Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата

Содержание                                                                                                     С.

        Введение

        Наука, изучающая процессы получения и использования теплоты в различных производствах, а также машин и аппаратов, предназначенных для этих целей, называется теплотехникой.

        В настоящее время роль теплотехники значительно возросла в связи с необходимостью экономного использования топливно – энергетических ресурсов, решения проблем охраны окружающей среды и создания безотходных технологий.

       Нефтеперерабатывающая, нефтехимическая и химическая промышленности являются наиболее энергоемкими отраслями народного хозяйства. Энергетическое хозяйство НПЗ и НХЗ включает собственно энергетические установки (ТЭЦ, котельные, компрессорные, утилизационные, холодильные, теплонасосные установки и др.), энергетические элементы комбинированных энерго-, химико-технологических систем (ЭХТС), производящих технологическую и энергетическую продукцию.

       В данной работе на примере котельного агрегата рассматриваются методы расчета процесса сжигания и расхода топлива, КПД, теплового и эксергетического балансов. В зависимости от назначения котельная установка состоит из парового или водогрейного котла и соответствующего вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу. Экономия топлива при его сжигании является одной из важнейших задач в решении топливно-энергетической проблемы.

        Вопросы экономии топлива и рационального использования теплоты решаются в курсовой работе применением в схеме установки экономайзера, воздухоподогревателя, котла – утилизатора.

        Котлы-утилизаторы применяют для внешней энергетической утилизации тепловых отходов различных тепло-технологических установок, не используемых или частично используемых для регенерации в технологическом процессе.

       Внешнее технологическое и энергетическое использование теплоты отходящих газов производственных тепло-технологических установок является по существу использованием вторичных энергоресурсов, приводящим к повышению суммарного коэффициента использования располагаемой теплоты.

        В последние годы созданы и ведутся разработки новых типов котлов-утилизаторов и энерготехнологических агрегатов, что непосредственно связано с поставленной задачей существенного увеличения промышленного производства при значительной экономии энергоресурсов.

        1 Литературный обзор

        1.1 Свойства дизельных топлив

 Дизельное топливо  предназначено для быстроходных  дизельных и газотурбинных двигателей. Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива: цетановое число, определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя; фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя; вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования; низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды и условия хранения топлива степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров грубой и тонкой очистки и цилиндропоршневой группы двигателя; температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях; наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ. [3]

        Цетановое число — основной показатель воспламеняемости дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработавших газов. Чем выше цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает двигатель. Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее произойдут процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем скорее воспламенится смесь и запустится двигатель. Цетановое число топлив зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают нормальные парафиновые углеводороды, причем с повышением их молекулярной массы оно повышается, а по мере разветвления — снижается. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей; ароматические углеводороды с боковыми цепями имеют более высокие цетановые числа и тем больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь. Непредельные углеводороды характеризуются более низкими цетановыми числами, чем соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды обладают невысокими цетановыми числами, но большими, чем ароматические углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер; лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться, что объясняется их углеводородным составом. [3]

        Хорошие низкотемпературные свойства достигаются несколькими способами: существенным облегчением фракционного состава (температура конца кипения 300—320 °С вместо 360 °С), проведением депарафинизации топлива (извлечение н-парафиновых углеводородов), переработкой нафтено- ароматических нефтей с малым содержанием н-парафиновых углеводородов. При этом во всех случаях снижается цетановое число. Применению, но их вводят в крайне ограниченных количествах для повышения цетанового числа с 38 до 40, так как при этом понижается температура вспышки и повышается коксуемость топлива. Установление оптимальных цетановых чисел имеет большое практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти в состав дизельного топлива будут вовлекаться легкие газойли каталитического крекинга, коксования и фракции, обладающие относительно низкими цетановыми числами.  Бензиновые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего.  Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цетанового числа — 48 единиц. [3]

       Характер процесса горения топлива в двигателе определяется двумя основными показателями — фракционным составом и цетановым числом. На сгорание топлива более легкого фракционного состава расходуется меньше воздуха, при этом благодаря уменьшению времени, необходимого для образования топливовоздушной смеси, процессы смесеобразования протекают более полно.   Облегчение фракционного состава топлива, например при добавке к нему бензиновой фракции, может привести к жесткой работе двигателя, определяемой скоростью нарастания давления на 1( поворота коленчатого вала. Это объясняется тем, что к моменту самовоспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров топлива, и горение сопровождается чрезмерным повышением давления и стуками в двигателе.  Влияние фракционного состава топлива для двигателей различных типов неодинаково. Двигатели с предкамерным и вихрекамерньм смесеобразованием вследствие наличия разогретых до высокой температуры стенок предкамеры и более благоприятных условий сгорания менее чувствительны к фракционному составу топлива, чем двигатели с непосредственным впрыском. Наддув двигателя, создающий повышенный термический режим камеры сгорания, обеспечивает возможность нормальной работы на топливах утяжеленного фракционного состава.  Время прокручивания двигателя при запуске его на топливе со средней температурой кипения 200—225 °С в 9 раз меньше, чем на топливе со средней температурой кипения, равной 285 °С. [3]

       При испытаниях дизельного топлива утяжеленного фракционного состава с температурой конца кипения на 30 °С выше, чем у стандартного летнего топлива, отмечен повышенный расход топлива в среднем на 3 % и увеличение дымности отработавших газов в среднем на 10 %. Одной из основных причин повышения расхода топлива является более высокая вязкость топлива утяжеленного фракционного состава.  Расход топлива зависит не только от температуры конца его кипения, но и от 50 %-ной точки перегонки.  Для летних дизельных топлив, полученных перегонкой нефти, 50 %-ная точка выкипания находится в пределах 260-280 °С (наиболее типичные значения 270—280 °С), для зимних марок дизельных топлив она составляет  240-260 °С. [3]

       От процессов испарения и смесеобразования в дизеле зависит форма и строение топливного факела, размеры образующихся капель, дальность проникновения капель топлива в камеру сгорания. Более низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распиливание топлива; с повышением указанных показателей качества увеличивается диаметр капель и уменьшается полное их сгорание, в результате увеличивается удельный расход топлива, растет дымность отработавших газов. Вязкость топлива влияет на наполнение насоса и на утечку топлива через зазоры плунжерных пар. С увеличением вязкости топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается наполнение насоса, что может привести к перебоям в его работе. Ниже приведена зависимость подачи топлива насосом от температуры топлива: [3]

       При уменьшении вязкости количество дизельного топлива, просачивающегося между плунжером и втулкой, возрастает, в результате снижается подача насоса. Перевод двигателя на топливо с меньшей плотностью и вязкостью может привести к прогару головок поршня, в связи с чем требуется регулировка топливной аппаратуры. При работе топливной аппаратуры на газоконденсатном дизельном топливе без регулировки топливной аппаратуры происходит уменьшение цикловой подачи топлива до 1 % и снижение максимального давления топлива в трубопроводе высокого давления на 10—15 %. Период задержки впрыска увеличивается на 2—4° поворота коленчатого вала.  Понижение цикловой подачи связано с уменьшением подачи топливного насоса высокого давления вследствие уменьшения плотности и увеличения утечки менее вязкого газоконденсатного топлива.  Увеличение задержки впрыска топлива вызвано его большой сжимаемостью; чтобы получить цикловую подачу газоконденсатного топлива, достаточно увеличить ход рейки топливного насоса высокого давления.  От вязкости зависит износ плунжерных пар. Нижний предел вязкости топлива, при котором обеспечивается его высокая смазывающая способность, зависит от конструктивных особенностей топливной аппаратуры и условий ее эксплуатации. Вязкость топлива в пределах 1,8—7,0 мм²/с практически не влияет на износ плунжеров топливной аппаратуры современных быстроходных дизелей.  Вязкость топлива зависит от его углеводородного состава. Летнее дизельное топливо, получаемое из западносибирской нефти, в котором преобладают парафино-нафтеновые углеводороды, имеет вязкость при 20 °С 3,5—4,0 мм²/с; такое же по фракционному составу топливо из сахалинских нефтей, в котором преобладают нафтено-ароматические углеводороды, —  5,5—6,0 мм²/с. Стандартом на дизельное топливо вязкость нормируется в достаточно широких пределах, что обусловлено различием углеводородного состава перерабатываемых нефтей. Попытки ограничить вязкость топлива в узких пределах приведут к сокращению ресурсов его производства, так как потребуется снизить температуру конца кипения топлива. В зарубежных стандартах кинематическая вязкость нормируется обычно при 40 °С, в то время как отечественные ГОСТ и ТУ регламентируют вязкость при 20 °С. Ниже приведена кинематическая вязкость мм²/с, среднедистиллятных топлив при 20 и 40 °С: [3]

        Из всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических.  Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою вязкость при охлаждении, т.е. имеют наиболее пологую вязкостно-температурную кривую. Алифатические углеводороды разветвленного строения, имеющие в боковых цепях два-три атома углерода, обладают более высокой вязкостью и при охлаждении она изменяется более резко, чем у углеводородов нормального строения. Присутствие двойной связи снижает вязкость алифатического углеводорода. Ароматические и нафтеновые кольца в молекуле углеводорода повышают вязкость и ухудшают вязкостно-температурную зависимость.  Бициклические углеводороды при одинаковой молекулярной массе с моноциклическими имеют не только более высокую вязкость, но и более крутую кривую зависимости вязкости от температуры.

         Хотя вязкость дизельных топлив при понижении температуры и повышается, поведение топлива, как правило, продолжает подчиняться закону  Ньютона (вязкость не зависит от градиента сдвига) вплоть до выпадения кристаллов твердых углеводородов.

      Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура помутнения, предельная температура фильтруемости и температура застывания последняя определяет условия складского хранения топлива — условия применения топлива, хотя в практике известны случаи использования топлив при температурах, приближающихся к температуре застывания. Для большинства дизельных топлив разница между Tп и Tз составляет 5—7 °С. В том случае, если дизельное топливо не содержит депрессорных присадок, равна или на 1—2 °С ниже Tп. Для топлив, содержащих депрессорные присадки на 10 °С и более ниже Tп. [3]

         В дизельных топливах содержится довольно много углеводородов с высокой температурой плавления. Для всех классов углеводородов справедлива закономерность: с ростом молекулярной массы, а следовательно, и температуры кипения повышается температура плавления углеводородов. Однако весьма сильное влияние на температуру плавления оказывает строение углеводорода. Углеводороды одинаковой молекулярной массы, но различного строения могут иметь значения температур плавления в широких пределах.  Наиболее высокие температуры плавления имеют парафиновые углеводороды с длинной неразветвленной цепью углеводородных атомов. Ароматические и нафтеновые углеводороды плавятся при низких температурах (кроме бензола, п-ксилола), однако эти углеводороды, но с длинной неразветвленной боковой цепью, плавятся при более высоких температурах. По мере разветвления цепи парафинового углеводорода или боковой парафиновой цепи, присоединенной к ароматическим или нафтеновым кольцам, температура плавления углеводородов снижается. Исследования показали, что при охлаждении дизельных топлив в первую очередь выпадают парафиновые углеводороды нормального строения. При этом температура помутнения топлива не зависит от суммарного содержания в нем н-парафиновых углеводородов.  Для обеспечения требуемых температур помутнения и застывания зимние топлива получают облегчением фракционного состава. Так, для получения дизельного топлива с t₃ = –35 °С и t_п = –25 °С требуется понизить температуру конца кипения топлива с 360 до 320 °С, а для топлива с t₃ = –45 °С и t_n = –35 °С — до 280 °С, что приводит к снижению отбора дизельного топлива от нефти с 42 до 30,5 и 22,4 % соответственно. [3]