Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТОПЛИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРИРОДООХРАННЫХ ЗАТРАТ ПРИ СЖИГАНИИ ВОДОТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ

Ростунцова И.А. 1 Шевченко Н.Ю. 2 Лебедева Ю.В. 2
1 ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет им. Ю.А.Гагарина
2 ФГБОУ ВПО Камышинский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государ-ственный технический университет»
Представлена методика определения топливной составляющей затрат при проектировании природо-охранного мероприятия. В основу разрабатываемой методики положена зависимость увеличения расхо-да топлива при вводе влаги в топку энергетического котла от водотопливного отношения. Получены зависимости увеличения тепловых потерь на испарение дополнительно вводимой влаги и расхода топ-лива на котельную установку от количества вводимой влаги. Величина относительного расхождения между данными рассчитанными по предложенной методике и нормативному методу при водотопливном отношении 0,2 составила менее 2 %. Для котла БКЗ-320-140 проведено аналитическое исследование эко-номичности работы при сжигании топлива с вводом влаги. Получены следующие результаты: при уве-личении водотопливного отношения на 1 условный процент тепловые потери возрастают, а коэффици-ент полезного действия котла уменьшается на 0,097–0,112 %.
КПД котельной установки
тепловые потери
водотопливное отношение
концентрация оксидов азота
теплопроизводительность котла
1. Подавление оксидов азота на ТЭС впрыском воды в воздуховоды котлов // А. И. Шупарский, Н. В. Голубь, В. И. Ерофеева, И. А. Ростунцева; Саратовский политехн. ин-т. – Саратов.1989. 7 ст.-Деп.в Информэнерго 04.08.89. – №3094. – эн89.
2. Попов А. И., Шупарский А. И., Голубь Н. В. Аналитическая зависимость увеличения рас-хода топлива котлоагрегатом при сжигании водомазутной эмульсии от ее влажности // Изв. вузов Энергетика. – 1995. – № 10. – С. 65-68.
3. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) /под ред. Н. В. Кузнецова и др. – М., 1973. – 176 с.
4. Трембовля В. И., Фингер Е. Д., Авдеева А. А. Теплотехнические испытания котельных установок. – М., 1991. – 416 с.
5. Шупарский А. И., Голубь Н. В., Ерофеева В. И., Ростунцева И. А. Снижение выбросов оксидов азота при вводе воды в воздуховоды котлов // Изв. вузов. Энергетика. – 1991. – № 8. – С. 104-107.
6. Шупарский А. И. Оптимизация природоохранных мероприятий в теплоэнергетике. – Саратов, 1992. – 125 с.

По суммарным выбросам вредных веществ в атмосферу теплоэнергетика занимает первое место среди отраслей промышленности. В настоящее время наиболее востребованными являются малозатратные и быстро реализуемые воздухоохранные мероприятия на тепловых электрических станциях (ТЭС): рециркуляция дымовых газов через горелки в смеси с воздухом; двухступенчатое и трехступенчатое сжигание топлива; применение специальных горелок; впрыск воды; двухсветные экраны; специальные методы сжигания; снижение температуры горячего воздуха. Все эти методы достаточно хорошо известны и практически все опробованы. Задача заключается в том, чтобы реализовать их на котлах с минимальными затратами средств, с минимальным снижением экономичности, не ухудшая показателей надежности как на основном, так и на резервном топливах.

Сжигание водотопливных смесей на ТЭС используется как оперативное мероприятие по снижению вредных выбросов в период наступления неблагоприятных метеорологических условий. Одной из модификаций данного мероприятия является ввод влаги в топку котла. Но при этом возникают дополнительные затраты, обусловленные увеличением расхода топлива котлом за счет роста тепловых потерь из-за увеличения температуры и объема уходящих газов, а также увеличения расхода теплоты на испарение дополнительно вводимой в топку котла влаги.

Сотрудниками Саратовского государственного технического университета (СГТУ) проведены опытные исследования влияния подачи воды в горячий воздух на концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания природного газа и мазута на котлах Саратовской ГРЭС и Энгельсской ТЭЦ-3 [1]. При этом экспериментально получено снижение концентраций оксида азота при вводе влаги в топку котлов [5].

Исследования увеличения расхода топлива котлом от влажности были проведены в работах [6] и [2] при сжигании водомазутной эмульсии. В настоящей работе изложена методика расчета увеличения расхода топлива конкретно для случая ввода влаги в топку котла при сжигании газомазутного топлива.

Для расчета оптимального ввода влаги в топку котла необходимо определить тепловые потери и увеличение расхода топлива котлом в зависимости от водотопливного отношения.

Водотопливное отношение определяется по выражению:

(1)

где – количество воды, подаваемой на впрыск в топку котла; – расход натурального топлива, обеспечивающий заданную теплопроизводительность котла м3/с (кг/с).

Расход топлива определяется по известной зависимости [3]:

(2)

где – полезная теплопроизводительность котла, кВт; – располагаемая теплота топлива, кДж/м3 (кДж/кг); – коэффициент полезного действия котла (к.п.д.).

Если к.п.д. котла при сжигании топлива с вводом влаги привести к единице исходного топлива, то расход последнего определится выражением:

(3)

где – к.п.д. котла при сжигании топлива с вводом влаги.

При вводе влаги в топку котла его коэффициент полезного действия будет снижаться на величину дополнительных потерь , приведенных к располагаемой теплоте исходного топлива, что можно записать в виде:

(4)

Подставив (4) в (3) , получим:

(5)

Увеличение расхода топлива при вводе влаги в топку котла с учетом (2) и (5) составит:

. (6)

Таким образом, для расчета дополнительного расхода топлива, вызванного вводом влаги, необходимо определить увеличение тепловых потерь.

Сумму тепловых потерь аналогично [3] можно представить в виде:

(7)

где – потеря теплоты на испарение дополнительно вводимой в топку влаги, определяется как отношение потери теплоты, идущей на испарение добавочной влаги [4] равной: к располагаемой теплоте натурального топлива, ; – энтальпия воды при впрыске в топку; – потеря теплоты, обусловленная превышением температуры уходящих газов над температурой кипения: – средняя изобарная теплоемкость водяных паров, кДж/кг; – температура уходящих газов для случая ввода влаги в топку котла,0С; – потеря теплоты с уходящими газами, вызванная увеличением их температуры и объема, ; – потеря теплоты с уходящими газами при сжигании топлива с вводом влаги, приведенная к располагаемой теплоте исходного топлива, кДж/м3 (кДж/кг); – потеря теплоты с уходящими газами при сжигании исходного топлива, кДж/м3 (кДж/кг); – увеличение потерь теплоты с уходящими газами при вводе дополнительной влаги в топку котла, кДж/м3 (кДж/кг).

Примем коэффициент избытка воздуха в уходящих газах постоянным при сжигании исходного топлива и при сжигании топлива с вводом влаги. При этом потери теплоты с механической неполнотой сгорания будут равны нулю. Тогда величину можно описать следующей зависимостью:

(8)

где , , – суммарные объемы соответственно трехатомных газов, азота, водяных паров, м3/ м3(м3/кг); – теоретический объем воздуха, необходимого для сгорания, м3/ м3 (м3/кг); – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; – разности энтальпий соответственно углекислого газа, азота, водяных паров и воздуха при температурах уходящих газов при сжигании топлива с вводом влаги и при сжигании исходного топлива кДж/м3; – энтальпия водяных паров в уходящих газах при сжигании топлива с вводом влаги, кДж/м3.

Последняя составляющая в формуле (8) учитывает увеличение тепловых потерь за счет водяных паров, образующихся при испарении добавочной влаги при впрыске воды в топку котла.

Разность энтальпий, составляющих формулу (8), в общем случае можно представить в виде:

= = , (9)

где – средняя теплоемкость уходящих газов при сжигании топлива с вводом влаги и при сжигании исходного топлива, кДж/м3·K; ; – постоянные коэффициенты, зависящие от химического состава уходящих газов; – температуры уходящих газов при сжигании топлива соответственно с вводом влаги и при сжигании исходного топлива, оС; ; – увеличение температуры уходящих газов при вводе дополнительной влаги в топку котла, оС.

Величину на основании экспериментальных данных можно определить зависимостью

(10)

где – коэффициент, показывающий, на сколько градусов повышается температура уходящих газов при увеличении водотопливного отношения, град/(кгводы/м3газа) или град/(кгводы/м3мазута).

Используя (10), представим формулу по определению потерь теплоты с уходящими газами (8) в виде:

, (11)

где – комплекс, учитывающий увеличение объемом уходящих газов и воздуха при вводе влаги; – параметр, учитывающий увеличение энтальпии уходящих газов.

Подставив (11) в (8), имеем следующую зависимость

. (12)

Для определения увеличения тепловых потерь при сжигании топлива с вводом влаги:

. (13)

Если в формулу (13) подставить значение =1,97 кДж/кг·К и сделать небольшое преобразование, то она примет вид:

(14)

Анализируя зависимость (14), можно сделать вывод, что дополнительные тепловые потери при сжигании топлива с вводом влаги в основном определяются водотопливным отношением gвпр, энтальпией, подаваемой на впрыск воды , и значением коэффициента kt.

Из уравнения (13) и (14) видно, что входящие в комплекс А величины на два порядка меньше членов и на три порядка меньше аi .Величина также на два порядка меньше значения tух. Если пренебречь членами и , то уравнение для расчета тепловых потерь примет вид:

(15)

где: – преобразованные комплекс и параметр

Введем обозначение:

(16)

С учетом (15), получим

(17)

Используя (6) и (17), выразим увеличение расхода топлива в зависимости от водотопливного отношения

(18)

Полный расход топлива котлом при сжигании с вводом влаг определится:

(19)

Результаты расчетов по формулам (1) – (19) расхода топлива котлом при вводе влаги сравнивались с величиной, определенной по нормативному методу [6]. Получено совпадение расчетных данных. Величина относительного расхождения между ними при водотопливном отношении, не превышающем 0,2 кгводы/м 3(кгводы/кгмазута), составила менее 2 %.

Алгоритм расчета по формулам (1) и (19) включен в программный комплекс для определения оптимального водотопливного отношения с использованием персонального компьютера.

Для котла БКЗ-320-140 проведено аналитическое исследование экономичности работы при сжигании топлива с вводом влаги. Получены следующие результаты: при увеличении водотопливного отношения на 1 условный процент тепловые потери возрастают, а коэффициент полезного действия котла уменьшается на 0,097 – 0,112 %.

Выводы

1. Предложена методика расчета топливной составляющей затрат при оценки эффективности ввода влаги в топочную камеру котельной установки как оперативного мероприятия по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

2. Получена зависимость увеличения расхода топлива при вводе влаги в топку котла. Величина относительного расхождения между данными, рассчитанными по данной методике и нормативному методу [6], при водотопливном отношении 0,2 составила менее 2 %.

3. При увеличении водотопливного отношения на 1 условный процент тепловые потери возрастают, а к.п.д. котла уменьшается на 0,097–0,112 %, что является незначительным на фоне общестанционного эколого-экономического эффекта при внедрении рассматриваемого мероприятия.

Рецензенты:

Глухарев В.А,, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Энергообеспечение предприятий АПК», Саратовский государственный аграрный университет им. Вавилова, г.Саратов.

Эфендиев А.М., д.т.н., профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий АПК», Саратовский государственный аграрный университет им. Вавилова, г. Саратов.


Библиографическая ссылка

Ростунцова И.А., Шевченко Н.Ю., Лебедева Ю.В. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТОПЛИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРИРОДООХРАННЫХ ЗАТРАТ ПРИ СЖИГАНИИ ВОДОТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10047 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252