Парогенератори утилизатори

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2007

 

Част I. Характеристики на парогенератори. Защо утилизаторите са високоефективни?

В промишлените предприятия при различните технологични процеси се отделят отпадни продукти като горещи газове, въздух, вода, пара и други, които могат частично или изцяло да се оползотворят като енергоносител при други процеси. Това е ефективен метод за намаляване на експлоатационните разходи и разхода на първични енергийни ресурси, а в същото време се осигурява топлина за битови и технологични нужди. В практиката се използват различни методи за утилизация на отпадната топлина. Както непосредствено, т.е. без използването на топлообменни апарати при сушене или загряване на материали, така и чрез използването на рекуперационни топлообменници, регенератори, котли – утилизатори и др.

Определящите фактори при избора на метод са, от една страна, параметрите на отпадната топлина - температура, количество и химичен състав, а от друга - изискванията на енергоконсумиращата система. Задължителните условия, които трябва да бъдат спазени за успешното оползотворяване на топлината, са - системата за утилизация да не влияе върху основния технологичния процес, отдаващ топлина, и процесите на отдаване на топлина да не намаляват надеждността при експлоатация. В промишлените предприятия много често се използват утилизационни парогенератори за производство на пара от отпадната топлина от технологичните процеси.

Утилизационите парогенератори

са високоефективни съоръжения за производство на водна пара с високо качество, на базата на отпадната топлина от определен технологичен процес. Те могат да бъдат както с хоризонтална, така и с вертикална конструкция. Могат да работят с газове в голям температурен диапазон, но за производството на технологична пара се използват предимно средно- и високотемпературни газове. Важно условие е да се използват чисти газове, а не агресивни или газове с механични примеси.

За да обясним високата ефективност на утилизационните парогенератори и икономическата им атрактивност, нека разгледаме първо основните технически специфики на технологиите за производство на пара. Редакцията подчертава, че всички разгледани по-долу в статията характеристики са принципни и се отнасят за парогенераторите като цяло. Надяваме се, че по този начин ще обясним по-добре конкретните стойности на техническите характеристики при паогенератори утилизатори, с които ще ви занимаем в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.

Според предназначението си, парогенераторите биват – енергийни – произвеждат пара за производството на електрическа енергия, промишлени – произвежданата от тях пара се използва за технологични нужди, отоплителни – използват се в бита за отопление на сгради. В зависимост от начина на движение на водата в изпарителната част, парогенераторите са с естествена циркулация, с принудителна циркулация и правотокови.

Топлинен баланс на парогенератор

Приходната част на уравнението на топлинния баланс включва топлината на изгаряне на горивото (Qгi) и топлината на въздуха за горене, в случай че той е подгрят извън системата (Qвн). Внесената топлина е функция на разликата в топлините на въздуха на изхода и входа, като количеството й се определя на базата на отношението на теоретично необходимия обем въздух за горене към количеството въздух на входа, отнесено към стехиометричното такова, необходимо за горенето. Топлината, внесена с горивото (Qгор), зависи едновременно от специфичния му топлинен капацитет и от неговата температура на мястото на пресичане на системната граница.

Топлината, внесена с 1 куб. м гориво, или разполагаемата топлина (Qrр), се използва за производството на пара и за покриване на топлинните загуби на съоръжението. Частта от нея, оползотворена за подгряване и изпарение на водата, както и за прегряване на парата, е полезно използваната топлина (Q1). Разполагаемата топлина се получава при сумирането на полезно използваната топлина и сумата от загубите.

Общите загуби за един парогенератор се описват със следното уравнение:

Qrр = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6, kJ/kg (kJ/m3)

или

100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6, %

където:

Q2 - загуба на топлина с изходящите газове;

Q3 - загуба на топлина от химично недоизгаряне;

Q4 - загуба на топлина от механично недоизгаряне на горивото;

Q5 - загуба на топлина от охлаждане към околната среда

Q6 - загуба с физичната топлина на шлака.

Загуба на топлина с изходящите газове

В една котелна инсталация тези загуби са едни от най-значителните. Диапазонът, в който се движат, в голяма степен се определя от конкретните обстоятелства и варира между 5 и 20%. Важно условие за точното им определяне е да се вземе предвид, че енталпията на изходящите газове, която до голяма степен определя процента загуби, включва в себе си и енергията на студения въздух, но тази енергия не е включена в разполагаемата топлина. Поради което е необходимо енталпията на изходящите газове да бъде намалена. Обемът на димните газове също трябва да бъде коригиран, тъй като за определяне на количеството им се взима предвид количеството изгоряло гориво, което не е цялото гориво, постъпило в системата. Една част от него не изгаря, тъй като се наблюдават загуби от механично недоизгаряне (q4).

Уравнението за определяне на загубите с изходящи газове е:

Q2 = (Hизх - Qсв)·(100 - q4)/100, kJ/kg, където:

Hизх=(VRO2·cRO2+VoN2·cN2+VoH2O·cH2O)·Jг+(a-1)·Vo·cв-х·Jг, kJ/kg

Qсв = a·Vo·cв-х·Jсв, kJ/kg

Загуба на топлина от химично недоизгаряне

Това са загуби, дължащи се на образуването на продукти на непълното горене в димните газове. Обикновено това са въглероден окис, водород, метан. Тъй като парогенераторите утилизатори използват отпадъчна от производствените процеси топлинна енергия, в топлинния им баланс не се включват загуби на топлина от химично недоизгаряне.

Загуба на топлина от механично недоизгаряне на горивото

Най-общо тези загуби се определят с израза

Q4 = Q4пр + Q4шл + Q4отн, kJ/kg,

където:

Q4пр – количеството пропаднало гориво

Q4шл – количеството гориво в шлаката

Q4отн – количеството отнесено гориво

Този вид загуби са характерни както за твърдото, така и при използването на течно гориво. При използването на твърдо гориво в зависимост от вида горене процентът на загубите е различен. При слоево горене загубите се движат в интервала от 5 до 20%, докато при камерното горене са от 1 до 5%. При използването на течно гориво се образуват сажди, които могат да се разглеждат като чист въглерод.

В практиката при действащи парогенератори тези загуби се определят посредством изпитвания. По време на тези изпитвания се взимат проби за количеството пропаднало гориво, шлаката и отнесеното гориво, както и се определя общото (за същото време) количество гориво, подадено в котлоагрегата.

Q4 = (Gпр/Bизп).Qпр + (Gшл/Bизп).Qшл + (Gотн/Bизп).Qотн, kJ/kg,

където:

G е съответното количество пропаднало, шлака и отнесено - kg;

B - количеството гориво, подадено в котела - kg;

Q - калоричността на пропадналото, шлаката и отнесеното - kJ/kg

Количеството на пропадналото гориво и на шлаката е сравнително лесно за определяне за даден интервал от време, приведено към времето на изпитването. Измерването на отнесеното гориво, обаче, е доста трудно и неточно, тъй като част от него остава по газоходите, полепва по стените, а останалото се изхвърля навън, носено от димните газове. За определянето на Gотн се прави баланс на пепелта, която постъпва в парогенератора заедно с горивото. Тя се разделя на пепел в пропадналото гориво, шлаката и отнесеното гориво. Сумата от стойностите на тези три потока трябва да е равна на внесената с горивото пепел в котлоагрегата.

Загуби на топлина от външно охлаждане

Тези загуби са в пряка зависимост от вида и състоянието на изолацията на парогенератора, тъй като се дължат на отдаването на топлина, чрез излъчване и конвекция, от външната повърхност на парогенератора към околната среда. Определянето им е сложна задача, свързана с доста неточности. От теоретична гледна точка загубите на топлина от външно охлаждане се описват с уравнението

Q5 = (Ski.Fi.Dtср i)/B, kJ/kg,

където:

k – коефициент на топлопреминаване

F – площта на повърхнината, граничеща с околната среда

Dtср – средната температурна разлика между средата, движеща се в парогенератора, за съответния участък и температурата на околната среда.

B – разход на горива, kg/s

Известна е зависимостта, че при увеличаване на мощността на парогенератора намаляват загубите на топлина от външно охлаждане. Тъй като, както бе отбелязано, определянето на тези загуби е свързано с доста трудности, за улеснение се използват номограми, при които параметър е номиналната производителност на пара на парогенератора, а самите номограми са построени на базата на голям брой измервания. Недостатъкът при използването им е фактът, че могат да се прилагат само при режими, които са близки до номиналния. Разликата не трябва да бъде повече от 25%. В случаите, при които отклонението е по-голямо, се използва зависимостта q5 = q5ном.Dном/D, %, където Dном и D са съответно номиналната и действителната производителност по пара на парогенератора.

Загубите на топлина от външно охлаждане се дължат както на отдаването на топлина от външната повърхност на парогенератора, така и от топлината, отдадена от всички газоходи.

Загуби на топлина с физическата топлина на шлаката

При изгарянето на твърдо гориво в парогенератора шлаката, която се отделя, напуска съоръжението с температура, по-висока от тази, с която суровото гориво постъпва в системата. Вследствие на което част от освободената в котела енергия се губи с физическата топлина на шлаката. Стойността на тази загубена топлина е в пряка зависимост от температурата и количеството на шлаката.

КПД и разход на гориво

Полезно използваната топлина в парогенератора се определя посредством израза:

Q1 = (hпп - hпв)·D/B + (h” - hпв)·Dнп/B + (h”вп - h’вп)·Dвп/B + (h’ - hпв)·Dпр/B, kJ/kg,

където B е изразходваното гориво, kg/s; D - произведената в парогенератора прегрята пара, kg/s; Dнп - наситената пара, взета непосредствено от барабана (ако има такава), kg/s; Dвп - вторично прегрятата пара, kg/s; Dпр - водата, изхвърлена при продухването на изпарителната система (за изхвърляне на отделилите се от водата соли в парогенератора - обикновено Dпр = (0.005 до 0.05)·D), kg/s; hпп - специфичната енталпия на прегрятата пара, kJ/kg hпв - специфичната енталпия на подхранващата вода, kJ/kg, h’вп - специфичната енталпия на прегрятата пара преди вторичния паропрегревател, kJ/kg,h”вп - специфичната енталпия на прегрятата пара след вторичния паропрегревател, kJ/kg, h” - специфичната енталпия на наситената пара, определена за налягането в барабана, kJ/kg, h’ - специфичната енталпия на кипящата вода, определена за налягането в барабана, kJ/kg.

Известни са два метода за определяне на к.п.д на парогенератор - по прав и обратен топлинен баланс. За работещ парогенератор определянето на брутния коефициент на полезно действие не е трудно осъществимо, тъй като лесно могат да се измерят количествата и параметрите на произведената пара, на изразходвано гориво, както и да се определи калоричността на горивото. В този случай уравнението на правия топлинен баланс ни дава достатъчно точна информация.

В практиката, обаче, при по-големи съоръжения, работещи с твърдо гориво, определянето на разхода на гориво е трудно, а в определени случаи се оказва и невъзможно да се осъществи пряко. Затова се използва обратният топлинен баланс, който дава възможност да се анализират и топлинните загуби. При определянето на нетния КПД на котела се отчита и изразходваната енергия за функционирането на спомагателните съоръжения - помпи, вентилатори и т.н. Намирайки брутния КПД по обратния баланс, и тъй като разходът на пара винаги може сравнително точно да се определи, се пресмята и разходът на гориво.

По-голямата ефективност на утилизационните парогенератори е основното им предимство, поради което намират широко приложение в промишлеността. Тя се дължи на факта, че използват като гориво отпадни газове с висока температура, т.е. оползотворяват вторичен енергиен ресурс. По тази причина една част от загубите, характерни за парогенераторите по принцип, които са свързани със загубите на топлина от механично недоизгаряне, с физичната топлина на шлаката и други, при тях просто отсъстват.




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top