Тепловой баланс н энергетическая характеристика котлоагрегата

Тепловой баланс котла выражает закон сохранения энергии и представляет собой равенство между подводимой и отводимой теп­лотой. Расчет энергобаланса основывается на равновесии рабочих средств по газовому и водопаровому тракту.

Количество теплоты, внесенное в топку топливом

Приходная часть энергобаланса определяет количество энергии, поступившей в котлоагрегат с химической энергией сжигаемого топ­лива (Q^Р_Н), с физической теплотой топлива (О_Т) и воздуха (Q_В), а так­же внесенное в топку с паром (Q_Ф) при паровом распыле топлива:

где В - расход топлива, кг/с;

с, - теплоемкость топлива, ккал/(кгтрад);

t_T - температура топлива, °С.

Теплота, внесенная в топку с воздухом, нагретым вне котлоаг-

регата

Q_В =V_BC_Вt_В (4.11)

где V_B - объем воздуха, необходимый для горения топлива, м³;

С_в - объемная теплоемкость воздуха, ккал/(м³-град);

t_В - температура воздуха, °С.

Теплота, внесенная в топку с паровым дутьем или паром, по­даваемым на распыл жидкого топлива в форсунки

где i - энтальпия насыщенного или перегретого пара, ккал/кг;
i_пв - энтальпия питательной воды, ккал/кг;

Д - паропроизводительность котлоагрегата, кг/ч.

Наибольшую составляющую потерь теплоты с уходящими га­зами принято определять по разности энтальпии продуктов сгорания (J_ух) и холодного воздуха, подаваемого на горение топлива (J_хв):

Q₂ = (J_ух – J_хв) K_Q4 (4.16)

где Д_ф - расход пара, кг/кг топлива;

i - энтальпия пара, ккал/кг.

При отсутствии подогрева топлива и воздуха вне котлоагрега-та и расхода пара на распыл топлива и дутье

Расходная часть энергетического баланса включает в себя те­плоту, полезно использованную на производство пара или горячей воды (Q₁), и потери с уходящими газами (Q₂) вследствие химиче­ского (Q₃) и механического (Q₄) недожога топлива в окружающую среду (Q₅) с физической теплотой удаляемых шпаков (Q₆):

Когда котел вырабатывает теплоноситель в виде горячей во­ды, подводимая теплота полезно расходуется на подогрев пита­тельной (сетевой) воды от температуры (t_хв), которую она имеет на входе, до расчетной (t_гв) на выходе

Q₁ = G(t_гв - t_хв) (4.14)

где G - расход воды через котел, кг/ч.

В паровых котлоагрегатах полезно использованное количе­ство теплоты расходуется на подогрев питательной воды до тем­пературы насыщения и на превращение ее в насыщенный или пе­регретый пар:

Здесь J_ух = V_ух C_ух t_ух - энтальпия уходящих газов, которая зависит от состава, объема (V_yx), теплоемкости (С_ух) и температуры (t_ух) уходящих из котла газов;

J_хв = V_в C_в t_в - теплосодержание холодного воздуха, которое за­висит от объема (V_в), теплоемкости (C_в) и температуры (t_в) воздуха;

K_Q4 = (1 - 0,01q₄) - коэффициент, учитывающий потери от ме­ханического недожога твердог о топлива.

Из приведенного соотношения (4.16) видно, что уменьшить потери с уходящими газами можно за счет поддержания оптималь­ного коэффициента избытка воздуха и повышения температуры воздуха.

Потери теплоты вследствие химической неполноты горения
определяются по концентрации (наличию) в уходящих газах горю­
чих компонентов топлива СО, Н и СН4:

где V_CT - объем сухих газов, м;

СО, Н и СН₄ - содержание в уходящих газах окиси углерода, водорода и метана, %;

30,2; 25,8 и 85,6 - объемная теплота сгорания соответствую­щих газов, ккал/м .

Эти потери зависят от вида топлива, совершенства топливо-сжигающих устройств и коэффициента избытка воздуха.

Потери теплоты вследствие механического недожога топлива обусловлены наличием невыгоревшего топлива в шлаке (Q_{4 шл}), провале (Q_{4 пр}) и уносе (Q_{4 ун})

Данный вид потерь теплоты характерен только для сжигания твердого топлива, особенно в слоевых тогошвосжигающих устройствах, и зависит от состава топлива и способа его сжигания.

Потери теплоты в окружающую среду зависят от конструкции ограждения котла, степени экранирования топки, температуры га­зов в топке и других факторов:

Q₅ =F k (t_нn – t_хв), (4.19)

где F- общая наружная поверхность котла, м²;

к - коэффициент теплопередачи через ограждающие конст­рукции котла, ккал/(м³-град);

t_нn , t_хв - температура соответственно наружной поверхности и окружающего воздуха, °С.

Потери с физической теплотой шлаков характерны только для процесса сжигания твердых тоилив:

где а_шя - доля золы в шлаке,

С_шл - средняя теплоемкость шлаков в интервале температур от 0°С до t_ШЛ, ккал/(кг-град);

А^р - зольность рабочей массы топлива, %.

Отношение полезно использованной теплоты к подведенной определяет коэффициент полезного действия котла (брутто):

Расчет КПД но прямому балансу требует определения расхода топлива и выработки теплоты, что не всегда выполнимо в эксплуа­тационных условиях. Поэтому на практике используют метод об­ратного баланса, все составляющие которого отнесены .к распола­гаемому количеству теплоты Q_p:

где q₂, q₃, q₄, q₅, q₆ - относительные потери теплоты в долях от располагаемой теплоты.

Тогда КПД котла (брутто):

Таким образом, по величине потерь теплоты можно рассчи­тать КПД котлоагрегата, зная который можно определить и расход топлива при той или иной производительности котла:

абсолютный

удельный

Тепловой баланс отражает статическую характеристику кот­лоагрегата. Однако в процессе эксплуатации тепловая нагрузка из­меняется, и в соответствии с этим изменяются все показатели, ха­рактеризующие эффективность функционирования котлоагрегатов (рис. 4.5). Поэтому для расчетов и выбора режима работы котлоаг­регатов и котельных установок необходимо знать энергетические характеристики оборудования, отражающие зависимость расхода топлива от нагрузки В = f(Q).

Кроме расходных характеристик, важную роль играют харак­теристики удельных расходов b = f(Q), относительных приростов dB / dQ, коэффициента избытка воздуха α = f(Q) и отдельных со­ставляющих потерь теплоты q_i = f(Q), температура перегрева пара t_ne = f(Q) и уходящих газов t_ух = f(Q),

Энергетические характеристики строят по результатам испы­таний котлоагрегатов. На основании анализа этих характеристик делают выводы и дают рекомендации для выбора оборудования, режима эксплуатации, повышения надежности и эффективности работы котельных установок.

Рис. 4.5. Энергетическая характеристика котлоагрегата, отражающая зависимости: 1) расхода топлива В = f(Q), потери тепла с ухо­дящими газами q₂ = f(Q) и q₅ = f(Q) в окружающую среду; 3) температуры дымовых газов t_ух = f(Q) и коэффициента избытка воздуха α = f(Q);

4) температуры питательной воды t_пв = f(Q) и коэффициента полезного действия η = f(O) от теплопроизводительности Q

снабжения с учетом затрат по источнику теплоты, тепловым сетям и установкам потребителей. В городских (коммунальных) системах теплоснабжения экономически выгодно использовать в качестве теплоносителя горячую воду под давлением с температурой до 180°С.-В промышленных системах при небольшой нагрузке ото­пления и вентиляции рекомендуется использование пара.

Тепловой мощностью котельной считается максимальный ча­совой отпуск теплоты потребителям (Q) по всем видам теплоноси­теля. Поэтому тепловая мощность промышленно-отопительных ко­тельных определяется суммой максимально-часовых расходов теп­лоты на технологические цели (Q_T), на отопление п вентиляцию при максимальнозимнем режиме Q _0+B и среднечасовых расходов тепло­ты на горячее водоснабжение (Q '_гвс) - при открытых и максималь­но-часовых (Q "_гвс) при закрытых системах теплоснабжения, с уче­том расхода теплоты на собственные нужды (Q_CH) и потери в теп­ловых сетях (Q _П):

Кроме того, различают установленную, рабочую и резервную
мощность котельной. Установленной мощностью (Q_y) считается
суммарная мощность котельной при номинальной нагрузке (мощ­-
ности Q_H) всех установленных котлоагрегатов: