Тепловой баланс котла. Определение кпд брутто и нетто энергоблока тепловой электростанции
Теплота, выделяемая топливом, не полностью используется для нагрева рабочего тела котла. Часть теплоты теряется. Эффективность использования энергии в котле определяет его КПД. Различают КПД брутто и нетто. КПД котла (брутто) называют выраженное в процентах отношение полезно использованной теплоты к количеству располагаемой теплоты вводимого в котел топлива.
Полезно использованная теплота слагается из теплоты нагрева питательной воды до состояния перегретого пара и теплоты дополнительного нагрева пара промежуточного перегрева. Теплота может быть затрачена на подогрев части рабочего тела, впоследствии выводимого из котла (например, продувочная вода). Полное количество полезно использованной (воспринятой рабочим телом) в котле теплоты
Qn - D (І - і"пв) + Dim (І"пп - inn) 4~ Dnp (t"np - in»)»
Где D, D„n и Dnp - расход соответственно свежего пара, пара промежуточного перегрева и продувочной воды, кг/с; і, і„в, inn и /Пр - энтальпия соответственно свежего пара, питательной
2* 35 воды, пара промежуточного перегрева на выходе и входе в котел и продувочной воды, МДж/кг.
Энтальпия рабочего тела і ~ ct, где с - массовая теплоемкость, МДж/(кг-°С). Количество теплоты, поступившее в котел в расчете на единицу массы (или объема для газообразного топлива) исходного топлива, называют располагаемой теплотой топлива;
Qp = Qk ~Ь QВ. ВИ + ЇТЛ + Сф ----- Qk>
Где QB. вн - теплота, внесенная в топку с воздухом (при его нагреве вне котла); ітл - физическая теплота топлива, численно равная произведению теплоемкости топлива на его температуру; Фф ~ Оф (г"ф - 2,5) - теплота, вносимая в топку с паром, используемым для распыливания жидкого топлива (вводится лишь при установке паровых форсунок при сжигании жидкого топлива); Сф и і"ф - соответственно расход (на 1 кг топлива) и энтальпия пара; QK - 0,0406 k (С02)к - теплота, затраченная на разложение карбонатов топлива; (СОг)к- содержание углекислоты карбонатов.
Для газообразного топлива два последних члена отсутствуют.
Полное количество"вносимой в котел теплоты
Где В - расход топлива в котле, кг/с.
В соответствии с определением КПД брутто
Вследствие тепловых потерь в котле Qn < Qp.
При определении КПД нетто дополнительно учитываются (вычитаются из Qn) затраты энергии на работу основного и вспомогательного оборудования (насосы, вентиляторы, дымососы, мельницы и т. д.), т. е. затраты энергии на собственные нужды .
Тепловые потери в котле зависят от эффективности процесса горения топлива в топке и передачи теплоты от продуктов сгорания к рабочему телу в поверхностях нагрева. Рассмотрим составляющие потерь теплоты в котле.
Продукты сгорания выходят из последней поверхности нагрева котла при температуре #ух, значительно превышающей температуру воздуха, поступающего из атмосферы в котел. Потери теплоты с уходящими газами равны разности энтальпий конечного состояния газов и воздуха, входящего в котел.
Если в уходящих газах содержатся горючие газообразные элементы (Н2, СН4 и др.) или продукты неполного сгорания СО, то имеют место потери с химическим недожогом топлива. Величина этих потерь определяется количеством и теплотой сгорания указанных горючих элементов.
Поскольку частицы твердого топлива могут совсем не участвовать в химической реакции, потери теплоты с твердым непро - реагировавшим топливом называют потерями с механическим недожогом.
Наружная поверхность стен котла имеет более высокую температуру, чем окружающая среда. Потери теплоты вследствие теплоотдачи от стен котла к окружающему воздуху называют потерями в окружающую среду. И, наконец, в котлах имеют место потери теплоты со шлаком, выводимым из топки с высокой температурой.
Потери теплоты с химическим и механическим недожогом, а также со шлаком относят к топочным потерям; потери теплоты в окружающую среду и с уходящими газами являются общими для котла. Равенство количества располагаемой теплоты сумме количества теплоты, полезно использованной в котле, и тепловых потерь называют тепловым балансом котла Обычно принято тепловой баланс котла составлять для единицы массы (твердого," жидкого) или объема (газообразного) сжигаемого топлива, В этом случае
■QS-=Qi + Q2 + Qa + Q4 + Qe + Qe, (20)
Где Qa - полезно использованная теплота; Q2, Qs, Q4, Q5 и Q, - потери теплоты соответственно с уходящими газами, с химическим и механическим недожогом, в окружающую среду и со шлаком.
Наиболее распространен тепловой бала не котла в относительном виде. Если располагаемую теплоту принять за 100%, то зависимость (20) примет вид
100 « qv + Яг + Чг + <7* + Чь + Я«>
Где qx = 100 = Т]бр - относительное количество полезно
Использованной теплоты,%; q2 = 100, qs = 100 и т. д. -
Относительные потери теплоты соответственно с уходящими газами, с химической и механической неполнотой горения (с недожогом), в окружающую среду и со шлаком.
При организации работы котла необходимо стремиться к снижению тепловых потерь. Рассмотрим факторы, от которых зависят тепловые потери, и возможности снижения потерь.
Потери теплоты с уходящими газами можно представить в еле-, дующем виде:
Где сг и сХЙ - теплоемкость соответственно газа и холодного воздуха, МДж/(м:1К); Фух и tXB - температура соответственно уходящих из котла газов (после последней поверхности нагрева) и холодного воздуха, 0 С; Vr - объем уходящих газов в расчете на 1 кг топлива, м3/кг; а? х - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; qt - относительные потери теплоты с механическим недожогом.
Объем уходящих газов
Если принять коэффициент теплоотдачи" конвекцией ah{ = = idem = ак и ts, CTi = idem = tH. ст, то
BQS = aK(tH. рт - tXB)2 F, = q£Ft..
Тепловой поток q меняется незначительно с изменением мощности котла, так как температуру стенки поддерживают на постоянном безопасном для человека уровне ст < 55 °С) при помощи изоляции. В то же время увеличение площади поверхности стен Fj котла с ростом его мощности происходит медленнее и hFi/BQp уменьшается, т. е. величина
Дь = - ЩL 100 BQI
Также снижается.
При изменении нагрузки котла температура ст, а следовательно, тепловые потоки меняются незначительно. В то же время вносимая с топливом теплота линейно зависит от нагрузки. Потери q& при отклонении нагрузки D от номинальной £)„ (%)
5 = <7бн£НД>. (24)
Потери с физической теплотой шлака
<76 - атлА* (сОшл/Qj, (25)
Где /шл = 600 °С для ТШУ и *шл == ta +100 °С для ЖШУ; 6ШЯ - теплоемкость шлака.
При выработке пара в котле раб.вещ-во (вода) обычно проходит последовательно водонагревательные, испарительные и пароперегревательные поверхности. В отд-х случ. котел м. не иметь экономайзера или пароперегревателя.
Теплота, воспринятая водой в экон-ре, МДж/кг или (МДж/м 3):Q Э =D/B(h² П.В. -h¢ П.В), где h² П.В. , h¢ П.В. -энтальпии пит. воды на вх. и вых. Экон-ра, МДж/кг
Тепловосприятие испарит. поверх-тей, если условно считать пар сухим насыщенным (на испарение воды): Q ИСП. =D/B(h Н.П. -h² П.В),где h Н.П. -энтальпия нас.пара.
Тепловосприятие пароперегревателя (на перегрев пара): Q ПП. =D/B(h П.П. -h Н.П),где h Н.П. -энтальпия пер.пара.
S-ное кол-во теплоты,пошедшей на выработку пара,МДж/кг(МДж/м 3):Q ПОЛ. =Q Э +Q ИСП. +Q ПП. =D/B(h П.П. - h¢ П.В).
С учетом продувки из котла части воды для поддержания определенного ее солесодержания, а также при наличии в кот-ной установке передачи части нас.пара на сторону и при дополнительном пароперегревателе для вторичного перегрева пара полезно затраченная теплота на ед. сжигаемого топлива, МДж/кг(МДж/м 3):Q ПОЛ. = D/B(h П.П. -h¢ П.В)+D ПР /B(h ПР -h¢ П.В)+D НАС.П /B(h Н.П -h¢ П.В)+D ВТ.П /B(h² ВТ.П -h¢ ВТ..П).
Где D ПР, D НАС.П, D ВТ.П -расходы продувочной воды, нас. пара и пара ч/з вторичный пароперегреватель, кг/с; h ПР, h² ВТ.П,h¢ ВТ..П -энтальпии продувочной воды, пара на вх. и вых. вторичного пароперегревателя.
С учетом выработки перегретого и нас.пара, наличия продувки воды и вторичного перегрева пара КПД котла, %,опред.по ф-ле: h К =(Q ПОЛ. /В×Q Р Н)×100% Þ определ-е КПД котла как отношение полезно затраченной теплоты к располагаемой теплоте топлива-это определение его по прямому балансу. Определение КПД котла ч/з нахождение тепловых потерь наз-ся методом обратного баланса:
h К =100-(q У.Г +q Х.Н +q М.Н +q Н.О +q Ф.Ш)=100-Sq ПОТ.
Этот КПД котла не учитывает затрат эл.энергии и теплоты на собственные нужды (приводы насосов, вентиляторов, дымососов, механизмов топливоподачи и пылеприготовления, работы обдувочных аппаратов). Такой КПД котла наз.КПД брутто и обозначают: h БР К или h БР.
Если потребление энергии в ед. времени на указанное вспомогательное оборудование составляет SN с, МДж, а уд. затраты топлива на выработку эл.энергии b, кг/МДж, то КПД котель-й установки с учетом потребления энергии вспомогательным оборудованием наз-ся КПД нетто ,% и опред. по ф-ле:
Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса определяется расход топлива и вычисляется коэффициент полезного действия, эффективность работы котельного агрегата.
В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на нагревания воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразования энергии вырабатываемый продукт (вода) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.
Уравнение теплового баланса для установившегося теплового состояния агрегата:
(37) |
(38) |
где – располагаемая теплота, ;
– полезно использованная теплота, ;
Суммарные потери, ;
– потери теплоты с уходящими газами, ;
– потери теплоты от химического недожога, ;
– потери теплоты от механической неполноты сгорания, ;
– потери теплоты в окружающую среду, ;
– потери теплоты с физической теплотой шлаков .
Левая приходная часть уравнения теплового баланса (38) является суммой следующих величин:
(39) |
где – теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 топлива; эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухонагревателе, то, теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата;
– теплота, вносимая с паром для распыления мазута (форсуночный пар);
– физическая теплота 1 топлива.
Т.к. предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то формула (39) принимает вид:
Коэффициентом полезного действия водогрейного котла называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку горячей воды, к располагаемой теплоте котла. Не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учетом этого различают КПД котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и по отпущенной теплоте (КПД-нетто).По разности выработанной и отпущенной теплоты определяется расход на собственные нужды.
В итоге КПД-брутто котла характеризует степень его технического совершенства, а КПД-нетто – коммерческую экономичность. КПД-брутто котельного агрегата определяется по уравнению прямого баланса:
где – относительные потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от наружного охлаждения.
Относительные потери теплоты с уходящими газами определяются по формуле:
– потери теплоты от механической неполноты сгорания (учитывается только при сжигании твердого и жидкого топлива), %
6.1.4 Расчет количества топлива, сжигаемого в котельном агрегате
Общий расчет топлива, подаваемого в топку котельного агрегата:
где – расход воды через котельный агрегат, кг/с;
– энтальпия горячей и холодной воды (на выходе и входе водогрейного котла) , кДж/кг
Таким образом,
Список использованных источников
1. Строительная климатология. СНиП 23-01-99.
2. Котельные установки. СНиП II-35-76.
3. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Нормативы по энергопотреблению и теплозащите. ТСН 23-341-2002 Рязанской области Администрация Рязанской области г. Рязань – 2002.
4. Тепловые сети. СНиП 2.04.07-86.
5. Тепловой расчет котельных установок. Методические указания для выполнения расчетной работы №1. Мордовский государственный университет им.Н.П.Орагева. Саранск, 2005.
6. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб. пособ. Для техникумов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1989.
7. Выбор и расчет теплообменников. Учебное пособие. Пензенский государственный университет. Пенза, 2001.
8. Роддатис К.Ф. Котельные установки. Учебное пособие для студентов неэнергетических специальностей вузов. – М.: «Энергия», 1977.
9. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. – М.: Энергоатомиздат, 1989.
10. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзиньш Э.Я.. Производственные и отопительные котельные 2-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
11. Справочник эксплуатационника газифицированных котельных. Л.Я.Порецкий, Р.Р.Рыбаков, Е.Б.Столпнер и др. – 2-е изд., перераб. и доб. - Л.: Недра,1988.
12. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. службой стандартных справочных данных. ГСССД Р-776-98 – М.: Издательство МЭИ. 1999.
13. Сайт компании «Виссманн» www.viessmann.ru
14. Сайт компании «Grundfos» www.grundfos.ru
15. Сайт компании «Ридан» www.ridan.ru
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица А.1 – Единицы измерения энергии
Таблица А.2 –Характеристика некоторых видов топлива
Таблица 1- Климатические параметры холодного периода года
Город | Температура воздуха наиболее холодных суток, °С, обеспеченностью | Температура воздуха наиболее холодной пятидневки, °С, обеспеченностью | Температура воздуха, °С, обеспеченностью 0,94 | Абсолютная минимальная температура воздуха, °С | Средняя суточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного месяца, °С | Продолжительность, сут, и средняя температура воздуха, °С, периода со средней суточной температурой воздуха | Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца, % | Средняя месячная относительная влажность воздуха в 15 ч. наиболее холодного месяца, %. | Количество осадков за ноябрь-март, мм | Преобладающее направление ветра за декабрь-февраль | Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, м/с | Средняя скорость ветра, м/с, за период со средней суточной температ урой воздуха £ 8 °С | |||||||||
£ 0°С | £ 8°С | £ 10°С | |||||||||||||||||||
0,98 | 0,92 | 0,98 | 0,92 | продолжительность | средняя температура | продолжительность | средняя температура | продолжительность | средняя температура | ||||||||||||
Москва | -36 | -32 | -30 | -28 | -15 | -42 | 6,5 | -6,5 | -3,1 | -2,2 | ЮЗ | 4,9 | 3,8 | ||||||||
Нижний Новгород | -38 | -34 | -34 | -31 | -17 | -41 | 6,1 | -7,5 | -4,1 | -3,2 | ЮЗ | 5,1 | 3,7 | ||||||||
Оренбург | -37 | -36 | -34 | -31 | -20 | -43 | 8,1 | -9,6 | -6,3 | -5,4 | В | 5,5 | 4,5 | ||||||||
Орел | -35 | -31 | -30 | -26 | -15 | -39 | 6,5 | -6 | -2,7 | -1,8 | ЮЗ | 6,5 | 4,8 | ||||||||
Пермь | -42 | -39 | -38 | -35 | -20 | -47 | 7,1 | -9,5 | -5,9 | -4,9 | Ю | 5,2 | 3,3 | ||||||||
Екатеринбург | -42 | -40 | -38 | -35 | -20 | -47 | 7,1 | -9,7 | -6 | -5,3 | З | 3,7 | |||||||||
Саратов | -34 | -33 | -30 | -27 | -16 | -37 | 6,9 | -7,5 | -4,3 | -3,4 | СЗ | 5,6 | 4,4 | ||||||||
Казань | -41 | -36 | -36 | -32 | -18 | -47 | 6,8 | -8,7 | -5,2 | -4,3 | Ю | 5,7 | 4,3 | ||||||||
Тула | -35 | -31 | -30 | -27 | -15 | -42 | 6,8 | -6,4 | -3 | -2,1 | ЮВ | 4,9 | |||||||||
Ижевск | -41 | -38 | -38 | -34 | -20 | -48 | 6,9 | -9,2 | -5,6 | -4,7 | ЮЗ | 4,8 | |||||||||
Примечание - Абсолютная минимальная температура воздуха выбрана из ряда наблюдений за период 1881-1985 гг.; в СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика" абсолютная минимальная температура воздуха для отдельных пунктов определялась методом приведения.
Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса котельного агрегата определяют расход топлива и вычисляют коэффициент полезного действия, который является важнейшей характеристикой энергетической эффективности работы котла.
В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на выработку и перегрев пара или нагревание воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразовании энергии вырабатываемый продукт (пар, вода и т.д.) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.
Тепловой баланс котельного агрегата заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством теплоты и суммой использованной теплоты и тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива или для 1 м 3 газа. Уравнение, при котором тепловой баланс котельного агрегата для установившегося теплового состояния агрегата записывают в следующем виде:
Q р / р = Q 1 + ∑Q n
Q p / p = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 (19.3)
Где Q р / р - теплота, которой располагают; Q 1 - использованная теплота; ∑Q n - общие потери; Q 2 - потери теплоты с уходящими газами; Q 3 - потери теплоты от химического недожога; Q 4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q 5 - потери теплоты в окружающую среду; Q 6 - потери теплоты с физической теплотой шлаков.
Если каждое слагаемое правой части уравнения (19.3) разделить Q p/ p и умножить на 100%, получим второй вид уравнения, при котором тепловой баланс котельного агрегата:
q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 = 100% (19.4)
В уравнении (19.4) величина q 1 представляет собой коэффициент полезного действия установки "брутто". Он не учитывает затраты энергии на обслуживание котельной установки: привод дымососов, вентиляторов, питательных насосов и прочие расходы. Коэффициент полезного действия "нетто" меньше КПД "брутто", так как он учитывает затраты энергии на собственные нужды установки.
Левая приходная часть уравнения теплового баланса (19.3) является суммой следующих величин:
Q p / p = Q p / н + Q в.вн + Q пар + Q физ.т (19.5)
где Q B.BH - теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 кг топлива. Эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухоподогревателе, то эта теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата; Q пap - теплота, вносимая в топку с дутьевым (форсуночным) паром на 1 кг топлива; Q физ.т - физическая теплота 1 кг или 1 м 3 топлива.
Теплоту, вносимую с воздухом, рассчитывают по равенству
Q В.BH = β V 0 С р (Т г.вз - Т х.вз)
где β - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с р - средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха; при температуре воздуха до 600 К можно считать с р = 1,33 кДж/(м 3 К); Т г.вз - температура нагретого воздуха, К; Т х.вз - температура холодного воздуха, принимаемая обычно равной 300 К.
Теплоту, вносимую с паром для распыления мазута (форсуночный пар), находят по формуле:
Q пар = W ф (i ф - r)
где W ф - расход форсуночного пара, равный 0,3 - 0,4 кг/кг; i ф - энтальпия форсуночного пара, кДж/кг; r - теплота парообразования, кДж/кг.
Физическая теплота 1 кг топлива:
Q физ.т - с т (Т т - 273),
где с т - теплоемкость топлива, кДж/(кгК); Т т - температура топлива, К.
Значение величины Q физ. т обычно незначительно и в расчетах учитывается редко. Исключением являются мазут и низкокалорийный горючий газ, для которых значение Q физ.т существенно и должно обязательно учитываться.
Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q p / р = Q р / н. Слагаемые потерь тепла в уравнении теплового баланса котельного агрегата подсчитывают на основании равенств, приводимых ниже.
1. Потерю теплоты с уходящими газами Q 2 (q 2) определяют как разность между энтальпией газов на выходе из котельного агрегата и воздуха, поступающего в котельный агрегат (двоздухоподогревателя), т.е.
где V r - объем продуктов сгорания 1 кг топлива, определяемый по формуле (18.46), м 3 /кг; c р.r , с р.в - средние объемные изобарные теплоемкости продуктов сгорания топлива и воздуха, определяемые как теплоемкости газовой смеси (§ 1.3) с помощью таблиц (см. прил. 1); Т ух, Т х.вз - температуры уходящих газов и холодного воздуха; а - коэффициент, учитывающий потери от механического недожога топлива.
Котельные агрегаты и промышленные печи работают, как правило, под некоторым разрежением, которое создается дымососами и дымовой трубой . Вследствие этого через не плотности в ограждениях, а также через смотровые лючки и т.д. подсасывается из атмосферы некоторое количество воздуха, объем которого необходимо учитывать при расчете I ух.
Энтальпию всего поступающего в агрегат воздуха (с учетом присосов) определяют по коэффициенту избытка воздуха на выходе из установки α ух = α т + ∆α.
Общий подсос воздуха в котельных установках не должен превышать ∆α = 0,2 ÷ 0,3.
Из всех потерь теплоты величина Q 2 - самая значительная. Величина Q 2 возрастает с увеличением коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих газов, влажности твердого топлива и забалластированности негорючими газами газообразного топлива. Снижение присосов воздуха и улучшение качества горения приводят к некоторому уменьшению потери теплоты Q 2 . Основным определяющим фактором, влияющим на потерю теплоты уходящими газами, является их температура. Для снижения Т ух увеличивают площадь теплоиспользующих поверхностей нагрева - воздухоподогревателей и экономайзеров.
Величина Т ух влияет не только на КПД агрегата, но и на капитальные затраты, необходимые для установки воздухоподогревателей или экономайзеров. С уменьшением Т ух возрастает КПД и снижаются расход топлива и затраты на него. Однако при этом возрастают площади теплоиспользующих поверхностей (при малом температурном напоре площадь поверхности теплообмена необходимо увеличивать; см. § 16.1), в результате чего повышаются стоимость установки и эксплуатационные расходы. Поэтому для вновь проектируемых котельных агрегатов или других теплопотребляющих установок значение Т ух определяют из технико - экономического расчета, в котором учитывается влияние T ух не только на КПД, но и на величину капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Другой важный фактор, влияющий на выбор Т ух, - содержание серы в топливе. При низкой температуре (меньше, чем температура точки росы дымовых газов) возможна конденсация водяных паров на трубах поверхностей нагрева. При взаимодействии с сернистым и серным ангидридами, которые присутствуют в продуктах сгорания, образуются сернистая и серная кислоты. В результате этого поверхности нагрева подвергаются интенсивной коррозии.
Современные котельные агрегаты и печи для обжига строительных материалов имеют Т ух = 390 - 470 К. При сжигании газа и твердых топлив с небольшой влажностью Т ух - 390 - 400 К, влажных углей
Т ух = 410 - 420 К, мазута Т ух = 440 - 460 К.
Влажность топлива и негорючие газообразные примеси являются газообразующим балластом, который увеличивает количество получающихся при горении топлива продуктов сгорания. При этом повышаются потери Q 2 .
При использовании формулы (19.6) следует иметь в виду, что объемы продуктов сгорания рассчитывают без учета механического недожога топлива. Фактическое количество продуктов сгорания с учетом механической неполноты горения будет меньше. Это обстоятельство учитывают, вводя в формулу (19.6) поправочный коэффициент a = 1 - р 4 /100.
2. Потеря теплоты от химического недожога Q 3 (q 3). Газы на выходе из топки могут содержать продукты неполного горения топлива СО, Н 2 , СН 4 , теплота сгорания которых не использована в топочном объеме и далее по тракту котлоагрегата. Суммарная теплота сгорания этих газов и обусловливает химический недожог. Причинами появления химического недожога могут быть:
- недостаток окислителя (α <; 1);
- плохое перемешивание топлива с окислителем (α ≥ 1);
- большой избыток воздуха;
- малое или чрезмерно высокое удельное энерговыделение в топочной камере q v , кВт/м 3 .
Недостаток воздуха приводит в тому, что часть горючих элементов газообразных продуктов неполного горения топлива может вообще не сгорать из-за отсутствия окислителя.
Плохое перемешивание топлива с воздухом является причиной или местного недостатка кислорода в зоне горения, или, наоборот, большого его избытка. Большой избыток воздуха вызывает снижение температуры горения, что уменьшает скорости реакций горения и делает процесс сжигания неустойчивым.
Малое удельное тепловыделение в топке (q v = BQ p / н /V т, где В - расход топлива; V T - объем топки) является причиной сильного рас сеяния теплоты в топочном объеме и ведет к снижению температуры. Завышенные значения qv также вызывают появление химического недожога. Объясняется это тем, что для завершения реакции горения требуется определенное время, а при значительно завышенном значении qv время нахождения топливовоздушной смеси в топочном объеме (т.е. в зоне наиболее высоких температур) оказывается недостаточным и ведет к появлению в газообразных продуктах сгорания горючих составляющих. В топках современных котельных агрегатов допустимое значение qv достигает 170 - 350 кВт/м 3 (см. § 19.2).
Для вновь проектируемых котельных агрегатов значения qv выбирают по нормативным данным в зависимости от вида сжигаемого топлива, способа сжигания и конструкции топочного устройства. При балансовых испытаниях эксплуатируемых котельных агрегатов величину Q 3 рассчитывают по данным газового анализа.
При сжигании твердого или жидкого топлива величину Q 3 , кДж/кг, можно определить по формуле(19.7)
3.Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива Q 4 (g 4). При горении твердого топлива остатки (зола, шлак) могут содержать некоторое количество несгоревших горючих веществ (в основном углерода). В результате химически связанная энергия топлива частично теряется.
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания включает ее потери вследствие:
- провала мелких частиц топлива через зазоры в колосниковой решетке Q пр (q пр);
- удаление некоторой части недогоревшего топлива со шлаком и золой Q шл (q шл);
- уноса мелких частиц топлива дымовыми газами Q ун (q ун)
Q 4 - Q пp + Q ун + Q шл
Потеря теплоты q yн принимает большие значения при факельном сжигании пылевидного топлива, а также при сжигании неспекающихся углей в слое на неподвижных или подвижных колосниковых решетках. Значение q ун для слоевых топок зависит от видимого удельного энерговыделения (теплонапряжения) зеркала горения q R , кВт/м 2 , т.е. от количества выделяющейся тепловой энергии, отнесенного к 1 м 2 горящего слоя топлива.
Допустимое значение q R BQ р / н /R (В - расход топлива; R - площадь зеркала горения) зависит от вида сжигаемого твердого топлива, конструкции топки, коэффициента избытка воздуха и т.д. В слоевых топках современных котельных агрегатов величина q R имеет значения в пределах 800 - 1100 кВт/м 2 . При расчете котельных агрегатов величины q R, q 4 = q np + q шл + q ун принимают по нормативным материалам. При балансовых испытаниях потерю теплоты от механического недожога рассчитывают по результатам лабораторного технического анализа сухих твердых остатков на содержание в них углерода. Обычно для топок с ручной загрузкой топлива q 4 = 5 ÷ 10%, а для механических и полумеханических топок q 4 = 1 ÷ 10%. При сжигании пылевидного топлива в факеле в котельных агрегатах средней и большой мощности q 4 = 0,5 ÷ 5%.
4. Потеря теплоты в окружающую среду Q 5 (q 5) зависит от большого числа факторов и главным образом от размеров и конструкции котла и топки , теплопроводности материала и талщины стенок обмуровки, тепловой производительности котлоагрегата, температуры наружного слоя обмуровки и окружающего воздуха и т. д.
Потери теплоты в окружающую среду при номинальной производительности определяют по нормативным данным в зависимости от мощности котлоагрегата и наличия дополнительных поверхностей нагрева (экономайзера). Для паровых котлов производительностью до 2,78 кг/с пара q 5 - 2 - 4%, до 16,7 кг/с - q 5 - 1 - 2%, более 16,7 кг/с - q 5 = 1 - 0,5%.
Потери теплоты в окружающую среду распределяются по различным газоходам котлоагрегата (топка, пароперегреватель, экономайзер и т.д.) пропорционально теплоте, отдаваемой газами в этих газоходах. Эти потери учитывают, вводя коэффициент сохранения теплоты φ = 1 q 5 /(q 5 + ȵ к.а) где ȵ к.а - КПД котельного агрегата.
5. Потеря теплоты с физической теплотой удаляемых из топок золы и шлаков Q 6 (q 6) незначительна, и ее следует учитывать только при слоевом и камерном сжигание многозольных видов топлива (типа бурых углей, сланцев), для которых она составляет 1 - 1,5%.
Потери теплоты с горячей золой и шлаком q 6 , %, рассчитывают по формуле
где а шл - доля золы топлива в шлаке; С шл - теплоемкость шлака; Т шл - температура шлака.
При факельном сжигании пылевидного топлива а шл = 1 - а ун (а ун - доля золы топлива, уносимой из топки с газами).
Для слоевых топок а сл шл = а шл + а пр (а пр - доля золы топлива в "провале"). При сухом шлакоудалении температура шлака принимается Т ш = 870 К.
При жидком шлакоудалении , которое наблюдается иногда при факельном сжигании пылевидного топлива Т шл = Т зол + 100 К (Т зол - температура золы в жидкоплавком состоянии). При слоевом сжигании горючих сланцев к зольности Aр вводится поправка на содержание углекислоты карбонатов, равная 0,3 (СО 2), т.е. зольность принимается равной А Р + 0,3 (СО 2) р / к. Если удаляемый шлак находится в жидком состоянии, то значение величины q 6 достигает 3%.
В печах и сушилках, применяемых в промышленности строительных материалов, помимо рассмотренных потерь теплоты приходится учитывать также потери на прогрев транспортных устройств (например, вагонеток), на которых материал подвергается тепловой обработке. Эти потери могут доходить до 4% и более.
Таким образом, КПД "брутто" может быть определен как
ȵ к.а = g 1 - 100 - ∑q потерь(19.9)
Теплоту, воспринятую вырабатываемым продуктом (пар, вода), обозначим Qк.a, кВт, тогда имеем:
для паровых котлов
Q 1 = Q к.а = D (i n.n - i п.н) + pD/100 (i - i п.в) (19.10)
для водогрейных котлоагрегатов
Q 1 = Q к.а = М в с р.в (Т вых - Т вх) (19.11)
Где D - производительность котла, кг/с; i п.п - энтальпия перегретого пара (если котел вырабатывает насыщенный пар, то вместо i п.в следует поставить (i пн) кДж/кг; i п.в - энтальпия питательной воды, кДж/кг; р - количество воды, удаляемой из котлоагрегата с целью сохранения допустимого содержания солей в котловой воде (так называемая непрерывная продувка котла), %; i - энтальпия котловой воды, кДж/кг; М в - расход воды через котлоагрегат,кг/с; с р.в - теплоемкость воды, кДж/(кгК); T вых - температура горячей воды на выходе из котла; Т вх - температура воды на входе в котел.
Расход топлива В, кг/с или м 3 /с, определяют по формуле
B = Q к.a /(Q р / н ȵ к.a) (19.12)
Объем продуктов сгорания (см. § 18.5) определяют без учета потери от механического недожога. Поэтому дальнейший расчет котельного агрегата (теплообмен в топке, определение площади поверхностей нагрева в газоходах, воздухоподогревателя и экономайзера) осуществляется по расчетному количеству топлива В р:
(19.13)
При сжигании газа и мазута В р = В.