Эксергетический баланс котла

Для оценки эффективности теплотехнических процессов, в том числе и в котлах, все большее применение находят методы, основанные на совместном использовании первого и второго законов термодинамики. Это связано с тем, что обычно применяемая система КПД, базирующаяся на первом законе термодинамики, в соответствии с уравнением теплового баланса учитывает лишь количество теплоты и не рассматривает ее качество. Однако при оценке целесообразности и эффективности использования теплоносителя весьма существен и учет его качества.

Действительно, одинаковая энтальпия продуктов сгорания, например Q = V_rc_rt_r = 1000 МВт, может быть получеш. при температуре газов 50 °С и при температуре 1000 °С следовательно, при различных количествах газов. Однако ясно, что для практического использования газы, имеющие более высокую температуру, обладают большей ценностью чем низкотемпературные, несмотря на значительно большее количество последних. По этой же причине окружающая нас среда, обладающая неисчерпаемыми запасами низко-потенциальной теплоты, не имеет практической ценности.

Для термодинамической оценки эффективности котла применим метод эксергетических балансов. Под эксергией, как известно, понимают максимальную работу, которая может быть совершена при обратимом переходе какой-либо термодинамической системы из состояния с заданными параметрами в состояние равновесия с окружающей средой.

Работоспособность (эксергия) теплоты Q, МВт, при температуре Т, К, может быть определена из соотношения, справедливого для обратимого цикла Карно:

где Т₀ - абсолютная температура окружающей среды.

Коэффициент (1-Т₀/Т) учитывает качество теплоты при температуре окружающей среды Т₀. При температуре теплоносителя Т = Т₀ эксергия ее равна нулю. Чем выше температура теплоносителя Т, тем больше эксергия, тем больше ценность этой теплоты.

Эксергия потока Е_м, МВт, при условии, что кинетической и потенциальной энергией можно пренебречь, определяется по формуле

где Н и Н₀ - энтальпии потока и окружающей среды; S-S_o - изменение энтропии горячего источника, равное приросту энтропии окружающей среды. Эксергетический КПД, %, представляет собой отношение полезно усвоенной эксергии к эксергии затраченной и определяется по формуле

Эксергетическнй баланс котла применительно к котлу дает возможность не только оценить качество полезно затраченной теплоты и всех потерь, найденных из теплового баланса, но и выявить потери, которые в тепловом балансе вообще не находят отражения. Такими потерями, в частности, являются потери из-за необратимости горения топлива, из-за необратимости теплообмена, при смешении. Потери эксергии вследствие необратимости процесса горения топлива, МВт, можно определить, исходя из равенства

где Е_топ = еВ; Е_в; Е_п.с - соответственно эксергии топлива (химическая и физическая), воздуха и продуктов сгорания. Удельная эксергия топлива е близка по значению к теплоте сгорания топлива, МДж/кг (или МДж/м³).

Эксергия продуктов сгорания определяется для адиабатной температуры. При подогреве воздуха, идущего для горения топлива, потери эксергии от необратимости горения уменьшаются. Это объясняется большим повышением эксергии продуктов сгорания Е_п.с (вследствие повышения температуры горения) по сравнению с повышением эксергии горячего воздуха Е_в.

Потери эксергии от необратимого теплообмена, МВт, можно определить по формуле

где E₁ и Е₂ - эксергии греющего потока теплоносителя на входе и на выходе рассматриваемого участка; Е₄ и Е₃- эксергия нагреваемого потока на выходе и на входе рассматриваемого участка; Е^но_пот = Q_н.o(1 - Т₀/Т_ср) - потери эксергии рассматриваемым участком от наружного охлаждения. Потери эксергии от смешения потоков с различной температурой (Т₁ и Т₂), МВт, что имеет место, например, при подсосе воздуха в котел, можно определить по формуле

где Е_т1 и Е_т2- эксергии смешивающихся потоков; Е_см - эксергия потока после смешения.

Для примера рассмотрим тепловой и эксергетический баланс котла паропроизводительностью D = 230 т/ч (64 кг/с). Давление пара р = 10 МПа, перегрев пара до t_п.п = 510°С, топливо - природный газ с Q^c_н= 35,8 МДж/м³. Расход топлива 5 = 4,87 м³/с, температура уходящих газов t_уг= 150°С, температура холодного воздуха t_x.в= 20 °С. При определении прихода эксергии с топливом удельная эксергия природного газа принята МДж/м³.

В этом случае эксергия топлива составит

Эксергетический баланс котла приведен в табл. 2.1, где для сравнения дан также его тепловой баланс. При составлении эксергетического баланса использованы зависимости (2.58) -(2.63).

Как следует из табл. 2.1, эксергетический баланс котла, определяемый отношением полезно использованной эксергии (эксергия пара) и затраченной (эксергия топлива), составляет

что значительно ниже коэффициента использования теплоты топлива (90,9 %) по тепловому балансу котла. Такой относительно низкий эксергетический баланс котла обусловлен значительными потерями, возникающими в процессе передачи теплоты от топлива, обладающего химической энергией высокого потенциала, к низкопотенциальному. Значение потери с уходящими газами по эксергетическому балансу составляет 1,3 вместо 7,2 % по тепловому балансу, что объясняется низким температурным потенциалом уходящих газов, а следовательно, и относительно малой их ценностью.

Низкотемпературные потери от наружного охлаждения в эксергетическом и тепловом балансах имеют примерно одинаковые значения (0,3-0,5 %). Отсутствующие в тепловом балансе котла потери от необратимости горения и потери при теплообмене в эксергетическом балансе имеют значения каждая соответственно 24,2 и 24,5 %. Присосы воздуха в котел определяют потери эксергии 2,1 %.

Эксергетический баланс котла указывает, например, на пути повышения его термодинамической эффективности. Так, повышение температуры подогрева воздуха вызывает повышение температуры горения, что в свою очередь приводит к снижению потери эксергии при горении. Повышение параметров пара приводит к уменьшению потерь от необратимости теплообмена. При этом эксергетический баланс котла увеличится.