Энергетический и эксергетический анализ эффективности работы котельного агрегата

В статье рассматриваются энергетический и эксергетический анализы эффективности работы котельного агрегата, работающего на местном топливе. Показаны потери котла.

Ключевые слова: котельный агрегат, термодинамический анализ, КПД брутто, эксергетический КПД.

Одним из известных и распространенных методов исследования различных технологических и энергетических процессов является термодинамический анализ. Это объясняется двумя причинами:

-          первое: важное место в рассматриваемых процессах занимают энергетические превращения, изучаемые на основании второго закона термодинамики;

-          второе: действие данных процессов происходит в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, параметры которой не зависят от действия системы.

Однако эти параметры оказывают важное влияние на характеристики системы. Таким образом, проводимый термодинамический анализ позволяет подробно и разносторонне исследовать энергетические превращения как в самой системе и ее частях, так и ее взаимодействии с окружающей средой [1].

Результаты анализа тепловых процессов всегда выражаются в виде баланса. Цель составления теплового баланса котла — это определение значений всех приходных и расходных статей баланса, расчет коэффициента полезного действия (КПД) отопительного котла, анализ расходных статей баланса для установления причин снижения эффективности отопительного котла. Подробный анализ таких мероприятий дает возможность разрабатывать мероприятия по повышению энергетической эффективности отопительного котла [2].

В котле при сжигании топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания [3]. Выделившаяся теплота топлива в отопительном котле расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие тепловых потерь.

Цель и задачи исследования

Цель — проведение теплового анализа на основе расчета энергетического и эксергетического коэффициентов полезного действия котельного агрегата КЕ-25–14С.

Задачи:

-          определение потерь котельного агрегата КЕ-25–14С;

-          определение КПД брутто котельного агрегата КЕ-25–14С

-          определение эксергетического КПД котельного агрегата КЕ-25–14С

Объект исследования

Объект исследования — котел марки КЕ-25–14С (двухбарабанный водотрубный на твердом топливе с решеткой ТЧЗМ, изготовлен Бийским котлостроительным заводом).

В таблице 1 представлены основные характеристики топлива (уголь марки Д разреза «Каражыра»)

Таблица 1

Характеристики угля разреза «Каражыра»

Тепловой расчет был проведен на основании нормативного метода [2].

Характеристики котлоагрегата КЕ-25–14С представлены в таблице 2.

Данные для котельного агрегата КЕ-25–14С, полученные в результате испытаний представлены в таблице 3.

Таблица 2

Характеристики котлоагрегата КЕ-25–14С

Таблица 3

Данные для котлоагрегата КЕ-25–14С, полученные в результате испытаний

Потери тепла от механического недожога q₄, %, определили по формуле:

                                                        (1)

Потери тепла с уходящими газами q₂, %, определили по формуле:

                       (2)

Потери тепла от химического недожога , %, определили по формуле:

3,25∙С∙∙(1+0,006∙Wп)(1-q₄/100)                                                                   (3)

Потери тепла в окружающую среду, %, определили по формуле:

_,                                                                                                (4)

где %.

Потери тепла с физическим теплом шлака, %, определили по формуле:

                                                                                          (5)

Полученные результаты по потерям теплоты представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Потери теплоты

Самые большие потери теплоты составили потери теплоты от механического недожога 17,37 %, затем следуют потери с теплом уходящих газов 9,86 %.

По методу обратного баланса был подсчитан КПД брутто котельного агрегата , %:

                                                                        (6)

Полученное значение КПД брутто составило 69,99 %.

Для проведения эксергетического анализа определили эксергетический КПД. Тогда принимаем, что эксергия топлива , ккал/кг, с достаточной точностью для приближенных практических расчетов может быть принята равной теплоте сгорания топлива :

,                                                                                                                       (7)

т. е.  ккал/кг.

Теплосодержание поступающего в топку воздуха  ккал/м³:

                                                                                                                  (8)

где  — температура окружающего воздуха, (при расчете типовых конструкций принимается равной 30 °С) [2];

 — теплоемкость воздуха, при температуре воздуха в пределах от 0 до 200 °С принимается равной 0,32 ккал/(м³∙град) [2].

Полученное значение теплосодержания поступающего воздуха составило 92,27 ккал/кг.

Физическое тепло топлива, ккал/кг, определили по формуле:

.                                                                                        (9)

Было получено, что ккал/кг.

Для определения температуры горения была построена диаграмма Каражиринского угля [5], по этой диаграмме по значению ккал/кг определили значение температуры горения топлива

Эксергетический КПД котельного агрегата, %, определили по формуле:

                                                                                   (11)

В результате получили, что значение эксергетического КПД равно 55,59 %.

Результаты

Определены потери теплоты с уходящими газами, они составили 9,86 %;

Определена зависимость потерь тепла с механическим недожогом q₄ в зависимости от производительности котельного агрегата: потери тепла с механическим недожогом q₄ с ростом производительности увеличиваются. Потери тепла с механическим недожогом составили 17,37 %;

Получена расчетная зависимость для определения к. п.д. котельного агрегата от производительности. К.п.д. брутто данного котельного агрегата составил 69,99 %. Эксергетический к. п.д. данного котельного агрегата составил 55,59 %;

Литература:

1.         Я. Шаргут, Р. Петела Эксергия— М.: Энергия, 1968. — 269 с.

2.         Кузнецов Н. В. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод Т 34). — М.: Энергия, 1973. — 295 с.

3.         Гусев Ю. Л. Основы проектирования котельных установок. — 2 изд. — М.: Стройиздат, 1973. — 248 с.

4.         Ривкин С. Л., Александров А. А. — Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. — 2-е изд., перераб., и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984, 80 с

5.         Кибарин А. А. Режимы работы и эксплуатация котельных установок: учебное пособие / А. А. Кибарин.- Алматы: АИЭС, 2008.- 85 с.