ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ КОТЛОВ
Статьи использования (расхода) выделившейся в топочной камере тепловой энергии в расчете на 1 кг (м3) сожженного топлива, кДж/кг (м3), обычно нумеруют цифрами. Та часть теплоты, которая затрачивается на подогрев и испарение воды в трубах поверхностей нагрева, а также на перегрев пара, составляет полезно использованное количество теплоты в
паровом котле исп, или 1, и определяется повышением энтальпии рабочего
тела (вода, пар) при прохождении поверхностей нагрева: |
|
||||||||||
= |
пе |
|
− |
+ |
вт |
′′ |
− ′ |
+ |
пр |
′ − |
, |
|
|
|
|||||||||
1 |
к |
п.п |
п.в |
|
|
вт |
вт |
|
|
п.в |
|
|
|
|
|
к |
|
|
к |
|
|||
где пе, вт – расход свежего и вторично-перегретого пара на турбину, кг/с;пр – расход продувочной воды из барабана котла с естественной или принудительной циркуляцией для поддержания заданного солевого режима в контурах циркуляции, кг/с; п.п, п.в, ′ – энтальпия перегретого пара, питательной воды, поступающей в экономайзер котла, и воды на линии насыщения при давлении в барабане, кДж/кг; вт′′ , вт′ – энтальпия вторичноперегретого пара на выходе из промежуточного перегревателя и пара и входе в него, кДж/кг; к – расход сжигаемого топлива, кг/с или м3/с.
Для прямоточных котлов слагаемое, выделенное красным цветом,
отсутствует.
21
Остальная часть выделившейся теплоты составляет различные тепловые потери, сопутствующие работе парового котла:
2 – с теплотой уходящих из котла продуктов сгорания;3 – с химическим недожогом топлива (газовые горючие компоненты);
4 – с механическим недожогом топлива (твердые несгоревшие частицы);5 – с рассеянием теплоты через внешние ограждения (тепловую изоляцию);6 – с физической теплотой удаляемого из топки шлака.
В итоге уравнение теплового баланса котла запишем в следующем виде:
р = |
|
|
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ . |
р |
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Использованное тепло |
|
|
Тепловые потери |
|
||||
Полезно использованное количество теплоты складывается из |
||||||||
тепловосприятий отдельных поверхностей нагрева котла: |
|
|||||||
|
= |
+ к |
+ |
+ |
, |
|
||
1 |
т.к |
|
пе |
|
вт |
эк |
|
|
где т.к − тепловосприятие рабочей среды в поверхностях топочной камеры, кДж/кг; кпе , вт − тепловосприятие пара в конвективных поверхностях основного и промежуточного перегревателей, кДж/кг; эк − тепловосприятие экономайзера, кДж/кг.
Для газомазутных котлов слагаемые, выделенные красным цветом,
отсутствуют.
22
Если отнести все расходные статьи теплового баланса к значению рр, получим относительные доли затрат теплоты в
процентах:
= 100 ∙
рр
где – любая из абсолютных затрат теплоты. Используя относительные значения затрат теплоты, уравнение теплового баланса можно записать так:
100 = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6.
23
Полнота передачи располагаемой теплоты топлива в котле к рабочей среде определяется коэффициентом полезного действия (КПД) котла брутто. Последний выражается как отношение количества теплоты, воспринятого рабочей средой 1 к
располагаемому теплу поступающей на горение рабочей массы |
||
топлива р. |
|
|
р |
|
|
к = |
100 ∙ 1 |
|
р |
|
|
|
|
|
|
р |
|
Такой метод определения КПД, когда при испытаниях котла непосредственно устанавливают значения 1 и рр , называют
методом прямого баланса.
Коэффициент полезного действия котла брутто в процентах можно определить, установив сумму тепловых потерь при его работе:
к = 1 − 2 + 3 + 4 + 5 + 6 .
Такой метод определения называют методом обратного баланса.
24
Зная тепловые потери, а, следовательно, КПД брутто
котла, можно определить расход топлива на котел, кг/с:
− |
+ ′′ |
− ′ |
+ − |
= пе пп пв |
вт вт |
вт |
пр кип п.в |
|
рр к |
|
|
Для прямоточных котлов слагаемое, выделенное
красным цветом, отсутствует.
25
АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
Потеря теплоты с уходящими газами. Потеря теплоты с уходящими газами является наибольшей. Относительное значение этой потери, %, определяют, как
2 = 2Р ∙ 100,
Р
где 2 − абсолютное значение потери, кДж/кг:
2 = ух − ух х0.в ∙ 1 − 0,014 .
Здесь ух – энтальпия уходящих газов, кДж/кг; х0.в – энтальпия теоретически необходимого объема холодного воздуха, кДж/кг. Первый сомножитель характеризует превышение энтальпии уходящих газов над энтальпией поступающего в котел организованного и неорганизованного воздуха, второй – вводит поправку на полноту сгорания топлива. Значение потерь с уходящими газами 2 определяется прежде всего энтальпией газовух, т.е. зависит от температуры этих газов ух и их объема, характеризуемого избытком воздуха ух.
Снижение температуры уходящих газов на 15–20°С приводит к уменьшению потери 2 и к росту КПД котла примерно на 1%.
26
Характерные зависимости оптимальной температуры уходящих газов ухопт от определяющих факторов приведены на рисунке. Оптимальная температура существенно зависит от стоимости топлива и его качества, прежде всего от влажности. Чем выше цена топлива, тем при прочих равных условиях больше стоимость сэкономленного топлива, что окупает более развитую поверхность
нагрева и тем самым позволяет иметь более низкую температуру уходящих газов.
Рис. Зависимость оптимальной температуры уходящих газов от стоимости поверхностей и стоимости сжигаемого топлива
1 − затраты на поверхности нагрева; 2 н 2' − затраты на дорогое и дешевое топливо; 3 и 3' – суммарные расчетные затраты при дорогом и дешевом топливе
Практически расчетные значения ух при проектировании паровых котлов составляют от 120
до 160°С.
При выборе ух учитывается также возможность коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева, главным образом воздухоподогревателя. Поэтому при сжигании высокосернистых топлив ( р > 2%) идут на повышение температуры уходящих газов до 140−160°С с одновременным
подогревом поступающего в воздухоподогреватель воздуха до 60−80°С. |
27 |
Потеря теплоты с химическим недожогом топлива. В продуктах сгорания топлив могут находиться газообразные горючие компоненты СО, Н2, СН4. Их догорание за пределами топочной камеры практически невозможно вследствие недостаточно высокой температуры газов и низкой концентрации как горючих компонентов, так и кислорода. Теплота, потерянная в результате недогорания газообразных горючих веществ, составляет химический недожог топлива, 3, кДж/кг. Расчет потерь теплоты3, %, производят по формуле
|
= 126,4СО + 108Н |
|
+ 358,2CH |
|
Vс.г 100 − q4 |
, |
|
|
|
||||
3 |
|
2 |
|
4 |
Qрр |
|
где СО, Н2, СН4 − объемные содержания продуктов неполного сгорания топлива по отношению к сухим газам, %; Vс.г − объем сухих газов, м3/кг; 100 − q4 − полнота сгорания твердой части топлива, %; цифры перед обозначением газов СО, Н2, СН4 − уменьшенная в 100 раз теплота сгорания 1 м3 соответствующих газов, кДж/м3.
Химический недожог при сжигании газового и жидкого топлив составляет3 = 0 ÷ 0,5%, а при сжигании твердого топлива, как правило, очень мал и принимается равным нулю. В эксплуатации он определяется главным образом содержанием в продуктах сгорания СО и в меньшей мере Н2. Наличие в составе продуктов сгорания
СН4 свидетельствует о ненормальности организации процесса горения. |
28 |
Потери теплоты с химическим недожогом сильно зависят от коэффициента избытка воздуха и нагрузки котла. В условиях полного перемешивания топлива с кислородом (1) химический недожог может иметь место только при α < 1. В реальных условиях (2) при полной нагрузке наличие химического недожога при α = 1 определяется несовершенством перемешивания топлива с воздухом. При коэффициенте избытка
воздуха, названном |
критическим αкр, |
химический недожог не |
возникает. Обычно |
αкр = 1,02 ÷ 1,03 |
и характеризует, |
таким образом, степень |
аэродинамического |
несовершенства горелочного устройства. При работе парового котла на пониженной нагрузке (3) снижаются скорости выхода топлива и воздуха из горелок, тем самым уменьшается энергия перемешивания потоков, несколько снижается уровень температур в зоне горения, что также ведет к росту химического недожога топлива.
Потери теплоты с химическим недожогом топлива |
29 |
|
Потеря теплоты от наружного охлаждения. Эта потеря определяется
тем, что обмуровка и обшивка котла и его элементы: барабан, коллекторы,
трубопроводы, имея более высокую температуру, чем температура окружающего воздуха, отдают ему часть теплоты. В общем виде потерю 5,
кДж/кг, можно выразить следующей формулой:
|
= |
ст |
|
|
+ |
|
− |
|
, |
|
к |
|
|||||||
5 |
|
р |
|
л |
ст |
окр |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ст − наружная поверхность |
|
стен |
котла и |
его высокотемпературных |
|||||
элементов, м2; к, л − коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением,
кВт/(м2 ∙ К); ст , окр − соответственно средняя температура поверхности теплоотдающих стен и температура окружающего воздуха, °С.
Согласно ПТЭ внешние поверхности котла и его элементов должны иметь изоляцию, обеспечивающую температуру ст не выше 55°С.
30