Газопоршневые установки MWM мощностью около 2 МВт широко применяются на промышленных и энергетических объектах, где требуется одновременная выработка электрической и тепловой энергии. Один из наиболее эффективных способов повысить общий КПД такой установки — использовать теплоту выхлопных газов в котле-утилизаторе.
Цель данного расчета — определить ориентировочную производительность котла-утилизатора по насыщенному пару при использовании теплоты выхлопных газов газопоршневой установки MWM электрической мощностью 2 МВт.
Для расчета приняты следующие исходные данные:
- температура выхлопных газов ГПУ на входе в котел-утилизатор: 430 °C;
- температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора: 220 °C;
- номинальный массовый поток выхлопных газов: 10 668 кг/ч;
- коэффициент избытка воздуха в выхлопных газах: 1,8;
- температура питательной воды на входе в котел: 104 °C;
- рабочее давление котла: 6 бар избыточное;
- температура пара: 165 °C.
Примечание
Давление 6 бар избыточное соответствует примерно 7 бар абсолютного давления. Температура насыщения при данном давлении составляет около 165 °C.
Основа расчета заключается в следующем:
- Выхлопные газы после двигателя имеют высокую температуру.
- При прохождении через котел-утилизатор они охлаждаются.
- За счет охлаждения газов часть их тепловой энергии передается воде.
- Полученная теплота используется для нагрева питательной воды и ее превращения в насыщенный пар.
- Зная количество снимаемой теплоты, можно определить, какое количество пара может быть получено в единицу времени.
Иными словами, расчет состоит из двух последовательных этапов:
- сначала определяется, сколько тепла можно отобрать у выхлопных газов;
- затем это количество тепла переводится в количество получаемого пара.
Несмотря на то что расчет выполнен по общепринятым инженерным формулам, его следует рассматривать как предварительный. Это связано с тем, что в расчете приняты усредненные параметры.
На практике паропроизводительность будет зависеть от следующих факторов:
Фактический расход выхлопных газов.
Для каждой конкретной модели двигателя он свой. Даже у установок близкой мощности этот параметр может заметно различаться.Реальный состав выхлопных газов.
Состав газов влияет на теплоемкость и на допустимую температуру охлаждения.Давление насыщенного пара.
Чем выше давление пара, тем выше температура насыщения и тем больше теплоты может потребоваться на получение 1 кг пара.Температура питательной воды.
Если вода поступает в котел уже подогретой, например после деаэратора, то на ее доведение до температуры насыщения потребуется меньше энергии, а паропроизводительность немного возрастет.Конструкция котла-утилизатора.
На результат влияют развитость поверхности нагрева, наличие экономайзера, газодинамическое сопротивление, схема движения газов и воды.Загрязнение поверхностей нагрева.
В процессе эксплуатации на поверхностях могут образовываться отложения, ухудшающие теплообмен и снижающие фактическую производительность.Ограничения по температуре уходящих газов.
Нельзя бесконечно снижать температуру выхлопа, так как необходимо соблюдать надежный режим работы дымового тракта и не допускать нежелательных конденсационных явлений, если котел не рассчитан на конденсационный режим.
В данном расчете рассматривается определение ориентировочной паропроизводительности котла-утилизатора для ГПУ MWM 2 МВт при следующих условиях: температура выхлопных газов на входе в котел-утилизатор составляет 430 °C, на выходе — 220 °C, массовый расход выхлопных газов — 10 668 кг/ч, температура питательной воды — 104 °C, рабочее давление котла — 6 бар избыточное, температура пара — 165 °C.
По результатам расчета можно определить, какое количество насыщенного пара реально получить от выхлопных газов при заданном режиме работы.
Что такое котел-утилизатор и как он работает с ГПУ
Котел-утилизатор — это теплообменное оборудование, предназначенное для использования теплоты отходящих газов. В случае газопоршневой установки источником этой теплоты являются выхлопные газы двигателя, которые после сгорания топлива имеют высокую температуру и значительный энергетический потенциал.
При прохождении через котел-утилизатор выхлопные газы охлаждаются, а их теплота передается питательной воде. Вода нагревается до температуры насыщения и превращается в пар. Благодаря этому энергия, которая в обычной схеме просто терялась бы через дымовую трубу, повторно используется в технологическом цикле.
Такое решение особенно эффективно на объектах, где есть постоянная потребность в паре: в пищевой промышленности, на нефтегазовых предприятиях, в химическом производстве, в системах теплоснабжения и на автономных энергокомплексах.
Назначение котла-утилизатора
Основная задача котла-утилизатора — повысить эффективность энергетической установки за счет возврата полезной теплоты. Вместо того чтобы просто отводить горячие выхлопные газы в атмосферу, система позволяет направить эту теплоту на выработку пара или горячей воды.
В энергетическом смысле это означает рост суммарного КПД объекта. Если ГПУ без утилизации использует только электрическую составляющую энергии топлива, то при подключении котла-утилизатора можно эффективно использовать и теплоту выхлопа.
Использование теплоты выхлопных газов
Температура выхлопных газов газопоршневого двигателя обычно находится на уровне 400–500 °C. Это делает выхлоп одним из наиболее ценных источников вторичного тепла на установке. В котле-утилизаторе эти газы последовательно отдают тепло поверхностям нагрева, после чего покидают систему с более низкой температурой.
Чем глубже удается охладить выхлопные газы без нарушения допустимого режима эксплуатации, тем больше теплоты можно снять и тем выше будет паропроизводительность. Именно поэтому температура уходящих газов после утилизатора является одним из ключевых расчетных параметров.
Исходные данные для расчета паропроизводительности
Для расчета принимаются следующие исходные данные:
- электрическая мощность ГПУ — 2,0 МВт;
- температура выхлопных газов на входе в котел-утилизатор — 430 °C;
- температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора — 220 °C;
- номинальный массовый расход выхлопных газов — 10 668 кг/ч;
- коэффициент избытка воздуха в выхлопных газах — 1,8;
- температура питательной воды на входе в котел — 104 °C;
- рабочее давление котла — 6 бар избыточное;
- температура пара — 165 °C.
Для предварительного инженерного расчета также принимается средняя удельная теплоемкость выхлопных газов:
cₚ = 1,08 кДж/(кг·К)
Это допустимое приближение для продуктов сгорания природного газа в рассматриваемом температурном диапазоне.
Коэффициент избытка воздуха в выхлопных газах
Коэффициент избытка воздуха α = 1,8 характеризует состав выхлопных газов и влияет на их плотность, содержание кислорода и среднюю теплоемкость. В предварительном расчете этот параметр используется косвенно — через выбор средней теплоемкости газов.
Поскольку массовый расход выхлопных газов уже задан, отдельно вводить коэффициент избытка воздуха в формулу теплового баланса не требуется.
Параметры воды и пара
Рабочее давление котла 6 бар избыточное соответствует примерно 7 бар абсолютного давления. При таком давлении температура насыщения составляет около 165 °C, что совпадает с заданной температурой пара.
Следовательно, в данном расчете корректно рассматривать получение насыщенного пара.
От чего зависит выработка пара
Паропроизводительность котла-утилизатора зависит не только от температуры выхлопных газов. На итоговый результат влияют:
- массовый расход выхлопных газов;
- температура газов на входе и выходе из котла;
- средняя теплоемкость дымовых газов;
- температура питательной воды;
- рабочее давление пара;
- тепловые потери и состояние поверхностей нагрева.
Даже при одинаковой мощности двигателя фактическая выработка пара может заметно меняться в зависимости от реального режима работы установки.
Формула расчета теплоты выхлопных газов
Количество теплоты, которое можно снять с выхлопных газов, определяется по формуле:
Q = Gг × cp × (tвх − tвых)
где:
Q — количество теплоты, кДж/ч;
Gг — массовый расход выхлопных газов, кг/ч;
cp — средняя удельная теплоемкость выхлопных газов, кДж/(кг·°C);
tвх — температура газов на входе в котел-утилизатор, °C;
tвых — температура газов на выходе из котла-утилизатора, °C.
Эта формула показывает, что тепловой поток зависит от трех основных факторов: расхода газов, их теплоемкости и величины охлаждения.
Подстановка исходных данных
Подставим заданные значения:
Q = 10 668 × 1,08 × (430 − 220)
Q = 10 668 × 1,08 × 210
Q = 2 419 502,4 кДж/ч
Перевод теплового потока в кВт
Для дальнейшего расчета паропроизводительности удобнее использовать тепловую мощность в кВт. Перевод выполняется по формуле:
QкВт = Q / 3600
Подставим полученное значение:
QкВт = 2 419 502,4 / 3600
QкВт = 672,1 кВт
Следовательно, тепловая мощность, снимаемая с выхлопных газов, составляет:
QкВт = 672 кВт
Пояснение к расчету
В данном случае дополнительный коэффициент использования теплоты отдельно не вводится, так как температура газов на выходе из котла-утилизатора уже задана. Это означает, что расчет производится по фактически снимаемому количеству теплоты между 430 и 220 °C.
При более детальном проектном расчете могут дополнительно учитываться:
- тепловые потери в окружающую среду;
- загрязнение поверхностей нагрева;
- режим продувки;
- отклонения реальной теплоемкости газов от принятого среднего значения.
Однако для предварительной инженерной оценки полученная величина 672 кВт является корректной.
Формула расчета паропроизводительности
После определения тепловой мощности можно рассчитать производительность по насыщенному пару. Для этого используется формула:
Dп = (QкВт × 3600) / Δi
где:
Dп — производительность по пару, кг/ч;
QкВт — тепловая мощность, передаваемая воде, кВт;
Δi — удельные затраты теплоты на получение 1 кг пара, кДж/кг.
Физический смысл формулы прост: общий полезный тепловой поток делится на количество теплоты, необходимое для получения одного килограмма пара.
Определение удельных затрат теплоты на получение пара
Для расчета необходимо определить разность энтальпий между насыщенным паром и питательной водой:
Δi = iпара − iпв
где:
iпара — энтальпия насыщенного пара при рабочем давлении, кДж/кг;
iпв — энтальпия питательной воды на входе в котел, кДж/кг.
Энтальпия насыщенного пара
При давлении 6 бар избыточных, то есть примерно 7 бар абсолютных, и температуре пара 165 °C энтальпия насыщенного пара принимается ориентировочно:
iпара = 2763 кДж/кг
Энтальпия питательной воды
При температуре питательной воды 104 °C энтальпия воды принимается ориентировочно:
iпв = 436 кДж/кг
Разность энтальпий
Тогда:
Δi = 2763 − 436
Δi = 2327 кДж/кг
Это количество теплоты требуется для получения 1 кг насыщенного пара из питательной воды при заданных условиях.
Пример расчета паропроизводительности для ГПУ MWM 2 МВт
Подставим найденные значения в формулу расчета паропроизводительности:
Dп = (672,1 × 3600) / 2327
Dп = 1039,7 кг/ч
Округленно:
Dп = 1040 кг/ч
Или:
Dп = 1,04 т/ч
Таким образом, ориентировочная паропроизводительность котла-утилизатора составляет около 1,04 т/ч насыщенного пара.
Практическое применение результата
Полученная паропроизводительность около 1,04 т/ч может использоваться как исходная инженерная оценка при технико-экономическом обосновании проекта. Такой объем пара может быть достаточен для:
- технологических нужд предприятия;
- подогрева емкостей и трубопроводов;
- процессов сушки;
- стерилизации;
- частичного покрытия потребности в паре на производстве.
Если на объекте уже имеется основной паровой котел, котел-утилизатор позволит снизить его нагрузку и уменьшить расход топлива.
Итоговый вывод по расчету
Примерный расчет показывает, что при следующих условиях:
- температура выхлопных газов на входе в котел-утилизатор — 430 °C;
- температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора — 220 °C;
- номинальный массовый поток выхлопных газов — 10 668 кг/ч;
- коэффициент избытка воздуха — 1,8;
- температура питательной воды — 104 °C;
- рабочее давление котла — 6 бар избыточное;
- температура пара — 165 °C,
газопоршневая установка MWM мощностью 2 МВт может обеспечить выработку насыщенного пара на уровне:
1,04 т/ч
Для предварительного подбора оборудования можно ориентироваться на диапазон 1,0–1,05 т/ч, а для более консервативной оценки — около 0,95–1,0 т/ч.
Для окончательного выбора котла-утилизатора необходимо выполнить уточненный расчет по паспортным данным конкретной модели двигателя, фактическому режиму работы, сопротивлению газового тракта и требуемым параметрам пароснабжения.