- •МІнІстерство освІти і науки украини
- •Тема 1.1. Енергетична політика держави та енергозбереження
- •1.2. Енергетична політика держави
- •1.3. Ефективність енергозбереження в зв’язку з сучасним станом енергетичного сектору держави
- •1.4. Основні напрямки в області енергозбереження
- •2. Розробка енергетичної стратегії держави у питаннях енергозбереження
- •Технічний звіт
- •Тема 2.1. Енергетичний аудит теплового обладнання
- •2.1.1. Ефективність систем спалювання палива
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •1.1. Типи пристроїв для спалювання палива
- •1.1.1. Мазутні форсунки
- •1.1.2. Газові пальники
- •1.1.3. Пиловугільні пальники
- •1.2. Типові причини зниження енергетичної ефективності пристроїв
- •2. Основні розрахункові залежності для оцінка енергетичної ефективності пристроїв
- •2.1. Вихідні дані для розрахунків
- •2.2. Оцінка повноти згорання палива
- •2.3. Визначення коєфіцієнту надлишку повітря
- •2.4. Причини зниження коефіцієнту використання палива
- •2.3. Енергозаощаджуючі заходи
- •2.4. Приклади розрахунку енергоефективності пристроїв
- •Технічний звіт
- •2.1.2. Паровиробні пристрої та котли
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •1.1. Загальна характеристика паровиробних установок і котлів, що застосовуються в Україні
- •1.2. Основні розрахункові залежності для оцінки енергетичної ефективності котельних установок
- •1.3. Заходи щодо підвищення ефективності котельних установок
- •2. Приклад проведення енергетичного аудиту котельних установок
- •Технічний звіт
- •2.1.3. Системи постачання природного газу
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •1.1. Системи забезпечення природним газом
- •1.2. Локалізація витоків, відбудовні й ремонтні роботи
- •1.3. Виміри й контрольно-вимірювальна апаратури
- •2. Основні заходи щодо підвищення ефективності системи постачання природного газу
- •3. Приклад проведення аудиту системи постачання природного газу
- •Тема 2.2. Енергетичний аудит електрообладнання
- •2.2.1. Системи стиснутого повітря, компресорні установки
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •1.1. Характеристика системистисненого повітря
- •1.2. Витрати енергії на вироблення стисненого повітря. Витрати енергії при виробленні, транспортуванні і споживанні стисненого повітря. Створення карти споживання енергії
- •2. Основні шляхи підвищення енергетичної ефективності систем
- •2.1. Підвищення енергетичної ефективності компресорних установок
- •2.2. Удосконалення магістральних і розподільних повітропроводів
- •2.3. Утилізація теплоти, яка відводиться від стисненого повітря в проміжних та кінцьових повітроохолодниках
- •3. Основні розрахункові залежності для оцінки енергетичної ефективності від впровадження енергоощадних заходів
- •4. Приклади розрахунку енергоефективності системи стиснутого повітря та компресорних установок
- •Технічний звіт
- •2.2.2. Холодильні установки та установки кондиціювання
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •1.1. Характеристика холодильних систем
- •1.2. Зменшення теплоприпливів в холодильну камеру і від охолоджуємих об’єктів
- •1.3. Регулювання коефіцієнту навантаження компресорів
- •1.4. Зниження температури конденсації
- •2. Типові можливості по економії енергії
- •3. Приклад оцінки економічного ефекту від впровадження енергозберігаючих заходів
- •2.2.3. Електроприводи та освітлення
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •1.1. Аналіз ефективності систем електроспоживання
- •1.1.1 Коефіцієнт потужності
- •1.1.2 Номінальна потужність підведенної електрики
- •1.1.3 Високоефективні трансформатори
- •1.1.4 Основні можливості економії електроенергії при подачі й розподіли електроенергії
- •1.2. Освітлення
- •1.2.1. Освітлення люмінесцентними лампами
- •1.2.2. Ефективна конструкція, пристрій і технології
- •1.2.2.1. Системи керування освітленням
- •1.2.2.2. Сучасні освітлювальні арматури
- •1.2.2.3. Високочастотні джерела світла
- •1.2.2.4. Малогабаритні люмінесцентні лампи
- •1.2.3. Зміна конструкції
- •1.2.3.1. Рефлектори
- •1.2.3.2. Регулятори напруги
- •1.2.4. Рекомендації
- •1.2.5. Прикладекономії відустановивки відбивачів на світильники
- •2. Приклад оцінки економічного ефекту від компенсації реактивної потужності
- •Тема 3.1. Енергетичний аудит у будівництві
- •3.1.1. Енергозберігання у будівництві
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості
- •2. Теплова ізоляція стін
- •3. Теплоізоляція покриттів
- •4. Підвищення теплозахистних якостей вікон
- •5. Протидія інфільтрації
- •Тема 3.2. Енергетичний аудит систем життєзабезпечення
- •3.2.1. Системи опалення та теплопостачання
- •Послідовність виконання практичного заняття
- •1. Загальні відомості по існуючим опалювальним системам
- •2. Вимоги по обліку витрати тепла
- •3. Модернізація системи опалення
- •4. Модернізація системи гарячого водопостачання
- •5. Приклади розрахунку теплових втрат систем теплопостачання
- •Список літератури
- •Методичні вказівки
1.2. Основні розрахункові залежності для оцінки енергетичної ефективності котельних установок
Мета оцінки енергетичної ефективності котельних установок – визначення втрат теплоти і розрахунок її коефіцієнта корисної дії котельної установи.
На першому етапі ЕА складається перелік величин, які підлягають вимірюванням, а також раціональних засобів їх вимірювання. До переліку включаються всі величини, які потрібні для складання теплового та матеріального балансів котельної установки.
Вимірювання повинні виконуватись приладами (манометри, термометри, теплові лічильники, витратоміри, прилади інфрачервоного випромінювання, газоаналізатори та інші) з класом точності не нижче 1,5, які пройшли держповірку. Імпортні прилади повинні мати сертифікат УкрСЕПРО.
Складання теплового балансу котельної установки
Після вимірювання основних величин складається тепловий баланс котельної установки. Він дає можливість визначити:
частку теплоти, яка корисно використовується для одержання пари (або гарячої води);
величину теплових втрат.
Втрати теплоти визначають в топці котла, в газоходах та з відхідними газами.
В топці котла втрати теплоти пов’язані з хімічною та механічною неповнотою згорання палива і тепловіддачею в навколишнє середовище.
В газоходах котла втрати теплоти обумовлені тепловіддачею в навколишнє середовище.
Основна втрата теплоти в котлі – з відхідними газами.
Повна теплота, яка вводиться в топку котла, складається з вищої теплоти згорання палива, фізичної теплоти повітря і палива. Вона дорівнює сумі корисно використаної теплоти і втрат теплоти в котлі.
Тепловий баланс це вираз закону збереження енергії. Ним користуються для визначення ККД котла і всіх видів втрат теплоти.
Нормативний метод теплових розрахунків котельних агрегатів приписує складати тепловий баланс котельної установки по нижчій теплоті згорання палива.
При високих температурах згорання палива вода, яка є продуктом згорання водню в мазуті і вуглеводнів в природному газі, переходить в газоподібний стан. Витрачена при цьому теплота пароутворення в більшості випадків промислової практики залишається не використаною внаслідок високої температури відхідних газів (відсутність процесу конденсації водяних парів). В зв’язку з цим в широкій практиці інженерних розрахунків укріпилось поняття нижчої теплоти згорання палива. Вона, як відомо, зв’язана з вищою теплотою згорання твердого і рідкого палива таким чином [4, 32]
, кДж/кг, |
(3.1) |
де – вміст вологи і водню в 1 кг робочої маси палива, %.
Якщо природний газ не містить вологу (це характерно для родовищ колишнього СРСР), зв’язок поміж нижчою і вищою теплотою згорання газу при густині пари при нормальних умовах кг/м3 описується формулою
, кДж/м3, |
(3.2) |
де – вміст метану і тяжких вуглеводнів в 1 м3 природного газу, %.
В теперішній час в якості палива широко використовується природний газ, який не має в своєму складі сірку. Низькотемпературна корозія в цьому випадку виключена. Тому при глибокій утилізації теплоти температура відхідних димових газів така, що відбувається процес конденсації водяних парів. Це призводить до виділення теплоти конденсації.
Існуючі методики розрахунку теплового балансу по ідають завишенні значення ККД котлів і тим самим дезорентують відносно дійсного рівня ефективності використання палива. По друге, вони зовсім не відповідають тенденції глибокого охолодження димових газів.
Розглянемо два випадки складання теплового балансу. При роботі котла на мазуті і на природному газі.
В загальному вигляді рівняння прямого теплового балансу має вигляд:
– при роботі на мазуті
(3.3) |
– при роботі на природному газі
(3.4) |
В приходну ліву частину рівняння входять наступні величини: і– вища робоча теплота згорання 1 кг мазуту і 1 м3 природного газу, кДж/кг, кДж/м3; hп і – фізична теплота 1 кг мазуту і 1 м3 природного газу, яка витрачається при їх підігріві поза котлом від 0 оС до tn, кДж/кг, кДж/м3; Qф– теплота, яка вноситься в топку котла парою або повітрям, які використовуються для розпилювання 1 кг мазуту, кДж/кг; і– теплота яка вноситься в топку холодним повітрям, яке необхідне для спалювання палива, кДж/кг, кДж/м3; і– корисно використана теплота для виробництва пари (або гарячої води), кДж/кг, кДж/м3; і– втрати теплоти внаслідок хімічної неповноти згорання палива, кДж/кг, кДж/м3; – втрати теплоти внаслідок механічної неповноти згорання мазуту, кДж/кг;і– втрати теплоти в навколишнє середовище, кДж/кг, кДж/м3; – теплота з відхідними газами, кДж/кг, кДж/м3.
Рівняння (3.3) і (3.4) можна представити в такому вигляді:
, |
(3.5) |
, |
(3.6) |
де – розміщена теплота 1 кг робочої маси мазуту, кДж/кг;– розміщена теплота 1 м3 робочого об’єму при-родного газу, кДж/м3; ,– втрати теплоти з відхідними газами, кДж/кг, кДж/м3.
При розпиленні мазуту повітрям представляє собою теплоту, яка вноситься повітрям. При розпиленні мазуту механічними форсунками.
Фізична теплота палива визначається за формулами:
– для мазуту
; |
(3.7) |
– для природного газу
(3.8) |
де ,– теплоємність робочого палива, кДж/кг·К, кДж/м3·К; – температура палива,оС.
Для зменшення в’язкості і поліпшення розпилення мазут подається в топку підігрітим до температури 80…120 оС. Теплоємність мазуту має при цьому величину кДж/(кг·К), а ентальпія () складає 0,4…0,63 % від. Теплоємність мазуту визначається за формулою
, кДж/(кг·К). |
(3.9) |
Врахування величини доцільно при спалюванні газового палива з низкою теплотою згорання (наприклад, доменного газу) при умові нагріву його до відносно високої температури 200…300оС, коли величина складає 7…10 % від.
В загальному випадку теплоємність газового палива (на 1 м3 сухого газу) визначається за формулою
(3.10) |
де – теплоємності газів, кДж/(кг·К);,,,– кількість відповідних газів, %;– вологовміст газового палива, г/м3.
Для природного газу формула (3.10) приймає вигляд
(3.11) |
де і– вміст азоту і важких вуглеводів в природному газі, %;
і – теплоємність азоту і важких вуглеводнів, кДж/(м3·К).
Волога в природному газі, як правило, відсутня.
При спалювання газового палива з високою теплотою згорання (наприклад, природний газ) має місце підвищене співвідношення маси повітря і газу (порядку 10:1). В цьому випадку паливо – газ не підігрівається.
Теплота, яка вноситься в топку котла при паровому розпиленні рідкого палива (мазуту), визначається за формулою
, кДж/кг, |
(3.12) |
де – витрати пари, яка подається на розпилення 1 кг мазуту, кг пари/кг мазуту;– ентальпія пари, яка витрачається на розпилення
1 кг мазуту, кДж/кг;
В випадках використання повітряних форсунок теплота, яка вноситься з повітрям, визначається за формулою
, кДж/кг, |
(3.13) |
де – витрати повітря, яке подається на розпилення 1 кг палива, кг повітря/кг палива;ср – теплоємність вологого повітря при постійному ти-ску, кДж/(кг·К); – температура повітря,оС.
Під час роботи котлоагрегату більша частина розміщеної теплоти передається робочому тілу через поверхню нагріву. За рахунок цієї теплоти вода підігрівається або перетворюється в пару. Це і є корисно використана теплота.
Для водогрійного котла вона визначається так:
– при спалюванні рідкого палива (мазуту)
, кДж/кг; |
(3.14) |
– при спалюванні газоподібного палива (природного газу)
, кДж/м3, |
(3.15) |
де – кількість води, яка подається в котел, кг/с;,– ентальпія гарячої і живильної води, кДж/кг;,– фактичні витрати рідкого і газоподібного палива, кг/с, м3/с.
Для парового котла
– при спалюванні рідкого палива
, кДж/кг; |
(3.16) |
– при спалюванні газоподібного палива
, кДж/м3, |
(3.17) |
де ,– ентальпія перегрітої пари і котлової (продувочної) води, кДж/кг;– кількість перегрітої пари, кг/с, (визначається за допомогою приладів);– кількість продувочної води, кг/с, визначається за допомогою приладів обліку, а в разі відсутності – за результатами хімічного аналізу котлової та живильної води, а саме
, |
(3.18) |
де – значення відсотка безперервної продувки, яке визначаеться за формулою
, |
(3.19) |
де – лужність живильної води;– лужність котлової води.
Нормативну величину безперервної продувки Рн котлів при тиску пари до 1,37 МПа (14 кг/см2) слід приймати не більше ніж 14 % від продуктивності котлів, при більшому тиску – не більше 15 %.
Нераціональні витрати умовного палива (кг умов. палива) при перевищенні фактичного значення безперервної продувки величини норма-тивної визначаються за формулою
(3.20) |
де – теплота згорання умовного палива, кДж/(кг умов. палива);– ККД котла.
Фактичні витрати умовного палива , (кг умов. палива), визначаються за формулами
(3.21) |
Відношення корисно використаної теплоти до розміщеної теплоти називається коефіцієнтом корисної дії. ККД брутто за прямим тепловим балансом визначається за формулами
, %, |
(3.22) |
, %. |
(3.23) |
ККД котлоагрегату можна визначити і методом зворотного теплового балансу. Рівняння зворотного теплового балансу можна получити, якщо всі складові рівнянь (3.5) і (3.6) розділити на розмішену теплоту, а потім помножити на 100. В результаті маємо:
, |
(3.24) |
де q2, q3 та q5 – відносні витрати теплоти.
З виразу (3.24) маємо ККД по зворотному тепловому балансу
|
(3.25) |
Методом зворотного теплового балансу користуються для визначення ККД у випадках, коли визначити точно витрати води, пари та палива під час ЕА неможливо. Цим методом також користуються для перевірки правильності визначення ККД по прямому балансу.
Втрати теплоти з відхідними газами займають основне місце серед теплових втрат котельних установок. Для парогенераторів вони складають 5…12 % від розміщеної теплоти, розрахованої по нижчій теплоті згорання палива.
Коли знехтувати величиною фізичної теплоти палива, втрати теплоти з відхідними газами можуть бути розраховані за формулою:
– для мазуту
, кДж/кг |
(3.26) |
– для природного газу
, кДж/м3, |
(3.27) |
де ,– ентальпія відхідних газів при спалюванні мазуту і природного газу, кДж/кг, кДж/м3;– коефіцієнт надлишку повітря в відхідних газах;, – ентальпія теоретично необхідного повітря, кДж/кг, кДж/м3.
Ентальпія відхідних газів розраховується за формулою:
– для мазуту
, кДж/кг |
(3.28) |
– для природного газу
кДж/м3, |
(3.29) |
де – ентальпія газів при коефіцієнті надлишку повітряі температурі відхідних газів, кДж/кг, кДж/м3; – ентальпія теоретично необхідної кількості повітря при температурі, кДж/кг, кДж/м3.
Ентальпії ірозраховуються за формулами:
– для мазуту
|
(3.30) |
– для природного газу
, |
(3.31) |
де ,,,,,– об’єми компонентів продуктів згорання мазуту і природного газу, м3/кг, м3/м3; – ентальпії компонентів продуктів згорання мазуту і природного газу, кДж/кг, кДж/м3.
Ентальпію відхідних газів можна визначити з урахуванням продуктів згорання палива при за формулою
, кДж/кг, кДж/м3, |
(3.32) |
–об’єм і-того компонента в продуктах згорання палива, м3/кг, (м3, м3); – теплоємність і-того компонента, кДж/м3.
Теоретична кількість сухого повітря визначається за формулою:
– для мазуту
, м3/кг |
(3.33) |
– для природного газу
, м3/м3. |
(3.34) |
Ентальпія теоретично необхідної кількості повітря визначається за формулою:
– для мазуту
, кДж/к; |
(3.35) |
– для природного газу
, кДж/м3, |
(3.36) |
де – ентальпія 1 м3 вологого повітря, кДж/м3.
, кДж/м3, |
(3.37) |
де і– теплоємність і температура холодного повітря, яке надходить до котельної установки, кДж/(м3·К); – вологовміст повітря, г/кг вологого повітря;– ентальпія водяної пари в повітрі, кДж/м3.
Значення ентальпії двоокису вуглецю, азоту, водяної пари та вологого повітря можна визначити по для твердих, рідких і газоподібних палив.
Величина залежить від коефіцієнту надлишку повітря в топціі повітря, яке присмоктується в газоходи котельної установки, що знаходяться під розрідженням
. |
(3.38) |
В котельних установках, які працюють під тиском,
З аналізу наведених вище формул випливає, що для визначення втрат теплоти з відхідними газами необхідно мати дані про хімічний склад і температуру відхідних газів, коефіцієнт надлишку повітря, його вологість і температуру.
Відносні втрати визначаються з рівнянь
%, |
(3.39) |
%. |
(3.40) |
Втрати теплоти від хімічної неповноти згорання палива ,виникають при появі в продуктах згорання палива горючих газоподібних складових неповного згоряння, тобтоДогорання цих горючих газів за межами топкової камери практично неможливо із-за відносно низької температури.
Хімічна неповнота згоряння палива є наслідок наступного:
загальної недостачі повітря;
поганого сумішоутворення:
малих розмірів камери згорання, що визначає недостачу часу для завершення хімічної реакції;
низької температури в топковій камері, що призводить до зниження швидкості вигорання палива.
Оцінка повноти згорання палива і методика визначення втрат наведена в підрозділі 2.3.
Втрати теплоти необхідно розрахувати по вищій теплоті згорання палива. Відносні втрати визначаються з рівнянь
%, |
(3.41) |
%. |
(3.42) |
Втрата теплоти в навколишнє середовище виникає тому, що температура зовнішніх поверхонь котлоагрегату перевищує температуру навколишнього середовища.
В загальному випадку втрати теплоти в навколишнє середовище можуть бути визначені за формулою, яка враховує передачу теплоти кон-векцією і випромінюванням і має вигляд:
– при згоранні твердого та рідкого палива
, кДж/кг; |
(3.43) |
– при згоранні газоподібного палива
, кДж/м3, |
(3.44) |
де – загальна зовнішня поверхня котлоагрегату, м2; і– температура зовнішніх стінок котлоагрегату, повітря в котельній та оточуючих предметів, К);– коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, кВт/(м2·К); с– коефіцієнт випромінювання, кВт/(м2·К4); ,– фактичні витрати рідкого і газоподібного палива, кг/с, м3/с.
Розрахунок іза формулами (3.43) і (3.44) з попереднім визначенням необхідних для розрахунків величин представляє певні трудності. Тому при проведені ЕА котельних установоківизначають з формул (3.24) як залишковий член рівнянь теплового балансу.
Для виконання експрес-аналізу величину втрат теплоти в навколишнє середовище (чи) визначають за формулою
, %, |
(3.45) |
де і– фактична і нормативна (номінальна) величина втрат в навколишнє середовище, %;і– фактична і номінальна паропродуктивність котла, т/год.
Для парових котлів продуктивністю менше 2,5 т/год і температурою зовнішньої поверхні більше 45 оС втрати теплоти в навколишнє середовище визначаються за формулою
|
(3.46) |
де – питома втрата теплоти з 1 м2 зовнішньої поверхні, яка приймається при обмурівці середньої якості 407…465 Вт/м2.
Фактичні втрати теплоти в навколишнє середовище обумовлені, головним чином, погіршенням якості термоізоляції топкових камер та газоходів котла.
Якість ізоляції котлів контролюється шляхом безпосереднього вимірювання питомих втрат теплоти , наприклад, приладами ИТП-9, ИТП-12 та ИТП-13.
Нераціональні втрати в навколишнє середовище визначаються за формулою
, кг умов. палива/год, |
(3.47) |
де – фактичні витрати умовного палива, кг/с (для газоподібногом3/с).
При експрес-аналізі втрати теплоти з відхідними газами при спалюванні одного вида палива з незмінним складом підраховуються за формулою
, |
(3.48) |
де – температура відхідних газів,оС; – температура повітря, яке йде на горіння,оС; – коефіцієнт, значення якого залежить від складу компонентів в продуктах згорання (визначається за даними табл. 7.1 [2]).
При спалюванні інших видів палива коефіцієнт визначається за даними, наведеними в [2].