Тепловой расчет котлов на органическом топливе. Аэродинамический расчет теплогенератора. – 2 часа

Эффективность использования топлива. Использованное тепло топлива и потери тепла.

В котельном агрегате невозможно полностью использовать для получе­ния пара или горячей воды все тепло, заключенное в топливе; часть этого тепла неизбежно теряется.

Основными потерями тепла в котельном агрегате являются следующие.

При сжигании всех видов топлива, содержащиеся в дымовых газах про­дукты неполного горения или газификации — окись углерода, водород, метан и тяжелые углеводороды — выходят из топки, не успев догореть до углекислоты и водяных паров, и уносят часть теплоты, заключенной в топ­ливе; это приводит к потере, которую называют потерей тепла от химической неполноты сгорания топлива.

При сжигании твердого топлива в очаговых остатках остается некоторое количество не успевшего сгореть углерода, которое теряется при удалении очаговых остатков из топки; эта потеря носит название потери тепла от механической неполноты сгорания топлива.

Удаляемые из топки, скопившиеся в ней очаговые остатки (шлак) имеют относительно высокую температуру, достигающую 600—700° С и поэтому уносят некоторое количество физического тепла, что приводит к появлению потери, называемой потерей тепла с физическим теплом шлака.

Дымовые газы, пройдя через все поверхности нагрева котельного агре­гата, уходят из него, имея еще относительно высокую температуру (120— 180° С), вследствие чего они уносят довольно значительное количество тепла; эту потерю называют потерей тепла с уходящими газами.

Поскольку все наружные поверхности котельного агрегата нагреваются изнутри дымовыми газами, паром, горячей водой или горячим воздухом, они имеют температуру, более высокую, чем температура окружающего воздуха. Вследствие этого наружные поверхности котельного агрегата отдают кон­векцией и излучением некоторое количество тепла в окружающую среду, вызывая потерю, носящую название потери тепла от наружного охлаждения агрегата. В совокупности в современном котельном агрегате в зависимости от его типа и мощности, а также рода топлива и способа сжигания его, перечислен­ные потери составляют 7—25% тепла, заключенного в топливе.

Тепловой баланс котельного агрегата

Соотношение, связывающее приход и расход тепла в котельном агрегате, представляет его тепловой баланс.

Для работающего котельного агрегата тепловой баланс состав­ляют на основании результатов теплового испытания с целью получения исходных данных для анализа эффективности его работы. При тепловом расчете тепловой баланс составляют, используя нормативные данные, для определения расчетного часового расхода топлива проектируемого ко­тельного агрегата.

При сжигании твердого и жидкого топлив тепловой баланс котельного агрегата составляют в килокалориях или килоджоулях на 1 кг израсходо­ванного топлива либо в процентах. При сжигании газообразного топлива тепловой баланс составляют на 1 м³ газа, введенного в топку, либо также в процентах.

При сжигании твердого или жидкого топлив полное количество тепла, вносимое в котельный агрегат при сжигании 1 кг топлива, складывается из следующих трех основных составляющих: низшей теплоты сгорания топлива Q_н ^р ккал/кг,физического тепла топлива (энтальпии) i_тлккал/кг, и физического тепла воз­духа, поступающего в котел для поддержания процесса горения в топке I_в, ккал/кг.

Кроме этих основных составляющих, в отдельных случаях учиты­вают еще дополнительное тепло воздуха, поступающего в котел при нагрева­нии его посторонними источниками тепла (например, паром, отбираемым от турбины) Q_{в. внш.}, а также тепло, вносимое в топку водяным паром в слу­чаях применения парового дутья или парового распыления мазута Q_ф.

При сжигании газообразного топлива приходная часть теплового баланса котельного агрегата приобретает ту особенность, что низшую теплоту сгорания относят к сухому топливу.

При сжигании твердого топлива внесенное в котельный агрегат тепло распределяется по следующим основным статьям, ккал/кг:

- тепло, использованное на получение пара (или горячей воды) Q₁;
- потеря тепла с дымовыми газами, уходящими из котельного

агрегата I_ух;

- потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива Q₃;

- потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива Q₄;

- потеря тепла от охлаждения агрегата (в окружающую среду) Q₅;

- потеря с физическим теплом шлака, удаляемого из топки Q_6шл;

Кроме того, в очень редких случаях в старых котельных агрегатах при­ходится учитывать потерю тепла на нагрев воды, охлаждающей некоторые детали топок.

При сжигании жидкого и газообразного топлив потери тепла от механи­ческой неполноты сгорания топлива и с физическим теплом шлака, удаля­емого из топки, отсутствуют.

Тепловой баланс котельного агрегата составляют относительно некото­рой отправной температуры. Если в качестве этой температуры принять температуру воздуха, поступающего в котельный агрегат, то в приходной части теплового баланса исчезнет член I _в. В соответствии с этим приходная часть теплового баланса котельного агрегата может быть выражена в общем случае следующим образом: при сжигании твердого или жидкого топлива:

Q_p^p = Q_н^p + Q_в.внеш.+ i _тл. + Q_ф (27)

при сжигании газообразного топлива:

Q_p^p = Q_н^с + Q_в.внеш.+ i _тл. + Q_ф (28)

В последних двух уравнениях величина Q_p^p носит название распо­лагаемого тепла, приходящегося на 1 кг или 1 м³ топлива.

Для большинства современных промышленных котельных агрегатов выражение для располагаемого тепла можно упростить. Для большинства современных котельных агрегатов при сжигании твердого и жидкого топлива:

Q_p^p = Q_н^p (29)

а при сжигании газообразного топлива:

Q_p^p = Q_н^с (30)

Когда уравнение теплового баланса составляется относительно темпе­ратуры воздуха, поступающего в котельный агрегат, в величину потери тепла с уходящими газами I _ух необходимо внести поправку, учитывающую энталь­пию воздуха, поступающего в котельный агрегат. В этом случае потеря тепла с уходящими газами будет выражаться формулой:

Q₂ = I _ух - I _в (31)

С учетом указанного общее уравнение теплового баланса котельного агрегата при сжигании твердого топлива принимает вид:

Q_p^p = Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄+ Q₅+ Q_6шл+ Q_6охл (32)

Правую часть этого уравнения для многих случаев также можно упро­стить. В подавляющем большинстве современных котельных агрегатов отсутствует потеря Q_6охл. Во многих случаях при факельном сжигании твер­дого топлива можно не учитывать величины Q_6шл

При сжигании жидкого и газообразного топлив общее уравнение теплового баланса котельного агрегата принимает вид:

Q_p^p = Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₅ (33)

Если разделить почленно уравнения (29) и (30) на Q_p^p и умножить их на 100, то для случая сжигания твердого топлива получается:

100% = q₁+ q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q_6шл+ q_6охл (34)

а для случая сжигания жидкого и газообразного топлива:

100% = q₁+ q₂+ q₃+ q₄+ q₅ (35)

В этих уравнениях:

q_i = 100Q_i/ Q_p^p

В этой форме уравнение теплового баланса котельного агрегата выража­ет процентное распределение располагаемого тепла на 1 кг или 1 м³ топлива по расходным статьям теплового баланса. Эта форма значительно более рас­пространена на практике, чем форма теплового баланса, выраженная урав­нениями (29) и (30).

Тепло, использованное в котельном агрегате, определяется из следую­щего балансного уравнения, отнесенного к 1 ч работы агрегата:

BQ₁ = DQ_к.а. (36)

где В — часовой расход топлива на котельный агрегат, кг/ч или м³/ ч;

D — часовая производительность котельного агрегата, кг/ч;

Q_к.а. — количество тепла, сообщенное в котельном агрегате питательной

воде при превращении ее в пар или обратной сетевой воде при полу­чении горячей воды, отнесенное к 1 кг произведенного пара или на­гретой воды.

Таким образом, левая часть уравнения (36) выражает часовое количест­во использованного тепла через расход топлива, а правая часть — через теп­ло, полученное в котельном агрегате питательной или сетевой водой.

Для котельных агрегатов, в которых производится перегретый пар, величина Q_к.а. выражается следующим образом:

Q_к.а. = (i_п.п. — i_п.в.) + π/100 • (i' — i_п.в.), (37)

где i_п.п., i_п.в и i'—соответственно энтальпии перегретого пара, питательной и котловой воды (последняя принимается равной эн­тальпии воды при температуре кипения); π — процент непрерывной продувки, обычно составляющий 2—5%D.

При определении величины Q_к.а для котельных агрегатов, в которых производится насыщенный пар, величину энтальпии перегретого пара i_п.п заменяют величиной энтальпии насыщенного пара i". При отсутствии непре­рывной продувки становится равным нулю второй член выражения (37). Для котельных агрегатов, в которых получают горячую воду:

Q_к.а. = i₂ — i₁ (38)

где i₂ и i₁ — соответственно энтальпии воды, поступающей в котел и вы­ходящей из него.

Величины энтальпий воды и пара в системах тепловых единиц, основан­ных на калории, выражают в ккал/кг, поэтому величина Q_к.а. также получает­ся в ккал/кг, а DQ_к.а. — в ккал/ ч. В системе СИ величины энтальпии воды и пара выражают в кДж/кг, поэтому величина Q_к.а. также получается в кДж/кг, а DQ_к.а. — в кДж/сек. Это значит, что в системе СИ величину DQ_к.а. следует выражать в единицах мощности, т. е. в киловаттах или мегаваттах. Имея в виду, что 1 кВт = 1 кДж/сек = 3 600 кДж/ч и что 1 кДж = 4, 19 ккал, можно получить:

1 кВт =3 600/ 4,19 = 860 ккал /ч.

В результате деления обеих частей уравнения (36) на Ви Q_p^p и умноже­ния их на 100 можно получить:

q₁= (DQ_к.а. / В Q_p^p) 100, %. (39)

Как видно из этой формулы, величина q₁может быть определена только в том случае, если известен часовой расход топлива на котельный агрегат (величина В для данного типа котельного агрегата задана, а величину Q_к.а. легко определить по его рабочим параметрам). Если же величина Внеизвест­на, то величинуq₁ можно определить лишь как остаточный член из общего уравнения теплового баланса, т. е. по формуле:

q₁ =100% - (q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q_6шл+ q_6охл) =100% - q (40)

Для современных котельных агрегатов величина q₁в зависимости от паропроизводительности котельного агрегата, температуры уходящих газов, рода сжигаемого топлива и способа сжигания его может изменяться в очень широких пределах: от 75 — 80 до 91 — 93%. Первые цифры относятся к котель­ным агрегатам небольшой производительности, в которых сжигается твер­дое топливо в слоевых топках, вторые — к крупным котельным агрегатам с факельным сжиганием топлива. Наиболее высокими оказываются величины q₁для котельных агрегатов, работающих на жидком и газообразном топливе.

Потеря тепла с уходящими газами определяется как разность энтальпий продуктов сгорания, уходящих из котельного агрегата, и хо­лодного воздуха, поступающего в агрегат.

Таким образом, при сжигании твердого топлива:

q₂ = [(i_ух — α_ух i_х.в.⁰)(100 – q₄)] / Q_p^p (41)

гдеi_ух - энтальпия уходящих газов при коэффициенте избытка воздуха

за агрегатом α_ух и температуре уходящих газов θ_ух, ккал/кг;i_х.в.⁰— энтальпия воздуха, теоретически необходимого для горения, при температуре, с которой он поступает в котельный агре­гат, ккал.кг.

Множитель 100 — q₄ вводится в формулу в связи с тем, что энтальпии дымовых газов и воздуха, необходимого для горения, определяются для 1 кгдействительно сожженного топлива, а не для 1 кгтоплива, поступившего в топку.

При сжигании жидкого и газообразного топлива:

q₂ = (i_ух — α_ух i_х.в.⁰)/ Q_p^p (42)

Величина i_ух в формулах (38) и (39) пропорциональна величинам α_ух и θ_ух, поэтому q₂ увеличивается с ростом последних. В современных котельных агрегатах величина q₂ составляет 6 — 8% при сжигании газооб­разного, жидкого и пылевидного топлив в крупных котлах и 10 — 15% при сжигании в слое твердого топлива в малых котлах.

Величину потери тепла от химической неполноты сгорания в эксплуатации и при тепловых испытаниях котельных агрегатов под­считывают по содержанию в дымовых газах продуктов неполного сгорания СО, Н₂, СН₄, С_m Н_n, определенному на основе химического анализа дымовых газов. При проектирова­нии значением потери от химической неполноты сго­рания задаются, руковод­ствуясь нормами теплового расчета котельных агрега­тов.

Величину потери теп­ла от механиче­ской неполноты сгорания в эксплуа­тации и при тепловых ис­пытаниях котельных агре­гатов определяют по содержанию горючих веществ в шлаке и золе. При проек­тировании величиной этой потери задаются, так же как и значением по­тери от химической неполноты сгорания, по рекомендациям норм теплового расчета котельных агрегатов.

Потерю тепла от наружного охлаждения котельного агре­гата определяют по диаграмме, составленной на основании обработки много­численных опытных данных. Величина потери от наружного охлаж­дения котельного агрегата неуклонно снижается с повышением паропроизводительности агрегата. Если для котлов паропроизводительностью 2,5— 4 т/ч величина q₅ составляет 3—3,5%, то для котлов большой паропроиз­водительности она снижается до долей процента.

Потерю с физическим теплом шлака определяют по фор­муле:

q_6шл = М_шл с_шл t_шл •100 / Q_p^p = α_шл с_шл t_шл А_р •100 / Q_p^p (43)

где М_шл — количество шлака, кг/кг;

α_шл — доля золы топлива в шлаке;

с_шл —теплоемкость шлака, ккал/кг-град;

t_шл — температура шлака, °С.

Потерю с физическим теплом шлака учитывают при слоевом сжигании твердого топлива и в тех случаях факельного и вихревого сжигания, когда шлак удаляют в жидком виде или когда сжигается многозольное топливо, для которого А_р ≥ Q_p^p/100. Температуру шлака при удалении его в твердом состоянии принимают равной 600°С, а при жидком шлакоудалении — рав­ной температуре жидкоплавкого состояния, увеличенной на 100° С. Средняя теплоемкость шлака с повышением температуры от 100 до 1 500° С воз­растает приблизительно с 0,2 до 0,3 ккал/кг-град.

КПД котельного агрегата

Отношение величины использованного в ко­тельном агрегате тепла к величине располага­емого тепла топлива представляет собой коэффициент полезного действия котельного агрегата (к. п. д.) брутто:

η_к.а.^бр = Q₁/ Q_p^p = q₁/100 =[100% - (q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q_6шл+ q_6охл)]/100 (44)

Пользуясь понятием к. п. д. котельного агрегата брутто, можно вы­разить уравнение теплового баланса, отнесенное к 1 ч работы котельного агрегата, в виде:

BQ_р^р = DQ_к.а./ η_к.а.^бр (45)

Это уравнение обычно используют для определения часового расхода топлива котельным агрегатом по известной величине к. п. д. агрегата брутто либо для определения к. п. д. котельного агрегата брутто по известному часовому расходу топлива.

Часть энергии, содержащейся в паре, который произведен в котельном агрегате, после превращения ее в электрическую энергию расходуется на приведение в движение вспомогательных механизмов котельного агрегата — дутьевых вентиляторов, дымососов, питательных насосов, механизмов пылеприготовительного устройства. Кроме того, часть пара, произведенного в котельном агрегате, непосредственно расходуется на его собственные нужды, как, например, на обдувку поверхностей нагрева и пр. Поэтому с учетом этих расходов электроэнергии и пара вводят понятие к. п. д. котель­ного агрегата нетто, выражаемого формулой:

η_к.а.^нт = η_к.а.^бр [1 – (Q_с.н.^эл + Q_с.н.^п)/Q_к.а.] (46)

где Q_с.н.^эл — количество тепла, содержащегося в паре, затраченном на вы­работку того количества электроэнергии, которое израсходовано на приведение в движение вспомогательных механизмов ко­тельной установки, ккал/ч;

Q_с.н.^п — количество тепла, содержащегося в паре, представляющем собой непосредственно собственный расход котельного агрегата, ккал/ч.

Так как при сжигании твердого топлива имеется потеря тепла от механической неполноты сгорания, то в тепловом расчете котельных агрегатов, предназначенных для работы на твердом топливе, введено понятие о расчетном часовом расходе топлива:

В_р= В •(1 – q₄ / 100) (47)

При тепловом расчете котельного агрегата большое значение имеет также величина коэффициента сохранения тепла:

φ = 1 – (q₅ / 100) (48)

Лекция 6