Тепловой баланс котельного агрегата. Эффективность использования топлива.

Общее уравнение теплового баланса

В процессе работы котельного агрегата неизбежны потери и степень экономического совершенства оценивается КПД. Для определения КПД агрегата составляют тепловой баланс, под которым подразумевают распределение теплоты, выделившейся при горении топлива, на полезную теплоту, используемую на получения пара требуемых параметров и на тепловые потери.

При сжигании 1 кг (м3) топлива наибольшее количество теплоты, которое может выделиться в топке, складывается:

,

где низшая теплота сгорания топлива, ,

теплота, внесенная в топку вместе с подогретым воздухом. Эта теплота учитывается только в том случае, если воздух подогревается от постороннего источника теплоты (калорифер);

физическое тепло топлива, получаемое им при внешнем подогреве;

тепло внесённое с паровым дутьём (например, при распылении мазута паром);

располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м3.

Чаще всего при расчётах полагают, что располагаемая теплота равна низшей теплоте сгорания.

Часть располагаемой теплоты затрачивается на подогрев и испарение воды, а также перегрев пара – это использованная теплота.

Другая часть теплоты, которая не может быть использована, составляет тепловые потери.

Баланс котельного агрегата, составленный к часовому расходу топлива (В = кг/час) будет выглядеть следующим образом

Чтобы повысить КПД котельного агрегата необходимо свести до минимума его тепловые потери.

Q2 – потери теплоты с уходящими газами

Q3 – потери теплоты от химического недожога

Q4 – потери теплоты от механического недожога (потери теплоты со шлаком и уносом топлива)

Q5 – потери теплоты от наружного охлаждения котельной установки

Q6 – потери теплоты с физическим теплом шлака

 

Тепловые потери часто рассчитывают в относительной форме

 

Потери теплоты с уходящими газами, Q2.

Эти потери обусловлены тем, что продукты сгорания имеют температуру более высокую, чем атмосферный воздух.

, кДж/кг или кДж/м3,

где энтальпия газов, выбрасываемая в атмосферу

энтальпия атмосферного воздуха

Из формулы видно, что потери зависят от температуры уходящих газов, а температура уходящих газов зависит от площади омываемых поверхностей.

Температура уходящих газов зависит от величины омываемой поверхности и от интенсивности теплообмена. С другой стороны, поверхность нагрева, помещённая в зоне высоких температур, воспринимает во много раз больше теплоты, чем расположенная в зоне низкой температуры продуктов сгорания. Поэтому даже небольшое снижение tУХ требует существенного увеличения поверхности нагрева.

На практике производят технико-экономическое сравнение, и расчётом определяют оптимальную температуру уходящих газов. На эту температуру оказывает влияние также влажность топлива. Чем выше влажность, тем выше температура уходящих газов и объём продуктов сгорания. Чем выше влажность топлива, тем больше потери с уходящими газами.

Температуру уходящих газов, в больших котельных агрегатах выбирают в пределах 110-160 0С. Нижний предел для маловлажностного топлива, а высший - для высоковлажностного.

Присосы по ходу газового тракта увеличивают объём продуктов сгорания, т.е. увеличивают потери теплоты с уходящими газами.

Эта потеря является наибольшей из всех потерь и обычно составляет 5-10%.

Расчётные значения потерь с уходящими газами достигаются лишь при чистых поверхностях нагрева. Если поверхности нагрева загрязнены, то теплообмен ухудшается и потери возрастают.

 

Потери теплоты от химического недожога, Q3.

В продуктах сгорания могут находиться продукты неполного сгорания топлива СО, Н2, СН4, часть исходного топлива и другие газы. Сгорание этих газов за пределами топочной камеры невозможно из-за низкой температуры в газоходах котла.

Тепло, которое могло быть выделено в топочной камере в случае догорания газообразных горючих, составляет химический недожог. Потери теплоты от химического недожога определяют:

,

где V – объем горючих газов,

Qн – низшая теплота сгорания, .

При сжигании жидкого и твердого топлива содержание Н2 и СН4 в продуктах сгорания ничтожно, и потери теплоты от химического недожога не учитывают.

Потери теплоты от химического недожога зависят от способа сжигания топлива, от количества воздуха для горения, от плохого перемешивания воздуха с топливом.

Обычно топливо прибывает в камере 1.5 – 2 сек. За это время топливо должно полностью сгореть. Если объем топки мал, а топливо стараются подать больше, то топливо не успевает сгореть, вследствие чего появляется химический недожог. Если же топливо подавать мало и медленно, то снижается температура горения, а понижение температуры горения приводит к увеличению химического недожога. Ориентировочно эти потери составляют до 5%.

 

Потери теплоты от механического недожога, Q4.

Эти потери обусловлены тем, что часть топлива, поступившего в топку, не до конца участвуют в процессе горения и уносится с уходящими газами. Это количество теплоты, которое должно было бы выделиться при полном сгорании топлива, называется механическим недожогом.

Если при химическом недожоге несгоревшими продуктами являются газообразные вещества, то при механическом – твёрдые вещества.

Чаще всего это происходит из-за неполного сгорания твердого топлива, т.е. в топке часть твёрдого топлива разлагается на золу и углерод и затем уноситься из топки.

При камерном сжигании топлива, потери тепла состоят из потерь теплоты со шлаком и уносом топлива.

 

Потери теплоты со шлаком определяются тем, что частицы топлива оседают в жидком шлаке и, когда шлак застывает, удаляются вместе с ним. Эти потери составляют 1-3%.

 

Потери теплоты с уносом определяются тем, что частички топлива, а также топливо в мелких частичках золы по газоходу с потоком продуктов сгорания удаляются из котельного агрегата. Часть этих частичек оседает на конвективных поверхностях, а часть улавливается золоулавливающими устройствами. Эти потери составляют 0,5-2,5%.

 

Основные факторы, влияющие на Q4: тонкость размола, выход летучих, длительность пребывания продуктов сгорания в топке. При сгорании жидкого и газообразного топлива Q4 пренебрегают.

 

Потери теплоты от наружного охлаждения парогенератора, Q5.

Эта потеря вызывается тем, что наружная поверхность котельной установки и элементы котла (барабан, коллектор) имеют более высокую температуру, чем окружающая среда, что и составляет потери.

Все внешние поверхности должны иметь изоляцию, обеспечивающие температуру не выше 55 0С.

где В – расход топлива, кг/час

Из формулы видно, чем больше поверхностей, тем больше потери теплоты.

Доля этих потерь мала и составляет 0,4-0,5% расхода топлива.

Определение расчётным путём по формуле громоздко и сложно, поэтому в ориентировочных расчётах пользуются средним значением удельной потери от поверхности охлаждения, которую принимают равной 200-300 Вт/м2.

Чем больше производительность, тем меньше доля потерь.

При расчётах считают, что потери теплоты поверхностью топки составляют 50%, а остальные 50% распределяют между отдельными конвективными газоходами, пропорционально их тепловосприятию.

 

 

Потери теплоты с физическим теплом шлака, Q6.

Они определяются тем, что шлак имеет высокую температуру и содержит физическое тепло.

Потери теплоты со шлаком учитывают при камерном сжигании топлива и жидком шлакоудалении. Эти потери составляют 1-2%. При твердом шлакоудалении Q6 учитывают только при высокой зольности топлива.

 

КПД котельного агрегата

Использованное тепло в общем виде можно определить по формуле

 

Д – производительность парогенератора, кг/сек;

Дпром – расход пара через промежуточный пароперегреватель, кг/сек;

Дпр – расход продувочной воды, кг/сек;

iпр – энтальпия перегретого пара, кДж/кг;

– энтальпия котловой воды, кДж/кг;

– энтальпия питательной воды, кДж/кг;

, – энтальпия пара на выходе и входе промежуточного пароперегревателя, кДж/кг;

В – расход топлива, кг/сек.

С учётом теплопотерь можно записать

ɱбр

ɱбр – КПД парогенератора брутто, который учитывает тепловые потери, т.е. можно записать что

ɱбр (1)

Для прямоточных котлов у которых Дпр=0, а также для барабанных котлов, для которых величина продувки р=Дпр/Д∙100%<2%, коэффициент брутто определится

ɱбр (2)

если нет промежуточного пароперегревателя, ɱбр находиться как

ɱбр ,% (3)

В формулах (1),(2),(3) КПД определяется непосредственно по использованной теплоте. Это метод прямого баланса. ɱбр можно определить через тепловые потери, это метод обратного баланса.

ɱбр

Метод прямого баланса используют только при испытаниях. При проектировании используют метод обратного баланса, поскольку в формуле (1) неизвестными являются 2 величины В и ɱбр, которые зависят друг от друга.

При проектировании величины Q2, Q3, Q4 задаются согласно рекомендациям, а Q5 определяют в зависимости от паропроизводительности котлоагрегата.

Потери с уходящими газами, как правило, не рассчитывают, а задаются оптимальной температурой уходящих газов.

При испытании котельных установок используют 2 метода. Однако при испытании парогенераторов большой мощности, прямой баланс даёт большую погрешность, т.к. вызывают трудности измерение с достаточной точностью расхода топлива В.

В общем случае ɱбр зависит:

- от типа и мощности котельного агрегата

- от конструкции топки

- от вида сжигаемого топлива

КПД брутто учитывает только тепловые потери, и характеризует тепловое совершенство котельной установки.

Для полной оценки эффективности использования топлива пользуются коэффициентом полезного действия нетто (ɱнетто), который учитывает кроме тепловых потерь ещё и собственный расход парогенератора. Например, расход электрической энергии и теплоты на вспомогательном оборудовании, которое обеспечивает нормальную работу котельной.

К вспомогательному оборудованию относиться:

- питательные насосы, дутьевые вентиляторы,

- электродвигатели, пылепитатели,

- мельницы и т.д.

Коэффициенты брутто и нетто связаны уравнением:

ɱнетто = ɱбр

расход теплоты на собственные нужды

 

В нормативном методе все тепловые потери приводятся при номинальных нагрузках. Если нагрузка агрегата отличается от номинальной, то изменяется и величина тепловых потерь, а также ɱбр.

Из графика видно, что при нагрузке от 75-100% от номинальной мощности ɱбр уменьшается. Однако это не означает, что котельные агрегаты должны работать с недогрузкой. Поскольку в энергетическую систему входят электростанции различных параметров, поэтому экономически целесообразно оставлять в работе установки более высоких параметров при номинальной нагрузке и более низким значением ɱбр

Это вызвано тем, что общее повышение КПД электростанции дает большую экономию топлива, чем повышение ɱбр

Обычно котельные установки работают с нагрузкой (1,0-0,7) Дном.