Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

Рис. 5.13. Принципиальная схема простейшей теплофикационной мини­ установки: ЭГГД - электрогенератор с газовым двигателем внутреннего сгора­ ния; ГВТО - газо-водяной теплообменник

ностях, обладает рядом эксплуатационных преимуш,еств, например, маневренен. Максимальная температура рабочего тела ДВС (Тмакс) значительно выше температу­ ры рабочего тела паросиловых установок. Если в лучших паротурбинных блоках температура пара достигает 565°С, то в газовых двигателях она, в зависимости от ряда причин, лежит в диапазоне 1100 - 1500°С, что обеспечивает снижение эксергетических потерь при трансформации химической энергии топлива во внутреннюю энергию продуктов реакции окисления топлива. Температура дымовых газов на выходе из ДВС (Ткон) колеблется на уровне (3 - 5)-10 °С, т.е. является достаточно высо­ кой и это признано недостатком ДВС, снижающим его КПД. Объединение ДВС в комбинации с теплогенерирующим устройством (на схеме рис.5.12 таковым являет­ ся газо-водяной теплообменник), превращает данный недостаток в достоинство, по­ скольку отработанное рабочее тело (выхлопные газы) используются в качестве ис­ точника энергии для нагрева теплоносителя. Температура газов после теплообменника опускается до значений 1,4-10 °С, что соответствует температуре уходящих газов котлоагрегата. В итоге, на МТЭЦ имеют место предпосылки для того, чтобы ее термодинамическая эффективность превышала таковую обычной теплоэлектро­ централи. Схема реальной МТЭЦ, безусловно, усложняется с тем, чтобы получить те или иные преимущества.

160

пускаемой в виде тепловой энергии и электроэнергии, во втором случае получается больше.

Для технологических целей в ряде случаев требуется насыщенный пар в качест­ ве теплоносителя, что требует включения в схему, наряду с газо-водяным теплооб­ менником, парового котлоагрегата. В этом случае может быть предложена схема те­ плофикационной установки, где температура дымовых газов перед котлоагрегатом оптимизируется по той или иной целевой функции. Выхлопные газы ДВС содержат избыточный кислород, поскольку коэффициент избытка воздуха, в газах отходящих от поршневого ДВС, колеблется в диапазоне 1,5 - 2, в зависимости от режима рабо­ ты ДВС. Кислород выхлопных газов может быть использован в качестве окислителя в котлоагрегате, при этом температура продуктов сгорания достигает 1,5-10 °С. Значение последней, как выше подчеркивалось, оптимизируется по той или иной целевой функции и от этой температуры зависят размеры КА, потери от необрати­ мости, рассеяние энергии с уходящими газами и пр. Во всем остальном работа КА и МТЭЦ ничем не отличается от выше рассмотренных аналогов.

5.4.2. Высокотемпературные надстройки теплотехнологических процессов

Ранее уже отмечалось: на основе только баланса энергии, без привлечения вто­ рого закона термодинамики нельзя определить пути совершенствования энергетиче­ ского обеспечения производственных процессов.

Игнорирование данного факта дало жизнь далеко не лучшим структурным схе­ мам набора оборудования для обеспечения теплотехнологических процессов. В ре­ зультате при любых модернизациях оборудования без изменения структуры тепло­ технологической системы, они принципиально не могут обеспечить эффективное энергоиспользование. Рациональное построение теплоэнергетической системы про­ мышленного предприятия - основной путь снижения энергопотребления на выпуск единицы продукции.

При рассмотрении потоков эксергии технической системы (рис.3.4) указыва­ лось на различные роли внутренних и внешних потерь эксергии. Внешние потери связаны с условиями сопряжения системы и окружающей среды, с величиной

165

сбросных потоков в последнюю. Роль внутренних потерь демонстрировалась на примере процессов детандирования (расширения) пара, рис.3.6. Из вышерассмот­ ренных теплонасосных установок, тепловых аккумуляторов энергии, теплофикаци­ онных установок, первые две связаны с уменьшением внешних потерь эксергии той или иной технической системы. Непосредственная связь внешних потерь эксергии с потоками рассеяния энергии облегчает понимание и внедрение соответствующих энергосберегающих мероприятий. С уменьшением внутренних потерь эксергии си­ туация более сложная.

Теплофикационная установка, рассмотренная ранее, где комбинированно выра­ батываются два продукта (электроэнергия и теплота), состоит из двух подсистем. Одна из них, вырабатывающая электроэнергию, расположена на горячем торце тех­ нологического процесса, вторая, связанная с получением водяного теплоносителя, - на холодном торце. Электрогенерирующая часть характеризуется высокой эксергией своего продукта (поток электроэнергии равен потоку эксергии) и, при раздельном функционировании обеих подсистем, наличием внешних потерь на холодном техно­ логическом торце. Теплогенерирующая подсистема, в свою очередь, имеет конеч­ ный энергетический продукт, эксергия которого много меньше его энергии, и при использовании в качестве энергоресурса непосредственно топлива, большие внут­ ренние потери на своем горячем технологическом торце.

Интеграция таких подсистем в единую установку устраняет внешние потери эк­ сергии в высокотемпературной, и существенно снижает внутренние потери в низко­ температурной частях. Из проведенного рассмотрения вытекает, что для низкотем­ пературных технологий необходим соответствующий энергоресурс, который следу­ ет получать не сжиганием топлива в топке перед технологическим агрегатом (в про­ цессе связанном с деградацией первичного энергоресурса), а в ходе генерации того или иного полезного высокопотенциального (термодинамически более ценного) эф­ фекта, в конкретном примере - электроэнергии. Естественно, необходим подбор теплотехнологий, взаимно дополняющих друг друга, сопрягающихся по характеристикам хотя бы одного из сбросных и входных потоков. На этом и базируется энерготехнология производства,поскольку наибольшие возможности для

166

экономии энергии в промышленности следует отнести на счет многократного ис­ пользования энергии

Сжигание топлива - типичный пример технологического процесса, в котором за счет химической реакции между топливом и окислителем образуется целевой про­ дукт - дымовые газы. В промышленности применяются топки, работаюш;ие на твер­ дом, жидком, газообразном топливе. Природный газ будет доминировать в энерго­ балансе ближайшие десятилетия и именно природный газ можно и должно исполь­ зовать с большей термодинамической эффективностью. Задача повышения эффек­

тивности использования природного газа не менее чем в полтора раза стоит сегодня

перед энергетиками. В теплотехнологических системах преобразования вещества

Здесь Ет^, Еок, Едр - соответственно эксергия топлива, окислителя, дымовых газов; ЕВ - потери эксергии в ходе процесса горения, которые состоят из внутренних и внешних. Внешние потери процесса горения связаны с рассеянием энергии теплово­ го потока через ограждающие конструкции топки, механическим и химическим не­

где Qoc, кДж - поток теплоты через стенки топки в единицу времени; То, К -

температура окружающей среды, при расчете процесса горения принимают 1о = 0°С; Тгор.т, К - теоретическая температура горения топлива, в случае процесса горения природного газа, когда окислителем является воздух при температуре окружающей среды, Торт ^ 2000 - 2050°С.

Потери от недожогов, при правильной организации горения природного газа, от­

сутствуют.

Внутренние потери реакции окисления топлива связаны с необратимостью про­

Для реакции окисления требуется некоторое количество воздуха, называемое теоретическим расходом воздуха Уо. Для процесса горения подается большее коли­

167

МДж/м или 1,5% входа системы. Эксергия продуктов сгорания, покидающих топку и отнесенная к кубическому метру природного газа, определяется с помощью соот­ ветствующих расчетных зависимостей или диаграмм. В данном случае получаем едг^

о

=26 МДж/м , что составляет 62% входа и позволяет определить внутренние потери эксергии процесса горения на уровне 4-10^%. Их величину можно уменьшить, ис­ пользуя подогрев окислителя и топлива, но, в любом случае, внутренние потери эк­ сергии в ходе реакции горения природного газа сохраняются не менее 30%.

Рассмотрим далее другой характерный элемент многих теплотехнологических агрегатов, которым является камера смешения. Приведем баланс эксергии камеры смешения при условии, что на выходе из нее по технологическим требованиям не­ обходимы дымовые газы с температурой 300°С. Эксергия дымовых газов, образо­ ванных смешением продуктов сгорания с воздухом, определяется аналогично и при 1

=300°С равна 11 МДж/м . Это составляет 26% эксергетического входа камеры сме­ шения, рассчитанного выше. Внутренние потери эксергии при смешении е конкрет­ ном примере составляют величину 36% входа, т.е. от эксергии топлива.

Таким образом, в системе «топка-камера смешения» только внутренние потери эксергии составляют 6-10^%. Полученные результаты говорят сами за себя и объяс­ няют эффект энерготехнологии, где, во-первых, эти потери существенно сокраща­ ются, поскольку отсутствует или существенно снижено смешение продуктов реак­ ции окисления с воздухом. Во-вторых, потери эксергии делятся между несколькими продуктами, что ослабляет их относительный вес в каждом из продуктов. Результат можно проиллюстрировать на том же, всем известном, примере паросиловой уста­ новки тепловой электростанции. Основные потери эксергии (^50%) приходятся на котлоагрегат, и в их уменьшении находится основной резерв повышения экономич­ ности. Температура рабочего тела в цикле ПСУ 565 °С и в обозримом будущем выше не поднимется, что определяет ее КПД = 410 %. В этой ситуации остается един­ ственный выход в интеграции ПСУ с некой высокотемпературной технологией. Наиболее естественно для тепловой электростанции в объединении ПСУ с газотур­ бинной установкой. Уже на базе современных технических достижений возможно увеличение КПД такой комбинированной электрогенерирующей парогазовой уста­

169