Значения коэффициента ценности теплоты

В отборах турбины ПТ-60-130

Показатель	3,17	1,96	1,27	0,46	0,3	0,14	0,04
Коэффициент ценности теплоты ξ в отборе	0,795	0,725	0,655	0,525	0,462	0,398	0,274

Если теплота промежуточной продукции (например, теплота жидкого чугуна, нагретого металла и т.п.) используется в последующих производствах (агрегатах), то экономия теплоты топлива на заводе по сравнению со случаем, когда эта теплота не используется, будет определяться выражением

где Δ Q _п.п– использованная теплота промежуточной продукции; η_техн – технологический к.п.д. агрегата, где производится тепловая обработка материала.

Задачи

1. На заводе используется теплота ВЭР в количестве Q _ВЭР =
= 1000 ГДж/ч, при этом происходит вытеснение отбора турбин 1,27 МПа заводской ТЭЦ. К.п.д. котлов = 0,88; к.п.д. транспорта тепла = 0,98. Определить экономию теплоты топлива на заводе за счет использования теплоты ВЭР. Принять, что на ТЭЦ установлены турбины ПТ-60-130.

Ответ: = 26 т/ч (условного топлива).

Решение

Для отбора турбины ПТ-60-130 коэффициент ценности тепла пара отбора при давлении 1,27 МПа равен 0,655. Уменьшение отбора тепла из турбины равно . Экономия теплоты топлива на ТЭЦ равна

2. Решить задачу № 1 при условии, что используемые ВЭР имеют низкое давление и вытесняют отбор с давлением 0,14 МПа (коэффициент ценности теплоты пара x принять по табл. 1.)

Ответ: = 15,7 т/ч (условного топлива).

3. Через прокатное производство проходит 6 млн. т стали в год. В котлах-утилизаторах вырабатывается пар давлением 1,3 МПа в количестве 0,2 т пара на 1 т стали. Пар используют на технологические процессы на заводе. Пар в КУ в течение года вырабатывается равномерно. Рассчитать экономию топлива на заводе в т.у.т., если: а) пар от КУ используется круглогодично, причем летом в течение 3000 ч этот пар вытесняет пар из производственных отборов турбин заводской ТЭЦ давлением 1,3 МПа; б) летом КУ на 3000 ч отключают, чтобы их пар не вытеснял пар из отборов турбин ТЭЦ. К.п.д. котлов ТЭЦ h_кот= 0,88; к.п.д. транспорта тепла h_т.п = 0,98.Число часов в году – 8760 ч. При расчете принять, что у производственных потребителей 1 т пара отдает 2,2 ГДж теплоты.

Ответ: а) 90,6 тыс. т.у.т.; б) 67,2 тыс. т.у.т.

Решение

Через прокатное производство проходит в среднем такое количество стали: 6000000/8760 = 684 т/ч. Выработка пара в КУ печей прокатных станов в среднем составляет 0,2×684 = 137 т/ч. Выход теплоты ВЭР от КУ составляет Q _ВЭР =137×2,2 = 301 ГДж/ч. Зимой в течение (8760 - 3000) = 5760 ч пар от КУ не вытесняет пар из отборов турбин ТЭЦ, поэтому экономия привозного топлива за это время составит:

Летом в течение 3000 ч пар от КУ вытесняет пар из отборов турбин ТЭЦ с коэффициентом ценности x @ 0,655 (из табл. 1), поэтому за этот период экономия топлива составит:

Если пар от КУ используют круглогодично, то экономия привозного топлива составит 67,2 + 23,4 = 90,6 тыс. т.у.т.

4. В системах испарительного охлаждения машин непрерывного литья заготовок вырабатывается в среднем 50 т пара в час давлением 0,15 МПа. Пар используется в отопительный сезон в течение 5000 ч в году на получение горячей воды, идущей на отопление, вытесняя при этом отборы турбин ТЭЦ. Рассчитать экономию топлива по заводу за отопительный сезон. Принять, что 1 т пара содержит 2,2 ГДж теплоты.

Ответ: 8,6 тыс. т.у.т.

5. В летнее время излишки пара давлением 3,5 МПа от утилизационных установок предлагается использовать для подогрева питательной воды ТЭЦ. Расход свежего пара на турбину ПТ-60-130 летом при работе ее с закрытыми отборами Т и П (вероятный режим) равен примерно 185 т/ч, а расход питательной воды котла G _п.в= 190 т/ч. Номинальная температура регенеративного подогрева питательной воды t _п.в = 232° С. Отключены регенеративные отборы только высокого давления – после деаэратора, вода которого имеет температуру 158 – 160 °С. Определить расход теплоты утилизационного пара на подогрев питательной воды и экономию топлива на ТЭЦ.

Ответ: ГДж/ч; В _эк=1,8 т/ч.

Решение

Температура конденсации пара давлением 3,5 МПа равна 241,4°. Паром УУ можно нагреть питательную воду до
225 - 230 °С. Расход теплоты ВЭР на подогрев питательной воды составит кДж/ч. У верхних (после деаэратора) отборов турбины ПТ-60-130 средний коэффициент ценности теплоты равен 0,727. Соответственно, экономия теплоты топлива по заводу составит

кДж/ч.

При этом В _эк = 53,5/29,3 =1,8 т/ч (1300 т/мес).

6. СИО крупной доменной печи выдает 30 т/ч пара с давлением 0,2 МПа. Пар с таким давлением не находит потребителей и сбрасывается в атмосферу. Чтобы использовать такой пар на заводе, применяется система компримирования, повышающая давление пара при помощи турбокомпрессоров до 1 МПа, необходимого потребителям. Принципиальная схема турбокомпрессорной установки для повышения давления пара показана на рисунке. Определить достигаемую экономию топлива на заводе, если компримированный пар не вытесняет отборов турбин ТЭЦ для случаев: а) конденсат пара давлением 1 МПа не охлаждается у потребителя; б) конденсат охлаждается до 100 ºС.

Ответ: а) В _эк=1,63 т/ч; б) В _эк= 2,04 т/ч.

Схема парокомпрессорной установки:

1 - электродвигатель; 2 - турбокомпрессор; 3 - потребитель пара

Методика решения

Удельная работа компрессора на 1 кг пара, равная приращению энтальпии пара , определяется по формуле

где - повышение энтальпии в идеальном компрессоре (изоэнтропное сжатие, определяемое по h, s - диаграмме для водяного пара); - изоэнтропный внутренний КПД турбокомпрессора (ТК), равный 0,80 - 0,86.

Для определения расхода электроэнергии на привод ТК надо учесть электромеханический КПД агрегата = 0,95 – 0,98. Соответственно, расход электроэнергии ТК (удельный) равен

Удельный расход теплоты топлива на выработку электроэнергии на КЭС составляет

где - удельный расход теплоты топлива на единицу отпущенной электроэнергии.

На современных КЭС (с которыми надо вести сравнение) (в системе СИ), или b _КЭС = 332 г/(кВт · ч). С учетом потерь электроэнергии в сетях и на трансформацию значение на валу турбокомпрессорного агрегата составит
2,9. Полный удельный расход теплоты топлива на повышение давления пара определяется по формуле

. (1)

Энергетическая эффективность повышения давления пара в ТК q _эк определяется разностью между количеством теплоты, полученной потребителем благодаря повышению давления и энтальпии пара q _пот, и теплотой топлива, затраченной на электростанции q _топ:

где η_кот – к.п.д. заменяемой котельной.

Решение

По h, s -диаграмме находим = 340 кДж/кг. Значение q _топопределим по (1): кДж/кг пара. По h, s -диаграмме находим с учетом = 0,85 температуру пара в конце сжатия = 330°С. Энтальпия пара при =1,0 МПа и = 330 °С по h, s -диаграмме или таблицам: = 3115 кДж/кг. Энтальпия конденсата пара равна: при давлении 1,0 МПа h _к = 740 кДж/кг; при 0,1 МПа h _к= 410 кДж/кг.

Таким образом, если у потребителя конденсат отводится с температурой насыщения, то потребитель получит теплоты
q _пот = 3115 - 740 = 2375 кДж/кг, а в случае использования теплоты конденсата примерно до 100 °С q _пот = 3115 - 410 = = 2705 кДж/кг. Следовательно, экономия теплоты топлива для системы «промышленное предприятие - электростанция» при к.п.д. замещаемой котельной n _кот = 0,85 составит: а) = 2375/0,85 – 1200 = 1595 кДж/кг пара или б) q _эк = 2705/0,85 – 1200 = 1995 кДж/кг.

а) Без охлаждения конденсата, если расход пара низкого давления равен 30 т/ч, экономия условного топлива составит В _эк= 30 · 1595/ 29310 = 1,63 т/ч.

б) При охлаждении конденсата до 100 °С, экономия условного топлива составит В _эк= 30 · 1995/29 310 = 2,04 т/ч.

7. Решить задачу № 6 при условии, что производственным потребителям требуется пар давлением 0,5; 0,8; 1,5 МПа.

8. Расчетноепотребление производственного пара крупным металлургическим заводом, т/ч показано в таблице:

Потребители	Давление производственного пара, МПа
Потребители	2	1,3	0,5
Коксохимическое, огнеупорное производство и часть металлургического производства	85	–	–
Основное металлургическое производство, аглофабрики, огнеупорное производство	–	810	–
Вспомогательные производства, мелкие потребители	–	140	–
Коксохимическое производство	–	–	150
Водоподготовка утилизационных установок, центральная химводоочистка	–	–	160
И т о г о	85	950	310

Весь производственный пар дает заводская ТЭЦ. Определить расчетную (максимальную) экономию топлива на заводе, т.у.т./ч, если весь необходимый производственный пар будут обеспечивать утилизационные установки, а ТЭЦ будет работать на конденсационном режиме. К.п.д. котлов ТЭЦ – 0,87; к.п.д. транспорта – 0,98. Значения коэффициента ценности теплоты в отборах турбин взять такими же, как у турбины ПТ-60-130 (табл. 1). Принять, что 1 т пара содержит 2,2 ГДж теплоты.

Ответ: 75 т.у.т./ч.

Решение

У турбин ПТ-60-130 коэффициент ценности теплоты у пара давлением 2 МПа равен примерно 0,775 (из табл. 1); у пара давлением 1,3 МПа – 0,665; у пара давлением 0,5 МПа – 0,525. Потребление пара давлением 2 МПа на заводе составляет 85×2,2 = 187 ГДж/ч; пара давлением 1,3 МПа – 2090 ГДж/ч; пара давлением 0,5 МПа – 682 ГДж/ч.

Если весь необходимый заводу пар вырабатывается утилизационными установками, и производственные отборы пара турбин ТЭЦ полностью отключаются, то экономия привозного топлива составит:

9. На выжиг одной тонны кокса расходуется 0,1 т у.т. (доменный газ с теплотой сгорания 4,1 МДж/м³). Дымовые газы после регенераторов имеют среднюю температуру 350 ºС. Определить выход дымовых газов и потери тепла с дымовыми газами на 1 т кокса.

Ответ: V _д.г= 1215 м³/т; Q _д.г = 23,2 кг у.т./т кокса.

Решение

Расход тепла топлива на выжиг одной тонны кокса составляет 0,1 · 29,310 = 2,931 ГДж/т. Расход доменного газа составляет 2,931 · 1000/4,1 = 717,8 м³/т. По I, t -диаграмме горения доменного газа при коэффициенте избытка воздуха 1,1 определяем объем продуктов горения – 1,7 м³/м³. Энтальпия продуктов горения при 350 ºС равна 0,95 МДж/м³ доменного газа. Выход дымовых газов на 1 т кокса составляет V _д.г= 1,7 · 717,8 =
= 1215 м³/т. Потери тепла с дымовыми газами Q _д.г = 0,95 ´
´ 717,8 = 682 МДж/т = 23,2 кг у.т./т кокса.

10. Выход коксового газа по химической теплоте сгорания эквивалентен 0,3 т.у.т. на 1 т кокса. На выжиг 1 т кокса в коксовой батарее расходуется газовое топливо в количестве 0,095 т.у.т. Примерно 40 % теплоты сгорания топлива переходит в физическую теплоту неочищенного коксового газа, выходящего из печи с температурой примерно 700 ºС, которая теряется в охладителях коксового газа. Номинальная теплота сгорания коксового газа – 16,8 МДж/м³. Найти выход коксового газа (м³/т кокса) и количество физической теплоты, уносимой неочищенным коксовым газом (ГДж/т кокса).

Ответ: 523 м³/т кокса; 1,11 ГДж/т кокса.

Решение

Химическая теплота сгорания коксового газа в расчете на 1 т кокса составляет 0,3×29,3×1000 = 8790 МДж; объемный выход коксового газа на 1 т кокса: 8790/16,8 = 523 м³. Количество физической теплоты, уносимой коксовым газом из печи, в расчете на 1 т кокса: 0,4×0,095×29,3 = 1,11 ГДж.

11. В кислородных конвертерах производится 5 млн т стали в год. Выход конвертерного газа по теплоте сгорания эквивалентен 0,025 т у.т./т. стали. При установке газгольдера конвертерный газ будет использоваться на заводе. Рассчитать экономию природного газа в млн м³ в год, если конвертерный газ будет замещать природный в нагревательных печах. Теплота сгорания природного газа – 35 МДж/м³.

Ответ: 104 млн. м³.

Решение

Суммарный выход конвертерного газа в год по теплоте сгорания составляет 5000 ×0,025 = 125 тыс. т.у.т., что эквивалентно 3662,5 млн. МДж химической теплоты. При замене конвертерным газом природного экономия последнего составит: 3662,5/35 = 104 млн. м³ в год.

12. Производительность коксовых батарей на заводе составляет 3 млн. т кокса в год. Половина кокса (50 %) тушится на установках сухого тушения кокса (УСТК), где вырабатывается пар давлением 4,5 МПа в количестве 0,4 т пара/т кокса. Пар используется в турбинах с противодавлением 0,5 МПа, где вырабатывается электроэнергия. Отработавший пар идет в коксохимическое производство (КХП) на технологические процессы. Определить, насколько меньше топлива сжигается на заводской ТЭЦ (т.у.т/ч) по сравнению со случаем, когда 100 % кокса тушилось мокрым способом. На получение 1 т свежего пара на ТЭЦ расходуется 2,5 ГДж теплоты. С 1 т пара из противодавления турбины отпускается 2,2 ГДж теплоты. КПД котлов ТЭЦ – 0,87. Определить электрическую и тепловую мощности турбин с противодавлением, приняв начальные параметры пара перед турбиной 3,5 МПа, 430 °С; внутренний относительный КПД турбины – 0,85; электромеханический КПД – 0,97.

Ответ: 16,7 т.у.т./ч; 19,6 МВт; 376 ГДж/ч.

Решение

Пар давлением 4,5 МПа является энергетическим, поэтому коэффициент ценности его теплоты равен 1. Средняя часовая производительность УСТК по пару равна 0,5×3000000/8760 = 171 т/ч пара = 47,5 кг/с пара. Экономия топлива на заводской ТЭЦ составляет: 171×2,5/0,87 = 491 ГДж/ч теплоты топлива, или 16,7 т.у.т./ч. По i, s - диаграмме водяного пара определяем энтальпию пара при параметрах 3,5 МПа, 430 °С – i ₀ =3300 кДж/кг; при изоэнтропийном расширении этого пара в турбине с противодавлением до 0,5 МПа энтальпия отработавшего пара составит i _т = 2800 кДж/кг. В идеальном процессе 1 кг пара совершит работу в количестве i ₀ - i _т = 500 кДж/кг. Электрическая мощность турбин с противодавлением составит 500×47,5×0,85×0,97 = 19580 кВт = 19,6 МВт. Тепловая мощность турбин с противодавлением составит: 171×2,2 = 376 ГДж/ч.

13. На МНЛЗ разливается 5 млн т стали в год. В кристаллизаторах МНЛЗ отводится 20 % теплоты затвердевания стали. Определить количество пара, т/ч, которое будет выработано, если кристаллизаторы перевести на испарительное охлаждение. Давление пара 0,1 МПа. Теплота расходуется только на испарение.

Ответ: 13,6 т/ч.

Решение

При затвердевании 1 т жидкой стали выделяется теплота затвердевания 270 МДж/т. В час на МНЛЗ разливается стали в среднем 5 млн т/8760 = 570 т /ч. В кристаллизаторах отводиться количество теплоты затвердевания, равное 0,2 · 270 · 570 = = 30780 МДж/ч. На испарение 1 т пара при 0,1 МПа расходуется 2257 МДж/т пара. За 1 ч СИО кристаллизаторов выработает 30780/2257 = 13,6 т пара/ч.

14. Из крупной доменной печи выходит 1500 т/ч жидкого шлака с температурой 1350 ºС. В утилизационной установке шлак охлаждается азотом, который нагревается до 850 ºС. Приняв, что утилизируется лишь теплота затвердевания шлака (143 кДж/кг), определить расход азота (м³/ч), а также выход пара в КУ т/ч (давление пара 4,5 МПа), обогреваемом горячим азотом, который охлаждается в нем до 200 ºС и направляется опять на охлаждение шлака. На получение 1 т пара расходуется 2,5 ГДж теплоты. Теплоемкость азота принять равной 1,04 кДж/(кг×К). Плотность азота при нормальных условиях 1,25 кг/м³.

Ответ: 253,6 тыс. м³/ч; 85,8 т/ч.

Решение

В утилизационной установке утилизируется Q = 1500×143 = 214500 тыс. кДж/ч = 214,5 ГДж/ч теплоты жидкого шлака. Массовый расход азота G, циркулирующего в установке, кг/ч, определяется из уравнения теплового баланса:

откуда G = 317 тыс. кг/ч. Объемный расход азота, приведенный к нормальным условиям, составит 317/1,25 = 253,6 тыс. м³/ч. Выработка пара за счет теплоты азота составит 214,5/2,5 = 85,8 т/ч.

15. Доменный каупер обогревается доменным газом с добавкой природного газа. Средняя температура дымовых греющих газов, отходящих от каупера, – 350 ºС. На обогрев кауперов расходуется 25 % выхода доменного газа. Для крупной доменной печи выход составляет 0,7 млн м³/ч. Определить экономию природного газа на обогрев кауперов, если теплоту дымовых газов использовать в рекуператоре для подогрева воздуха, идущего на горение в каупер. Принять температуру дымовых газов после рекуператора равной 200 ºС.

Ответ: В _эк= 2050 м³/ч.

Решение

При сжигании доменного газа с α = 1,1 энтальпия продуктов сгорания при 350 ºС равна 0,96 МДж/м³ доменного газа (по I, t -диаграмме), а при температуре 200 ºС энтальпия продуктов сгорания равна 0,55 МДж/м³. При использовании теплоты дымовых газов от 350 до 200 ºС в регенеративном устройстве будет сэкономлено следующее количество теплоты природного газа: Q _эк=700 000·0,25·(0,96–0,55)= 71 750 МДж/ч.

При теплоте сгорания природного газа 35 МДж/ч экономия природного газа составит В _эк= 71 750/35 = = 2050 м³/ч.

16. Решить предыдущую задачу при условии, что дымовые газы охлаждаются в рекуператоре до 100 ºС.

Ответ: В _эк= 3670 м³/ч.

17. Производительность одного блока УСТК составляет 55 т кокса в час. Раскаленный кокс загружается с температурой 1000 ºС, охлаждается до 250 ºС. Инертный газ (N₂) нагревается от 200 до 800 ºС и направляется в котел-утилизатор, где из питательной воды получается пар давлением 3,5 МПа и температурой 430 ºС, который используется в турбине с противодавлением для выработки электроэнергии, где расширяется до давления 0,5 МПа. Внутренний относительный к.п.д. турбины принять равным 0,86; электромеханический к.п.д – 0,98. Отработавший пар направляется к технологическим потребителям, где конденсируется и охлаждается до 100 ºС и возвращается в КУ в качестве питательной воды. Составить тепловой баланс блока УСТК, рассчитать расход инертного газа (тыс. м³/ч), выход пара (т/ч), электрическую мощность турбины (МВт). Потерями тепла пренебречь. Среднюю теплоемкость кокса принять равной 1,21 кДж/(кгºС). Теплоемкость азота принять равной 1,04 кДж/(кг×К).

Ответ: 52,8 тыс. нм³/ч; 14,3 т/ч; 1,67 МВт.

Решение

Теплота, выделяющаяся при охлаждении кокса в бункере УСТК, равна Q = 55×1,21×(1000-250) = 41183 тыс. кДж/ч. Массовый расход циркулирующего в УСТК азота равен 41183/1,04/(800-200) = 66 тыс. кг/ч = 52,8 тыс. нм³/ч. Выход пара из котла-утилизатора УСТК равен Q /(i ₀ - i _пв) = 14,3 тыс. кг/ч = 3,97 кг/с, где i ₀ = 3300 кДж/кг – энтальпия пара при параметрах 3,5 МПа, 430 °С; i _пв = 419 кДж/кг – энтальпия питательной воды котла-утилизатора при температуре 100 °С. Электрическая мощность турбины равна 3,97×500×0,86×0,98 = 1673 кВт.

18. На выходе из МНЛЗ затвердевшие слябы имеют температуру 900 ºС. В настоящее время они охлаждаются на воздухе и их физическая теплота теряется. Если осуществить подачу слябов в нагревательные печи прокатных станов в горячем виде, то какое количество топлива (т у.т./год) будет экономиться в нагревательных печах, в которых металл нагревается до 1250 ºС? Принять технологический КПД нагревательных печей 40 %. В год на МНЛЗ разливается 5 млн. т стали.

Ответ: экономия топлива равна 260 тыс. т у.т./год.

Решение

Чтобы нагреть углеродистую сталь от 0 до 900 ºС, требуется 0,695 · 900 = 625 кДж/кг, где 0,695 – средняя теплоемкость стали при температуре 900 ºС. Чтобы нагреть углеродистую сталь от 0 ºС до 1250 ºС, требуется 0,683 · 1250 =
= 853 кДж/кг, где 0,683 – средняя теплоемкость стали при температуре 1250 ºС. Чтобы нагреть углеродистую сталь от 900 до 1250 ºС, требуется 853 – 625 = 228кДж/кг.

Расход теплоты топлива в случае нагрева от 0 до 1250 ºС составит 853/0,4 = 2132 кДж/кг = 2,132 ГДж/т. Расход теплоты топлива в случае нагрева от 900 до 1250 ºС составит 228/0,4 = = 570 кДж/кг = 0,57 ГДж/т.

За год расход теплоты топлива в первом случае составит 5 млн т · 2,132 = 10,66 млн ГДж = 0,36 млн т у.т. Во втором случае расход теплоты топлива составит 5 млн т · 0,57 =
= 2,87 млн ГДж = 0,097 млн т у.т. Экономия условного топлива на заводе составит 0,36 - 0,097 = 0,26 млн т. у.т./год.

19. Теплота жидкого чугуна используется в мартеновских печах. Определить экономию топлива на заводе по сравнению со случаем, когда чугун заваливают в печь в холодном состоянии (с температурой 0 °С). Расход чугуна в год составляет 1 млн. т. Технологический к.п.д. мартеновской печи принять равным 30 %. Энтальпию жидкого чугуна, отсчитанную от 0 °С, принять равной 1350 кДж/кг.

Ответ: 153,6 тыс. т.у.т. в год.

Решение

При загрузке чугуна в мартеновские печи в холодном состоянии на нагрев и расплавление чугуна требуется в год 1000×1350 = 1350000 млн. кДж = 1350000 ГДж теплоты. Расход теплоты топлива, дополнительно сжигаемого в печах, составит 1350000/0,3 = 4500000 ГДж = 153, 6 тыс. т.у.т. При заливке чугуна в печи в жидком состоянии не требуется расходовать теплоту на раплавление чугуна, поэтому экономия топлива составит 153,6 тыс. т.у.т. в год.

20. Готовый прокат на выходе из прокатного стана имеет температуру 700 ºС. Определить, какое количество теплоты (ГДж/ч) будет получено, если прокат охлаждать до 200 ºС циркулирующим азотом, который нагревается от 150 до 500 °С. Нагретый азот направляется в котел-утилизатор, где за счет его теплоты получается пар давлением производственных параметров. Выход проката 1 млн. т стали в год. Определить расход циркулирующего азота и расход вырабатываемого пара. Теплоемкость стального проката принять равной 0,8 кДж/(кг×К); теплоемкость азота – 1,04 кДж/(кг×К). На получение 1 т пара расходуется 2,2 ГДж теплоты.

Ответ: 45,5 ГДж/ч; 100 тыс. м³/ч; 20,6 т/ч.

21. Выход доменного газа из крупной доменной печи составляет 0,7 млн. м³/ч. Давление газа на выходе из печи составляет 3,5 МПа. После мокрой газоочистки (ГО) температура газа – 50 ºС. Доменный газ после ГО расширяется в газовой утилизационной бескомпрессорной турбине (ГУБТ) от давления 3,0 МПа до 0,11 МПа. Определить мощность ГУБТ. Внутренний относительный к.п.д. турбины принять равным h_т = 0,9. Изобарную теплоемкость доменного газа принять равной c _р = 1,2 кДж/(м³×К); коэффициент адиабатного расширения – k = 1,36.

Ответ: 39,5 МВт.

Решение

Удельная работа, совершаемая доменным газов в турбине, кДж/м³, при адиабатном расширении от давления р ₁ до р ₂, равна:

где Т ₁ – температура газа перед турбиной, К.

Мощность, кВт, вырабатываемая турбиной, составит:

где V – объемный расход газа, проходящего через турбину, м³/с.

22. Нагревательная методическая печь потребляет 0,8 м³/с природного газа с теплотой сгорания 35 МДж/м³. Коэффициент расхода воздуха – 1,1. После рекуператора температура дымовых газов составляет = 550 ºС. Присосы воздуха отсутствуют. Оценить паропроизводительность котла-утилизатора, установленного после рекуператора, и температуру дымовых газов после него, если параметры пара следующие: р = 4,5 МПа; t = = 400 ºС. Температура возвращаемого конденсата 104 ºС.

Ответ: G _п= 6,02 т/ч; .

Методика решения

Расчет ведется на 1000 м³/ч дымовых газов на основе применения t, q -диаграммы, показанной на рисунке:

t, q -диаграмма генерации пара в котле-утилизаторе

t, q -диаграмма строится следующим образом. По известной температуре дымовых газов (ДГ) перед КУ °С (точка 0 на диаграмме) определяют количество теплоты, содержащейся в ДГ при температуре : , кДж/ч ( – теплоемкость дымовых газов при температуре ). По температуре окружающей среды °С, определяют количество теплоты, содержащейся в ДГ при температуре , , кДж/ч ( – теплоемкость дымовых газов при температуре окружающей среды). Определяют располагаемое количество теплоты , кДж/ч, которое может быть выделено при охлаждении ДГ от до : Записывают уравнение для расчета относительного количества теплоты, выделяющейся при охлаждении ДГ от начальной температуры до текущей , °С (уравнение охлаждения ДГ):

. (1)

По заданным значениям параметров пара, для которых требуется определить паро-производительность КУ, определяют соответствующие им значение энтальпии пара , кДж/кг. Задают температуру возвращаемого конденсата на входе в КУ °С. и определяют его энтальпию . Определяют значения температуры насыщения пара , °С энтальпии насыщенной воды , кДж/кг, и насыщенного пара кДж/кг, а также скрытую теплоту парообразования , соответствующие выбранным давлениям . Определяют расход теплоты на генерацию и перегрев пара, кДж/кг:

Задаются минимальными разностями температур , ° С, между дымовыми газами и нагреваемой средой (водой и паром) из диапазона их оптимальных значений:

газ - газ = 70 ÷ 100 °С;

газ - пар = 70 ÷ 80 °С;

газ - вода = 40 ÷ 70 °С;

вода - вода = 5 ÷ 15 °С;

пар - вода = 4 ÷ 8 °С.

Вычисляют разность и сравнивают ее со значением для случая газ - пар. Если , то пар с давлением при данной не может быть получен при приемлемых размерах поверхностей КУ. Вычисляют разность и сравнивают ее со значением для случая газ - пар. Если , то температура пара не может достигнуть заданной величины и уменьшается до значения . По t, q -диаграмме определяют температуру дымовых газов, при которой перепад температур между газами и нагреваемой средой имеет минимальное значение (эта точка соответствует началу испарительного участка), и обозначают ее на прямой охлаждения дымовых газов как критическую точку. Определяют количество теплоты , кДж/ч, отдаваемое дымовыми газами нагреваемой среде при охлаждении от начальной температуры до критической по формуле (1). Определяют расход пара , кг/ч, параметров и , генерируемого в КУ на 1000 м³/ч дымовых газов:

Определяют расход теплоты на нагрев исходного конденсата в количестве от до температуры насыщения , кДж/ч:

Определяют количество теплоты, отданной дымовыми газами в КУ: , кДж/кг. По уравнению (1) по величине определяют температуру дымовых газов на выходе из КУ t _у.г.

Решение

Определяем расход дымовых газов через КУ. При коэффициенте избытка воздуха, равном 1,1, количество продуктов горения на 1 м³ природного газа составляет 11,2 м³(по I,
t -диаграмме). Расход дымовых газов равен G _д.г= 0,8 · 3600 ´
´ 11,2 = 32,2 тыс. м³/ч. Теплоемкость дымовых газов в среднем равна кДж/кг ºС. Температуру окружающей среды принимаем за ºС.

При параметрах пара р = 4,5 МПа; t = 400 ºС температура насыщения водяного пара равна t _s = 257 ºC; энтальпия насыщенной воды h ´ = 1120 кДж/кг; энтальпия пара h _п= = 3200 кДж/кг. Энтальпия возвращаемого конденсата h _к=
= 422 кДж/кг.

Расчет ведем на 1000 м³/ч дымовых газов. Располагаемое количество теплоты , кДж/ч, которое может быть выделено при охлаждении ДГ от до , равно кДж/ч. Принимаем, что критическая температура дымовых газов превышает температуру насыщения на = 70 °С, т.е. ºС. Количество теплоты, отданной дымовыми газами при охлаждении от до находим из уравнения (1):

кДж/ч.

Расход теплоты на генерацию и перегрев пара равен кДж/кг. Расход пара , кг/ч, генерируемого в КУ на 1000 м^э/ч дымовых газов равен кг/ч. Расход теплоты на нагрев исходного конденсата в количестве от t _к до температуры насыщения , кДж/ч, равен кДж/ч. Количество теплоты, отданной дымовыми газами в КУ: кДж/кг. По уравнению (1) по величине определяем температуру дымовых газов на выходе из КУ t _у.г равно . Условный энергетический к.п.д. котла-утилизатора равен 0,59. Таким образом, в КУ утилизируется 59 % теплоты дымовых газов.

Полная паропроизводительность КУ равна G _п= G _д.г· g_п=
= 186,9 · 32,2 = 6020 кг/ч = 6,02 т/ч.

23. Нагревательная печь потребляет 2,5 м³/с коксового газа с теплотой сгорания 17,1 МДж/м³. Коэффициент расхода воздуха – 1,05. После рекуператора температура дымовых газов составляет = 850 ºС. Присосы воздуха отсутствуют. Оценить паропроизводительность котла-утилизатора, установленного после рекуператора, и температуру дымовых газов после него, если параметры пара следующие: р = 1,8 МПа; t = 360 ºС. Температура возвращаемого конденсата 70 ºС.

Тема 3. Балансы энергоресурсов

Энергетические балансы отражают равенство прихода и расхода в данный момент времени какого-либо энергоресурса в целом на заводе. Например, поступление производственного пара от всех источников (ТЭЦ, утилизационных установок) и потребление пара на заводе должны в данный момент времени совпадать. Если, например, поступление пара превышает его потребление в данный момент, то часть пара сбрасывается в атмосферу. Если же поступление пара меньше его потребления, то в общезаводской паровой магистрали происходит падение давления пара и часть потребителей недополучают пар. В обоих случаях имеют место дебалансы производственного пара. Для исключения дебалансов пара применяют различные мероприятия, например аккумулирование пара, выравнивание паропроизводительности утилизационных установок, применение пиковых паровых котлов.

Заводская ТЭЦ используется в качестве замыкающего звена в сведении балансов производственного пара и тепловых нагрузок. Для наиболее экономичной работы ТЭЦ и для наибольшей экономии топлива в целом по заводу необходимо правильно подобрать мощность и оборудование ТЭЦ, в частности, правильно выбрать коэффициент теплофикации ТЭЦ. Отопительная нагрузка ТЭЦ отличается большой сезонной неравномерностью, и при отпуске теплоты зимой используются пиковые водогрейные котлы. При широком использовании тепловых ВЭР для производственных нужд паровая нагрузка ТЭЦ также будет отличаться значительной сезонной неравномерностью. В этом случае целесообразно в холодное время года пики паровых нагрузок покрывать пиковыми паровыми котлами. На заводах, как правило, сооружают одну, общую для всех потребителей и генераторов пара систему паропроводов с давлением пара в ней 1,0 - 1,5 МПа, которое определяется условиями транспорта пара к наиболее удаленным потребителям. Снижение давления пара, отпускаемого от ТЭЦ, до 0,4 - 0,8 МПа (наиболее распространенное давление у потребителей) могло бы существенно повысить показатели ТЭЦ.

Задачи

1. Теплофикационная турбина имеет начальные параметры пара 13 МПа, 565 °С. Крупному потребителю производственного пара, расположенному вблизи от ТЭЦ, требуется пар давлением 0,4 МПа в количестве 100 ГДж/ч. В отборах турбин давление пара равно 1,3 МПа. Определить, насколько изменится удельная выработка электроэнергии при снижении давления пара в отборе с 1,3 до 0,4 МПа с прокладкой отдельного паропровода от ТЭЦ к данному потребителю и насколько увеличится выработка электроэнергии на ТЭЦ. При решении воспользоваться рисунком.

Ответ: удельная выработка электроэнергии увеличится в 1,45 раза; количество выработанной электроэнергии возрастет на .

Решение

Для теплофикационной турбины с начальными параметрами пара 13 МПа, 565 °С удельная безразмерная выработка электроэнергии при давлении в отборе 1,3 МПа равна , а при давлении в отборе 0,4 МПа (кривая 3 на рисунке).

Удельная комбинированная выработка электроэнергии на ТЭЦ при
начальных параметрах пара, МПа, °С, и температуре питательной воды, °С:

1-3,5, 435, 150; 2 – 9,0 535, 215; 3- 13,0, 565, 230; 4 — 13,0, 565/565, 230;

5 - 24,0, 545, 260; принято , = 0,8, = 0,98; возврат конденсата 100%

при температуре насыщения

Таким образом, на одном и том же тепловом потреблении будет выработано в 0,35/0,24 = 1,45 раза больше электроэнергии. Количество электроэнергии, вырабатываемой на тепловом потреблении, определяется выражением , где ГДж/ч – отпускаемая теплота. При давлении в отборе 1,3 МПа . При давлении в отборе 0,4 МПа . Таким образом, выработка электроэнергии увеличится на .

2. Теплофикационная турбина имеет начальные параметры пара 9 МПа, 535 °С. Потребителю производственного пара, расположенному вблизи от ТЭЦ, требуется пар давлением 0,2 МПа в количестве 100 т/ч. В отборах турбин давление пара равно 1 МПа. Насколько изменится удельная выработка электроэнергии при снижении давления пара в отборе с 1,5 до 0,8 МПа с прокладкой отдельного паропровода от ТЭЦ и насколько увеличится выработка электроэнергии на ТЭЦ? Конденсат пара возвращается на ТЭЦ полностью при температуре насыщения.

3. На рисунке показаны усредненные годовые графики расхода производственного пара по некоторым отраслям промышленности, полученные путем усреднения графиков группы заводов данной отрасли. Во сколько раз летнее потребление производственного пара меньше зимнего на машиностроительных заводах и во сколько раз максимальное потребление пара превышается его среднегодовое потребление?

Усредненные годовые графики расходов производственного

пара по некоторым отраслям промышленности:

1 - машиностроительные заводы; 2 - целлюлозно-бумажные комбинаты;

3 - химические комбинаты; 4 - нефтеперерабатывающие заводы

4. Во сколько раз летнее и среднегодовое потребление производственного пара на химических комбинатах меньше зимнего?

5. На рисунке приведен годовой график фактического потребления пара и выработки его утилизационными установками на действующем металлургическом заводе с полным циклом. Требуется построить годовой график продолжительности паровых нагрузок заводской ТЭЦ. Нагрузка ТЭЦ определяется разностью между суммарной потребностью в паре и поступлением его от утилизационных установок (кривые 1, 2рисунке).

Месяцы

1 - суммарный расход производственного пара;

2- выработка пара утилизационными установками

6. Построить график суммарной тепловой нагрузки ТЭЦ для завода на северо-западе европейской части России, если присоединенная тепловая нагрузка составляет 4000 ГДж/ч, доля расхода теплоты на горячее водоснабжение – 10 %. Определить годовой расход теплоты на отопление, в том числе годовой отпуск теплоты на отопление пиковыми котлами. Коэффициент теплофикации принять равным 0,5.

Методика решения

На рисунке показан унифицированный график годовых отопительных нагрузок по районам страны по СНиП.

Q _от

Унифицированный график годовых отопительных нагрузок

по районам страны по СНиП (в относительных единицах):

1– I-A-Б (Восточная Сибирь и Забайкалье); 2 – I-B, I-Г (Западная Сибирь,
Казахстан, Урал, север европейской части России); 3 – II -А-Б, III-A-B (центр, запад, северо-запад европейской части России, Приморский край); 4 – I I -Б (юго-запад, юго-восток европейской части СССР); 5 – IV-Б (Закавказье).

Отопительные нагрузки и продолжительности отопительных периодов выражены в относительных единицах. На рисунке по ординате отложены значения присоединенных отопительных нагрузок в относительных единицах:

где - текущее значение отопительной нагрузки в течение отопительного периода; - присоединенная отопительная нагрузка, соответствующая расчетной температуре наружного воздуха для данного района. По оси абсцисс отложены доли продолжительности отопительного периода , причем за единицу принята нормативная продолжительность отопительного периода для данного района.

Некоторые климатические данные по основным районам страны и значения в зависимости от доли отопительного периода приведены в таблицах. Годовой расход теплоты на отопление определяется по формуле

где - относительная средняя за отопительный период нагрузка; - продолжительность отопительного периода; - присоединенная отопительная нагрузка.