Теплотехническое оборудование

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

В результате испытаний и обработки опытных данных должны быть получены показатели котельного агрегата и его хвостовых поверхностей нагрева, характеризующие экономичность сжигания топлива, интенсивность работы топочной камеры, поверхностей нагрева, гидравлические сопротивления газового и воздушного тракта.

При обработке результатов испытаний необходимо выполнить теплотехнические расчеты, характеризующие топливо и продукты горения, определить коэффициент избытка воздуха и присосы воздуха в газоходы котла, составить тепловой баланс котельного агрегата с определением отдельных потерь и КПД, составить частные тепловые балансы пароперегревателя, водяного эконо­майзера и воздухоподогревателя, а также выполнить вспомога­тельные расчеты.

Вся поступившая в котельный агрегат теплота расходуется на выработку полезной теплоты (в виде пара или горячей воды) и на покрытие тепловых потерь, возникающих в процессе работы; Тепловым балансом котельного агрегата называют равенство между поступившей в него теплотой и суммой выработанной по­лезной теплоты и теплоты, израсходованной на покрытие тепловых потерь. Поступившую в котельный агрегат теплоту называют располагаемой теплотой. Располагаемая теплота (в кДж/кг) для твердого и жидкого топлива определяется по формуле

<2р = <3н + О. В. ВН Н~ фт Ч - фф 0.К1 (18-17)

А для газообразного топлива

<2? = <2н + О^в. вн + <3т> (13-18)

Где — низшая теплота сгорания рабочей массы твердого или жидкого топлива, кДж/кг; — низшая теплота сгорания сухой массы газообразного топлива, кДж/м8; фв. вн — теплота, внесенная в котельный агрегат воздухом при подогреве его вне агрегата отборным паром, отработанным паром или другим тепло­носителем, кДж/кг; фт — физическая теплота, внесенная топли­вом, кДж/кг или кДж/м3; (2ф — теплота, вносимая в агрегат при паровом распыле жидкого топлива, кДж/кг; (2 — теплота, затраченная на разложение карбонатов, учитывается только при сжигании сланцев, кДж/кг;

= -/»); (13-19)

(2Т = ст? т; (13-20)

<2ф = 0,35 (*ф - 2530); (13-21)

<2К = 40,74/г (С02)£- (13-22)

Здесь р — отношение количества воздуха на входе в котель­ный агрегат (в воздухоподогреватель) к теоретически необходи­мому; /?, /х. в — теплосодержание теоретически необходимого

Количества воздуха на входе в котельный агрегат и холодного

Воздуха, кДж/кг; ст — удельная теплоемкость рабочего топлива,

КДж/(кг-К) или кДж/(м3*К); и — температура топлива, К; к — коэффициент разложения карбонатов, принимаемый при слоевом сжигании равным 0,7; при камерном 1,0; (С02)к—содержание углекислоты в карбонатах в рабочей массе, %.

Тепловой баланс составляется для установившегося теплового режима испытуемого котельного агрегата на 1 кг твердого и жид­кого топлива или на 1 м3 газообразного топлива при нормальных условиях. Уравнение теплового баланса имеет вид

<2р = + <2з - Г <?4 + С?5 + Фб> (13-23)

Где С— полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, кДж/кг или кДж/м3; (23 — потеря теплоты с уходящими продук­тами горения, кДж/кг или кДж/м8; ф3 — потеря теплоты : хими­ческой неполноты сгорания, кДж/кг или кДж/м3; — потеря теплоты от механической неполноты сгорания, имеет место только при сжигании твердого топлива, кДж/кг; (?5 — потеря теплоты в окружающую среду (от наружного охлаждения), кДж/кг или кДж/м3; <2в = <2вШл + Рвохл — потеря теплоты с физическим теп­лом шлака и потеря на охлаждение не включенных в цирку­ляционную схему котла панелей и балок (<2втл имеет место только при сжигании твердого топлива), кДж/кг или кДж/м3.

Физическую теплоту, внесенную топливом ((2Т), следует учи­тывать только при сжигании мазута в форсунках любого типа, а теплоту, вносимую при паровоз распыле (Фф), только при уста­новке редко применяемых паровых форсунок. Теплота, внесенная в топку воздухом при подогреве его вне котельного агрегата, может не учитываться, если температура воздуха измеряется на входе в котельный агрегат (в воздухоподогреватель). Это упрощает испытания и составление теплового баланса за счет исключения из фр величины фв вн'

Эксплуатационные и наладочные испытания обычно прово­дятся с определением КПД котельной установки с точностью до ±2%. Следовательно, при этих испытаниях физическая теп­лота топлива, вносимая с подогретым мазутом, может не учиты­ваться, так как дает относительную погрешность при определении КПД менее 0,8%.

Уравнение теплового баланса котельного агрегата с учетом сказанного о располагаемой теплоте и потерях теплоты при сжи­гании различных топлив для твердого топлива (в кДж/кг), за исключением сланцев, примет вид

Коэффициентом полезного действия (брутто) котельного агре­гата называют отношение выработанной котельным агрегатом теплоты к располагаемой теплоте (в процентах):

Потери теплоты в котельном агрегате также относят к распо' лагаемой теплоте (в процентах):

Разделив обе части уравнений (13-24), (13-25), (13-26) на низ­шую теплоту сгорания рабочей массы топлива* получим уравне­ние теплового баланса котельного агрегата в следующем виде! для твердого топлива (в процентах)

100 = т)бр <7з ~Ь <74 + Яь 4~ (13-27)

Для жидкого и газообразного топлива (в процентах)

Ю0 = + #5 + <7в охл - (13-28)

Из этих уравнений может быть определен КПД котла (брутто), если известны потери теплоты.

В результате эксплуатационных испытаний при отсутствии продувки, отпуска насыщенного пара мимо пароперегревателя и вторичного перегрева пара КПД котельного агрегата (в про­центах) может быть определен и по уравнению

Лср - (13-29)

Где I) — нагрузка котла, кг/с; /пе — энтальпия перегретого пара или (при отсутствии пароперегревателя) энтальпия насыщенного пара, кДж/кг; £п. в—энтальпия питательной воды на входе в индивидуальный водяной экономайзер, кДж/кг; В — расход топлива, кг/с или м3/с.

Определение КПД по прямому балансу (13-29) применяется при анализе работы установки за длительные промежутки вре­мени (декада, месяц). При испытании котельных агрегатов этот метод применяется редко, так как связан с необходимостью опре­деления расхода топлива. За короткое время опыта, особенно при сжигании твердого топлива в механических топках, расход топ­лива с достаточной точностью определить трудно. При испытании котельных агрегатов КПД определяют по обратному балансу из уравнения (13-27) или (13-28); такое определение значительно точнее, особенно при высоких КПД современных котлоагрегатов.

Методика обработки опытных данных имеет свои особенности в зависимости от вида сжигаемого топлива (твердое, жидкое или газообразное). Техника теплотехнических расчетов, бази­руясь на основных уравнениях, может развиваться в направлении уточнения их путем введения новых дополнительных факторов или в направлении упрощения расчета для облегчения применения его в инженерной практике. Последнее направление весьма пер­спективно, если оно не искажает сущности рассчитываемых физи­ческих процессов и обеспечивает необходимую точность решения практических вопросов. Советскими учеными создан ряд упро­щенных методик теплотехнических расчетов. К ним относятся теплотехнические расчеты по обобщенным константам продуктов горения, разработанные проф. М. Б. Равичем, и теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива, наиболее полно разработанные проф. С. Я. Корницким и развитые в по-

Следнее время Я. Л. Пеккером. Упрощенные методики теплотех­нических расчетов разработаны применительно к методу обрат­ного баланса.

Опыт работы различных наладочных организаций и исследо­вательских институтов, выполнивших за последние годы большое количество испытаний котельных агрегатов, показал, что при сжигании газообразного и жидкого топлива обработку результа­тов эксплуатационных испытаний целесообразно производить по упрощенной методике, разработанной проф. М. Б. Равичем.

В основу упрощенной методики положены более стабильные характеристики, чем теплота сгорания топлива, которая испыты­вает заметные колебания при изменении элементарного состава горючей массы топлива. При расчете по упрощенной методике используются следующие характеристики:

1) максимальная температура £макс> развиваемая при пол­ном сгорании топлива в теоретических условиях, т. е. при коэф­фициенте избытка воздуха, равном единице, без потерь теплоты (Д. И. Менделеев назвал эту величину жаропроизводительиостью топлива); 2) количество теплоты (Р), приходящееся на I м8 (при нормальных условиях) сухих продуктов горения, выделяющееся при полном сгорании рабочего топлива в теоретически необходи­мом количестве воздуха; 3) отношение (В) объемов сухих и влаж­ных продуктов горения в теоретических условиях; 4) изменение (/г) объема сухих продуктов, горения в реальных условиях по отношению к объему сухих продуктов горения в теоретических условиях.

При обработке результатов испытаний по упрощенной мето­дике не требуется определения теплоты сгорания топлива, что значительно сокращает время испытаний и обработки опытных данных. Так как упрощенная методика базируется на обобщенных константах продуктов горения, определение их состава должно выполняться тщательно.

Составление теплового баланса и расчет отдельных потерь теплоты производится в следующем порядке.

1. По результатам анализа продуктов горения определяется содержание бОшакс;

Р/-)_________________ 100 (Я02 + СО -}- СНа)_________ , , | о от

Макс — 100 _ 4 76 (0а _ о,5СО — 0,5На — 2СНа) ’ ' ;

При полном горении

Ко— = Тоо^ШГ - (!3'31)

Если вид топлива известен, то полученное по анализу продук­тов горения значение сравнивается с табличными данными (табл. 13-13). Заметное расхождение между значениями Н02Макс* подсчитанными по анализу продуктов горения, и табличными данными (более 0,3%) указывает на ошибку анализа или на от-, клонение состава сжигаемого топлива от усредненных данных.

2. Определяется коэффициент, показывающий увеличение объ­ема продуктов горения вследствие содержания в них избыточного воздуха по отношению к объему сухих продуктов горения в тео­ретических условиях,

'*=К0^5гйнГ> (13-32>

Где И02 макс — максимальное суммарно^ содержание в сухих газах С02 и 802 (Э02 образуется только *?РИ сжигании сернистых топлив); значение 1Ю2макс для природного газа, мазута и других газов приведено в табл. 13-13; Н02, СО, СН4 — суммарное содер­жание сернистого ангидрида и углеки£лого газа, содержание оксида углерода и метана в сухих продуктах горения по данным анализа при испытании, %.

3. Подсчитывается потеря теплоты с уводящими газами (в про­центах): если

Д „ 1? -“?■■■» [С' + (А - 1 > /СВ] • 100; (13-33)

Если А <С 1,

С%. 100, (13-34)

Где ^ — средняя температура уходящий газов по данным изме­рений при испытании, °С; £в. в— средня** температура воздуха, забираемого вентилятором, а при его отсутствии температура воздуха, поступающего в горелки, по данным измерений при испытании, °С; 2макс — жаропроизводите^ьность топлива, при-

Поправочные коэффициенты С' и К для газообразного и жидкого топлива (по данным М. Б. Равича)

Иимается по данным табл. 13-13; / — коэффициент, характеризую­щий отношение произведения действительного объема воздуха, поданного в топку, и его удельной теплоемкости к произведению объема продуктов горения и их удельной теплоемкости (при­нимается для природного газа 0,85, а для жидкого топлива и нефтяных газов 0,9); В — коэффициент, показывающий отноше­ние объема сухих продуктов к объему влажных, продуктов горе-1 ния в теоретических условиях; принимается по табл. 13-13; С'поправочный коэффициент, показывающий отношение сред­невзвешенной удельной теплоемкости не разбавленных воздухом продуктов горения в температурном интервале от 0 °С до (7Х к их средневзвешенной удельной теплоемкости в температурном ин­тервале от 0 °С до 41а*с; принимается по данным табл. 13-14; К — поправочный коэффициент, показывающий отношение сред­ней удельной теплоемкости воздуха в температурном интервале от 0 °С до к средневзвешенной удельной теплоемкости не раз­бавленных воздухом продуктов горения в температурном интер­вале от 0 °С до *макс; принимается по данным табл. 13-14.

4. Вычисляется потеря теплоты от химической неполноты горения (в процентах)

1г7,84СО+П8,36Н, + 359,Э1акй-100| (]д_35)

Где Р — низшая теплота сгорания рабочего топлива, отнесенная к 1 ма (при нормальных условиях) сухих продуктов сгорания, образующихся при сжигании топлива в теоретических условиях, принимается по данным табл. 13-13; СО, Н2, СН4 — содержание

Оксида углерода, водородя и метана в уходящих продуктах горения по данным анализа, %

Для точного сведения теплового баланса и определения потерь теплоты при сжигании твердого топлива необходимо при ИСПВН; тании взвешивать топливо и очаговые остатки, проводить лабо­раторный анализ отобранных проб с определением не только теплоты сгорания, влажности и зольности, но и элементарного состава: содержания углерода, водорода, азота и серы (содер­жание кислорода получают вычитанием, считая, что сумма влаги, золы, углерода, водорода, азота, кислорода и серы в аналити­ческой пробе должна быть равна 100%). При испытании в экс­плуатационных условиях серийных котельных агрегатов с целью составления режимных карт для эксплуатационного персонала едва ли целесообразно взвешивание топлива и очаговых остатков, а следовательно, и точное сведение теплового баланса.

Взвешивание топлива и очаговых остатков с подробным ана­лизом сжигаемого топлива целесообразно при исследовании новых конструкций котлоагрегатов или при испытании серийных котло - агрегатов на новых видах топлива. При таких испытаниях све­дение теплового баланса следует производить нормативным мето­дом теплового расчета, разработанным ЦКТИ имени И. И. Пол - зунова и ВТИ имени Ф. Э. Дзержинского.

При эксплуатационных испытаниях котельных агрегатов, во время которых не взвешивается топливо и очаговые остатки, а анализ топлива производится с определением только теплоты сгорания, зольности и влажности, сведение теплового баланса может производиться по упрощенной методике, разработанной проф. С. Я - Корницким и развитой в последние годы Я - Л. Пек- кером. В этой методике используются приведенные характери­стики топлива. Расчеты по приведенным характеристикам топлива основаны па отнесении расчетных величин и характеристик к теплоте сгорания топлива в отличие от общепринятой методики, основанной на отнесении их к 1 кг топлива.

При расчетах по обобщенной методике определяющей характе­ристикой топлива является приведенная влажность УРП. Под приведенной влажностью понимают отношение массы влаги, содержащейся в топливе, к его низшей рабочей теплоте сгорания. Аналогично пользуются приведенной зольностью, приведенным содержанием серы и т. д. Однако выражение приведенной влаж­ности, зольности, содержания серы в кг/кДж неудобно, так как пришлось бы пользоваться очень малыми числами. Для того чтобы величины Ап, 51* выражались целыми числами, от­носят массу влаги, золы и серы не к 1 кДж, а к 1000 кДж низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива. Рабочая влажность, зольность и сернистость выражаются в процентах. При этих условиях приведенная влажность, зольность и сернистость из­меряются в 106 кг/кДж.

. Составление теплового ба­ланса с расчетом отдельных потерь теплоты и определе­нием других параметров, ха­рактеризующих работу котла при сжигании твёрдого топ­лива, производится в следую­щем порядке.

1. По данным лаборатор­ных анализов топлива подсчи­тывается приведенная влаж­ность, зольность, сернистость (в 10б кг/кДж):

1000ГР.

(13-36)

’

1000ЛР

ЮООЯР

(13-38)

Где Лр, 5р — содержа­ние влаги, золы и серы в ра­бочем топливе, %; ($ — низ­шая теплота сгорания рабо­чей массы топлива, кДж/кг.

2. Определяется теорети­ческое количество воздуха, необходимое для горения, и теоретическое количество продуктов горения (в м3/кг)

<?Р + 25.2И7Р

У* = а.

4200

гЬ

°° ^ оо о

2-А

Л К.

Н-{-Ь

О о

№

ООО

+-Н-

Е в н

Оо оо оо ООО

О” о о

+++

«5 ОЙ<М О 0^0 О 0^0

£ 2^8 О о«в

I |||.

00 00 О о^о' + +++ — Ю$00

« «Ло'

О о ^

И н 5

^ Б*1*!

ГГЗ-Е* оо оо Э-ч* 00 00 §00

О 0.^0 О О ^ о

+ +"И-

Чэ іл со

СО

0 Со ^ со

ООООООЙГ^ N. 00 СМ » Сч)

~ — <М сч

$

ОООЇІЮ —I - н —< Ч О

(13-39)

(13-40)

Где а, Ь — коэффициенты, усредненные по группам топ­лив, принимаются по данным табл. 13-15. 3. Подсчитывается по дан­ным анализа очаговых остат-

'<3*3

Ков потеря теплоты от механической неполноты горения в шлаке, провале и уыосе, а также общая потеря теплоты от механической неполноты горения (в процентах)

	(13-41) (13-42) (13-43)
Я? От ЯХ*

£ие. 13-19. Поправочный коэффициент для определения коэффициента избытка воздуха

1 — твердые топлива; 2 — мазут; 3 — природ­ные и нефтяные газы

Где ашл, апр, %н — Д°ля золы топлива, перешедшая в шлак, провал и унос; Ощл и ОуН принимаются в зависимости от способа сжигания топлива и типа топки из табл. 13-16; апр для совре­менных топок мало и может не учи­тываться; Гшл, Гпр, ГуН—содержа­ние горючих в шлаке, провале, уносе по данным лабораторных анализов проб, отобранных во время испыта­ний, %.

4. Определяется коэффициент из­бытка воздуха по данным газового анализа для всех видов топлива по уточненной углекислотной или кис­лородной формуле:

Тяг-- (1345)

Атч = К. а°^пр ^ Ка

Где а0Р — приближенное значение коэффициента избытка воз­духа, подсчитанное по углекислотной или кислородной формуле:

Макс

Даапр —

(13-47)

(13-48)

Пр —

'■'пр

И02 — максимальное содержание в продуктах горения С02 и ЭОг, подсчитывается по формуле (13-30) или (13-31); Ка ~ по­правочный коэффициент, определяется из графика на рис. 13-19 по приближенному значению коэффициента избытка воздуха

(апр) •

5. Подсчитывается потеря теплоты с уходящими газами (в про­центах) по формуле, уточненной Я. Л. Паккером:

Где^ Кг, С, Ьг — коэффициенты, зависящие от сорта и приведен­ной влажности топлива; значения их, усредненные по группам топлив, приведены в табл. 13-15; ^ — соответственно темпера­тура уходящих продуктов горения в балансовой точке, °С; ауХ — коэффициент избытка воздуха в той же точке; {х в — температура

Рис, 13-20. Графики для определения потери теплоты от наружного охлажде­ния: а для паровых котлов; б — для водогрейных и малых паровых котлов

I — собственно «сотел; 2 — котел с хвостовыми поверхностями; Л — без экономайзера;

4 — с экономайзером

Воздуха, забираемого дутьевым вентилятором, °С; ?4 — суммарная потеря теплоты от механической неполноты сгорания; %; Л* — поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры на теплоемкость продуктов горения, определяется по формуле

— 150 _

Л,= 1 + 0,013-Ещ..................... ............................................. (13-50)

6. Подсчитывается потеря теплоты от химической неполноты сгорания для всех твердых топлив (в процентах):

<73 = 0,11(126,840)+ 118,36Н2 +359,31СН4)(оух-0,02) х

Х(1 +0,0252№п)(1- 0,01?4), (13-51)

Где СО, Н2, СН4 — содержание оксида углерода, водорода и ме­тана в балансовой точке, %.

7. Потеря теплоты от наружного охлаждения при работе котельных агрегатов на всех видах топлива с номинальной на­грузкой определяется по графику (рис. 13-20). При нагрузках, отличающихся от номинальной, потеря теплоты от наружного охлаждения (в процентах) подсчитывается по формуле

= С13-52)

Где Юв — номинальная нагрузка котла, т/ч; О — действительная нагрузка котла при испытании, т/ч.

8. При сжигании твердых топлив в слоевых топках и в ка­мерных с жидким шлакоудалением потеря теплоты с физической теплотой шлаков (в процентах) определяется по формуле

<7б шл — Яшл </6 шл, (13-53)

Где <7бшл определяется из графика на рис. 13-21.

В качестве примера в табл. 13-17, 13-18 приведены результаты испытаний котельных агрегатов при сжигании газообразного и твердого топлива.

По результатам испытаний котельного агрегата должен быть составлен технический отчет, в котором следует отразить этапы проделанной работы, дать анализ основных показателей, котло - агрегата, а также рекомендовать мероприятия, направленные на улучшение работы и повышение экономичности котельной установки.

В начале отчета должна быть помещена краткая аннотация, в которой сжато излагаются результаты работы и основной вывод о качестве эксплуатаций и экономичности котельного агрегата. Затем в отчете приводится краткое описание испытанной уста­новки с указанием проектных параметров и основных конструк­тивных характеристик котельного агрегата и его вспомогательного оборудования.

Специальный раздел отчета должен быть посвящен методике измерений и расчетов. В этом разделе приводится подробная схема расстановки средств измерения (по типу схем, приведенных на рис. 13-12, 13-13 и 13-15), указывается тип приборов, которые использовались при испытании, оценивается погрешность измере­ния основных параметров (состава продуктов горения по тракту, температуры продуктов горения, расхода пара й питательной воды и т. п.), приводятся результаты тарировки газоходов, воз­духопроводов и других элементов с указанием коэффициентов тарировки и схем разбивки сечений, в которых производились измерения. При описании методики расчетов приводятся основ­ные уравнения, по которым составлялся тепловой баланс котло - агрегата, с указанием параметров, принятых без измерений.

Ряс. 13-22. Основные зависимости, получаемые в результате испытания котла: а — зависимость тепловых потерь и КПД от нагрузки котла; б — зависимость сопротивления газового тракта и удельного расхода электроэнергии на тягу и дутье от нагрузки котла / ■» раврежеавв в гопкеэ Я разрежение аа котлом; 3 — разрежение после водяного »коооыаваераг 4 — «опрогавданне водяного экономайзера; 6 — сопротивление соб­ственно котла

Один на разделов отчета должен быть посвящен описанию проведенных опытов. При описании опытов дается оценка каж­дого опыта с указанием его продолжительности, колебаний основ-, ных параметров, результатов визуальных наблюдений. Давая характеристику опытов, следует указать, как изменялся состав топлива в продолжение всех испытаний, как производился выбор оптимального коэффициента избытка воздуха, как работал экс­плуатационный персонал в период испытаний. Основным в отчете является раздел, в котором приводится анализ результатов испы­таний. Прежде всего приводится анализ работы топочного устрой­ства, описываются дефекты, выявленные при испытании топочных механизмов, газовых горелок или мазутных форсунок; дается критическая оценка надежности и экономичности работы топки не только по данным проведенных испытаний, но и по результатам глубокого анализа и обработки данных эксплуатации (ремонтные журналы, суточные ведомости работы котлоагрегата, показания записывающих приборов, данные опроса эксплуатационного пер­сонала и другие материалы). Затем анализируется тепловой ба­ланс котла с подробным рассмотрением и оценкой каждой потери теплоты. Анализ проиаводят с учетом графических зависимостей построенных по данным испытаний. В качестве примера на^ рис. 13-22 приведены основные зависимости, которые должны быть.

Режимная карта котла ДКВР-8,5-13, оборудованного горелками типа НГМГ-4 при сжигании природного газа и мазута (пример).

Паропроизводитель вость котла, ®/ч

Параметр

Примечание. В числителе приведены данные для газа, в знаменателе — для мазута.

Получены в результате эксплуатационных испытаний. На осно­вании анализа опытных данных делаются выводы и даются реко­мендации для повышения надежности и экономичности работы установки. Приводится режимная карта работы агрегата для различных нагрузок (табл. 13-19).