5.7. Эксергетический баланс и эксергетический кпд котельной установки

Тепловой расчет котельной установки целесообразно завершать составлением ее эксергетического баланса. Это связано с тем, что коэффициент полезного действия (или коэффициент использования топлива) котельного агрегата, определенный из уравнения теплового баланса, учитывает только количество теплоты, а не ее качество. Необходимо отметить, что понятие качества теплоты при проведении оценки энергетической эффективности, в частности теплогенерирующей установки, является весьма важным. Согласно второму закону термодинамики, поток теплоносителя, имеющего параметры, равные параметрам окружающей среды, обладая некоторым, а при больших расходах, значительным количеством теплоты, в принципе не может совершить полезную работу. Т.е. возможность осуществления того или иного промышленного процесса имеет место быть только в том случае, если рабочее тело, задействованное в этом процессе, не находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой.

Функция работоспособности рабочего тела получила название эксергии. Применительно к теплоэнергетике, эксергия – это максимальная часть энергии системы, которая принципиально может быть преобразована в полезную работу при переходе от текущего состояния до равновесия с окружающей средой. Часть энергии системы, которая не может быть преобразована в полезную работу, получила название анергии. Величину удельной эксергии вещества в потоке можно определить по формуле, кДж/кг

,

(5.123)

где i, s – соответственно, удельная энтальпия, кДж/кг, и удельная энтропия, кДж/(кг·К), вещества в потоке; i₀, s₀ – соответственно, удельная энтальпия, кДж/кг, и удельная энтропия, кДж/(кг·К), вещества при параметрах окружающей среды; T₀ – температура окружающей среды, К.

При составлении эксергетического баланса котельной установки выявляются потери, не учитывающиеся при составлении теплового баланса. Такими потерями являются: потери из-за необратимости горения топлива; потери из-за необратимости теплообмена; потери от смешения потоков при разных их температурах (например, присосы воздуха). В общем виде эксергетический баланс теплоэнергетической установки выражается уравнением

,

(5.124)

где E_затр – эксергия, затраченная на процесс выработки энергоносителя; E_пол – полезно использованная эксергия; – внутренние потери эксергии; – внешние потери эксергии.

К внутренним потерям эксергии относят потери от необратимости протекающих внутри установки процессов (горения топлива, теплообмена с конечной разностью температур, смешения высокотемпературных продуктов сгорания с низкотемпературными присосами воздуха). Внешние потери вызываются процессами, протекающими вне установки, т.е. к таким потерям относятся потери эксергии с отводимыми от установки потоками (уходящими газами, потоками теплоты в окружающую среду через ограждающие конструкции).

Показателем термодинамического совершенства процесса является эксергетический коэффициент полезного действия. Эксергетический КПД численно равен отношению эксергии, полезно усвоенной вырабатываемым в котле энергоносителем (перегретым или насыщенным паром, горячей водой), к эксергии, затраченной на процесс выработки, %

.

(5.125)

Эксергетический баланс котельной установки составляется в следующей последовательности.

1. В зависимости от вида топлива, сжигаемого в топке котла, удельная эксергия топлива определяется по формулам:

– для углей, кДж/кг

;

(5.126)

– для жидких топлив, кДж/кг

;

(5.127)

^{– для газообразных углеводородных топлив с более чем одним атомом углерода в молекуле, кДж/м}3

;

(5.128)

– для коксового и светильного газов, метана, кДж/м³

,

(5.129)

где , , , – соответственно, низшая и высшая теплота сгорания рабочей и сухой масс топлива, кДж/кг (кДж/м³).

Полный приход эксергии топлива, кВт

.

(5.130)

2. По формуле 5.123 определяется удельная эксергия воздуха, подаваемого на горение. Приведенные удельные энтальпии воздуха при температуре окружающей среды (μi₀) и температуре воздуха, подаваемого на горение, (μi) определяются по таблице прил. VII, а приведенные удельные энтропии воздуха, соответственно (μs⁰/R)₀ и μs⁰/R, определяются по таблице прил. VIII. Для воздуха параметр, зависящий от состава продуктов сгорания, равен β=1. Пересчет приведенных значений удельных энтальпии и энтропии в фактические для заданного газа производится по формулам, соответственно,

, кДж/кг	(5.131)
, кДж/(кг·К)	(5.132)

где μ – масса одного киломоля газа, кг/кмоль; R=8,3145 – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль·К).

Молярная масса воздуха составляет μ = 29 кг/кмоль.

Зная величину действительного количества воздуха, подаваемого на горение (V_д, м³_{воздуха}/кг_{топлива} или м³_{воздуха}/ м³_{топлива}) и расход топлива (B, кг/с или м³/с), можно определить полный приход эксергии с воздухом, подаваемым на горение, кВт

,

(5.133)

где ρ₀=1,293 кг/м³ – плотность воздуха при нормальных условиях.

Полный приход эксергии в топку котельной установки равен, кВт

.

(5.134)

3. По формуле 5.123 определяются значения удельной эксергии вырабатываемого в котельной установке энергоносителя на входе в котел и на выходе из него. При этом значения удельных энтальпии и энтропии питательной воды на входе в водяной экономайзер (при расчете парового котла), а также обратной сетевой воды на входе в котел и прямой сетевой воды на выходе из него (при расчете водогрейного котла) определяются по таблице прил. V, значения удельных энтальпии и энтропии насыщенного пара (если в паровом котле не предусмотрен перегрев пара) определяются по таблице прил. IV, значения удельных энтальпии и энтропии перегретого пара определяются по таблице прил. VI. Удельные энтальпия i₀ и энтропия s₀ определяются при температуре и давлении окружающей среды по таблице прил. V.

Зная значения удельной эксергии энергоносителя на входе в котел и на выходе из него, можно определить величину удельной эксергии, полезно усвоенной в котельной установке паром или горячей водой, кДж/кг

,

(5.135)

где e', e" – соответственно, удельные эксергии генерируемого в котельном агрегате энергоносителя на входе в агрегат и на выходе из него, кДж/кг.

4. По формуле 5.123 определяется удельная эксергия уходящих газов. Приведенные удельные энтальпии и энтропии при известном составе продуктов сгорания определяются по таблицам прил. VII и VIII при температуре уходящих газов и температуре окружающей среды. Параметр, зависящий от состава продуктов сгорания, выражается уравнением

,

(5.136)

где – объемные доли компонентов продуктов сгорания.

Пересчет приведенных значений удельных энтальпии и энтропии в фактические для продуктов сгорания известного состава производится по формулам 5.131, 5.132. При этом молярная масса продуктов сгорания определяется согласно принципу аддитивности, кг/кмоль

.

(5.137)

Полная эксергия уходящих газов, кВт

.

(5.138)

где – объем продуктов сгорания на выходе из котла (см. крайний правый столбец табл. 5.5) м³/кг (м³/м³); ρ_у.г – плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м³.

Плотность продуктов сгорания известного компонентного состава может быть определена по формуле, кг/м³

.

(5.139)

5. По формуле 5.123 вычисляется эксергия продуктов сгорания при определенной в ходе расчета теплообмена в топке котла адиабатической температуре горения. Определение полной эксергии продуктов сгорания в топке (E_пс) производится аналогично приведенной выше методике (см. формулы 5.136–5.139) для компонентного состава продуктов сгорания в топке. Потери эксергии от необратимости процесса горения можно определить по уравнению, кВт

.

(5.140)

При подогреве воздуха, подаваемого на горение топлива, повышается адиабатическая температура горения. При этом увеличение эксергии продуктов сгорания превышает увеличение эксергии горячего воздуха. Как видно из уравнения 5.140 потери эксергии от необратимости процесса горения в таком случае снижаются.

6. Определяются потери эксергии из-за необратимости теплообмена, кВт

,

(5.141)

где – потери эксергии от наружного охлаждения, кВт.

Потери эксергии от наружного охлаждения в котельной установке определяются как сумма потерь эксергии в каждом элементе котельной установки (топка, фестон, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель и т.д.) по формуле для эксергии тепла, кВт

,

(5.142)

где Q₅ – потери теплоты от наружного охлаждения в рассматриваемом элементе котла, кВт; – средняя температура продуктов сгорания в рассматриваемом элементе котла, ºC.

7. Определяется эксергетический КПД котельной установки. При этом формула 5.125 может быть преобразована к виду

,

(5.143)

где D – расход вырабатываемого в котельной установке энергоносителя, кг/с.

В знаменателе в качестве эксергии, затраченной на выработку энергоносителя, подставляется только значение эксергии топлива, так как подогрев дутьевого воздуха осуществляется в самом агрегате за счет эксергии продуктов сгорания топлива, т.е. эксергия воздуха не является подведенной к системе извне.

При проведении сопоставительного анализа эксергетического баланса котельной установки видно, что эксергетический КПД значительно (почти в два раза) меньше теплового КПД. Это объясняется существенными потерями, имеющими место при передаче тепла от топлива, обладающего химической энергией высокого потенциала, к низкопотенциальному пару. Кроме того, потери с уходящими газами, доля которых обычно (в частности, в газовых котлах) является доминирующей в графе тепловых потерь, в эксергетическом балансе котельного агрегата составляют значительно меньшую часть. Это обусловлено низким температурным потенциалом, а, следовательно, и невысокой ценностью уходящих газов. В то же время доминирующую долю в статье эксергетических потерь котла составляют потери от необратимости горения и от необратимости теплообмена, которые в тепловом балансе не учитываются.

Добиться некоторого снижения эксергетических потерь в котельном агрегате можно, например, при подогреве воздуха, подаваемого на горение или при повышении параметров вырабатываемого в котле энергоносителя.