Термодинамическое совершенство системы «Котельная установка-потребители теплоты» дизельных судов

Масштабы современной энергетики таковы, что потребление ресурсов и взаимодействие с окружающей средой носят глобальный характер. Одним из путей, направленных на энергосбережение природных ресурсов и защиту окружающей среды, является максимальный учёт расходов рабочих сред энергетическими установками, в том числе и судовыми.

Снижение расходов топлива и выбросов в атмосферу в значительной степени зависит от правильного проектирования тепловых схем энергетических установок, при котором учитывается наибольшая часть тепловых потерь. Как правило, решение вопросов, определяющих эффективность тепловой схемы, осуществляется на основе материального баланса энергопотоков установки. Однако, такой подход к расчёту носит односторонний характер, так как при этом не учитываются реальные процессы, сопровождающие рабочий режим проектируемой установки.

В большей степени величина возникающих потерь может быть учтена при использовании анализа тепловых схем методом эксергетического баланса, при котором энегергетическое совершенство определяется не только взаимодействием участвующих масс, но таким термодинамическим показателем, как потери эксергии в процессе и суммарный эксергетический КПД.

Для внедрения новых и модернизации существующих разработок проведение термодинамического эксергетического анализа позволяет решить две задачи: учёт степени термодинамического совершенства рабочих процессов энергетических установок и указание путей увеличения экономии топлива и электроэнергии, вводимых извне. Энергозатраты в судовых системах и механизмах, в значительной степени, обусловлены несовершенством конструкций и неоптимальной организацией тепловых процессов. Применение метода, основанного на эксергетических балансах, позволяет комплексно учитывать особенности работы установки. Имеемые данные показывают, что из общего снижения расхода условного топлива на морском транспорте за последние десятилетия, равного 45,5%, на долю снижения расхода вследствие совершенствования судовых энергетических установок приходится 42,5% [23].

Развитию эксергетического подхода послужили работы Д. П. Гохштейна, И. Р. Кричевского, Я. Шаргута, А. И. Андрющенко, В. М. Бродянского, Г. Н. Кос-тенко, Г. П. Верхивкера, A.M. Цирлина, А. Н. Штыма, В. Н. Слесаренко и др. Одним из направлений, где используется указанный метод, является оценка термодинамического совершенства теплообменных аппаратов и котлов.

Д.П. Гохштейн рассматривает теплообменник как изолированную систему с входящими и выходящими потоками, которые характеризуются расходом и энтропией [30]. В работе представлены примеры эксергетического анализа больших промышленных котлов, в силу высоких параметрических характеристик не приемлемые для судовых котельных установок. При этом отсутствует расчёт химической составляющей эксергии в уходящих газах, что делает пренебрежение этой составляющей бездоказательным. В настоящее время, использование работ Я. Шаргута и Р. Петелы [127] и исследований [20, 53], расчёт этой величины не вызывает затруднений. Д. П. Гохштейн приводит выражение для эксергетического КПД котла нетто, не учитывающее всей разветвлённой сети вспомогательных элементов и систем, работающих совместно с котлом. Неучёт величины выполненной работы по перемещению среды делает рекомендуемую формулу непригодной для нахождения эксергетического КПД всей котельной установки.

В.М. Бродянский называет котёл «пожирателем» эксергии при рассмотрении потерь конденсационной электростанции [21] и доказывает существенную разницу в оценке эффективности по энергетическому и эксергетическому балансам. По данным [21], КПД котла, рассчитанный энергетическим методом, составляет 90,9% при величине эксергетического КПД 77^=46,1%. Это показывает, что благополучие здесь кажущееся. Действительно, более 90% теплоты, выделившейся при сгорании топлива, передано воде и пару, но, поскольку разность температур между продуктами сгорания, с одной стороны, водой и паром — с другой, составляет несколько сот градусов, процесс теплопередачи протекает с большими потерями эксергии. В результате высокий потенциал теплоты, отдаваемой продуктами сгорания, обесценивается почти на 25%. Автор делает предположение, что, возможно, больший регенеративный подогрев питательной воды совместно с предварительным нагревом рабочего воздуха и промежуточным перегревом пара позволяет повысить среднюю температуру теплопод-вода, а тем самым и КПД станции, но повышение параметров пара имеет технические и экономические пределы. К сожалению, В. М. Бродянский не довёл решение этой задачи до практического результата.

Л.П. Андреев и Г. Н. Костенко предложили упрощённые формулы для расчёта эксергетического КПД теплообменника. При достаточной простоте, эти формулы пригодны только для конвективного теплообмена, что делает их неточными при расчётах котлов, в которых значительная часть энергии передаётся радиацией.

Я. Шаргут и Р. Петела приводят в работе эксергию радиации, но не применяют полученные зависимости при расчёте котлов. Расчётами показано, что подогрев исходных продуктов, поступающих в котёл, уменьшает потери от необратимости и утверждается, что существует оптимальная температура подогрева применительно ко всей установке, но полученные уравнения не увязывают с опытными данными для действующих котлов.

В.Б. Ипатовым проведён анализ теплоэнергетического оборудования и определены тарифы в АО «ДАЛЬЭНЕРГО» на базе эксергетического метода [46]. В работе подтверждено, что, используя этот метод, можно рассчитать тарифы на тепло и электроэнергию более обоснованные, чем при использовании тепловых балансов, но, как и в указанных выше работах, автор исследует большие промышленные котлы, не затрагивая потери эксергии во вспомогательных системах, обслуживающих котёл, и не делает разницы в расчётах эксергии радиации и конвективного теплообмена.

Основной характеристикой экономичности котлов является КПД брутто. В справочной литературе его значение колеблется от 75 до 95%. Более интересным, по нашему мнению, было бы значение КПД котла нетто, так как при этом учитываются потери в обслуживающих котёл устройствах. Однако, вследствие того, что схема котельной установки зависит от типа судна, эта величина не получила достаточного распространения, хотя она позволяет определить потери теплоты при производстве пара более точно.

Расчёт потерь эксергии применительно к стационарным энергоустановкам показывает, что основная их доля приходится на котёл (по Я. Шаргуту, эк-сергетический КПД котла достигает, в лучшем случае, 50%), что указывает на безвозвратную потерю 50% входящей эксергии. При таком соотношении, представляется целесообразным рассмотреть потери эксергии в каждом элементе котла и возможности их сокращения с учётом способа теплопередачи. Определить их значение во всех вспомогательных устройствах, обеспечивающих функционирование котла.

Следует отметить, что верхняя граница КПД относится к мощным промышленным котлам с развитыми «хвостовыми» поверхностями нагрева и значительными параметрами пара. Вспомогательные котлы дизельных судов имеют эксергетический КПД значительно более низкий.

Применительно к судовой энергетической установке, значительная доля потребляемого расхода топлива приходится на котельную установку. По данным С. В. Камкина, для сухогрузных судов эта доля составляет 3 — 8%, для танкеров — 22 — 47%, для рефрижераторных судов — 4 — 8% [50]. Исходя из количества публикаций в научной литературе, следует признать, что экономическому совершенству главного двигателя СЭУ уделяется значительно больше внимания, чем второму, по величине потребляемого топлива для значительного количества судов, агрегату — котлу.

В двигателях и котлах очевидна целесообразность борьбы за доли процента КПД. В противоположность этому, обычно, мало считаются с тем, что КПД большинства технологических процессов, выраженный через теоретический и действительный расходы теплоты, чрезвычайно мал [19].

При термодинамическом анализе эффективности преобразования энергии, под которой подразумевается получение максимальной выработки данной продукции (мощность), минимальные затраты на эксплуатацию комплектующих установку агрегатов и достижение при этом минимально вредных экологических изменений, принято использовать энергетический метод, конечной величиной для которого является эффективный КПД установки. Этот метод принято считать определяющим при оценке эффективности процессов и аппаратов.

Однако он характеризуется недостатками, выражающимися в том, что не учитывается качественная неравноценность теплоты и работы, так как теплота различного потенциала отличается неоднозначной работоспособностью. При этом, при определении КПД, во внимание принимаются только те потери, которые зависят от внутренней необратимости цикла, а величина потерь, связанных с конечной разностью температур источников теплоты и рабочего тела, не учитывается.

Принято считать, что достигнутые значения КПД современного котлоаг-регата, полученные при проектировании на основе энергетического баланса, имеют достаточно высокие значения (95−98%).

Передача теплоты при конечной разности температур представляет собой необратимый процесс, сопровождающийся увеличением энтропии и потерей доли максимально возможной работы. Величина необратимо рассеиваемой энергии в замкнутой термодинамической системе пропорциональна повышению энтропии этой системы [12]. Как известно из классической термодинамики, оптимальными, в смысле полезного использования энергии, являются обратимые процессы, в которых энтропия системы не возрастает.

Так оценка потерь необратимого процесса теплообмена от продуктов сгорания только в топке котла в среднем составляет 45−49% теплотворной способности топлива, что указывает на существенное несовершенство топочного устройства.

Это положение указывает на целесообразность оценки эффективности преобразования энергии в элементах энергетической установки отношением действительно полученной эксергии к максимальной эксергии, получаемой за счёт затрачиваемой энергии, что возможно реализовать при использовании эк-сергетического метода и установления на его основе КПД.

В особенности это относится к оценке эффективности преобразования энергии в судовом котле, так как она определяется без взаимосвязи с обслуживающими его элементами.

Пополнение и развитие современного морского транспортного флота осуществляется за счёт строительства судов с дизельными силовыми установками. Работа таких установок связана с использованием водяного пара, который производится вспомогательным котлом. Характерной особенностью котлов является их низкая паропроизводительность. Для сухогрузных судов дедвейтом до 50 тыс. т отечественной и иностранной постройки паропроизводительность вспомогательных парогенераторов составляет 0,4 — 1,2 т/ч и не превышает 2,7 т/ч [108].

Создание вспомогательных котлов и обслуживающих их устройств рассматриваются как второстепенные по значимости агрегаты. Этим объясняется тот факт, что на современных теплоходах до настоящего времени используются недостаточно экономичные конструкции котлов [34]. Качественные показатели этих установок остаются достаточно низкими, и вносимые изменения касаются, в основном, производительностей и поверхностей нагрева [78, 107]. Тепловая схема, способы и аппаратура управления практически остаются неизменными. Достаточно сказать, что на судах рыбодобывающего флота существующие типы котлов не в состоянии обеспечить потребности в паре, удельные расходы топлива очень высокие, а КПД — низкие [101].

Это объясняется тем, что для судовых вспомогательных котлов отсутствует теоретическая основа определения теплоэнергетической эффективности, построенная на анализе потерь не только котла, но и устройств, его обслуживающих. Расчёт котлов этого типа нормативным методом (энергетический баланс) приводит к высоким значениям КПД, не показывающим, что есть большие резервы для экономии топлива.

Как видно из приведенного анализа, это связано, с одной стороны, отсутствием учёта всех потерь, которые сопровождают процесс горения в котле, а также исключением из расчётов эксергетических потерь в обслуживающих котёл устройствах и, следовательно, в тепловой схеме получения и расходования теплоты в целом, 4jo, в конечном счёте, при эксплуатации проявляется в более высоких расходах топлива и низкой эффективности использования теплоты.

Исследованиями тепловых схем энергетических установок (Гохштейн Д.П., Бродянский В. М., Андреев Л. П., Андрющенко А. И., Каневец Г. Е., Вуко-вич Л.К.) доказано, что, при их анализе, с использованием эксергетических балансов, можно получить реально достигаемые при эксплуатации показатели тепловой эффективности.

В соответствии с результатами, полученными при анализе процесса действующих на судах вспомогательных котлов, установлено, что как с термодинамической, так и технической точек зрения, необходимо решить ряд задач, на основе которых предложить рекомендации по их последующему совершенствованию.

Решение этих задач реализуется за счёт выполнения исследования, целью которого является:

— оценка процесса вспомогательных котельных установок на базе энергетических балансов и опыта эксплуатации- - эксергетический анализ процессов горения и теплообмена и характеризующих их потерь в котле, с раздельным учётом теплоты, переданной радиацией и конвекцией;

— оценка влияния параметров котла, коэффициента избытка воздуха, температуры окружающей среды на величину эксергетических потерь;

— построение теоретической модели, рассматривающей процессы выработки и использования теплоты как единую систему «котельная установкапотребители теплоты», и программы её решения на ЭВМ;

— определение удельных затрат эксергии судовых вспомогательных котлов с установлением их значений на основе эксергетических потерь;

— разработка рекомендаций по совершенствованию теплового расчёта котельной установки за счёт привлечения эксергетического метода;

— сравнение энерго-экономических показателей действующих судовых котельных установок с достигаемыми при проектировании с учётом эксергетических потерь.

Объектом исследования является система «котельная установка — потребители теплоты» дизельных судов, её тепловые схемы на судах различного на—значения. Предметом исследования является влияние КПД элементов тепловой схемы на экономичность системы «котельная установка — потребители теплоты».

В работе использованы теоретический и экспериментальный методы исследования. Теоретические исследования основаны на эксергетическом и энтропийном методах оценки совершенства элементов тепловой схемы, термодинамике необратимых процессов и методах графового анализа установок. Экспериментальные исследования включают численное моделирование любого теплового режима системы «котельная установка — потребители теплоты» на ЭВМ и физическое — на котельной установке УПС «Надежда». Результаты опытов обработаны математическими методами с применением теории погрешностей измерений.

Предметом защиты являются следующие основные положения диссертационной работы, определяющие её научную новизну:

1. Новые научно-технические решения по оценке и повышению, термодинамического совершенства судовой системы «КУ — потребители теплоты».

2. Анализ зависимости прироста энтропии от коэффициента избытка воздуха, температуры воды и воздуха и их влияния на эксергетический КПД.

3. Оценку процессов горения и теплообмена на основе учёта сопровождающих их необратимых потерь.

4. Термодинамический анализ распределения теплового потока в котле между поверхностями нагрева.

5. Методику использования моделирования на ЭВМ теории графов для установления взаимодействия системы «котельная установка — потребители теплоты».

Практическую ценность имеют следующие результаты:

1. Разработана программа для ЭВМ, предназначенная для моделирования тепловых режимов системы «котельная установка — потребители теплоты», что позволяет выбирать КУ уже на стадии проектирования.

2. Даны рекомендации по расчёту расхода топлива и КПД судовой системы «котельная установка — потребители теплоты», основанные на выполненном эксергетическом анализе.

3. Показана целесообразность увеличения площади лучевоспринимающих труб, участвующих в конвективном теплообмене, с целью совершенствования эффективности теплообмена в топке.

4. Указаны элементы системы «котельная установка — потребители теплоты», характеризующиеся наибольшими значениями необратимых потерь и требующие замены в тепловой схеме.

5. Предложена схема, позволяющая применить регулирование воздушной заслонкой по закону минимального суммарного производства энтропии во всех процессах, происходящих при генерации пара.

4.5. Выводы по главе.

1. Предложена методика определения составляющих затрат по системе «КУ — потребители теплоты» на основе значений эксергии на топливо, вспомогательные устройства и рабочую среду с рекомендациями по возможности их применения на ЭВМ.

2. Для совместного наиболее полного учёта как эксергетических потерь, так и экономических затрат, показана возможность использования коэффициента технико — экономического совершенства, в который включают значения це и сумму капитальных и эксплуатационных затрат.

3. Проведена оценка составляющих капитальных и эксплуатационных затрат для систем «КУ — потребители теплоты» трёх типов судов при однозначных периодах работы.

4. Определено изменение коэффициента технико — экономического совершенства для системы «КУ — потребители теплоты» т/х «Амур» с учётом затрат на предлагаемую модернизацию её тепловой схемы.

5. Показано, что при расчётах стоимости вырабатываемого котельной установкой пара по прямому методу, без учёта необратимости процессов в систе ме «КУ — потребители теплоты», имеют место заниженные значения на 8 — 12%.

Оценка термодинамического совершенства системы «КУ — потребители теплоты» и котла дизельного судна, позволили получить результаты, которые могут быть использованы при проектировании новых и анализа работы находящихся в эксплуатации систем «КУ — потребители теплоты».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При решении задач, сформулированных и реализованных в работе, получены следующие основные результаты:

1. Разработаны теоретические основы оценки термодинамического совершенства тепловой эффективности системы «КУ — потребители теплоты» по схеме взаимодействия материальных потоков, направленные на совершенствование судовых котельных установок.

2. Проанализированы показатели экономичности всех элементов тепловой схемы КУ и потребителей теплоты для установления и доказательства их значимости в составе системы «КУ — потребители теплоты».

3. Показана возможность применения эксергетического метода для расчёта расходуемого котлом топлива в зависимости от параметров используемой теплоты и температуры окружающей среды.

4. Получены теоретические зависимости и разработаны алгоритм и программа ПЭВМ для расчёта тепловой эффективности системы «КУ — потребители теплоты» на основе:

— представления КУ и потребителей теплоты как системы с взаимодействующими связями;

— определения степени влияния каждого элемента тепловой схемы на параметры процесса и построения опорного граф-дерева материальных и энергетических потоков;

— определения уравнения эксергетического КПД системы «КУ — потребители теплоты» в зависимости от значений эффективности и коэффициентов влияния элементов, её составляющих.

5. Предложено новое математическое и физическое описание необратимых потерь в основных процессах котла, представленное следующими результатами:

— определением, на основе эксергетического анализа, потерь в котле и их влияние на КПД;

— оценкой термодинамического совершенства процессов горения и теплообмена;

— установлением влияния на величину необратимых потерь в котле параметров — нагрузки, коэффициента избытка воздуха, температуры окружающей среды;

— количественным сравнением распределения радиационной и конвективной составляющих теплового потока в котле и доли их участия в необратимых процессах;

— определением влияния параметров рабочих сред (вода, воздух) на значение необратимых потерь.

6.Установлено влияние на тепловую эффективность и КПД котла значений эксергетических потерь в нём.

7. Предложена схема управления вспомогательного котла для поддержания минимального производства энтропии в его основных процессах путём воздействия на коэффициент избытка воздуха.

8. Проведены экспериментальные измерения показателей работы вспомогательного котла ПУС «Надежда» и получены сравнительные энергетические и эксергетические характеристики и при этом:

— подтверждено существование прямой пропорциональности между значениями расхода топлива и эксергетической температурной функцией потребителя;

— предложена зависимость температуры воздуха в машинном отделении от температуры окружающей среды.

9. Приведён расчёт капитальных, эксплуатационных затрат и показателей экономической эффективности системы «КУ — потребители теплоты» с введением коэффициента технико-экономического совершенства, определяемого значением эксергетического КПД и величиной удельных потерь эксергии в системе «КУ — потребители теплоты».