4736
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, М.С. Морозов
РАСЧЕТ УСТАНОВКИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ
Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы
по дисциплине «Теплофизика аппаратов утилизации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки
13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Тепломассообменные процессы и установки
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, М.С. Морозов
РАСЧЕТ УСТАНОВКИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ
Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы
по дисциплине «Теплофизика аппаратов утилизации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки
13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Тепломассообменные процессы и установки
Нижний Новгород
2016
УДК 662.99
Дыскин, Л.М. Расчет установки утилизации теплоты [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 24 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Ключевые слова: теплоэнергетика, вторичные энергоресурсы, паровой аккумулятор, тепловой расчет, энергетическая эффективность.
В пособии дается классификация основных групп вторичных энергоресурсов, приведены примеры расчетов вторичного использования теплоты паровых установок, описаны методы оценки энергетической эффективности низкотемпературных вторичных тепловых ресурсов в системах теплоснабжения промышленныхзданий.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине «Теплофизика аппаратов утилизации теплоты» по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки.
© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016
3
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Энергетическому обслуживанию производственных процессов в ряде случае сопутствуют тепловые отходы в виде теплоты, технологического про-
дукта, газа, пара и горячей воды, называемые вторичными энергетическими
(тепловыми) ресурсами. Такими отходами, например, для промышленных пе-
чей являются отходящие горячие газы и нагретая охлаждающая вода.
Тепловые отходы по своим размерам могут быть весьма значительными.
Отходящие горячие газы промышленных печей в среднем содержат около
30…40 % количества теплоты, поступающей в печи, а теплота, теряемая со сбросной нагретой водой, например, в сталеплавильных печах составляет
15…25 % теплоты расходуемого топлива.
Различают следующие основные группы вторичных (побочных) энерго-
ресурсов:
1)горячие газы (отходящие отпечей,двигателей внутреннего сгорания и др.);
2)продукты технологического процесса (физическая теплота обрабаты-
ваемого материала и отходов, например нагретых слитков, шлака, раскаленного кокса и т.п.).
3) низкотемпературные вторичные энергоресурсы:
-пар, отработавший в двигателях, и вторичный – после технологического процесса;
-горячая вода, получаемая от различных охлаждающих устройств, а так-
же в виде производственного конденсата; - производственные тепловыделения, являющиеся источником нагрева
воздуха в помещениях.
Первые две группы энергоресурсов являются высокотемпературными.
Например, «запечные» газы имеют температуру 500…1000 °С, а газы, отходя-
щие из двигателей внутреннего сгорания, 350…600 °С. Весьма высокую темпе-
ратуру имеют технологические продукты металлургической промышленности:
стальные слитки 500…1000°С; кокс, выдаваемый из печи, 1100°С; шлак пла-
вильных печей 1200…1500°С.
4
Для третьей группы энергоресурсов характерны низкие параметры тепло-
носителей:
Давление отработавшего пара двигателя, МПа………………0,2 – 0,3 Температуры, °С:
отработавшего пара двигателя……….………………….. 100 – 130 производственного конденсата…………………………... 90 – 150
охлаждающей воды……………………………………….. 35 – 95
внутренних тепловыделений в производственных и других помещениях…………………………………… Ниже 100
Следует иметь ввиду, что понятие «вторичные энергоресурсы» (тепловые отходы) в известной мере имеет относительный характер. Например, усовер-
шенствование тепловой схемы промышленного предприятия позволит найти полезное применение части тепловых отходов в пределах данного предприятия.
Использованная в этом случае теплота перестает быть отходом.
Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации теплового и технологического оборудования промпредприятий является максимальное со-
кращение выхода вторичных энергоресурсов, обеспечивающее прямую эконо-
мию топлива. Наиболее целесообразно использование вторичных энергоресур-
сов для технологических целей, т.е. для улучшения теплового баланса той уста-
новки, которая является источником тепловых отходов (например, использова-
ние теплоты горячих газов промышленных печей для подогрева воздуха, пода-
ваемого в печь). При этом улучшается внутренняя регенерация теплоты в уста-
новке; отбросная теплота используется непрерывно, повышается технологиче-
ский к.п.д. установки.
Использование вторичных энергоресурсов возможно также для увеличе-
ния располагаемой электрической мощности предприятия (например, исполь-
зование горячих газов для выработки пара с последующим производством электроэнергии).
И, наконец, использование вторичных энергоресурсов (пара или горячей воды) для теплоснабжения силовых, технологических и отопительно-
вентиляционных процессов позволяет улучшить тепловой баланс промышлен-
ного предприятия в целом.
5
Подробная характеристика вторичных энергетических ресурсов промыш-
ленных предприятий по отдельным отраслям промышленности может быть по-
лучена из рассмотрения конкретных тепловых схем установок.
Наибольшие отходы теплоты имеются на паротурбинных электростанци-
ях. В котельном цехе основными тепловыми отходами являются уходящие газы котлов с температурой 150…200 °С. Потери теплоты с уходящими газами со-
ставляют 10…15 % теплоты сжигаемого топлива. При невозможности исполь-
зовать уходящие газы на подогрев питательной воды и воздуха котельного аг-
регата следует рассмотреть вопрос о применении теплофикационного эконо-
майзера для подогрева сетевой воды.
Как известно, коэффициент теплоотдачи от газов к воде невелик. Это по-
требует больших поверхностей экономайзера. Кроме того, из-за увеличения со-
противления газового тракта повышается расход электроэнергии дымососом.
Поэтому применение теплофикационного экономайзера в ряде случаев эконо-
мически нецелесообразно.
Значительно меньше тепловых отходов содержится в дренажах, проду-
вочной воде котлов, воде, охлаждающей балки в панели топок.
В турбинном цехе очень много теплоты теряется с охлаждающей водой конденсаторов турбин (до 50 % теплоты топлива, расходуемого на электро-
станциях). Однако, ввиду низкой температуры нагретой воды (15…25 °С) непо-
средственная утилизация этих тепловых отходов невозможна.
Отходы теплоты с охлаждающей водой масло- и воздухоохладителей турбогенераторов не превышают 1…2 % энергии вырабатываемой станции.
В тепловых схемах современных ТЭС все чаще предусматривается ис-
пользование внутри самой станции теплоты дренажей, продувочной воды кот-
лов, охлаждающей воды масло- и воздухоохладителей для подогрева конденса-
та турбин, сырой воды в ХВО и т.д.
В газотурбинных ТЭС, работающих по замкнутой схеме, основными вто-
ричными энергоресурсами являются отходящие газы из регенеративных теплооб-
6
менных аппаратов и нагретая охлаждающая воды воздухоохладителей компрессо-
ров. Эти отходы теплоты до настоящего времени используются недостаточно.
На ТЭС оборудованных двигателями внутреннего сгорания, около 1/3 те-
плоты сжигаемого топлива теряется со сбросной охлаждающей водой при тем-
пературе 40…50 °С. Примерно столько же теплоты выбрасывается с выхлоп-
ными газами при температуре 300…450 °С. Вполне возможно использовать те-
плоту газов, охлаждая их до 120…150 °С в котлах-утилизаторах. Теплоту охла-
ждающей воды двигателей внутреннего сгорания можно использовать для го-
рячего водоснабжения. Небольшая мощность ТЭС с двигателями внутреннего сгорания обуславливает весьма ограниченные размеры отпуска теплоты потре-
бителям.
Отметим, что основным недостатком схем теплоснабжения, базирующих-
ся лишь на тепловых отходах, является несоответствие графиков отпуска по-
требления теплоты. Поэтому использовать полностью все тепловые отходы практически никогда не удается; используется только теплота, нужная потреби-
телю. Если же теплопотребление имеет сезонный характер, то доля использо-
вания тепловых отходов в годовом разрезе еще меньше.
Эти обстоятельства должны учитываться при разработке схемы использо-
вания тепловых отходов и в технико-экономических расчетах по обоснованию предлагаемой схемы.
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТРАБОТАВШЕГО И ВТОРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПАРА
Общие положения
Паровой привод кузнечных молотов, прессов, штамповочных машин, на-
сосов и других механизмов широко применяется на заводах металлургической,
машиностроительной, химической, нефтеперерабатывающей, легкой и пищевой промышленности.
7
Паровые двигатели указанных механизмов, как правило, работают на вы-
хлоп с противодавлением от 0,12 до 0,3 МПа.
Отходы тепла с отработавшим паром весьма велики. Например, в агрега-
тах пластической обработки металлов применяется пар давлением 1,0…1,2
МПа в количестве 2…6 т на 1 т поковки, в количество отработавшего пара со-
ставляет не менее 85…90 % соответствующего количества производственного пара, подаваемого в цех.
Энергетический к.п.д. паровых машин, приводящих в движение молоты,
прессы, очень низок и составляет всего несколько процентов, а потеря теплоты с отработавшим паром у паровых молотов достигает 80 % его начальной эн-
тальпии. На современных нефтеперерабатывающих заводах для силовых целей расходуется 420 кг пара на 1 т перерабатываемой нефти. В ряде отраслей про-
мышленности производственные процессы, связанные с выпаркой технологи-
ческого продукта, дают вторичный пар с давлением, близким к атмосферному.
Наконец, пар может быть получен при утилизации теплоты горячей воды.
Это так называемый пар вторичного вскипания промышленного конденсата и пар в установках с испарительным охлаждением производственных агрегатов.
Использование отработавшего производственного пара возможно в сле-
дующих направлениях:
а) теплоснабжение потребителей;
б) выработка электроэнергии;
в) комбинированное использование пара полностью для теплоснабжения и частично на выработку электроэнергии, что обеспечивает круглогодовое по-
требление тепловых отходов.
Схема установки для использования отработавшего пара кузнечных мо-
лотов показана на рис.1. В ней имеются все элементы, позволяющие использо-
вать пар молотов как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии.
8
Рис.1. Схема установки для использования отработавшего пара: 1 – паровой котел;
2– паровой молот; 3 – набивкоуловитель; 4 – маслоотделитель; 5 – паровой аккумулятор; 6 – пароводяной подогреватель; 7 – потребители горячей воды; 8 – потребители пара;
9 – конденсатоотводчик; 10 – насос; 11 – конденсатосборный бак; 12 – устройство для очистки конденсата; 13 – деаэратор; 14 – турбина низкого давления (мятого пара)
Отработавший в паровых молотах пар содержит хлопья сальниковой на-
бивки и капли масла, поэтому при дальнейшем использовании его подвергают очистке в набивко- и маслоуловителях. В паровых системах теплоснабжения пар подается непосредственно к потребителям. Однако в крупных и протяжен-
ных системах теплоснабжения транспортировка пара связана с большими за-
тратами на сооружение коммуникаций. В этом случае, как правило, экономиче-
ски целесообразнее применять водяную систему теплоснабжения. Теплоподго-
товительную установку размещают в непосредственной близости от места вы-
хода отработавшего пара, а потребители получают теплоту с горячей водой,
транспортируемой сетевым насосом.
Как отмечалось выше, графики выхода отработавшего пара и расхода те-
плоты потребителями не совпадают. Для выравнивания графика поступления пара к потребителям (теплоприемники, турбины низкого давления) и устране-
ния перебоев в их снабжении в схеме целесообразно устанавливать паровые ак-
кумуляторы переменного давления.
9
Паровые аккумуляторы
Наибольшее применение в энергетическом хозяйстве получили паровые
аккумуляторы переменного давления. Схема включения аккумулятора показана
на рис. 2.
Рис.2. Схема включения парового аккумулятора переменного давления: 1 – паровой молот; 2 – аккумулятор пара; 3 – потребители пара; 4 - обратный клапан
Аккумулятор присоединяется к паропроводу. Если давление в паропро-
воде возрастает, пар по ответвлению б проходит через обратный клапан (в под-
водный коллектор) и далее через сопла в водяное пространство аккумулятора.
Поступления пара по ответвлению а в сухопарник аккумулятора не произойдет,
так как этому воспрепятствует обратный клапан.
Пар, поступивший в водяное пространство аккумулятора, конденсирует-
ся, и, так как его давление несколько выше, чем в аккумуляторе, он нагревает воду. Последняя испаряется с поверхности водяного объема, в результате чего давление пара в паровом пространстве повышается. Так протекает зарядка ак-
кумулятора.
Когда расход пара потребителями превышает выход отработавшего пара из молотов, давление в линии делается ниже давления в аккумуляторе; пар из последнего начинает поступать по ответвлению а через обратный клапан в па-
ровую магистраль. Давление в аккумуляторе понижается и перегретая вода ис-