4736

УДК 662.99

Дыскин, Л.М. Расчет установки утилизации теплоты [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 24 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: теплоэнергетика, вторичные энергоресурсы, паровой аккумулятор, тепловой расчет, энергетическая эффективность.

В пособии дается классификация основных групп вторичных энергоресурсов, приведены примеры расчетов вторичного использования теплоты паровых установок, описаны методы оценки энергетической эффективности низкотемпературных вторичных тепловых ресурсов в системах теплоснабжения промышленныхзданий.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине «Теплофизика аппаратов утилизации теплоты» по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016

3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Энергетическому обслуживанию производственных процессов в ряде случае сопутствуют тепловые отходы в виде теплоты, технологического про-

дукта, газа, пара и горячей воды, называемые вторичными энергетическими

(тепловыми) ресурсами. Такими отходами, например, для промышленных пе-

чей являются отходящие горячие газы и нагретая охлаждающая вода.

Тепловые отходы по своим размерам могут быть весьма значительными.

Отходящие горячие газы промышленных печей в среднем содержат около

30…40 % количества теплоты, поступающей в печи, а теплота, теряемая со сбросной нагретой водой, например, в сталеплавильных печах составляет

15…25 % теплоты расходуемого топлива.

Различают следующие основные группы вторичных (побочных) энерго-

ресурсов:

1)горячие газы (отходящие отпечей,двигателей внутреннего сгорания и др.);

2)продукты технологического процесса (физическая теплота обрабаты-

ваемого материала и отходов, например нагретых слитков, шлака, раскаленного кокса и т.п.).

3) низкотемпературные вторичные энергоресурсы:

-пар, отработавший в двигателях, и вторичный – после технологического процесса;

-горячая вода, получаемая от различных охлаждающих устройств, а так-

же в виде производственного конденсата; - производственные тепловыделения, являющиеся источником нагрева

воздуха в помещениях.

Первые две группы энергоресурсов являются высокотемпературными.

Например, «запечные» газы имеют температуру 500…1000 °С, а газы, отходя-

щие из двигателей внутреннего сгорания, 350…600 °С. Весьма высокую темпе-

ратуру имеют технологические продукты металлургической промышленности:

стальные слитки 500…1000°С; кокс, выдаваемый из печи, 1100°С; шлак пла-

вильных печей 1200…1500°С.

4

Для третьей группы энергоресурсов характерны низкие параметры тепло-

носителей:

Давление отработавшего пара двигателя, МПа………………0,2 – 0,3 Температуры, °С:

отработавшего пара двигателя……….………………….. 100 – 130 производственного конденсата…………………………... 90 – 150

охлаждающей воды……………………………………….. 35 – 95

внутренних тепловыделений в производственных и других помещениях…………………………………… Ниже 100

Следует иметь ввиду, что понятие «вторичные энергоресурсы» (тепловые отходы) в известной мере имеет относительный характер. Например, усовер-

шенствование тепловой схемы промышленного предприятия позволит найти полезное применение части тепловых отходов в пределах данного предприятия.

Использованная в этом случае теплота перестает быть отходом.

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации теплового и технологического оборудования промпредприятий является максимальное со-

кращение выхода вторичных энергоресурсов, обеспечивающее прямую эконо-

мию топлива. Наиболее целесообразно использование вторичных энергоресур-

сов для технологических целей, т.е. для улучшения теплового баланса той уста-

новки, которая является источником тепловых отходов (например, использова-

ние теплоты горячих газов промышленных печей для подогрева воздуха, пода-

ваемого в печь). При этом улучшается внутренняя регенерация теплоты в уста-

новке; отбросная теплота используется непрерывно, повышается технологиче-

ский к.п.д. установки.

Использование вторичных энергоресурсов возможно также для увеличе-

ния располагаемой электрической мощности предприятия (например, исполь-

зование горячих газов для выработки пара с последующим производством электроэнергии).

И, наконец, использование вторичных энергоресурсов (пара или горячей воды) для теплоснабжения силовых, технологических и отопительно-

вентиляционных процессов позволяет улучшить тепловой баланс промышлен-

ного предприятия в целом.

5

Подробная характеристика вторичных энергетических ресурсов промыш-

ленных предприятий по отдельным отраслям промышленности может быть по-

лучена из рассмотрения конкретных тепловых схем установок.

Наибольшие отходы теплоты имеются на паротурбинных электростанци-

ях. В котельном цехе основными тепловыми отходами являются уходящие газы котлов с температурой 150…200 °С. Потери теплоты с уходящими газами со-

ставляют 10…15 % теплоты сжигаемого топлива. При невозможности исполь-

зовать уходящие газы на подогрев питательной воды и воздуха котельного аг-

регата следует рассмотреть вопрос о применении теплофикационного эконо-

майзера для подогрева сетевой воды.

Как известно, коэффициент теплоотдачи от газов к воде невелик. Это по-

требует больших поверхностей экономайзера. Кроме того, из-за увеличения со-

противления газового тракта повышается расход электроэнергии дымососом.

Поэтому применение теплофикационного экономайзера в ряде случаев эконо-

мически нецелесообразно.

Значительно меньше тепловых отходов содержится в дренажах, проду-

вочной воде котлов, воде, охлаждающей балки в панели топок.

В турбинном цехе очень много теплоты теряется с охлаждающей водой конденсаторов турбин (до 50 % теплоты топлива, расходуемого на электро-

станциях). Однако, ввиду низкой температуры нагретой воды (15…25 °С) непо-

средственная утилизация этих тепловых отходов невозможна.

Отходы теплоты с охлаждающей водой масло- и воздухоохладителей турбогенераторов не превышают 1…2 % энергии вырабатываемой станции.

В тепловых схемах современных ТЭС все чаще предусматривается ис-

пользование внутри самой станции теплоты дренажей, продувочной воды кот-

лов, охлаждающей воды масло- и воздухоохладителей для подогрева конденса-

та турбин, сырой воды в ХВО и т.д.

В газотурбинных ТЭС, работающих по замкнутой схеме, основными вто-

ричными энергоресурсами являются отходящие газы из регенеративных теплооб-

6

менных аппаратов и нагретая охлаждающая воды воздухоохладителей компрессо-

ров. Эти отходы теплоты до настоящего времени используются недостаточно.

На ТЭС оборудованных двигателями внутреннего сгорания, около 1/3 те-

плоты сжигаемого топлива теряется со сбросной охлаждающей водой при тем-

пературе 40…50 °С. Примерно столько же теплоты выбрасывается с выхлоп-

ными газами при температуре 300…450 °С. Вполне возможно использовать те-

плоту газов, охлаждая их до 120…150 °С в котлах-утилизаторах. Теплоту охла-

ждающей воды двигателей внутреннего сгорания можно использовать для го-

рячего водоснабжения. Небольшая мощность ТЭС с двигателями внутреннего сгорания обуславливает весьма ограниченные размеры отпуска теплоты потре-

бителям.

Отметим, что основным недостатком схем теплоснабжения, базирующих-

ся лишь на тепловых отходах, является несоответствие графиков отпуска по-

требления теплоты. Поэтому использовать полностью все тепловые отходы практически никогда не удается; используется только теплота, нужная потреби-

телю. Если же теплопотребление имеет сезонный характер, то доля использо-

вания тепловых отходов в годовом разрезе еще меньше.

Эти обстоятельства должны учитываться при разработке схемы использо-

вания тепловых отходов и в технико-экономических расчетах по обоснованию предлагаемой схемы.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТРАБОТАВШЕГО И ВТОРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПАРА

Общие положения

Паровой привод кузнечных молотов, прессов, штамповочных машин, на-

сосов и других механизмов широко применяется на заводах металлургической,

машиностроительной, химической, нефтеперерабатывающей, легкой и пищевой промышленности.

7

Паровые двигатели указанных механизмов, как правило, работают на вы-

хлоп с противодавлением от 0,12 до 0,3 МПа.

Отходы тепла с отработавшим паром весьма велики. Например, в агрега-

тах пластической обработки металлов применяется пар давлением 1,0…1,2

МПа в количестве 2…6 т на 1 т поковки, в количество отработавшего пара со-

ставляет не менее 85…90 % соответствующего количества производственного пара, подаваемого в цех.

Энергетический к.п.д. паровых машин, приводящих в движение молоты,

прессы, очень низок и составляет всего несколько процентов, а потеря теплоты с отработавшим паром у паровых молотов достигает 80 % его начальной эн-

тальпии. На современных нефтеперерабатывающих заводах для силовых целей расходуется 420 кг пара на 1 т перерабатываемой нефти. В ряде отраслей про-

мышленности производственные процессы, связанные с выпаркой технологи-

ческого продукта, дают вторичный пар с давлением, близким к атмосферному.

Наконец, пар может быть получен при утилизации теплоты горячей воды.

Это так называемый пар вторичного вскипания промышленного конденсата и пар в установках с испарительным охлаждением производственных агрегатов.

Использование отработавшего производственного пара возможно в сле-

дующих направлениях:

а) теплоснабжение потребителей;

б) выработка электроэнергии;

в) комбинированное использование пара полностью для теплоснабжения и частично на выработку электроэнергии, что обеспечивает круглогодовое по-

требление тепловых отходов.

Схема установки для использования отработавшего пара кузнечных мо-

лотов показана на рис.1. В ней имеются все элементы, позволяющие использо-

вать пар молотов как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии.

8

Рис.1. Схема установки для использования отработавшего пара: 1 – паровой котел;

2– паровой молот; 3 – набивкоуловитель; 4 – маслоотделитель; 5 – паровой аккумулятор; 6 – пароводяной подогреватель; 7 – потребители горячей воды; 8 – потребители пара;

9 – конденсатоотводчик; 10 – насос; 11 – конденсатосборный бак; 12 – устройство для очистки конденсата; 13 – деаэратор; 14 – турбина низкого давления (мятого пара)

Отработавший в паровых молотах пар содержит хлопья сальниковой на-

бивки и капли масла, поэтому при дальнейшем использовании его подвергают очистке в набивко- и маслоуловителях. В паровых системах теплоснабжения пар подается непосредственно к потребителям. Однако в крупных и протяжен-

ных системах теплоснабжения транспортировка пара связана с большими за-

тратами на сооружение коммуникаций. В этом случае, как правило, экономиче-

ски целесообразнее применять водяную систему теплоснабжения. Теплоподго-

товительную установку размещают в непосредственной близости от места вы-

хода отработавшего пара, а потребители получают теплоту с горячей водой,

транспортируемой сетевым насосом.

Как отмечалось выше, графики выхода отработавшего пара и расхода те-

плоты потребителями не совпадают. Для выравнивания графика поступления пара к потребителям (теплоприемники, турбины низкого давления) и устране-

ния перебоев в их снабжении в схеме целесообразно устанавливать паровые ак-

кумуляторы переменного давления.

9

Паровые аккумуляторы

Наибольшее применение в энергетическом хозяйстве получили паровые

аккумуляторы переменного давления. Схема включения аккумулятора показана

на рис. 2.

Рис.2. Схема включения парового аккумулятора переменного давления: 1 – паровой молот; 2 – аккумулятор пара; 3 – потребители пара; 4 - обратный клапан

Аккумулятор присоединяется к паропроводу. Если давление в паропро-

воде возрастает, пар по ответвлению б проходит через обратный клапан (в под-

водный коллектор) и далее через сопла в водяное пространство аккумулятора.

Поступления пара по ответвлению а в сухопарник аккумулятора не произойдет,

так как этому воспрепятствует обратный клапан.

Пар, поступивший в водяное пространство аккумулятора, конденсирует-

ся, и, так как его давление несколько выше, чем в аккумуляторе, он нагревает воду. Последняя испаряется с поверхности водяного объема, в результате чего давление пара в паровом пространстве повышается. Так протекает зарядка ак-

кумулятора.

Когда расход пара потребителями превышает выход отработавшего пара из молотов, давление в линии делается ниже давления в аккумуляторе; пар из последнего начинает поступать по ответвлению а через обратный клапан в па-

ровую магистраль. Давление в аккумуляторе понижается и перегретая вода ис-