Тепловой расчет котла

Тепловой расчет котла может быть конструктивным и поверочным. Конструктивный расчет позволяет определить величину поверхностей нагрева при заданной паропроизводительности. Кроме паропроизводительности, исходными данными являются: тип котла, параметры перегрева первичного и вторичного пара, марка топлива и способ его сжигания.

Поверочный расчет проводится для определения показателей работы котла при переходе на сжигание другого топлива, изменении паропроизводительности, параметров пара, проведении реконструкции поверхностей нагрева. Помимо экономичности, его результаты позволяют оценить степень надежности работы топки по условиям шлакования, недостаток или избыток площади поверхности нагрева пароперегревателя, опасность появления низкотемпературной коррозии. В дополнение к исходным данным конструктивного расчета известны или определяются из чертежа характеристики всех поверхностей нагрева: диаметры и число труб, их шаги, площади поверхностей, проходных сечений по газам и рабочему веществу.

Рассмотрим основные положения теплового поверочного расчета котла.

Тепловой баланс котла

Располагаемая теплота топлива для 1 кг твердого или жидкого топлива и для 1 м³ газообразного топлива:

, кДж/кг (кДж/м³),

где – низшая теплота сгорания топлива (количество теплоты, выделяющееся при сгорании единицы топлива, если испаряющаяся в процессе горения влага находится в дыме в виде пара, охлажденного до 20 ^оС);

Q_Ф.В – теплота, вносимая с воздухом (учитывается только при подогреве воздуха вне агрегата);

Q_Ф.Т – физическая теплота топлива;

Q_П – теплота, вносимая в топку паром при распылении мазута в форсунках.

К.п.д. котла характеризует полезно использованную теплоту q₁ и учитывает потери теплоты с дымом q₂, химический и механический недожеги топлива q₃ и q₄, потери в окружающую среду q₅ и с теплотой шлака q₆:

h_К = 100 – q₂ – q₃ – q₄ – q₅ – q₆, %.

Потери с дымом

,

где r_С – доля газов, отобранных на сушку топлива;

H_ОТБ, H_УХ, – энтальпии дыма в месте отбора и на выходе из агрегата, холодного воздуха при t_ХВ=30 ^оC, кДж/кг;

a_УХ – коэффициент избытка воздуха, м³ воздуха/

/м³ дыма.

Химический недожег q₃ учитывает наличие в дыме СО и Н₂ (обычно принимают, что на 1 % CO в дыме приходится 0,5 % Н₂).

Механическая неполнота сгорания топлива q₄ учитывает его потери при транспортировке к топке. При сжигании жидкого топлива теряется около 1 %, для газа утечки составляют 2-3 %, а для твердого топлива – 3-5 %.

Потери в окружающую среду q₅ выбираются в зависимости от паропроизводительности котла и составляют 0,2–0,6 % от q₁.

Потери с теплотой шлака

,

где а_ШЛ – доля золы в шлаке;

с_ШЛ – теплоемкость шлака, кДж/кг;

t_ШЛ – температура шлака (при твердом шлакоудалении t_ШЛ = = 600 ^оС; при жидком t_ШЛ = t_ЗОЛЫ + 100 ^оС);

A^Р – доля золы в топливе.

с_ШЛ = 0,832 + 0,00167 × t_ШЛ.

t_ШЛ=600 ^оС при твердом шлакоудалении, t_ШЛ = t_ЗОЛЫ + 100 ^оС при жидком шлакоудалении.

Расход топлива, подаваемого в топочную камеру

,

где D, D_ПРОМ=(0,85¸0,9)×D, D_ПР=(0,01¸0,02)×D – расход первичного и промежуточного пара, расход продувочной воды (учитывается только для барабанных котлов), кг/с;

– энтальпия перегретого пара, питательной воды, пара на выходе и входе промежуточного перегревателя, кипящей воды, кДж/кг.

Расчет суммарных объемов дыма, энтальпий воздуха и теплоты, переданной дымом в поверхностях нагрева котла, ведется на 1 кг расчетного расхода топлива. Для мазута:

B_Р = B × (1 – 0,01 × q₄).

Невязка баланса теплоты котла определяется по формуле:

, кДж/кг,

где Q_Л, Q_К, Q_ПЕ, Q_ПРОМ, Q_ЭК – количество теплоты, воспринятое лучевоспринимающими поверхностями, топки, котельными пучками (фестонами), первичным и вторичным пароперегревателями (кроме радиационных) и экономайзером, кДж/кг.

При выполнении расчета для прямоточного котла невязка DQ не должна превышать 0,5 % , а для барабанного котла допускается невязка в 0,5 % отдельно по испарительному и перегревательным трактам.

Тепловой расчет топочной камеры

В поверочном расчете искомой величиной является температура на выходе из топки, ^оС:

,

где Т_а – адиабатная температура сгорания топлива, К;

M – параметр, учитывающий характер распределения температур по высоте топки;

F_СТ – площадь поверхности стен топочной камеры, м²;

y_СР – коэффициент среднего значения тепловой эффективности экранов;

e_m – тепловой коэффициент излучения экранов топки;

V_Cср – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг×К).

Адиабатная температура J_а = Т_а – 273 определяется по полезному тепловыделению в топке

.

Средняя теплоемкость

.

где – средняя энтальпия дыма на выходе из топки.

Так как в поверочном расчете является искомой величиной, то для определения V_Cср значением задаются с последующим уточнением.

Параметр M зависит от вида сжигаемого топлива, типа топочной камеры и расположения горелок.

Коэффициент тепловой эффективности y_СР зависит от углового коэффициента экранов j и степени их загрязнения, учитываемой величиной z:

y_СР = j × z.

Для различных типов гладкотрубных экранов зависимость j = f (s₁/d), т.е. функцию от отношения шага труб к их диаметру, находят по графику.

Коэффициент теплового излучения экранов топки

.

В эту формулу входит коэффициент теплового излучения факела e_ф, он вычисляется по формулам, в которые входят эффективная толщина излучающего слоя, объемная доля водяных паров и трехатомных газов, диаметр зольных частиц и другие факторы.

Полученная расчетом температура на выходе из топки должна гарантировать отсутствие шлакования последующих поверхностей нагрева и не превышать допускаемых значений.

Общее количество теплоты, переданное экраном рабочему телу при сжигании 1 кг топлива в топке, кДж/кг:

,

где j_m – коэффициент, учитывающий долю теплоты, переданной газами поверхности нагрева.

.