CC BY
68
УДК 621.438:621.311
Р. А. Ильин
ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УТИЛИЗАЦИОННЫ1Х КОТЛОВ
R. A. Ilyin
PECULIARITIES OF THE COLLABORATION OF SHIP INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND UTILIZATION BOILERS
Для комбинированной теплоэнергетической установки (двигатель внутреннего сгорания с утилизационным котлом) получены сравнительные относительные термодинамические, технические и экономические параметры. Анализ позволяет сделать вывод о том, что оценку эффективности теплоэнергетических установок, в том числе комбинированных, по термодинамическим параметрам на основе коэффициентов располагаемой эксергии можно проводить уже на стадии выбора типов и параметров установок.
Ключевые слова: теплоэнергетические установки, двигатель внутреннего сгорания, утилизационные котлы, оценка эффективности, технические и экономичные критерии.
Comparative relative thermodynamic, technical and economic parameters are received for a combined heat power installation (internal combustion engine with a utilization boiler). The analysis enables to make a conclusion that the efficiency estimation of heat power installations, including the combined ones, may be realized on thermo-dynamic parameters on the base of coefficients of the existing exergy and it may be done at the selection stage of types and parameters of the installations.
Key words: heat power installations, internal combustion engine, utilization boilers, efficiency estimation, technical and economical criteria.
Введение
Утилизационные котлы (УК) - важный и распространенный объект в теплоэнергетике, и в том числе - в судовой энергетике. Использование УК в системах тепловой двигатель-утилизационный котел существенно повышает эффективность этих систем. Вопросы эффективности котлов и методы ее оценки активно обсуждаются в литературе, в частности в [1-12].
На основе работ [1-7, 12] и др. мы для оценки эффективности УК используем термодинамический показатель - коэффициент использования располагаемой эксергии.
Расчетные формулы
Для сравнения вычисляется энергетический КПД УК [11] в форме
Лэн = (Твх.УК - Твых.УК ) ! (Твх.УК - То ) . (1)
Эксергетическая оценка котлов выполнена с применением коэффициентов, полученных в следующем виде:
- коэффициент использования в УК располагаемой эксергии по отношению к интервалу значений температуры Твх УК - То :
^Лех.УК = [(Т вх.УК - Т вых.УК ) / (Твх.УК - То )]То ! Твых.УК =Лэн ' То ! Твых.УК ; (2)
- коэффициент использования в УК располагаемой эксергии по отношению к интервалу значений температуры Тт — То (при отсутствии теплового двигателя между источником теплоты и УК):
^Лех.УК-Тт = [(Твх.УК - Твых.УК ) / (Тт - То )]ТтТо ! (Твх.УК ' Твых.УК ) . (3)
Здесь T - абсолютная температура; индексы: о - окружающая среда; вх - вход в УК;
вых - выход из УК; Тт - теоретическая температура стехиометрического горения топлива [6], К.
Коэффициент использования располагаемой эксергии в УК в системе источник тепловой энергии-тепловой двигатель-утилизационный котел
При работе УК от теплового двигателя (судового ДВС или газотурбинной установки) часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, используется для получения эксергии, поэтому эксергия на входе в УК существенно уменьшается. Соответственно, уменьшается и доля эксергии, получаемой в котле по отношению к эксергии топлива. Тогда теоретический коэффициент использования эксергии в УК по отношению к интервалу значений температур Тт — То можно представить в виде
^ех.УК+Д = (1 — Ф) [(Т вх.УК — Т о ) / (Тт — Т о )]Тт/ Твх.УК , (4)
где ф = Твх УК / Тт при условии Твх УК = Твых.п . С учетом (2) представим (4) в виде
^Лех.УК+Э = (1 — Ф) 'Лэн.УК (Тт / Твх.УК ) . (5)
Результаты расчетов
Для определения характера зависимости коэффициентов эффективности от температуры выполнены расчеты по (1)-(3) в широком диапазоне значений температуры Твх ук при То = 300 К при постоянной Твыхук = 400 К. Результаты представлены на рис. 1, где левая часть относится к параметрам судовых УК, правая часть - промышленных УК. Более высокие коэффициенты эффективности достигаются для котлов с высокой температурой газов на входе.
Рис. 1. Зависимость коэффициентов эффективности ^эн, УК, §Лех, УК, &Пех.УК-Тт, §Лех.УК+_0 от температуры
на входе в УК (условия расчета см. в тексте)
По (2) выполнены также расчеты ук в функции от разности значений температуры на входе и выходе УК для следующих реальных судовых [3, 10] и промышленных [8, 9] котлов:
- судовые котлы: КУП-15/5, 0,18 т/ч; КУП-70, 0,8; КУП-20 С, 0,76; КУП-20 СИ, 0,65; КУП-40 С, 1,5; КУП-40 СИ, 1,4; КУП-80/6, 1,2; КУП-90/5, 1,2; КУП-130/5, 2; КУП-160/5-1, 2; КУП-80 С, 1,8; КУП-80 СИ, 1,7; КУП-90 С, 2,8; КУП-90 СИ, 2,5; КУП-250 С, 6; КУП-250 СИ, 5,4; КУП-165/7, 2,4; КУП-300/5, 2,3; КУП-150 С, 3,3; КУП-150 СИ, 3,3; КУП-160 С, 5; КУП-160 СИ, 4,5; КУП-700, 4,6; КУП-1100, 9,2; КУП-1300, 16,5; КУП-3100, 26,2;
- промышленные котлы различного назначения (в перечне котлов, кроме марок, обозначения: ГТ - газотрубные котлы; ВТ - водотрубные котлы; КМ - комбинированные): В-460 Б, 6,6 т пара/ч, ГТ; КУ-40-1, 13,4, ВТ; КУ-100 Б-1, 22,3, ВТ; Н-670, 4, ГТ; Н-380, 4,8, ГТ; КУФ-20,
4, ВТ; УККС-4/40, 4, ВТ; УККС-6/40, 9,2, ВТ; ПКК-75/24-150-5, 75 т/ч, ВТ; ПКК-30/45 Д, 35, ВТ; ПКК-30/45 Д, 35, ВТ; ПКК-30/24-70-5, 35, ВТ; ПКК-100/45-200-5, 100, ВТ; Г-345, 8,1, ГТ; Г-250, 3,2, ГТ; Г-550 П, 11,6, ГТ; Г-445 Б, 14,8, ГТ; Г-145 Б, 4,7, ГТ; Г-1030 Б, 31, ГТ; Г-660 Б, 21,5, ГТ; КУН-24/16,24 т/ч, ГТ; КУГ-66, 7,9, ГТ; УС-2,6/39, 2,6, ВТ; Г-400 ПЭ, 7,5, ГТ; Г-335 БП, 22ГТ; КН-85/40, 85, ВТ; КН-80/40, 80, ВТ; РК-12/14 Ф, 13,6, ВТ; Н-180, 5, ГТ; Н-433, 9,4, ГТ; Н-220,
1,4, ГТ; Н-380, 4,8, ГТ; Н-495, 4,1, ГТ; КУН-3,2/11, 3,2, ГТ; СКУ-1,6/4, 1,6 т/ч, ГТ; СКУ-1,7/4, 1,7, ГТ; СКУ-7,6/4, 7,6, ГТ; СКУ-7/25, 7,5, ГТ; КС-100-ГТКУ, 7,1, ГТ; КС-200-ГТКУ, 11, ГТ; СКУ-7/40, 7, ВТ; СКУ-8/40, 9,9, ВТ; СКУ-14/40, 14, ВТ; ПКС-10/40, 10, ВТ; КУКС-200-2, 11,5, ВТ; Г-620 БТ, 19, ГТ; КС-200-ВТКУ, 10,4, ВТ; КС-450-ВТКУ, 23,8, ВТ; ПКС-Ц-10/40, 9,5, ВТ; СЭТА-Ц-100, 13,1, ВТ; УКЦМ-6/14, 6 т/ч, ВТ; УКЦМ-15/40, 15, ВТ; УКЦМ-25/40, 25, ВТ; 50/39 У, 50, ВТ; УКЦМ-40/14, 40, ВТ; РКУ-23/40, 23, ВТ; КУ-16, 2,8 т/ч, ГТ; КУ- 40, 7,4, ГТ; КУ-50, 9, ГТ; КУ-60-2, 20, ВТ; КУ-80-3, 26, ВТ; КУ-100-1, 33, ВТ; КУ-125, 28, ВТ; КУ-20-39, 18, ВТ; УЭЧМ-34, 6, ВТ; УЭЧМ-67, 8, ВТ; КСТ-80, 25, КМ; КСТК-25/39 С-1, 25, КМ; КСТК-35/40-100, 32,4, КМ; ОКГ-130, 345КМ; КУ-150, 50, КМ; ОКГ-180, 198 , КМ; ОКГ-250-2, 250, КМ; ОКГ-400, 285, КМ; ОКГбд-250, 160, КМ.
Результаты расчетов по (2) представлены на рис. 2 (линия - графическая корреляция).
Рис. 2. Коэффициенты использования эксергии 5^ехуК в УК в зависимости от разности значений температуры газа на входе и на выходе УК:
О - для судовых УК; • - для промышленных УК
На рис. 2 видно, что величины коэффициента ук имеют низкие значения для небольших и умеренных разностей значений температуры газов в УК. Однако они значительно различаются для разных котлов при одних и тех же значениях Твх — Твых, которые обусловлены уровнем значений Твх и Твых .
Удельная масса судовых утилизационных котлов
Характерным параметром УК является удельная масса, отнесенная к паропроизводитель-ности в 1 кг/ч, которая приведена на рис. 3, и удельная масса тт, отнесенная к 1 кВт тепловой
мощности котла, которая определяет количество эксергии, затраченной на создание котла, т. е. так называемой «строительной» эксергии. Эффективность использования «строительной» эксергии соответствует коэффициенту Цехстр по [6, 7]:
'Лех.стр 'Лех.УК ' С ! (^о.стр ' тт ) ,
(6)
где ехо.стр1 - удельная строительная эксергия [7, 12], Дж на 1 кг массы котла; С - весь срок использования котла, сек (в данной формуле).
т, кг/кВт
7
6
5
4
3
• •
2
В, т/ч
I ^
0
2
4
6
Рис. 3. Удельная масса судовых УК в зависимости от паропроизводительности Д т/ч Условная экономия топлива
Зависимость для определения условной экономии топлива получена на основе коэффициента использования располагаемой эксергии и понятия, приведенных в [2]:
где Вбаз — «базовый» расход топлива (в основном элементе комбинированной установки, т. е. в ДВС); Вкомб — расход топлива в комбинированной теплоэнергетической установке (ДВС + УК). Так как расход топлива в комбинированной установке меньше, чем в базовой, то величина 5В имеет минус, который означает экономию топлива.
Зависимость имеет вид
где ф — см. пояснения к зависимости (4).
В результате расчета условная экономия топлива равна 5В = -0,125.
Выводы
На основе выполненного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Оценка эффективности теплоэнергетических установок, в том числе комбинированных, по термодинамическим параметрам на основе коэффициентов использования располагаемой эксергии может быть достаточно эффективной на стадии выбора типов и параметров установок.
2. При оценке эффективности системы необходимо также учитывать затраты эксергии на создание установок, что позволяет более объективно оценить соответствующее качество установок.
3. Условная экономия топлива зависит от уровня величин коэффициента использования располагаемой эксергии.
1. Андрющенко А. И. Методика расчета эксергетической эффективности технологических процессов и производств. - Саратов: СрПИ, 1989. - 68 с.
2. Ильин Р. А., Ильин А. К. Условная экономия топлива при совершенствовании теплоэнергетических технологий // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. -Вып. 3. - Саратов: СГУ, 2004. - С. 67-71.
3. Ильин Р. А. Эффективность использования утилизационных котлов в промышленной теплоэнергетике // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Технические науки. - Приложение № 2. - 2006. - С. 59-63.
4. Ильин Р. А., Ильин А. К. Термодинамическая классификация котельных установок по вариантам использования полезной эксергии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 3 (38). - С. 147-149.
5. Ильин Р. А. Эффективность использования двигателей Стирлинга в составе газо-газовых теплоэнергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 5 (46). - С. 182-185.
6. Ильин Р. А., Ильин А. К. Комплексная оценка эффективности комбинированных теплоэнергетических установок // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 233-241.
58 - (Вкомб — Вбаз ) / Вбаз ,
(7)
(8)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Ильин Р. А. Комплексная термодинамическая оценка эффективности теплоэнергетических установок: учеб. пособие. - Москва: НИУ (МЭИ), 2011. - 80 с.
8. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / А. П. Воинов, В. А. Зайцев, Л. И. Купер-ман и др. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.
9. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник / под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. - М.: Изд-во МЭИ, 2007. - 632 с.
10. Эксплуатация судовых котельных установок / В. М. Федоренко, В. М. Залетов, В. И. Руденко и др. - М.: Транспорт, 1991. - 272 с.
11. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях / О. Л. Данилов, А. Б. Гаряев, И. В. Яковлев и др. - М.: Изд. дом МЭИ, 2010. - 424 с.
12. Yamauchi S., Fueki K. New thermodynamic functions relevant to conservation of energy: theta function and reference of elements // Proc. Int. CODATA Conf. - 1981. - 7. - P. 242-245.
Статья поступила в редакцию 28.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Ильин Роман Альбертович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; научный сотрудник Лаборатории нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра Российской академии наук (при Астраханском государственном техническом университете); [email protected].
Ilyin Roman Albertovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Research Worker of the Laboratory of Alternative Power Engineering, Power Engineering Department of Saratov Research Center of the Russian Academy of Science (Attached to Astrakhan State Technical University); [email protected].
