محاسبات راندمان بويلرها

طراحی و ساخت دیگ های بخار
نکاتی در خصوص انتخاب دیگ حرارتی
دی ۱۱, ۱۳۹۷
اجزای دیگ بخار
تشریح اجزای دیگ های بخار و فولادی
دی ۲۰, ۱۳۹۷

محاسبات راندمان بويلرها

راندمان دیگ بخار

محاسبات راندمان بويلرها

در مقاله محاسبات راندمان بویلرها ديگ بخار بعنوان يك ماشين ترموديناميكي است كه محاسبه بازده آن با دو روش زير انجام مي‌شود

  1. وضعيت انرژي خروجي نسبت به انرژي داده شده به كوره ديگ مقايسه مي‌شود، تا ميزان قابليت انتقال گرما توسط اين ماشين را ارزيابي مي‌كند، ‌اين محاسبه را آناليز اجمالي مي‌گويند. در اين روش از رابطه (1) استفاده مي‌شود: 100× (انرژي ورودي/ انرژي خروجي) = بازده ديگ بخار
  2. چنانكه مي‌دانيم انرژي خروجي از ديگ بخار نيروگاه‌ها، ‌انرژي بخار آب گرم مي‌باشد. اين مقدار انرژي دركوره ديگ از احتراق سوخت به آب داده مي‌شود و مقدار آن از رابطه (2) محاسبه مي‌شود:= mv (H2-H1 ) (kJ) انرژي خروجي
  3. مقادير H1 ، H2 با توجه به شرايط كار ديگهاي بخار يعني فشار و دما، ‌از جدولهاي ترموديناميكي براي بخار آب گرم و آب فرو سرد قابل محاسبه است[6].انرژي ورودي به ديگ بخار درروش اجمالي، انرژي شيميايي آزاد شده سوخت مصرفي است كه از رابطه (3) بدست مي‌آيد.= mf (H.H.V)   (kJ) انرژي ورودي
  4. ميزان انرژي تلف شده درطول فرآيند توليد بخار مشخص مي‌شود تا علاوه برمحاسبه بازده، امكانات بالقوه صرفه جوئي و به تبع آن افزايش بازده ديگ بخار امكان پذير شود. اين روش را آناليز تفضيلي مي‌گويند. واضح است كه تعداد وروديها و خروجي هاي ديگ بخار زياد بوده لذا براي مشخص كردن تك تك آنها جهت آناليزي با خطاي كمتر بايد ديگ بخار را بصورت يك حجم كنترل در نظر گرفت. براي آناليز حرارتي تفصيلي كليه انرژيهاي ورودي وخروجي از مرز سيستم محاسبه مي‌شود و با استفاده از رابطه (4) بازده حرارتي ديگ بدست مي‌آيد.100×(انرژي ورودي/انرژي ورودي منهاي تلفات) = بازده ديگ بخار – پيدا كردن تلفات انرژي در مرز كنترل سيستم اين حسن را دارد كه علاوه بر نشان دادن انرژي‌هاي خروجي طبق رابطه (5)، ‌امكان افزايش بازده ديگ بخار را بوسيله كاهش تلفات انرژي در دستگاه‌هاي مربوطه عملي مي‌سازد، لذا آناليز حرارتي تفصيلي ديگ بخار تنها بعنوان محاسبه بازده آن نبوده بلكه بهينه سازي مصرف انرژي و صرفه جوئيهاي بعدي با افزايش بازده ديگ بخار امكان پذير مي‌شود تلفات – انرژي ورودي = انرژي خروجي
  5. در گرمکنهای غیرمستقیم، گرمای حاصل از سوختن سوخت توسط مشعل در محفظه آتشدان، باعث گرم کردن محیط انتقال حرارت (در مسئله حاضر، حمام آب گرم) و انتقال گرما از طریق آن به جریان گاز داخل لوله می‌شود. به این ترتیب با در نظر گرفتن حمام آب گرم به عنوان حجم کنترل قانون بقاي انرژي بصورت زير در خواهد آمد

محاسبات راندمان بويلرها

که در آن  جرم محیط انتقال حرارت،  ظرفیت حرارتی ویژه محیط انتقال حرارت،  نشان دهنده تغييرات دماي آب بر حسب زمان و  بازه زمانی انتقال حرارت به آب داخل دیگ (که در این مدت مشعل روشن است) می‌باشد. هنگام خاموش بودن مشعل دو عبارت و  که مربوط به انرژی سوخت و تلفات دودکش هستند، حذف می‌شوند. همانطور که در شکل (5) نشان داده شده  حدود 40-25 درصد و  حدود 1-5/0 درصد گرمای تولیدی است.

 

تلفات دودکش

اتلاف دودکش، ، شامل دو اتلاف مربوط به انرژی نهان تبخیر و خروج گازهای داغ حاصل از احتراق می‌باشد. براي محاسبه تلفات مربوط به انرژی نهان تبخیر به روشي که پيشتر ارائه شد فرمول معادل گاز طبيعي مورد بررسي تعيين مي‌شود. با توجه به جدول (1) خواهيم داشت:

محاسبات راندمان بويلرها

جدول (1): درصد حجمي‌ترکيبات شيميايي گاز طبيعي ورودي به سيستم مورد بررسي

نامفرمول شيمياييدرصد حجمي
آناليز گاز طبيعيحد پايين استانداردحد بالاي استاندارد
متان332/888595
اتان672/429
پروپان137/45/03
ايزو بوتان484/02/03/0
نرمال‌بوتان25/05/0
ايزو پنتان181/01/015/0
نرمال پنتان06/01/0
دي‌اکسيدکربن694/01/04/0
نيتروژن5/427/5
سولفيد هيدروژنppm 849/025/125/6
ترکيبات سنگين‌تر002/02/0

سپس ارزش حرارتي خالص و ناخالص محاسبه می‌شود.

راندمان دیگ بخار فرمول

درصد اتلاف ناشي از انرژي نهان تبخير از رابطه (11) بدست می‌آید

راندمان دیگ بخار فرمول

می‌توان با آناليز گازهاي خروجي از دودکش، تلفات مربوط به خروج گازهای داغ را تعيين کرد. با توجه به نتايج آناليز محصولات احتراق در جدول (2) حجم محصولات احتراق تعیین می‌شود.

براي بدست آوردن اتلاف انرژي ناشي از گازهاي داغ در هر دمای مربوط به ورودی دودکش، انتالپي هر يك از گازهاي حاصل از احتراق محاسبه خواهد شد [6]. در نهایت اتلاف مربوط به خروج گازهای حاصل از احتراق با جمع کردن حاصل ضرب حجم هر یک از اجزای این مخلوط در انتالپی مربوط به آن در دمای ورود به دودکش محاسبه خواهد شد. اما برای سادگی محاسبات می‌توان با تعیین انتالپی متوسطی برای کل مخلوط گازهای حاصل از احتراق، اتلاف مربوط به خروج آنها را از رابطه (12) تعیین نمود.

راندمان دیگ بخار فرمول

با توجه به مجموع اتلاف محاسبه شده از رابطه (11) و رابطه (12)، راندمان احتراق در ستون آخر محاسبه گرديده‌است. با مقايسه نتايج بدست آمده مشخص شد تلفات دودکش زماني‌که مشعل با دبي 186 متر مکعب بر ساعت (ظرفيت 1،530،000 کيلوکالري بر ساعت که معادل ظرفيت اسمي مشعل است.) تنظيم شد، کمتر از ساير حالات است. بنابراين اين نقطه به عنوان نقطه بهينه تنظيم سيستم تعيين گرديد. همچنين پس از نصب دمپر بارومتريک نيز مشعل در همين ظرفيت تنظيم گرديد.

با مقايسه رديف اول (وضعيت قبل از بهينه‌سازي)، رديف چهارم (وضعيت بعد از بهينه‌سازي) و رديف آخر (وضعيت بعد از بهينه‌سازي و نصب دمپر بارومتريک) مشخص شد که تنظيم مشعل و نصب دمپر بارومتريک بر روي دودکش اين گرمکن به ترتيب باعث 1/5 و 1/7 درصد کاهش تلفات دودکش و در نتيجه افزايش راندمان سيستم گرديده است. لازم به ذکر است که براي مشعل دوم اين گرمکن نيز نتايج مشابهي حاصل شد.

اتلاف انرژی از جدارهها

برای محاسبه  دماي جدار داخلي برابر با دماي آب در نظر گرفته شد و ديواره فولادي، عايق پشم شيشه و پوسته آلومينيومي به همراه هوايي که به طور متوسط با دسرعت m/s 6 در اطراف گرمکن در جريان بود به عنوان مقاوت‌هاي سري در نظر گرفته شدند. با استفاده از رابطه (13) و تعیین مقدار ضریب همرفت از پیوست 1 مقدار اتلاف از سطوح محاسبه خواهد شد

راندمان دیگ بخار

جدول (2): نتايج آناليز محصولات احتراق

دبی سوخت

(m3/hr)

درصد هوای اضافیمونوكسيدكربن

(ppm)

درصد دياكسيدكربناكسيدهاي نيتروژن

(ppm)

درصد اكسيژنماکزیمم درصد دياکسيد كربندمای ورود به دودکش

(oC)

دمای محیط

(oC)

راندمان احتراق

(%)

1024/1878114/42269/139/116/2744/835/73
1113/11128463/52506/119/119/3147/955/76
1802/5020292/73902/79/117/4127/954/76
1862/4630114/83764/69/119/4077/933/77
1922/5815952/73373/79/113/4275/956/74
2046/4111141/84216/69/115/4371/1031/76
2284/424436/84725/69/114/4550/811/75
2528/333289/85731/59/117/4889/861/74
با حضور دمپر
1827/6172259/93101/89/113/3498/119/78
1860/4067607/113900/69/118/3927/1297/78

 

که در آن Tw و Tamb  به ترتيب دماي آب درون گرمکن و دماي هواي محيط بر حسب درجه کلوين، x ضخامت هريک از لايه‌ها برحسب متر، K ضريب انتقال حرارت بر حسب W/m°K، h ضريب انتقال حرارت هوا بر حسب K°W/m2 و A سطح انتقال حرارت بر حسب مترمربع است. با کمک نمودارهاي شکل(7) تا شکل(9) مي‌توان مقادير Tw و Tamb ­را براي هريک از حالت‌هاي قبل از بهينه‌سازي، بعد از بهينه‌سازي و پس از نصب دمپر بارومتريک بدست آورد.

انرژی مورد نیاز برای گرم کردن جریان گاز طبیعی

با در نظر گرفتن جریان گاز طبیعی به عنوان حجم کنترل و با صرف نظر از تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل از ورود تا خروج جریان گاز طبیعی، گرمایی که به جریان گاز طبیعی منتقل می‌شود،  مطابق رابطه (14) محاسبه می‌شود.

راندمان دیگ بخار فرمول

که در آن mNG دبی جرمی، hout و hin به ترتيب انتالپي خروجي و ورودي گاز طبیعی بر حسب زمان است. h بصورت تابعی از دما مطابق رابطه (15) محاسبه می‌شود[8].

راندمان دیگ بخار فرمول

در رابطه (15)، R ثابت جهانی گازها و برابر با kJ/kmol K 314/8 و  معادل 298 کلوین است. در جدول (3) ثابت‌های مربوط به برخی از سوخت‌های گازی آورده شده است.

جدول (3): ثابت‌های محاسبه انتالپی بر حسب دما برای برخی سوخت‌های گازی

نوع سوخت گازیفرمول شیمیاییTmaxA103B106C
متان1500702/1081/9164/2-
اتان1500131/1225/19561/5-
پروپان1500213/1785/28824/8-
نرمال بوتان1500935/1915/36402/11-
ایزو بوتان1500677/1853/37945/11-

 

با توجه به نمودارهاي شکل(7) تا شکل(9) که تغييرات دماي گاز طبيعي ورودي، خروجي، هواي محيط و حمام آب را نسبت به زمان نشان مي‌دهند، با استفاده از رابطه (14) گرماي انتقال يافته به جريان گاز محاسبه مي‌شود. براي سيستم مورد بررسي راندمان بصورت زير تعريف مي‌شود.

با توجه به محاسبات آورده شده در روابط (6) تا (16) راندمان‌تعريف شده در بالا براي سيستم مورد  بررسي در سه  مرحله پیش از بهینه ‌سازی، پس از بهینه ‌سازی و پس از نصب دمپر در جدول (4) آورده شده است. کلیه محاسبات انجام شده به ازای یک هفته کارکرد سیستم می باشد.

نتایج بدست آمده از جدول (4) نشان می دهد تنظیم مشعل و نصب دمپر بارومتریک باعث کم شدن تلفات دودکش و همچنین زمان کارکرد مشعل (با قرار دادن شعله در طول بهینه نرخ انتقال حرارت بیشتر شده و ساعت های روشن بودن مشعل کاهش یافته است.) شده، و در نتیجه مطابق رابطه (17) شاهد 29% کاهش مصرف سوخت در این سیستم بودیم.

نتیجه گیری

با توجه به نتايج بدست آمده از پايش مداوم سيستم در گرمکن شماره 1 ايستگاه ارجستان، مشخص شد يکي از مشکلات اصلي موجود در اين گرمکن ها، عدم تطابق ظرفيت حرارتي مشعل‌ها با بار حرارتي مورد نياز گرمکنها می باشد. به علت ظرفيت بسيار بالاتر مشعل‌ها در مقايسه با گرمکنها امکان تنظيم در بهترين راندمان ميسر نبود.

به علت ظرفيت بالاتر مشعل‌ها نسبت به گرمکنها، با افزايش ظرفيت مشعل به ظرفيتي بيش از بار حرارتي مورد نياز ديگ، شاهد افزايش ناگهاني دماي دودکش بوديم. اين حرارت توليدي بدون اينکه گرماي خود را به آب درون گرمکن منتقل نمايد از دودکش خارج شده و باعث افزايش تلفات دودکش و در نتيجه کاهش راندمان کل گرمکن مي‌گردد. در سيستم‌هايي که ظرفيت مشعل و ديگ متناسب با يکديگر انتخاب مي‌گردند، با افرايش ظرفيت مشعل تا بار حرارتي مورد نياز ديگ، افزايش چشمگيري در دماي دودکش مشاهده میشود

جدول (4): مقایسه وضعیت سیستم در سه بازه زمانی پیش و پس از بهینه‌سازی به علاوه پس از نصب دمپر

بازه زمانیوضعیتدمای متوسط جریان گاز ورودی

(oC)

دمای متوسط جریان گاز خروجی

(oC)

دمای متوسط حمام آب

(oC)

دمای متوسط محیط

(oC)

دبی سوخت مشعل

(m3/hr)

مقدار مصرف سوخت در یک هفته (m3)انرژی ورودی به سیستم (MJ)تلفات دیواره (MJ) (درصد)انرژی منتقل شده برای گرمایش گاز (MJ)

(درصد)

تلفات دودکش (MJ)

(درصد)

بازده

(%)

7/دی تا 14/دی 1388پیش از بهینه‌سازی48/1459/2469/3622/71022/158555472871493

(27/0%)

158485

(9/28%)

145852

(65/26%)

12/44
23/دی تا 29/دی 1388پس از بهینه‌سازی82/2195/2189/2743/818675/103135614986

(77/2%)

2047

(7/5%)

8074

(67/22%)

81/68
11/بهمن تا 18/بهمن 1388پس از نصب دمپر18/2052/2608/4275/118682/174196012942044

(34/0%)

100096

(6/16%)

126452

(03/21%)

98/61
Ksteelw/m°k 43Kwoolw/m°k 035/0KAlw/m°k 250    
Xsteelm 01/0Xwoolm03/0XAlm 001/0    
hairw/m2°k 21FlowNGScmh 60000       
به دلیل دمای بسیار بالای محیط در هفته بعد از بهینه سازی و کم شدن محسوس تلفات، نتایج بدست آمده در این بازه زمانی چندان قابل استناد نیستند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Call Now Buttonتماس - بخش فروش