4 Тепловой баланс котельного агрегата

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре и на покрытие различных теплопотерь. Суммарное количество теплоты, поступившей в котельный агрегат, называется располагаемой теплотой и обозначается Q_р^р. Тепловой баланс котла для 1 кг сжигаемого твердого или жидкого топлива или 1 м³ газа при нормальных условиях имеет вид

, кДж/кг, кДж/нм³, (4.1)

где Q_р^р – располагаемая теплота, кДж/кг, кДж/нм³;

Q₁ – полезная теплота, содержащаяся в паре, кДж/кг или кДж/нм³;

Q₂, Q₃, Q₄, Q₅, Q₆, – потери тепла с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения, от физической теплоты, содержащейся в удаляемом шлаке, кДж/кг, кДж/нм³.

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

∙100, %. (4.2)

Потеря теплоты с уходящими газами (q₂) обусловлена тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котельный агрегат, значительно выше температуры окружающего атмосферного воздуха.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (q₃) обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов, продуктов неполного сгорания, например, окиси углерода СО.

Потеря теплоты от механической неполноты горения (q₄) наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц.

Потеря теплоты наружного охлаждения (q₅) обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру.

Потеря q₆ в виде физической теплоты шлаков имеет место при жидком шлакоудалении, а иногда и при сухом, если сжигается высокозольное топливо.

Потеря тепла с уходящими газами определяется по формуле

, %. (4.3)

где I_ух – энтальпия уходящих газов, кДж/кг, кДж/нм³;

I_х.в – энтальпия теоретического объема холодного воздуха, кДж/кг, кДж/нм³;

α_ух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха при температуре t_х.в определяется по формуле

, кДж/кг, кДж/нм³, (4.4)

где с_р^| =1,3 кДж/(Н∙м³∙К) – удельная объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

Потеря теплоты от химической и механической неполноты сгорания для различных топок и топлива принимается из приложений Б, В.

Потеря теплоты от наружного охлаждения (в %) определяется по следующей формуле для парового котла

, %, (4.5)

где q_{5 ном.} – потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового котла, определяемая по таблице 4.1, %;

D_ном. – номинальная нагрузка парового котла, т/ч;

D – расчетная нагрузка парового котла, т/ч.

Потери тепла в виде физической теплоты шлаков определяются по формуле

, %, (4.6)

где а_шл=1-а_ун – доля золы, перешедшей в шлак.

Таблица 4.1 – Потери 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

Коэффициент полезного действия парового котла определяется как отношение полезной теплоты к располагаемой.

КПД брутто котельного агрегата определяется по уравнениям прямого и обратного балансов.

Уравнение прямого баланса

, %, (4.7)

где Q_п.г – полезная мощность парового котла, кВт;

В_п.г – расход топлива, кг/с, м³/с.

КПД парового котла по уравнению обратного баланса определяется по формуле

, %, (4.8)

При тепловом расчете парового котла тепловой баланс составляется для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива.

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определяется располагаемая теплота. Для твердого и жидкого топлива

Q_р^р=Q_н^р+Q_в.вн+i_тл+Q_ф+Q_к, кДж/кг, (4.9)

где Q_н^р – низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива, кДж/кг, принимается по приложениям Г, Д;

Q_в.вн – теплота, внесенная в котельный агрегат воздухом при подогреве его вне агрегата отборным паром, отработанным паром или другим теплоносителем в калорифере, установленном перед воздухоподогревателем, кДЖ/кг, кДж/нм³;

i_тл – физическая теплота, внесенная топливом, кДж/кг;

Q_ф – теплота, вносимая в агрегат при паровом распыливании жидкого топлива, кДж/кг;

Q_к – теплота, затраченная на разложение карбонатов (учитывается только при сжигании сланцев).

Физическая теплота топлива учитывается только при его предварительном подогреве от постороннего источника теплоты. Теплосодержание топлива рассчитывается по формуле

i_тл=с_тл∙t_тл, кДж/кг, (4.10)

где t_тл – температура топлива, ºС;

с_тл – удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг∙К).

Для мазута температура топлива составляет 90÷130 ºС в зависимости от его вязкости.

Удельная теплоемкость мазута рассчитывается по формуле

с_тл=1,74+0,0025 t_тл, кДж/(кг∙К). (4.11)

Теплота, вносимая в агрегат через форсунку при паровом распыливании жидкого топлива

Q_ф=0,35(i_ф-2520), кДж/кг, (4.12)

где i_ф – энтальпия пара, расходуемого на распыливание топлива, кДж/кг.

Теплота, затраченная на разложение карбонатов

Q_к=40,74∙k(СО₂)_к^р, кДж/кг, (4.13)

где k – коэффициент разложения карбонатов (при слоевом сжигании равен 0,7, при камерном – 1,0;

(СО₂)_к^р – содержание диоксида углерода в карбонатах в рабочей массе, %.

2. Определить (только при сжигании твердого топлива) потерю теплоты от механической неполноты горения. Значение потери от механической неполноты сгорания для различных топок и топлива приведены в приложении Б.

3. Определить теплопотери с уходящими газами по формуле (4.3).

Для парогенераторов низкого давления с хвостовыми поверхностями нагрева температуру уходящих газов рекомендуется принимать не менее следующих значений: t_ух, ºС

Угли с приведенной влажностью 0,7 кг∙102/МДж и природный газ	120-130
Угли с приведенной влажностью 1–5 кг∙102/МДж	140-150
Мазут	150-160
Торф и древесные отходы при установке воздухоподогревателя	170-190

4. Определить потерю тепла от химической неполноты сгорания. Значения этих потерь для различных топлив и топок приведены в приложениях Б, В.

5. Определить потерю тепла от наружного охлаждения по формуле (4.5).

6. Вычислить полезную мощность парового котла по формуле

Q_п.г=D_н.п(i_н.п–i_п.в)+0,01∙р_s∙D_н.п(i_кип–i_п.в), кВт, (4.14)

где D_н.п – расход выработанного насыщенного пара, кг/с;

i_н.п, i_п.в, i_кип – энтальпия питательной воды на входе в экономайзер, насыщенного пара и кипящей воды в барабане котла соответственно, кДж/кг;

р_s – процент непрерывной продукции парового котла, %, учитывается при р≥2 %.

7. Определить потерю теплоты в виде физической теплоты шлаков по формуле (4.6).

8. Вычислить КПД брутто парового котла по уравнению обратного теплового баланса

, %, (4.15)

9. Рассчитать расход топлива, передаваемого в топку парового котла по уравнению прямого теплового баланса

, кг/с, м³/с, (4.16)

10. Определить расчетный расход топлива:

а) для твердого топлива

, кг/с; (4.17)

б) для газа и мазута

, кг/с; м³/с.

11. Для последующих расчетов определить коэффициент сохранения тепла

. (4.18)