Тепловой баланс парового котла. КПД котла

Общее уравнение теплового баланса котельного агрегата

Соотношение, связывающее приход и расход теплоты в теплогенераторе, составляет его тепловой баланс. Целями составления 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.

В котельном 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.

В соответствии 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/м³ для 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;

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 t_г = 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:

где с_т – удельная теплоёмкость топлива, для мазута и для газа;

t_т – температура топлива, ⁰С.

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

Мазут (жидкое топливо) для снижения вязкости и улучшения распыления поступает в топку подогретым до температуры 80…120⁰С, поэтому его физическая теплота учитывается при выполнении расчётов. При этом теплоёмкость мазута может быть определена по формуле:

Учёт Q_ф.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 Q_ф.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:

где отношение количества воздуха на входе в котёл (воздухоподогреватель) к теоретически необходимому;

энтальпия теоретически необходимого подогретого перед воздушным подогревателем воздуха, :

,

здесь температура подогретого воздуха перед воздухоподогревателем котельного агрегата, ⁰С;

энтальпия теоретически необходимого холодного воздуха, :

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

где G_п – расход пара, кг на 1 кг топлива (при паровом распыливании мазута G_п = 0,3…0,35 кг/кг);

h_п – энтальпия пара, МДж/кг;

2,51 –примерное значение энтальпии 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 Q_пол в котельном агрегате, т.е. теплоту, затраченную на выработку пара (или горячей воды), и разные тепловые потери , т.е.

,

,

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

Q_х.н., Q_м.н. – потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива;

Q_н.о. – потери теплоты от наружного охлаждения внешних ограждений котла;

Q_ф.ш. – потеря с физической теплотой шлаков;

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

где слагаемые расходной части теплового баланса, %.

3.1 Потери теплоты с уходящими газами

Потеря теплоты с уходящими газами возникает из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов покидающих котёл при температуре t_у.г., превышает физическую теплоту поступающих в котёл воздуха α_у.г. и топлива с_т t_т. Разница между энтальпией уходящих газов и теплотой, поступившей в котёл с воздухом из окружающей среды α_у.г. , представляет собой потерю теплоты с уходящими газами, МДж/кг или (МДж/м³):

.

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 W^р и золы А^р 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 α_у.г, который зависит от коэффициента расхода воздуха в топке и балластного воздуха, присосанного в газоходы котла, находящиеся обычно под разряжением:

Рис. 14.8. Определение оптимального коэффициента избытка воздуха в топке котла

С уменьшением потеря теплоты Qу.г. снижается (рис.14.8), однако при этом в связи с уменьшением количества воздуха, подаваемого в топочную камеру, возможно появление другой потери теплоты – от химической неполноты сгорания топлива Qх.н. . Поэтому оптимальное значение выбирается с учётом достижения минимального суммарного значения

Возможность уменьшения α, зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок и толочного устройства. При благоприятных условиях смешения топлива и воздуха избыток воздуха , необходимый для горения, может быть уменьшен. При сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха принимают 1,1, при сжигании мазута =1,1…1,15.

Присосы воздуха по газовому тракту котла в пределе могут быть 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 Q_у.г. приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.

Другим важнейшим фактором, влияющим на величину Q_у.г., является температура уходящих газов t_у.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 Q_у.г. и, следовательно, к дополнительным затратам топлива на выработку одного и того же количества пара или горячей воды. В связи с этим оптимальная температура t_у.г. определяется на основе технико-экономических расчётов при сопоставлении готовых капитальных затрат на сооружение поверхности нагрева и затрат на топливо (рис.3.).

Кроме того, при работе котла поверхности нагрева могут загрязняться сажей и золой топлива. Это 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.

3.2Потери теплоты от химической неполноты сгорания

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, C_mH_n 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;

V_т – объём топки, м³.

Рис. 14.9 Зависимость потери теплоты от химической неполноты сгорания qх.н, %, от объемной плотности тепловыделения в топке qv, МВт/м3.

Характер зависимости представлен на рис.4. . В области низких значений (левая часть кривой), т.е. при малых расходах топлива В, потери увеличиваются в связи со снижением температурного уровня в топочной камере. Увеличение объёмной плотности тепловыделения (с увеличением расхода топлива) приводит к повышению температурного уровня в топке и снижению

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:

где объёмы горючих газов в продуктах горения топлива, м³/кг

теплоты сгорания соответственно СО, Н₂, СН₄

Объёмы горючих газов можно определить по выражениям:

где содержание горючих газов в продуктах сгорания, %;

объём сухих газов, м³.

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.

Коэффициент полезного действия котельного агрегата

Коэффициентом полезного действия котельного агрегата называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте котельного агрегата. Однако не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учётом этого различают КПД котельного агрегата по выработанной теплоте (КПД – брутто) и по отпущенной теплоте (КПД – нетто).

По разности выработанной и отпущенной теплот определяется расход на собственные нужды. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.

Итак, КПД – брутто котельного агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД – нетто – коммерческую экономичность.

КПД – брутто котельного агрегата можно определить или по уравнению прямого баланса или по уравнению обратного баланса.

По уравнению прямого баланса:

Например, при производстве водяного пара полезно используемая теплота равна (см. 2 вопрос) :

Тогда

Из представленного выражения можно получить формулу для определения необходимого расхода топлива, кг/с (м³/с):

По уравнению обратного баланса:

Определение КПД – брутто по уравнению прямого баланса проводят преимущественно при отчётности за отдельный период (декада, месяц), а по уравнению обратного баланса – при испытании котельных агрегатов. Вычисление КПД по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива.

КПД – нетто определяется по выражению:

где расход энергии на собственные нужды, % .

Таким образом, для повышения эффективности котельных агрегатов недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды, которые составляют в среднем 3…5% теплоты, располагаемой котельным агрегатом.КПД котельного агрегата зависит от его нагрузки. Для построенияй зависимости нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата, которые зависят от нагрузки, т.е.