Составные части теплового баланса котла (котельного агрегата)
Распределение тепла, выделившегося при сжигании топлива, на полезное тепло и на потери тепла, сопровождающие работу котла, называется тепловым балансом котельного агрегата. За величину прихода тепла принимают тепло, внесенное в топку котла с рабочим топливом, т. е. низшую теплоту сгорания топлива.
При сжигании твердого и жидкого топлива тепловой баланс котла составляют в килоджоулях (килокалориях) и относят к 1 кг израсходованного топлива, а при сжигании газообразного топлива баланс составляют также в килоджоулях (килокалориях) и относят к 1 м 3 газа, введенного в топку котельного агрегата. В обоих случаях тепловой баланс можно представить также в процентах.
Уравнение теплового баланса котельного агрегата в килоджоулях при сжигании 1 кг твердого или 1 м 3 газообразного топлива можно представить следующим образом:
где Qp p — располагаемое тепло, введенное в котел; Q1 — тепло, полезно использованное в котле на получение пара или горячей воды; Q2 — потери тепла с дымовыми газами, уходящими из котела; Qз — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива; Q4 — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива; Q5 — потери тепла в окружающую среду; Q6 — потери с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки.
В располагаемое тепло Qp p , приходящееся на 1 кг или 1 м3 топлива, входит тепло, вносимое в топку самим топливом, но так как величина физического тепла топлива исключительно мала и не превышает 0,1 — 0,2% теплоты сгорания топлива, ее обычно исключают и принимают Qp p = Qн p
Разделив каждый член уравнения теплового баланса котельного агрегата из левой и правой частей на Qн p и умножив его на 100, получим тепловой баланс в процентах от теплоты сгорания:
При сжигании жидкого и газообразного топлива потери тепла q4 и q6 отсутствуют, и уравнение теплового баланса котельного агрегата в процентах:
Рассмотрим составные части теплового баланса. Схема теплового баланса котельного агрегата показана на рисунке, где 1 — цепная решетка, 2 — Топочная камера, 3 — экранные трубы, 4 — опускные трубы экранов, 5 — барабан котла, 6 — конвективный пучок, 7 — паро-перегреватель, 8 — водяной экономайзер, 9 — воздухоподогреватель, 10 — дымовая труба, 11 — бункера для шлака, 12 — бункер для провала, 13 — замкнутый тепловой поток подогрева воздуха
Полезно использованное тепло q1. Полезно использованным считается тепло, затраченное на получение пара заданного давления и температуры, начиная от температуры питательной воды, поступающей в водяной экономайзер.
При нагреве воды в котле упругость образующегося в нем пара и давление возрастают, одновременно увеличивается и температура кипения воды (выше 100°С), которая зависит от давления: чем выше Давление, тем выше температура кипения.
Пар, находящийся в котле вместе с кипящей водой, называется насыщенным, температура, при которой происходит кипение жидкости (при данном давлении), — температурой кипения или температурой насыщения и обозначается tн-
Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном ларе называется степенью сухости пара, обозначается буквой х и выражается в долях или процентах. Влажность пара в паровых котлах составляет от 0 до 0,1%, а при неблагоприятных условиях достигает больших значений. Если в насыщенном паре нет капелек воды, то он называется сухим насыщенным паром (х = 1 или х = 100%).
Количество тепла, расходуемое для нагрева 1 кг воды от 0°С до температуры кипения при постоянном давлении, называется теплотой или энтальпией жидкости и обозначается г’.
Количество тепла, которое требуется для того, чтобы при неизменном давлении и температуре превратить 1 кг кипящей воды в пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой г.
Общее теплосодержание сухого насыщенного пара, кДж/кг (ккал/кг), складывается из теплосодержания жидкости при температуре кипения и скрытой теплоты парообразования i » = i ‘ + r .
При степени сухости пара равной х, теплосодержание влажного пара i = i ‘ + r х, так как в пар превращается не вся кипящая вода. Параметры водяного пара приведены в табл. 15.
Таблица 15. Параметры водяного пара
Пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении, называется перегретым. Количество тепла, расходуемое для получения 1 кг перегретого пара из воды при 0°С; называется энтальпией или теплосодержанием перегретого пара и обозначается /пе Параметры перегретого пара, вырабатываемого в котлах низкого и среднего давления, приведены в табл. 16.
Таблица 16. Параметры перегретого пара, вырабатываемого в котлах низкого и среднего давления
Потери тепла q 2 с уходящими газами в окружающую среду. Эти потери в процентах определяются как разность энтальпий продуктов сгорания, уходящих из котельного агрегата, и холодного воздуха, поступающего в агрегат.
При сжигании твердого топлива
где I ух — энтальпия уходящих газов при коэффициенте избытка воздуха за агрегатом a ух и температуре уходящих газов, кДж/кг (ккал/кг); I o х.в — энтальпия воздуха, теоретически необходимого для горения, при температуре, с которой он поступает в котельный агрегат, кДж/кг (ккал/кг).
Множитель 100 — q4 вводится в формулу потому, что энтальпии дымовых газов и воздуха, необходимого для горения, определяются для 1 кг действительно сожженного топлива, а не для 1кг топлива, поступившего в топку.
При сжигании жидкого и газообразного топлива
q 2 в значительной степени зависят от режима работы и состояния качества эксплуатации котельного агрегата. Например, потери тепла с уходящими газами в котлах, оснащенных топками с ручным обслуживанием, бывают велики из-за периодичности загрузки топлива, неравномерного выделения тепла и расхода воздуха.
Потери тепла q 3 от химической неполноты горения. При сжигании твердых топлив показателем химической неполноты горения является присутствие в уходящих дымовых газах окиси углерода, а при сжигании газообразного топлива — окиси углерода и метана.
Зная содержание окиси углерода в отходящих дымовых газах, определяют потерю тепла от неполноты горения. Обычно потеря тепла от неполноты горения составляет 3—7% в зависимости от рода топлива, а при большом недостатке воздуха может быть до 25% и больше. Например, 1% окиси углерода в уходящих газах соответствует примерно 6—7% потери тепла топлива.
Для полного сжигания топлива в топке котла нужно необходимое количество кислорода для горения летучих горючих веществ, соответствующая температура в топке (при пониженных температурах углерод не вступает в реакцию), достаточное время пребывания горючих частиц в топке и хорошее перемешивание топлива с воздухом.
При наиболее экономичной работе котельного агрегата содержание двуокиси углерода СО2 в дымовых газах в зависимости от рода топлива должно быть 13 — 15%. При большем коэффициенте избытка воздуха содержание двуокиси углерода за счет разбавления его воздухом в продуктах сгорания может снизиться до 3—5%, однако резко возрастет потеря тепла с уходящими газами. При нормальном ведении режима горения q 3 = 1% для слоевых и 0—0,5% для пылеугольных топок.
Потери тепла q 4 от механической неполноты горения. Потери тепла от механической неполноты горения состоят из потерь от провала несгоревших частиц топлива через колосники в зольник и уноса мелких частиц топлива в газоходы котла. Эти потери зависят от конструкции колосниковой решетки, силы тяги, размеров кусков топлива и его спекаемости.
Потери с уносом могут быть значительными при слоевом сжигании, если дутье слишком сильное и тяга излишне велика. В этом случае происходит большой вынос мелких частиц топлива, которые представляют собой несгоревший кокс.
Особенно нежелательна смесь крупного топлива с мелочью. В этом случае горение слоя получается неоднородным: мелочь выгорает быстрее и потоком воздуха выдувается из слоя, образуя кратеры, через которые в топку поступает лишний воздух, охлаждая ее. Крупные куски топлива покрываются шлаковой коркой и полностью не выгорают.
В среднем потери с механической неполнотой сгорания для пылеугольных топок составляют 1%, а для слоевых от 5 до 7,5%.
Потери тепла q5 в окружающую среду. Потери тепла нагретыми внешними поверхностями в окружающую среду зависят от типа и паропроизводительности котла, его конструкция, качества обмуровки и нагрузки котлоагрегата.
Если в процессе эксплуатации котлоагрегата будут часто и на продолжительное время открывать дверки и лючки, то потери на лучеиспускание в окружающую среду возрастут. Возрастут потери также при сквозняках в котельном помещении.
Потери теплаq6 с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки котла. Эти потери учитывают только при сжигании твердых топлив как в кусковом, так и в пылевидном состоянии. Они зависят от зольности топлива и системы шлакозолоудаления. С увеличением зольности потеря тепла возрастает.