Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок. Учебное пособие
.pdfКоэффициент полезного действия котлоагрегата:
|
к |
Q1 |
|
; |
|
|
Q Q |
|
|||
|
|
т |
в |
|
|
к |
223266,423 |
|
|
0,929 . |
|
35 590 6,66 478,725 6,66 |
|||||
Эксергетический баланс котлоагрегата
Уравнение баланса эксергии для котлоагрегата:
Eт Eр.т Eп.с Eшл Eз Eпр E .
Химическая эксергия газообразного топлива, МВт:
Eт 1,04 10 3 BтQнр ;
Eт 1,04 10 3 6,66 35590 246,5 .
Прирост эксергии рабочего тела Eр.т , МВт:
Eр.т 10 3(Dп(hп Tо.сsп) (1 пр)Dп(hп.в Tо.сsп.в)) ,
где sп f (140 бар; 560 С) 6,597 кДж/кг · К – энтропия острого пара; sп.в f (140 бар; 230 С) 2,588 кДж/ кг · К – энтропия питатель-
ной воды.
Подставим численные значения для расчета:
E |
|
10 3 |
88,89 (3488 (30 273)6,597) |
|
113,366 . |
||
р.т |
|
|
|
|
|||
|
|
|
(1 0,025)88,89(992,7 |
(30 273)2,588) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Физическая эксергия продуктов сгорания, МВт:
n
eпфиз.с (ViCpitух Tо.сVi si ) ; i 1
61
|
|
(0,993 1,8 152 (30 273)0,993 0,783) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
(2,436 1,515 152 (30 |
273) 2, 436 0,65) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
eфиз |
|
|
|
|
|
370,61 . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
п.с |
|
(7,768 1,303 152 (30 |
273)7,768 |
0,547) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
(0,0793 1,328 152 (30 273)0,0793 0,571) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Химическая эксергия продуктов сгорания, кДж/кг: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
O |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO |
2 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
N |
2 |
ln |
|
|
|
|
|
|
|
O |
2 |
ln |
|
|
|
|
|
CO |
2 |
ln |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
eхим n |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7898 |
|
|
|
|
0,2099 |
|
|
|
|
|
|
|
0,0003 |
|
|
|||||||||||||||||||||||
R T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||||||||||||||||||||||
п.с |
ss |
|
о.с |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 x |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
H |
2 |
O ln |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 H |
2 |
O ln |
|
|
|
|
|
|
ав |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
O |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
|
|
|
11,277 2,436 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7,768 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
0,395 ; |
|
|
N2 |
|
|
|
0,689; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
nss |
|
|
22,4 |
|
|
|
|
|
|
|
11,277 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O2 |
|
|
0,0793 |
0,007; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11,277 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
CO2 0,01(0,06 0 1 98,9 2 0,12 3 0,02 4 0,01) |
0,088; |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11,277 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
H |
2 |
O |
2,436 |
|
0,216 ; |
|
x |
|
|
|
0,7 0,01817 |
|
|
0,013 . |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
11,277 |
|
|
|
1 0,7 0,01817 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
eхим |
0,395 8,314 (30 273) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
п.с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,689 |
|
|
|
0,007ln |
0,007 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
0,689ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7898 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2099 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,088 |
|
|
|
|
|
|
|
0,216 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,216ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
0,088ln |
0,0003 |
|
0,013 |
763,2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 0,013 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
(1 0,216)ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 0,216 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
62
Эксергия продуктов сгорания складывается из физической и химической эксергий, МВт:
Eп.с 10 3 Bт eпфиз.с eпхим.с ,
Eп.с 10 3 6,66 370,61 763,2 7,55 .
Эксергия продувочной воды, МВт:
Eпр 10 3 прDп(hпр Tо.сsпр) ,
где sпр = f (160 бар; х 0) 3,746 кДж/кг · К – энтропия продувочной воды.
Eпр 10 3 0,025 88,89(1650 (30 273)3,746) 1,144 .
Сумма внутренних потерь эксергии, МВт:
E Eт Eр.т Eп.с Eшл Eз Eпр ;
E 246,5 113,366 7,55 0 0 1,144 124,44 .
Эксергетический КПД котлоагрегата:
|
eка = |
|
Eр.т |
; |
||
|
|
|
||||
|
|
|
|
Eт |
||
ка |
= |
113,366 |
0,456 . |
|||
e |
246,5 |
|||||
|
|
|
|
|||
Уравнения энергетического баланса топки в предположении адиа- |
||||||
батического горения: |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
Gз Сp зtад QнрCГун + |
|||
Qнр Qв (ViСpi )tад |
||||||
i=1 |
|
|
|
|
|
|
+ Gшл Сp шлtад QнрCГшл ;
63
35590 478,725 7,768 0,3378 4,19tад
0,993 (0, 4977 0, 4944) 4,19 tад 2
2,436 0, 4383 4,19tад 0,0793 0,3568 4,19tад 0+ 0.
Тогда адиабатная температура горения, °C: tад (35590 478,725 0 0)
|
7,768 0,3378 4,19 |
1 |
|
||
|
|
|
(0,4977 0,4944)4,19 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,993 |
2 |
|
2043,9 . |
|
|
|
|||
|
2,436 0,4383 4,19 |
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0793 0,3568 4,19 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Физическая эксергия продуктов сгорания при адиабатной температуре, кДж/кг:
eфиз n (V C t T V s )
п.с i pi ад о.с i i ; i 1
eпфиз.с 0,993 2,425 2043,9 (30 273)0,993 4,969
7,768 1,49 2043,9 (30 273)7,768 3,051
2,436 1,412 2043,9 (30 273)2,436 3,86
0,0793 1,573 2043,9 (30 273)0,0793 3,2 24261,53.
Эксергия продуктов сгорания при адиабатической, МВт:
Eпад.с 10 3 Bт eпфиз.с .ад eпхим.с ;
Eпад.с 10 3 6,66(24261,53 763,2) 166,66 .
64
Потери эксергии вследствие необратимости горения Eгор, МВт:
Eгор 246,5 (166,66 0 0) 79,84 .
Потери эксергии Eокр , вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт:
E |
=10 3 153,037 |
6,66 |
1423 (30 273) |
|
0,8 . |
|
окр |
|
|
|
1423 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Потери эксергии Eвн.т , вызванные внутренним теплообменом в котле:
Eвн.т 124,44 (79,84 0,8) 43,8 .
Qт |
Q1 |
Q2
Qв
Q5
Рис. 11. Диаграмма Сенке энергетического баланса котлоагрегата
65
Eр.т
Eт
δEвн
δEгор
δEвн.т
Eпр
Eокр
Рис. 12. Диаграмма Грассмана–Шаргута эксергетического баланса котлоагрегата
66
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
К главе 1
1.Что такое эксергия?
2.Чему равняется эксергия окружающей среды?
3.Какие виды эксергии вы знаете?
4.Какие значения могут принимать различные виды эксергии?
5.В чем состоит различие между понятиями «энергия» и «эксергия»?
6.Что такое эксергетическая температурная функция?
7.Как определяется эксергия потока теплоты при постоянном давлении?
Кглаве 2
1.Вследствие чего уменьшается возможная максимальная работа в теплоэнергетической установке?
2.Формулировка закона Гюи–Стодолы. Потери эксергии какого вида он определяет?
3.Какие виды потерь эксергии вы знаете?
4.Приведите примеры внутренних и внешних потерь эксергии.
5.Приведите примеры собственных и технических потерь эксергии.
Кглаве 3
1.Составьте эксергетический баланс парогенератора, турбогенератора и насоса паротурбинной установки.
2.Как определяется химическая эксергия твердого, жидкого и газообразного топлива?
3.Значения эксергетического КПД котельной установки низкого и среднего давления.
67
4. Чем обусловлена необратимость процессов расширения пара в турбине и сжатия воды в насосе ПТУ?
Кглаве 4
1.Что такое теоретически необходимое количество воздуха?
2.Что такое действительно необходимое количество воздуха?
3.Что такое коэффициент избытка воздуха?
4.Какие основные продукты сгорания образуются при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива?
5.Как задается состав твердого, жидкого и газообразного топлива?
6.Что такое высшая и низшая теплота сгорания топлива? В чем между ними разница?
7.Физический смысл универсальной газовой постоянной.
8.Запишите материальный баланс котлоагрегата.
9.Запишите тепловой баланс котлоагрегата.
10.Какие потери теплоты возникают в котлоагрегате?
11.Физический смысл теплоемкости.
12.Запишите эксергетический баланс котлоагрегата.
13.Что такое теплота парообразования?
14.Назовите эксергетические потери котлоагрегата; к какому виду потерь эксергии они относятся?
15.Что такое адиабатическая топка?
16.Что такое адиабатическая температура?
17.Что показывают диаграммы Сенке и Шаргута–Грассмана? Объясните принцип построения.
68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для учета влияния внешних условий на различные виды энергии, а также на различную их ценность в практическом использовании было введено понятие «эксергия». В связи с этим для анализа эффективности теплоэнергетических установок был разработан эксергетический метод.
Эксергетический метод является наиболее общим для термодинамического исследования различных процессов преобразования энергии. Этот метод нашел широкое применение при анализе теплосиловых установок. Он позволяет наиболее наглядно определить степень совершенства и источники потерь в установках и их частях и находить пути их усовершенствования.
В учебном пособии представлены классификация эксергии и виды потерь эксергии. Подробно представлены основы эксергетического анализа некоторых теплоэнергетических установок. Изложены основы расчета эксергетического баланса парового котлоагрегата на основе материального и энергетического баланса, рассматривается анализ котлоагрегата с примером расчета для котла Е-320-13,8 на природном газе. Имеется справочный материал.
69
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Шаргут Я., Петела Р. Эксергия и энергия / под ред. д-ра техн. наук В.М. Бродянского. – М.: Энергия, 1968. – 280 с.
2.Энергия и эксергия: сб. науч. статей / пер с нем. Н.В. Калинина; под
ред. В.М. Бродянского. – М.: Мир, 1968. – 189 с.
3.Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника: учебник. – М.:
ГЭОТАР-МЕД, 2003. – 352 с.
4.Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / под ред. В.М. Бродянского. – М.: Энергоатомиздат, 1988. –
288с.
5.Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической тех-
нологии: учебное пособие / О.А. Тишин, В.Н. Харитонов, Н.Ц. Гатапова, А.Н. Колиух. – Волгоград: ВПИ (филиал) ВолгГТУ, 2010. – 92 с.
6.Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической техно-
логии. – М.: Химия, 1992. – 208 с.
7.Rant Z. // Alg. Wermetechn. 1959 Bd. 10. N 9. S.172–176.
8.Нормативный метод теплового расчета котлов / РАО «ЕЭС РОССИИ». –
3-е изд., перераб. и доп. – СПб., 1998. – 259 с.
9. Григорьев К.А., Рундыгин Ю.А., Тринченко А.А. Технология сжигания органических топлив. Энергетические топлива: учебное пособие. – СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2006. – 92 с.
10.Мунц В.А., Павлюк Е.Ю. Основы теории горения топлив: учебное пособие. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. – 102 с.
11.Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1969. – 376 с.
12.Кириллин В.А., СычевВ.В., ШейндлинА.Е. Техническая термодинамика. – 4-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 414 с.
13.Александров А.А. Термодинамические основы работы теплоэнергетиче-
ских установок: учебное пособие для вузов. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 159 с.
14.Эксергетические расчеты технических систем: справочное пособие / под ред. академика АН УССР А.А. Долинского и д-ра техн. наук В.М. Бродянского. – Киев: Наукова думка, 1991.– 360 с.
15.Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1975. – 112 с.
70