Эксергетический анализ различных схем утилизации вторичных энергетических ресурсов.

ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ

ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ УТИЛИЗАЦИИ

ВТОРИЧНЫХ РЕУРСОВ

 

Введение

При оценке эффективности использования топлив в судовой энергетической установке и различных способов ее повышения необходим термодинамический анализ, дающий представления о характере распределения энергоресурсов по отдельным элементам установки. Для этих целей чаще всего используется метод теплового баланса, показывающий распределение потоков тепла в установке. Однако этот метод не дает полного представления о возможностях использования в установке потоков тепла отработавших газов (ОГ) и охлаждающей воды (ОВ) дизеля. Кроме того, при составлении теплового баланса суммируются потоки тепла, имеющие различную энергетическую ценность. Так, полезно использованное в главном двигателе (ГД) тепло пошедшее на совершение работы сравнивается с теплом ОГ, ОВ и энергией вспомогательного котла (ВК). При анализе систем подобных двигателю внутреннего сгорания, предназначенных для выработки механической энергии, степень термодинамического совершенства может быть определена и этим методом. Однако в тех случаях, когда на выходе системы имеются потоки разного качества, данный метод малопригоден для сравнения энергетических установок судов различных типов (сухогрузов, танкеров, пассажирских), эти потоки необходимо свести к одному масштабу. Для получения реальной картины протекающих в судовой дизельной установке (СДУ) и изыскания путей улучшения энергоиспользования целесообразнее использовать эксергетический метод анализа, суть которого сводится к подсчету потерь работоспособности тепловых потоков в СДУ.

 

Цель курсовой работы

Закрепление теоретического материала по курсу «Эксплуатация судовых дизельных установок», овладение практическими навыками анализа и выбора тепловых схем установки и режимов работы установки с точки зрения обеспечения экономичности и надежности установки.

 

2 Общие указания по выполнению курсовой работы

Курсовая работа выполняется по индивидуальному заданию и состоит из пояснительной записки на 15-20 страницах и одного листа, на котором приводится окончательно принятая схема утилизации и схема эксергетического баланса для данной СДУ.

Пояснительная записка должна включать в себя следующие разделы:

n общая характеристика судовой энергетической установки судна-прототипа и выбор исходных параметров для расчетов;

n эксергетический анализ различных схем утилизации энергетических ресурсов;

n выбор оптимальной схемы утилизации для данного судна и составление ее принципиальной тепловой схемы.

Эксергетический анализ различных схем утилизации вторичных энергетических ресурсов.

В основу расчетов в настоящем разделе положено сравнение результатов работы (СДУ) на режиме повышенной эффективности, получаемой от утилизации вторичных ресурсов (ОГ и ОВ внутреннего контура ГД) с исходным (базовым) режимом, при котором средства утилизации не используются и судно идет полным ходом. Расчет эксергетического баланса и коэффициента полезного действия (КПД) СДУ проводится для следующих вариантов утилизации:

- средства утилизации не используются;

- тепло ОВ ГД используется в опреснительной установке (ОУ), а ОГ ГД используется для замещения автономного котла (общесудовая потребность в тепле);

- тепло ОВ ГД используется в опреснительной установке (ОУ), а ОГ ГД используется для замещения автономного котла и дизель-генераторов (общесудовая потребность в тепле и электроэнергии);

- тепло ОВ ГД используется в опреснительной установке (ОУ), а ОГ ГД используется для замещения автономного котла, дизель-генераторов и частичного использования на замещение главных двигателей (общесудовая потребность в тепле и электроэнергии и передача избыточной мощности утилизационного турбогенератора на гребной вал);

Для решения поставленной задачи предварительно необходимо выбрать целый ряд параметров. Часть из них берется из прототипа судна, другая часть принимается исходя из сложившихся рекомендаций в той или иной области знаний.

Эксергетический КПД СДУ представляет собой отношение полезно используемой эксергии (кДж / ч) к эксергии сжигаемого в установке топлива (затраченной эксергии)

 

.

 

Эксергия, полезно использованная в СДУ представляет собой сумму эксергий:

 

где - эксергия, полезно использованная в главном двигателе; - эксергия пара, подведенного к общесудовым потребителям тепла; - эксергия, расходуемая на общесудовые потребители электрической энергии; - эксергия, полезно используемая в опреснительной установке; - эксергия, эквивалентная избыточной мощности УТГ, передаваемой на гребной винт; -избыточная мощность турбогенератора, кВт; - суммарная эксплуатационная мощность ГД, кВт; - эксплуатационная мощность электростанции в ходу, кВт.

Эксплуатационная мощность ГД:

 

,

 

где - номинальная мощность одного ГД, квт; = (0.85 ¸ 0.95) - коэффициент запаса мощности, требуемый регистром; xGD – число ГД.

Если в исходных данных судна - прототипа нет значения , то ее можно определить исходя из мощности работающих на судне - прототипе дизель-генераторов (ДГ):

 

,

 

где - число ДГ, работающих в ходовом режиме; - электрическая мощность одного ДГ, квт; = (0.75 ¸ 0.90) - коэффициент загрузки ДГ.

Эксергия ОГ ГД определяется по формуле:

 

 

где - располагаемая теплота ОГ, теплота, которую можно отнять от газов в утилизационном котле при их охлаждении до минимально допустимой температуры на выходе из УК , исключающей коррозию поверхностей нагрева; - средняя термодинамическая температура отвода тепла от ОГ, К.

Пренебрегая незначительным различием теплоемкости газов на входе и выходе УК используем для расчета располагаемой теплоты ОГ выражение:

 

,

 

где a_ОГ – доля теплоты уносимой с ОГ в ГД; - часовой расход топлива ГД, кг/ч; Q_p - низшая теплотворная способность топлива используемого в ГД, кдж/кг топлива.

Средняя термодинамическая температура отработавших газов ГД:

 

,

 

где - температуры соответственно на выходе из ГД и выходе УК, ⁰К.

Ориентировочные значения составляет: 443 – 448 К (170 – 175 ⁰С) для топлив с содержанием серы до 4%, для топлив с содержанием серы больше 4% минимальная температура газов на выходе из УК возрастает до 463 473 К (190 – 200 ⁰С). В котлах без экономайзера может определяться рабочим давлением пара:

 

,

 

где = t_н + 273 – температура насыщенного пара при его рабочем давлении р_н; - минимальный температурный напор между стенкой и газом, обеспечивающий эффективный теплообмен, составляет 15 – 20 ⁰С. Поэтому при замещении ДГА утилизационным турбогенератором, с повышением давления пара возрастает и .

На значение располагаемой теплоты ОГ влияет также температура ОГ на входе в УК или что тоже самое на выходе из ГД. При нагрузках полного хода ориентировочные значения составляет: для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой 573 – 623 К; для двухтактных дизелей с петлевой продувкой 523 – 573 К; для четырехтактных дизелей 673 – 723 К. В длинноходных двухтактных дизелях понижается до 500 – 520 К.

Эксергия ОГ, которая может быть подведена к УК:

 

.

 

Полезная эксергия, расходуемая на нужды общесудовых потребителей пара:

 

, - уменьшена на величину ВОУ – меньше либо равна Еук

где для всех судов кроме танкеров = × k_з.ВК, кг/час; k_з.ВК - коэффициент загрузки ВК в ходу; - номинальная производительность ВК, кг / ч; - энтальпия и энтропия насыщенного пара, генерируемого ВК или УК для общесудовых потребителей пара, кДж/кг, кДж/кг*К (Приложение 2); - энтальпия и энтропия пара при температуре окружающей среды То и Ро.

При полном замещении ВК во второй схеме утилизации эксергия УК равна полезной эксергии, расходуемой на нужды общесудовых потребителей пара:

 

.

 

В общем случае, т.е. при неполном замещении ВК и второй схеме утилизации, полезная эксергия, расходуемая на нужды общесудовых потребителей пара, вырабатываемого во ВК и в утилизационном котле УК, определяется:

 

,

 

В третьей схеме утилизации, т.е. когда полностью замещается ВК и частично ВД утилизационным турбогенератором, паропроизводительность УК по перегретому пару равна:

 

, Правильно!

 

где - энтальпия и энтропия перегретого пара, генерируемого УК для УТГ, а для общесудовых потребителей берется пар после УТГ и имеет значения энтальпии и энтропии как для насыщенного пара; - энтальпия и энтропия пара при температуре окружающей среды То и Ро; - КПД УК, 0,94 –0,98.

 

Эксергия, которая может быть использована в УТГ определяется как разность:

 

,

 

Эксплуатационная мощность УТГ:

 

,

 

где = (0.15 ¸ 0.18) - КПД УТГ; 3600 - тепловой эквивалент мощности.

Избыточная мощность турбогенератора, которая в случае полного замещения в третьей схеме утилизации ВК и ВД может быть использована на привод винта судна или, что тоже самое, на замещение ГД:

 

,

 

где - эксплуатационная мощность УТГ; - КПД генератора, используемого в составе УТГ, 0,92 – 0,94.

Избыточная мощность УТГ, которая может быть передана на винт:

 

,

где - КПД редуктора между УТГ и валопроводом, 0,95 – 0,97.

Эксергия охлаждающей воды ГД высокотемпературного контура:

 

. – равна мощности холодильника высокотемпературного контура (рубашка+наддувочный воздух) и умножить на 3600

 

Средняя термодинамическая температура охлаждающей воды ГД:

 

,

где - температуры соответственно на входе (350 – 360) и выходе (340 -350) ГД, К.

Эксергия, подведенная к опреснительной установке как сумма части эксергии ОВ и потерь эксергии на привод электродвигателей вспомогательных механизмов, обслуживающих ГД:

 

),

где - относительное количество греющей воды, равное отношению количества ОВ ГД, подаваемой в опреснитель, приходящееся на 1 кг пресной воды ПВ, 100 – 150 кг/кг; c- средняя теплоемкость ОВ в процессе охлаждения, кДж/(кг*К); - изменение температуры ОВ, К; - средняя термодинамическая температура отвода тепла от ОВ, К; - удельная электрическая энергия, подведенная к электродвигателям вспомогательных механизмов ОУ, 0,04 – 0,08 кВт.ч/кг ПВ; - КПД выработки энергии, учитывающий внутренние, механические и концевые потери в турбине, редукторе, генераторе и конденсаторе (для ДГ - внутренние, механические и электрические потери), 0,3 – 0,35; - производительность ОУ по ПВ, кг/ч; - потеря эксергии в ОУ.

Эксергия, полезно используемая в процессе получения пресной воды в ОУ:

 

,

 

где r- теплота парообразования, 2000 – 2400 кДж/кг ПВ; - минимальная температура испарения воды в опреснителе, 40 - 60 К.

Эксергетический баланс СДУ записывается в виде:

 

,

 

где П- суммарные потери эксергии в СДУ.

 

Эксергия большинства топлив, используемых в дизелях, равна их теплоте сгорания, т.е.:

 

 

где - низшая теплота сгорания топлива, для легких топлив 42500, для тяжелых 41400 кДж/кг; - мощность соответственно ГД и ВД, кВт; - удельный расход топлива соответственно в главных - 0,210 – 0,220 и вспомогательных двигателях – 0,215 – 0,225 кг/кВт.ч; В - расход топлива на вспомогательный котел, кг/ч.

В общем случае потери эксергии в СДУ слагаются из не утилизируемых потерь в ГД, ВД, УК, УТГ, ОУ и прочих неучтенных потерь, т.е.

 

 

Потери эксергии непосредственно в ГД:

 

,

 

где - сумма эксергии топлива, расходуемого в ГД, и эксергии электроэнергии, потребляемой вспомогательными механизмами ГД.

Суммарные потери эксергии в ГД записываются в виде суммы эксергий ОГ, ОВ, тепла унесенного со смазочным маслом и внутренних потерь вследствие необратимости рабочих процессов в ГД, т.е. потери эксергии при горении топлива и подводе тепла к рабочему телу, при впуске и продувке, механические потери в том числе на привод вспомогательных механизмов ГД:

 

,

 

первые две составляющие этого равенства могут быть использованы (утилизированы) в СДУ.

 

Потеря эксергии ОГ в УК в варианте второй схемы утилизации:

 

.

 

Потери эксергии ОГ в УТГ в варианте третьей схемы утилизации:

 

 

или при наличии избыточной мощности УТГ:

 

.

 

Потери эксергии в ОУ:

 

.

 

Поскольку тепло смазочного масла ГД практически не используется ввиду его низкого температурного потенциала, эксергия является потерей эксергии с маслом:

 

,

 

где - средняя термодинамическая температура отвода тепла от масла в ГД; - температура масла соответственно на выходе 348 и на входе 333 ГД, К; a_м – доля теплоты уносимая с маслом ГД 0,05 - 0,1.

 

Внутренняя потеря эксергии в ГД:

 

.

 

Потери эксергии в ДГ:

 

.

 

Потери эксергии в ВК:

 

 

На основании выше изложенной методики расчета можно построить эксергетический баланс СДУ и определен ее эксергетический КПД.

По результатам эксергетического анализа составляется итоговая таблица и схема эксергетического баланса (рис. 1).

 

 

 

 

Тепловая схема этого варианта представлена на рисунке 2

 

 

Рис. 2. Тепловая схема СЭУ по варианту 3: 1 - ГД; 2 - УК; 3 - ВК; 4 - общесудовые потребители пара; 5 - утилизационная турбина; 6 - генератор; 7 - ОУ; 8 - теплый ящик; 9 - холодильник ГД

 

 

 

Рис. 1. Эксергетический баланс СЭУ по варианту 3: 1 - эксергия топлива с топливом;

2 - эксергия ОВ ГД; 3 и 4 - эксергия полезно использованная в ГД и ОУ; 5 - эксергия полезно использованная потребителями вспомогательных механизмов; 6 - эксергия пара, подводимая к общесудовым потребителям теплоты; 7 - 8 - эксергия избыточной мощности УТГ, которую можно передать на гребной винт; 9 -10 - потеря эксергии ОВ ГД и ОУ; 11 - потери эксергии смазочного масла; 12 - потеря эксергии с отработавшими газами ГД; 13 - потери эксергии в УТГ; 14 - внутренние потери эксергии в ГД; 15 - эксергия полезно использованная в СДУ