16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/167/12610.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 03 (167) февраль 2011 года

Эколого-экономическая эффективность топливосжигающих установок и направления ее повышения

Производство для энергетики К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИН

Интенсивное загрязнение естественной среды обитания и ограниченность природных ресурсов заставляют по‑новому взглянуть на такие важные эксплуатационные свойства топливосжигающих установок, как экологичность и экономичность.

Эти свойства, как никакие другие, тесно взаимосвязаны между собой и определяют эколого-экономическую эффективность использования каждой топливосжигающей установки.

О свойствах, качестве и потенциальной - эффективности

Любой продукт общественного труда, как известно, только тогда затребован потребителем, когда обладает необходимым комплексом свойств или определенным качеством. Именно комплекс свойств продукта, удовлетворяющий потребности в его использовании в соответствии со своим функциональным назначением, делает этот продукт полезным. Совокупность свойств или качество есть не что иное, как потенциальная эффективность, которая закладывается на стадии проектирования и изготовления продукта, поддерживается в период всего жизненного цикла и проявляется в процессе непосредственного использования.

Очевидно, что каждая топливосжигающая установка, являясь продуктом общественного труда, также обладает потенциальной эффективностью (или качеством), сформированной комплексом заложенных свойств.



Экономичность как свойство

Сегодня экономичность является одним из значимых эксплуатационных свойств любой топливосжигающей установки, по которому можно судить, в том числе, и о рациональном или нерациональном использовании углеводородного топлива в ней. В самом широком смысле под экономичностью топливо­сжигающей установки понимается минимально возможный расход топлива, необходимый для получения единицы полезной работы (мощности или нагрузки). В качестве показателя экономичности топливосжигающей установки в настоящее время применяется для котлов и газовых турбин – часовой расход топлива (кг/час), а для дизелей – удельный часовой расход топлива (г/л. с.‑час или г/кВт-ч).
Постоянное повышение экономичности топливосжигающих установок является одной из основных задач всех производителей двигателей и котлов.

В качестве основного направления повышения экономичности сегодня принято снижение расхода топлива, которое достигается улучшением качества горючего и организации его сгорания.



Оценивать экономичность необходимо в полной мере

К сожалению, применяемый сегодня показатель экономичности нельзя считать в полной мере объективным по следующим причинам. Во-первых, он не учитывает то топливо, которое, поступив для сжигания в топливосжигающую установку, не используется по прямому назначению, а безвозвратно теряется или не может быть использовано, например, из‑за несовершенства топливных систем. Во-вторых, данный показатель отражает только расход топлива и не учитывает расход другого, необходимого для организации процесса горения компонента – воздуха. Справедливости ради необходимо констатировать, что применяемый в настоящее время показатель оценки эффективности работы топливосжигающей установки через расход топлива объективно оценивает финансовые затраты на приобретение топлива.

Для более полной и объективной оценки экономичности топливосжигающей установки целесообразно ввести коэффициент полезного использования топлива (КПИТ) и коэффициент оптимального расхода воздуха (КОРВ).

Коэффициент полезного использования топлива численно равен отношению количества горючего, использованного непосредственно для сжигания, ко всему количеству топлива, постоянно находящегося во внутренних полостях всех элементов топливной системы (так называемые «неснижаемый» и «мертвый» запасы) за единицу времени работы топливосжигающей установки для обеспечения ее функционирования. Говоря проще, КПИТ показывает только ту долю топлива, которая используется по прямому назначению, то есть на получение работы. Он представляет собой безразмерную величину, выражается в долях или процентах и вычисляется по данным, представленным в эксплуатационной документации и фактическому расходу топлива на горение.

Оценка экономичности работы топливосжигающей установки по топливу при помощи коэффициента полезного использования топлива является более объективной по сравнению с оценкой по расходу топлива, поскольку КПИТ учитывает не только топливо, поступающее на сжигание, но и топливо, не участвующее в производстве работы.

Результаты проведенных авторами расчетов показывают, что КПИТ для дизелей и газотурбинных установок не превышает 20‑25 процентов, а для бензиновых двигателей и котельных установок – 25‑30 процентов.

Теоретическое значение количества воздуха на горение, как известно, рассчитывается по формуле Д. И. Менделеева при нормальных условиях и составляет 10‑11 кубометров, или 11‑13 килограммов, воздуха на 1 килограмм топлива. Практически на горение топлива рекомендуется подавать большее количество воздуха. Отношение теоретического значения подаваемого на горение воздуха к рекомендованному количеству воздуха характеризуется коэффициентом избытка воздуха (α). Фактически же в зону горения подается количество воздуха еще большее, чем рекомендовано производителем топливосжигающей установки. Исходя из указанного, предлагаемый коэффициент оптимального расхода воздуха может быть представлен как обратная величина коэффициента избытка воздуха.

Коэффициент оптимального расхода воздуха показывает долю полезно использованного в реакции окисления количества воздуха во всем количестве воздуха, поданном на горении, и численно равен обратной величине коэффициента избытка воздуха. КОРВ (1/α) представляет собой безразмерную величину, выражается в долях или процентах, определяется по данным, представленным в эксплуатационной документации и по фактическому расходу воздуха на горение.

Полную экономичность любой топливосжигающей установки можно определить как произведение коэффициентов полезного использования топлива и оптимального расхода воздуха (КПИТ х
х КОРВ).



Пример расчета экономичности с учетом топлива и воздуха

Для примера определим экономичность дизельного двигателя Д-180 с турбокомпрессором ТКР 11Н3 Челябинского тракторного завода и дизельного двигателя Д-240 без турбокомпрессора Минского тракторного завода с учетом расходов не только топлива, но и воздуха. Далее сравним эти двигатели по численному значению показателя «экономичность». Данные, используемые для расчета, берем в технической документации на двигатель.

Для дизеля Д-180: удельный расход топлива – 218 г/кВт-час, мощность – 132 кВт, производительность топливоподкачивающего насоса – около 150 кг/час, средний коэффициент избытка воздуха (α) – 1,25.

Для дизеля Д-240: удельный расход топлива – 220 г/кВт-ч, мощность – 56,6 кВт, производительность топливоподкачивающего насоса – около 75 кг / час, средний коэффициент избытка воздуха (α) – 1,37.

Сравнение результатов расчетов показывает, что:
• двигатель Д-180 с турбокомпрессором ТКР 11Н3 более экономичен, чем двигатель Д-240 без турбокомпрессора, несмотря на то что удельный расход топлив у этих двигателей приблизительно одинаковый;
• большее влияние на экономичность двигателя оказывает расход воздуха, нежели расход топлива.



Экологичность – тоже свойство

Сегодня зачастую вместо терминов «экологичность» или «экологическая безопасность», к сожалению, употребляется термин «экология», что совершенно недопустимо, поскольку экологией называется наука об окружающей среде. Даже всемирно известные ведущие корпорации, холдинги и концерны, производящие двигатели, котлы и автомобили, применительно к своей продукции пользуются неверным термином. Подмена терминов говорит не только об экологической безграмотности использующих их людей, но и затрудняет в полной мере понять сущность свойства «экологичность», а без этого просто невозможно реализовать это важное свойство в выпускаемой продукции, разработать ее критерии и показатели.

Необходимо отметить, что экологичность – это относительно новое свойство, отражающее уровень обеспечения экологической безопасности. Объективная необходимость формирования и дальнейшего развития этого свойства, в частности, для топливосжигающих установок возникла с середины 60‑х годов ХХ века, когда антропогенное загрязнение окружающей среды стало приобретать глобальный характер.

Экологичность топливосжигающей установки проявляется в способности не нарушать качество природной (естественной) или антропогенной (искусственной) среды, а также устранять или снижать до минимума негативные последствия ее воздействия на состояние природного баланса на всех этапах своего жизненного цикла.

Сегодня для топливосжигающих установок отсутствуют научно обоснованные критерии и показатели их экологичности, а нормирование этого важного свойства осуществляется эмпирически, исходя из технических возможностей топливосжигающих установок, а не толерантности природной среды.

Установлено, что экологичность топливосжигающей установки в большей степени зависит от организации процесса горения топлива, нежели от количества и качества сжигаемого горючего.

Экологичность – это сложное комплексное свойство, включающее в себя не менее пятнадцати отдельных свойств, поэтому и оценивать ее должен комплексный критерий.



Экологичность нужно оценить правильно

Для оценки свойства «экологичность» топливосжигающей установки целесообразно использовать комплексный показатель. Очевидно, что из‑за сложности данного свойства критерий (или правило, по которому изменяется показатель) показателя экологичности не может быть простым. По мнению авторов, данный критерий должен представлять собой аддитивную свертку показателей отдельных свойств экологичности, таких, как шумность; вредные выбросы, сливы и сбросы в окружающую среду; вибрация; излучения различной природы и другие, а также фактического количества потребляемого топлива и воздуха. Количественное ранжирование принятых показателей в свертке должно отражаться численным значением коэффициента значимости, соответствующего вкладу каждого из свойств в суммарное загрязнение окружающей среды. Представленный критерий является объективным, поскольку через качество организации процесса сгорания в топливосжигающей установке количественно отражается загрязнение окружающей среды. Численное значение показателя «экологичность» топливосжигающей установки должно находиться в пределах от 0 до 1,0, при этом установка считается экологически чистой при показателе, близком к 0, а экологически опасной, соответственно, – к 1,0.

Объективная же оценка экологичности той или иной топливо­сжигающей установки может быть проведена только по результатам анализов вредных выбросов, сбросов, сливов и излучений. По своей значимости первостепенными являются, безусловно, качественный и количественный состав и температура дымовых, выхлопных и прочих газов, образующихся при сгорании топлива, а также количество и состав жидких и твердых загрязнителей, поскольку именно они оказывают наибольшее негативное воздействие на окружающую природную среду и поражают значительные территории и акватории.



Что следует знать об эффективности

В настоящее время не существует единого общепринятого определения понятия «эффективность». В одних источниках эффективность трактуется как степень различия между реальным (полученным) и желаемым результатами; в других – как вероятность достижения поставленной цели; в третьих – как результат, следствие каких‑либо причин и действий; в-четвертых – как соотношение полученного полезного эффекта и затрат на его получение. В некоторых источниках эффективность представлена как комплексное свойство процесса, проявляющегося в достижении конечной цели при использовании продукта. Несмотря на многообразие трактовок понятия «эффективность», все они сравнивают полученный (конечный) и желаемый (заданный или запланированный) результаты. Кроме того, говоря об эффективности, необходимо напомнить, что, во‑первых, эффективность проявляется только в процессе использования чего‑либо, например двигателя или котла, и представляет собой результат этого использования. Во-вторых, эффективность определяется целями и задачами использования и зависит от конкретных свойств продукта. В-третьих, достижение определенного уровня эффективности зависит от целей, задач, условий, состояния и правильности использования продукта. В-четвертых, эффективность должна поддерживаться на всех этапах жизненного цикла продукта. В-пятых, повышение эффективности не всегда может быть достигнуто улучшением одного или нескольких свойств продукта. И наконец, эффективность может быть общей, когда реализуется весь комплекс свойств продукта, и частной, когда реализуется одно или несколько свойств продукта.

Применительно к технике, по мнению авторов, наиболее полно отражает сущность понятия эффективность следующее определение: «Эффективность – это степень реализации свойств, заложенных в техническое устройство, в процессе его использования». Поскольку эффективность отражает реализацию свойств технического устройства, принято конкретизировать эту эффективность применительно к конкретному свойству, к которому она относится, например экономическая эффективность, тепловая эффективность, экологическая эффективность и т. д.

В самом общем виде количественная оценка эффективности производится, как правило, через безразмерный численный показатель, выраженный в процентах или в долях и равный отношению полученного результата к желаемому.

Поскольку экологичность и экономичность являются наиболее значимыми свойствами топливосжигающей установки и проявляются практически на всех этапах ее жизненного цикла, то эффективность использования топливосжигающей установки целесообразно оценивать по степени реализации этих свойств. Такая эффективность называется эколого-экономической.



Как можно оценивать эффективность

Наиболее объективная оценка эколого-экономической эффективности использования топливосжигающей установки может быть произведена только с учетом максимального количества факторов, влияющих на результаты использования установки. В данном случае факторами (или движущими силами процесса использования топливосжигающей установки) выступают показатели эффективности, отражающие такие свойства, как «экологичность» и «экономичность».

Для оценки эколого-экономической эффективности использования топливосжигающей установки должен использоваться комплексный показатель, критерий которого также будет комплексным. Данный критерий должен представлять собой аддитивную свертку показателей всех свойств «экологичность» и «экономичность» установки Количественное ранжирование принятых показателей в свертке должно отражаться численным значением коэффициента значимости, соответствующего вкладу каждого из свойств в конечный полученный результат. Представленный критерий является наиболее объективным по сравнению с применяемыми сегодня критериями оценки эколого-экономической эффективности использования топливосжигающей установки, поскольку через ее качество количественно отражается загрязнение окружающей среды и расход различных ресурсов на ее работу.

Из общего курса Экологии известно, что использованные с низкой эффективностью, а равно неиспользованные по прямому назначению ресурсы рано или поздно попадают обратно в окружающую среду в виде загрязнителей. Говоря другими словами, все, что не пошло в дело, становится отходами, наличие которых во всех случаях снижает экономичность использования топливосжигающей установки. В то же время низкая экономичность установки обязательно приводит к повышенным потерям используемых природных ресурсов, а значит, к снижению эффективности ее использования. В связи с этим математическое описание эколого-экономической эффективности использования топливо­сжигающей установки можно представить в виде равенства, в левой части которого находится экономический показатель, а в правой части – единица минус комплексный экологический показатель. При этом наивысшая эколого-экономическая эффективность достигается, когда ее экологическая составляющая стремится к нулю, а экономическая – к единице.

А что с эффективностью на практике
Традиционно топливо и воздух подаются в зону горения раздельно, где смешиваются и образуют горючую смесь. Следует заметить, что топливо, подаваемое на горение, состоит из углеводородных соединений различного типа с разной структурой и молекулярным весом. Кроме того, топливо подается в виде капель неодинаковых размеров. Различные углеводородные соединения, как известно, имеют разную способность к окислению, требуют неодинакового количества кислорода для своего окисления и выделяют разное количество тепла. При смешении воздуха с таким топливом получается гетерогенная (неоднородная) топливовоздушная смесь с нехваткой или излишком в ее отдельных локальных зонах окислителя или горючего. В связи с этим для организации процесса горения количество подаваемого на сжигание воздуха специально завышается. Превышение фактического количества воздуха над теоретическим принято называть избыточным воздухом.

Опыт практического использования топливосжигающих установок показывает, что с момента начала сжигания углеводородного топлива до настоящего времени технология его подготовки, схема смешения топлива с воздухом и организация процесса его сгорания, к сожалению, не претерпели существенного изменения, а значит, говорить о каком‑либо значимом повышении показателей их эколого-экономической эффективности не представляется возможным.



Пути повышения эффективности

Исчерпаемость полезных ископаемых, интенсивное загрязнение окружающей среды, ухудшение качества среды обитания человека, изменение климата и другие объективные причины не оставляют никакой другой альтернативы, кроме экологичного и экономичного использования всех природных ресурсов, включая углеводородное топливо и атмосферный воздух. В связи с чем в XXI веке вопрос повышения эколого-экономической эффективности использования топливосжигающих установок приобретает особую значимость.

По мнению авторов, практическая реализация следующих мероприятий:
• совершенствование технологических процессов и цикла топливоподготовки в целом;
• гомогенизация и аэрация топлива перед его подачей в зону горения;
• повышение качества приготавливаемой горючей смеси, подаваемой на горение;
• замена раздельной схемы смешения топлива и воздуха на совместную схему;
• интенсификация и активизация процесса горения;
• изменение способа регулирования мощности и нагрузки топливосжигающей установки;
• сжигание топлива при расходах воздуха, близких к теоретическим значениям,– позволят значительно повысить эколого-экономическую эффективность использования всех топливосжигающих установок.



Вклад авторов

В период с 1989 года по 2003 год авторами были модернизированы топливные системы на четырнадцати энергетических объектах, включая боевые корабли Черноморского флота и теплоэнергетические централи (ТЭЦ). Модернизация топливных систем позволила повысить эколого-экономическую эффективность использования энергоустановок. А именно, достичь экономии углеводородного топлива до 9,0‑9,5 процента; снизить количество атмосферного воздуха, подаваемого на горение, на 25 процентов; уменьшить температуру сбрасываемых в атмосферу дымовых газов на 20 процентов; значительно сократить или полностью устранить слив в окружающую среду нефтесодержащих отходов и остатков; количественно и качественно изменить состав дымовых газов, сбрасываемых в атмосферу. Кроме того, эффективность использования топливосжигающих установок была повышена и за счет возможности качественного сжигания некондиционного, низкосортного и обводненного до 13 процентов топлива, а также нефтесодержащих отходов и остатков. Многие энергообъекты с модернизированными топливными системами успешно работают до настоящего времени.



Модернизация старого или внедрение нового

В процессе работы по повышению эффективности использования топливосжигающих установок было установлено, что модернизация топливных систем на основе включения в их состав дополнительных устройств приводит к увеличению числа элементов топливной системы, а следовательно, и к повышению не используемого по прямому назначению количества топлива, или так называемого «неснижаемого» запаса топлива в системе. (Напомним, что «неснижаемым» принято называть запас топлива, который необходимо иметь в элементах топливной системы с целью недопущения попадания в их внутреннюю полость воздуха, поскольку при его наличии топливные насосы мгновенно теряют свою работоспособность по причинам отсутствия смазки и охлаждения или быстрого увеличения числа оборотов из-за резкого уменьшения сопротивления перекачиваемой среды). Закономерным результатом повышения «неснижаемого» запаса топлива в системе является снижение эффективности использования топливосжигающей установки за счет уменьшения ее экономической составляющей, которая объективно отражается численным значением коэффициента полезного использования топлива (КПИТ).

Очевидно, что дальнейшее повышение эффективности использования топливосжигающих установок только за счет постоянной модернизации существующих топливных систем становится невозможным, а значит, и нецелесообразным.

Наиболее перспективное направление повышения эффективности использования топливо­сжигающих установок, по мнению авторов, это разработка и внедрение принципиально новых топливных систем или систем нового поколения.

В результате работы создана новая топливоподающая система, удовлетворяющая указанным выше требованиям.

Системообразующим элементом новой топливоподающей системы является воздушно-топливный струйный насос-распылитель, одновременно сочетающий в себе функции топливоподающего насоса и топливной форсунки или распылителя топлива.

Функционирование струйного насоса-распылителя обеспечивается энергией сжатого воздуха, подаваемого от компрессора, вентилятора или воздушного баллона. За счет прокачки воздуха через проточную часть насоса-распылителя обеспечивается самовсасывание, гомогенизация и аэрация топлива, приготовление воздушно-топливной смеси и ее мелкодисперсный распыл в зону горения.

Новая топливная система успешно прошла промышленные испытания в реальных условиях эксплуатации и значительно повысила эколого-экономическую эффективность использования топливосжигающей установки. Так, экономия углеводородного топлива составила более 15 процентов; потребление атмо­сферного воздуха сократилось до теоретического значения (11 килограммов воздуха на 1 килограмм топлива). Кроме того, организовано бездымное горение углеводородных топлив с различными физико-химическими показателями, и реализована возможность качественного сжигания сырой нефти, нефтеводяной эмульсии влагосодержанием 23 процента, дизельного топлива.

Новая топливная система является универсальной, поскольку может быть адаптирована для любого вида установок, сжигающих твердое, жидкое и газообразное топливо.



Подводим итоги

Результаты многолетней работы позволяют сделать следующие выводы:
• потребность использования топливосжигающих установок определяется их качеством (или комплексом свойств), которое представляет собой потенциальную эффективность
• потенциальная эффективность топливосжигающих установок переходит в эффективность использования в процессе практической реализации заложенных в них свойств
• экологичность – это одно из важнейших свойств топливо­сжигающей установки
• эколого-экономическая эффективность использования топливосжигающих установок реализуется через такие их свойства, как «экологичность» и «экономичность»
• наиболее перспективным направлением повышения эколого-экономической эффективности использования топливосжигающих установок является не модернизация их существующих топливных систем, а разработка и внедрение топливных систем нового поколения.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 03 (167) февраль 2011 года:

  • Краснодарский дебют
    Краснодарский дебют

    ЧТО: Международный промышленный форума «Развитие инфраструктуры Юга России – IDES-2010». ГДЕ: Краснодар, выставочный центр «Краснодар экспо». СОСТОЯЛОСЬ: 20‑22 октября 2010 года....

  • Госэкзамен в «Колэнерго»
    Госэкзамен в «Колэнерго»

    Аттестационная комиссия в составе руководителей «Колэнерго» (филиал МРСК Северо-Запада) приняла госэкзамен у выпускников специальности «Электроснабжение» Мурманского технического университета. ...

  • Первый приливный проект
    Первый приливный проект

    В индийском штате Гуджарат (на северо-западе страны) планируется построить первую в Азии приливную электростанцию промышленного назначения. Индийская энергетическая корпорация Gujarat Power Corp. Ltd. и девелоперская британская компания Atlantis Resources Corp. подписали меморандум о взаимопонимании с правительством штата. Меморандум подразумевает сооружение станции мощностью 50 мегаватт на побережье Аравийского моря. Предполагае...

  • На Сардинии появится крупнейшая «зеленая» электростанция
    На Сардинии появится крупнейшая «зеленая» электростанция

    Компания Enel Green Power – «дочка» крупнейшего итальянского энергоконцерна Enel – построит ветроэлектростанцию Портоскузо на острове Сардиния установленной мощностью 90 МВт. После завершения строительства Портоскузо станет крупнейшей ветроэлектростанцией в Италии, а общая мощность ветроэлектростанций Enel Green Power достигнет 250 МВт. Новая ветроэлектростанция будет укомплектована тридцатью девятью турбинами производства компании Sie...

  • Кавказские монтеры отличились под Москвой
    Кавказские монтеры отличились под Москвой

    Энергетики Северного Кавказа награждены за восстановление электроснабжения в Подмосковье. ...