Методика оценки энергоэффективности стационарных котельных установок железнодорожного транспорта

Проблематика транспортных систем

64

также сформировать единую систему контроля использования энергоресурсов.

Библиографический список

1. Проблемы энергосбережения и охраны окружающей среды на железнодорожном транспорте / Сб. докладов на объединенной научной сессии советов РАН по проблемам теплофизики и теплоэнергетики / Б. Н. Минаев, И. В. Агафонова, Е. В. Драбкина. - М. : МИИТ, - 2008. - С. 12-29.

2. Разработка методологии анализа топливосбережения в производственноотопительных котельных на основе системы многофакторных показателей : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ю. Н. Бардыкин. - М. : МГУ, 2010.

3. Экспресс-анализ работы деповского котельного оборудования и вопросы энергосбережения / Сб. докладов на объединенной научной сессия советов РАН по проблемам теплофизики и теплоэнергетики / И. Г. Киселев, А. Б. Буянов. - М. : МИИТ, 2008. - С. 166-172.

4. Упрощенная методика теплотехнических расчетов котлоагрегатов / М. Б. Равич. - М. : Изд-во АН, 1978. - 428 с.

5. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / СПб. : НПО ЦКТИ, 1998. - 297 с.

Статья поступила в редакцию 01.02.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. В. Сапожниковым.

УДК 628.51

B. И. Крылов, А. С. Краснов, С. А. Сальков, Д. В. Никольский,

C. И. Степанов

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СТАЦИОНАРНЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Одними из наиболее актуальных с точки зрения энергосбережения проблем стационарной теплоэнергетики ОАО РЖД являются отсутствие в котельных режимных карт или неграмотное их составление. В статье приводятся упрощенная методика анализа основных показателей режимных карт и методика проведения экспрессобследования паровых и водогрейных котлов.

котлоагрегат, тепловой баланс, КПД, энергетические характеристики, контрольнобалансовые испытания.

Введение

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

По итогам проведения энергетических обследований ряда котельных, находящихся в ведении ОАО РЖД, были выявлены следующие недостатки:

отсутствие в котельных действующих режимных карт;

несоответствие параметров режимной карты фактическим условиям эксплуатации.

Данные недостатки негативно отражаются на работе источника теплоснабжения и на качестве отпускаемой потребителям тепловой энергии. В частности, использование некорректно составленных режимных карт ведет к неправильной эксплуатации котельного оборудования и снижению межремонтного срока службы оборудования.

Данный недостаток можно устранить на этапе проведения режимноналадочных работ при помощи инструментального экспресс-обследования котлоагрегатов или теоретического анализа параметров режимных карт. Ниже описываются порядок проведения экспресс-обследования и упрощенная методика расчета основных показателей работы

котлоагрегатов.

1 Порядок проведения контрольно-балансовых испытаний котлоагрегатов

Контрольно-балансовые испытания проводятся с целью

экспериментального определения КПД котлоагрегата и удельного расхода условного топлива на выработку 1 МВт тепловой энергии при различных режимах нагрузки.

При испытаниях котлоагрегатов используют штатные измерительные приборы, установленные в котельной, а также портативные газоанализаторы «Каскад», ДАГ-500 или зарубежные аналоги.

На рисунке 1 представлена схема проведения контрольно-балансовых испытаний с указанием измеряемых параметров.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

66

Замеры параметров осуществляются в двух контрольных точках: за котлоагрегатом и за хвостовой поверхностью нагрева (экономайзера, воздухоподогревателя). Измерения проводятся как минимум при трех режимах работы котлоагрегата - минимальной, средней и максимальной нагрузке. При каждой нагрузке испытания проводятся синхронно в режиме реального времени измерения значений режимных параметров:

1) температуры воздуха, подаваемого на горение;

2) эмиссии O2, CO2, СО, СН4, Н2 - уходящих газов в точках отборов проб;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

3) температуры уходящих газов в точках отборов проб;

4) расхода топлива на котлоагрегат;

5) коэффициента избытка воздуха в точках отбора проб (при наличии технической возможности);

6) давления и температуры рабочего тела (воды или пара).

Расчеты КПД котлоагрегата и удельного расхода условного топлива осуществляются по составу и температуре уходящих газов за хвостовой поверхностью нагрева, в случае отсутствия таковой (у котлов малой мощности) - за котлоагрегатом.

Перед проведением испытаний необходимо произвести визуальный осмотр работающего котельного оборудования с целью обеспечения безопасности обслуживающего персонала. При визуальном осмотре следует обратить особое внимание на состояние обмуровки котлоагрегата и на работу горелочных устройств. Горелочные устройства должны работать стабильно, без срывов и пульсаций. На период проведения контрольно-балансовых испытаний в целях обеспечения максимальной точности расчетов необходимо по возможности закрыть непрерывную продувку. Контрольно-балансовые испытания проводятся только на установившихся режимах работы котлоагрегата.

2 Упрощенная методика обработки результатов контрольно-балансовых испытаний

Расчеты основных показателей можно производить двумя способами: методом прямого баланса и методом обратного баланса. Ниже представлена упрощенная методика расчета методом обратного баланса.

Расчет основных показателей работы котлоагрегата - КПД и удельного расхода топлива на производство 1 МВт тепловой энергии -осуществляется методом обратного баланса по следующей методике.

•КПД котлоагрегата расчитывается по формуле, %:

• Лбрутго = 100- q2+q3+qi+qs+q6 ,

где q2 -потери тепловой энергии с уходящими газами, %;

q3 - потери тепловой энергии от химического недожога топлива, %;

q4 - потери тепловой энергии с механическим недожогом топлива, %;

q5 - потери тепловой энергии от охлаждения наружных поверхностей котлоагрегата, трубопроводов и арматуры котлоагрегата, %;

q() - потери тепловой энергии с физической теплотой шлака, %.

• Потери q2, q5 присутствуют у котлоагрегатов, эксплуатирующихся на природном газе. В случае использования других видов газа или при неправильной работе горелочных устройств могут присутствовать потери

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

68

тепловой энергии с химическим недожогом топлива (^3). Потери qi, дз, q$ присутствуют у котлоагрегатов, эксплуатирующихся на жидком топливе (мазуте); q2, q3, q4, q5, q6 - у котлоагрегатов, работающих на твердом топливе.

Потери тепловой энергии с уходящими газами можно рассчитать по формуле [1], %:

<h =z-0,01 ,

где z - эмпирический коэффициент, зависящий от температуры уходящих газов за котлом /ух и от содержания RO2 в уходящих газах, принимается по экспериментальным данным [1];

L - коэффициент, учитывающий отношение F°cp / У°гСг, принимается для мазута равным 0,9, для газа 0,85, для угля 0,75;

tyxs, 4озд - температуры уходящих газов и воздуха, забираемого для горения, оС (величина тепловых потерь с уходящими газами во многом зависит от чистоты конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата).

Потери тепловой энергии от химического недожога топлива рассчитываются на основании состава уходящих газов, полученного в результате испытаний, или по данным режимной карты по формуле [3], %:

(30,2СО + 25,8Н2 + 85,5СН4) • h • 100

P

где СО, Н2, СН4 - содержание в уходящих газах оксида углерода, водорода и метана,%;

h =

СО

2 макс

со2-со-сн4

- коэффициент разбавления сухих

продуктов горения воздухом (при неполном сгорании топлива);

-5

р - максимальное теплосодержание сухих продуктов горения, кДж/м ; СО2мах зависит от вида топлива и принимается по справочным данным [1].

Потери тепловой энергии от механического недожога топлива, %:

B-Q-h-Ш

Р

где В - содержание твердой фазы в дымовых газах, кг/м3;

Q = Qp - низшая теплотворная способность твердых частиц (топлива), содержащихся в дымовых газах, кДж/кг;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

{Проблематика транспортных систем

h и р - принимаются из формулы (3).

Величина потери тепловой энергии от механического недожога топлива во многом зависит как от качества используемого топлива, так и от эксплуатации котлоагрегата.

Приближенные величины потерь тепловой энергии вследствие механической неполноты сгорания топлива для слоевых топок представлены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Приближенные величины потерь тепловой энергии вследствие механического недожога для слоевых топок

Вид топлива q4, %

Торф кусковой 2,0

Сланцы 3,0

Бурые угли 5,0...7,0

Каменные угли 5,0...7,0

Антрацит сортированный 7,0

Бурые угли высокозольные 9,0.11,0

Антрацит несортированный <о ОО <о

Потери тепловой энергии в окружающую среду с наружной поверхности котлоагрегата, %:

НОМ Рщщ

£ф

где £номном) - номинальная паропроизводительность (теплопроизводительность) котла, т/ч (МВт/ч);

Dф - фактическая паропроизводительность (теплопроизводительность) котла, т/ч (МВт/ч);

ном

q5 - потери теплоты при номинальной паропроизводительности,

принимаются по графической зависимости q^™ = ф^ном), приведенной в нормативном методе расчета [2], или на основании данных, приведенных в таблицах 2 и 3.

ТАБЛИЦА 2. Потери тепловой энергии при номинальной паропроизводительности

для паровых котлоагрегатов

Номинальная паропроизводительность котлоагрегата, т/ч Потери тепловой энергии, %

Котел Котел с хвостовыми поверхностями нагрева

2 3,4 3,8

4 3,1 2,9

6 1,6 2,4

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

70

8 1,2 2,0

10 - 1,7

Продолжение табл. 2

Номинальная паропроизводительность котлоагрегата, т/ч Потери тепловой энергии, %

Котел Котел с хвостовыми поверхностями нагрева

15 - 1,5

20 - 1,3

30 - 1,2

40 - 1,0

60 - 0,9

80 - 0,8

100 - 0,7

200 - 0,6

300 - 0,5

ТАБЛИЦА 3. Потери тепловой энергии при номинальной паропроизводительности

для водогрейных котлоагрегатов

Номинальная мощность котла, МВт 1 2 3 5 10 20 30 40 50 100

Потеря q5, % 5 3 2 1,7 1,5 1,2 1,0 0,9 0,7 0,5

Потери тепловой энергии со шлаком и провалом топлива:

ос • (ct) • Ар

шл V^/iinr

а

K,ydl,

где ашл - доли золы топлива в шлаке, определяются по результатам испытания котлов, при отсутствии испытаний принимаются обобщенные значения, приведенные в таблице 4 [5];

(а)шл - энтальпия шлака, принимается по таблице 5 [5], кДж/кг. Если при испытании котлоагрегата непосредственное измерение температуры шлака 1шл не производилось, то при твердом шлакоудалении ее ориентировочно можно принимать равной 600 °С, а при жидком шлакоудалении - равной температуре начала нормального жидкоплавкого состояния золы 7з, увеличенной на 100 °С;

Ар - зольность топлива на рабочую массу, %, принимается согласно сертификату качества топлива;

QQ н(тв) - низшая теплота сгорания сжигаемого твердого топлива, кДж/кг;

Агтв - доля (по тепловыделению) твердого топлива в общем количестве сожженного котлом топлива;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

Kq - поправочный коэффициент [5], учитывающий дополнительно внесенное в топку котла тепло с паром и водой, с подогретыми топливом и воздухом.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

72

ТАБЛИЦА 4. Доли золы топлива в шлаке

Тип топки Производительность котла, т/ч Тип топлива ашл

Камерные топки с сухим шлакоудалением 75 и выше Антрациты, полуантрациты, тощие угли, каменные и бурые угли, отходы углеобогащения, фрезерный торф, сланцы 0,05

25-50 Каменные и бурые угли, фрезерный торф 0,05

Открытые топки с жидким шлакоудалением 75 и выше Антрациты и полуантрациты 0,15

Тощие угли и каменные угли 0,20

Бурые угли 0,3-0,2

Полуоткрытые топки с пережимом, с жидким шлакоудалением 75 и выше Антрациты и полуантрациты 0,15

Тощие угли 0,20

Каменные угли 0,3-0,2

Бурые угли 0,4-0,3

Горизонтальные циклонные топки* Каменные и бурые угли:

дробленка 0,90

грубая пыль 0,85

Топки с вертикальными предтопками* Антрациты 0,65-0,60

Тощие угли 0,75-0,70

Каменные угли 0,80-0,75

Бурые угли 0,80

Двухкамерные топки* Каменные и бурые угли 0,50-0,40

* Производительность котла не регламентируется

ТАБЛИЦА 5. Энтальпия шлака в зависимости от его температуры

О О (с/)шд, кДж/кг О О Ошл, кДж/кг

600 561 1500 1758

1000 984 1600 1876

1100 1097 1700 2064

1200 1206 1800 2186

1300 1361 1900 2386

1400 1583 2000 2512

Удельный расход условного топлива на выработку 1 МВт тепловой энергии рассчитывается по формуле, кг у. т/МВт:

b

122,84-100

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

Коэффициент избытка воздуха также является немаловажным параметром при эксплуатации котлоагрегатов, поскольку непосредственно влияет на химическую полноту сгорания топлива. Расчет коэффициента избытка воздуха в контрольных точках можно произвести на основании состава уходящих газов в контрольных точках по формуле:

где О2 - содержание кислорода в уходящих газах определяемое с помощью газоанализатора, %.

По разнице коэффициента избытка воздуха в режимных сечениях можно судить о дополнительных присосах воздуха в газовый тракт котлоагрегата, а следовательно о неплотностях в обмурове котла.

3 Энергетические характеристики котлоагрегатов

На основании данных, полученных в ходе проведения контрольно -балансовых испытаний или расчета основных показателей режимных карт, строятся энергетические характеристики котлоагрегатов. Энергетические характеристики котлоагрегатов представляют собой графические зависимости удельного расхода топлива или КПД от

теплопроизводительности.

На основании построенных энергетических характеристик можно сделать выводы о качестве произведенных режимно-наладочных испытаний и определить потенциал энергосбережения на данном котлоагрегате. Для более полного анализа рекомендуется построить следующие энергетические характеристики - по данным режимных карт, по данным контрольно-балансовых испытаний, по данным анализа режимных карт и нормативные энергетические характеристики. При анализе данных следует учитывать эксплуатационные особенности большинства марок паровых и водогрейных котлоагрегатов. На риснках 2 и 3 представлены нормативные энергетические характеристики наиболее распространенных котлоагрегатов ДКВр 10-13 и КВ ГМ-6,5, демонстрирующие особенности расхода топлива при различных нагрузках паровых и водогрейных котлоагрегатов.

Как видно из представленных характеристик, эксплуатационной особенностью паровых котлоагрегатов является уменьшение расхода топлива с увеличением нагрузки, в то время как обратный эффект наблюдается у водогрейных котлоагрегатов. На основании построенных энергетических характеристик возможно определить степень загрузки котлоагрегата, при которой будет достигаться максимальный КПД. Таким

21

21 -а

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

74

образом, на этапе проведения режимно-наладочных работ следует обращать внимание на степень загрузки котлоагрегата.

Рис. 2. Нормативная энергетическая характеристика парового котла ДКВр 10-13

при работе на природном газе

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

Рис. 3. Нормативная энергетическая характеристика водогрейного котла КВ ГМ-6,5

при работе на природном газе

Ниже представлен перечень выводов, которые можно получить в результате проведенных контрольно-балансовых испытаний и на основании анализа режимных карт.

1. По сравнительному анализу данных, приведенных в режимных картах, и результатам контрольно-балансовых испытаний можно определить качество выполненных ранее режимно-наладочных работ.

2. По сравнительному анализу данных испытаний и нормативных энергетических характеристик можно сделать вывод о потенциале энергосбережения на данном котлоагрегате.

3. Степень загрязненности поверхностей нагрева котлоагрегата определяется исходя из величины температуры уходящих газов.

4. Дополнительные присосы воздуха в газовый тракт котлоагрегата выявляются по величинам коэффициента избытка воздуха в контрольных сечениях.

Заключение

На основании расчетов по приведенной упрощенной методике анализа режимных карт, выполненной на основе проведения контрольнобалансовых испытаний, и нормативных энергетических характеристик можно сделать выводы о потенциале энергосбережения котлоагрегата, источника теплоснабжения и о качестве проведенных режимноналадочных работ.

Библиографический список

1. Упрощенная методика теплотехнических расчетов котлоагрегатов / М. Б. Равич. - М. : Изд-во АН, 1978. - 428 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / СПб. : НПО ЦКТИ, 1998. - 297 с.

3. Эффективность использования топлива / М. Б. Равич. - М. : Наука, 1977. -

344 с.

4. РД 34.08.552-95. Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования. - Введ. 1996-02-01. - Изм. 1998-05-15. - М. : Минпромэнерго. - 108 с.

5. РД 34.09.155-93. Методические указания по составлению и содержанию энергетических характеристик оборудования тепловых электростанций. - Введ. 1993-12-

01. - Изм. 1999-07-21. - М. : ОРГРЭС. - 102 с.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

76

Статья поступила в редакцию 01.02.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. В. Сапожниковым.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1