Экономия дизельного топлива при эксплуатации дизель- генераторов

Определение экономии энергоресурсов за счет поддержания теплопроводов в нормативном техническом состоянии

По техническим требованиям температура теплоносителя (воды) в магистральных сетях не должна понижаться более, чем на I К/км. По данным замеров, проведенных на теплотрассе г.Новосокольники температура теплоносителя снижается на 1К за каждые 200 метров.

Для магистрали ТЭЦ г.Новосокольники определить экономию тепла и топлива при нормальном техническом состоянии изоляции по сравнению с реально имеющейся в г.Новосокольники за один час работы. Вид топлива при­нять из таблицы 2 (в соответствии с вариантом).

Исходные данные для расчета:

- расстояние от ТЭЦ до теплового пункта по теплотрассе: l = 3 км=3000м;

- диаметр теплопровода: d=420 мм;

- скорость воды: v_вод= 1,07м/с;

- температура воды: t_в=150°С.

 

Потери тепла (DQ_н, кВт) при нормальном состоянии теплоизоляции соста­вят за 1 сек. по всей магистрали в кВт

 

= рVS

p- плотность воды при температуре 150°С = 916,8 кг/м3

S- площадь сечения м2 внутреннего просвета трубы

S=Пr2=П*D2/4=0,138474 м2

= 916,8*1,07*0,138474=135,83кг/с

, (3.1)

где Q_вод - массовый расход воды, кг/с;

C_в - массовая изобарная теплоемкость воды, C_в=4,19 кДж/кг^.К;

l - длина магистрали, м;

Dt_н - нормативное снижение температуры теплоносителя, К/м, Dt_н=0,001 К/м

=1707,4 кВт

 

Действительные потери теплоты (DQ_д, кВт):

 

, (3.2)

=8536,9 кВт

где Dt_д - действительное снижение температуры теплоносителя в теплопроводе на I м его длины, К/м, Dt_д=0,005 К/м

 

Перерасход тепла (DQ_п, кВт) составит:

 

(3.3)

=6829,5 кВт

 

Экономия топлива за 1 час работы котельной (∆B, кг/ч или нм³/ч)

 

(3.4)

=756,6 кг/ч

 

Экономия топлива за отопительный период (∆B_оп, кг или нм³):

(3.5)

где =212,5 сут=5100 час

 

=3858660 кг

 

где τ_оп- продолжительность отопительного периода (для Великих Лук τ_оп = 212-213 сут.)

Экономия дизельного топлива при эксплуатации дизель- генераторов

Двигатели дизель- генераторов имеют широкий диапазон мощностей (от 50 до 5000 кВт), номинальных частот вращения коленчатого вала (от 300 до 3000 мин^-1), степеней сжатия (от 14 до 20), числа цилиндров (от 2 до 12), размеров: (ход поршня S и диаметр поршня Д) и других характеристик.

Экономия расхода топлива дизель- генераторами возможна за счет:

- конструктивных факторов (степень сжатия (e), устройства для наддува, регенеративный подогрев воздуха и топлива и др.);

- режимных факторов (номинальная нагрузка, оптимальный тепловой режим);

- эксплуатационных факторов (качественное топливо и смазка, минимальная продолжительность работы на холостом ходу, оптимальные регулировки топливной аппаратуры, состояние основных деталей цилиндро- поршневой группы, идеальное состояние вспомогательных устройств, минимальное сопротивление впускного и выпускного трактов и др.).

В процессе эксплуатации дизель- генераторов все указанные факторы действуют комплексно, поэтому практически определить экономический эффект какого-либо одного из них весьма сложно. Ограничимся изучением влияния каждого фактора на экономические показатели дизель- генератора в чисто теоретическом плане (качественная сторона) и определим расчетом влияние основного конструктивного параметра - степени сжатия (e) на удельный расход топлива, на примере дизелей малой и средней мощности (Д-120, Д-144, Д-240, Д-181, Д-160, 8ДВТ-400, 12ДВТ-600, Д 19/30). Все эти дизели, кроме Д 19/30 широко используются в качестве силовых установок тракторов. Дизели типа Д 19/30 в основном предназначены для дизель- генераторов, но использовались в качестве силовых установок на судах, а также в качестве стационарных силовых установок в лесообрабатывающей промышленности.

Для сравнения приведены два газовых двигателя, используемые для привода электрогенераторов (6Г4 12/14, ДГ-48).

Исходные данные и основные характеристики дизелей для расчета приведены в таблице 1.1.

 

Расчет эффективности повышения степени сжатия для дизелей необходимо провести при условии их работы в номинальном режиме при степени повышения давления l=1,8 и степени предварительного расширения r=1,46. При этом полагать, что рабочее тело обладает свойствами воздуха (условно), т.е. k = 1,41.

Термический К.П.Д определяется по формулам

- для цикла современного дизеля:

 

(1.1)

где:

ε - степень сжатия;

l - степень повышения давления, l=1,8;

r - степень предварительного расширения, r=1,46;

k - коэффициент, k=1,41;

 

для ε=15

=0,655

для ε=16

=0,664

для ε=17

=0,671

для ε=18

=0,679

 

Повышение эффективного К.П.Д (h_е) пропорционально снижает удель­ный расход топлива. Эффективный К.П.Д (h_е) учитывает как тепловые потери в двигателе, так и механические. Последние имеют место в узлах трения двигателя, а также за счет потери мощности, расходуемой на привод вспомогательных механизмов и агрегатов. На основании того, что механические потери индикаторной мощности двигателя составляют 10-30%, механический КПД двигателя находится в пределах h_м = 0,7-0,9.

Эффективный К.П.Д. двигателя (h_е) рассчитывается из выражения

 

, (1.2)

где:

- термический К.П.Д.;

h_м - механический К.П.Д.; h_м =0,7-0,9

h_оi - относительный индикаторный К.П.Д., h_оi=0,65-0,75

 

для =0,655

= 0,3668

для =0,664

=0,37184

для =0,671

=0,37576

для =0,679

=0,38024

 

где h_оi - относительный индикаторный К.П.Д., h_оi=0,65-0,75

 

Удельный расход топлива (g, г/кВт^.ч) определяется по формуле:

 

, (1.3)

 

=239 г/кВт^.ч

=236 г/кВт^.ч

=234 г/кВт^.ч

=231 г/кВт^.ч

 

где Q^р_н - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (для представленных в задании марок дизелей на жидком топливе Q^р_н = 40-42 МДж/кг.

После выполнения необходимых расчетов требуется дополнительно определить экономический эффект от повышения степени сжатия двигателя – ε.

ε = 15; ε=16; ε=17; ε=18

=239 г/кВт^.ч ‹ = 236 г/кВт^.ч ‹ = 234 г/кВт^.ч ‹ =231 г/кВт^.ч

 

Вывод: с повышением степени сжатия (ε) удельный расход

() уменьшается.
2 Экономия тепловой энергии за счет регенерации при работе котельных установок

 

Современные котельные установки малой и средней мощности имеют сравнительно невысокие К.П.Д. (от 0,55 до 0,90 ), особенно при работе без регенерации тепла. При этом основными составляющими тепловых потерь при работе котельных являются

1. Потери, получаемые в результате выноса тепла с дымовыми газами.

2. Потери теплоты на наружное охлаждение нагретых поверхностей.

Рассматриваемые виды тепловых потерь можно снизить за счет:

- использования лучших материалов обмуровки (с меньшими значениями коэффициентов теплопроводности);

- увеличения толщины обмуровочного слоя;

- частичной регенерации потерянного тепла (воздухозабор из верхних слоев помещения котельной);

- снижения температуры уходящих газов за счет использования экономайзеров, воздухоподогревателей, контактных теплообменников, что дает значительный эффект экономии энергоносителя.

Возможности реального процесса экономии топлива на котельных установках можно исследовать, решая конкретные задачи.

 

Контрольное задание №1

 

Определить экономию топлива в расчете на 1 ГДж тепловой энергии в котельной, использующей котлы типа ДКВР. Сравнить три варианта:

1. Внешний воздухозабор (среднегодовая температура отопительного периода t_о.п. может изменяться от -15°С до - 35 ^оС);

2. Внутренний воздухозабор из нижнего слоя (средняя температура воздуха t_в =18°С);

3. Внутренний воздухозабор из верхнего слоя на высоте 6 м.

Градиент температуры по вертикали 2 К/м. t_в = 30 ^оС

Определить относительную экономию топлива при внутреннем воздухозаборе по сравнению с внешним в соответствии с данными, представленными в таблице 2.

 

Таблица 2 - Исходные данные для определения экономии тепловой энергии за счет регенерации при работе котельных установок

№ варианта	Тип и марка котла	Номинальная тепловая мощность Q, кВт	К.П.Д. котла, ηк	Вид сжигаемого топлива	Среднегодо­вая темпера-тура отопи-тельного периода tоп, оС
	ТВГ- 8		0,92	Березовский газ	-27

Таблица 3 - Расчетные характеристики газообразного топлива

Газ природный	Элементный состав газа, %	Теплота сгорания на сухую массу, Qсн, кДж/кг
CH4	C2H4	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
Березовский	95,1	1,1	0,3	0,1	-	3,0	0,4

 

Расчет проводится в следующей последовательности: Определяется расход топлива (B, кг/с (нм³ /с)) при номинальной нагрузке котла

 

, (2.1)

 

где Q – номинальная мощность котла (таблица 2), кВт;

(Q^с_н) - низшая теплота сгорания (теплотворная способность) топлива, кДж/кг или кДж/нм³ (таблица 3);

η_к - К.П.Д. котла (таблица 2)

 

=0,297 нм³/с

 

Для полного сгорания I кг твердого (жидкого) или I нм³ газообразного топлива требуется теоретически необходимый расход воздуха V^о_в, который зависит от элементного состава топлива и может быть рассчитан

 

Для газообразного топлива (V^о_в, м³/нм³)

 

, (2.2)

где m, n - число атомов соответственно углерода и водорода в молекуле углеводорода.

9,81 м³/нм³

Для оценочных расчетов можно принять

 

, (2.3)

 

где (Q^с_н) - низшая теплота сгорания (теплотворная способность) топлива, МДж/кг или МДж/нм³.

Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку подают больше воздуха, чем необходимо теоретически.

Действительный расход воздуха на I кг (нм³) топлива в м³/кг (м³/нм³)

 

, (2.4)

где α - коэффициент избытка воздуха в топке для газов α= 1,05-1,1;

 

=10,35 м³/кг

 

 

Действительный расход воздуха (V_д, м³/с) при сжигании топлива, подаваемый в топку котла,

 

, (2.5)

=3,012 м³/с

 

Расход теплоты (Q_i, кВт), необходимый для подогрева (или недогрева) воздуха

 

, (2.6)

где С^/_p - объемная изобарная теплоемкость воздуха; кДж/нм^3.К (принимается С^/_p=1,3 кДж/нм^3.К);

 

=-97,89 кВт при внешнем воздухозаборе

=70,48 кВт при внутреннем воздухозаборе

=117,468 кВт на высоте 6м

 

∆t_i – разность температур,^оC, рассчитываемая по формуле

 

, (2.7)

где t_i - температура воздуха при внешнем или внутреннем воздухозаборе (принимается по заданию), ^оС;

t_о – начальная температура воздуха, принимаемая для расчета, ^оС (составляет t_о=0^оС)

=-25 ^оC при внешнем воздухозаборе

=18 ^оC при внутреннем воздухозаборе

=30 ^оC на высоте 6м

 

 

Расход топлива (B_i, кг/с (нм³/с)), с учетом подогрева (или недогрева) его при внешнем (или внутреннем) воздухозаборе

 

, (2.8)

=0,300 нм³/с при внешнем воздухозаборе

=0,295 нм³/с при внутреннем воздухозаборе

=0,293 нм³/с на высоте 6м

 

Секундная (часовая, суточная) экономия топлива в котельной - ∆B_i, рассчитывается по формуле:

 

, (2.9)

=-0,003 нм³/с при внешнем воздухозаборе

=0,002 нм³/с при внутреннем воздухозаборе

=0,004 нм³/с на высоте 6м

 

Экономия топлива (∆b_i, кг/ГДж или нм³/ГДж) в расчете на I ГДж отпускаемой теплоты котельной

(2.10)

=-0,3109 нм³/ГДж при внешнем воздухозаборе

=0,2073 нм³/ГДж при внутреннем воздухозаборе

=0,415 нм³/ГДж на высоте 6м

Экономия топлива за отопительный период (∆B_оп, кг или нм³):

 

, (2.11)

 

где =212,5 сут = 18360000 секунд

=-5708124 нм³ при внешнем воздухозаборе

=3806028 нм³ при внутреннем воздухозаборе

=7619400 нм³ на высоте 6м

 

где τ_оп- продолжительность отопительного периода (для Великих Лук τ_оп = 212-213 сут.)

Контрольное задание №2

 

Определить экономию топлива котельными установками за счет предельно возможной регенерации тепла уходящих газов (для тех же котлов).

За номинальный режим работы принять t_ух1=160-190°С. Экономия топлива возможна за счет снижения температуры уходящих газов. Используя низкотемпературные теплообменники можно снизить температуру газов до значений t_ух2=110-130°С, а в газовых котельных при применении контактных теплообменников до 80°С.

За счет регенерации потери тепла с уходящими газами при сжигании (В кг/с (нм³/с)) топлива уменьшаются на величину - DQ_ух, определяемую по формуле

 

, (2.12)

 

где V^о_г– объем дымовых газов (таблица 4);

С^/_г – средняя объемная теплоемкость дымовых газов (кДж/нм^3.К), состоящих из СО₂, N₂, H₂O, определяемая из выражения:

 

, (2.13)

 

С учетом состава продуктов сгорания, формулу (2.12) можно записать в раскрытом виде

 

, (2.14)

где – объемы составляющих продуктов сгорания (м³/кг или м³/н^.м³), входящие в состав дымовых газов на 1 кг (н^.м³) сгоревшего топлива и зависящие от исходного состава топлива (таблица 4)

- объемные теплоемкости газов, кДж/нм^3.К (таблица 5)

- теоретический объем воздуха, м³/кг или м³/н^.м³;

- теплоемкость воздуха, кДж/нм^3.К.

=447,56 кВт

 

Расход топлива на котел (B^р, кг/с или нм³/с) с применением регенерации уходящих газов вычисляется из выражения

 

, (2.16)

=0,283 нм³/с

 

где Q – номинальная тепловая мощность котла, кВт (таблица 2);

 

Экономия топлива за счет регенерации (∆B, кг/с или нм³/с) рассчитывается по формуле:

 

, (2.17)

=0,014 нм³/с

 

Экономия топлива за отопительный период (∆B_оп, кг или нм³):

, (2.18)

= 257040 нм³

 

где τ_оп- продолжительность отопительного периода (для Великих Лук τ_оп = 212-213 сут.)

 

 

Таблица 4 - Объемы воздуха и продуктов сгорания на 1 кг твердого (жидкого) или I нм³ газообразного топлива при a=1

Вид топлива	Показатели
Природный газ
Березовский	9,74	1,04	7,70	2,18	10,92

 

 

Таблица 5 - Средние объемные теплоемкости газов и воздуха, кДж/нм^3.К

t, oC
	1,5998	1,2946	1,4943	1,3189
	1,7003	1,2959	1,5052	1,3243
	1,7874	1,2996	1,5224	1,3319