Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок. Учебное пособие

Плотность компонентов продуктов сгорания (RO2, N2, H2O, O2, воздуха) i (кг/м3) может быть определена на основе уравнения Мен- делеева–Клайперона:

i R Tн

где Pн 98066,5 – нормальное давление, Па; – молекулярная масса газа (определяется по табл. П1); R 8314,7 – универсальная газовая

постоянная, Дж/кмоль; Tн 273 К – нормальная температура газа.

При расчете сжигания твердого топлива необходимо учитывать, что в продуктах сгорания присутствуют шлаки и зола. Общая масса шлака и золы уменьшается в процессе горения за счет термического разложения некоторой части минерального остатка. Это может быть

учтено коэффициентом угара уг , который имеет значение 0,8...0,95.

Нижнее значение для бурых углей, верхнее значение – для тощих углей и антрацитов.

Масса остатка в золе и шлаке распределяется в зависимости от типа топки. В топках с твердым шлакоудалением в уходящих газах содержится около 95 % минерального остатка, что учитывается коэффи-

циентом уноса ун . В топках с жидким шлакоудалением в унос ухо-

дит 70…85 % от массы остатка. Таким образом, масса золы составляет (кг/кг)

На основе результатов расчета процесса горения определяются массовые потоки в расчете на 1 кг топлива (1 м3 для газового топлива), которые заносятся в табл. 4 материального баланса.

41

Таблица 4

Материальный баланс котлоагрегата в расчете на 1 кг (1 м3) топлива

4.2.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

Энергетический баланс котлоагрегата заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат при сжигании топлива количеством теплоты и суммой использованной теплоты и тепловых потерь. На основе теплового баланса находят КПД и расход топлива:

где Bт – расход сжигаемого топлива, кг/с (м3/с); Qнр – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг (кДж/м3).

42

Низшая теплота сгорания топлива представляет собой количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы топлива твердого или жидкого или единицы объема газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. В первой не учитывается теплота, затрачиваемая на подогрев и испарение влаги топлива и влаги, образующейся в результате сгорания водорода топлива; во второй – эти затраты теплоты учитываются. В процессе горения топлива вода, образующаяся при сгорании водорода топлива, и влага топлива переходят в парообразное состояние и обычно в таком виде выбрасываются из энергоустановок. Для защиты поверхностей нагрева и оборудования от низкотемпературной коррозии температура продуктов сгорания по всему газовому тракту должна оставаться выше температуры конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров (точки росы). Таким образом, энергоустановки используют низшую теплоту сгорания топлива.

Низшая и высшая теплота сгорания топлива связаны друг с другом следующим соотношением:

где три первых коэффициента, умноженных на 100, выражают теплоту сгорания углерода, водорода и серы.

Теплоту сгорания газообразного топлива находят по известному процентному содержанию отдельных горючих компонентов и по теплоте сгорания каждого элемента, МДж/м3:

где Q – теплота сгорания данного газа, входящего в состав топлива, МДж/м3; СO ; H2 ; H2S ; CH4 ; C2H6 и др. – содержание соответствующего газа, % в 1 м3 газовой смеси.

43

Теплота, вносимая с атмосферным воздухом, кВт:

лодного воздуха, °С.

Теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт:

hпр = f (Pб; х 0) – энтальпия продувочной воды, кДж/кг.

Продувка – это организованное удаление примесей, которое осуществляется путем вывода из котла небольшого количество воды с большой концентрацией примесей. В барабанном котле концентрация в воде примесей на уровне, предотвращающем их выпадение в твердую фазу, поддерживается за счет непрерывного удаления части воды из барабана (непрерывная продувка). Величина продувки обычно выражается в процентах или долях от паропроизводительности и может принимать значения 0,5…3 %:

44

где Vi – объем компонента продуктов сгорания, м3/кг; Cpi – изобарная

температуры уходящих газов, избытка воздуха в них ух и объема

уходящих газов. Объем этих газов возрастает при увеличении влажности топлива и ух , которые зависят от т и присосов воздуха по газо-

вому тракту. Рост ух способствует также увеличению tух .

Снижение температуры уходящих газов примерно на 14…15 °С приводит к уменьшению q2 на 1 %. Оптимальное значение температу-

ры уходящих газов для каждого топлива устанавливается на основании технико-экономических расчетов.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива Q3 ,

кВт, – это теплота, которая осталась химически связанной в продуктах неполного горения и рассчитывается следующим образом:

где VCO – объем окиси углерода в продуктах сгорания, м3/кг; QнрCO 12 640 – теплота сгорания окиси углерода, кДж/м3.

Потери теплоты Q3 обычно зависят от качества смесеобразования

и локальных недостаточных количеств кислорода для полного сгорания, т. е. от т. Потери Q3 зависят от вида топлива и организации ре-

жима горения; так, при камерном сжигании жидких и газообразных топлив с т = 1,1 величина q3 не превышает 0,5 %. Химическая не-

полнота сгорания сопровождается всегда сажеобразованием, недопустимым в работе котла.

Рассчитанные продукты сгорания не содержат CO, так как расчетный процесс горения проходит при полном энергетическом использовании углерода топлива.

45

Потери теплоты с внутренней термической энергией шлака и золы Q6 , кВт:

где Сp шл – изобарная теплоемкость шлака, кДж/(кг · К). Определяется по табл. П3 при температуре шлака tшл ; Сp з – изобарная теплоем-

кость золы, кДж/(кг · К). Определяется по табл. П3 при температуре уходящих газов tух .

После подстановки всех тепловых потерь котлоагрегата в уравнение теплового баланса (4.16) находят расход топлива Bт , кг/с. Подста-

новка Bт в соответствующее уравнение тепловых потерь позволяет

получить их численное значение.

Коэффициент полезного действия котлоагрегата оценивается по формуле

где Eт – химическая эксергия топлива, МВт; Eр.т – прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт; Eп.с – эксергия продуктов сгорания, МВт; Eшл – эксергия шлака, МВт; Eз – эксергия золы, МВт; Eпр – эксергия

продувочной воды, МВт; E – потери эксергии в котле, связанные с

необратимостью процесса горения, необратимостью теплообмена между газами и поверхностями нагрева в котле, необратимостью теплообмена с окружающей средой.

Топливо, воздух и добавочная вода поступают в котлоагрегат из окружающей среды, поэтому их физическая эксергия принята равной нулю.

47

Химическая эксергия каменного, бурого угля, кокса и торфа рассчитывается по [5], МВт:

где eS 18675,54 – химическая эксергия серы, кДж/кг; QнрS 9258,71 –

низшая теплота сгорания серы, кДж/кг.

Химическая эксергия жидкого топлива рассчитывается по формуле, МВт,

Химическая эксергия газообразного топлива рассчитывается по формуле, МВт,

Прирост эксергии рабочего тела Eр.т , МВт,

Eр.т 10 3(Dпeп Dп.вeп.в)

48

где eп – удельная эксергия пара, кДж/кг; eп.в – удельная эксергия воды, кДж/кг; Tо.с – температура окружающей среды, К.

Эксергия продуктов сгорания складывается из физической и химической эксергии, МВт:

где физическая эксергия продуктов сгорания определяется по выражению, кДж/кг,

i 1

где si – энтропия компонента продуктов сгорания, кДж/кг · К. Определяется по табл. П2 при температуре уходящих газов tух .

Химическая эксергия продуктов сгорания:

49

где R 8,314 – универсальная газовая постоянная, кДж/кг; N2 ;

O2 ; RO2 ; H2O – мольные (объемные) доли компонентов в составе продуктов сгорания:

xав – мольная доля влаги в атмосферном воздухе:

где φ 0,7 – относительная влажность воздуха; Pнас 0,01817 – дав-

ление насыщенного пара при температуре насыщенного воздуха, бар; B 1 – атмосферное давление, бар.

Эксергия золы Eз , МВт:

где sз – энтропия золы, кДж/кг · К. Определяется по табл. П3 при температуре уходящих газов tух .

Эксергия шлака Eшл , МВт:

Eшл=10 3BтGшл Cp шлtшл Tо.сsшл 1,0437QнрCГшл , (4.42)

50