Тепловой баланс котельного агрегата

При составлении теплового баланса котельного агрегата устанавливается равенство между поступившим в агрегат количеством тепла, называемым располагаемым теплом , и суммой полезно использованного тепла Q₁ и тепловых потерь Q_2-6. На основании теплового баланса вычисляются КПД котельного агрегата и необходимый расход топлива.

Тепловой баланс составляется на 1кг твёрдого (жидкого) или 1м³ газообразного топлива при установившемся тепловом состоянии котельного агрегата.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид

= Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ , кДж/кг или кДж/м³.

Располагаемая теплота 1 кг твердого (жидкого) топлива определяется по формуле

, кДж/кг,

где - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг; i_тл - физическая теплота топлива, кДж/кг; Q_ф - теплота, вносимая в топку с паровым дутьем или при паровом распылении мазута, кДж/кг; Q_в.вн - теплота, внесенная в топку воздухом при его подогреве вне котла, кДж/кг.

Для большинства видов достаточно сухих и малосернистых твёрдых топлив принимают Q_р = , а для газового топлива принимается . Для сильно влажных твёрдых топливи жидких топливучитывается физическая теплота топлива i_тл, которая зависит от температуры и теплоёмкости поступающего на горение топлива

i_тл = с_тл t_тл .

Для твёрдых топлив в летний период времени принимают t_тл = 20 °С, а теплоёмкость топлива рассчитывают по формуле

, кДж/(кг· К).

Теплоёмкость сухой массы топлива составляет:

- для бурых углей - 1,13 кДж/(кг∙ К);

- для каменных углей - 1,09 кДж/(кг·К);

- для углей А, ПА, Т - 0,92 кДж/(кг·К).

В зимний период принимают t_тл =0 °С и физическую теплоту не учитывают.

Температура жидкого топлива (мазута) должна быть достаточно высокой для обеспечения тонкого распыла в форсунках котельного агрегата. Обычно она составляет = 90-140 °С.

Теплоёмкость мазута

, кДж/(кг ·К).

В случае предварительного (внешнего) подогрева воздуха в калориферах перед его поступлением в воздухоподогреватель котельного агрегата теплоту такого подогрева Q_в.вн включают в располагаемую теплоту топлива и рассчитывают по формуле

, кДж/кг,

где b_гв - отношение количества горячего воздуха к теоретически необходимому; Δα_вп – присосы воздуха в воздухоподогревателях; - энтальпия теоретического объема холодного воздуха; - энтальпия теоретического объема воздуха на входе в воздухоподогреватель.

При использовании для распыла мазута паромеханических форсунок в топку котельного агрегата вместе с разогретым мазутом поступает пар из общестанционной магистрали. Он вносит в топку дополнительную теплоту Q_ф, определяемую по формуле

Q_ф = G_ф (i_ф – 2380), кДж/кг,

где G_ф – удельный расход пара на 1 кг мазута, кг/кг; i_ф - энтальпия пара, поступающего в форсунку, кДж/кг.

Параметры пара, поступающего на распыл мазута, обычно составляют 0,3-0,6 МПа и 280-350 °С; удельный расход пара при номинальной нагрузке находится в пределах G_ф = 0,03 - 0,05 кг/кг.

Полное количество теплоты, полезно использованной в котле:

- для водогрейного котла

Q = D_в , кВт,

где D_в - расход воды через котел, кг/с; , - энтальпия воды на входе и на выходе из котла, кДж/кг;

- для парового котла

, кВт,

где D_пе - расход перегретого пара, кг/с; D_пр - расход продувочной воды (под непрерывной продувкой понимают ту часть воды, которая удаляется из барабана котла для снижения солесодержания котловой воды), кг/с; i_пе - энтальпия перегретого пара, кДж/кг; i_пв - энтальпия питательной воды, кДж/кг; i_кип - энтальпия кипящей воды, кДж/кг.

Энтальпии определяются по соответствующим температурам пара и воды с учетом изменения давления в пароводяном тракте котельного агрегата.

Расход продувочной воды из барабанного парового котельного агрегата составляет

, кг/с,

где р - непрерывная продувка котельного агрегата, %; при р < 2 % теплота продувочной воды составляет менее 0,4 % полезного тепловыделения и может не учитываться.

Коэффициент полезного действия проектируемого парового котельного агрегата определяется из обратного баланса

h = 100 - (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆), %.

Задача расчета сводится к определению тепловых потерь для принятого типа парового котельного агрегата и сжигаемого топлива.

Потери теплоты с уходящими газами q₂ (5-12%) возникают из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов, покидающих котел, превышает теплоту поступающего в котел воздуха и определяется по формуле

, %,

где I_ух- энтальпия уходящих газов, кДж/кг или кДж/м³, определяемая по J_ух при избытке воздуха в продуктах сгорания за воздухоподогревателем первой ступени; I^о_хв - энтальпия холодного воздуха.

Потери теплоты с уходящими газами зависят от выбранной температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха, так как увеличение избытка воздуха приводит к увеличению объема дымовых газов и, следовательно, возрастанию потерь.

Одним из возможных направлений снижения потерь теплоты с уходящими газами является уменьшение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах, величина которого зависит от коэффициента избытка воздуха в топке и присосов воздуха в газоходы котла

a_ух = + .

Выбор оптимального значения коэффициента избытка воздуха в топке. Для различных топлив и способов сжигания топлива рекомендуется принимать определенные оптимальные значения α_т.

Увеличение избытка воздуха (рис. 2) приводит к росту потерь теплоты с уходящими газами (q₂ ), а снижение - к повышению потерь с химическим и механическим недожогом топлива (q₃ , q₄ ).

Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха будет соответствовать минимальному значению суммы потерь q₂ + q₃ + q₄.

Рис. 2. К определению оптимального значения коэффициента

избытка воздуха

Так, оптимальные значения коэффициента избытка воздуха в топке α_т при сжигании:

мазута 1,05 – 1,1;

природного газа 1,05 – 1,1;

твердого топлива:

камерное сжигание 1,15 – 1,2;

слоевое сжигание 1,3 – 1,4.

Присосы воздуха по газовому тракту котла в идеале могут быть сведены к нулю, однако полное уплотнение различных лючков и гляделок затруднено, и для котлов, работающих под разряжением, присосы составляют Δα = 0,15 – 0,3.

Важнейшим фактором, влияющим на потерю теплоты с уходящими газами, является температура уходящих газов. Температура уходящих газов оказывает решающее влияние на экономичность работы парового котельного агрегата, так как потеря теплоты с уходящими газами является при нормальных условиях эксплуатации наибольшей даже в сравнении с суммой других потерь. Снижение температуры уходящих газов на 12-16 °С приводит к повышению КПД котельного агрегата примерно на 1,0 %. Температура уходящих газов находится в пределах 120-170 °С. Однако глубокое охлаждение газов требует увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева и во многих случаях приводит к усилению низкотемпературной коррозии.

Низкотемпературной коррозии подвержены, как правило, трубы нижних пакетов воздухоподогревателя I-й ступени. Это связано с тем, что трубы воздухоподогревателя расположены в зоне низких температур уходящих газов и воздуха.

Низкотемпературная коррозия будет происходить, если температура стенки трубы будет ниже температуры точки росы t_р дымовых газов.

Температура точки росы – это температура, при которой начинается конденсация водяных паров или паров серной кислоты из дымовых газов.

При полном сгорании топлива дымовые газы состоят из водяных паров Н₂О, углекислого газа СО₂ , двуокиси серы SO₂ , азота N₂ и избыточного кислорода О₂ . Сернистый ангидрид SO₂ , соединяясь с кислородом, образует серный ангидрид

SO₂ + O₂ → SO₃.

Таким образом, количество серного ангидрида будет определяться количеством избыточного кислорода в продуктах сгорания, то есть коэффициентом избытка воздуха.

В свою очередь, серный ангидрид, соединяясь с водяными парами, образует пары серной кислоты, которые, конденсируясь на поверхности труб, будут вызывать коррозию металла:

Н₂О + SO₃ → H₂SO₄,

H₂SO₄ + Fe → FeSO₄ + H₂.

При сжигании топлив, не содержащих серы (природный газ, древесное топливо), коррозия будет происходить при конденсации водяных паров

3Н₂О + 2Fe → Fe₂O₃ + 3H₂.

Поэтому температура стенки труб воздухоподогревателя должна быть выше температуры точки росы на 10-15 °С

t_ст = t_р + 10-15 °С,

и определяется как , °С, где - температура уходящих газов, °С; - температура воздуха на входе в воздухоподогреватель, °С.

Исходя из этого, выбирается температура уходящих газов.

Температура точки росы зависит от парциального давления водяных паров и паров серной кислоты, т.е. зависит от влажности топлива и содержания в нем серы .

При сжигании твердых топлив в пылевидном состоянии температура точки росы дымовых газов t_р рассчитывается в зависимости от температуры конденсации влаги при парциальном давлении в газах t_кон, которая определяется по «I – d» диаграмме, и приведенного содержания серы и золы в топливе по формуле

t_р = t_кон + Δt_р, °С,

где Δt_р определяется по рис. 3.

Рис. 3. Разность температур точки росы дымовых газов и конденсации

содержащихся в них водяных паров при сжигании твердых

топлив

При сжигании мазута с коэффициентом избытка воздуха в топке α_т >1,03 температура точки росы дымовых газов определяется по рис. 4.

Рис. 4. Точка росы дымовых газов при сжигании мазута (α_т > 1,03)

Продукты сгорания высоковлажных топлив из-за повышенного объема газов требуют для своего охлаждения увеличенных размеров конвективных поверхностей, поэтому при сжигании влажных топлив экономически оправдывается более высокая температура уходящих газов. Рекомендуемые температуры уходящих газов в зависимости от приведенной влажности твердого топлива , (%·кг)/МДж, и температуры питательной воды приведены в табл. 1. Высокая температура уходящих газов при сжигании сернистых мазутов обусловлена защитой воздухоподогревателя от интенсивной низкотемпературной коррозии.

Таблица 1

Рекомендуемые температуры уходящих газов, ^оС