4. Расчетный тепловой баланс и расход топлива

4.1. Расчет потерь теплоты

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, называют располагаемой теплотой и обозначают Q^p_р. Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, должно существовать равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или 1 м³ газа при нормальных условиях имеет вид

Q^p_р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆,

где Q^p_р — располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³;

Q₁— полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воде, кДж/кг или кДж/м³;

Q₂, Q₃, Q₄, Q_5, Q₆ — потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения, от физической теплоты, содержащейся в удаляемом шлаке, плюс потери на охлаждение панелей и балок, не включенных в циркуляционный контур котла, кДж/кг или кДж/м³.

Тепловой баланс котла составляется применительно к установившемуся тепловому режиму, а потери теплоты выражаются в процентах располагаемой теплоты:

q_i=Q_i/Q^p_р.

Потеря теплоты с уходящими газами (q₂) обусловлена тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котельный агрегат, значительно выше температуры окружающего атмосферного воздуха. Потеря теплоты с уходящими газами зависит от вида сжигаемого топлива, коэффициента избытка воздуха в уходящих газах, температуры уходящих газов, чистоты наружных и внутренних поверхностей нагрева, температуры воздуха, забираемого дутьевым вентилятором.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (q₃) обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов СО, Н₂, СН₄. Потеря теплоты от химической неполноты горения зависит от вида топлива и содержания в нем летучих, способа сжигания топлива и конструкции топки, коэффициента избытка воздуха в топке, от уровня и распределения температуры в топочной камере, организации смесеобразовательных процессов в топке (горелке и топочной камере).

Потеря теплоты от механической неполноты горения (q₄) наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц. Очаговые остатки в основном состоят из золы, содержащейся в топливе, и твердых горючих частиц, не вступивших в процессы газификации и горения. Считается, что твердые горючие частицы представляют собой чистый углерод.

Очаговые остатки покидают топку с провалом, шлаком и уносом. Вся зола (А^р), содержащаяся в топливе при слоевом сжигании, может перейти частично в провал, шлак и унос. Следовательно, если принять количество золы, поступившее в топку, за 100 %, то золовой баланс топки может быть представлен уравнением

а_пр + а_шл + а_ун = 100,

где а_пр, а_шл, а_ун — доля золы топлива, перешедшая в провал, шлак, унос, %.

Потеря теплоты от механической неполноты горения зависит от вида сжигаемого топлива и его фракционного состава, форсировки колосниковой решетки и топочного объема, способа сжигания топлива и конструкции топки, коэффициента избытка воздуха. При слоевом сжигании топлива потеря (q₄) зависит также от зольности топлива, а при факельном сжигании не зависит.

Потеря теплоты от наружного охлаждения (q₅) обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру. Потеря теплоты от наружного охлаждения зависит от теплопроводности обмуровки, ее толщины, поверхности стен, приходящейся на единицу паропроизводительности парового или теплопроизводительности водогрейного котла.

Потеря (q₆) в виде физической теплоты шлаков имеет место при жидком шлакоудалении, а иногда и при сухом, если сжигается высокозольное топливо. В некоторых конструкциях слоевых топок имеются панели и балки, охлаждаемые водой, которая не используется и сбрасывается в канализацию, что приводит к потере теплоты. У современных паровых и водогрейных котлов панели и балки, охлаждаемые водой, обычно включаются в циркуляционный контур котла. Поэтому в современных агрегатах эта потеря отсутствует.

Потеря теплоты с уходящими газами определяется по формуле

q₂=(I_ух-α_ух I⁰ _х.в.)(100-q₄)/Q^р_р,

где I_ух — энтальпия уходящих газов, определяется по табл. 13 при соответствующих значениях α_ух и выбранной температуре уходящих газов, кДж/кг или кДж/м³;

I⁰ _х.в. — энтальпия теоретического объема холодного воздуха, определяется при t_B = 30°С по формуле (I⁰ _х.в. =39,8V⁰), кДж/кг или кДж/м³;

α_ух — коэффициент избытка воздуха в уходящих газах, берется в сечении газохода после последней поверхности нагрева;

q₄ — потеря теплоты от механической неполноты горения (для газа и мазута q₄ = 0. для твердого топлива в зависимости от типа топочного устройства принимается по табл. 14-17), %.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха при температуре 30 °С (кДж/кг или кДж/м³):

I⁰ _х.в. =39,8V⁰

Потеря теплоты от химической и механической неполноты горения для различных топок и топлив принимается из табл. 14— 17.

Потеря теплоты от наружного охлаждения (в %) определяется по формулам:

для парового котла:

q₅ = q_5ном (D _ном /D)

для водогрейного котла:

q₅^в.к = q ^в.к _5ном (N _ном /N),

где q_5ном и q ^в.к _5ном — потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового и водогрейного котла, определяются по табл. 18 и 19 соответственно;

D _ном — номинальная нагрузка парового котла, т/ч;

D — расчетная нагрузка парового котла, т/ч;

N _ном — номинальная мощность водогрейного котла, МВт;

N — расчетная мощность водогрейного котла, МВт.

Потеря в виде физической теплоты шлаков и потеря от охлаждения балок и панелей топки, не включенных в циркуляционный контур котла, определяется по формулам (%):

q₆= q_6шл + q_{6 охл,}

при этом q_6шл =α_шл (сΰ)_зл А^p/ Q^p_р;

q_6охл =116,6Н_охл/ Q_к,

где доля золы в топливе, перешедшей в шлак α_шл = 1 — α_ун принимается по табл. 19, 20 или 21 в зависимости от способа сжигания топлива;

(сΰ)_зл — энтальпия золы, кДж/кг, определяется по табл. 13а для температуры золы (шлака) 600°С при сухом шлакозолоудалении;

Н_охл — лучевоспринимающая поверхность балок и панелей, м² (для панелей в расчет принимается только боковая, обращенная в топку поверхность);

Q_к — полезная мощность парового или водогрейного котла.

Расчетные характеристики шахтных топок с наклонной решеткой и топок скоростного горения.

Таблица 19.

Таблица 20. Расчетные характеристики слоевых топок с пневмомеханическими забрасывателями и неподвижной колосниковой решеткой

Таблица 21. Расчетные характеристики слоевых топок с пневмомеханическими забрасывателями и цепной решеткой обратного хода

Таблица 22. Расчетные характеристики камерных топок при сжигании газа, мазута и пылевидного топлива с твердым шлакоудалением

Таблица 23. Потеря теплоты от наружного охлаждения парового котла

Таблица 24. Потеря теплоты от наружного охлаждения водогрейного котла (ориентировочно)