6. 1. Расчётный тепловой баланс и расход топлива

6.1.1. Расчёт потерь теплоты

При работе водогрейного (или парового) 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 . 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:

, (6.1)

где  располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³; Q₁  полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воде, кДж/кг или кДж/м³; Q₂, ‑ 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:

. (6.2)

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 (q_a) 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, оставшееся в топке, за 100 %, то золовой баланс топки может быть представлен уравнением

а_пр + а_шл + а_ун = 100, (6.3)

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 от нее.

Потеря теплоты от наружного охлаждения (q₅) обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху. Потеря теплоты от наружного охлаждения зависит от теплопроводности обмуровки, её 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:

, (6.4)

где I_ух − энтальпия уходящих газов, определяется по таблице 6.5 при соответствующих значениях _ух и выбранной температуре уходящих газов, кДж/кг или кДж/м³; − энтальпия теоретического объема холодного воздуха, определяется при t_в=30 ⁰С по формуле (6.5), кДж/кг или кДж/м³; _ух  ‑  коэффициент избытка воздуха в уходящих газах, берется из табл. 4.3 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 таблицам 6.1, 6.2, 6.3, 6.4).

Таблица 6.1

Расчетные характеристики слоевых топок с пневмомеханическими

забрасывателями и неподвижной колосниковой решеткой

Топливо	Удельная нагрузка		Потеря теплоты от неполноты сгорания, %		Доля золы топлива в уносе*, %	Воздух, подаваемый под решетку
	зеркала горения, кВт/м2	топоч-ного объема, кВт/м5	химической	механи-ческой*		Давле-ние рв, Па	Темпе-ратура tв, 0С
Донецкий антрацит АС и AM (Aп=0,5)	930-1160	230-250	0,5-1,0	13,5/10	10	1000	25 или 150-200
Каменные угли:						800
типа кузнецких Г и Д (Aп=0,3)				5,5/3	16/7
типа донецких Г и Д (Aп=0,8)				6,5/4,5	13/6
типа кузнецких 1СС (Aп=0,4)				11/5	16/7
Бурые угли:	930-1160			6/3	22/9,5
типа ирша-бородннского (Wп=2,1; Ап=0,4)
типа артемовского (Wп=1,8)				5,5/4	15/7
типа веселовского (Wп=20; Ап=1,5)				8/6,5	12,5/5,5
типа харанорского (Wп=3,2; Ап=0,7)				7,5/5	15/7
типа подмосковного (Wп=3,0; Ап=2,1)	810-1040			9/7,5	10,5/5
* Числитель – для топок, на оборудованных средствами уменьшения уноса, знаменатель – для топок с острым дутьём и возвратом уноса. Примечание. Меньшие значения параметров для паровых котлов производительностью D>10 т/ч.

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

, (6.5)

Потеря теплоты от химической и механической неполноты го­рения для различных топок и топлив принимается из таблиц 6.1 − 6.4.

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

для парового котла:

; (6.6)

для водогрейного котла

, (6.7)

где q_5ном и − потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового и водогрейного котла, определяются по таблицам 6.5 и 6.6 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.

Таблица 6.2

Расчетные характеристики слоевых топок с пневмомеханическими

забрасывателями и цепной решеткой обратного хода

Топливо	Удельная нагрузка		Потери теплоты от неполноты сгорания, %		Доля золы топлива в уносе*	Воздух, подаваемый под решетку
	зеркала горения, кВт/м2	топоч-ного объема, кВт/ма	химической	меха-ничес-кой*		Давле­ние рв, Па	Темпе-ратура tв, 0С
Каменные угли: типа кузнецких Г и Д (Ап=0,3)	1400-1740	290-460	0,5-1,0	5,5/3	20/9	500	25 или 150-200
типа донецких Г и Д (Ап=0,8)				6/3,5	17/7,5
типа сучанского (Ап=1,4)	1400-1620			7,5/5,5	11/5
типа кузнецкого 1СС (Ап=0,4)				11/5	20/8
Бурые угли: типа ирша-бородинского (Wп=2,1; Ап=0,4)	1400-1740			6/3	27/12		150-200
типа артемовского (Wп=1,8; Ап=1,0)				5,5/4	19/8,5
типа веселовского (Wп=2,0;Ап=1,5)				7,5/5,5	15/7
типа харанорского (Wп=3,2; Ап=0,7)				7/4	19/8,5
типа подмосковного (Wп=3,0; Ап=2,1)	1160-1400			7,5/5	11/5
*Числитель – для топок, на оборудованных средствами уменьшения уноса, знаменатель – для топок с острым дутьём и возвратом уноса. Примечание. Меньшие значения параметров для паровых котлов производительностью D>10 т/ч.

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

; (6.8)

при этом

; (6.9)

, (6.10)

где доля золы в топливе, перешедшей в шлак а_шл = 1 – а_ун; а_ун принимается по таблицам 6.1, 6.2 или 6.3 в зависимости от способа сжигания топлива; (с)_зл ‑ энтальпия золы, кДж/кг; определяется по таблице 5.4 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.

Таблица 6.3

Расчетные характеристики шахтных топок с наклонной решеткой

и топок скоростного горения

Величина	Шахтные топки с наклонной решеткой		Топки скоростного горения
	Торф кусковой Wр=40% Ар=0,6%	Древес-ные отходы, Wр=50%	Рубленая щепа, Wр=50%	Дробленые отходы и опилки, Wр=50%
Удельная нагрузка зеркала горения*, кВт/м2	1280	580	5800-6960	2320—4640
Удельная нагрузка топочного объема, кВт/м3	230-350
Потеря теплоты от неполноты горения, %
химической	2	2	1	1
механической**	2	2	2	4/2
Давление воздуха под решеткой, Па	2600	800	700	1000
Температура дутьевого воздуха, °С	200-250
* Меньшее значение – для парогенераторов с D<10 т/ч. ** Числитель для топок, не оборудованных средствами уменьшения уноса.

Таблица 6.4.

Расчетные характеристики шахтных топок с наклонной решеткой

и топок скоростного горения

Топливо	Удельная нагрузка топочного объема, кВт/м3, для котлов Производительностью (т/ч)				Потери от неполноты горения, %					Доля золы топлива в уносе, %
					Механической для котлов производительностью, т/ч				Химичес-кой
	25	35	50	75-400	25	35	50	75-400
Антрацитовый штыб и полуантрациты Тощие угли	- -	- -	- -	140 160	- -	- -	- -	6-4 2	0	95
Каменные угли Бурые угли Фрезерный торф	255 290 255	210 245 210	185 210 185	175 185 160	5	3	2-3	1-1,5	0-0,5
					3	1,5-2	1-2	0,5-1
Мазут Природный газ	405 465			350 350	0				0,5	-
* Меньшие потери теплоты от механической неполноты горения принимаются при сжигании полуантрацитов и топлив с Ап<1,4. ** Большие потери теплоты от химической неполноты горения принимаются для котлов с D<75 т/ч.

Таблица 6.5.

Потеря теплоты от наружного охлаждения парового котла

Номинальная производительность котла, кг/с (т/ч)		Потеря теплоты, %
		Собственно котел	Котел с хвостовыми поверхностями
0,55	(2)	3,4	3,8
1,11	(4)	3,1	2,9
1,67	(6)	1,6	2,4
2,22	(8)	1,2	2,0
2,78	(10)	–	1,7
4,16	(15)	–	1,5
5,55	(20)	–	1,3
8,33	(30)	–	1,2
11,11	(40)	–	1,0
16,66	(60)	–	0,9
22,22	(80)	–	0,8
27,77	(100)	–	0,7
55,55	(200)	–	0,6
83,33	(300)	–	0,5

Таблица 6.6.

Потеря теплоты от наружного охлаждения водогрейного котла (ориентировочно)

Номинальная мощность котла, МВт	1	2	3	5	10	20	30	40	60	100
Потеря, %	5	3	2	1,7	1,5	1,2	1,0	0,9	0,7	0,5