Тепловой баланс котельного агрегата. Эффективность использования топлива.

Общее уравнение теплового баланса

В процессе работы котельного агрегата неизбежны потери и степень экономического совершенства оценивается КПД. Для определения КПД агрегата составляют тепловой баланс, под которым подразумевают распределение теплоты, выделившейся при горении топлива, на полезную теплоту, используемую на получения пара требуемых параметров и на тепловые потери.

При сжигании 1 кг (м³) топлива наибольшее количество теплоты, которое может выделиться в топке, складывается:

,

где низшая теплота сгорания топлива, ,

теплота, внесенная в топку вместе с подогретым воздухом. Эта теплота учитывается только в том случае, если воздух подогревается от постороннего источника теплоты (калорифер);

физическое тепло топлива, получаемое им при внешнем подогреве;

тепло внесённое с паровым дутьём (например, при распылении мазута паром);

располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³.

Чаще всего при расчётах полагают, что располагаемая теплота равна низшей теплоте сгорания.

Часть располагаемой теплоты затрачивается на подогрев и испарение воды, а также перегрев пара – это использованная теплота.

Другая часть теплоты, которая не может быть использована, составляет тепловые потери.

Баланс котельного агрегата, составленный к часовому расходу топлива (В = кг/час) будет выглядеть следующим образом

Чтобы повысить КПД котельного агрегата необходимо свести до минимума его тепловые потери.

Q₂ – потери теплоты с уходящими газами

Q₃ – потери теплоты от химического недожога

Q₄ – потери теплоты от механического недожога (потери теплоты со шлаком и уносом топлива)

Q₅ – потери теплоты от наружного охлаждения котельной установки

Q₆ – потери теплоты с физическим теплом шлака

Тепловые потери часто рассчитывают в относительной форме

Потери теплоты с уходящими газами, Q₂.

Эти потери обусловлены тем, что продукты сгорания имеют температуру более высокую, чем атмосферный воздух.

, кДж/кг или кДж/м³,

где энтальпия газов, выбрасываемая в атмосферу

энтальпия атмосферного воздуха

Из формулы видно, что потери зависят от температуры уходящих газов, а температура уходящих газов зависит от площади омываемых поверхностей.

Температура уходящих газов зависит от величины омываемой поверхности и от интенсивности теплообмена. С другой стороны, поверхность нагрева, помещённая в зоне высоких температур, воспринимает во много раз больше теплоты, чем расположенная в зоне низкой температуры продуктов сгорания. Поэтому даже небольшое снижение t_УХ требует существенного увеличения поверхности нагрева.

На практике производят технико-экономическое сравнение, и расчётом определяют оптимальную температуру уходящих газов. На эту температуру оказывает влияние также влажность топлива. Чем выше влажность, тем выше температура уходящих газов и объём продуктов сгорания. Чем выше влажность топлива, тем больше потери с уходящими газами.

Температуру уходящих газов, в больших котельных агрегатах выбирают в пределах 110-160 ⁰С. Нижний предел для маловлажностного топлива, а высший - для высоковлажностного.

Присосы по ходу газового тракта увеличивают объём продуктов сгорания, т.е. увеличивают потери теплоты с уходящими газами.

Эта потеря является наибольшей из всех потерь и обычно составляет 5-10%.

Расчётные значения потерь с уходящими газами достигаются лишь при чистых поверхностях нагрева. Если поверхности нагрева загрязнены, то теплообмен ухудшается и потери возрастают.

Потери теплоты от химического недожога, Q₃.

В продуктах сгорания могут находиться продукты неполного сгорания топлива СО, Н₂, СН₄, часть исходного топлива и другие газы. Сгорание этих газов за пределами топочной камеры невозможно из-за низкой температуры в газоходах котла.

Тепло, которое могло быть выделено в топочной камере в случае догорания газообразных горючих, составляет химический недожог. Потери теплоты от химического недожога определяют:

,

где V – объем горючих газов,

Q_н – низшая теплота сгорания, .

При сжигании жидкого и твердого топлива содержание Н₂ и СН₄ в продуктах сгорания ничтожно, и потери теплоты от химического недожога не учитывают.

Потери теплоты от химического недожога зависят от способа сжигания топлива, от количества воздуха для горения, от плохого перемешивания воздуха с топливом.

Обычно топливо прибывает в камере 1.5 – 2 сек. За это время топливо должно полностью сгореть. Если объем топки мал, а топливо стараются подать больше, то топливо не успевает сгореть, вследствие чего появляется химический недожог. Если же топливо подавать мало и медленно, то снижается температура горения, а понижение температуры горения приводит к увеличению химического недожога. Ориентировочно эти потери составляют до 5%.

Потери теплоты от механического недожога, Q₄.

Эти потери обусловлены тем, что часть топлива, поступившего в топку, не до конца участвуют в процессе горения и уносится с уходящими газами. Это количество теплоты, которое должно было бы выделиться при полном сгорании топлива, называется механическим недожогом.

Если при химическом недожоге несгоревшими продуктами являются газообразные вещества, то при механическом – твёрдые вещества.

Чаще всего это происходит из-за неполного сгорания твердого топлива, т.е. в топке часть твёрдого топлива разлагается на золу и углерод и затем уноситься из топки.

При камерном сжигании топлива, потери тепла состоят из потерь теплоты со шлаком и уносом топлива.

Потери теплоты со шлаком определяются тем, что частицы топлива оседают в жидком шлаке и, когда шлак застывает, удаляются вместе с ним. Эти потери составляют 1-3%.

Потери теплоты с уносом определяются тем, что частички топлива, а также топливо в мелких частичках золы по газоходу с потоком продуктов сгорания удаляются из котельного агрегата. Часть этих частичек оседает на конвективных поверхностях, а часть улавливается золоулавливающими устройствами. Эти потери составляют 0,5-2,5%.

Основные факторы, влияющие на Q₄: тонкость размола, выход летучих, длительность пребывания продуктов сгорания в топке. При сгорании жидкого и газообразного топлива Q₄ пренебрегают.

Потери теплоты от наружного охлаждения парогенератора, Q_5.

Эта потеря вызывается тем, что наружная поверхность котельной установки и элементы котла (барабан, коллектор) имеют более высокую температуру, чем окружающая среда, что и составляет потери.

Все внешние поверхности должны иметь изоляцию, обеспечивающие температуру не выше 55 ⁰С.

где В – расход топлива, кг/час

Из формулы видно, чем больше поверхностей, тем больше потери теплоты.

Доля этих потерь мала и составляет 0,4-0,5% расхода топлива.

Определение расчётным путём по формуле громоздко и сложно, поэтому в ориентировочных расчётах пользуются средним значением удельной потери от поверхности охлаждения, которую принимают равной 200-300 Вт/м².

Чем больше производительность, тем меньше доля потерь.

При расчётах считают, что потери теплоты поверхностью топки составляют 50%, а остальные 50% распределяют между отдельными конвективными газоходами, пропорционально их тепловосприятию.

Потери теплоты с физическим теплом шлака, Q_6.

Они определяются тем, что шлак имеет высокую температуру и содержит физическое тепло.

Потери теплоты со шлаком учитывают при камерном сжигании топлива и жидком шлакоудалении. Эти потери составляют 1-2%. При твердом шлакоудалении Q₆ учитывают только при высокой зольности топлива.

КПД котельного агрегата

Использованное тепло в общем виде можно определить по формуле

Д – производительность парогенератора, кг/сек;

Д_пром – расход пара через промежуточный пароперегреватель, кг/сек;

Д_пр – расход продувочной воды, кг/сек;

i_пр – энтальпия перегретого пара, кДж/кг;

– энтальпия котловой воды, кДж/кг;

– энтальпия питательной воды, кДж/кг;

, – энтальпия пара на выходе и входе промежуточного пароперегревателя, кДж/кг;

В – расход топлива, кг/сек.

С учётом теплопотерь можно записать

ɱ_бр

ɱ_бр – КПД парогенератора брутто, который учитывает тепловые потери, т.е. можно записать что

ɱ_бр (1)

Для прямоточных котлов у которых Д_пр=0, а также для барабанных котлов, для которых величина продувки р=Д_пр/Д∙100%<2%, коэффициент брутто определится

ɱ_бр (2)

если нет промежуточного пароперегревателя, ɱ_бр находиться как

ɱ_бр ,% (3)

В формулах (1),(2),(3) КПД определяется непосредственно по использованной теплоте. Это метод прямого баланса. ɱ_бр можно определить через тепловые потери, это метод обратного баланса.

ɱ_бр

Метод прямого баланса используют только при испытаниях. При проектировании используют метод обратного баланса, поскольку в формуле (1) неизвестными являются 2 величины В и ɱ_бр, которые зависят друг от друга.

При проектировании величины Q₂, Q₃, Q₄ задаются согласно рекомендациям, а Q₅ определяют в зависимости от паропроизводительности котлоагрегата.

Потери с уходящими газами, как правило, не рассчитывают, а задаются оптимальной температурой уходящих газов.

При испытании котельных установок используют 2 метода. Однако при испытании парогенераторов большой мощности, прямой баланс даёт большую погрешность, т.к. вызывают трудности измерение с достаточной точностью расхода топлива В.

В общем случае ɱ_бр зависит:

- от типа и мощности котельного агрегата

- от конструкции топки

- от вида сжигаемого топлива

КПД брутто учитывает только тепловые потери, и характеризует тепловое совершенство котельной установки.

Для полной оценки эффективности использования топлива пользуются коэффициентом полезного действия нетто (ɱ_нетто), который учитывает кроме тепловых потерь ещё и собственный расход парогенератора. Например, расход электрической энергии и теплоты на вспомогательном оборудовании, которое обеспечивает нормальную работу котельной.

К вспомогательному оборудованию относиться:

- питательные насосы, дутьевые вентиляторы,

- электродвигатели, пылепитатели,

- мельницы и т.д.

Коэффициенты брутто и нетто связаны уравнением:

ɱ_нетто = ɱ_бр

расход теплоты на собственные нужды

В нормативном методе все тепловые потери приводятся при номинальных нагрузках. Если нагрузка агрегата отличается от номинальной, то изменяется и величина тепловых потерь, а также ɱ_бр.

Из графика видно, что при нагрузке от 75-100% от номинальной мощности ɱ_бр уменьшается. Однако это не означает, что котельные агрегаты должны работать с недогрузкой. Поскольку в энергетическую систему входят электростанции различных параметров, поэтому экономически целесообразно оставлять в работе установки более высоких параметров при номинальной нагрузке и более низким значением ɱ_бр

Это вызвано тем, что общее повышение КПД электростанции дает большую экономию топлива, чем повышение ɱ_бр

Обычно котельные установки работают с нагрузкой (1,0-0,7) Д_ном.