4.5. Тепловой баланс и энергетическая характеристика котлоагрегата

Тепловой баланс котла выражает закон сохранения энергии и представляет собой равенство между подводимой и отводимой теплотой. Расчет энергобаланса основывается на равновесии рабочих средств по газовому и водопаровому тракту.

Приходная часть энергобаланса определяет количество энергии, поступившей в котлоагрегат с химической энергией сжигаемого топлива (Q ), с физической теплотой топлива (Q_т) и воздуха (Q_в), а также внесенное в топку с паром (Q_ф) при паровом распыле топлива:

. (4.10)

Количество теплоты, внесенное в топку топливом:

, (4.11)

где В - расход топлива, кг/с;

с_т - теплоемкость топлива, ккал/(кгград);

t_т - температура топлива, С.

Теплота, внесенная в топку с воздухом, нагретым вне котлоагрегата:

Q_в = V_в С_в t_в, (4.12)

где V_в - объем воздуха, необходимый для горения топлива, м³;

С_в - объемная теплоемкость воздуха, ккал/(м³град);

t_в - температура воздуха, С.

Теплота, внесенная в топку с паровым дутьем или паром, подаваемым на распыл жидкого топлива в форсунки:

Q_ф = Д_ф( i - 600), (4.13)

где Д_ф - расход пара, кг/кг топлива;

i - энтальпия пара, ккал/кг.

При отсутствии подогрева топлива и воздуха вне котлоагрегата и расхода пара на распыл топлива и дутье:

Q_р = B Q .

Расходная часть энергетического баланса включает теплоту, полезно использованную на производство пара или горячей воды (Q₁) и потери с уходящими газами (Q₂), вследствие химического (Q₃) и механического (Q₄) недожега топлива, в окружающую среду (Q₅) с физической теплотой удаляемых шлаков (Q₆):

Q_расх = Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆. (4.14)

Когда котел вырабатывает теплоноситель в виде горячей воды, подводимая теплота полезно расходуется на подогрев питательной (сетевой) воды от температуры, которую она имеет на входе (t_хв), до расчетной (t_гв) на выходе:

Q₁ = G(t_гв - t_хв), (4.15)

где G - расход воды через котел, кг/час.

В паровых котлоагрегатах полезно использованное количество теплоты расходуется на подогрев питательной воды до температуры насыщения и на превращение ее в насыщенный или перегретый пар:

Q₁= Д(i- i_пв), (4.16)

где i - энтальпия насыщенного или перегретого пара, ккал/кг;

i_пв - энтальпия питательной воды, ккал/кг;

Д - паропроизводительность котлоагрегата, кг/час.

Наибольшую составляющую потерь теплоты с уходящими газами принято определять по разности энтальпии продуктов сгорания (J_ух) и холодного воздуха, подаваемого на горение топлива (J_хв):

Q₂ = (J_ух - J_хв) К_Q4, (4.17)

Здесь J_ух = V_ух c_ух t_ух - энтальпия уходящих газов, которая зависит от состава, объема (V_ух), теплоемкости (С_ух) и температуры (t_ух) уходящих из котла газов;

Jхв = V_вc_вt_в - теплосодержание холодного воздуха, которое зависит от объема (V_в), теплоемкости (С_в) и температуры (t_в) воздуха;

К_Q4 = (1 - 0,01 q₄) - коэффициент, учитывающий потери от механического недожега твердого топлива.

Из приведенного соотношения (4.17) видно, что уменьшить потери с уходящими газами можно за счет поддержания оптимального коэффициента избытка воздуха и повышения температуры воздуха.

Потери теплоты вследствие химической неполноты горения определяются по концентрации (наличию) в уходящих газах горючих компонентов топлива CO, H и CH₄:

Q₃ = V_сх (30,2СО + 25,8Н₂ + 85,6СН₄), (4.18)

где V_сх - объем сухих газов, м;

CO, H и CH₄ - содержание в уходящих газах окиси углерода, водорода и метана, %; 30,2 25,8 и 85,6 - объемная теплота сгорания соответствующих газов, ккал/м³.

Эти потери зависят от вида топлива, совершенства топливосжигающих устройств и коэффициента избытка воздуха.

Потери теплоты вследствие механического недожега топлива обусловлены наличием невыгоревшего топлива в шлаке (Q_4шл), провале (Q_4пр) и уносе (Q_4ун):

Q₄ = Q_4шл +Q_4пр+Q_4ун. (4.19)

Данный вид потерь теплоты характерен только для сжигания твердого топлива, особенно в слоевых топливосжигающих устройствах, и зависит от состава топлива и способа его сжигания.

Потери теплоты в окружающую среду зависят от конструкции ограждения котла, степени экранирования топки, температуры газов в топки и других факторов:

Q₅ = F k (t_нп - t_хв), (4.20)

где F - общая наружная поверхность котла, м²;

k - коэффициент теплопередачи через ограждающие конструкции котла, ккал/(м²град);

t_нп, t_хв, - температуры, соответственно наружной поверхности и окружающего воздуха, С.

Потери с физической теплотой шлаков характерны только для процесса сжигания твердых топлив:

Q₆ = a_шл с_шл t_шл А^р/100, (4.21)

где a_шл - доля золы в шлаке, с_шл - средняя теплоемкость шлаков в интервале температур от 0С до t_шл, ккал/(кг град);

А^р - зольность рабочей массы топлива, %.

Отношение полезно использованной теплоты к подведенной определяет коэффициент полезного действия котла (брутто):

 = Q₁/Q_р. (4.22)

Расчет КПД по прямому балансу (3.10) требует определения расхода топлива и выработки теплоты, что не всегда выполнимо в эксплуатационных условиях. Поэтому на практике используют метод обратного баланса, все составляющие которого отнесены к располагаемому количеству теплоты Q_р:

1 =  + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆, (4.23)

где q₂, q₃, q₄, q₅, q₆ - относительные потери теплоты в долях от располагаемой теплоты, тогда КПД котла (брутто):

 = 1 - . (4.24)

Таким образом, по величине потерь теплоты можно рассчитать КПД котлоагрегата, зная который можно определить и расход топлива при той или иной производительности котла:

• абсолютный

B = Q₁ / Q , (4.25)

• удельный

в = В/Q₁ = 1/ Q . (4.26)

Тепловой баланс отражает статическую характеристику котлоагрегата. Однако в процессе эксплуатации тепловая нагрузка изменяется, и в соответствии с этим, изменяются все показатели, характеризующие эффективность функционирования котлоагрегатов (рис. 4.5). Поэтому для расчетов и выбора режима работы котлоагрегатов и котельных установок необходимо знать энергетические характеристики оборудования, отражающие зависимость расхода топлива от нагрузки В=f(Q).

Рис. 4.5. Энергетическая характеристика котлоагрегата, отражающая зависимости: 1) расхода топлива В_ус=f(Q), потери тепла с уходящими газами q₂ =f(Q) и q₅ =f(Q) в окружающую среду; 3) температуры дымовых газов t_ух =f(Q) и коэффициента избытка воздуха =f(Q); 4) температуры питательной воды t_пв =f(Q) и коэффициента полезного действия =f(Q) от теплопроизводительности Q.

Кроме расходных характеристик, важную роль играют характеристики удельных расходов в=f(Q), относительных приростов dВ/dQ, коэффициента избытка воздуха =f(Q) и отдельных составляющих потерь теплоты q_i=f(Q), температура перегрева пара t_пе=f(Q) и уходящих газов t_ух=f(Q).

Энергетические характеристики строят по результатам испытаний котлоагрегатов. На основании анализа этих характеристик делают выводы и дают рекомендации для выбора оборудования, режима эксплуатации, повышения надежности и эффективности работы котельных установок.