Тепловой баланс котельного агрегата

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса определяют расход топлива и вычис­ляют коэффициент полезного действия, который является важнейшей характеристикой энергетической эффективности работы котельного агрегата.

В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих про­дуктов сгорания. Эта теплота расходуется на выработку и перегрев пара или нагревание воды. Вследствие неизбежных потерь при переда­че теплоты и преобразовании энергии вырабатываемый продукт (пар, вода и т.д.) воспринимает только часть теплоты. Другую часть состав­ляют потери, которые зависят от эффективности организации процес­сов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.

Составление теплового баланса котельного агрегата заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством теплоты и суммой использованной теплоты и тепловых потерь. Тепло­вой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива или для 1 м³ газа.

Уравнение теплового баланса для установившегося теп­лового состояния агрегата записывают в следующем виде:

Q_p = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆

где Q_p - теплота, которой располагают;

Q₁ — использованная теплота;

Q₂ - потери теплоты с уходящими газами;

Q₃ — потери теплоты от химического недожога;

Q₄ — потери теплоты от механической непол­ноты сгорания;

Q₅ — потери теплоты в окружающую среду;

Q₆ — потери тепло­ты с физической теплотой шлаков.

6.Основы водоподготовки.

Одной из основных задач безопасной экс­плуатации котельных установок является организация рациональ­ного водного режима, при котором не образуется накипь на стенках испарительных поверхностей нагрева, отсутствует их коррозия и обес­печивается высокое качество вырабатываемого пара. Пар, вырабаты­ваемый в котельной установке, возвращается от потребителя в конден­сированном состоянии; при этом количество возвращаемого конден­сата обычно бывает меньше, чем количество выработанного пара.

В производственных котельных основная безвозвратная потеря — это загрязненный конденсат пара, потребляемого в технологических процессах. Очистка этого конденсата от попавших в него примесей ор­ганических и минеральных веществ экономически невыгодна. Вели­чина этой потери зависит от характера производства, где исполь­зуется пар. Например, потеря конденсата на предприятиях машино­строительной промышленности составляет 20%, промышленности стро­ительных материалов — 30, химической — 40, нефтеперерабатываю­щей— 50%.

В отопительных котельных доля конденсата, не возвра­щаемого потребителем тепла, может меняться в широких пределах — от нескольких процентов до 100% в зависимости от схемы теплоснаб­жения и характера теплового потребления. Другая часть потери кон­денсата— утечки в теплотрассах (0,5—1%). Кроме того, опреде­ленная часть воды (5—7%) выводится из котлоагрегата при непре­рывной продувке.

Потери конденсата и воды при продувке восполняются за счет до­бавки воды из какого-либо источника. Эта вода должна быть соответст­вующим образом подготовлена до поступления в котельный агрегат. Вода, прошедшая предварительную подготовку, называется доба­вочной, смесь возвращаемого конденсата и добавочной воды — питательной, а вода, которая циркулирует в контуре котла, — котловой.

От качества питательной воды зависит нормальная работа котель­ных агрегатов, физико-химические свойства воды характеризуют сле­дующие показатели; прозрачность, содержание взвешенных веществ, сухой остаток, солесодержанйе, окисляемость, жесткость, щелочность, концентрация растворенных газов (СО₂ и О₂).

Прозрачность характеризуется наличием взвешенных механическиx и коллоидных примесей, а содержание взвешенных веществ оделяет степень загрязнения воды твердыми нерастворимыми примесями. Содержание взвешенных веществ измеряется в мг/л. Сухой остаток является одним из основных показателей, по которому судят о пригодности воды для питания котельных агрегатов.

При работе котельного агрегата происходит непрерывное накопление вредных примесей в котловой воде вследствие ее упаривания и притока солей с питательной водой. В паре, выходящем из котла, примесей, к правило, нет (исключение составляют соли кремния в паре при высоких давлениях). Примеси остаются в котловой воде и вызывают не­желательные последствия, если не принять соответствующих мер по предварительной обработке добавочной воды.

Наиболее вредными примесями являются накипеобразователи — соли кальция и магния, характеризующие некарбонатную жесткость, а также коррозионло-активные растворенные газы О₂ и СО₂.

Накипью называется механически прочный слой отложений накипеобразова-гелей на внутренних стенках поверхностей нагрева.

Попадание механических примесей и солей карбонатной жесткости и котельный агрегат нежелательно из-за образования в испарительном контуре так называемых шламов — рыхлых соединений, которые необходимо периодически удалять. Отложение накипи и шлама отри­цательно сказывается на работе котлоагрегата.

Теплопроводность накипи и шлама незначительна по сравнению с теплопроводностью металлических стенок. Поэтому накипь и шлам увеличивают терми­ческое сопротивление процессу теплопередачи от газов к воде, что приводит в ряде случаев к недопустимому повышению температуры стенок труб и снижению их механической прэчности. Увеличение тер­мического сопротивления повышает также расход топлива, что снижа­ет экономичность работы котлоагрегата.

Растворенные в воде газы (О₂ и СО₂) при высоких температурах обладают высокой коррозионной активностью. Коррозия металла сте­нок труб приводит к уменьшению их толщины и, следовательно, меха­нической прочности.

Щелочность воды несколько снижает интенсивность коррозионных процессов, но с увеличением щелочности наблюдается вспенивание воды в барабанах и возможен унос пены с паром.

Присутствие в воде органических соединений также нежелательно. Высокая окисляемость воды затрудняет ее обработку и удаление ми­неральных солей, повышает пенообразование. Следовательно, к ка­честву питательной воды предъявляются определенные требования, которые зависят от типа котельного агрегата (барабанный, прямоточ­ный, водогрейный) и давления вырабатываемого пара.

Существуют два способа обработки воды — докотловая и внутри-котловая.

Докотловая обработка воды предусматривает комплекс ме­роприятий, обеспечивающих установленные нормы качества питатель­ной воды. Для поддержания требуемого качества котловой воды в установленных пределах одной докотловой обработки бывает иногда недостаточно (например, для питания барабанных котлоагрегатов вы­сокого и сверхвысокого давлений) из-за несовершенства применяемых методов и аппаратов. В этом случае дополнительно применяется внутрикотловая обработка воды, при которой в барабан котлоагрегата вводят химические реагенты (фосфаты). Фосфаты вступают в химические ре­акции с солями, содержащимися в котловой воде, и образуют малорастворимые рыхлые соединения, которые выводятся из котлоагрегата.

Для прямоточных котлоагрегатов применяют только докотловую обработку добавочной воды.

Несмотря на предварительную подготовку питательной воды, для поддержания допустимой по нормам концентрации солей в котловой воде и предотвращения отложений шлама котел продувают, т.е. удаляют из него часть котловой воды. При этом различают периодическую и непрерывную продувку паровых котлов.

Периодическая продувка служит преимущественно для удаления шлама из контура котлоагрегата.

Непрерывная продувка применяется главным образом для удаления растворенных в воде примесей и получения более чистого пара. Количество продувочной воды, выводимой из котлоаг­регата, обычно определяют (или задают) в процентах к производительности агрегата (не более 5—6%).

Непрерывная продувка осуществляется из барабана котла (в двух-барабанных котлах — из верхнего) на уровне ввода пароводяной смеси, где солесодержание обычно бывает максимальным. Периодическая продувка производится из нижних коллекторов котла, где скапливается шлам. В двухбарабанных котлах периодическая продувка осуществ­ляется также из нижнего барабана.

Докотловая подготовка воды должна обеспечивать ее осветление (удаление взвешенных частиц), умягчение, снижение щелочности и солесодержания, а также удаление растворенных газов (О₂ и СО₃). Крупные взвешенные вещества удаляют отстаиванием, мелкие — фильтрацией. Для фильтров используют песок, дробленую мраморную крошку, антрацит. Для удаления коллоидных и органических веществ воду перед фильтрованием обрабатывают коагулянтом, т.е. веществом, которое способствует укрупнению взвешенных веществ [соли железа FeSO₄ и FeCI₂ или сернокислый алюминий A1₂(SO₄)₃]. При использовании городской водопроводной воды операции осветления и коагуляции отпадают.

Умягчают воду, т.е. снижают ее жесткость, путем удаления из воды катионов Са²⁺ и Mg²⁺ еще до поступления ее в котел (докотловая об­работка воды). Умягчение осуществляют термическим или химическим методами.

Термический метод основан на разложении бикарбонатов кальция и магния при нагревании до 360—375 К. Образующиеся при этом труднорастворимые вещества (СаСО₃, Mg(OH)₂] выпадают в осадок.

В настоящее время основной метод умягчения воды — метод катионного обмена. Сущность его заключается в том, что добавляемую воду пропускают через специальные аппараты — катионитовые фильтры, заполненные материалами, которые участвуют в катионном обмене с солями жесткости. В этих материалах присутствуют катионы натрия (Na⁺), аммония (NH⁺₄), водорода (Н⁺). Катионы солей жесткости замещают катионы в материале фильтра. Таким образом, катионы, входящие в состав соединений материала фильтра, поступают в обрабатываемую воду, а катионы солей жесткости задерживаются этим материалом. Катионы, перешедшие в воду, уже не являются накипеобразователями. В качестве катионитовых материалов в производственноотопительных котельных используют сульфоуголь (каменный и бурый, обработанный концентрированной серной кислотой), который насыщается катионами Na⁺, NH⁺₄ или Н⁺.

Растворенные в воде кислород, двуокись углерода и воздух вызы­вают коррозию стенок котла, поэтому газы удаляют из воды путем ее дегазации. Из всех известных способов дегазации воды наиболее распространен термический. Этот способ основан на свойстве газов О₂ и СО₂ снижать степень растворимости по мере повышения температуры воды вплоть до кипения, когда при нулевых парциальных давлениях О₂ и СО₂ их растворимость падает до нуля.

На рис. 19.25 показана принципиальная схема водоподготови­тельной установки (катионитовое умягчение и дегазация).Добавочная вода из водопровода поступает в Na-катионитовый фильтр, где задерживается большая часть солей, характеризующих жесткость воды. В схеме имеются два катионитовых фильтра. Один фильтр, например 2, находится в работе, а в другом 3 проходит регенерация катионита. Слабый раствор NaCl (6—10%-ный) подается в фильтр 3 из солерастворителя 1, Умягченная вода подается в деаэра­тор (дегазатор), где из нее удаляются растворенные газы.

Перед деаэратором воду подогревают горячей водой или паром в теплообменнике 4, с целью экономии расхода пара на деаэрацию, В верх­нюю часть (головку) деаэратора подают очищенную воду и конденсат, возвращаемый в котельную. Проходя через дырчатые листы, вода раз­бивается на мелкие струи для увеличения площади поверхности кон­такта с паром, который подается вниз головки. Вода нагревается до кипения, растворенные газы при этом из нее удаляются через патрубок, установленный в верхней части головки.