Тепловой (энергетический) баланс котла

Общие принципы составления энергетического баланса изложены в параграфе 6.5.

Тепловой баланс работающего котла составляется на основе результатов тепловых испытаний с целью анализа эффективности работы котла и определения его КПД. При тепловом расчете проектируемого котла тепловой баланс составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива или на 1 м³ газообразного (при 273 К и 0,1013 МПа) при установившемся тепловом режиме работы котла. При этих условиях уравнение теплового баланса, кДж/кг, имеет вид.

где Qp^P — расчетная располагаемая (внесенная в топку) теплота; Q, — полезно используемая теплота, расходуемая на подогрев воды до температуры кипения, парообразование и перегрев пара; Q₂ — потери теплоты с уходящими газами; — потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива; Q_i — потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива; Q- — потери теплоты от наружного охлаждения; Q$ — потери теплоты с физической теплотой шлаков.

На рис. 15.13 приведена схема теплового баланса котла при наличии газового воздухоподогревателя. Теплота Q, дымовых газов, отдаваемая воздуху в воздухоподогревателе и вносимая обратно в топку с нагретым воздухом, показана в виде замкнутого потока, вследствие чего она в тепловом балансе не учитывается.

Расчетная располагаемая теплота определяется по следующим формулам:

• для твердого или жидкого топлива, кДж/кг,

Рис. 15.13. Схема теплового баланса котла.

• для газообразного топлива, кДж/м³,.

где С2н ^и Q, i ~ низшая теплота сгорания соответственно рабочей массы твердого или жидкого топлива и сухой массы газообразного топлива; Q_u — теплота, вносимая с поступающим в котел воздухом при подогреве его вне агрегата посторонним источником энергии (отбором пара турбины и т. д.). В случае отсутствия такого подогрева вместо Q_l} подставляется значение теплоты, внесенной атмосферным воздухом, I_XB; i_TJl — физическая теплота топлива; (Т — теплота, внесенная в котел распыливающим (форсуночным) паром при применении паромеханических или паровых форсунок для распыливания жидкого топлива.

В большинстве случаев физическая теплота топлива слишком мала, поэтому расчетная располагаемая теплота определяется только теплотой сгорания топлива так, что (Q? = Q^').

Полезно используемая теплота.

где D_nn — расход перегретого пара, вырабатываемого котлом, кг/с; D_uu — расход насыщенного пара, отданного потребителям помимо пароперегревателя, кг/с; D_np — расход продувочной воды, кг/с; г_пп, i_Hn, г_пр, г_пв — энтальпии соответственно перегретого, насыщенного пара, продувочной (котловой) и питательной воды, кДж/кг; В — расход топлива, кг/с.

Потери теплоты с уходящими газами.

где / и /_хв — энтальпии соответственно уходящих газов и холодного воздуха'.

Потери теплоты с уходящими газами зависят от избытка воздуха в топке и температуры газов. В современных мощных стационарных котлоагрегатах и главных судовых котлах они составляют 6—7% и ниже. Температура уходящих газов при этом достигает 125— 130 °C. Во вспомогательных судовых котлах, не имеющих развитых хвостовых поверхностей, температура уходящих газов находится в пределах 300—450°С, а потери теплоты с уходящими газами составляют 12—23%.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива (химического недожога) Q₃ возникают при неполном окислении горючих элементов топлива, когда в продуктах сгорания присутствуют горючие газы — продукты неполного окисления горючих компонентов топлива или его разложения (СО, Н₂, СН₄ и др.), наличие которых определяется на основе химического анализа дымовых газов.

Химическая неполнота сгорания топлива означает, что реакция окисления горючих компонентов топлива имела место, однако она не завершена, и в составе продуктов сгорания присутствуют вещества, способные к дальнейшему окислению с выделением теплоты. Причинами, вызывающими химическую неполноту сгорания топлива, являются:

• • недостаточное количество воздуха, подаваемого в топку;
• • плохое смесеобразование;
• • низкая температура в топке, приводящая к снижению скорости выгорания топлива;
• • малый размер топочной камеры, обусловливающий недостаток времени для завершения процесса горения.

Значения Q₃ для слоевых механических топок находятся в пределах 0,5—3%, для камерных топок — 0,5—1,5%.

Потери теплоты от механической неполноты сгорания (механический недожог) Q4 обусловливаются недожогом твердого топлива в топочной камере, удалением части топлива вместе со шлаком (в результате его запекания при сжигании крупных кусков угля), провалом его в шлаковый бункер в слоевых топках (мелкие куски угля), а также уносом (угольная пыль). То есть горючие компоненты топлива не вступают в химическую реакцию окисления.

Потери с уносом вызываются тем, что мелкие кусочки топлива увлекаются потоком воздуха и продуктов сгорания и уносятся в не полностью сгоревшем виде в газоходы котла. Эти потери зависят от свойств топлива, его фракционного состава, конструкции колосниковой решетки при слоевом сжигании, тонкости помола в пылеугольных топках, температурного уровня в топке, ее аэродинамики и других факторов. При сжигании твердого топлива потери являются вторыми основными потерями теплоты, для промышленных котлов они могут достигать более 10—12%. При слоевом сжигании основными составляющими Q являются потери с провалом и со шлаком, а при камерном сжигании — с уносом. При теплотехнических расчетах котлов, работающих на жидком или газообразном топливе, эту составляющую теплового баланса не учитывают.

Потери теплоты от наружного охлаждения Q- зависят от размеров и температуры наружной поверхности котла и температуры окружающего воздуха. Потери Q₃ зависят от производительности котла и составляют от 0,1—0,5% в современных главных судовых котлах до 4—6% во вспомогательных котлах. При эксплуатации котла потери Q₃ определяют на основе теории теплообмена по данным измерения температуры наружных стен котла и окружающего воздуха.

Потери с физической теплотой шлаков зависят от количества удаляемых из котла шлаков, их теплоемкости и температуры. В большинстве случаев они незначительны, но при жидком шлакоудалении они увеличиваются до 1—5%. В котлах, работающих на жидком или газообразном топливе,.

0б = °.

Отношение полезно использованной в котле теплоты к располагаемой представляет собой КПД котла:

или в относительных величинах.

где <7; = Qj/Qp^P;

По формуле (15.7) рассчитывается КПД парогенератора по прямому балансу (по паровой стороне). Из формулы (15.8) определяется КПД по обратному балансу (по газовой стороне).

По формулам (15.7) и (15.8) рассчитывается КПД котельной установки брутто. При учете расходов котла на собственные нужды (привод насосов, вентиляторов, дымососов и т. п.), составляющие около 4%, определяется КПД нетто.