CC BY
46
"ДК 62097 А. М. ПАРАМОНОВ
В. Н. ГОРЮНОВ И. А. ХОЛМЯНСКИЙ
Омский государственный технический университет Сибирская автомобильнодорожная академия
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧНЫХ АГРЕГАТОВ
Предложена методика и алгоритм технико-экономической оптимизации степени утилизации низкопотенциальной теплоты уходящих дымовых газов после рекуператора печного агрегата. Приведены результаты расчетного исследования оптимальных параметров. Обоснована целесообразность применения разработанного алгоритма определения оптимальной температуры уходящих дымовых газов на выходе из теплоутилизационной установки при проектировании и эксплуатации печных агрегатов. Использование данных разработок позволяет повысить экономичность их работы и эффективность использования топлива.
Ключевые слова: топливо, теплотехнологичесвая установка, эффективность, тепловые отходы, утилизация тепла, оптимизация.
Весьма актуальной является проблема повышения эффективности использования топлива и в том числе в нагревательных печах. Особое значение имеет разработка методов, обеспечивающих повышение эффективности использования топлива без значительных капитальных вложений. Экономия топлива является одним из звеньев повышения тепловой эффективности и экономичности работы высокотемпературных теплотехнологических установок. Основа высокого энергосберегающего эффекта в нагревательных печах закладывается в первую очередь разработкой рациональных схем и элементов их оформления. Как известно, повышение эффективности использования топлива в нагревательных печах может быть достигнуто тремя путями [1]. Первый путь состоит в уменьшении тепловых отходов. Второй путь заключается в их рекуперации (внутреннее использование теплоты). При ограниченных возможностях рекуперации теплоты отходящих газов с целью нагрева воздуха, идущего на горение топлива, целесообразно внешнее ее использование в энергетических или технологических целях. При реализации третьего пути отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы после рекуператора понимаются как вторичные энергетические ресурсы, то есть энергетические отходы, не используемые в самой печи, но которые могут использоваться в других установках. Как правило, эти вторичные энергетические ресурсы являются низкопотенциальными, так как их температура после рекуператора нагревательной печи ниже 700 °С. В связи с этим возникает необходимость выбора способа утилизации этого тепла, расчета оптимальных параметров теплоутилизационных ус-
тановок, в том числе экономически целесообразного значения температуры уходящих газов на выходе из них.
Использование теплоты низкопотенциальных газов связано со снижением температурного напора и, как следствие, ростом поверхности теплообмена теплоутилизационных установок, затрат на их сооружение и эксплуатацию. В этих условиях закономерен вопрос: до какого уровня эффективно утилизировать теплоту уходящих дымовых газов?
В качестве критерия оценки экономически целесообразной степени использования низкопотенциальной теплоты уходящих дымовых газов после рекуператора нагревательной печи принимается разность переменной части затрат [2] на теплоутилизационную установку и стоимость сэкономленного топлива, которая может быть получена на замещаемой теплоэнергетической установке, то есть
АЗ = Б + Р К - С В,
ам н т.зам зам'
(1)
где Бам — амортизационные отчисления по теплоутилизационной установке, р./год,
Б = П К;
К = Р Б ,
под под'
(2)
(3)
П — норма амортизационных отчислений, р./год; К — капитальные затраты, р.;
Р — стоимость изготовления и монтажа 1 м2
под
поверхности нагрева теплоутилизационной установки, р./м2;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
240
Бпод — поверхности нагрева теплоутилизационной установки, м2;
Рн — нормативный коэффициент эффективности, 1/год;
Взам — расход топлива на получение тепловой энергии в замещаемой теплоэнергетической установке равная той доли теплоты, которая реализуется за счет утилизации тепла уходящих газов после рекуператора нагревательной печи, кг/с;
Ст.зам — приведенная годовая стоимость топлива, расходуемого в замещаемой теплоэнергетической установке для производства указанного количества тепловой энергии, (р./кг) (с/год) или (р/м3) (с/год);
С = Р її ,
т.зам т.зам зам
(4)
В = в О,
зам д '
(5)
Р = Р + Р ,
т.зам к т.т
(6)
О
В
Сх • (Ьх - ьх)
Лпод
С*-(Ьх - Ьх)
ЗАМ
• Вд
(7)
(8)
Лпод
где Сх — расход нагреваемого теплоносителя, кг/с; И , И " — соответственно энтальпия нагреваемого
X 1 X 1
теплоносителя на входе и выходе из теплоутилизационной установки, кДж/ кг;
Лп
Площадь поверхности нагрева теплоутилизационной установки определяется из выражения:
Б
О
ПОД
КПОД •А1 •^
(9)
где О — количество теплоты, которая может быть получена с помощью теплоутилизационной установки, Вт.
О = V (Ь/ -Ьг//),
(10)
Vг — расход греющего теплоносителя (уходящих дымовых газов), м3/с;
V = В и,
(11)
Рт зам — стоимость топлива, расходуемого в замещаемой теплоэнергетической установке, р./кг или р./м3;
Ьзам — годовое время работы замещаемой теплоэнергетической установки, с/год.
где в^ — удельный расход топлива на выработку тепловой энергии в замещаемой теплоэнергетической установке, кг/кДж или м3/кДж;
О — количество полученной тепловой энергии в замещаемой теплоэнергетической установке, Вт.
Определение теплоэнергетической установки, которая может выступать в качестве замещаемой, зависит от использования энергетических ресурсов и условий предприятия. В каждом конкретном случае нужно учитывать, с помощью какого другого наиболее экономичного источника может быть получено аналогичное количество энергии. Так, например, с помощью теплоутилизационной установки получаем горячую воду для отопления или горячего водоснабжения, а предприятие расположено в промышленном районе, где экономичным источником тепловой энергии является районная котельная (или оно имеет собственную котельную), то в этом случае замещаемой установкой будет котельная, а величина Ртзам в выражении (4) определяется как
В — расход топлива в нагревательной печи , кг/с или м3/с;
иг — количество дымовых газов, образующихся при сжигании топлива в нагревательной печи, на единицу его количества, м3/кг или м3/м3;
Иг , Ьг" — энтальпия уходящих дымовых газов соответственно на входе и выходе из теплоутилизационного устройства, кДж/м3,
Ь = С 7 1: '; Ь = С " 1 ",
г г г 1 г гг'
(12)
С г , С г" — средние теплоемкости уходящих дымовых газов на входе и выходе из теплоутилизационной установки, оС;
Кпод — коэффициент теплопередачи в теплоутилизационной установке, Вт/ (м2 оС);
Д1: — средний температурный напор в теплоутилизационной установке, оС;
у — поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена.
С целью упрощения конечных зависимостей средний температурный напор в теплоутилизационной установке находится по приближенной формуле, дающей отклонение от среднелогарифмического значения не более 2 % [3]:
А1;Ср — а • А1д + в • А1 м
(13)
где Рк, Рт.т — соответственно затраты на получение тепловой энергии в котельной и транспорт топлива.
В величину Рк входят издержки на топливо по замыкающим затратам и постоянная составляющая издержек с учетом нормативных отчислений от капитальных вложений в топливное хозяйство.
Количество получаемой тепловой энергии и расход топлива в замещаемой теплоэнергетической установке определяются выражениями:
где 1 х , 1 х" — соответственно температура нагреваемого теплоносителя на входе и выходе из теплоутилизационной установки, оС;
А1,, А1 " — соответственно большая и меньшая
б 1 м
разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей на входе и выходе из теплоутилизационной установки, оС; а', в' — коэффициенты.
(1Г - )
В зависимости от отношения / ,, , \ коэффици-
(1Г - 1 х )
енты а' и в' принимают значения:
£ 45 £ 18
при (1Г - )-------------------------
а'= в' = 0,5
а' = 0,4; в' = 0,6; при ^ )
- коэффициент, учитывающий потерю тепла
теплоутилизационной установки в окружающую среду.
г гг г гг
Мер = [а' • (1г - Ц ) - в' • Ц ] + в' • ^ . (14)
Обозначив <3 = а7 (1 7 — 1 7/) — в7 1 7 получим:
х 'г г ' г ' •'
М = 3 + в7 177 (15)
X Г '• ’
Подстановка формул (10) — (12), (15) в выражение (9) дает зависимость площади поверхности нагрева
теплоутилизационном установки от температуры уходящих дымовых газов на выходе из нее:
гПОД
гг и и
В • ир • (Ср • 1р — С г • 1р ) і
КПОД ■ (^х + ) ■ ^
(16)
О = Ур ■ (С Г ■ 1Г — С Г ■ 1Г ) = С х ■ (Ь х — Ь х ) ;(17)
г г гг Г/ II I
х ■ (Ь х — Ь х
II II II
УГ ■ (СГ ■ 1Г — СГ ■ 1Г )
х
Ьх — Ьх
II II
В ■ и г ■ (Сг ■ 1р — Сг ■ 1р )
п і
(18)
В
ЗАМ
С учетом зависимостей (2), (3), (16), (19) выражение (1) примет вид:
II II II
З = В ■ и ■ (СГ1Г — СГ ■ 1Г ) ■
'Г 1Г “ СГ • 1Г (П + Рн) ■ РПОД
II
КПОД ■ (<^х + в’ ■ 1Г ) ■ ^ РТ.ЗАМ ■ ЬЗАМ ■ Вя ]
Лпод
(20)
2ах
(22)
Расход нагреваемого (холодного) теплоносителя определяется из теплового баланса теплоутилизационной установки:
Подставив (18) в (8), получим выражение для определения расхода топлива в замещаемой теплоэнергетической установке на получение той доли тепловой энергии, которая реализуется за счет утилизации теплоты уходящих дымовых газов после рекуператора:
II II II
В ■ иГ(СГ ■ 1Г — СГ ■ 1Г ) ■ вя
. (19)
Лпод
Для определения экономически наивыгоднейшей температуры уходящих дымовых газов на выходе из теплоутилизационной установки используем метод поиска оптимума путем решения нелинейных уравнений, полученных приравниванием к нулю частных производных минимизируемой функции по оптимизируемому параметру [4].
Взяв первую производную по температуре уходящих дымовых газов на выходе из теплоутилизационной установки 1:г" из выражения (20) и приравняв ее к нулю, получим расчетное уравнение для определения экономически наивыгоднейшей температуры 1г":
11 2 11
а • 1р + вх • 1р + = 0, (21)
2
где ах =СГ 'в' • РТ.ЗАМ ' ЬзАМ ' Вя ' КПОД ' ^ ;
II
вх = 2СГ ' Йх ' РЗАМ 'ЬзАМ В ' КПОД ' ^ ' В ;
2
1х = Сг ' РЗАМ ' Ьзам ' вя ' КПОД ' Йх ' ^ -
II I I
- (П + Рн) ' РПОД ' Лпод ' (Сг ' Йх + СГ ' 1Г ' в,) .
Оптимальное значение температуры уходящих дымовых газов на выходе из теплоутилизационной установки из (21) с противоточной схемой движения теплоносителей:
При решении уравнения (21) в выражении (22) перед корнем могут стоять знаки плюс и минус. Однако в случае расчета со знаком минус перед корнем получим значение температуры уходящих газов за теплоутилизационной установкой ниже начальной температуры нагреваемого теплоносителя, что не имеет практического смысла.
В результате расчета может оказаться, что оптимальная температура уходящих дымовых газов на выходе из теплоутилизационной установки ниже точки росы, а в принятых затратах на установку не учтено влияние данного фактора на сокращение срока ее службы. В этом случае необходимо увеличить затраты на установку пропорционально сокращению срока ее службы и провести повторный расчет.
Влияние каждого параметра на экономически наивыгоднейший уровень использования низкопотенциальной теплоты уходящих из рабочего пространства печи газов после рекуператора определяется не только возможным диапазоном изменения самого параметра, но и в совокупности других параметров, однако общие тенденции сохраняются.
Реализация разработанного алгоритма при 1г" = = 700 оС; 1 = 7 оС; 1 " = 75 оС; Р = 2,5 руб./кг; К ' =
1 х 1 х ' т.зам ' ^ у ' под.
= 58 Вт/(м2град); Ьзам = 1500 ч/год; Рпод = 2400 руб./м2; П= 1,0 1/год; Рн= 1,0 1/год позволила оп-ределить оптимальную температуру уходящих газов на выходе из теплоутилизационной установки, которая составила 174 оС.
Проведены исследования влияния изменения исходных данных, определяющих факторов, стоимостных показателей на величину 1 ". Анализ получен-
•' г.опт •'
ных результатов показал следующее. С увеличением стоимости топлива, используемого в замещаемой теплоэнергетической установке, годового времени ее работы, температуры уходящих газов перед теплоутилизационной установкой, коэффициентом теплопередачи в ней оптимальная температура уходящих газов на выходе из теплоутилизационной установки снижается. С увеличением затрат на теплоутилизационную установку, температуры нагреваемого теплоносителя на входе в теплоутилизационную установку 1 " увеличивается.
г.опт
Расчеты показывают, что использование теплоутилизационной установки для нагрева воды для нужд горячего водоснабжения вместо нагрева воды в замещаемой котельной позволяет уменьшить удельный расход топлива на производство теплоэнергии на 10 — 15 %. При этом количество оксидов азота, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, уменьшается в 1,15 раза, а количество оксидов серы и углерода — в 1,75 раза.
Таким образом, результаты работы показывают целесообразность применения разработанного алгоритма и позволяют рекомендовать для практического использования при проектировании новых и модернизации существующих печных агрегатов.
Библиографический список
1. Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки / И. М. Перелетов [и др.] : под ред. А. Д. Ключникова. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 336 с.
2. Экономика организации (предприятия) / Е. В. Арсенова [и др.] : под ред. Н. А. Сафонова — М. : Экономистъ, 2004. — 618 с.
1
1 .опт
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
3. Бакластов, А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок / А. М. Бакластов. — М. : Энергия, 1970. — 568 с.
4. Батищев, Д. И. Методы оптимального проектирования / Д. И. Батищев. — М. : Радио и связь, 1984. — 248 с.
ПАРАМОНОВ Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного технического университета.
ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор техниче-
ских наук, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленный: предприятий», декан энергетического института Омского государственного технического университета.
ХОЛМЯНСКИЙ Игорь Антонович, доктор технических наук, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Сибирской автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: атрагатопоу@таП. т
Статья поступила в редакцию 09.12.2011 г.
©А. М. Парамонов, В. Н. Горюнов, И. А. Холмянский
удк 621.316.3 Е. В. ПЕТРОВА
А. Я. БИГУН Е. В. ПТИЦЫНА А. Г. ЯНИШЕВСКАЯ
Омский государственный технический университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТОВ ПОТЕРЬ В ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВАРИАЦИИ НАГРУЗКИ___________________________________
В статье рассмотрены методы расчета потерь электрической энергии в не изолированных проводах воздушных линий электропередачи. Даны рекомендации для практических расчетов потерь активной мощности или электрической энергии в проводах сечением до 240 мм2 и более.
Ключевые слова: неизолированный провод, потери энергии, температура, ветер, нагрузка.
Статья написана при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения Государственного контракта №16.516.11.6091 от 08 июля 2011 г.
В настоящее время для расчета потерь электрической энергии в воздушных линиях электроэнергетических систем с учетом температуры токопроводящих жил используются различные методы расчета [1—6]. Эти методы используются в основном для расчета неизолированных проводов традиционного исполнения и отличаются коэффициентами теплоотдачи конвекции (табл. 1) и рядом других особенностей. В работах [7— 10] проводилось сравнение методов [1—4] на основе расчетов превышения температуры провода 1;пр над температурой воздуха 1в (А1 = 1:в — 1:), потерь в проводе (АР) и коэффициента теплоотдачи (а^ для скорости ветра 0,6 м/с. Плотности тока ] принималась равной ] = 1 А/мм2 или ] = 3 А/мм2. Анализ проводился по величинам отклонения А1;, АР от средних значений этих величин, найденных по всем семи методам расчета (табл. 1) согласно формулам:
А Ро
А 1. - А1
ср
• 100 %
А1
ср
А Р. - А Р,
АР
(1)
(2)
ср
где А1 , АР — соответственно температура пере-
отк' отк í J í 1
грева провода и потери активной мощности в проводе; А1:, АРср — соответственно среднее значение температуры перегрева провода и среднее значение потерь активной мощности в проводе; 1 — номер метода.
Целью настоящей статьи является аналогичные исследования. Отличие заключаются в том, что сравниваться будут методы, использующиеся для естественной конвекции (ак3, ак4, ак6) и методы, предназна-
