Тема №4 : Источники тепловой энергии.

Источниками тепловой энергии для нужд коммунально-бытовых и технологических потребителей являются теплогенерирующие (котельные) установки.

Теплогенерирующие установки представляют собой комплекс сложных теплотехнических устройств, предназначенных для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего тела (горячей воды или водяного пара) и объединенных общей технологической схемой.

Преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию в теплогенерирующих установках осуществляется при сжигании топлива. В этом случае горючие элементы топлива соединяются с окислителем (кислородом воздуха), в результате чего образуются газообразные продукты сгорания и выделяется большое количество теплоты, которая передается циркулирующему в котельной установке рабочему телу (воде или водяному пару). Таким образом, для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего тела необходимо: 1) соответствующим образом подготовить и подать в котельную установку топливо и окислитель (воздух); 2) обеспечить наилучшие условия для сжигания топлива; 3) осуществить подготовку, подвод и циркуляцию в котельной установке рабочего тела; 4) обеспечить наилучшие условия теплообмена между полученными при горении дымовыми газами и циркулирующим в котельной установке рабочим телом; 5) удалить из котельной установки охлажденные продукты сгорания.

Очевидно, что назначение и мощность каждой котельной установки, вид вырабатываемого теплоносителя (вода или пар), вид сжигаемого топлива^*) и способ его сжигания^**) определяют ее конструктивные особенности. Например, в состав паровой теплогенерирующей (котельной) установки, вырабатывающей перегретый пар и работающей твердом топливе включаются следующие основные элементы (см. рис. 4):

1) топочная камера с установленными на ее стенах пылеугольными горелками;

2) водяной экономайзер, выполненный в виде змеевиковых трубных поверхностей нагрева, в которых производится предварительный нагрев воды, поступающей в котельный агрегат;

3) испарительные поверхности нагрева, выполненные в виде пакетов из вертикальных труб, установленных на стенах топочной камеры, в которых вода, циркулирующая в котле, частично испаряется, превращаясь в насыщенный пар;

4) барабан котла, служащий для сбора насыщенного пара, поступающего из испарительных поверхностей нагрева;

5) пароперегреватель, выполненный в виде змеевиковых пакетов, в котором осуществляется перегрев полученного в котле пара;

6) трубчатый воздухоподогреватель, в котором дымовые газы подогревают воздух, подаваемый в топку на горение;

7) дутьевой вентилятор, с помощью которого дутьевой воздух забирается из окружающей среды и через воздухоподогреватель подается в топочную камеру на горение;

___________________________________________________________________________________

*) по виду (по агрегатному состоянию) топлива подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

**) например, твердое топливо может сжигаться следующими основными способами: в плотном фильтрующем слое, в кипящем слое, в факеле и в вихре.

8) дымосос, с помощью которого дымовые газы из котельной установки удаляются в атмосферу через дымовую трубу;

1 – топочная камера; 2 – пылеугольные горелки; 3 – водяной экономайзер; 4 – испарительные поверхности нагрева; 5 – барабан котла; 6 – пароперегреватель; 7 – воздухоподогреватель; 8 – дутьевой вентилятор; 9 – дымосос; 10 – дымовая труба; 11 – золоуловитель; 12 – система шлакозолоудаления; 13 – устройство топливоприготовления и топливоподачи; 14 – ионитные фильтры; 15 – деаэратор; 16 – питательные насосы; 17 – насосы исходной воды; 18 – исходная вода из водопровода; 19 – конденсатный бак; 20 – конденсатный насос; 21 – возврат конденсата; 22 – пар к потребителям; 23 – забор воздуха; 24 – выход дымовых газов; 25 – регулятор давления.

Рис. 4.

9) золоуловитель, в котором осуществляется очистка дымовых газов от золы;

10) система шлакозолоудаления, обеспечивающая удаление из котельной установки шлака и золы,;

11) устройства топливоприготовления и топливоподачи, служащие для подготовки топлива к сжиганию (размол и подсушка) и подачи его к котлам;

12) устройства водоподготовки, включающие в свой состав ионитные фильтры, в которых производится умягчение исходной воды (удаление из воды накипеобразующих солей), поступающей из водопровода, и деаэрационную установку, в которой из умягченной воды удаляются коррозионно–активные газы;

13) питательные устройства (питательные насосы) обеспечивающие подачу питательной воды (воды, прошедшей умягчение и деаэрацию) через водяной экономайзер в барабан котла;

Наличие всех перечисленных элементов не является обязательным для каждой теплогенерирующей установки. Так в установках малой мощности могут отсутствовать пароперегреватели, экономайзеры и воздухоподогреватели. При сжигании газообразного и жидкого топлива нет необходимости в установке золоулавителя и т.п.

Теплогенерирующие установки, предназначенные для выработки пара или горячей воды на нужды коммунально-бытовых и технологических потребителей, подразделяются на районные, квартальные, групповые котельные и котельные предприятий. Районные котельные снабжают теплом (паром или горячей водой) потребителей района жилой застройки или промышленной зоны. Квартальные и групповые котельные предназначены для теплоснабжения одного или нескольких кварталов, групп жилых домов или общественных зданий. Котельные предприятий предназначены для теплоснабжения одного или нескольких промышленных предприятий.

По своему назначению котельные подразделяются на отопительные, обеспечивающие выработку теплоты на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, производственные, обеспечивающие выработку теплоты на технологические нужды производства и отопительно – производственные, обеспечивающие все указанные выше виды теплопотребления.

По мощности котельные установки подразделяются на установки малой мощности – теплопроизводительностью до 23,26 МВт, средней мощности – теплопроизводительностью от 23,26 МВт, до 116,3 МВт, и большой мощности – теплопроизводительностью свыше 116,3 МВт.

По виду вырабатываемого теплоносителя котельные установки подразделяются на паровые, водогрейные и комбинированные (пароводогрейные).

Источником тепловой энергии, вырабатываемой в теплогенерирующих установках, является котельное (энергетическое) топливо – углеродистые или углеводородистые вещества органического (преимущественно растительного) происхождения, при горении которых выделяется достаточно большое количество теплоты.

По агрегатному состоянию все котельные топлива подразделяются на твердые, жидкие и газообразные, а по способу получения – на естественные и искусственные. Естественными твердыми топливами являются торф, бурые и каменные угли, полуантрациты и антрациты, горючие сланцы. Искусственные твердые топлива – это угольные и торфяные брикеты, кокс, древесный уголь и др. Естественное жидкое топливо – нефть, которая, однако, в качестве топлива не применяется, так как представляет собой ценное химическое сырье. Искусственными жидкими топливами являются продукты перегонки нефти, а также продукты гидрогенизации твердого топлива и сланцевое масло. Естественные газообразные топлива – природные и нефтепромысловые (попутные) газы. Искусственные газообразные топлива – генераторный, сланцевый, коксовый газы и др.

Состав любого топлива, как и всякого органического вещества, достаточно сложен, однако для характеристики его с точки зрения сжигания необходимо знать лишь элементарный состав, который качественно оказывается одинаковым практически для всех видов топлива. Так органическая часть топлива содержит углерод С, водород Н, серу S, кислород О и азот N. Помимо этих основных элементов большинство топлив содержит также составляющие внешнего балласта – минеральные примеси (или золу) А и влагу W.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю (на сжигание) называется рабочим топливом (или рабочей массой топлива), элементарный состав которого в процентах представляют в виде:

С^р + Н^р + S^р + О^р + N^р + А^р + W^р = 100%. (39)

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и часть серы – так называемая летучая сера.

Углерод – основной горючий элемент, преобладающий по содержанию в горючей массе топлива. Обладает значительной теплотой сгорания: при полном сгорании 1 кг чистого углерода выделяется примерно 33900 кДж теплоты.

Водород – второй по значимости горючий элемент, который хотя и содержится в топливах в значительно меньших количествах, чем углерод, но обладает исключительно высокой теплотой сгорания – примерно от 121000 кДж/кг до 143200 кДж/кг.

Сера – содержащаяся в топливах, в общем случае подразделяется на органическую S_р, колчеданную S_к и сульфатную S_с. Органическая и колчеданная сера составляют так называемую летучую серу (обозначаемую обычно S_{ор + к}), которая участвует в горении, выделяя примерно 9200 кДж/кг. Сульфатная сера (содержится в соединениях типа МеSО₄) в горении не участвует, а переходит в золу и шлак. При сгорании серы образуются сернистый (SO₂) и серный (SO₃) ангидриды. Сернистый ангидрид, выбрасываемый вместе с дымовыми газами в атмосферу отравляет ее, а наличие сернистого ангидрида приводит к образованию серной кислоты, вызывая коррозию хвостовых поверхностей нагрева котлоагрегата. Поэтому, несмотря на то, что при горении серы выделяется теплота, ее считают нежелательной составляющей топлива.

Кислород и азот не являются теплообразующими элементами топлива и поэтому относятся к внутреннему балласту топлива.

Зола твердого топлива подразделяется на первичную, перешедшую в топливо из исходной (растительной) массы, вторичную, внесенную в топливо в процессе его образования и третичную, попавшую в топливо в процессе его добычи, хранения и транспортировки.

Зола не только балластирует топливо, но отрицательным образом влияет на процесс его сжигания, затрудняя процессы воспламенения и горения. Зола также усложняет эксплуатацию котлоагрегата, образуя отложения на поверхностях нагрева, что приводит к нарушению теплового режима работы и увеличению затрат на удаление золы и шлака из котельной. В газообразных топливах минеральные примеси отсутствуют, а зольность жидких топлив – ничтожна (в мазутах – обычно не более 0,15 %)

Влага, содержащаяся в твердых топливах, подразделяется на внешнюю (поверхностную) и внутреннюю (гигроскопическую). Влага, так же как и зола, помимо чисто балластной роли, оказывает и отрицательное влияние на процесс сжигания топлива (ухудшение воспламенения), на эксплуатацию котельной установки (затруднения в работе системы топливоподачи и повышение опасности коррозии хвостовых поверхностей нагрева) и, главное, снижает тепловую ценность топлива, используя часть теплоты, выделившейся при горении, на свое испарение. Влажность жидкого и газообразного топлива обычно невелика и отрицательная роль ее не столь существенна.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания (или теплотворная способность), которая представляет собой то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы (1 кг) твердого или жидкого топлива или единицы объема (1 нм³) газообразного топлива. Различают высшую Q_в и низшую Q_н теплоту сгорания. Q_впревышает Q_н на величину количества теплоты, выделяющейся при конденсации водяных паров, входящих в состав газообразных продуктов сгорания. Q_в может быть получена при условии охлаждения дымовых газов ниже температуры конденсации.

Для сравнительной оценки тепловой ценности или энергетических запасов различных топлив пользуются понятиями условного топлива, обладающего теплотой сгорания 29,3 мДж/кг и теплового эквивалента – Э_т= /29,3. Топлива, обладающие низким тепловым эквивалентом (Э_т < 0,5), называют местными, то есть пригодными к использованию вблизи места добычи, так как транспортирование их на дальнее расстояния оказывается экономически нецелесообразным.

Рекомендуемая литература:

2 осн.[4-15; 56-89; 144-145]; 9доп.[71-75; 80-84].

Контрольные вопросы:

1. Что представляют собой теплогенерирующие установки?

2. Общие принципы преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию.

3. Схема и состав теплогенерирующей установки.

4. Классификация теплогенерирующих установок.

5. Энергетические топлива и их основные характеристики.

Тема № 5: Системы теплоснабжения.

Технологический процесс централизованного теплоснабжения городов и населенных пунктов состоит из трех последовательных операций: 1) подготовка теплоносителя; 2) транспорт теплоносителя; 3) использование теплоносителя.

Подготовка теплоносителя производится в теплоподготовительных установках (теплогенераторах) – на ТЭЦ и в котельных.

Транспортировка теплоносителя осуществляется по тепловым сетям – системе трубопроводов, соединяющих источник тепловой энергии (теплогенератор) с потребителем.

Использование теплоносителя осуществляется непосредственно у потребителя – на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения коммунально-бытовых и производственных потребителей и на технологические нужды промышленных предприятий.

Таким образом, по тепловым сетям теплоноситель подается различным потребителям, имеющим различный характер теплопотребления. По характеру теплопотребления (по характеру использования теплоносителя) разнообразные тепловые нагрузки принято делить на две основные группы: 1) сезонные нагрузки; 2) круглогодовые нагрузки.

К сезонным нагрузкам относятся те нагрузки, величина которых зависит от сезонных климатических условий – в первую очередь от температуры наружного воздуха и от ряда других факторов (от интенсивности солнечного излучения, скорости ветра, влажности воздуха и др.).

Таким образом, к сезонным тепловым нагрузкам относятся тепловые нагрузки на отопление, вентиляцию и, в некоторых случаях, на кондиционирование воздуха коммунально-бытовых, общественных и производственных объектов (потребителей).

Нагрузки на отопление и вентиляцию (ОВ) являются зимними тепловыми нагрузками.

Нагрузка на кондиционирование воздуха (КВ) (при использовании абсорбционных и эжекционных холодильных машин) – летней тепловой нагрузкой.

Основными сезонными тепловыми нагрузками, как правило, являются нагрузки на отопление и вентиляцию различного рода зданий и сооружений.

К круглогодовым тепловым нагрузкам относятся тепловые нагрузки на технологические нужды промышленных предприятий и на горячее водоснабжение (ГВ) коммунально-бытовых общественных и производственных потребителей, т. е. такие тепловые нагрузки, которые практически не зависят (или весьма слабо зависят) от температуры наружного воздуха (исключение составляют только некоторые отрасли промышленности, связанные, главным образом, с переработкой сельскохозяйственного сырья, работа которых имеет сезонный характер).

Нагрузка на горячее водоснабжение в значительной мере определяется структурой потребителей (соотношением между жилым фондом, общественным, культурно-бытовыми и промышленными предприятиями).

При проектировании и разработке режимов эксплуатации систем централизованного теплоснабжения необходимо учитывать характер изменения тепловых нагрузок как в течение суток (т.е. иметь представление о суточном графике теплопотребления), так и в течение всего года (т. е. иметь представление о годовом графике теплопотребления).

Сезонные тепловые нагрузки (на ОВ и КВ) имеют сравнительно стабильный суточный график и переменный годовой график.

В свою очередь круглогодовые нагрузки (на технологические нужды производства и на ГВ), как правило, имеют переменный суточный график и сравнительно постоянный годовой график.

В качестве примеров рассмотрим суточный график тепловой нагрузки жилого района на горячее водоснабжение (см. рис. 5) и годовой график теплопотребления района города (см. рис. 6)

Рис.5. Рис.6.

Как уже указывалось, транспортировка теплоты от источника до потребителей осуществляется по тепловым сетям. При этом, для транспорта теплоты на большие расстояния, как правило, используются два традиционных теплоносителя – вода и водяной пар. Для компенсации тепловых нагрузок на ОВ, КВ и ГВ в качестве теплоносителя используется вода, а для компенсации тепловых нагрузок на технологические нужды производства – водяной пар. С учетом этого, в зависимости от вида используемого теплоносителя, системы теплоснабжения подразделяются на водяные и паровые.

Дата добавления: 2015-07-18