6) Эксергетический баланс парогенератора

Работоспособность (эксергия) тепла Q, МВт, при температуре Τ может быть определена из соотношения, справедливого для обратимого цикла Карно:

,

где Т₀ — абсолютная температура ок­ружающей среды.

Коэффициент (1—Т₀/Т) учиты­вает качество тепла при температуре окружающей среды Т₀.

Эксергия потока E_М = I - I₀ - T₀(S-S₀),

где I и I₀ — энтальпия потока и ок­ружающей среды;

S-S₀ — измене­ние энтропии горячего источника.

Эксергетический к. п. д. представляет собой отношение полезно усвоенной эксергии к эксергии затра­ченной и определяется по формуле, %,

Здесь Е_пот – потери эксергии.

Основными потерями эксергии являются: потери из-за необра­тимости горения топлива; потери из-за необратимости теплообмена; потери при смешении.

Потери эксергии вслед­ствие необратимости про­цесса горения, МВт:

Е^гор. = Е_топ. + Е_в. – Е_п.с.,

где Ε_топ = еВ — эксергия топлива, поступающего в котельную установку. е  Q^p_Н, МДж/кг (или МДж/м³);

Е_в - эксергия воздуха, выносимого из котельной установки;

Е_п.с. - эксергия продуктов сгорания, уходящих из котельной установки.

Потери эксергии от необратимости теплооб­мена, МВт:

Е^Т = (Е₁ – Е₂) – (Е₄ – Е₃) – Е^н.о._пот.,

где Е₁ и Е₂ — эксергия греющего по­тока теплоносителя на входе и на вы­ходе рассматриваемого участка;

Е₃ и Е₄ — эксергия нагреваемого потока на входе и на выходе рассматри-ваемого участка;

Е^н.о._пот. = Q_н.о.(1 — T₀ /T_ср.) — потери эксер­гии рассматриваемым участком от на­ружного охлаждения (т.е. от непереданной теплоты).

Потери эксергии при смешении потоков с различными температурами (Т₁ и Т₂) имеют место, например, при подсосе воздуха в парогенератор, МВт:

E^см. = E_Tl+E_T2 – E_см.,

где E_Tl ,E_T2 — эксергии смешиваю­щихся потоков;

E_см. — эксергия по­тока после смешения.

При тепловом к. п. д, паро­генератора _пг.=90%, эксергетический к, п. д., может составлять всего ^экс_пг.=46%. Такой низкий (эксергетический) к.п.д. объясняется значительными потерями при передаче тепла от топлива, обладаю­щего химической энергией высокого потенциала, к низкопотенциальному пару.

ПРИКЛАДИ РІШЕННЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Визначити склад робочої маси вугілля марки Д, якщо склад його горючої маси: C^г=80,0%, Н^г=5,6%, S^г_л=0,4%, N^г=2,5%, О^г=11,5%, зольність сухої маси А^с=12,0% і вологість робоча W^р=9,5%.

Рішення

Використовуючі формулу перерахунку, знаходимо зольність робочої маси палива:

Для знаходження складу робочої маси палива обчислимо коефіцієнт k:

Тоді склад робочої маси палива становитиме:

С^Р = С^Г · k = 80 · 0,68 = 54,4%;

H^Р = H^Г · k = 5,6 · 0,68 = 3,8%;

S^Р_Л = S^Г_Л · k = 0,4 · 0,68 = 0,27%;

N^Р = N^Г · k = 2,5 · 0,68 = 1,7%;

O^Р = O^Г · k = 11,5 · 0,68 = 7,82%;

Перевірка: С^Р + H^Р + S^Р_Л + N^Р + O^Р + А^Р + W^P = 54,4% + 3,8% + 0,27% +

1,7% + 7,82% + 17% + 15 = 99,99%.

Задача 2. Визначити теоретичний і дійсний об’єм повітря, необхідного для згоряння та об’єм продуктів повного згоряння на виході з топки, якщо склад природного газу: СО₂=0,4%, СН₄=97,8%, С₂Н₆=0,1%, С₃Н₈=0,5%, С₄Н₁₀=0,2%, N₂=1,0%, коефіцієнт надлишку повітря α_т=1,2.

Рішення

Теоретически необходимый объем воздуха составит:

V⁰_возд. = 0,048[ 0,5CO + 0,5H₂ + 1,5H₂S + (m + n/4)C_mH_n  О₂],

V⁰_возд= 0,048(0 + 0 + 0 + 297,8 + 3,50,1 + 50,5 + 6,50,2 – 0) = 9,55 (м³/м³).

(CO, H₂, H₂S и О₂ отсутствуют в составе топлива, а СО₂ и N₂ не горят)

Действительный объем воздуха, расходуемого на горение:

V_д = _т V⁰_возд = 1,2·9,55 = 11,46 (м³/м³).

Объем продуктов полного сгорания при α_т >1:

V_г = V_с.г. + V_Н2О (м³/м³).

Объем сухих газов:

V_с.г. = V_RO2 + V⁰_N2 + (_т – 1)V⁰; (м³/м³).

Объем трехатомных газов:

V_RO2 = 0,01(CO₂ + CO + H₂S + mC_mH_n); (м³/м³).

Теоретический объем азота:

V⁰_N2 = 0,79V⁰ + 0,01N₂; (м³/м³).

Выполняем расчеты:

V⁰_N2 = 0,79 · 9,55 + 0,01· 1 = 7,55 (м³/м³);

V_RO2 = 0,01(CO₂ + CO + H₂S + СН₄ + 2·С₂Н₆ + 3·С₃Н₈ + 4·С₄Н₁₀) =

= 0,01(0,4 + 0 + 0 + 97,8 + 0,2 + 1,5 + 0,8) = 1,007 (м³/м³);

V_с.г. = 1,007 + 7,55 + (1,2 – 1)  9,55 = 10,47 (м³/м³).

Объем водяных паров:

V_Н2О = 0,01(Н₂ + H₂S +  C_mH_n ) + 0,0161 α_тV⁰_в =

= 0,01·( Н₂ + H₂S + 2· СН₄ + 3·С₂Н₆ + 4· С₃Н₈ + 5· С₄Н₁₀) + 0,0161 α_тV⁰_в =

= 0,01·(0 + 0 + 2·97,8 + 3·0,1 + 4·0,5 + 5·0,2) + 0,0161·1,2·9,55 = 2,174 (м³/м³).

V_г = 10,47 + 2,174 = 12,644 (м³/м³).

Ответ: V_г = 12,644 (м³/м³).

Задача 3. Визначити теоретичний та дійсний об’єми продуктів згоряння (тобто об’єм продуктів повного згоряння) на виході з топки, якщо склад робочої маси вугілля: C^р=56,6%, Н^р=6,7%, S^р_л=0,4%, N^р=1,5%, О^р=11,8%, А^р=12,5%, W^р=10,5%, коефіцієнт надлишку повітря α_т=1,2.

Решение:

Теоретически необходимый объем воздуха составит:

V⁰_в = 0,089С^р + 0,267Н^р + 0,033(S^р_лет–О^р); [м³ воздуха/кг топлива]

V⁰_в = 0,08956,6 + 0,2676,7 + 0,033(0,4 – 11,8) = 6,45 (м³/кг)

Теоретический объем продутов сгорания при α_т=1,0 определяем по формуле:

V⁰_г = V⁰_с.г. + V⁰_Н2О, [м³/кг].

Здесь: V⁰_с.г. = V_RO2 + V⁰_N2 = 0,0187С^р + 0,007S^р_лет +0,79V⁰ + 0,8 =

= 0,018756,6 +0,0070,4 +0,796,45 +0,8 = 6,23(м³/кг);

V⁰_Н2О = 0,111Н^р + 0,0124W^p + 0,0161V⁰ =

= 0,1116,7 + 0,012410,5+ 0,01616,45 = 0,97 (м³/кг).

Тогда:

V⁰_г =6,23 + 0,97 = 7,2 (м³/кг).

Действительный объем продуктов сгорания при α_т=1,2 определяем по формуле:

V_г = V_с.г. + V_Н2О, [м³/кг].

Слагаемые в правой части находим по формулам:

V_с.г = V⁰_с.г. + (_т – 1)V⁰;

V_Н2О = V⁰_Н2О + 0,0161·(_т – 1)V⁰.

Сводим в одно выражение и вычисляем:

V_г = V⁰_с.г. + (_т – 1)V⁰ + V⁰_Н2О + 0,0161·(_т – 1)V⁰ =

= V⁰_с.г + V⁰_Н2О + 1,0161·(_т – 1)V⁰ = 6,23 + 0,97 + 1,0161·0,2·6,45 = 8,51(м³/кг).

Ответ: V⁰_г = 7,2 м³/кг; V_г = 8,51м³/кг.

Задача 4. Визначити нижчу та вищу теплоту згоряння робочої маси вугілля марки Д, якщо склад його горючої маси: C^г=77,5%, Н^г=5,6%, S^г_л=0,4%, N^г=2,5%, О^г=14,0%; зольність сухої маси А^с=12,0% і вологість робоча W^р=11,0%.

Рішення

Пересчитываем горючую массу топлива в рабочую.

Коэффициент пересчета:

Состав рабочей маси топлива:

С^Р = С^Г · k = 77,5 · 0,78 = 60,45%;

H^Р = H^Г · k = 5,6 · 0,78 = 4,37%;

S^Р_Л = S^Г_Л · k = 0,4 · 0,78 = 0,31%;

N^Р = N^Г · k = 2,5 · 0,78 = 1,95%;

O^Р = O^Г · k = 14 · 0,78 = 10,92%.

Низшую теплоту сгорания рабочей массы топлива находим по формуле Менделеева:

Q^Р_Н = 338·60,45 + 1025· 4,37 + 109·(0,31 - 10,92) - 25·11 = 23562 (кДж/кг).

Высшая теплота сгорания:

Q^р_В = Q^р_н + 225Н^р + 25W^р = 23562 + 2254,37 + 2511 = 24820 (кДж/кг).

Ответ: Q^Р_Н = 23562 (кДж/кг); Q^р_В = 24820 (кДж/кг).

4