Тепловой баланс котельной установки

При работе парового или водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат и отнесенное к 1 кг твердого или жидкого топлива (МДж/кг) или 1 м³ газообразного топлива (МДж/м³), называют располагаемой теплотой .

, (2.38)

где Q_в.вн – теплота, внесенная в топку с воздухом при его нагреве перед воздухоподогревателем вне котла; Q_тл – физическая теплота топлива, численно равная произведению теплоемкости топлива на его температуру (учитывается при предварительном подогреве мазута вне котла); Q_ф = G_ф(i_ф – 2,5) – теплота, вносимая в топку с паром, используемым для распыливания жидкого топлива (вводится при установке паровых форсунок при сжигании жидкого топлива); G_ф и i_ф – соответственно расход (на 1 кг топлива) и энтальпия пара; – теплота, затраченная на разложение карбонатов топлива (учитывается при сжигании сланцев); – содержание углекислоты карбонатов; k – коэффициент разложения карбонатов (при слоевом сжигании 0,7, при камерном 1,0).

Для газообразного топлива три последних величины в выражении (2.38) отсутствуют, а низшая теплота сгорания берется для сухого газа:

. (2.39)

В случае предварительного подогрева воздуха в калорифере внесенная воздухом теплота равна

, (2.40)

где , – соответственно энтальпии теоретического объема воздуха на входе в воздухоподогреватель и холодного воздуха после дутьевого вентилятора; – отношение количества воздуха на входе в котельный агрегат (воздухоподогреватель) к теоретически необходимому, равное

, (2.41)

где – присос воздуха в топку, систему пылеприготовления и воздухоподогреватель.

При отсутствии подогрева воздуха и топлива вне котла от постороннего источника и при отсутствии расхода пара на распыливание располагаемая теплота становится равной низшей теплоте сгорания рабочего топлива.

Полное количество вносимой в котел теплоты

, (2.42)

где В – расход топлива в котле, кг/с.

Теплота, выделяемая топливом, не полностью используется для нагрева рабочего тела котла. Часть теплоты теряется. Эффективность использования энергии в котле определяет его КПД. Различают КПД брутто и нетто. КПД котла (брутто) называют выраженное в процентах отношение полезно использованной теплоты к количеству располагаемой теплоты вводимого в котел топлива.

Полезно использованная теплота Q_п, МВт, складывается из теплоты нагрева питательной воды до состояния насыщенного или перегретого пара. Теплота может быть затрачена на подогрев части рабочего тела, впоследствии выводимого из котла (например, продувочная вода). Полное количество полезно использованной (воспринятой рабочим телом) в паровом и водогрейном котлах теплоты составляет соответственно

; (2.43)

, (2.44)

где D и D_пр – расход соответственно свежего пара и продувочной воды, кг/с;
– энтальпия соответственно свежего пара, питательной и продувочной (котловой) воды, МДж/кг; G_в – расход воды через водогрейный котел, кг/с; i_вх, i_вых – энтальпии воды на входе и выходе из водогрейного котла, МДж/кг.

КПД брутто можно определить по прямому балансу котла

. (2.45)

Вследствие тепловых потерь в котле Q_n < Q_p.

При определении КПД нетто дополнительно учитываются (вычитаются из Q_п) затраты энергии на работу основного и вспомогательного оборудования (насосы, вентиляторы, дымососы, мельницы), т. е. затраты энергии на собственные нужды котла:

. (2.46)

Тепловые потери в котле зависят от эффективности процесса горения топлива в топке и передачи теплоты от продуктов сгорания к рабочему телу в поверхностях нагрева.

Продукты сгорания выходят из последней поверхности нагрева котла при температуре , значительно превышающей температуру воздуха, поступающего из атмосферы в котел. Потери телоты с уходящими газами равны разности энтальпий конечного состояния газов и воздуха, входящего в котел.

Если в уходящих газах содержатся горючие газообразные элементы (Н₂, СН₄) или продукты неполного сгорания СО, то имеют место потери с химическим недожогом топлива. Величина этих потерь определяется количеством и теплотой сгорания указанных горючих элементов.

Частицы твердого топлива могут совсем не участвовать в химической реакции, потери теплоты с твердым непрореагировавшим топливом называют потерями с механическим недожогом.

Наружная поверхность стен котла имеет более высокую температуру, чем окружающая среда. Потери теплоты вследствие теплоотдачи от стен котла к окружающему воздуху называют потерями в окружающую среду. И, наконец, в котлах имеют место потери теплоты со шлаком, выводимым из топки с высокой температурой.

Потери теплоты с химическим и механическим недожогом, а также со шлаком относят к топочным потерям; потери теплоты в окружающую среду и с уходящими газами являются общими для котла. Равенство количества располагаемой теплоты сумме полезно использованной в котле теплоты и тепловых потерь называют тепловым балансом котла. Обычно принято тепловой баланс котла составлять для единицы массы (твердого, жидкого) или объема (газообразного) сжигаемого топлива. В этом случае

, (2.47)

где Q₁ – полезно используемая теплота; Q₂ – потери теплоты с уходящими газами;
Q₃ – потери теплоты с химическим недожогом; Q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q₅ – потери теплоты в окружающую среду; Q₆ – потери теплоты с физической теплотой шлака.

Уравнение теплового баланса может быть представлено в процентах к :

, (2.48)

где – относительное количество полезно использованной теплоты, %; , и т. д. – относительные потери теплоты соответственно с уходящими газами, с химической и механической неполнотой сгорания (с недожогом), в окружающую среду и со шлаком.

При организации работы котла необходимо стремиться к снижению тепловых потерь.

Потери теплоты с уходящими газами происходят из-за того, что из котлоагрегата продукты сгорания выходят в атмосферу с температурой, превышающей температуру окружающей среды.

Величина потерь теплоты с уходящими газами равна разности энтальпий продуктов сгорания на выходе из последней поверхности нагрева и энтальпии окружающего воздуха, кДж/кг, кДж/м³:

(2.49)

или

, (2.50)

где с_г и с_хв – теплоемкость соответственно газа и холодного воздуха, МДж/(м³×К); и
t_хв – температура соответственно уходящих из котла газов (после последней поверхности нагрева) и холодного воздуха, К; V_г – объем уходящих газов в расчете на 1 кг топлива, м³/кг;
a_ух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах за последней поверхностью нагрева; q₄ – относительные потери теплоты с механическим недожогом; I_ух – энтальпия уходящих газов при избытке воздуха a_ух и температуре , МДж/кг; – энтальпия теоретического объема холодного воздуха, вводимого в котел, МДж/кг.

Потери с уходящими газами определяются в основном коэффициентом избытка воздуха a_ух и температурой уходящих газов.

С понижением температуры уходящих газов на 12 – 15 °С потери теплоты уменьшаются примерно на 1 %. Пути снижения потерь теплоты с уходящими газами q₂ состоят в уменьшении коэффициентов a_ух и a путем совершенствования процесса горения и ликвидации присосов воздуха по газовоздушному тракту котла, снижении температуры уходящих газов путем развития хвостовых поверхностей нагрева (экономайзеров и воздухоподогревателей), полезно утилизирующих теплоту уходящих газов.

Предельная температура уходящих газов по технологическим параметрам определяется условиями предотвращения возможности внешней низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева котла, возникающей при снижении температуры уходящих газов ниже температуры точки росы, и зависит от содержания оксидов серы в уходящих газах. Температуру в промышленных и отопительных котлах принимают 130 – 150 °С. При установке воздухоподогревателей разность между и t_хв должна быть выше 50 °С, чтобы на холодных тепловоспринимающих поверхностях нагрева не происходило конденсации паров воды из воздуха.

При определенных размерах поверхностей нагрева у работающего котлоагрегата потери теплоты с уходящими газами будут зависеть от степени наружного загрязнения поверхностей нагрева; с увеличением загрязнения температура уходящих газов и потери теплоты q₂ будут расти. Для очистки поверхностей нагрева котла можно использовать: обмывку котла щелочной горячей водой при остановке котла; паровую обдувку; акустическую или термоволновую очистку на работающем котле.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива возникают при появлении в продуктах сгорания горючих газообразных компонентов (Н₂, СО, СН_4, С_mН_n) вследствие неполного выгорания топлива в пределах топочного объема котла. За его пределами горючие газы не догорают в связи с низкими температурами по газовому тракту котла.

Покидающие топку непрореагировавшие горючие элементы или продукты неполного сгорания выносят с собой энергию, относительная величина которой составляет

, (2.51)

где Q_СО, , , – теплота сгорания соответственно СО, СН₄, Н₂, С_mH_n. Потери q₃ зависят от вида топлива, способа его сжигания, избытка воздуха в горелках (особенно при a < 1) и от условий его перемешивания с топливом.

При разработке мероприятий по снижению величины q₃ следует иметь в виду, что если в продуктах сгорания отсутствует СО, то в них нет Н₂ и других горючих газов, поскольку СО – наиболее трудносжигаемый компонент источников появления q₃.

Потери теплоты с механическим недожогом, как и потери q₃, существенно зависят от избытка воздуха в топке. При уменьшении избытка воздуха в топке a_т химические реакции горения замедляются. Слишком большие избытки воздуха вызывают понижение температуры газов в топке, снижают интенсивность химических реакций горения и вызывают рост потерь q₄. Сильное влияние на величину q₄ оказывает вид сжигаемого твердого топлива, качество его помола (чем меньше размер частиц, тем полнее происходит их выгорание), конструкция топки и способ сжигания топлива.

Механический недожог характеризуется наличием несгоревших веществ в твердом виде, т. е. находящихся в составе золы. Как правило, не успевает выгореть кокс, имеющий наиболее высокую теплоту сгорания.

Эти потери принято разделять на три составляющие: потери теплоты с провалом топлива, например, сквозь решетку ; с несгоревшим топливом в шлаке и с унесенными недогоревшими частицами топлива :

. (2.52)

Содержание горючих (кокса) Г_пр, Г_шл, Г_ун выражают в процентах от количества провала, шлака и золы (G_пр, G_шл, G_yн). Содержание горючих, вынесенных с провалом, шлаком и уносом, соответственно равно

; ; . (2.53)

Золовый баланс можно представить в виде

а_пр + а_шл + а_ун = 1 (2.54)

или , (2.55)

где а_пр, а_шл, а_ун – доля золы топлива, перешедшая соответственно в провал, шлак, унос.

Если учесть, что теплота сгорания углерода (горючих) Q_г = 32,6 МДж/кг, или , то теплота, унесенная со шлаком в расчете на 1 кг топлива, равна

. (2.56)

Аналогично

; . (2.57)

Тогда

. (2.58)

Потери теплоты в окружающую среду обусловлены более высокой температурой наружной поверхности стен t_н._ст и элементов котла по сравнению с температурой окружающей среды (холодного воздуха) t_хв

. (2.59)

Если принять коэффициент теплоотдачи конвекцией = idem = a_к , = idem = t_н.ст, то

. (2.60)

Тепловой поток q меняется незначительно с изменением мощности котла, так как температуру стенки поддерживают на постоянном безопасном для человека уровне (t_н.ст < 55 °С) при помощи изоляции. В то же время увеличение площади поверхности стен F_i котла с ростом его мощности происходит медленнее и уменьшается, т. е. величина

(2.61)

также снижается.

При изменении нагрузки котла температура t_н.ст, а следовательно, тепловые потоки меняются незначительно. В то же время вносимая с топливом теплота линейно зависит от нагрузки. Потери q₅ при отклонении нагрузки D от номинальной D_н составляет, %,

. (2.62)

Эти потери теплоты зависят от качества изолирующих материалов, их толщины, состояния и величины наружных поверхностей, приходя-
щихся на единицу теплопроиз-
водительности агрегата. Чем больше производительность агрегата, тем меньше приходится на единицу теплопроизводительности ограждаю-
щих поверхностей и тем ниже потери (рис. 2.5).

Потери теплоты от наружного охлаждения, приходящиеся на долю отдельных газоходов, можно определить путем введения в формулы для определения теплоты, отдаваемой поверхностям нагрева, коэффициента сохранения теплоты, равного

. (2.63)

Потери с физической теплотой шлакаравны

, (2.64)

где t_шл = 600 °С – температура шлаков при их удалении в сухом виде и t_шл = t_з +100 °С – температура шлаков при их удалении в жидком виде; t_з – температура жидкоплавкого состояния золы; с_шл – теплоемкость шлака.

Если известны все потери парового или водогрейного котла, то его КПД по уравнению обратного баланса составляет

. (2.65)

При тепловом расчете парового или водогрейного котла тепловой баланс составляется для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива, который для твердого топлива можно определить по выражению

; (2.66)

для газа и мазута

, (2.67)

где В – расход топлива, подаваемого в топку котла, кг/с; Q_п – полезно использованная теплота, МВт.