CC BY
45
УДК 662.997:621.181
Р. А. Ильин
Астраханский государственный технический университет
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ НОМОГРАММЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Автором разрабатывается методология оценки эффективности теплоэнергетических установок на основе термодинамических параметров [1-4 и др.]. В качестве одного из основных показателей используется полный коэффициент использования эксергии [1]:
Пех - коэффициент эффективности использования располагаемой эксергии при совместной работе теплоэнергетической установки и потребителя тепловой или электрической энергии [1-2]; С - определенное время эксплуатации установки, за которое необходимо оценить ее эффективность; ех0 стр - удельные затраты эксергии на создание 1 кг массы установки, Дж/кг массы
(по справочным данным); т - удельная масса на 1 кВт полезной мощности [3-4].
Очевидно, Пехполн учитывает как эффективность преобразования тепловой энергии топлива в полезную эксергию (по пех), так и эффективность использования строительной эксергии (по пехстр). При Пех стр < Пех и при условии пехстр = 1 теплоэнергетическая установка достигает
срока эксергетической окупаемости.
Из выражений (1) и (2) следуют важные выводы:
A. При Ехстр > (Ехполезн • С) теплоэнергетические установки не окупаются за определенный принятый период С. В этом случае п ех стр < 1, 1/П ех стр > 1, что соответствует большим затратам эксергии ех0 стр или малому сроку полезного использования установки.
Б. При пех стр > 1, 1/Пех стр < 1 установка окупается за период меньше характерного срока использования.
B. При Пех стр >> 1 , 1/Пех стр ® 0 и Пехполн » Пех , т. е. полный коэффиДиент использования эксергии принимает максимальное значение, что соответствует или низкой удельной массе установки, или большому сроку использования, или совместному влиянию этих параметров.
Для наглядности и упрощения оценок на основе (1) и (2) предлагаются следующие номограммы.
1. Номограмма представлена на рис. 1 и соответствует условиям п. А. Линия Сомин на номограмме соответствует величине пехстр = 1, т. е. минимальным значениям пехполн при известных
Пех и окупаемости установки при соответствующем минимальном эксергетически окупаемом сроке ее использования. По номограмме можно определить также долю потерь располагаемой эксергии. Она составляет:
Таким образом, номограмма на рис. 1 может применяться для анализа эффективности конкретной теплоэнергетической установки по полному коэффициенту использования эксергии при проектировании, выборе оборудования, модернизации, определении условий использования и др. Зона реальных диапазонов величин пех и пехполн для современных установок (парогазовая
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
(1)
где
(2)
потерь
(3)
установка (ПГУ), газотурбинная установка (ГТУ)), котлы топливные и утилизационные, тепловые насосы, солнечные и др.), очевидно, соответствует величинам цех = 0,20...0,70 и пех.полн = = (0,14. 0,20)... (0,40... 0,70).
Пех. полн
0 0,2 - 0,4 ' 0,6 ' 0,8 ' 1,0 -
Рис. 1. Эксергетическая номограмма для анализа эффективности теплоэнергетических установок. Точки, в качестве примера, для некоторых установок: 1 - ГТУ-6, 6,7 МВт; 2 - 2500, 28 МВт; 3 - МШ7010,
334 МВт; 4 - ПГУ-2,5 ИВТ РАН; 5 - котел паровой ДКВр-10-13 (отопительный); 6 - тепловой насос НТ-4000 при температуре холодного источника выше 20 °С; 7 - котел паровой (6,6 т/ч) утилизационный В-460Б
2. На рис. 2 представлены номограммы, которые могут использоваться для определения эк-сергетического качества (эффективности) котлов при их выборе по коэффициентам пех.полн и пехстр на основании (1) и (2) и с учетом, что коэффициент цех » 0,3 (промышленные котлы) и цех » 0,4 (котлы на ТЭС). При анализе приняты следующие параметры: ех0 стр = 24 • 106 кДж/кг, С = 1; 2,5; 5 и 10 лет, т = 0,5...10 кг/кВт.
На номограмме видно, что решающее влияние на эффективность использования эксергии в котлах оказывает их удельная масса т, кг/кВт. Наиболее важно повышать эффективность
использования эксергии топлива, сжигаемого в котлах, пех, например включая их в состав мини-ТЭЦ. Это влияет и на Пех стр , и на Пехполн .
3. Для удобства и оперативности определения коэффициента пех при совместной работе различных теплоэнергетических установок, а также их частных коэффициентов пех, разработаны и представлены на рис. 3 номограммы, по которым можно определить величину пех для
варианта обеспечения тепловой энергией потребителя от котла или для следующих вариантов
комбинирования:
— теплоснабжение потребителя тепловой энергии от двух котлов;
— теплоснабжение потребителя от котла с замещением части тепловой энергии дополнительным низкопотенциальным источником (солнечные нагреватели и т. п.);
— теплоснабжение потребителя параллельно от котла совместно с ГТУ или с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с утилизационным котлом;
Пех = 0,3
Пех = 0,4
Рис. 2. Номограммы для определения коэффициентов 1/пехстр и Пехполн для котлов по удельной массе
т при различных сроках эксплуатации С
— теплоснабжение потребителя от двух комбинированных источников тепловой и электрической энергии, работающих параллельно: котел с паровой турбиной и ГТУ (или ДВС) с утилизационным котлом;
— теплоснабжение потребителя от котла с замещением части тепловой энергии теплонасосной установкой.
Для указанных комбинированных схем тепло- и электроснабжения формула, связывающая общий (суммарный) коэффициент эффективности схемы пех и частные коэффициенты веток схемы пех1 (коэффициент эффективности основной теплоэнергетической установки для
энергоснабжения потребителя) и цех2 (коэффициент эффективности дополнительной или подстраиваемой установки), составляет:
Чех = Пех1/(1 + у)+ V • Пех2/(і + уЬ а + Ь . (4)
Здесь у = Q2| Q1 - доля участия второй, дополнительной части схемы комбинированного энергоснабжения по отношению к основной; а = Пех1 / (1 + у); Ь = у ' Пех2 / (1 + у).
0,7'
0,6
0,5
0,4'
0,3
0,2'
0,1
0
0,7^
/
/
/ 0,6„
0,3
0,2
0,1
0
1,0 у
Чех
0,7
0,6
0,5
0.4
0,3
0,2
400
Пг = 0,95 ч 0,80
у' 1
1
г г
Ч к; ■ 0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
Тплрл- ^
б
Рис. 3. Номограммы: а - для определения коэффициента пех для комбинированных теплоэнергетических установок; б - для определения коэффициента пех системы «котел-потребитель тепловой энергии» и эк-сергетического КПД котла пк ех при различных параметрах: пк - тепловой КПД котла, Тпара - абсолютная температура пара за котлом; Тп - то же перед потребителем
Ь
П
а
а
Таким образом, по номограммам на рис. 1-3 можно определить термодинамическую эффективность различных теплоэнергетических установок по полному коэффициенту использования эксергии как комплексному показателю и частный коэффициент эффективности использования располагаемой эксергии при совместной работе теплоэнергетической установки (котел, ГТУ и т. д.) и потребителя тепловой или электрической энергии. Номограммы просты в использовании и рекомендуются к применению при модернизации различных схем энергоснабжения, а также на стадии их проектирования или при выборе нового теплоэнергетического оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин Р. А. К проблеме оценки эффективности теплоэнергетических технологий в промышленной энергетике // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2005. - № 6. - С. 214-229.
2. Ильин Р. А. О коэффициентах энерго- и эксергоотдачи теплоэнергетических установок / Национальная конф. по теплоэнергетике. - Казань: КНЦ РАН, 2006. - Т. 2. - С. 245-246.
3. Ильин Р. А., Ильин А. К. Еще раз об эксергетической эффективности использования топливных котлов для теплоснабжения // Изв. вузов. Северо-Кавказ. регион. Техн. науки. - 2006. - Приложение № 8. - С. 49-51.
4. Ильин Р. А. О коэффициентах использования энергии и эксергии в солнечных и геотермальных установках // Вузовская наука - региону: Материалы 4-й Всерос. науч. конф. - Вологда: ВолГТУ, 2006. - С. 46-48.
Получено 22.12.2006
THERMODYNAMIC NOMOGRAMS FOR DEFINITION OF EFFICIENCY OF HEAT POWER INSTALLATIONS
R. A. Ilyin
On the basis of exergic parameters thermodynamic nomograms for definition of efficiency of heat power installations are developed. They allow to define available exergy operating ratio and full exergy operating ratio. Examples are given.
