4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛА

4.1. УРАВНЕНИЯ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Наиболее полное представление об экономических показателях работы судового котла дает тепловой баланс, который показывает, сколько теплоты поступает в котел, какая часть ее используется полезно (на производство пара), а какая теряется.

Тепловой баланс - это приложение закона сохранения энергии к анализу рабочего процесса котла. При анализе рабочего процесса котла на стационарном (или установившемся) режиме его работы тепловой баланс составляется на основании результатов теплотехнических испытаний. В

общем виде уравнение теплового баланса имеет вид
i=n
QПОД = Q1 + ∑QПОТ ,i	(4,1)
i=2

где QПОД – количество теплоты, подведенной к паровому котлу, кДж/кг; Q1 – полезно использованная теплота, кДж/кг;

QПОТ – тепловые потери, кДж/кг

В нормативном методе расчета, разработанном для стационарных котлоагрегатов, рекомендуется учитывать всю теплоту, подводимую в топку с 1 кг топлива (рис. 4.1), т. е.

Q	ПОД	= Q	P	= QP +Q +Q	B	+Q	ПР	(4,2)
				H T

где QHP - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг;

QT, QB, QПР – количество теплоты, вносимое соответственно с топливом, воздухом и паром, который подводится для распыления топлива, кЛж/кг.

Последние три величины определяют следующим образом. Физическая теплота топлива

QT	= cT tT	(4,3)

где сТ – теплоемкость топлива при температуре его подогрева tT, кДж/(кг·К)

Величина QВ учитывает лишь ту теплоту, которая получена воздухом вне котла, например в паровом воздухоподогревателе. При обычной компоновке котла с газовым подогревом воздуха она равна количеству теплоты, вносимой в топку с холодным воздухом, т. е.

QB = QXB =αV ocXBtXB =αI ХВ0			(4,4)
где α – коэффициент избытка воздуха;
сХВ – теплоемкость холодного воздуха при температуре tXB;
I XB0 - энтальпия теоретического количества воздуха V0, кДж/кг
Количество теплоты, подводимой в топку с паром для распыления мазутов,
QПР =	GПР	(iПР −i")	(4,5)
	BK

где GПР – расход пара на распыление ВК топлива, кг/ч;

iПР, i” – энтальпия пара на распыление топлива и сухого насыщенного пара в уходящих газах, кДж/кг.

Величина i” в уравнении (4.5) может приниматься равной 2500 кДж/кг, что соответствует парциальному давлению паров воды в уходящих газах pH2O 0,01МПа.

Для судовых котлов определяющей величиной в уравнении (4.2) является QHP , так как сумма остальных слагаемых не превышает 1 % от QP. В связи с этим при составлении теплового баланса судовых котлов обычно принимают при подогреве воздуха дымовыми газами QПОД = QHP , а при

подогреве паром QПОД = QHP +QB . При этом основным является первое уравнение, так как паровой

подогрев воздуха в судовых котлах применяется исключительно редко.

Обычно тепловой баланс выражают в относительных единицах (долях единицы или в %), разделив правую часть уравнения (4.1) на QHP с учетом того, что QПОД = QHP , т.е.

						i=n
	100 =ηК + ∑qi							(4,6)
						i=2
	Коэффициент полезного действия котла, %}				100Q1
	ηK	=						(4.7)
						QHP
	тепловые потери, %
	qi	=	100Qi					(4.8)
						QHP

Тепловой баланс позволяет проверить правильность теплового расчета котла, определить по данным теплотехнических испытаний КПД и тепловые потери.

Существуют два основных метода теплотехнических испытаний. В первом случае по измеренным параметрам рабочего процесса определяют количество полезно использованной в

котле теплоты Q1, во втором - тепловые потери ∑QПОТ В зависимости от того, что определяется Q1 или ∑QПОТ , уравнение теплового баланса (4.1) называют соответственно уравнением прямого

или обратного теплового баланса.

Для составления уравнения прямого теплового баланса необходимо определить количество полезно использованной теплоты Q1, для чего применяют параметры процессов, протекающих в пароводяном тракте котла. Используя обозначения, приведенные на схеме (см. рис. 4.1), получим:

Q =

DПЕР

(i

ПЕР

−i

ПВ

) +

DCX

(i

−i

ПВ

)

(4.9)

1

B

B

CX

Учитывая, что DK = Dnep + DQx, уравнение (4.9) записывается так:

Q =	DK	(i	ПЕР	−i	ПВ	) −	DCX	(i	ПЕР	−i )	(4.10)
1	B						B			CX

где: DПЕР, DCX - паропроизводительность по пару соответственно перегретому и охлажденному,

кг/с; В - расход топлива при нормальной нагрузке котла, кг/с;

iПЕР, iСХ iПВ — энтальпия соответственно перегретого и охлажденного пара и питательной воды, кДж/кг;

DK - полная паропроизводительность котла, кг/с.

Таким образом, КПД котла (по прямому балансу) определяют по формуле (4.7) с учетом (4.10):

η	K	= DK (iПЕР −iПВ ) − DCX (iПЕР −iCX )		(4.11)
			BQHP

Для вспомогательных котлов, генерирующих насыщенный пар, формула (4.11) упрощается и

	принимает вид	DK (iX −iПВ )
	ηK =		(4.12)
		BQHP

где iХ — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг.

Метод определения КПД по прямому балансу требует создания сложной измерительной схемы для определения расходов и параметров потоков воды и пара, что возможно только на специальных испытательных стендах. В эксплуатационных условиях значительно проще определять потери теплоты qi- по результатам измерений параметров процессов, протекающих в воздушно-газовом тракте котла. В этом случае КПД определяют по уравнению (4.6), т.е. методом обратного теплового баланса.

В судовых котлах обычно учитывают следующие тепловые потери: с уходящими дымовыми газами q2 от химической q3 и механической q4 неполноты сгорания топлива и в окружающую среду q5. Тогда КПД по обратному балансу

ηK =100 −(q2 + q3 + q4 + q5 )

(4.13)

4.2. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ И ПУТИ ИХ СНИЖЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Потеря теплоты с уходящими газами q2 обусловливается тем, что теплота, которая содержится в уходящих дымовых газах, не может быть полезно использована в котле. Потеря q2 определяется энтальпией IУХ, которую имеют газы, уходящие в атмосферу. Зависимость между ними устанавли-

	вается формулой	Q			IУХ −QХВ −Qγ
	q2 =		2	100 =		(4.14)
		QHP			QHP

При теплотехнических испытаниях котлов для определения величины qu используют эмпирическую формулу

	t −t	ХВ		t	−tγ	(4.15)
q2 = 3,5α	УХ		+ 0,5	УХ
	100			100

где: tУХ, tXB, tγ - температуры соответственно уходящих газов, холодного воздуха и топлива; α - коэффициент избытка воздуха.

Тепловые потери q2 снижают прежде всего благодаря применению экономайзера и воздухоподогревателя (называемых хвостовыми поверхностями нагрева). Кроме того, совершенствованием топочных устройств достигается уменьшение коэффициента избытка воздуха и, следова-тельно, потери q2. Однако снижение потери q2 ограничивается нижним пределом температуры уходящих газов.

Рис. 4.2. Зависимость тепловых потерь и КПД котла от нагрузки.

Если известна потеря q2 то по формуле (4.14) можно найти энтальпию уходящих газов

IУХ = Q2 + QХВ + Qγ (4.16)

а по диаграмме I — t определить температуру уходящих газов tУХ Зависимость потери q2 от нагрузки котла определяется характером изменения величин tУХ и α при снижении нагрузки

температура уходящих газов понижается, а коэффициент избытка воздуха увеличивается. Но так как изменение tУХ влияет на q2 более сильно, чем α, то потеря q2 уменьшается при снижении нагрузки (рис. 4.2).

Нижний предел температуры уходящих газов устанавливается из соображений предотвращения низкотемпературной (сернистой) коррозии элементов поверхностей нагрева и газохода. Объясняется это тем, что при низкой температуре стенок труб (и других элементов) содержащиеся в дымовых газах пары могут конденсироваться и вызывать коррозию. Температура, при которой начинают конденсироваться содержащиеся в дымовых газах пары, называется температурой точки росы.

На температуру точки росы дымовых газов влияет наличие в их составе водяных паров, сернистого ангидрида SO2 и серного ангидрида SO3. Если бы в дымовых газах содержались только пары воды Н20, то температура точки росы определялась бы парциальным давлением водяных паров. Для обычного состава мазута и возможных значений коэффициента избытка воздуха парциальное давление паров воды таково, что температура их конденсации составляет примерно 50OС. Однако наличие в дымовых газах наряду с парами Н20 определенного качества SO2 и SO3 обусловливает достаточно интенсивное образование паров серной кислоты H2SO4. При этом даже в случае очень низкого парциального давления паров H2S04 температура конденсации смеси Н20 и H2S04 значительно выше температуры точки росы чистых водяных паров. Результаты специальных исследований показывают, что в реальных условиях при сжигании стандартных мазутов с α > 1,1 температура точки росы дымовых газов достигает 120 – 130 ОС.

Таким образом, температура стенок труб хвостовых элементов котла должна быть выше температуры точки росы дымовых газов на всех режимах работы котла. Так как при α = 1,1 - 1,3 температура уходящих газов на минимальной нагрузке котла на 30 – 40 ОС ниже, чем на номинальной, то tУХ ном должна быть не ниже 155 – 160 ОС. При таких температурах обеспечивается КПД котла ≈ 93 % на номинальной нагрузке. В современных главных котлах α = 1,03 - 1,05. При столь низких значениях резко снижается содержание SO3, а следовательно, и паров H2SO4 в дымовых газах. Это позволяет на номинальной нагрузке поддерживать значение tУХ = 125 – 130 ОС, при котором КПД котла достигает 96 - 97 %. В настоящее время это предельно низкие достижимые температуры уходящих газов.

В высокоэкономичных котлах на низких нагрузках температура уходящих газов может снизиться настолько, что температура стенок труб воздухоподогревателей становится близкой к температуре точки росы дымовых газов. Для предотвращения коррозии в таких случаях предусматривают обвод (байпасирование) воздухоподогревателя по воздушной стороне или использование специальных присадок, понижающих температуру точки росы дымовых газов. Например, одной из таких присадок является порошкообразный доломит (смесь: 34 % СаО, 20,8 %MgO, 38,6 % CО2), который вводят либо в топливо, либо непосредственно в дымовые газы.

Отмеченные соображения о факторах, определяющих тепловую потерю с уходящими газами, позволяют заключить, что величина q2 является наибольшей из всех потерь котла. Абсолютное значение этой величины может изменяться для различных агрегатов в довольно значительных пределах. Для главных котлов q2 = 2 - 7 %, причем нижний предел относится к современным агрегатам высокоэкономичных паротурбинных установок. Вспомогательные котлы могут иметь тепловую потерю q2 значительно выше.

Потеря теплоты от химической неполноты горения q2 возможна при неполном окислении углерода и водорода топлива. Значение ее определяется суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения СО, H2, СН4 и других углеводородов, содержащихся в дымовых газах.

Величины H2 и СН4 как отмечалось в параграфе 2.3, ничтожно малы, поэтому количественную оценку потери теплоты от химической неполноты горения топлива в судовых котлах можно производить по содержанию окиси углерода СО в дымовых газах.

Основными факторами, определяющими потери теплоты от химической неполноты горения, являются сорт топлива, совершенство топочного устройства и качество его обслуживания. Потеря q3 возрастает при уменьшении коэффициента избытка воздуха (относительно наивыгоднейшего его значения) при низкой температуре и недостаточном объеме топки, т. е. q3 (α, t1,V1). При рациональной компоновке котла и правильном его обслуживании эта потеря может быть сведена к весьма малому значению, которое при мазутном отоплении редко превышает 0,5%.

Для определения потери q3 при испытаниях котла и в эксплуатационных условиях можно использовать формулы, элементом которых является основное вещество, характеризующее химический недожог топлива, а именно СО.

Для вывода расчетной формулы исходной является зависимость (4.8), отнесенная к q3. Количество теплоты, теряемое от химической неполноты горения 1 кг топлива,

		Q3 = QCOVCO			(4.17)
где: Qco - теплота сгорания 1 мэ окиси углерода СО, кДж;
Vco - объем окиси углерода, образующийся при сгорании 1 кг топлива, м3
Учитывая, что	VCO100	= CO (см. п. 2.3), можно записать:
	V
	СГ	Q = QCOVСГСО
					(4.18)
		3	100

После подстановки в зависимость (4.18) значения для VСГ из формулы (2.28) и учитывая уравнение (4.8), получим, %:

q3 =	Q		Q		K P	CO
	3	100 =	CO	1,866			(4.19)
	QHP				RO2 +CO
			QHP

Так как QСО = 12 800 кДж/м3, то зависимость (4.19) можно переписать ввиде

q3	=	23800		K P	CO	(4.20)
		QHP		RO2 +CO

Во время эксплуатации оценить качество горения по величине q$ можно, используя простую эмпирическую зависимость

q3 = MαCO

(4.21)

где М = 3,1 - 3,3 (меньшие значения коэффициента М соответствуют белее низким коэффициентам избытка воздуха α).

С понижением нагрузки котла потеря q3 незначительно увеличивается вследствие понижения температуры горения (см. рис. 4.2).

Потерю теплоты от механической неполноты горения q4 обычно учитывают для котлов с угольным отоплением. Для агрегатов с мазутным отоплением потеря q4 возможна при неправильном обслуживании, работе с чрезмерным избытком или недостатком воздуха и низком качестве распыления мазута. В этих случаях потеря q4 появляется вследствие сажеобразования и коксования мазута.

В нормальных условиях эксплуатации котлов с мазутным отоплением потеря теплоты q4 практически отсутствует при всех его нагрузках (q4 = 0).

Тепловые потери q3 и q4 связаны с совершенством процесса сжигания топлива, поэтому их относят к топочным потерям.

Потеря теплоты в окружающую среду через наружные поверхности q5 определяется в основном размерами котла, качеством изоляции, компоновкой воздушных каналов и обшивки. При достаточной теплоизоляции и хорошем ее состоянии потеря q5 зависит от режима работы. В случае нормальной нагрузки современного главного котла, в котором предусмотрено охлаждение стен воздухом, поступающим в топку, обычно q5 = 0,1 – 0,5 %. У агрегатов более ранней постройки потеря будет несколько выше, примерно 1 - 1,5 %. Вспомогательные котлы обычно характеризуются еще более высокими потерями: q5 = 1,5 - 2,5 % и более. Большие значения относятся к агрегатам с меньшей паропроизводительностью. При снижении нагрузки потеря q5 возрастает (см. рис. 4.2). Объясняется это тем, что количество теплоты, теряемое через наружные поверхности агрегата за единицу времени, остается практически постоянным при изменении в известных пределах (25 - 140 % от нормальной его нагрузки). Это позволяет записать: Q5B ≈ Q’5B’