервале от 0 до tmax; n — коэффициент, показывающий отноше­ние средней удельной теплоемкости воздуха в интервале температур от 0 до t^ к средней удельной теплоемкости не разбавленных воздухом дымовых газов в интервале от 0 до tmax; RO2 — сумма трех­атомных газов (значения RO2max для основных видов первичных энергоресурсов приведены в Прило­жении 6).

Тепловые потери от химической неполноты сгорания топлива q2 можно оценить по упрощенной формуле:

Qp • h

TOC o "1-3" h z q =^сг———- 100<% (2.4)

1 2 р

QhCz — низшая теплота сгорания 1 м3 сухих продуктов сгорания (подсчитывается по данным анализа), кДж/м3

QPr = [30,2C0 + 25,8H 2 + 85,5CH 4 ]-4,19 (2.5)

P — низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, отнесенная к объему сухих продуктов сгорания, кДж/м3. Ориентировочные значения P по основным видам первичных энергоресурсов приве­дены в Приложении 6. КПД брутто можно определить иначе:

П = D •(h5 h+ Qпр. 100% (2.6)

Ка В • Q р

Где D — паропроизводительность котельного агрегата, кг/ч; Ип, Ипв- энтальпия пара, питательной воды, кДж/кг; Опр — используемая тепловая энергия продувочной воды, кДж/ч; В, Орн — расход, теплотворная способность топлива, кг/ч, кДж/кг

КПД нетто учитывает расход тепловой энергии на собственные нужды.

(D-D )• (h — h ) + Q

Nm =V——- ^————— vnp 100% (2.7)

Ка В • Q H

Где йсн — расход пара на собственные нужды, кг/ч.

Для определения количества энергии, полезно используемой при утилизации тепла продувоч­ной воды, используют выражение:

Qnp =V Gпр • (hкв — hпв ) (2.8)

Коэффициент использования тепловой энергии продувочной воды:

Hou — Ьив )+(1 — РМ hcn ~ЬИВ )

Ч* (2.9)

H — h кв ив

Доля пара, выделяющегося в сепараторе

В= h кв — h св (2.10)

H сп — h св

Где Икв, Иив, Исв, Исп — энтальпия котловой, исходной воды, сепарированной воды и пара, кДж/кг.

Непрерывная или периодическая продувка в барабанных котлах применяется для по­лучения пара заданных параметров по концентрации солей, растворенных в котловой воде, при этом часть котловой воды заменяется подпиточной водой.

Суммарные потери топлива без использования тепловой энергии продувочной воды составля­ют:

, D-т-рп •(hкв — hUB ) АВ= 0р пр (2.11)

«н ‘/ка

Где т — годовое число часов работы котельной; рп — величина продувки в процентах от паропроизводи — тельности. Последнюю можно определить:

S П

P n = -100% (2.12)

S кв — S X

Где Бх — сухой остаток химически очищенной воды, мг/кг; Пк — суммарные потери пара и конденсата в долях паропроизводительности котельной; Бкв — расчетный сухой остаток котловой воды, мг/кг (прини­мается по нормам или по Приложению 7).

Если для использования тепла непрерывной продувки применяются сепаратор и теплообмен­ник (рис. 1), то экономия топлива (с учетом вскипания части продувки) определяется по формуле:

АВ» = D-т-Рп Р'(hcn — hив )+(1-в)-(hcв ~hcn )] (2 13)

0н ‘Пка

Насыщенный пар Рис. 1 Значительную экономию топлива можно получить при замещении пара, полученного от собст­венной котельной, паром, отпускаемым с ТЭЦ. Тогда необходимо учитывать КПД передающих сетей от централизованного источника:

-а

(

Л

1

У

(2.14)

АВ = 143хО

Пмк

Тс J

Пкт • П

Где Q — расход тепловой энергии в паре, ГДж; пмк, пкт, Птс — КПД местной котельной, котельной ТЭЦ, тепловых сетей; у -коэффициент расхода тепла на теплофикацию (у и 0,42^0,82).

Q,

ОТБ

У =

Q

ТЭЦ

(2.15)

Где Qow, QTm — расчетная тепловая нагрузка отборов теплофикационных турбин, ТЭЦ.

Примеры решения задач

Пример 2.1.

Условие

Определите годовые суммарные потери условного топлива без использования тепловой энер­гии продувочной воды в котельной. Паропроизводительность котельной DK = 48т/ч, давление насы­щенного пара Pn = 1,3 МПа, температура исходной воды, поступающей в котельную tue = 10°C, годовое

Число часов использования паропроизводительности котельной т = 6500 ч, пПР = 0,73. Сухой остаток

Химически очищенной воды Sx = 515 мг/кг, суммарные потери пара и конденсата в долях паропроизво­дительности котельной Пк = 0,41. В качестве сепарационного устройства используются внутрибара — банные циклоны.

Решение

Исходя из условия задачи по Приложению 7 определяем расчетный сухой остаток котловой воды SKe = 4 000 мг/кг, затем по 2.12 определяем величину продувки pn:

515 • 0,41

Рп =—————— 100% = 6,059

4000 — 515

По таблицам свойств водяного насыщенного пара находим значение энтальпии при Pn = 1,3 МПа: hn = 814,7 кДж/кг.

Годовые потери условного топлива без использования тепловой энергии продувочной воды, согласно 2.11 составляют:

, 48 • 6500 • 6,059 • (814,7 —10 • 4,19) ДВ = ————————- —^—- —- = 682,3 т у. т./год

100 • 29,33 • 103 • 0,73

Пример 2.2.

Условие

Оцените среднегодовую экономию топлива в действующей промышленной котельной, тепло — производительность которой Q=240 ГДж/ч, за счет снижения температуры уходящих газов t^ с 190°C до 140°C. Топливо — мазут (Орн=39,8 МДж/кг), сжигание топлива производится при q3 = 0, температура воздуха, подаваемого в котельный агрегат ^=20°С, максимальная температура дымовых газов tmax = 2060°С. с’ = 0,83, k = 0,78, n = 0,9. Состав продуктов сгорания мазута: СО2 =10%, CO = 0,8%, CH4 = 0,05%, H2 = 0,06%. Годовое число часов использования паропроизводительности котельной т = 4200 ч.

Решение.

Согласно Приложению 7

Вид топлива	Р, кДж/м3	RO2max
Мазут	4061,4	16,5

16,5 Тогда h = = 1,58 9,6 + 0,8 + 0,05

Величина потерь q1 определяется по формуле 2.2 и составляет при температуре уходящих га­зов t^’ = 190°C:

‘ 190 — 20

Q =—————- [0,83 + (1,58 — 1) 0 . 9 • 0 . 78] 100 = 10,23%

2060 L v ‘ J

То же при t^’ = 140°C:

" 140 — 20 r / ч

Q1 =—————- [0,83 + (1,58 — 1) 0 . 9 • 0 . 78] 100 = 7,22%

1 2060

Низшая теплота сгорания 1 м сухих продуктов сгорания определяется по 2.5 и равна: QpC2 = [30,2 • 0,8 + 25,8 • 0,06 + 85,5 • 0,05]’ 4,19 = 29,98 кДж/м3

Тепловые потери от химической неполноты сгорания топлива q2 оцениваются по формуле 2.4:

= 2998 058 = % 4061,4

Исходя из определения КПД брутто:

‘ 4

При V’ = 190°C Па = 100% — ^ q = 100 —10,23 —1,17 —1,5 = 87%

1

"4

При 1ух »= 140°C Па = 100% — ^ q = 100 — 7,22 —1,17 —1,5 = 90%

1

Согласно 2.6 определим годовую экономию топлива от изменения температуры уходящих га­зов, а следовательно и КПД брутто котельной:

1

D(hn — hne )•

ПбР

Чка J

AB = ■

Нр

QH Q

= 9596 т мазута В условном топливе годовая экономия энергии составит:

С Л

1

1

Q-т —

N6p V’ка

Пбр V ‘ка

ПбР Ка J

3 1 1 240-103•4200•

240• 103 • 4200•[————

_____________ V87 90J

39,8

Бр

П

‘іка

AB =

29,33

Пбр ка J

= 13025 т у. т.

Пример 2.3

Энергосбережение при редуцировании давления пара

Нижеприведенные расчеты парового эжектора позволяют для конкретных расходов пара и пе­репадов давления определить энергосберегающий эффект. Схема использования повышенного давления пара

Рис. 3.4.2 Расчет коэффициентов инжекции вторичного пара: Исходные данные для расчета:

Рабочий поток	Смешанный поток	Инжектируемый поток
Рр=0.8 МПа	Рс=0.3 МПа	Рн=0.05 МПа
Tp = ts+50 0C (220.41 0С)	—	TH = 100 0C

Коэффициенты, рекомендуемые на основе экспериментальных данных (Е. Я. Соколов, В. М. Бродянский «Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения»): ф2 = 0.95; ф2 = 0.975; ф3 = 0.9; ф4 = 0.925.

Коэффициент скорости рабочего потока:

Kj = (р1 • <р2 • = 0.834

Коэффициент скорости инжектируемого потока:

К2 = (2 • (3 • (4 = 0.812

Кр = 1.13;

Кр = 1.3; Rp = 463; Тр = tp+273 = 493.41 К; Ар = 0;

Тн = tH+273 = 373 К; Ан =0;

Относительные температуры рабочего и инжектируемого потоков:

■л; = 1

+1 г кн-1 >

Тр =1 —

Л[2] = 1

Тн = 1 —

V кн +[3] у

Температуры торможения при параметрах рабочего и инжектируемого потоков:

Т

Тт == 493.41 К;

Тр

Т

Ттн = = 373 К;

Тн

Критическая скорость рабочего и инжектируемого потока:

Акрн =

АкрР =

= 508.18 —

^ ■JRн ■ Ттн = 428.065 — 1 с

КН + 1

2 ■	К
Р
К	+1
Р
2 ■	Кн
	Н

1 ■Vv^

М с

Промежуточные коэффициенты:

4в= Окр^ = 0.842

Акрр

1

= 1.187

4ё

P

Прн = = 0.125

Рр

Лрн = 1.87 (Определяется по Прн по таблицам газодинамических функций при к=1.13)

Проверяем, нет ли области значений qc3 в которой работа компрессора невозможна

2

Пнкр =

Рр ■ qpс

(qc3<

Рс ґ

Кн-1

= 0.578

V кн +1 у

Пр& = Пнкр ■ Прн = 0.072

Qos = 0.38 (По таблицам газодинамических функций)

Рр^чр^ Р„

= 1.013 (Поскольку 0<qc3<1 то при любых значениях будет выполняться условие

Рр ■ чрс qc3<— .)

Рс

Далее проводим расчет для ряда значений: Приведенная массовая скорость смешанного потока в сечении 3:

К +1	Кн -1
Н	■ Лс3 ■
_ 2 _

Qc3 =

1 — ^L-! ■ Дс32 кн + 1

1 Кн-1

-• Яс32

Пс3 =

Относительное давление смешанного потока в сечении 3: -1

1 — Кн

Кн +1

Коэффициент инжекции при втором предельном режиме: рн 1 рн 1

Pc qc3 рр qps 1 Рн 1 [ё

Рс qc3

Ипр2 =

1- Лс3 Qc3 Пс3 Ипр2 0.5 0.721 0.875 0.294 0.6 0.821 0.824 0.154 0.7 0.9 0.768 0.078 0.8 0.956 0.707 0.036 0.9 0.989 0.644 0.014 1 1 0.578 0.00781 Приведенная массовая скорость инжектируемого потока в сечении 2: Ипр2 ■ 4ё

QH2 =

Рн_ 1 + ипр 2 ■ 4ё _ Р J_

Рс qc3 Рр qpH Относительное давление инжектируемого потока в сечении 2:

К

-1

Кн-1

■ Лсн2

Пн2 =

1 — Кн

Кн +1

Промежуточные коэффициенты:

Р Рр Рс

Н

Пс3 — Р Р„

К 3 = 1 + (ръ

К

Пнкр ■ Лс3 ■ qpн Пс3-Пс2

К 3 = 1 + (ръ

Рн кн ■ Пнкр ■ Лс3 ■ qн2

Коэффициент инжекции парового эжектора:

Qн2	Лн2[4]	Пн2	Пс2	К 3	K 4	И
0.785	0.56	0.845	0.282	2.168	7.243	0.178
0.656	0.44	0.902	0.301	1.882	6.493	0.144
0.493	0.32	0.947	0.316	1.67	6.414	0.11
0.309	0.19	0.981	0.327	1.504	7.35	0.074
0.152	0.09	0.996	0.332	1.372	10.424	0.041
0.088	0.05	0.999	0.333	1.264	12.505	0.028

И=

K1 ■ Лрн — К3 ■ Лс3 1 К4 ■ Лс3 — К2 ■ Лн2 4ё

Определение расходов инжектируемого пара, приходящегося на 1 кг рабочего пара: G р = 1 кг

^н = Gp и GH 0.178 0.144 0.11 0.074 0.041 0.028

Приведенный расчет (рис. 8.2.3) показывает, что за счет инжекции вторичного пара можно сни­зить расход рабочего пара при заданных исходных данных на 2.8 — 17.8%.

Ис. 3.4..3

Примечание: максимально допустимый коэффициент инжекции находится в точке пересечения графиков (0.14), что обеспечивает при заданных условиях экономию 14% рабочего пара.

Зависимость коэффициента инжекции от приведенной

Скорости

0,35 0,3 0,25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Приведенная скорость в сечении с-3

1,2

Предельный коэффициент инжекции •Коэффициент инжекции

Задачи

Задача 2.1. В тепловой схеме ТЭЦ для использования тепловой энергии непрерывной продувки установлен сепаратор и теплообменник. Оцените годовую экономию условного топлива от использо­вания тепловой энергии продувочной воды. Паропроизводительность йк = 50 т/ч, давление насыщен­ного пара Рп = 4 МПа, температура исходной воды, поступающей в котельную = 15°C, годовое чис­ло часов использования работы ТЭЦ т = 5000 ч, сухой остаток химически очищенной воды Эх = 400 мг/кг, суммарные потери пара и конденсата в долях паропроизводительности котельной Пк = 0,32.

Пбр

Котел имеет двухступенчатую схему испарения с выносным циклоном, 1ка = 0,81. Энтальпия сепари­рованного пара Исв = 2700 кДж/кг, температура сепарированной воды 1сп = 60°C.

Задача 2.2. Оцените экономию условного топлива при замещении пара, полученного от собствен­ной котельной, паром, отпускаемым с ТЭЦ. Замещаемая тепловая нагрузка 30 ГДж/ч, расчетная теп­ловая нагрузка отборов теплофикационных турбин 6 МВт, расчетная тепловая нагрузка ТЭЦ 67 ГДж/ч, КПД местной котельной 70%, котельной ТЭЦ 85%, тепловых сетей 95%.

Задача 2.3

Определить экономию тепловой энергии при выполнении возврата конденсата с отопления меха­носборочного корпуса, использующего 1700 кг/час насыщенного пара давлением Р1=1,5 ата. Продол­жительность отопительного периода 470 часов.

Задача 2.4

Определить экономию тепловой энергии при использовании тепла продувочной воды для сле­дующих условий:

Установлено три котла ДКВР-6,5-13 общей паропроизводительностью Дк=27т/час, пар насыщен­ный, сухой остаток химически очищенной воды Эх=525мг/кг, суммарные потери пара и конденсата в долях паропроизводительности котельной Пк=0,36, расчетный сухой остаток котловой воды, прини­маемой по табл. 22 Эк. в=3000 мг/кг.

Задача 2.5

Из дымовой трубы промышленной котельной выбрасываются дымовые газы с температурой 2000С. Предложите для повышения энергетической эффективности котельной энергосберегающую схему. Покажите возможности оценки потенциала энергосбережения.

Задача 2.6

Предложите энергосберегающую схему для повышения энергетической эффективности промыш­ленной котельной, имеющей закрытую систему сбора конденсата. Покажите возможности оценки по­тенциала энергосбережения.

Задача 2.7

Предложите энергосберегающую схему применения паровых эжекторов для утилизации теплоты конденсата на промышленных предприятиях. Покажите возможности оценки потенциала энергосбере­жения.

Задача 2.8

Определите экономию условного топлива при уменьшении температуры уходящих газов от 190°С до 130 °С для котла, работающего на природном газе при следующих условиях: теплопроизводитель- ность котельной 50 МВт, КПД котла брутто пкбр = 79%, q3 = 2,1%, объем дымовых газов Уух = 11,2 м3, удельная теплоемкость дымовых газов Сух = 1,34 кДж/кг*К.

Задача 2.9

Вычислите КПД котельного агрегата брутто при следующих исходных данных: теплопроизводи- тельность котельной 200 ГДж/ч, годовое число часов работы котельной 3500 ч, топливо-природный газ (Онр = 35,7 МДж/кг), годовой расход топлива 3000 т.

Задача 2.10

Оцените годовую экономию условного топлива при повышении КПД котельной, работающей на мазу­те. Нагрузка котла 0,3 кг/с, давление в барабане котла 1,2 МПа. КПД брутто котельного агрегата в результате энергосберегающих мероприятий увеличился от 0,77 до 0,89.