Тема 4. Энергетика и окружающая среда

Пример 1.Произвести расчет рассеивания вредных выбросов в атмосфере при работе котельной, оборудованной тремя котлами ПТВМ-50. Топливо-мазут с содержанием серы S^р = 3 %; климатическая зона – Северо-Запад; мощность котлов N = 43 · 10⁶ Вт; КПД котла брутто η_бр = 86 %; высота дымовой трубы Н = 70 м; диаметр устья трубы Д_у = 2,5 м; температура уходящих газов t_ух = 190 ^оС; коэффициент избытка воздуха в топке α_т = 1,07; коэффициент избытка воздуха на выходе из газового тракта α_ух = 1,4; расчетный удельный расход дымовых газов V^о = 10,3 м³/кг; фоновая концентрация загрязнений, приведенная к диоксиду серы С_ф = 0,03 мг/м³; понижение температуры дымовых газов на 1 пог. м трубы принять равным 0,2 К/м; температура зимняя расчетная t_воз = -26 ^оС.

РЕШЕНИЕ:

Расход топлива для водогрейных котлов определяется по формуле

где - низшая рабочая теплота сгорания топлива, = 39,6 МДж/кг.

Для 3-х котлов

кг/с.

Расход дымовых газов

t_вых = t_ух – Δt = 190 – 0,2Н = 176 ^оС;

ΔТ = t_вых – t_возб = 176 – (-26) = 202 ^оС;

м³/с.

Определяем скорость выхода газов из устья трубы:

где м².

м/с.

Находим массовый выброс диоксида серы:

г/с.

Находим массовый выброс диоксида азота:

Коэффициент к = 2,12 (выбирается по типу котла и его производительности).

При α > 1,05 коэффициенты равны единице.

г/с.

Массовый суммарный выброс

г/с.

Определяем максимальную концентрацию вредных веществ:

где А – климатический коэффициент, А = 160;

F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе, F = 1;

ΔТ – разность температур выбрасываемого газа и окружающего воздуха, ΔТ = 202 ^оС;

Коэффициенты: m = 0,95, n = 1.

мг/м³.

Расстояние от источника выбросов до точки с максимальной концентрацией

Х_m = d · H;

;

Х_m = d · H = 1242 м, при опасной скорости ветра

или

м.

Определяем опасную скорость ветра

W_воп = ν_м(1 + 0,12f^0,5) = 4,5 м/с.

При W_в = 6 м/с, коэффициенты r и р равны r = 0,9; р = 1,1.

Максимальная концентрация вредных веществ в зоне диффузии факела

С_м = r · С_max = 0.9 · 0.352 = 0,32 мг/м³.

Расстояние, на котором достигается максимальная приземная концентрация вредных веществ,

Х_м = р · Х_моп = 1,1 · 1242 = 1366,2 м.

Для снижения концентрации выброса вредных веществ самая простая мера – увеличение высоты дымовой трубы.

Пример 2. Произвести расчет очистки дымовых газов котла на твердом топливе от золы с помощью серийных батарейных циклонов ЦБ-2. Внутренний диаметр циклона 231 мм, число циклонов в секции 20, 25, 30, паропроизводительность котла Д = 10 т/ч, избыточное давление острого пара Р_изб = 1,4 МПа, температура перегретого пара t_пп = 250 ^оС, температура питательной воды t_п.в = 100 ^оС, температура дымовых газов t_ух = 145 ^оС, КПД брутто котла η_бр = 82 %, коэффициент избытка воздуха α = 1,45, унос золы из топки α_ун = 0,82, механический недожог топлива q₄ = 1,5 %, газовая постоянная R = 284 Дж/кг·К. Низшая теплота сгорания топлива = 10,5 · 10⁶ Дж/кг, А^р = 25,2 %, V^о = 3,57 м³/кг, h₁ = 2690 кДж/кг, h₂ = 419 кДж/кг.

РЕШЕНИЕ:

Расход топлива в котле

кг/с.

Объемный расход дымовых газов

м³/с.

Сечение батарейного циклона

м².

Оптимальное количество циклонов

м/с;

Выбираем одну батарею по 30 штук в секции.

Расход через один циклон

м³/с.

Реальная скорость течения отработавших газов через циклон

м/с.

Масса золы, попавшей в циклон,

кг/с.

Подсчитав проскок частиц разных фракций золы в атмосферу ε = Σε_iФ_i, он равен ε = 7,5 %.

Расход твердых частиц в атмосфере

С_з = М_з · ε = 0,142 · 0,075 = 0,011 кг/с.

Улавливается в батарее циклонов твердых частиц золы

М_ул = М_з – С_з = 0,142 – 0,011 = 0,131 кг/с

или

η = 100 – 7,5 = 92,5 %.

Одна батарея из 30 циклонов очищает дымовые газы на 92,5 %.

Потеря давления в циклонах

где ξ = 80 – гидравлический коэффициент сопротивления;

ρ – плотность, кг/м³.

кг/м³,

Па.

Пример 3. Узкитй пучок j-излучения с энергией Е_о проходит через экран толщиной d из свинца или бетона (линейные коэффициенты ослабления для свинца μ_св, для бетона μ_б).

Какую долю составит интенсивность проходящего излучения от первоначального? Какую толщину должны иметь экраны из свинца или бетона для ослабления излучения в 100 раз? Е_о = 0,7 МэВ, μ_св = 0,8 1/см, μ_б = 0,15 1/см, d = 2 см.

РЕШЕНИЕ:

Отношение интенсивности прошедшего излучения к начальному

При снижении излучения в 100 раз

где d – толщина стенки, при которой интенсивность излучения уменьшится в 100 раз.

Для свинца

%,

Е_с = 0,26 · 0,7 = 0,185 МэВ,

см.

Для бетона

%,

Е_б = 0,142 · 0,7 = 0,52 МэВ,

см.

Пример 4. Произвести расчет горизонтальной нефтеловушки (отстойника) для очистки сточных вод от нефтепродуктов. Расход сточных вод Q = 0,06 м³/с, скорость всплывания частиц нефти W_ч = 0,35 мм/с. Ширина лотка нефтеловушки В = 2 м, глубина Н = 0,5 м. В результате расчета определить длину проточной части отстойника и число секций нефтеловушки.

РЕШЕНИЕ:

Для эффективной работы нефтеловушки в ней должен обеспечиваться ламинарный режим течения, при котором число Рейнольдса

где W_ср – средняя скорость течения в лотке;

ν – коэффициент кинематической вязкости воды, ν = 1,05 · 10^-6 м²/с;

Н – глубина лотка, Н = 0,5 м.

Определим среднюю скорость течения в лотке

м/с.

Время всплывания частиц τ

с.

Длина отстойника L = 1,1 W_срτ

L = 1,1 · 0,01 · 1430 = 15,75 м.

Расход воды Q = W_ср · В · Н = 0,01 · 2 · 0,5 = 0,01 м³/с.

По условию задачи Q = 0,06 м³/с, следовательно, необходимо 6 нефтеловушек (отстойников).

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Задача 1

В теплообменнике G, кг/с воды нагревается от температуры до температуры горячими газами, которые при этом охлаждаются от температуры до температуры .

Определить поверхность теплообменника при включении его по схеме прямотока и противотока, если коэффициент теплопередачи составляет К. Теплоемкость воды принять постоянной и равной 4,19 кДж/кг·К.

Изобразить характер изменения температур теплоносителей при прямотоке и противотоке.

Данные для расчета выбрать из табл. 1.

Таблица 1

Параметры	Вариант
Последняя цифра шифра
оС
, оС
, оС
, оС
Предпоследняя цифра шифра
G, кг/с	1,0	1,2	1,4	1,5	1,3	1,1	0,9	0,8	0,7	0,6
К, Вт/м2·К

Задача 2

Паротурбинная установка работает по циклу Ренкина при следующих условиях: начальное давление пара р_о, начальная температура t_о, давление в конденсаторе р_к. Относительный внутренний КПД – η_оi. Определить параметры состояния пара в характерных точках теоретического и действительного циклов, термический КПД, удельные расходы пара и теплоты, количество теплоты, подведенной в котле и отведенной в конденсаторе.

Изобразить теоретический и действительный процессы расширения пара в турбине в h-s диаграмме. Данные для расчета выбрать из табл. 2

Таблица 2

Параметры	Вариант
Последняя цифра шифра
ро, МПа									4,5	4,5
tо, оС
Предпоследняя цифра шифра
рк., кПа				3,5					3,5	3,5
ηоi	0,85	0,84	0,83	0,82	0,81	0,8	0,79	0,77	0,75	0,72

Методические указания

По известным р_о и t_о по h-s диаграмме находим параметры состояния в начальной точке (о): h_o, кДж/кг; , м³/кг; , кДж/(кг·К); t_н, ^оС – температура насыщения пара при р_о.

В точке 1_t пересечения адиабаты расширения пара в турбине и изобары р_к находятся параметры, характеризующие состояние отработавшего пара: h_1t, , s_1t = s_o, х_1t.

Отрезок 0-1_t дает располагаемый теплоперепад турбины Н_о = h_o - h_1t.

Параметры конденсата на выходе из конденсатора находятся по давлению р_к. Температура насыщения t_н, определяется в точке 1^′ - пересечения изобары р_к и верхней пограничной кривой (х = 1); изотерма, проходящая через точку 1^′, определяет t_н1; энтальпия конденсата h^′_1t = с_вt_н1, кДж/кг; с_в – теплоемкость воды, с_в = 4,19 кДж/(кг·К).

Параметры пара, отвечающие действительному циклу, находятся в точке 1 (пересечение линий h₁ = h₀ - η_oi · H_о и изобары р_к). Для этого состояния определяем: х₁, s₁, v₁.

Термический КПД теоретического цикла Ренкина находят по формуле

.

Удельный расход пара на 1 кВт·ч

, кг/(кВт·ч).

Удельный расход теплоты

, кДж/(кВт·ч).

Количество подведенной теплоты в котле

, кДж/кг.

Количество отведенной теплоты в конденсаторе

, кДж/кг.

Задача 3

Конденсационная электростанция (КЭС) работает на начальных параметрах пара перед турбиной р_о, t_o, и давлении пара в конденсаторе р_к. Определить КПД брутто и нетто электростанции, удельные расходы теплоты и условного топлива, если расход электроэнергии на собственные нужды составляет Э_сн. Как изменится КПД КЭС, если начальное давление повысится на Δр_о, а температура на Δt_о?

Изобразить теоретический процесс расширения пара в турбине в h-s диаграмме.

Данные для расчета выбрать из табл. 3.

Таблица 3

Параметры	Вариант
Последняя цифра шифра
ро, МПа	1,1	2,5	2,8	3,4	8,8	8,8	12,8	12,8	16,6	22,5
tо, оС
Рк, кПа			4,4			3,5		3,4	3,8	3,5
Предпоследняя цифра шифра
Δро, МПа	1,4	0,9	0,6	5,4	2,0		1,0	3,8	5,9	0,5
Δtо, оС
Эсн, %			5,5			5,2	5,4	5,6	5,8

Методические указания

По заданным р_о, t_o, и р_к в h-s диаграмме строится адиабатный процесс расширения пара в турбине. В точках 0 и 1 находим энтальпию пара в начале и конце адиабатного (изоэнтропного) процесса расширения h_o и h_к.

Энтальпия конденсата h′_к = с_вt_к; с_в – теплоемкость воды , с_в = 4,19 кДж/(кг·К), t_к – температуру конденсата находят по давлению р_к и х = 1 или по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара. КПД брутто электростанции определяется по формуле

,

где η_ку – КПД котельной установки, η_ку = 0,9…0,95;

η_тр – КПД теплового потока, η_тр = 0,97…0,99;

η_t – термический КПД паротурбинной установки;

η_oi – внутренний относительный КПД, η_oi = 0,85…0,88;

η_м – механический КПД, η_м = 0,97…0,99;

η_э – электрический КПД, η_э = 0,96…0,97.

Термический КПД турбинной установки

.

КПД электростанции нетто

.

Удельный расход теплоты на выработку 1 кВт·ч электроэнергии

, кДж/(кВт·ч).

Удельный расход условного топлива

, кг/(кВт·ч),

где кДж/кг – низшая теплота сгорания условного топлива.

По h-s диаграмме в точках 1′ и 2′ находим энтальпию свежего пара h′_o и энтальпию в конце адиабатного расширения h′_к при р′_о = р_о + Δр_о и t′_o = t_o + Δt_o.

Вычисляем КПД турбинной установки η′_t и КПД брутто электростанции h′_с. Находим увеличение КПД Δη = η′_с - η_с и ,%.

Задача 4

Определить показатели режима работы электростанции, на которой установлены два турбогенератора мощностью N_y. Максимальная нагрузка электростанции N_м, а количество выработанной электроэнергии за год W_э.

Данные для расчета выбрать из табл. 4.

Таблица 4

Параметры	Вариант
Последняя цифра шифра
Ny, МВт
Nм, МВт
Wэ·10-6, КВт·ч

Методические указания

Числа часов использования установленной τ_у и максимальной мощности τ_м находятся по формулам

; .

Средняя мощность электростанции

, кВт.

Коэффициент использования установленной мощности

.

Коэффициент резерва

.

Коэффициент резерва к_р>1, а коэффициент использования установленной мощности к_и<1.

Задача 5

ТЭЦ выработала за год W_э, кВт·ч электроэнергии и отпустила внешним потребителям Q_отп, кДж теплоты, израсходовав при этом В, т каменного угля с низшей теплотой сгорания кДж/кг.

Определить КПД по выработке электроэнергии и теплоты, приняв КПД котельной установки

Данные для расчета взять из табл. 5.

Таблица 5

Параметры	Вариант
Последняя цифра шифра
Wэ·10-6, КВт·ч
Qотп·10-11, кДж	4,5	3,5	3,7	3,9	4,1	5,0	4,9	4,2	4,5	4,7
В·10-3, т

Методические указания

Расход топлива на выработку отпущенной теплоты определяется по формуле

, кг/год.

Расход топлива на выработку электроэнергии

, кг/год.

КПД по выработке электроэнергии и теплоты на ТЭЦ находят по формулам

; .

Задача 6

Произвести расчет горизонтальной нефтеловушки (отстойника) для очистки сточных вод от нефтепродуктов. Расход сточных вод V и скорость всплывания частиц нефти w приведены в табл. 6. Ширина лотка нефтеловушки 2 м, глубина проточной части в = 0,5 м. В результате расчета определить число секций нефтеловушки.

Данные для расчета выбрать из табл. 6.

Таблица 6

Параметры	Вариант
Последняя цифра шифра
V, м3/с	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1
Предпоследняя цифра шифра
w, мм/с	0,15	0,20	0,25	0,3	0,35	0,4	0,22	0,28	0,32	0,38