7260

91

теплового баланса котельного агрегата является определение всех приходных и расходных статей баланса; расчёт КПД котельного агрегата, анализ расходных статей баланса с целью установления причин ухудшения работы котельного агрегата.

Вкотельном агрегате при сжигании топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Выделившаяся теплота топлива расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие тепловых потерь.

Всоответствии с законом сохранения энергии между приходом и расходом теплоты в котельном агрегате должно существовать равенство, т. е.

Для котельных установок тепловой баланс составляют на 1кг твёрдого или жидкого топлива или 1м3 газа, находящегося при нормальных условиях

( ). Статьи прихода и расхода в уравнении теплового баланса имеют размерность МДж/м3для газообразного и МДж/кг для твёрдого и жидкого топлива.

Поступившая в котельный агрегат теплота от сжигания топлива

называется также располагаемой теплотой, её обозначают .В общем случае приходная часть теплового баланса записывается в виде:

где низшая теплота сгорания твёрдого или жидкого топлива на рабочую массу, МДж/кг;

92

низшая теплота сгорания газообразного топлива на сухую массу, МДж/м3;

физическая теплота топлива;

физическая теплота воздуха;

теплота, вносимая в топку котла с паром.

Рассмотрим составляющие приходной части теплового баланса. В расчётах принимается низшая рабочая теплота сгорания в том случае, если температура продуктов сгорания, покидающих котёл, выше температуры конденсации водяного пара (обычно tг = 110…120 0С). При охлаждении же продуктов сгорания до температуры, при которой на поверхности нагрева возможна конденсация водяных паров, расчёты следует выполнять с учётом

высшей теплоты сгорания топлива Физическая теплота топлива равна:

tт – температура топлива, 0С.

При поступлении в котёл твёрдое топливо имеет обычно малую температуру, приближающуюся к нулю, поэтому Qф.т. невелика по значению, и ей можно пренебречь.

Мазут (жидкое топливо) для снижения вязкости и улучшения распыления поступает в топку подогретым до температуры 80…120 0С,

93

поэтому его физическая теплота учитывается при выполнении расчётов. При этом теплоёмкость мазута может быть определена по формуле:

Учёт Qф.т. проводится только при сжигании газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (например, доменного газа) при условии его подогрева (до 200…300 0С). При сжигании газообразного топлива с высокой теплотой сгорания (например, природного газа) имеет место, повышенное соотношение массы воздуха и газа (примерно 10 1). В этом случае топливо

– газ обычно не подогревают.

Физическая теплота воздуха Qф.в. учитывается лишь при подогреве его вне котла за счёт постороннего источника (например, в паровом калорифере или в автономном подогревателе при сжигании в нём дополнительного топлива). В этом случае теплота, внесённая воздухом равна:

воздухоподогревателем котельного агрегата, 0С;

94

энтальпия теоретически необходимого холодного

Теплота, вносимая в топку котла с паром, при паровом распылении мазута учитывается в виде формулы:

водяного пара в продуктах сгорания, покидающих котельный агрегат, МДж/кг.

При отсутствии подогрева топлива и воздуха от посторонних источников располагаемая теплота будет равна:

Расходная часть теплового баланса включает в себя полезно используемую теплоту Qпол в котельном агрегате, т.е. теплоту, затраченную

на выработку пара (или горячей воды), и разные тепловые потери

, т.е.

,

,

где Qу.г. – потери теплоты с уходящими газами;

Qх.н., Qм.н. – потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива;

95

– потери теплоты от наружного охлаждения внешних ограждений

котла;

– потеря с физической теплотой шлаков;

– расход (знак «+») и приход (знак «-») теплоты, связанный с неустановившимся тепловым режимом работы котла. При установившемся тепловом состоянии Qакк. = 0.

Итак общее уравнение теплового баланса котельного агрегата при установившемся тепловом режиме можно записать в виде:

Если обе части представленного уравнения разделить на и умножить на 100%, то получим:

Потеря теплоты с уходящими газами возникает из-за того,

что физическая теплота (энтальпия) газов покидающих котёл при температуре tу.г., превышает физическую теплоту поступающих в котёл

газов и теплотой, поступившей в котёл с воздухом из окружающей

среды αу.г. , представляет собой потерю теплоты с уходящими газами, МДж/кг или (МДж/м3):

.

96

Потеря теплоты с уходящими газами занимает обычно основное место среди тепловых потерь котла, составляя 5…12% располагаемой теплоты топлива. Эти потери теплоты зависят от температуры, объёма и состава продуктов сгорания, которые, в свою очередь, зависит от балластных составляющих топлива:

Отношение , характеризующее качество топлива, показывает относительный выход газообразных продуктов сгорания (при α = 1) на единицу теплоты сгорания топлива и зависит от содержания в нём балластных составляющих (влаги Wр и золы Ар для твердого и жидкого топлива, азота N2, диоксида углерода СО2 и кислорода О2 для газообразного топлива). С увеличением содержания в топливе балластных составляющих, и,

следовательно, , потеря теплоты с уходящими газами соответственно возрастает.

Одним из возможных направлений снижения потери теплоты с уходящими газами является уменьшение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах αу.г, который зависит от коэффициента расхода воздуха в

топке и балластного воздуха, присосанного в газоходы котла, находящиеся обычно под разряжением:

Возможность уменьшения α, зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок и толочного устройства. При благоприятных

97

условиях смешения топлива и воздуха избыток воздуха , необходимый для горения, может быть уменьшен. При сжигании газообразного топлива

сведены нулю. Однако полное уплотнение мест прохода труб через обмуровку, уплотнение лючков и гляделок затруднено и практически

=0,15..0,3.

Балластный воздух в продуктах сгорания помимо увеличения потери теплоты Qу.г. приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.

Другим важнейшим фактором, влияющим на величину Qу.г., является температура уходящих газов tу.г. . Её снижение достигается установкой в хвостовой части котла теплоиспользующих элементов (экономайзера, воздушного подогревателя). Чем ниже температура уходящих газов и,

соответственно, меньше разность температур между газами и нагреваемым рабочим телом (например, воздухом), тем большая площадь поверхности нагрева требуется для охлаждения продуктов сгорания.

Повышение же температуры уходящих газов приводит к увеличению потери с Qу.г. и, следовательно, к дополнительным затратам топлива на выработку одного и того же количества пара или горячей воды. В связи с этим оптимальная температура tу.г. определяется на основе техникоэкономических расчётов при сопоставлении готовых капитальных затрат на сооружение поверхности нагрева и затрат на топливо. Кроме того, при работе котла поверхности нагрева могут загрязняться сажей и золой топлива. Это

98

приводит к ухудшению теплообмена продуктов сгорания с поверхностью нагрева. При этом для сохранения заданной паропроизводительности приходится идти на увеличение расхода топлива. Занос поверхностей нагрева приводит также к увеличению сопротивления газового тракта котла. В связи с этим для обеспечения нормальной эксплуатации агрегата требуется систематическая очистка его поверхностей нагрева.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (химический

недожог) возникает при неполном сгорании топлива в пределах топочной камеры и появления в продуктах сгорания горючих газообразных составляющих – СО, H2, СH4, CmHn и др. догорание же этих горючих газов за пределами топки практически невозможно из-за относительно низкой их температуры.

Причинами появления химической неполноты сгорания могут быть:

·общий недостаток количества воздуха;

·плохое смесеобразование, особенно на начальных стадиях горения топлива;

·низкая температура в топочной камере, особенно в зоне догорания топлива;

·недостаточное время пребывания топлива в пределах топочной камеры, в течении которого химическая реакция горения не может завершиться полностью.

При достаточном для полного сгорания топлива количестве воздуха и

хорошем смесеобразовании потери зависят от объёмной плотности тепловыделения в топке, МВт/м3:

где В – расход топлива, кг/с;

99

Vт – объём топки, м3.

Однако по достижении определённого уровня при дальнейшем

увеличении расхода топлива (правая часть кривой) потери вновь начинают возрастать, что связано с уменьшением времени пребывания газов в объёме топки и невозможностью в связи с этим завершения реакции горения.

Оптимальное значение , при котором потери минимальны, зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Для современных топочных устройств потеря теплоты от химической неполноты

сгорания составляет 0…2% при .

При обработке материалов испытания котельной установки потерю теплоты от химической неполноты сгорания определяют по формуле:

продуктах горения топлива, м3/кг

теплоты сгорания соответственно СО, Н2,

СН4 Объёмы горючих газов можно определить по выражениям:

%;

объём сухих газов, м3.

100

при сжигании твёрдого и жидкого топлива:

при сжигании газообразного топлива:

При разработке мероприятий по снижению величины следует иметь в виду, что при наличии условий для появления продуктов неполного сгорания в первую очередь образуется CO как наиболее трудносжигаемый компонент, а затем Н2 и другие газы. Из этого следует, что если в продуктах горения отсутствует СО, то в них нет и Н2.

3.2. Эксергетический кпд котлоагрегата

Для обеспечения полного горения топлива практически в котельный агрегат подаётся воздух с избытком по сравнению с теоретическим. Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха за установкой.

αух=αm+Δα ,