Intocmirea si analiza unui bilant energetic

Intocmirea si analiza unui bilant energetic

Disciplina : Termotehnica

Cuprins:

Conceptia elaborarii bilanturilor energetice

2.Scopul intocmirii si analizei bilanturilor energetice

3.Clasificarea bilanturilor energetice

4.Metodica intocmirii si analizei bilanturilor energetice

5.Intocmirea unui bilant energetic

1.Conceptia elaborarii bilanturilor energetice

Alimentarea cu energie a consumatorilor, la un inalt nivel calitativ si de siguranta, precum si gospodarirea rationala si eficienta a bazei energetice presupune, pe de o parte, cunoasterea corecta a performantelor tehnico-economice ale tuturor partilor componente ale intregului lant energetic, de la producator la consumator, iar pe de alta parte, asigurarea conditiilor optime, din punct de vedere energetic, pentru functionarea acestora.

Principalul mijloc care sta la indemana specialistilor pentru realizarea acestor obiective importante il constituie bilantul energetic, care permite efectuarea atat a analizelor cantitative, cit si a celor calitative asupra modului de utilizare a combustibilului si a tuturor formelor de energie in cadrul limitelor unui sistem determinat. Acest cadru limita poarta denumirea si de contur, el reprezentand practic suprafata inchisa care include limitele fata de care se considera intrarile si iesirile de energie. Prin urmare, conturul unui bilant energetic poate coincide cu conturul fizic al unui utilaj, al unei instalatii sau al unui ansamblu complex, care in cele ce urmeaza va fi mentionat ca sistem.

2.Scopul intocmirii si analizei bilanturilor energetice

Elaborarea si analiza bilanturilor energetice este reglementata prin lege si trebuie sa se transforme intr-o activitate sistematica care are drept scop reducerea consumurilor de combustibil si energie prin ridicarea continua a performantelor energetice ale tuturor instalatiilor, sporirea eficientei intregii activitati energo-tehnologice.

Elaborarea si analiza bilanturilor energetice constituie cel mai eficient mijloc de stabilire a masurilor tehnic organizatorice menite sa conduca la cresterea efectului util al energiei introduse intr-un sistem, la diminuarea consumurilor specifice de energie pe produs.

Modelele matematice pentru realizarea bilanturilor energetice au la baza principiul conservarii energiei. In acest sens, se defineste multimea marimilor de intrare, se calculeaza pierderile din conturul de bilant, pe categorii de procese, se stabilesc valorile randamentelor si se constituie setul marimilor de iesire.

In functie de scopul urmarit, bilanturile energetice se intocmesc in patru faze distincte ale unui sistem si anume:

la proiectarea unui sistem nou sau modernizarea unui sistem existent,

la omologarea si receptionarea partilor componente ale unui sistem,

la cunoasterea si imbunatatirea parametrilor tehnico-functionali ai unui sistem in procesul exploatarii,

la intocmirea planurilor curente si de perspectiva privind economisirea si folosirea rationala a energiei.

In primul caz, prin elaborarea bilanturilor energetice se urmareste: alegerea celor mai rationali purtatori de energie, stabilirea schemelor optime de alimentare cu energie, determinarea necesarului de resurse energetice cu luarea in considerare a folosirii cat mai eficiente a resurselor energetice secundare, predeterminarea consumurilor specifice de energie ale fiecarui agregat care intra in componenta sistemului, precum si pe unitatea de produs.

In cazul omologarii sau receptionarii instalatiilor, bilanturile energetice au drept scop stabilirea indicatorilor de consum energetic, a randamentelor si a performantelor tehnico-functionale in raport cu cele din proiect sau contractate.

Elaborarea bilanturilor energetice pentru sistemele in functiune se face in scopul ridicarii calitatii exploatarii, a stabilirii stucturii consumului util si a pierderilor de energie, in vederea sporirii randamentelor, recuperarii eficiente a resurselor energetice secundare, atingerii parametrilor optimi din punct de vedere energo-tehnologic. Pe aceasta baza, se pot preciza normele de consum specific de combustibil, energie electrica si termica.

Fundamentarea consumului de energie, in planurile anuale si de perspectiva, ale oricarui sistem energetic are la baza masuratorile, calculele si concluziile bilanturilor energetice care trebuie sa tina seama de toate modificarile aduse instalatiei sau tehnologiilor de fabricatie folosite sau preconizate.

3.Clasificarea bilanturilor energetice

Bilanturile energetice se pot clasifica in functie de urmatoarele criterii:

1. Forma energiilor participante in proces determina gruparea bilanturilor energetice in doua mari categorii:

Bilanturi energetice atunci cind in procesul analizat participa numai energii ordonate, ca de exemplu in cazul bilanturilor electrice. Bilanturile energetice, avand un caracter exclusiv cantitativ, nu permit obtinerea unor concluzii concrete in cazul energiilor neordonate.

Bilanturi exergetice recomandate pentru sistemele in care participa energii neordonate.

Bilanturile exergetice exprima atat primul principiu al termodinamicii (deoarece suma dintre exergie si anergie este constanta), cat si al doilea principiu al termodinamicii, deoarece fiecarei ireversibilitati ii corespunde o anumita reducere a exergiei, cu marirea corespunzatoare aanergiei. In figura 1.1 sint prezentate, pentru comparatie, fluxurile de energie in cazul bilantului energetic (a), scris sub forma

in care reprezinta energia introdusa in sistem, in W; - energia utila, in W; - pierderile de energie, in W. Nu se pot evidentia pierderile reale ale sistemului analizat, iar randamentul de utilizare a energiei introduse, este influentat in mod artificial de acea parte a energiei care are capacitate nula de transformare si care, prin urmare, nici in conditii ideale de desfasurare a procesului, nu se poate transforma intr-o alta forma de energie. Prin aceasta, randamentul energetic, astfel definit nu permite stabilirea masurii reale in care procesul analizat se departeaza de conditiile optime.

4.Metodica intocmirii si analizei bilanturilor energetice

Intocmirea bilanturilor energetice presupune parcurgerea, in general, a urmatoarelor etape principale:

- analiza atenta a instalatiilor, agregatelor, precum si a proceselor tehnologice de baza si auxiliare care constituie obiectul bilantului energetic;

- intocmirea schemelor fluxului tehnologic de materiale si a fluxurilor energetice;

- delimitarea conturului de bilant si precizarea legaturilor acestui contur cu sistemele limitrofe;

- identificarea purtatorilor de energie si a modului de circulatie a acesteia in interiorul sistemului;

precizarea regimurilor de lucru pentru care se intocmesc bilanturile energetice;

stabilirea caracteristicilor fiecarui element component al sistemului si precizarea marimilor ce vor fi masurate, a metodelor si mijloacelor de masurare, precum si a periodicitatii citirilor pentru fiecare marime masurata in intervalul de timp stabilit pentru bilantul respectiv;

- alegerea si montarea corecta a tuturor aparatelor si dispozitivelor cu ajutorul carora vor fi masurate toate componentele bilantului energetic;

- intocmirea modelului matematic al bilantului energetic, in vederea optimizarii acestuia, in functie de restrictiile impuse atat sub aspect tehnologic, cat si sub aspect functional;

- elaborarea bilanturilor energetice reale si optime;

- analiza pierderilor reale si stabilirea unui program etapizat de masuri tehnico-organizatorice in vederea reducerii la minimum, intr-un interval de timp cat mai redus, a pierderilor si a valorificarii integrale a resurselor energetice secundare.

Pe baza rezultatelor bilantului energetic real si a analizei detaliate a tuturor componentelor de energie utila si de pierderi de energie, se intocmeste bilantul energetic normat, care tine seama de toate masurile stabilite ca urmare a studiului efectuat.

Analiza componentelor utile si a pierderilor de energie se realizeaza dupa urmatoarea metodologie:

a) - Clasificarea pierderilor de energie dupa criteriul caracterului lor fizic:

- Pierderi de caldura prin:

gazele de ardere iesite din conturul de bilant;

caldura sensibila a produselor iesite din contur;

caldura fizica a deseurilor tehnologice iesite din contur;

energia chimica legata a resurselor energetice secundare combustibile ;

arderea incompleta, chimica sau mecanica;

caldura evacuata cu fluidele de racire;

caldura disipata in mediul ambiant prin radiatie, convectie si conductie.

- Pierderi de energie electrica in transformatoare, masini electrice, bobine de inductanta, condensatoare, linii de transport etc.;

- Pierderi mecanice prin frecare sau prin franarea si oprirea maselor in miscare;

- Pierderi hidraulice prin laminari, frecari etc.

- Pierderi ale agentilor energetici prin scapari, evaporari, purjari etc.

b) - Defalcarea pierderilor dupa criteriul cauzelor care le genereaza:

starea necorespunzatoare a instalatiilor;

abateri de la regimul tehnologic recomandat;

exploatare necorespunzatoare;

mers in gol al instalatiilor;

alte cauze.

c) - Compararea atat a componentelor energiei utile, cat si a pierderilor rezultate din intocmirea bilantului energetic real al sistemului analizat cu performantele cele mai ridicate din punct de vedere tehnic ale unor instalatii, agregate sau procese tehnologice similare pe plan mondial.

d) - Stabilirea, pe aceasta baza, a cailor si masurilor tehnico-organizatorice menite sa asigure reducerea pierderilor de energie si valorificarea cat mai eficienta a resurselor energetice secundare iesite din conturul de bilant. Valorificarea resurselor energetice secundare poate fi realizata, in functie de conditiile existente, atat in cadrul conturului analizat, cat si in alte sisteme limitrofe acestuia.

5.Intocmirea unui bilant energetic

Caracteristici tehnice ale cazanului.

Cazanul de 15t/h si 10atm este un cazan de radiatie cu circulatie naturala,folosind drept combustibil gazul metan.Este de tipul cu drumuri orizontale de gaze,cedarea de caldura la suprafetele de incalzire facandu-se cu suprapresiune pe partea gazelor.

Cazanul functioneaza cu tiraj suflat realizat cu ajutorul unui ventilator,pentru ardere folosindu-se aer preincalzit cu gaze de ardere intr-un preancalzitor de aer tubular integrat in cazan.Cazanul are un arzator care functioneaza pe gaz metan.

Datele caracteristice ale cazanului:

-debitul nominal de abur.................15t/h

- presiunea nominal a aburului.............10 atm

- temperatura aburului supraincalzit............300⁰C

-temperatura apei de alimentare..............50⁰C

-consumul orar de gaz metan..............1800N /h

-temperatura gazelor rezultate la cos...........180⁰C

-temperatura de preincalzire a aerului...........200⁰C

-temperatura gazelor la intrarea in preincalzitorul de aer.350⁰C

-continutul optim de CO₂in gazele de ardere⁰/₀.....10⁰/₀

-continutul maxim de CO si H in gazele de ardere......0,5⁰/₀

-coeficientul optim de exces de aer...........1,2⁰/₀

Valori medii rezultate din masurari

Intocmirea bilantului real

1.Ecuatia de bilant:

Q_cB+Q_B+Qa+Q_L=Q_U+Q_CGa+Q_ga+Q_pj+Q_per

Combustibilii intrati sunt:

C H₄=98,51⁰/₀

C₂H₄=0,80⁰/₀

O₂=0,20⁰/₀

N   =

Combustibilul intrat va avea temperature de max.50⁰C

Gazele rezultante sunt: CO₂ =6⁰/₀

O₂=10 /₀

N₂=83 /₀

Din tabele,prin interpolari ,se gasesc entalpiile care intervin in formulele componentelor de bilant:

-entalpia apei de alimentare..............h_a= 49 kcal/kg

-entalpia aburului iesit din cazan............h_ab=  727,98 kcal/kg

-entalpia aerului de combustie intrat..........h_Lp= 6,23 kcal/Nm³

-entalpia diverselor component ale gazelor de ardere.....h_CO2=76,42 kcal/Nm³

h_O2= 55 kcal/Nm³

h_N2= 53 kcal/Nm³

h_H2O= 40,02kcal/Nm³

-entalpia purjei................... hpj=189 kcal/kg

-entalpia combustibilului( CH₄).............. = 4 kcal/Nm³

2. Calculul componentelor bilantului.

a.Caldura chimica a combustibilului Q_cbi

Q_cbi=B_i×H_i [kcal/h]

B_i = cantitatea de combustibil consumata in unitatea de referinta a bilantului in N m^3/ h

H_i=puterea calorifica inferioara a comb. in kcal/kg;

H_i= ×V_jH_j= ×8550+0,80×14320)=8537 kcal/Nm³

-unde 8550 si 14320 reprezinta puterea calorifica a CH ,respectiv a C H ;

Q_cBi=750×8537= 6.402.750  kcal/h

b.Caldura fizica a combustibilului Q_B

Q_B=B_i×h_Bi

B_i = cantitatea de combustibil consumata in unitatea de referinta a bilantului in N m^3/ h

h_Bi = entalpia combustibilului exprimata in kcal/Nm³

Q_B=750×4 = 3000 kcal/h

c.caldura fizica a apei de alimentare Q_a

Q_a =D_a ×h_a

Unde : D_a = debitul orar de apa ;

h_a = entalpia apei de alimentare

Q_a= 7480×49 = 373850 kcal/h

d.Caldura aerului intrat in cazan Q_L

Q = [kcal/h unde

= coeficientul excesului de aer = 1,2 ;

=cantitatea de aer teoretic necesara pentru arderea unei unitati de combustibil;

h_Lp=entalpia aerului de combustie intrat;

B_i = cantitatea de combustibil consumata in unitatea de referinta a bilantului in N m^3/ h

/Nm comb

Q_L=  1 ×9,48×6,23×750 = 53 154 kcal/h

Astfel rezulta caldura total intrata care se calculeaza astfel:

Q_i=Q_cB+Q_B+Q_a+Q_L= 6.402.750+3.000+373.850+53.154 = 6.837.754 kcal/h

f.Caldura utila Q_u=Q_D

Q_u=D_ab×h_ab =6.730×727 =4.899.306 kcal/h

D_ab= debitul orar de abur produs de cazan;

h_ab entalpia aburului iesit din cazan;

D_ab = D_a - D_pj   = 7480 - 750 = 6730 kg/h

g.Caldura chimica a gazelor arse Q_cga=0

h.Caldura fizica a gazelor de ardere Q_ga

Caldura fizica a gazelor de ardere Q :

B_i = cantitatea de combustibil consumata in unitatea de referinta a bilantului in N m^3/ h

V = volumul in Nm /h al gazelor de ardere  iesite orar din cazan;

h = ---

Q =B V h /100 [kcal/h]

V =V +V [Nm /h]

V = -0,21) L =

(98,51+2 0,80)+(1,94 -0,21) 9,48=

=17 Nm gaze uscate/Nm combustibil

V = +0 d =

(2 98,51+2 0,80)+0,1244 0,010 1,94 9,48=

=2 Nm H O/Nm comb

V =17 + 20,03= 19,33 Nm gaze umede/Nm comb

Pentru a cunoaste participatia diverselor gaze componente in gazele de ardere umede,rezultatele masurarilor (care reprezinta participatia in gazelle de ardere uscate)trebuie multiplicate cu raportul V / V =17,30/19,33=0,893,obtinand:

=6 0,893=5 %

N =83 0,893=75,02%

O =10 0,893=9,12%

H O,ca participatie,reprezinta H O= 100=10,50%

(Verificare: 5 +75,02+9,21+10,50=100%)

Atunci

h = 5,36 x 727.98+ 9,12x 55,73+ 75,02x 53,82+10,50x 40,02)/100 = 53,82 kcal/Nm gaze de ardere

Q =750 19 53,82=780.256 kcal/h

i).Caldura pierduta cu purja continua, Q_{pj ,}=D_pj×h_pj

D_pj=  5% _* Debitul nominal(15t/h) ₌ 750 kg/h;

h_pj =189 kcal/kg;

Q_pj= 750 189 = 161.750 kcal/h

j. Caldura pierduta prin pereti in mediul ambient,Q_per

Q_per=Q_i-(Q_u+Q_ga+Q_pj)

Q_per=6.837.754- (4.899.306+ ) =996.442 kcal/h

ceea ce reprezinta 14,5% din totalul Q_{i ;}

Dar aceasta cota ar trebui sa fie de numai 4 %. Astfel admitem :

Q_per=0,035 Q_i =239.321 kcal/h ceea ce reprezinta 3,5% din caldura totala intrat, restul de 996.442 - 239.321 =757.121 considerand-o o eroare de inchidere a bilantului;

Indicatorii de eficienta ai cazanului de abur:

La cazanele cu abur se foloseste drept indicator de eficienta asa numitul randament termic brut care este dat de relatia:

= = =0

Precum si randamentul de exploatare dat de relatia:

= =

Ca si consumul specific de combustibil diferit de formula:

= = [

Diagrama Sankey

Analiza bilantului real

excesul de aer de 1,2 se incadreaza in limitele obisnuite desi poate fi redus pana la 1,16 prin urmarirea permanenta a arderii;

temperature gazelor la cos poate fi redusa de la 180⁰C la 170⁰C;

procentul de pierderi prin pereti este exagerat de mare - 14,57% in conditiile in care cota maxima admisa este de 4,2% -  se pot astfel aduce imbunatatiri la izolatia cazanului pentru a miscsora caldura pierduta prin pereti;

Bilantul optim

Pentru intocmirea bilantului optim,se vor analiza indicii de pierderi obtinuti in bilantul termic real la debitul de 15t/h in comparative cu elementele corespunzatoare din literature si care se obtin in mod normal in instalatiile similare modern.Se stabilesc apoi masurile tehnico-organizatorice ce trebuie luate pentru aducerea eficientei exploatarii cazanului pana la nivelul bilantului optim.

Se vor avea in vedere urmatoarele:

Reducerea pierderilot prin ardere chimica incomplete, prin ameliorarea instalatiilor de ardere, dotarea cu aparatele de masura necesare urmaririi arderii, ridicarea cunostintelor profesionale personalului de deservire a cazanului, etc;

Micsorarea pierderilor prin caldura sensibila a gazelor de ardere, studiindu-se economicitatea introducerii de suprafete auxiliare suplimentare, precum si mentinerea unui exces optim de aer;

Reducerea procentelor de gaze nearse mechanic prin ameliorarea instalatiilor cazanului, macinarea adecvata etc, si prin folosirea unbui combustibil de dimensiuni si caracteristici adecvate caracteristicilor constructive ale cazanului;

Analiza cantitatii de apa de purja in comparative cu prescriptiile tehnice si proiectul de executie si imbuatatirea calitatii apei de alimentare in special a apei de adaos;