5_Teplovoy_balans_i_kpd

78

5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И КПД ПАРОВОГО КОТЛА

5.1.Тепловой баланс парового котла

B пapoвoм кoтлe пpи cжигaнии opгaничecкoгo тoпливa oбpaзyютcя выcoкoтeмпepaтypныe продукты cгoрaния, oблaдaющиe бoльшoй тeплoвoй энepгиeй. Значительная часть этой энергии пepeдaeтcя радиaциoнным и кoнвeктивным тeплooбмeнoм пoвepxнocтям нaгpeвa, зaпoлнeнным paбoчeй cpeдoй, в peзyльтaтe чeгo из кoтлa выxoдит пepeгpeтый пap выcoкoгo дaвлeния и тeмпepaтypы, кoтopый нaпpaвляeтcя дaлee в пapoвyю тypбинy.

При сжигании 1 кг (или 1 м3) paбoчeй массы тoпливa пoлнoe кoличecтвo теплоты, кoтopoe мoжeт выдeлитьcя в тoпкe, нaзывaeтcя pacпoлaгaeмoй

тeплoтoй тoпливa Qрр кДж/кг, или кДж/м3. Она включает в себя следующие источники поступления теплоты:

Qр = Qр + Q ,	(5.1)
р н доп

где Qнр – низшая теплота сгорания топлива на рабочую массу, кДж/кг(м3); Qдоп – дополнительные источники теплоты, сопутствующие организации сжигания топлива:

Qдоп = Qвнш + Qтл + Qп − Qк ,

(5.2)

Здесь Qвнш – теплота, поступившая в котел с воздухом при подогреве его вне

агрегата. Эта теплота учитывается в тех случаях, когда воздух предварительно, до его поступления в воздухоподогреватель котла, подогревается от постороннего источника, например, в калориферах паром из отбора турбины; Qтл – физическая теплота топлива, поступающего на сжигание в горелки, на-

пример при сжигании мазута необходим подогрев его перед поступлением на котел; Qп – теплота пара, поступающего в форсунки для распыления мазута;

Qк – теплота, затраченная на разложение карбонатов рабочей массы сланцев, содержащей CaCO3 и MgCO3 , с образованием газообразного COк2 .

Дополнительные источники теплоты учитываются в тепловом балансе, если их значение превышает 0,5% Qнр . Обязателен учет Qдоп при сжигании мазута, когда в формуле (5.2) Qдоп слагается из первых трех членов. Заметное различие (Qрр > Qнр ) может иметь место при сжигании углей с высокой влаж-

ностью и сернистостью, так как требуется повышение температуры воздуха на входе в воздухоподогреватель для ослабления сернистой коррозии (подвод

Qвнш ), a при сжигании сланцев Qрр = Qнр − Qк . Однако в большинстве случаев

79

при сжигании ряда бурых углей, каменных углей и антрацитов различие между Qнр и Qрр незначительно и не учитывается, т.е. Qрр = Qнр . Тоже имеет место

при сжигании природного газа.

Соответствующие статьи использования (расхода) выделившейся в топочной камере тепловой энергии в расчете на 1 кг (м3) сожженного топлива, кДж/кг(м3), обычно нумеруют цифрами. Та часть теплоты, которая затрачивается на подогрев и испарение воды в трубах поверхностей нагрева, а

также на перегрев пара, составляет полезно использованное количество теп-

лоты в паровом котле Qисп или Q1 , и определяется повышением энтальпии рабочего тела (вода, пар) при прохождении поверхностей нагрева (рис. 5.1):

D

D

Gпр

(hпе − tпв ) +

′′

′

′

Q1

=

пе

вт

(hвт

− hвт ) +

(h − tпв ),

(5.3)

Bк

Bк

Bк

где Dпе , Dвт – расход свежего и вторично-перегретого пара на турбину, кг/с; Gпр – расход продувочной воды из барабана котла с естественной или прину-

	Dпе hпе	дительной циркуляцией для поддер-
		жания заданного солевого режима в
	′′	контурах циркуляции, кг/с; hпе , tпв , h′
	hвт	– энтальпия перегретого пара, пита-
	pб
		тельной воды, поступающей в эконо-
	Gпр	майзер котла, и воды на линии насы-
	′	щения при давлении в барабане ( pб ),
	h
	′	′′	′
		кДж/кг; hвт ,	hвт – энтальпия вторично-
	Dвт hвт	перегретого пара на выходе из проме-
	tпв
		жуточного перегревателя и пара и вхо-
	Рис. 5.1. К определению полезно исполь-	де в него, кДж/кг; B – расход сжигае-
	зованного тепла в паровом котле		к
		мого топлива, кг/с или м3/с.
	Остальная часть выделившейся теплоты составляет различные тепло-
	вые потери, сопутствующие работе парового котла:
	Q2 – с теплотой уходящих из котла продуктов сгорания;

Q3 – с химическим недожогом топлива (газовые горючие компоненты); Q4 – с механическим недожогом топлива (твердые несгоревшими час-

тицы);

Q5 – с рассеянием теплоты через внешние ограждения (тепловую изо-

ляцию);

Q6 – с физической теплотой удаляемого из топки шлака.

На относительно небольших по производительности паровых котлах выделяют еще Qпр – прочие тепловые потери, связанные с отдачей части на-

80

сыщенного пара из барабана на нужды станции, с отводом теплоты охлаждающими боковыми панелями в топках с цепными решетками и т. п.

В итоге уравнение теплового баланса котла запишем в следующем виде:

Qр =	Q	+ Q + Q + Q + Q + Q .					(5.4)
р	1	2	3	4	5	6
	Полезно		Тепловые потери

использованное тепло

Полезно использованное количество теплоты складывается из тепловосприятий отдельных поверхностей нагрева котла:

Q = Q	+ Qк	+ Q	+ Q ,	(5.5)
1 тк	пе	вт	эк

где Qтк – тепловосприятие рабочей среды в поверхностях топочной камеры, кДж/кг; Qпек , Qвт – тепловосприятие пара в конвективных поверхностях основного и промежуточного (вторичного) перегревателей, кДж/кг; Qэк – теп-

ловосприятие экономайзера, кДж/кг. Из уравнения (5.5) следует, что тепловосприятие воздухоподогревателя прямо не входит в тепловой баланс котла. Это связано с тем, что теплота, отданная продуктами сгорания воздуху в этой поверхности, возвращается снова в топочную камеру в виде горячего воздуха и дополнительно увеличивает теплосодержание газов в топке. Теплота, отданная газами в воздухоподогревателе, рециркулирует внутри газовоздушного тракта. Вместе с тем, ввод горячего воздуха в зону сжигания топлива повышает температуру газов, скорость горения топлива и глубину его выгорания, т. е. приводит к росту эффективности использования топлива.

Общий баланс между поступлением и распределением теплоты в паровом котле показан на рис. 5.2. Здесь теплота горячего воздуха Qгв выделена в

виде замкнутого внутреннего контура.

Если отнести все расходные статьи теплового баланса к значению Qрр получим относительные доли затрат теплоты в процентах:

q =	100Qi	,	(5.6)
i	Qр
	р

где Qi – полезная из абсолютных затрат теплоты. Используя относительные

значения затрат теплоты, уравнение теплового баланса (5.4) можно записать так:

100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 .

(5.7)

		81
		Q1
	Dпе ; рпе ;tпе	рпромвых ;tпромвых
		D	; рвх	;tвх
		пром	пром	пром
Q5т			D ; р ;t		пе
			пе	пе
				Qк
				5
р р
Q
		Qгв
				Qхв
Qшл	Qшл			Q2
6	4	Q4ун Q
				3
Рис. 5.2. Баланс теплоты парового котла

5.2.Коэффициент полезного действия парового котла

икотельной установки

Полнота передачи располагаемой теплоты топлива в котле к рабочей среде определяется коэффициентом полезного действия (КПД) котла брутто. Последний выражается как отношение количества теплоты, воспринятого рабочей средой Q1 к располагаемому теплу поступающей на горение рабочей

массы топлива Qрр :

η	=	100Q1	.	(5.8)
к		Qр
		р

Такой метод определения КПД, когда при испытаниях котла непосредственно устанавливают значения Q1 и Qрр , называют методом прямого балан-

са.

82

Прямое определение КПД котла по формуле (5.8) может оказаться недостаточно точным. Оно связано с большими трудностями при производстве; точных измерений многих параметров, массовых расходов пара и топлива; определении теплоты сгорания топлива и дополнительных составляющих располагаемой теплоты. Среднеквадратичная ошибка прямого определения КПД котла зависит, главным образом, от точности нахождения средней теплоты сгорания сжигаемой массы топлива и расхода топлива на котел и со-

ставляет ση = (3–4)∙10–2 или 3–4%, отсюда истинное значение КПД ηик может

отличаться от полученного в испытаниях (опытного) ηопк на значение

Δη = σηηик , т.е.

ηи = ηоп ± Δη.		(5.9)
к	к

Если, например, значение ηик = 0,9 (90%), то возможное отклонение опытного КПД составит Δη = (2,7–3,6)∙10–2 или 2,7 –3,6%.

Коэффициент полезного действия котла брутто в процентах можно определить, установив сумму тепловых потерь при его работе:

ηк = 100 − (q2 + q3 + q4 + q5 + q6 ) .

(5.10)

Такой метод определения называют методом обратного баланса. Погрешность определения КПД методом обратного баланса зависит от точности измерения тепловых потерь котлом. Каждая из них определяется с заметной погрешностью σq = (4–5)∙10–2, но относительная доля тепловых потерь со-

ставляет менее 1/10 общего теплового баланса. В итоге

ηки = 100 − (åqпот ± qпот ) ,		(5.11)
где абсолютная ошибка определения	qпот = σq (1− ηик )	и для выше приведен-
ного примера при ηи = 0,9 значение	q = 0,4–0,5%.
к	пот

Таким образом, определение КПД котла с большей точностью может быть сделано методом обратного баланса, т.е. через установление суммы величин его тепловых потерь. Этот метод является единственным при оценке тепловой экономичности проектируемого котла. Зная КПД котла, воспринятое тепло рабочей средой в котле можно определить следующим образом:

Q = Qрη .	(5.12)
1 р к

83

Отсюда, используя это выражение Q1 в (5.3), получим расход топлива на котел, Bк , кг/с. На этот расход топлива рассчитывают топливоприготови-

тельное оборудование. В самом котле в большинстве случаев сгорает не все топливо, поскольку имеются потери с механическим недожогом q4 . Для оп-

ределения действительных объемов образующихся продуктов сгорания вводят понятие расчетного расхода топлива, т. е. топлива, сгоревшего в топочной камере:

Bр = B(1− 0,01q4 ).

(5.13)

Разность B = Bк − Bр представляет собой количество несгоревшего топлива.

При сжигании газового топлива и мазута полный и расчетный расходы топлив совпадают, т. к. потеря q4 ничтожна. С учетом точности определения

расхода топлива и незначительного влияния малых отклонений расхода на тепловые характеристики котла для твердых топлив принимается, что при значениях q4 < 2% можно не вводить поправки и считать Bк = Bр .

Коэффициент полезного действия котла брутто характеризует совершенство работы собственно парового котла. Однако его нормальная работа обеспечивается большим количеством вспомогательных машин и механизмов, потребляющих часть вырабатываемой блоком (электростанцией) электроэнергии. Затрату энергии на них называют расходом на собственные ну- жды котельной установки. К ним относят затраты энергии на дутьевые вентиляторы Эдв , дымососы Эдс , питательные электронасосы Эпэн , механизмы

пылесистемы Эпс и большое число электродвигателей дистанционного и автоматического управления Эупр . Расход энергии на собственные нужды парового котла, Эсн , можно записать в виде

Эсн = Эдв + Эдс + Эпс + Эпэн + Эупр .

(5.14)

Доля затрат энергии на собственные нужды от общей выработки электроэнергии, приходящейся на котел при его работе в блоке с турбиной,

Δηсн = Эсн . (5.15)

BQр η τ

р эс раб

где ηэс – КПД выработки электроэнергии на электростанции; τраб – время ра-

боты котла, ч.

Величина Δηсн для мощного парового котла составляет 0,04–0,05 или 4–5%. Если вычесть из КПД котла брутто затраты энергии на собственный

84

расход, то получим КПД котла нетто, характеризующий эффективность работы котельной установки:

ηнт = η		− Δη .	(5.16)
к	к	сн

5.3. Анализ тепловых потерь при работе котла

Значения потерь теплоты при работе паровых котлов постоянно контролируются, так как от них зависит экономическая эффективность эксплуатации оборудования. Среднестатистические данные по тепловым потерям q3 ,

q4 и q5 внесены в нормативный метод тепловых расчетов, остальные потери q2 , q6 существенно зависят от вида сжигаемого топлива, условий эксплуата-

ции и требуют расчета для конкретных условий.

Наибольшее значение из тепловых потерь имеет отвод теплоты из котла с уходящими газами. Она составляет q2 = 4,5–7%. При сжигании малореак-

ционных твердых топлив в зависимости от способа сжигания могут оказаться заметными потери с механическим недожогом топлива q4 = 2–5%. Для реак-

ционных топлив потеря q4 = 0,5–5%. Остальные потери в сумме не превы-

шают обычно 1%. Ниже приведен анализ зависимости потерь теплоты от определяющих факторов, что позволяет оптимизировать условия эксплуатации котла.

5.3.1. Потеря теплоты с уходящими газами

Эта потеря определяется тем, что продукты сгорания после прохождения газового тракта котла не охлаждаются до температуры окружающего воздуха, а имеют еще достаточно высокую температуру. Превышение энтальпии уходящих газов над энтальпией поступающего в котел атмосферного воздуха представляет потерю Q2 , называемую потерей теплоты с уходящими газами:

Q2 = Hух − Hхв .

(5.17)

где Hух , Hхв – соответственно энтальпия уходящих из котла газов и посту-

пающего холодного воздуха, кДж/кг топлива.

Формулу (5.17) можно переписать в следующем виде:

Q2 = Hг0 + (αух − 1) Hв0 − αух Hхв0 .

(5.18)

85

В этой формуле Hг0 = Vг0 сг Jух – энтальпия теоретического объема уходящих газов при α = 1; величина (aух - 1) Hв0 – энтальпия избыточного воздуха в потоке газов при ϑух ; Hхв0 = Vв0 св tхв – энтальпия теоретического объема хо-

лодного воздуха, кДж/кг.

Из формулы (5.18) следует, что главными факторами, влияющими на значение потери Q2 , являются температура ϑух , зависящая от размера кон-

вективных поверхностей котла и интенсивности отдачи теплоты к этим поверхностям, и величина αух , характеризующая превышение объема про-

дуктов сгорания над минимальным их объемом.

Связь необходимой поверхности нагрева с глубиной охлаждения газов можно получить из уравнения конвективного теплообмена, которое запишем в следующем виде:

F =	Qк	.	(5.19)
к	k × Dt

где Fк – конвективная поверхность нагрева, м2; Qк – тепловосприятие кон-

вективной поверхности, кДж/кг; k – коэффициент теплопередачи, кВт/(м2К); t – средний температурный напор между газами и рабочей средой в поверхности нагрева, °С. Снижение температуры уходящих газов на 15–20°С приводит к уменьшению потери q2 или, что то же самое, к росту КПД котла при-

мерно на 1%. Однако снижение температуры не происходит само собой, для

этого требуется отнять дополнительную теплоту от газового потока	Qк за
счет установки дополнительной конвективной поверхности Fк . При этом по
мере уменьшения температуры газов снижается температурный напор	t , что

вызывает повышенный рост размеров конвективной поверхности. Графически эта зависимость изображена на рис. 5.3. Здесь видно, что в области более

		ϑ,°С			высоких температур				газов	снижение
					температуры на значение Δϑ1 требует
	Δϑ1				дополнительной поверхности						F1 за-
					метно	меньшей,		чем	F2	в	области
			Δϑ1 ≈ Δϑ2
					более низких температур при одина-
	Δϑ2				ковом	ее	изменении		( Δϑ = Δϑ , но
					F2 >	F1 ).			1		2
		F1	F2
					При		понижении температуры
			F, м2
	Рис. 5.3. Изменение размера конвективной				уходящих		газов	ϑух	одновременно
					возрастают затраты на тягу, так как
	поверхности нагрева в зависимости от
	уровня температуры греющих газов:				растет сопротивление газового тракта,
	DJ1 = DJ2 ,		DF1 < DF2		возрастает		интенсивность			сернокис-

86

лотной коррозии металла поверхностей и газового тракта за котлом, снижается высота теплового и динамического выброса газов выше устья дымовой трубы, что ухудшает экологическую обстановку в зоне вокруг электростанции.

В то же время было бы неправильно проектировать паровые котлы с высокой температурой ϑух . Это привело бы к снижению эффективности ис-

пользования топлива и его неоправданному перерасходу. Поэтому выбор температуры уходящих газов является задачей технико-экономической. Она решается на основании определения минимума годовых расчетных затрат. Таким образом, дополнительные затраты, руб./год, связанные, например, с понижением температуры уходящих газов при сохранении температуры горячего воздуха, можно выразить в следующем виде:

З = Sвп + Sэк + Sтд + Sтл + Sтр ,

(5.20)

где Sвп , Sэк – дополнительные затраты на увеличение поверхностей воздухоподогревателя и экономайзера; Sтд – то же на оплату дополнительной

электроэнергии в связи с увеличением сопротивления тягодутьевого тракта; Sтр – то же в связи с необходимостью увеличения высоты дымовой трубы;

Sтл – снижение затрат на оплату топлива ввиду снижения его расхода. Условие оптимума температуры ϑоптух определяется минимумом расчет-

ных затрат, его находят путем решения уравнения

∂З	= 0 .	(5.21)
∂ϑух

Характерные зависимости оптимальной температуры уходящих газов ϑоптух от определяющих факторов приведены на рис. 5.4. Оптимальная темпе-

ратура существенно зависит от стоимости топлива и его качества, прежде всего от влажности. Чем выше цена топлива, тем при прочих равных условиях больше стоимость сэкономленного топлива, что окупает более развитую поверхность нагрева и тем самым позволяет иметь более низкую температуру уходящих газов (рис. 5.4, а).

При большой влажности растет объем продуктов сгорания топлива и их удельная теплоемкость, так как теплоемкость паров воды наибольшая. Поэтому при охлаждении газов на одинаковое число градусов Δϑух при боль-

шой влажности необходимо отвести большее количество теплоты, что требует дополнительного увеличения поверхности нагрева по сравнению с сухим топливом. При более низкой стоимости влажного топлива увеличение по-

87

верхности не окупается, в результате оптимальная температура уходящих газов с повышением влажности растет (рис. 5.4, б).

З		ϑух ,
	ϑух ,		tпв ,
а)		б)	pпв ,

Рис. 5.4. К определению оптимальной температуры уходящих газов; а – зависимость от стоимости поверхностей нагрева и стоимости сжигаемого топлива; 1 – затраты на поверхности нагрева; 2 и 2' – затраты на дорогое и дешевое топливо; 3 и 3' – суммарные расчетные затраты; б – зависимость от температуры питательной воды и влажности топлива; 4 –

границы для сухих топлив с W п <0,7; 5 – то же для влажных топлив с W п = 1–1,5.

Значение оптимальной температуры уходящих газов зависит также от параметров пара (давления, температуры), с которыми работает паровой котел. С их ростом развивается регенеративный подогрев питательной воды и растет ее температура на входе в котел (см. рис. 5.4, б). В связи с этим увеличивается доля теплоты газов на выходе из экономайзера, что приводит к некоторому росту оптимальной температуры уходящих газов. В итоге для паровых котлов высокого и сверхкритического давления оптимальные значения ϑоптух находятся в диапазоне 120-160 °С.

Для полупиковых котлов с ограниченным сроком эксплуатации только в периоды повышенных электрических нагрузок системы более существенным становится уменьшение стоимости котла. Поэтому этот тип котлов отличается использованием пониженных параметров пара и более высокой температурой уходящих газов (ϑух = 160–200 °С).

Потеря тепла с уходящими газами сильно зависит от αух . Чем выше из-

быток воздуха в топке и больше присос в газоходах, тем больше объем продуктов сгорания за агрегатом, что увеличивает потерю Q2 . Кроме того, при-

сос холодного атмосферного воздуха в газоходах охлаждает продукты сгорания и снижает теплоотдачу за счет уменьшения температурного напора. Отрицательное действие большого избытка воздуха в топке и присоса его в га-