2.1.1.7 Енергозаощаджуючі заходи

До основних ЕЗ3 при проведенні ЕА пристроїв для спалювання палива можна віднести наступні:

• визначення навантаження і витрат палива ( кількості надлишкового повітря, залишку незгорівших гідрокарбонатів, окису вуглецю) та відповідне регулювання процесу горіння для забезпечення оптимального режиму роботи пристроїв;

• забезпечення оптимального навантаження на всіх теплових режимах роботи устаткування;

• зменшення температури відхідних газів шляхом нагріву повітря, яке подається до пристроїв, за допомогою рекуперативних пальників, рекуператорів та регенераторів;

• оптимізація теплообміну в виробничому процесі шляхом зміни існуючих пристроїв на більш придатні, а також оптимальне їх розміщення в топці;

• зменшення до мінімуму втрат енергії шляхом встановлення більш точного обладнання для автоматичного регулювання температури, часу обробки та других робочих параметрів;

• проведення ЕА і впровадження ЕМ.

2.1.2. Печі, паровиробні установки та котли.

2.1.2.1. Загальна характеристика паровиробних установок і котлів, що застосовуються в Україні

Типова конструкція паровиробних установок на більшості україн-ських підприємств включає в себе центральну котельню, яка обладнана двома або більшою кількістю газових котлів потужністю 4...6 МВт кожний. Пара звичайно подається під тиском 0,6…1,0 МПа з деяким відхиленням в умовах виробництва в літній та зимній періоди.

На українських промислових підприємствах широко розповсюджені котли типу CORNISHз двома (або більше) камерами горіння великого об’єму і з такою же кількістю газоходів, які прокладені через цегляну кладку котлів .

Енергетична ефективність котлів такого типу залежить від ступеня утилізації теплоти відхідних газів. При відсутності економайзерів вона не дуже висока.

Глибока утилізація теплоти відхідних газів котлів, які працюють на природному газі, практично відсутня. Її застосування в котлах такого типу дозволяє значно підвищити коефіцієнт використання палива. При ча-стих пусках і зупинках котлів значні втрати енергії ідуть на підігрів масивної цегляної кладки.

В котлах, які обладнано економайзерами, охолодження відхідних газів здійснюється до температури, яка вище температури точки роси. Теплова енергія, яка виділяється за рахунок конденсації водяної пари, при охолодженні газів нижче температури точки роси, як правило, не використовується. Втрати теплоти з відхідними газами складають 16…18 % при складанні теплового балансу котла по вищій теплоті згорання палива . Це є основна втрата, за рахунок якої можна значно підвищити КВП котельної установки.

2.1.2.2. Оцінка 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 (табл. 2.1.2.1), 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.

Таблиця 2.1.2.1 Орієнтовний перелік величин, які підлягають вимірюванню, приборів і засобів вимірювання

Найменування середовища	Найменування величини, яка вимірюється	Позначення	Розмірність	Найменування прибору або засобу вимірювання
Паливо	Фактична витрата палива:
	– рідкого (мазуту)	Вф	кг/с	Нафтомір
	– газоподібного (при- (природного газу)	Vф	м3/с	Лічильник витрат газу
	Температура палива перед котлом	tп	оС	Ртутний термометр
	Тиск палива перед котлом	Рп	МПа (бар)	Пружинний манометр
	Склад палива:
	– рідкого	Сr, Hr, Nr,Sr, Wr, Ar	%	Лабораторний аналіз
	– газоподібного (при- родного газу)	СН4,, N2, CO2	%
Повітря	Температура зовнішнього повітря	tх.п	оС	Ртутний термометр
	Температура повітря за повітропідігрівником	tпп	оС
	Температура повітря в котельній	tк	оС
	Барометричний тиск	Pбар	мм.рт.ст.	Барометр
	Витрати повітря	Vхп	м3/с	Витратомір
Гази	Температура газів за топкою	tз.т	оС	Термопари або ртутні термометри
	Температура відхідних газів	tв.х	оС
	Температура зовнішньої стінки обшивки котла	tст	оС
	Хімічний склад відхідних газів	RO'2, O'2, CO'2	%	Газоаналізатор
	Коефіцієнт надлишку по-вітря		%	Ламбда-датчик, електронні газоаналізатори
Вода* Вода*	Витрата живильної води	Gж.в	кг/с	Витратомір
	Температура живильної води перед економайзером	tж.в	оС	Ртутний термометр
	Температура води за водогрійним котлом	tв.г	оС
Вода*	Тиск живильної води перед економайзером	Рж.в	МПа (бар)	Пружинний манометр
	Хімічний склад живильної води	–	–	Хімічний аналіз
	Витрата продувочної води	Gк.в	кг/с	Витратомір
	Різниця стовпів робочої рідини в дифманометрі дросельного прибору	hп.к	мм	Рідинний дифманометр
	Температура продувочної води	tк.в	оС	Ртутний термометр
	Хімічний склад продувочної води	–	–	Хімічний аналіз
Перегріта пара	Температура перегрітої пари	tп.п		Ртутний термометр
	Тиск перегрітої пари за стопорним клапаном	Рп.п	МПа (бар)	Пружинний манометр
	Витрата перегрітої пари	Gп.п		Дифманометр
	Різниця стовпів робочої рідини в дифманометрі дросельного прибору	hп.п

^* Витрати продувочної води визначаються за допомогою дросельного прибору, який установлюється на магістралі продувки за холодильником.

2.1.2.2.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 кори-стуються для визначення ККД котла і всіх видів втрат теплоти.

Нормативний метод теплових розрахунків котельних агрегатів [32] 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,

(2.1.2.1)

де – вміст вологи і водню в 1 кг робочої маси палива, %.

Якщо природний газ не містить вологу (це характерно для родовищ колишнього СРСР [28]), зв’язок поміж нижчою і вищою теплотою згорання газу при густині пари при нормальних умовах кг/м³описується формулою

, кДж/м3,

(2.1.2.2)

де – вміст метану і тяжких вуглеводнів в 1 м³природного газу, %.

В теперішній час в якості палива широко використовується природний газ, який не має в своєму складі сірку [28]. Низькотемпературна корозія в цьому випадку виключена. Тому при глибокій утилізації теплоти [3] 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 [3, 25] :

– при роботі на мазуті

(2.1.2.3)

– при роботі на природному газі

(2.1.2.4)

В приходну ліву частину рівняння входять наступні величини: і– вища робоча теплота згорання 1 кг мазуту і 1 м³природного газу, кДж/кг, кДж/м³;h_пі– фізична теплота 1 кг мазуту і 1 м³природного газу, яка витрачається при їх підігріві поза котлом від 0^оС доt_n, кДж/кг, кДж/м³;Q_ф– 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:

,	(2.1.2.5)
,	(2.1.2.6)

де – розміщена теплота 1 кг робочої маси мазуту, кДж/кг;– розміщена теплота 1 м³робочого 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

;

(2.1.2.7)

– для природного газу

(2.1.2.8)

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 величинукДж/(кг·К), а ентальпія () складає 0,4…0,63 % від. Теплоємність мазуту визначається за формулою [25]

, кДж/(кг·К).

(2.1.2.9)

Врахування величини доцільно при спалюванні газового палива з низкою теплотою згорання (наприклад, доменного газу) при умові нагріву його до відносно високої температури 200…300^оС, коли величинаскладає 7…10 % від.

В загальному випадку теплоємність газового палива (на 1 м³сухого газу) визначається за формулою [25]

(2.1.2.10)

де – теплоємності газів, кДж/(кг·К);,,,– кількість відповідних газів, %;– вологовміст газового палива, г/м³.

Для природного газу формула (3.10) приймає вигляд

(2.1.2.11)

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 [25].

При спалювання газового палива з високою теплотою згорання (наприклад, природний газ) має місце підвищене співвідношення маси по-вітря і газу (порядку 10:1). В цьому випадку паливо – газ не підігрівається [25].

Теплота, яка вноситься в топку котла при паровому розпиленні рідкого палива (мазуту), визначається за формулою [25]

, кДж/кг,

(2.1.2.12)

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,

(2.1.2.13)

де – витрати повітря, яке подається на розпилення 1 кг палива, кг повітря/кг палива;с_р– 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;

(2.1.2.14)

– при спалюванні газоподібного палива (природного газу)

, кДж/м3,

(2.1.2.15)

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;

(2.1.2.16)

– при спалюванні газоподібного палива

, кДж/м3,

(2.1.2.17)

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 [14]

,	(2.1.2.18)

де – значення відсотка безперервної продувки, яке визначаеться за формулою [14]

,	(2.1.2.19)

де – лужність живильної води;– лужність котлової води.

Нормативну величину безперервної продувки Р_нкотлів 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 % [14].

Нераціональні витрати умовного палива (кг умов. палива) при перевищенні фактичного значення безперервної продувки величини норма-тивної визначаються за формулою [14]

(2.1.2.20)

де – теплота згорання умовного палива, кДж/(кг умов. палива);– ККД котла.

Фактичні витрати умовного палива , (кг умов. палива), визначаються за формулами

(2.1.2.21)

Відношення корисно використаної теплоти до розміщеної теплоти називається коефіцієнтом корисної дії. ККД брутто за прямим тепловим балансом визначається за формулами

, %,	(2.1.2.22)
, %.	(2.1.2.23)

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:

,	(2.1.2.24)

де q₂,q₃таq₅ – відносні витрати теплоти.

З виразу (3.24) маємо ККД по зворотному тепловому балансу

(2.1.2.25)

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 [25].

Коли знехтувати величиною фізичної теплоти палива, втрати теплоти з відхідними газами можуть бути розраховані за формулою:

– для мазуту

, кДж/кг

(2.1.2.26)

– для природного газу

, кДж/м3,

(2.1.2.27)

де ,– ентальпія відхідних газів при спалюванні мазуту і при-родного 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

(2.1.2.28)

– для природного газу

кДж/м3,

(2.1.2.29)

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

(2.1.2.30)

– для природного газу

,	(2.1.2.31)

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,

(2.1.2.32)

– 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

(2.1.2.33)

– для природного газу

, м3/м3.

(2.1.2.34)

Ентальпія теоретично необхідної кількості повітря визначається за формулою:

– для мазуту

, кДж/к;

(2.1.2.35)

– для природного газу

, кДж/м3,

(2.1.2.36)

де – ентальпія 1 м³вологого повітря, кДж/м³.

, кДж/м3,

(2.1.2.37)

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 [32] 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

.	(2.1.2.38)

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

%,	(2.1.2.39)
%.	(2.1.2.40)

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

%,	(2.1.2.41)
%.	(2.1.2.42)

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;

(2.1.2.43)

– при згоранні газоподібного палива

, кДж/м3,

(2.1.2.44)

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[14]

, %,	(2.1.2.45)

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 [14]

(2.1.2.46)

де – питома втрата теплоти з 1 м²зовнішньої 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 [21].

Нераціональні втрати в навколишнє середовище визначаються за формулою [14]

, кг умов. палива/год,

(2.1.2.47)

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 [14]

,	(2.1.2.48)

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 [14]).

При спалюванні інших видів палива коефіцієнт визначається за даними, наведеними в [15, 29].