Расчет котлов и котельных установок

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛА

Теплота, выделяемая топливом, не полностью исполь­зуется для нагрева рабочего тела котла. Часть теплоты теряется. Эффективность использования энергии в котле определяет его КПД. Различают КПД брутто и нетто. КПД котла (брутто) назы­вают выраженное в процентах отношение полезно использованной теплоты к количеству располагаемой теплоты вводимого в котел топлива.

Полезно использованная теплота слагается из теплоты нагрева питательной воды до состояния перегретого пара и теплоты допол­нительного нагрева пара промежуточного перегрева. Теплота может быть затрачена на подогрев части рабочего тела, впоследст­вии выводимого из котла (например, продувочная вода). Полное количество полезно использованной (воспринятой рабочим телом) в котле теплоты

Qn — D (І — і'пв) + Dim (І'пп — inn) 4~ Dnp (t'np — in»)»

Где D, D„n и Dnp — расход соответственно свежего пара, пара промежуточного перегрева и продувочной воды, кг/с; і, і„в, inn и /Пр — энтальпия соответственно свежего пара, питательной

2* 35 воды, пара промежуточного перегрева на выходе и входе в котел и продувочной воды, МДж/кг.

Энтальпия рабочего тела і ~ ct, где с — массовая теплоемкость, МДж/(кг-°С). Количество теплоты, поступившее в котел в расчете на единицу массы (или объема для газообразного топлива) исход­ного топлива, называют располагаемой теплотой топлива;

Qp = Qk ~Ь QВ. ВИ + ЇТЛ + Сф ----- Qk>

Где QB. вн — теплота, внесенная в топку с воздухом (при его на­греве вне котла); ітл — физическая теплота топлива, численно равная произведению теплоемкости топлива на его температуру; Фф ~ Оф (г'ф — 2,5) — теплота, вносимая в топку с паром, ис­пользуемым для распыливания жидкого топлива (вводится лишь при установке паровых форсунок при сжигании жидкого топлива); Сф и і'ф — соответственно расход (на 1 кг топлива) и энтальпия пара; QK — 0,0406 k (С02)к — теплота, затраченная на разложе­ние карбонатов топлива; (СОг)к— содержание углекислоты кар­бонатов.

Для газообразного топлива два последних члена отсутствуют.

Полное количество'вносимой в котел теплоты

Qp = №

Где В — расход топлива в котле, кг/с.

В соответствии с определением КПД брутто

%р = ^_,00 = -|-100.

Вследствие тепловых потерь в котле Qn < Qp.

При определении КПД нетто дополнительно учитываются (вычитаются из Qn) затраты энергии на работу основного и вспо­могательного оборудования (насосы, вентиляторы, дымососы, мельницы и т. д.), т. е. затраты энергии на собственные нужды котла.

Тепловые потери в котле зависят от эффективности процесса горения топлива в топке и передачи теплоты от продуктов сгора­ния к рабочему телу в поверхностях нагрева. Рассмотрим состав­ляющие потерь теплоты в котле.

Продукты сгорания выходят из последней поверхности нагрева котла при температуре #ух, значительно превышающей темпера­туру воздуха, поступающего из атмосферы в котел. Потери теп­лоты с уходящими газами равны разности энтальпий конечного состояния газов и воздуха, входящего в котел.

Если в уходящих газах содержатся горючие газообразные элементы (Н2, СН4 и др.) или продукты неполного сгорания СО, то имеют место потери с химическим недожогом топлива. Вели­чина этих потерь определяется количеством и теплотой сгорания указанных горючих элементов.

Поскольку частицы твердого топлива могут совсем не участ­вовать в химической реакции, потери теплоты с твердым непро - реагировавшим топливом называют потерями с механическим недожогом.

Наружная поверхность стен котла имеет более высокую тем­пературу, чем окружающая среда. Потери теплоты вследствие теплоотдачи от стен котла к окружающему воздуху называют по­терями в окружающую среду. И, наконец, в котлах имеют место потери теплоты со шлаком, выводимым из топки с высокой темпе­ратурой.

Потери теплоты с химическим и механическим недожогом, а также со шлаком относят к топочным потерям; потери теплоты в окружающую среду и с уходящими газами являются общими для котла. Равенство количества располагаемой теплоты сумме количества теплоты, полезно использованной в котле, и тепловых потерь называют тепловым балансом котла Обычно принято тепловой баланс котла составлять для единицы массы (твердого,' жидкого) или объема (газообразного) сжигаемого топлива, В этом случае

■QS-=Qi + Q2 + Qa + Q4 + Qe + Qe, (20)

Где Qa — полезно использованная теплота; Q2, Qs, Q4, Q5 и Q, — потери теплоты соответственно с уходящими газами, с химиче­ским и механическим недожогом, в окружающую среду и со шла­ком.

Наиболее распространен тепловой бала не котла в относитель­ном виде. Если располагаемую теплоту принять за 100%, то зави­симость (20) примет вид

100 « qv + Яг + Чг + <7* + Чь + Я«>

О '

Где qx = 100 = Т]бр — относительное количество полезно

Qp

Использованной теплоты,,%; q2 = 100, qs = 100 и т. д. —

Относительные потери теплоты соответственно с уходящими га­зами, с химической и механической неполнотой горения (с недо­жогом), в окружающую среду и со шлаком.

При организации работы котла необходимо стремиться к сни­жению тепловых потерь. Рассмотрим факторы, от которых зави­сят тепловые потери, и возможности снижения потерь.

Потери теплоты с уходящими газами можно представить в еле-, дующем виде:

ЯІ),

(21) 37

Где сг и сХЙ — теплоемкость соответственно газа и холодного воздуха, МДж/(м:1К); Фух и tXB — температура соответственно уходящих из котла газов (после последней поверхности нагрева) и холодного воздуха, 0 С; Vr — объем уходящих газов в расчете на 1 кг топлива, м3/кг; а? х — коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; qt — относительные потери теплоты с меха­ническим недожогом.

Объем уходящих газов

Kr = K?+l,0I61(ayx-l)Vo«ayxVo [l х

X -J-1 да ayxV°ka.

ОСуХ J

Величина ka незначительно больше 1. Если учесть, что сг близко к с„, т. е. сг да с„ = с и для рассматриваемого топлива V°/Ql ^ const, то потери с уходящими газами определяются в основном коэффициентом избытка воздуха аух и температурой уходящих газов:

CV°

Чг = -^р- (ktfiji - /„) (100 - qt).

Уменьшение избытка воздуха, подаваемого в топку (при пол­ном его выгорании), устранение присосов в газоходах, а также понижение температуры уходящих газов — пути повышения КПД котла. Однако при понижении Фух уменьшается температур­ный напор и увеличиваются поверхности нагрева. Кроме того, в этом случае возрастает опасность низкотемпературной коррозии поверхностей при конденсировании на них влаги или серной кислоты (при наличии серы в топливе). При проектировании котла температуру уходящих газов выбирают на основе техника экономических расчетов.

Покидающие топку непрореагировавшие горючие элементы или продукты неполного сгорания выносят с собой энергию, отно­сительная величина которой

' <7s = -|-100 = -^p-100, (22)

Где Vt = xt Vr — объем продуктов неполного сгорания (Vco, Vh,, Vch. и т. д.), м3/кг; xt—объемная доля продуктов непол­ного сгорания; Qt — теплота сгорания соответствующих компо­нентов (Qco. Qh,. Qch, и т. д.). Потери q3 зависят от вида топлива, способа его сжигания, избытка воздуха в горелках (особенно при a < 1) и от условий его перемешивания с топливом.

Потери теплоты с механическим недожогом, как и потери qa, существенно зависят от избытка воздуха в топке. При уменьшении избытка воздуха в топке ат (аг) химические реакции горения за­медляются. Слишком большие избытки воздуха вызывают пони - 38 жение температуры газов в топке, снижают интенсивность хими­ческих реакций горения и вызывают рост потерь q4. Сильное влия­ние на величину q4 оказывает вид сжигаемого твердого топлива, качество его помола (чем меньше размер частиц, тем полнее проис­ходит их выгорание), конструкция топки и способ сжигания топ­лива.

Как отмечалось выше, механический недожог характеризуется наличием несгоревших веществ в твердом виде, т. е. находящихся в составе золы. Как правило, не успевает выгореть кокс, имеющий наиболее высокую теплоту сгорания.

Поскольку зола выводится в виде шлака, выпадающего в топке, и уносится через газоходы в систему золоулавливания и дымо­вую трубу, можно представить

Qi = QT* + Ql' ~ Qr [Сл + <?И.

Содержание горючих (кокса) Гшл, Гун выражают в процентах от количества шлака и золы (С? шл> GyH). Содержание горючих, вы­несенных со шлаком и уносом, соответственно

ГШ Л _ г Гшл „ ^ун г Гун .

- -[0Q - И иг - Оун —[0Q-

Золовый баланс можно представить в виде

АР _ 100-Гшл г I 100 — ГуН п Too ' 100 100

Если учесть, что теплота сгорания углерода (горючих) Qr =

100 Ар

= 32,6 МДж/кг, ашл + а7В = 1, ОшЛ = ашЛ 100_Гшд -щ - или атл = 100-Гшл то теплота, унесенная со шлаком в

Расчете на 1 кг топлива,

Лшл ___ оо ft ДР „ Гщд

У4 — Too шл ioo^Tw'

Аналогично

QV = 32,6 - ауя іооГІнГун - •

Тогда,

«.-^■[^ra^tr+'h. TB&iv]- <*»

Потери теплоты в окружающую среду обусловлены более вы­сокой температурой наружной поверхности стен /н. от и элементов котла по сравнению с температурой окружающей среды (холод­ного воздуха) tXB

' = 2 Ла., Ft»*-*»).

Если принять коэффициент теплоотдачи' конвекцией ah{ = = idem = ак и ts, CTi = idem = tH. ст, то

BQS = aK(tH. рт - tXB)2 F, = q£Ft..

Тепловой поток q меняется незначительно с изменением мощ­ности котла, так как температуру стенки поддерживают на постоян­ном безопасном для человека уровне ст < 55 °С) при помощи изоляции. В то же время увеличение площади поверхности стен Fj котла с ростом его мощности происходит медленнее и hFi/BQp уменьшается, т. е. величина

Дь = - ЩL 100 BQI

Также снижается.

При изменении нагрузки котла температура ст, а следо­вательно, тепловые потоки меняются незначительно. В то же время вносимая с топливом теплота линейно зависит от нагрузки. Потери q& при отклонении нагрузки D от номинальной £)„ (%)

<?5 = <7бн£НД>. (24)

Потери с физической теплотой шлака

<76 - атлА* (сОшл/Qj, (25)

Где /шл = 600 °С для ТШУ и *шл == ta +100 °С для ЖШУ; 6ШЯ — теплоемкость шлака.