ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

Введение

Теплотехника – общетехническая фундаментальная дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия  и конструктивные особенности  тепло- и парогенераторов , трансформаторов теплоты ,тепловых машин, аппаратов и устройств. Она служит основой энергетического образования при изучении специальных дисциплин в системе подготовки инженеров-технологов и используется в их дальнейшей практической жизни.

Сегодня человеку все  больше приходится задумываться о том, как правильней и экономичней использовать природные богатства. Выгоднее вкладывать средства не в увеличении добычи топлива, чтобы продолжать расходовать его с низкой эффективностью, а в разработку технологических процессов, обеспечивающих более экономное его использование .

Стержневое значение в развитии энергетики имела и  имеет термодинамика, являющаяся теоретической базой для создания теплоэнергетических машин и установок .

Термодинамика – феноменологическая теория макроскопических процессов, сопровождающихся превращениями энергии.

Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам  превращения тепла в механическую работу и механической работы в теплоту, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них, и позволяет выявлять их экономичность для каждого типа отдельно.

В экономике России энергосбережение и энергосберегающие технологии являются приоритетными при внедрении их в производство. Знания принципов работы, расчета и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок позволяют определить – где, что, в каких количествах, куда и почему теряется. Эффективность, безопасность, надежность и экономичность работы оборудования котельных во многом определяются методом сжигания топлива, совершенством и правильностью выбора оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией и степенью подготовки обслуживающего персонала.

В данной работе на примере  котельного агрегата рассматриваются методы расчета процесса сжигания и расхода топлива, к.п.д., теплового и энергетического балансов. Экономия топлива при его сжигании является одной из важнейших задач в решении топливно-энергетической  проблемы. Вопросы  экономии топлива и рационального использования тепла решаются в курсовой работе применением в схеме котельной установки экономайзера, воздухонагревателя, котла-утилизатора.

 

 

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литературный обзор

Котельный агрегат - это комплекс устройств, в котором в результате сжигания топлива вырабатывается тепловая энергия, передающаяся теплоносителю. Чаще всего, в качестве теплоносителя служит вода и пар. 
В зависимости от вида теплоносителя бывают водяные и паровые котлы. 
В зависимости от вида сжигаемого топлива бывают котлы работающие на твёрдом, жидком и газообразном топливе.                                         
На сегодня в России самым дешевым и доступным видом топлива является магистральный газ. При сжигании газа получается больше полезного тепла, чем при сжигании любого другого вида органического топлива, а в продуктах сгорания содержится меньше вредных веществ, загрязняющих атмосферу. Кроме того, котлы, работающие на природном газе, практически не подвергаются коррозии и более долговечны, чем твердотопливные или жидкотопливные котлы. Но, к сожалению, магистральный газ не всегда доступен. Хранить жидкое топливо можно в специально оборудованном помещении. Во время работы котла дизельное топливо в смеси с воздухом сжигается. При этом образуется большое количество серных выделений, которые конденсируют на стенках котла, особенно при низкой температуре теплоносителя. В котлах с тепловоспринимающими поверхностями из чугуна конденсат меньше, чем в стальных котлах, поэтому обычно жидкотопливные котлы выпускают в чугунном исполнении, что ощутимо увеличивает их вес. В условиях работы котла на жидком топливе становится особо актуальным вопрос об установке автоматической системы контроля, так как она заметно помогает сэкономить тепловую энергию. Котлы, работающие на газообразном и дизельном топливе, не требуют дополнительных временных затрат по уходу за ними, так как работают они автоматически на протяжении всего отопительного сезона. Потребуются лишь сезонные профилактические работы [4].

Дефицит ископаемого углеводородного сырья приводит к необходимости углубления переработки нефтяных остатков (и переработки битуминозных пород). Это означает, что мазут прямой перегонки и гудрон пойдут в основном на производство моторных топлив, и производство котельных топлив на их основе резко сократится. С другой стороны, быстрый рост добычи природного газа и его использование в энергетических установках, а также развитие атомной энергетики в какой-то мере компенсируют необходимость сжигания котельных топлив. 
Поэтому перспективы производства котельных топлив состоят в следующем: 
• выработка котельных топлив в целом будет снижаться (за счет природного газа, АЭС и других альтернативных источников производства энергии); 
• в общем балансе котельных топлив доля продуктов первичной перегонки (мазута, гудрона) резко упадет, так как они пойдут на производство моторных топлив глубокой переработкой остатков; 
• в состав вырабатываемых в уменьшенных количествах котельных топлив преимущественно войдут остатки и газойли вторичных процессов каталитического крекинга, гидрокрекинга, висбрекинга, термокрекинг и коксования; 
• выработка печных топлив на основе отходов масляного производства и остатков каталитического крекинга сохранится на прежнем уровне.

Таблица1-Виды и КПД  топлива

Вид топлива	КПД брутто (%)
Электроэнергия	97,0
Газ	87,1
Древесные гранулы	86,0
Дизельное топливо	81,6
Древесная щепа, сухие  опилки	80,5
Мазут	72,6
Каменный уголь	56,1
Продолжение Таблицы 1
Дрова	49,5
Торф	38,6
Сырые древесные опилки	35,1

 

Котельное топливо - это самое крупнотоннажное и массовое топливо, вырабатываемое для котельных агрегатов электростанций, технологических печей (в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве), судовых котельных установок и тихоходных дизелей

Котельное топливо вырабатывается как многокомпонентное топливо  на основе остатков перегонки нефти, термокрекинга и висбрекинга. 

Компонентами котельных топлив являются: 
• мазут первичной перегонки (или гудрон выше 480 °С); 
• крекинг-остаток термокрекинга и висбрекинга; 
• тяжелые газойли каталитического крекинга, термокрекинга и коксования; 
• отходы масляного производства (асфальты, экстракты, гачи); 
• легкие газойли (250-360 °С) любого вторичного процесса.

Общая выработка котельных  топлив составляет в настоящее время в России около 60 млн т/год.

Виды котельных топлив: топочные мазуты, печные и технологические экспортные топлива. Топочные мазуты выпускаются по ГОСТ 1058-75. Они бывают: 
• легкие (флотские) марок Ф-5 и Ф-12 (для судовых дизелей и котельных установок); 
• средние марки М-40 (топочное и печное топливо общего назначения); 
• тяжелые марки М-100 (топочное и печное общего назначения). 
Печные топлива выпускаются по ГОСТ 14298 марок МП, МП-1 и МПВА 
(для металлургических печей), различающихся по содержанию серы и коксуемости. 
Экспортные технологические топлива марок Э-2, Э-3, Э-4 и Э-5 маловязкие, с добавлением до 25 % дизельного топлива.

Основные требования к физико-химическим свойствам 
Рассмотрим основные физико-химические свойства котельных топлив. Вязкость - основной показатель, входящий в обозначение марок.

Вязкостью определяются: 
• распыление топлива (т.е. полнота его сгорания); 
• условия слива и налива при транспортировке топлива; 
• схема топливных систем у потребителя (обогрев, перекачка, гидравлические сопротивления при транспортировке топлива по трубопроводам, эффективность работы форсунок).

От вязкости в значительной мере зависят скорость осаждения  механических примесей при хранении, а также способность топлива  отстаиваться от воды.

В США для определения вязкости используют вискозиметр Сейболта универсальный (для маловязких мазутов) и Сейболта - Фурола (для высоковязких мазутов), а в Англии - вискозиметр Редвуда. Между определенными в различных  единицах значениями вязкости существует зависимость. В ряде спецификаций указывают вязкость, найденную экспериментально и пересчитанную в кинематическую.

На практике часто используют вязкостно-температурные  кривые. С повышением температуры различие в вязкости топлив существенно уменьшается. 

Для мазутов, как и для всех темных нефтепродуктов, зависимость вязкости от температуры приближенно описывается уравнением Вальтера:

lglg(v*10-6 + 0,8) = A – B*lgT,

где v - кинематическая вязкость, мм2/с; А и В- коэффициенты; T - абсолютная температура, К.

Вязкость не является аддитивным свойством и при смешении различных котельных топлив ее следует определять экспериментально. 
Нормы по вязкости при 50 °С составляют от 5 до 12°ВУ (36 и 89 мм2/с), а при 80 °С для М-40 и М-100 - 8 и 16 °ВУ (59 и 118 мм2/с). Экспортные топлива - более маловязки и для них допускается вязкость ВУ80 не более 2-5 °ВУ [6].

Котельные и тяжелые  моторные топлива являются структурированными системами, поэтому при сливно-наливных операциях для их характеристики помимо ньютоновской вязкости необходимо учитывать реологические свойства (напряжение сдвига и динамическую вязкость, определяемую на вискозиметре "Реотест"). Для всех остаточных топлив характерна аномалия вязкости: после термической обработки или механического воздействия повторно определяемая вязкость при той же температуре оказывается ниже начальной.

Содержание серы - важнейший показатель топлива, определяющий работу топок и печей. Содержание серы в остаточном топливе зависит от класса перерабатываемой нефти (сернистая или высокосернистая) и определяется соотношением:

S_ост = S_неф (ρ_ост / ρ_неф – 1)*1.25,

где S_ост и S_неф - содержание серы в остатке и нефти; ρ_ост и ρ_неф - относительные плотности остатка и нефти.

Тяжелые топлива не содержат меркаптановой серы, поэтому продукты их сгорания менее коррозионно-активны, чем продукты сгорания светлых сернистых нефтепродуктов. Вредное влияние серы проявляется в трех аспектах. Во-первых, это образующиеся при ее сгорании оксиды S0₃ и S0₂. Наличие в газах S0₃ повышает температуру начала конденсации влаги - точку росы. Она повышается на 50-60 °С при повышении содержания серы от 0 до 2 %. А поскольку температура "хвостовых" поверхностей котлов, печей и т.д. (воздухоподогревателей, экономайзеров) равна точке росы дымовых газов, на этих поверхностях конденсируется серная кислота, которая вызывает усиленную коррозию.

Во-вторых, в металлургических печах оксиды серы реагируют с  расплавленным металлом, ухудшая  его качество (особенно легированного металла). В-третьих, оксиды серы, выброшенные в атмосферу, сильно загрязняют окружающую среду. По этим трем причинам в ряде зарубежных стран приняты ограничения по содержанию серы в мазутах до уровня 0,5-1,0 %. Обессеривание мазутов очень сложно технологически, особенно если учесть, что количества их очень велики, очистка же дымовых газов от оксидов серы - не менее сложный процесс и поэтому он не внедряется. Ниже приведены нормы по содержанию серы в котельных топливах, полученных из разных нефтей:

из малосернистых нефтей…………….. 0,5-1,0, 
из сернистых нефтей………………….. 2,0, 
из высокосернистых нефтей………….. 3,5.

Если учесть, что котельных  топлив сжигается в год около 60 млн т, то выбросы S02 и S03 составляют около 2 млн т в год, а это  грозит логической катастрофой для человечества.

Температура застывания, как и вязкость, характеризует условия транспортировки, слива и налива, перекачивания топлива и топливоподготовки. Нормы температуры застывания для разных марок

топочных мазутов таковы (°С): 
Ф-5 …………… - 5, 
Ф-12 ………….. – 8, 
М-40 ………….. + 10, 
М – 100 ……….. + 25, 
МП …………… + 25, 
МП-1 …………. + 30,

Эта температура зависит  от качества перерабатываемой нефти  и от способа получения топлива.  Большое влияние на температуру застывания оказывает температура нагрева, скорость охлаждения, наличие или отсутствие перемешивания. Для снижения температуры застывания применяют депрессорные присадки (Севилен), действие которых основано на том, что они модифицируют структуру кристаллизирующегося парафина и тем самым препятствуют образованию прочной кристаллической решетки. Эффективность действия депрессорной присадки зависит, прежде всего, от содержания н-парафинов и их температуры плавления: чем их больше, тем менее эффективен депрессатор.

Наибольшее депрессорное действие оказывает присадка на асфальто-смолистые вещества, и чем их больше, тем больше депрессорное действие присадки.

Коксуемость котельных топлив - это в первую очередь показатель коксоотложений у устья форсунок, в результате чего искажается форма факела и ухудшается распыление и полнота горения топлива. 
Нормируется только для легких топлив Ф-5 и Ф-12 (не более 6 %), а для тяжелых котельных топлив М-4,0 и М-100 не нормируется вообще. 
Для печных топлив наоборот: чем больше, тем лучше. Это связано не с работой форсунок (это здесь не главное), а с технологией плавки металлов. Для плавки металла должен быть интенсивный лучистый теплообмен от пламени к металлу, а значит, интенсивная светимость пламени. Светимость же пламени тем больше, чем выше в топливе содержание высокомолекулярной ароматики и асфальтенов, т.е. чем больше коксуемость топлива. Поэтому нормы для печных топлив - не "не более", а "не менее":