Лекции 7. Вторичные энергетические ресурсы. Лекция Вторичные энергетические ресурсы
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Определение выхода ВЭР и экономия топлива за счет их использования Под выходом ВЭР понимают количество вторичных энергоресурсов, которые образуются в агрегате – источнике ВЭР. Удельный выход ВЭР рассчитывается или в единицу времени (ч) работы агрегата или на единицу продукции. Удельный выход для горючих ВЭР определяется формулой , р н вых г уд Q G q (Дж/ч) (5) Для тепловых ВЭР ), ( 0 1 вых т уд t t С G q (кДж/ч) (6) Для ВЭР избыточного давления , вых P уд l G q (кДж/ч) (7) Здесь – Gвых часовое количество энергоносителя в виде твердых, жидких или газообразных продуктов (кг/ч) или (м3/ч); С – теплоемкость энергоносителя (кДж/кг град. или кДж/м3 гр); l – работа изоэнтропного расширения (кДж/кг); t1, и t0 – температура энергоносителя на входе в теплообменник – утилизатор и температура окружающей среды. Общий объем выхода ВЭР , т вых М q Q (ГДж) (8) где М – выход энергоносителя за рассматриваемый период (месяц, год), (ГДж); τ– число часов работы установки – источника ВЭР; q T – удельный выход ВЭР, (кДж/кг). Обычно определяют годовой выход ВЭР. Однако только часть энергии из общего выхода может быть полезно использована. Для оценки реального потенциала ВЭР, возможного к использованию, рассчитывается возможная выработка энергии за счет ВЭР. Различают возможную, планируемую экономически целесообразную и фактическую выработку ВЭР. Возможная выработка ВЭР – это максимальное количество теплоты, электроэнергии или механической работы, которое можно получить практически за счет данного вида ВЭР, с учетом режимов работы агрегата – источника ВЭР и утилизационной установки. Фактическая выработка – действительно полученная энергия за отчетный период. Коэффициент выработки или использования за счет ВЭР отношение фактической ВЭР к возможной выработке воз ф Q Q (9) Использование ВЭР ставит конечной задачей достижение экономии первичного топлива и сокращение затрат на приобретение топлива. При использовании тепловых ВЭР экономия топлива определяется ф зам воз зам 0342 , 0 0342 , 0 Q Q В (т у.т) (10) где 0,0342 – коэффициент эквивалентного перевода 1 ГДж в т.у.т.; Qф – фактическое использование тепловых ВЭР (ГДж/год); ηзам– КПД замещаемой энергетической установки, с показателями которой сравнивается эффективность утилизационной установки работы теплоэнергетического агрегата – источника ВЭР. Как правило, в качестве замещаемой установки рассматривается промышленная котельная или ТЭЦ. Коэффициент использования выработки σзависит от несовпадения режимов работы утилизационной установки и теплоэнергетического агрегата – источников ВЭР, которые определяются потребителем теплоты. При использовании тепловых ВЭР предприятиями, которые снабжаются теплом централизовано от ТЭЦ экономия топлива за счет ВЭР определяется с учетом увеличения расхода топлива на ТЭЦ 6 т к зам ТЭЦ ф 10 0342 , 0 в в э Q В (11) где η ТЭЦ – КПД котельной ТЭЦ, эуд– удельная выработка электроэнергии на ТЭЦ (кВт·ч/ГДж); в К – удельный расход топлива на выработку электроэнергии по теплофикационному циклу, грамм условного топлива на 1 кВт/ч; вт– удельный расход топлива на выработку электроэнергии на замещаемой ТЭЦ, грамм условного топлива на 1 кВт/ч. При использовании горючих ВЭР экономия топлива определяется по формуле 2 1 Г ф 0342 , 0 Q В (т у.т.) (12) где Г ф Q фактические горючие ВЭР(ГДж/год); η 1 /η 2 - КПД топливоиспользующего агрегата при работе на горючих ВЭР и КПД того же агрегата при работе на первичном топливе. Отношение η 1 /η 2 – зависит от физических свойств горючих ВЭР. Для высококалорийных горючих ВЭР это отношение равно единице. Экономическая эффективность использования вторичных энергетических ресурсов Направление использования ВЭР зависит от величины, структуры и режима энергопотребления предприятия, а также от вида, параметров и количества образующихся ВЭР. В каждом конкретном случае направление использования ВЭР производится на основе разработки оптимального топливно-энергетического баланса предприятия с учетом достижения максимальной экономической эффективности при минимальных капитальных затратах на утилизацию ВЭР. Необходимые данные для расчета выхода ВЭР, образуемых при работе теплоэнергетических агрегатов, получают на основе технических паспортов оборудования или по результатам балансовых и наладочных испытаний установок – источников ВЭР. Выход ВЭР от установок зависит также от ряда факторов технологического характера, поэтому график выхода ВЭР очень часто может иметь значительную неравномерность. В расчетах обычно используют возможную выработку ВЭР в утилизационной установке для установившегося технологического режима. Возможная выработка ВЭР в утилизационной установке определяется по формуле , ) ( д ут 2 1 ВЭР вых. ВЭР t t с G Q (кДж) (13) где Q BЭР – количество теплоты, полученной в утилизационной установке (кДж); ВЭР вых. G -выход ВЭР (кг/ч); с – теплоемкость теплоносителя на выходе из теплотехнологического агрегата – источника ВЭР (кДж/кг·град); t 1 – температура на входе и выходе t 2 из утилизационной установки; b – коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы утилизационной установки и технологического оборудования - источника ВЭР (b = 0,8–0,95); ут - К.П.Д. утилизационной установки ( ут = 0,75–0,96); д – действительное время использования ВЭР (ч). При разработке мероприятий по повышению эффективности использования топливно- энергетических ресурсов (ТЭР) или выборе вариантов использования ВЭР необходимо определять приведенные затраты. Приведенные годовые затраты определяются по уравнению экс н С КЕ з (14) где з – годовые приведенные затраты (у.е.); Ен – нормативный коэффициент сравнительной эффективности капиталовложений (Ен= 0,15); К – капиталовложения (у.е.); Сэкс – годовые эксплуатационные расходы (у.е.). Экономическая эффективность использования ВЭР или мероприятий связанных с модернизацией оборудования определяется минимумом приведенных годовых затрат при выборе того или иного варианта при условии их сопоставимости. За наиболее экономически выгодный принимают вариант, соответствующий минимуму приведенных годовых затрат. В соответствии с этим при расчете экономической эффективности использования ВЭР учитывается экономия текущих издержек на топливо. При этом сравнивают два варианта энергоснабжения (теплоснабжения): 1. Обеспечение потребителя энергией с учетом использования ВЭР; 2. Обеспечение потребителя энергией в тех же объемах без использования ВЭР. Варианты должны сравниваться в одинаковых условиях по объему и режиму подачи энергии потребителю, при одинаковых по техническому совершенству тепловых схем и оборудования, по надежности энергоснабжения. Если выход ВЭР позволяет обеспечить производство энергии в количестве, превышающем потребности данного предприятия, то в расчете экономической эффективности следует исходить из необходимости использования ВЭР в полном объеме за счет энергоснабжения другого близлежащего промышленного предприятия. В приведенных затратах по варианту с использованием ВЭР учитываются затраты на сооружение и эксплуатацию утилизационной установки. Экономический эффект от использования ВЭР рассчитывается как разность приведенных годовых затрат по сравниваемым вариантам: ут б.ут н ут экс б.ут экс К К Е С С Э , (у.е./год) (15) Использование ВЭР экономически оправдано в том случае, если величина экономии Э имеет положительный знак. Индексы “б.ут.” и ”ут.” обозначают варианты энергоснабжения без утилизации и с утилизацией ВЭР. Формулу можно записать в следующем виде: ут б.ут н топ эк К К Е С С В Э , (у.е./год) (16) где Вэк– экономия условного топлива при использовании ВЭР (т.у.т./год); Стоп– замыкающие затраты на единицу сэкономленного топлива (у.е./ т.у.т.); С – разность эксплуатационных затрат в сравниваемых вариантах без учета затрат на топливо. Величина С учитывает изменение затрат на воду, электроэнергию, текущий ремонт и т.п. Замыкающие затраты на топливо (природный газ, мазут) можно принимать до 100 у.е. Расчет экономической эффективности капиталовложений в энергосберегающие мероприятия оцениваются сроком окупаемости капитальных затрат по зависимости экс С Э К Т , (лет) (17) где К – требуемый объем капиталовложений в мероприятия по использованию ВЭР (у.е.); Э – годовая экономия, достигаемая в результате мероприятий по использованию ВЭР или модернизации оборудования. Возможная экономия условного топлива от утилизации ВЭР определяется p н.усл ВЭР ВЭР усл Q Q В (кг/год) (18) г д е Qн.усл. = 29300 (кДж/кг) - теплота сгорания условного топлива. Экономический эффект за счет энергосберегающих мероприятий при утилизации ВЭР определяется усл.т ВЭР усл Ц В Э (у.е.) (19) где Цусл.т. – цена 1 тонны условного топлива. При расчете расхода условного топлива на выработку тепла в замещаемой установке (промышленная котельная, ТЭЦ), расход условного топлива определяется к с ВЭР ВЭР усл 29300 Q В , (кг/год) (20) где с – К.П.Д. тепловых сетей (hс =0,8–0,96); к – К.П.Д. котельной ( к = 0,75–0,9). Возможная выработка электроэнергии в утилизационном турбогенераторе за счет использования ВЭР в виде избыточного давления пара определяется формулой г м о д ад ВЭР п i l D W (кВт-ч/год) (21) где ВЭР п D - секундный расход пара на турбину (кг/с); l ад. – работа адиабатного расширения пара в турбине (кДж/кг); д – действительный фонд времени работы агрегата- источника ВЭР, (ч); i о – внутренний относительный К.П.Д. турбины; м – механический К.П.Д. турбины; г – К.П.Д. электрогенератора. При выработке электроэнергии на КЭС или ТЭЦ удельный расход условного топлива вусл.=0,36–0,38 кг/кВт-ч. Одной из важнейших задач совершенствования теплотехнических процессов является, возможно, более полное выявление резервов ВЭР, и экономически, а также экологически обоснованное их полное использование для целей производства. Экономия ТЭР при использовании резервов ВЭР может составлять 25–30% от первичных энергоресурсов. В случае использования водяного пара от утилизационной установки выработка электроэнергии 3600 ) ( э м 2 1 ВЭР п i i D W , (кВт-ч/год) (22) где ВЭР п D расход пара на выработку электроэнергии. тыс.т. в год; 1 i и 2 i энтальпия пара на входе и выходе из паровой турбины (кДж/кг), определяется по i-ζдиаграмме водяного пара. При силовом направлении использования ВЭР экономия топлива определяется Вэк = вэл·W, (т.у.т./год), (23) где вэл – удельный расход топлива на выработку электроэнергии в энергетической системе или на замещаемой установке, с показателями которой сравнивается эффективность использования ВЭР, грамм условного топлива на 1 кВт·ч. Экономический эффект от использования ВЭР может определяться разницей в годовых приведенных затратах за счет сэкономленной при утилизации энергии н ут КЕ Э Э , (у.е.), (24) где ΔЭ – стоимость энергии, сэкономленной в процессе утилизации ВЭР; Стоимость сэкономленной энергии находится из выражения уд д ВЭР 3600 э Q Э , (у.е.), (25) Здесь: ВЭР Q – энергия, полученная за счет утилизации ВЭР (кВт); эyд– удельная стоимость энергии, полученной в утилизационном аппарате. Стоимость единицы энергии за счет утилизации ВЭР определяется по стоимости сэкономленного условного топлива выб Р н.усл ВЭР усл i Q Q В , (кг/с) (26) где iвыб. – энтальпия выбрасываемого в атмосферу теплоносителя за утилизатором ВЭР, (кДж/кг). Годовая стоимость сэкономленного условного топлива Ц В Э д усл усл топ 3600 (у.е.) (27) где Ц – цена 1 тонны условного топлива. Удельная стоимость энергии, полученной за счет утилизации ВЭР год ВЭР усл топ уд Q Э э , (у.е/кДж) (28) Здесь: год ВЭР Q определяется в (кДж) за расчетный период работы утилизационного оборудования д год ВЭР 3600 Q Q , (кДж/год) (29) Использование ВЭР является экономически целесообразным при положительном значении разности (Эут.> 0) в формуле (24) и сроке окупаемости капиталовложений Т 3–4 года. Пример расчета экономической эффективности от использования ВЭР. Исходные данные для экономического расчета: 1. теплота, полученная в утилизационной установке ВЭР Q = 500 кВт; 2. действительный фонд времени работы утилизационного оборудования τд- 6000ч; 3. цена 1 тонны условного топлива Ц = 95 у.е., 4. капиталовложения в утилизационное оборудование К = 40000 у.е.; 5. эксплуатационные расходы Сэкс= 5000 у.е. Решение: Экономия условного топлива за счет утилизации ВЭР 017 , 0 29300 500 Р н.усл ВЭР усл Q Q В ,(кг/с) Годовая стоимость сэкономленного топлива 34884 10 6000 017 , 0 3600 3600 3 д усл усл топ Ц В Э (у.е.) Удельная стоимость энергии, выработанной в утилизационной установке 5 8 год ВЭР усл топ уд 10 323 , 0 10 108 34880 Q Э э , (у.е./кДж) Стоимость сэкономленной энергии Э=3600 ΔQ BЭР ·τ д ·э yд =3600·6000·0,3238·10 -5 =34884, (у.е.) Экономический эффект от использования ВЭР Эут = ΔЭ - Ен·К = 34884-0,15∙40000 = 28884, (у.е.). Срок окупаемости капиталовложений в утилизацию ВЭР ) года ( 34 , 1 5000 34884 40000 экс С Э К Т Использование ВЭР является целесообразным так как величина (Эут>0) положительна и капиталовложения окупаются за достаточно короткий период. Утилизация ВЭР Теплообменные аппараты для утилизации вторичных энергоресурсов Наибольшее распространение при утилизации ВЭР получили рекуперативные теплообменники с поверхностью теплообмена, выполненной из труб. В таких теплообменниках возможны значительные перепады давления между теплоносителями без деформаций и разрушений поверхностей теплообмена. Рекуперативные кожухотрубные теплообменные аппараты могут работать с любой комбинацией теплоносителей: жидкость – жидкость, газ – жидкость, газ – газ. Общим для всех кожухотрубных теплообменников является наличие большого числа труб (трубного пучка), концы которых герметично укреплены в отверстиях досок, и наличие общего кожуха (корпуса), охватывающего трубный пучок. В промышленных кожухотрубных теплообменниках используются трубы с внутренним не менее 12 и не более 38 мм. Ограничения связаны с возможностью очистки внутренней поверхности труб, и снижением удельной поверхности теплообмена. Возможная длина трубного пучка может составлять 0,9 6 м, толщина стенок труб 0,5– 2,5 мм. В связи с тем, что температуры греющего и нагреваемого теплоносителей различны, различными являются температура корпуса и трубок в трубном пучке и по этой причине возникают различные температурные удлинения. Для снижения возникающих в трубных досках напряжений в теплообменниках применяют различные методы компенсации температурных деформаций: линзовые компенсаторы, сальниковые уплотнители, плавающие камеры, U-образные трубы и др. По технологическим причинам трубы в трубном пучке кожухотрубного теплообменника не могут быть расположены близко одна от другой, поэтому площадь проходного сечения межтрубного пространства в 2,5–3 раза больше, чем трубного. Соответственно в межтрубном пространстве более низкие скорости движения теплоносителя и интенсивность теплообмена. С целью повышения интенсивности теплообмена скорости теплоносителей увеличивают путем установки поперечных перегородок в межтрубном пространстве и организацией многоходового движения теплоносителя в полости труб. Теплоносители, способные загрязнять поверхности теплообмена, направляют в полости труб трубного пучка, так как в межтрубном пространстве механическая очистка невозможна. Секционные теплообменники состоят из последовательно соединенных секций, каждая из которых является кожухотрубным теплообменником с небольшим количеством труб в пучке и представляют собой многоходовой аппарат с наиболее выгодной схемой движения теплоносителей – противоточной. Секционные теплообменники эффективны, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями и без изменения агрегатного состояния теплоносителя. В связи с отсутствием перегородок характерно низкое гидравлическое сопротивление и меньшая степень загрязнения межтрубного пространства. Поверхности теплообмена одной секции составляет 0,75–30 м2, а число труб от 4 до 140. Основой теплообменников типа труба в трубе являются две сооснорасположенные трубы, в кольцевом зазоре которых движутся теплоносители. Как правило, теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных коленами («калачами») секций. Необходимые скорости движения теплоносителей обеспечиваются выбором соответствующих диаметров внутренней и наружной труб. Преимуществом таких теплообменников является простота изготовления, возможность работы при высоких перепадах давлений теплоносителей, высокие коэффициенты теплоотдачи. Недостатки – высокая металлоемкость, низкая компактность, сложность механической очистки кольцевого зазора между трубами. Погружные змеевиковые теплообменники состоят из плоских или витых змеевиков, погруженных в емкость с нагреваемой жидкостью. Такие теплообменники широко применяются в различных отраслях промышленности, в том числе в схемах утилизации ВЭР. Нагрев может осуществляться за счет конденсации пара в трубах, или горячей водой. Основное преимущество таких теплообменников простота конструкции, недостатки – низкая интенсивность теплообмена, для повышения которой прибегают к установке различных мешалок в емкости с нагреваемой жидкостью. Широкое применение получили теплообменники из оребренных труб для увеличения поверхности теплообмена со стороны малых значений коэффициента теплоотдачи. Такие теплообменники (калориферы) используются в сушильных установках для нагревания воздуха и при утилизации ВЭР от паровоздушной смеси. Важным условием работы таких теплообменником является рациональное расположение ребер, а также их плотный контакт с трубой. Конструкции ребер труб разнообразны и связаны с технологией их изготовления. Коэффициенты оребрения (F2/F1)= для калориферов, применяемых в системах нагрева воздуха 3–4, а для теплообменных аппаратов холодильной техники 8–12. Ребра, как правило, выполняются из материалов с большей теплопроводностью, чем материал основной трубы. Другой разновидностью рекуперативных аппаратов являются теплообменники рубашечного типа, спиральные и пластинчатые. Рубашечные теплообменники обычно используют для нагревания или охлаждения жидкости в емкости. Теплоноситель подается в зазор, образованный двумя листами, один из которых омывается нагреваемой или охлаждаемой жидкостью. Преимущество: не загромождается объем бака, облегчена очистка поверхности теплообмена, простота конструкции аппарата. Недостаток: малая площадь поверхности теплообмена, низкие значения коэффициента теплообмена. В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образуется пакетом пластин, каждая их которых по периметру снабжена уплотнителями. Теплоносители движутся в зазорах, образованных соседними пластинами. С целью интенсификации теплообмена и увеличения площади поверхности пластины выполняются гофрированными. Комбинация теплоносителей может быть разнообразной: жидкость-жидкость, газ-жидкость, газ-газ. Недостатком является недостаточная герметичность и ограниченный перепад давлений между теплоносителями. Наиболее эффективными утилизационными установками для использования ВЭР высокотемпературных дымовых газов с t > 600 °С являются котлы-утилизаторы, а также водяные экономайзеры для нагрева питательной воды котлов и воздухоподогреватели для нагрева дутьевого воздуха, использующие дымовые газы среднего потенциала с температурой 500– 600°С. Котлы-утилизаторы обеспечивают большую экономию топлива за счет генерирования энергетического или технологического пара, а также нагрева сетевой воды для теплоснабжения и горячего водоснабжения. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, широко используется нагревание острым паром, который вводится в нагреваемую жидкость через перфорированную трубу или сопловой смешивающий диффузор (барботаж). Преимуществом таких смесительных аппаратов является простота конструкции и высокая интенсивность теплообмена. Главным недостатком смесительных теплообменников является контакт теплоносителей. Может применяться комбинация газ-жидкость, когда газ барботируется через жидкость. Такая комбинация позволяет более эффективно утилизировать тепловые ВЭР, применяя схемы с промежуточным теплоносителем. При утилизации тепловых ВЭР с точки зрения увеличения коэффициента утилизации ВЭР и компактности теплообменников и их стоимости вариант нагрева воды предпочтительней, чем нагрев воздуха. При равных условиях при нагреве воды теплообменник будет примерно в 2–2,5 раза меньше по поверхности теплообмена. Некоторые типы кожухотрубных рекуперативных аппаратов изображены на рис. 1 и 2. Для проведения технологических процессов, связанных с подводом тепла, используются разнообразные теплотехнологические установки, в которых применяются один или несколько теплоносителей. |