Efektywność energetyczna spalinowego podgrzewacza powietrza w kotle elektrowni parowej (do pobrania)

listopad

2010

www.energetyka.eu strona

709

[4] Horlock J.H.: Cogeneration – Combined Heat and Power (CHP).

Thermodynamics and Economics. Krieger Publishing Company, Malabar, Florida 1997.

[5] Marecki J.: Cogeneration of heat and electricity (in Polish). Tech-nical Science Publishers, Warsaw 1991.

[6] Pawlik M.: Estimation of fuel economy in combined heat and power generation in condensing power plants supplying heat (in Polish). Archiwum Energetyki (1988) No 2, pp. 109-118. [7] Perycz S.: Steam and gas turbine (in Polish). Ossolineum,

Wro-cław-Warszawa-Kraków, 1992.

[8] Szargut J.: Application of steam from regenerative bleeds for the production of network heat in large steam power plants. Archi-wum Energetyki, XXVIII (1999), nr 1-2, 83-93.

[9] Szargut J., Ziębik A.: Cogeneration of heat and electricity – CHP (in Polish). Polish Academy of Sciences, Katowice-Gliwice, 2007. [10] Ziębik A.: Combined heat and power in Poland according to the

EU Directive on promotion of cogeneration. Archives of Thermo-dynamics, vol. 27 (2006), No 4, pp. 3-12.

Wykorzystanie spalin do podgrzewania powietrza doprowa-dzanego do palników kotła wywołuje dwa efekty energetyczne: • obniżenie temperatury spalin odpływających do otoczenia, • zmniejszenie strumienia spalin na skutek zmniejszenia

zuży-cia paliwa.

Równoczesne występowanie dwu wymienionych efektów energetycznych prowadzi do zwielokrotnienia łącznego efektu: ilość zaoszczędzonej energii chemicznej paliwa jest większa od ilości ciepła przekazanego czynnikowi obiegowemu dzięki działaniu pod-grzewacza powietrza. Efekt zwielokrotnienia analizowano już w [1] rozpatrując podgrzewanie powietrza w rekuperatorach hutniczych pieców grzejnych. W niniejszym artykule przedstawiono jak wielki efekt zwielokrotnienia występuje w spalinowych podgrzewaczach powietrza doprowadzanego do palników kotła elektrowni parowej.

Wspomniany efekt jest jeszcze większy, jeżeli uwzględni się zróżnicowaną jakość (egzergię) rozpatrywanych postaci energii.

Wyprowadzenie wzoru na mnożnik

oszczędności energii chemicznej

Poszukiwany wzór można wyprowadzić porównując dwa bilanse energii dotyczące kotła przed wprowadzeniem i po wpro-wadzeniu podgrzewania powietrza. Należy założyć, że obydwa bilanse energii dotyczą jednakowego, umownego odcinka cza-su, że w obu przypadkach występuje jednakowy efekt użyteczny, jednakowa strata ciepła do otoczenia, jednakowa jakość paliwa oraz jednakowy stosunek ilości paliwa i powietrza.

Wspomniane równania bilansu energii mają następującą postać:

(1)

(2) gdzie:

E0 , E – zużycie energii chemicznej paliwa w rozpatrywanym

odcinku czasu, przed wprowadzeniem i po wprowa-dzeniu podgrzewania powietrza,

U, Qot – efekt użyteczny i ciepło tracone do otoczenia na

ze-wnętrznej powierzchni kotła, w rozpatrywanym odcin-ku czasu,

Θ

₀

, Θ

– nadwyżka temperatury spalin odpływających z kotła, ponad temperaturę otoczenia, przed wprowadzeniem i po wprowadzeniu podgrzewacza powietrza,

S – średnia pojemność cieplna spalin na jednostkę energii

chemicznej paliwa, dla zakresu od temperatury oto-czenia do temperatury spalin, przed wprowadzeniem i po wprowadzeniu podgrzewacza powietrza.

Ciepło dodatkowo doprowadzone do czynnika obiegowego na skutek podgrzewania powietrza, w rozpatrywanym odcinku czasu, wynika z różnicy entalpii spalin odpływających z kotła przed zainstalowaniem i po zainstalowaniu podgrzewacza:

(3)

Jan Szargut

Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej

Efektywność energetyczna spalinowego podgrzewacza

powietrza w kotle elektrowni parowej

Energy efficiency of a flue gas air preheater

in a steam power plant boiler

strona

710

www.energetyka.eu listopad

2010

Po odjęciu stronami równań (1) i (2) otrzymuje się wzór na

wskaźnik oszczędności energii chemicznej odniesiony do

zuży-cia, jakie wystąpiłoby w procesie bez podgrzewania powietrza: (4)

Mnożnik oszczędności energii chemicznej wyrażający

sto-sunek zaoszczędzonej energii chemicznej do ciepła dodatkowo dostarczonego do czynnika obiegowego wynika ze wzorów (1), (2) i (3)

(5)

Ze wzoru (5) wynika, że mnożnik oszczędności energii che-micznej jest większy od jedności.

Przykład obliczeniowy

Przykładowe obliczenia przeprowadzono dla kotła zasila-nego rybnickim węglem kamiennym. Rozpatrywany węgiel ma w stanie roboczym następujące udziały gramowe składników:

c = 0,588, h = 0,039, n = 0,011, o = 0,093, w (wilgoć) = 0,07, p

(popiół) = 0,20 i wartość opałową 23 000 kJ/kg. Pojemność ciepl-na spalin ciepl-na 1 kg paliwa roboczego wynosi Cp = 9,143 kJ/(kg K)

przy

Θ

2 = 150 K i Cp = 9,354 kJ/(kg K) przy

Θ

3 = 300 K. Wpływ

więc temperatury spalin na ich pojemność cieplną jest niewielki w przedziale temperatury odpowiadającym podgrzewaniu po-wietrza spalinami kotłowymi.

Przyjmując

Θ

₀ 4 = 300 K otrzymuje się ze wzoru (5) war-tość mnożnika oszczędności energii chemicznej μ 5 = 1,135. Oszczędność energii chemicznej jest więc o kilkanaście procent większa od przyrostu ilości ciepła przekazanego czynnikowi obiegowemu wewnątrz kotła. W hutniczych piecach grzejnych mnożnik oszczędności paliwa ma znacznie większą wartość [1] ze względu na wyższą temperatur spalin przed podgrzewaczem powietrza.

W przytoczonych rozważaniach występuje tylko tempera-tura spalin. Doprowadzenie podgrzanego powietrza do komory spalania powoduje zmianę rozkładu temperatury spalin we-wnątrz kotła. Również temperatura spalin przed podgrzewa-czem powietrza może być różna od temperatury wylotowej przed wprowadzeniem podgrzewacza. Nie narusza to poprawności wy-prowadzonych wzorów, wpływa jednak na interpretację wielkości

Qr występującej we wzorach (3) i (5). Wielkość ta oznacza nie

cie-pło pochłonięte przez powietrze w podgrzewaczu, lecz przyrost ilości ciepła przekazanego czynnikowi obiegowemu wewnątrz kotła, w odniesieniu do jednostki paliwa.

Przytoczona interpretacja wielkości Qr pozwala rozszerzyć

zakres stosowania wyprowadzonych wzorów na przypadek zain-stalowania dodatkowego podgrzewacza powietrza na strumieniu spalin odpływających z układu. Uzyskany dodatkowo mnożnik oszczędności energii chemicznej byłby nadal większy od jedno-ści, jednak mniejszy od wartości uzyskanej w poprzednim etapie podgrzewania powietrza. Przyjmując przykładowo dla dodatko-wego podgrzewacza powietrza Θ06 = 150 K otrzymuje się

mnoż-nik oszczędności energii chemicznej 7 μ = 1,063.

Mnożnik egzergetyczny

Wskaźniki efektywności spalinowego podgrzewania powie-trza dopływającego do kotła mają wartości znacznie większe od wyżej cytowanych, jeżeli zastosuje się ujęcie egzergetyczne [2].

Egzergia chemiczna paliwa jest prawie równa wartości opa-łowej (a nawet nieco większa), spadek zaś egzergii fizycznej spa-lin oddających ciepło w podgrzewaczu powietrza jest mniejszy od spadku entalpii spalin.

Mnożnik oszczędności egzergii uzyskany dzięki spalinowe-mu podgrzewaniu powietrza można zdefiniować jako stosunek zaoszczędzonej egzergii chemicznej paliwa do wykorzystanego spadku egzergii spalin:

(6)

gdzie:

B₀, B – zużycie egzergii chemicznej paliwa w rozpatrywanym

odcinku czasu, przed wprowadzeniem i po wprowadzeniu podgrzewania powietrza,

βw 8 – stosunek egzergii chemicznej do wartości opałowej

pa-liwa,

βs 9 – stosunek spadku egzergii do spadu egzergii spalin w

podgrzewaczu powietrza.

Ze względu na niewielki wpływ temperatury na pojemność cieplną spalin w rozpatrywanym zakresie temperatury, można przyjąć stałą pojemność cieplną

(7) gdzie:

T₁, T₂ – temperatura spalin odpływających z kotła przed wprowa-dzeniem i po wprowadzeniu podgrzewacza powietrza. W przykładowym obliczeniu przyjęto 10 βw = 1,08, Tot = 273 K,

T1 = 573 K, T2 = 423 K. μE11 = 1,135. Otrzymano μB 12 = 2,739.

Wnioski

Korzystną efektywność energetyczną spalinowego pod-grzewacza powietrza doprowadzanego do kotła parowego do-brze charakteryzuje mnożnik oszczędności energii, wyrażający stosunek zaoszczędzonej energii paliwa do wykorzystanego spadku entalpii spalin. Jest on większy od jedności. Jeszcze większy jest mnożnik oszczędności egzergii, wyrażający stosu-nek zaoszczędzonej egzergii paliwa do wykorzystanego spadku egzergii spalin. Efekt ten wynika z uwzględnienia zróżnicowanej jakości rozpatrywanych postaci energii.

LITERATURA

[1] Szargut J.: Energetyka cieplna w hutnictwie, wyd. II; Wyd. „Śląsk”, Katowice 1982

[2] Szargut J.: Egzergia - poradnik obliczania i stosowania. Wydaw-nictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2005