УДК 662.6
С.А.
Семенов, Д.Ю. Куриганов
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
КОНТРОЛЯ ЗА ПРОЦЕССОМ
СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ ЗА СЧЕТ
ОПТИМИЗАЦИИ ИХ СОСТАВА
С целью экономии затрат на топливо теплоисточники
вынуждены переходить на непроектные, менее качественные марки углей. В статье
рассмотрены вопросы прогнозирования энергетических показателей паровых котлов
при сжигании непроектных топлив. Предложена математическая модель, включающая
блоки расчета теплофизических свойств теплоносителей и теплового расчета
котлов. С применением пакета MathCAD получены аппроксимационные
зависимости термодинамических параметров дымовых газов от температуры. При
помощи встроенного в MS Excel языка программирования Visual Basic for
Applications разработана программа теплового расчета паровых котлов, работающих
на различных углях и их смесях. Влияние состава топлива на КПД котла рассматривалось
путем поочередного перебора значений элементарного состава углей. Возможности перевода теплоисточников на непроектные виды топлива
исследовались на примере парового котла БКЗ-75-39 ФБ при сжигании бурых углей
трех месторождений: Ирбейского, Перяславского и Канского. Результаты расчетов
показали, что в зависимости от доли каждого из трех исследуемых углей в
топливной смеси значения КПД котла могут меняться в пределах 90,58 – 90,91 %. Получены целесообразные
соотношения углей в топливной смеси.
Ключевые слова: математическая модель, твердое топливо, топливная смесь, сжигание углей,
паровой котел, энергетическая эффективность.
В последнее
время в районах с преобладающим потреблением твердого топлива у теплоисточников
(ТИ) возникает ряд серьезных проблем, вызванных снижением качества и высокой
стоимостью проектных видов углей, что вызывает необходимость полного или частичного
замещения их непроектными, менее качественными марками топлив [1].
Как показывают
опытные данные, с увеличением доли непроектного топлива в смеси изменяются
эксплуатационные показатели котельных агрегатов: возрастает расход углей, часто
уменьшается сушильная и размольная производительности пылеприготовительных
систем, снижается надежность работы за счет повышенной степени шлакования
поверхностей нагрева, ухудшаются экологические характеристики, увеличивается
расход электроэнергии на собственные нужды и др.
Таким образом,
ухудшение качества поставляемого на ТИ топлива проявляется в той или иной
степени на всех этапах его использования и, в конечном счете, вызывает
неэффективное увеличение расхода углей.
Для
прогнозирования показателей котлоагрегатов, работающих на непроектных видах топлива,
требуется исследовать влияние их
элементарного состава на энергетическую эффективность. С этой целью авторами разработана математическая модель,
включающая блоки расчета теплофизических свойств дымовых газов и теплового расчета
котлоагрегатов.
Важным этапом
при разработке и использовании математических моделей котлов является задание теплофизических
характеристик теплоносителей. При этом необходимо учитывать, что исходные точки
могут быть заданы с определенной погрешностью, поэтому в данном случае целесообразно
применить метод аппроксимации. Выбор аппроксимирующей функции во многом определяется
физикой описываемого процесса. Если известен вид функции, то задача сводится к
отысканию коэффициентов, входящих в функцию. В данном случае применяем
аппроксимацию методом наименьших квадратов.
Зададим
функцию, описывающую процессы:
Для нахождения коэффициентов
genfit (vx, vy, vg, F),
Данная функция определяет вектор
параметров, которые преобразовывают первую функцию в векторе F методом
наилучшего приближения в векторах vx и vy. Остающиеся элементы в F - частные производные функции приспособления
относительно ее n параметров, и vg - вектор оценок.
Результатом функции genfit
является матрица коэффициентов аппроксимирующего полинома.
Данный метод использован для получения
квадратичных зависимостей теплофизических свойств дымовых газов: энтальпий 1 м³ углекислого газа (
Зависимость энтальпий продуктов сгорания от температуры
представлена на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость
энтальпий продуктов сгорания от температуры
Для определения
энергетической эффективности паровых котлов, работающих на различных углях и их
смесях, на основе нормативного метода [3] разработана программа их теплового
расчета с использованием MS Excel.
Преимуществом
MS Excel является то, что программа позволяет оперировать большими объемами
информации. Рабочие книги MS Excel предоставляют возможность хранения и организации
данных, вычисление значений в ячейках и программирование с помощью макросов.
При помощи
встроенного в MS Excel языка
программирования Visual Basic for Applications составим макрос перебора
значений состава топлива:
Sub РасчетКПД()
'
Sheets("КПД").Range("A8:ZZ110").ClearContents
For c = 0 To 100
For b = 0 To 100 - c
Sheets("КПД").Range("A8").Offset(b,
c * 4) = b
Sheets("КПД").Range("B8").Offset(b,
c * 4) = 100 - b - c
Sheets("КПД").Range("C8").Offset(b,
c * 4) = c
For a = 0 To 6
Sheets("Расчет").Range("A2").Offset(0,
a) = _
b * Sheets("КПД").Range("A3").Offset(0,
a) / 100 + _
(100 - b - c) *
Sheets("КПД").Range("A4").Offset(0,
a) / 100 + _
c * Sheets("КПД").Range("A5").Offset(0,
a) / 100
Next a
Sheets("КПД").Range("D8").Offset(b,
c * 4) = Sheets("Расчет").Range("H2")
Next b
Next c
For b = 0 To 110
For a = 0 To 110
If Sheets("КПД").Range("D8").Offset(a,
b * 4) = Sheets("КПД").Range("J2")
Then
Sheets("КПД").Range("J3")
= Sheets("КПД").Range("D8").Offset(a,
b * 4 - 3)
Sheets("КПД").Range("J4")
= Sheets("КПД").Range("D8").Offset(a,
b * 4 - 2)
Sheets("КПД").Range("J5")
= Sheets("КПД").Range("D8").Offset(a,
b * 4 - 1)
End If
Next a
Next b
'
End Sub
В данной
программе в ячейках содержатся следующие данные:
1. A2, B2, C2, D2, E2, F2, G2 - элементарный состав исходного топлива;
2. F11-32 - исходные характеристики
котла;
3. H2
- значения КПД котла при заданном составе топлива.
Возможности разработанной
авторами математической модели рассмотрим на примере парового котла БКЗ-75-39
ФБ, установленного на районной Галачинской котельной филиала ОАО «Иркутскэнерго»
(г. Братск).
Проектным топливом является
ирша-бородинский уголь Канско-Ачинского бассейна, имеющий следующий состав:
влага W=33 %, зола A=6 %, сера (горючая и негорючая) S=0,55 %, углерод C=43,15 %, водород H=3,08 %, азот N=0,62%, кислород O=13,6% [4]. Влияние состава проектного топлива на КПД данного котла
при номинальной нагрузке рассматривалось ранее авторами путем поочередного
перебора значений W, A, S, C, H, N, O [5].
Возможности
перевода котлов на непроектные виды топлива исследовались на примере бурых
углей трех месторождений: Ирбейского, Перяславского и Канского. Их характеристики
приведены в табл. 2. В расчетах предусмотрено определение КПД котла при переборе
каждого вида топлива в смеси от 0 до 100 %. Исходные данные и результаты
расчета одного из вариантов представлены на рис 2, а фрагмент вывода расчетных
данных - на рис. 3.
Таблица
2
Характеристики
непроектных углей
|
Характеристика |
Ирбейский уголь |
Перяславский уголь |
Канский уголь |
|
W Р, % |
38,90 |
31,00 |
34,50 |
|
A Р, % |
14,30 |
11,00 |
6,00 |
|
S Р, % |
0,40 |
0,50 |
0,60 |
|
C Р, % |
30,20 |
32,40 |
33,50 |
|
H Р, % |
2,20 |
5,10 |
5,00 |
|
N Р, % |
0,60 |
1,00 |
0,90 |
|
O Р, % |
13,40 |
19,00 |
19,50 |
|
Всего, % |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
Анализ полученных
данных позволяет сделать следующие выводы:
• в зависимости
от доли каждого из трех исследуемых углей в топливной смеси значения КПД котла
могут меняться в пределах 90,58 – 90,91 %;
• при 100%
содержании перяславского бурого угля может быть достигнуто максимальное
значение энергоэффективности котла (КПД равен 90,91 %);
• добавление
ирбейского (более 2 %) и канского (более 26 %) углей в топливную смесь приводит
к снижению КПД котла, поэтому возможно подмешивание ирбейского (до 2 %) и
канского углей (до 26%) в топливную смесь, когда значения КПД будут близки к
максимальному – 90,88 %);
• при 100%
содержании ирбейского бурого угля будет достигнуто минимальное значение
энергоэффективности котла БКЗ-75-39 ФБ.
Следует
отметить, что для корректного выбора состава сжигаемых топлив необходим учет
экологических и, особенно, стоимостных показателей. С этой целью авторами разрабатываются
соответствующие блоки программы.
Таким образом,
разработанная математическая модель может
использоваться для анализа влияния элементарного состава углей на энергетическую эффективность
котельных агрегатов, что позволит выбирать оптимальный состав смеси твердых
топлив для конкретных ТИ.
Рис. 2. Исходные данные и результаты
расчета одного варианта
Рис. 3. Вывод результатов расчета
Литература
1. Семенов С.А. Развитие
коммунальных теплоэнергетических технологий в районах с преобладающим твердым
топливом / С.А. Семенов.– Новосибирск: Наука, 2005.– 347 с.
2. Куриганов, Д.Ю. Применение
пакета MathCAD при обработке теплофизических свойств твердого топлива /Д.Ю.
Куриганов, С.А. Семенов // Труды Братского государственного университета: Сер.:
Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск: Изд-во
БрГУ, 2012. – Т. 2. – С.82-84.
3. Тепловой расчет котлов
(Нормативный метод) - НПО ЦКТИ, СПб, 1998.
4. Справочник по котельным
установкам малой производительности / Под ред. К.Ф. Роддатиса.- М.:
Энергоатомиздат, 1989.
5. Куриганов, Д.Ю. Расчет
зависимости КПД котла БКЗ-75-39 от химического состава твердого топлива / Д.Ю.
Куриганов, С.А. Семенов // Труды Братского государственного университета: Сер.:
Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск:
Изд-во БрГУ, 2012. – Т. 2. – С.84-87.