7260
.pdf91
теплового баланса котельного агрегата является определение всех приходных и расходных статей баланса; расчёт КПД котельного агрегата, анализ расходных статей баланса с целью установления причин ухудшения работы котельного агрегата.
Вкотельном агрегате при сжигании топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Выделившаяся теплота топлива расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие тепловых потерь.
Всоответствии с законом сохранения энергии между приходом и расходом теплоты в котельном агрегате должно существовать равенство, т. е.
Для котельных установок тепловой баланс составляют на 1кг твёрдого или жидкого топлива или 1м3 газа, находящегося при нормальных условиях
( ). Статьи прихода и расхода в уравнении теплового баланса имеют размерность МДж/м3для газообразного и МДж/кг для твёрдого и жидкого топлива.
Поступившая в котельный агрегат теплота от сжигания топлива
называется также располагаемой теплотой, её обозначают .В общем случае приходная часть теплового баланса записывается в виде:
где низшая теплота сгорания твёрдого или жидкого топлива на рабочую массу, МДж/кг;
92
низшая теплота сгорания газообразного топлива на сухую массу, МДж/м3;
физическая теплота топлива;
физическая теплота воздуха;
теплота, вносимая в топку котла с паром.
Рассмотрим составляющие приходной части теплового баланса. В расчётах принимается низшая рабочая теплота сгорания в том случае, если температура продуктов сгорания, покидающих котёл, выше температуры конденсации водяного пара (обычно tг = 110…120 0С). При охлаждении же продуктов сгорания до температуры, при которой на поверхности нагрева возможна конденсация водяных паров, расчёты следует выполнять с учётом
высшей теплоты сгорания топлива Физическая теплота топлива равна:
где ст – |
удельная теплоёмкость топлива, |
для мазута |
и |
для газа; |
|
tт – температура топлива, 0С.
При поступлении в котёл твёрдое топливо имеет обычно малую температуру, приближающуюся к нулю, поэтому Qф.т. невелика по значению, и ей можно пренебречь.
Мазут (жидкое топливо) для снижения вязкости и улучшения распыления поступает в топку подогретым до температуры 80…120 0С,
93
поэтому его физическая теплота учитывается при выполнении расчётов. При этом теплоёмкость мазута может быть определена по формуле:
Учёт Qф.т. проводится только при сжигании газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (например, доменного газа) при условии его подогрева (до 200…300 0С). При сжигании газообразного топлива с высокой теплотой сгорания (например, природного газа) имеет место, повышенное соотношение массы воздуха и газа (примерно 10 1). В этом случае топливо
– газ обычно не подогревают.
Физическая теплота воздуха Qф.в. учитывается лишь при подогреве его вне котла за счёт постороннего источника (например, в паровом калорифере или в автономном подогревателе при сжигании в нём дополнительного топлива). В этом случае теплота, внесённая воздухом равна:
где |
отношение количества воздуха на |
входе в котёл |
(воздухоподогреватель) к теоретически необходимому; |
|
|
|
энтальпия теоретически необходимого подогретого перед |
|
воздушным подогревателем воздуха, |
: |
|
|
|
, |
|
здесь |
температура |
подогретого |
воздуха |
перед |
воздухоподогревателем котельного агрегата, 0С;
94
энтальпия теоретически необходимого холодного
воздуха, |
: |
Теплота, вносимая в топку котла с паром, при паровом распылении мазута учитывается в виде формулы:
где Gп – расход пара, |
кг на 1 кг топлива (при паровом распыливании |
мазута Gп = 0,3…0,35 кг/кг); |
|
hп – энтальпия пара, |
МДж/кг;2,51 – примерное значение энтальпии |
водяного пара в продуктах сгорания, покидающих котельный агрегат, МДж/кг.
При отсутствии подогрева топлива и воздуха от посторонних источников располагаемая теплота будет равна:
Расходная часть теплового баланса включает в себя полезно используемую теплоту Qпол в котельном агрегате, т.е. теплоту, затраченную
на выработку пара (или горячей воды), и разные тепловые потери
, т.е.
,
,
где Qу.г. – потери теплоты с уходящими газами;
Qх.н., Qм.н. – потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива;
95
– потери теплоты от наружного охлаждения внешних ограждений
котла;
– потеря с физической теплотой шлаков;
– расход (знак «+») и приход (знак «-») теплоты, связанный с неустановившимся тепловым режимом работы котла. При установившемся тепловом состоянии Qакк. = 0.
Итак общее уравнение теплового баланса котельного агрегата при установившемся тепловом режиме можно записать в виде:
Если обе части представленного уравнения разделить на и умножить на 100%, то получим:
где |
слагаемые расходной части теплового баланса, %. |
Потеря теплоты с уходящими газами возникает из-за того,
что физическая теплота (энтальпия) газов покидающих котёл при температуре tу.г., превышает физическую теплоту поступающих в котёл
воздуха αу.г. |
и топлива ст tт. Разница между энтальпией уходящих |
газов и теплотой, поступившей в котёл с воздухом из окружающей
среды αу.г. , представляет собой потерю теплоты с уходящими газами, МДж/кг или (МДж/м3):
.
96
Потеря теплоты с уходящими газами занимает обычно основное место среди тепловых потерь котла, составляя 5…12% располагаемой теплоты топлива. Эти потери теплоты зависят от температуры, объёма и состава продуктов сгорания, которые, в свою очередь, зависит от балластных составляющих топлива:
Отношение , характеризующее качество топлива, показывает относительный выход газообразных продуктов сгорания (при α = 1) на единицу теплоты сгорания топлива и зависит от содержания в нём балластных составляющих (влаги Wр и золы Ар для твердого и жидкого топлива, азота N2, диоксида углерода СО2 и кислорода О2 для газообразного топлива). С увеличением содержания в топливе балластных составляющих, и,
следовательно, , потеря теплоты с уходящими газами соответственно возрастает.
Одним из возможных направлений снижения потери теплоты с уходящими газами является уменьшение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах αу.г, который зависит от коэффициента расхода воздуха в
топке и балластного воздуха, присосанного в газоходы котла, находящиеся обычно под разряжением:
Возможность уменьшения α, зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок и толочного устройства. При благоприятных
97
условиях смешения топлива и воздуха избыток воздуха , необходимый для горения, может быть уменьшен. При сжигании газообразного топлива
коэффициент избытка воздуха принимают |
|
1,1, при сжигании |
|
||
мазута =1,1…1,15. |
|
|
Присосы воздуха по газовому тракту котла |
|
в пределе могут быть |
сведены нулю. Однако полное уплотнение мест прохода труб через обмуровку, уплотнение лючков и гляделок затруднено и практически
=0,15..0,3.
Балластный воздух в продуктах сгорания помимо увеличения потери теплоты Qу.г. приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.
Другим важнейшим фактором, влияющим на величину Qу.г., является температура уходящих газов tу.г. . Её снижение достигается установкой в хвостовой части котла теплоиспользующих элементов (экономайзера, воздушного подогревателя). Чем ниже температура уходящих газов и,
соответственно, меньше разность температур между газами и нагреваемым рабочим телом (например, воздухом), тем большая площадь поверхности нагрева требуется для охлаждения продуктов сгорания.
Повышение же температуры уходящих газов приводит к увеличению потери с Qу.г. и, следовательно, к дополнительным затратам топлива на выработку одного и того же количества пара или горячей воды. В связи с этим оптимальная температура tу.г. определяется на основе техникоэкономических расчётов при сопоставлении готовых капитальных затрат на сооружение поверхности нагрева и затрат на топливо. Кроме того, при работе котла поверхности нагрева могут загрязняться сажей и золой топлива. Это
98
приводит к ухудшению теплообмена продуктов сгорания с поверхностью нагрева. При этом для сохранения заданной паропроизводительности приходится идти на увеличение расхода топлива. Занос поверхностей нагрева приводит также к увеличению сопротивления газового тракта котла. В связи с этим для обеспечения нормальной эксплуатации агрегата требуется систематическая очистка его поверхностей нагрева.
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (химический
недожог) возникает при неполном сгорании топлива в пределах топочной камеры и появления в продуктах сгорания горючих газообразных составляющих – СО, H2, СH4, CmHn и др. догорание же этих горючих газов за пределами топки практически невозможно из-за относительно низкой их температуры.
Причинами появления химической неполноты сгорания могут быть:
·общий недостаток количества воздуха;
·плохое смесеобразование, особенно на начальных стадиях горения топлива;
·низкая температура в топочной камере, особенно в зоне догорания топлива;
·недостаточное время пребывания топлива в пределах топочной камеры, в течении которого химическая реакция горения не может завершиться полностью.
При достаточном для полного сгорания топлива количестве воздуха и
хорошем смесеобразовании потери зависят от объёмной плотности тепловыделения в топке, МВт/м3:
где В – расход топлива, кг/с;
99
Vт – объём топки, м3.
Однако по достижении определённого уровня при дальнейшем
увеличении расхода топлива (правая часть кривой) потери вновь начинают возрастать, что связано с уменьшением времени пребывания газов в объёме топки и невозможностью в связи с этим завершения реакции горения.
Оптимальное значение , при котором потери минимальны, зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Для современных топочных устройств потеря теплоты от химической неполноты
сгорания составляет 0…2% при .
При обработке материалов испытания котельной установки потерю теплоты от химической неполноты сгорания определяют по формуле:
где |
объёмы |
горючих |
газов |
в |
продуктах горения топлива, м3/кг
теплоты сгорания соответственно СО, Н2,
СН4 Объёмы горючих газов можно определить по выражениям:
где |
содержание горючих газов в продуктах сгорания, |
%;
объём сухих газов, м3.
100
при сжигании твёрдого и жидкого топлива:
при сжигании газообразного топлива:
При разработке мероприятий по снижению величины следует иметь в виду, что при наличии условий для появления продуктов неполного сгорания в первую очередь образуется CO как наиболее трудносжигаемый компонент, а затем Н2 и другие газы. Из этого следует, что если в продуктах горения отсутствует СО, то в них нет и Н2.
3.2. Эксергетический кпд котлоагрегата
Для обеспечения полного горения топлива практически в котельный агрегат подаётся воздух с избытком по сравнению с теоретическим. Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха за установкой.
αух=αm+Δα ,