5_Teplovoy_balans_i_kpd

88

зоходах выражается также в увеличении нагрузки на дымососы, а следовательно, и расхода электроэнергии на собственные нужды.

Расчетные значения потери q2 достигаются лишь при эксплуатационно-

чистых поверхностях нагрева. Во время работы котла поверхности нагрева могут существенно загрязняться шлаком и золой, что ухудшает теплообмен и происходит рост ϑух , соответственно возрастают газовое сопротивление и на-

грузка на дымососы. Для достижения в эксплуатации проектных режимов работы котла его поверхности нагрева подвергаются систематической очистке с использованием различных механизмов (паровая и водяная обдувка, дробеочистка, виброочистка, импульсная термоочистка). Большое значение для уменьшения потерь теплоты q2 имеет создание газоплотных настенных по-

верхностей.

5.3.2.Потеря теплоты с химическим недожогом топлива

Впродуктах сгорания на выходе из топки могут находиться компоненты неполного сгорания исходного топлива CO , H2 , CH4 и другие газы. Их

догорание за пределами топочной камеры становится невозможным вследствие недостаточно высокой для этого температуры и нехватки кислорода. Теплота, которая могла быть получена в топочной камере в случае догорания газообразных горючих, составляет химический недожог:

Q3 = VCOQCO +VH2 QH2 +VCH4 QCH4 .

(5.22)

Здесь VCO , VH2 , VCH4 – объемы горючих газов в продуктах сгорания, м3/кг топлива; QCO , QH2 , QCH4 – соответственно объемная теплота сгорания горючих

газов, кДж/м3.

На основе (5.22) удельную величину тепловых потерь в процентах от Qрр определяют по формуле

q3 = (126,4VCO +108VH2 + 358,2VCH4 )	100 − q	4	.	(5.23)
	Qр
	р

Цифры перед обозначением объемов газов, уменьшенные в 100 раз теплоты сгорания 1 м3 соответствующих газов.

Химический недожог при сжигании газового и жидкого топлив составляет q3 = 0–0,5%, а при сжигании твердого топлива, как правило, принимает-

ся равным нулю. В эксплуатации он определяется главным образом содержанием в продуктах сгорания CO и в меньшей мере H2 . Наличие в составе про-

	89
дуктов сгорания CH4 свидетельствует о нарушениях в организации процесса
горения.
Потери теплоты с химическим недожогом сильно зависят от коэффи-
циента избытка воздуха и нагрузки парового котла (рис. 5.5). В условиях пол-
ного (идеального) перемешивания топлива с кислородом 1 химический недо-
жог может иметь место только при αгор		< 1, где αгор – избыток воздуха в зоне
горения, и будет увеличиваться пропорционально величине нехватки кисло-
рода (1 – αгор ). В реальных условиях 2 при полной нагрузке наличие химиче-
ского недожога при αгор = 1 определяется несовершенством перемешивания
топлива с воздухом. При коэффициенте избытка воздуха, названном критиче-
ским αкр , химический недожог q3 = 0. Обычно величина αкр = 1,02–1,03 и ха
			рактеризует, таким образом,
q3 ,%			степень		аэродинамического
	1,5		совершенства			горелочного
			устройства. При работе котла
2			на	пониженной		нагрузке	3
	1		снижаются		скорости выхода
1	3
			топлива и воздуха из горелок,
	0,5		тем самым уменьшается энер
	α		гия	перемешивания потоков,
		гор	несколько снижается уровень
0,97 0,98 0,99	1 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06		температур в зоне горения,
Рис. 5.5. Потери теплоты с химическим			что ведет к росту химического
	недожогом топлива		недожога топлива. Определе-
ние концентрации горючих газов производят на хроматографе (типа «Газо-
хром-3101»).
5.3.3. Потеря теплоты с механическим недожогом топлива

При сжигании торфа, углей и сланцев механический недожог представляет собой коксовые частицы, которые, находясь некоторое время в зоне высоких температур факела, успели выделить летучие вещества и, возможно, частично обгорели. Механический недожог при сжигании мазута и газа также представляет собой твердые частицы (коксовый остаток после испарения капель мазута и сажевые частицы). Сажеобразование возникает в высокотемпературных зонах горения при нехватке кислорода (αгор < 0,6).

При камерном сжигании твердого топлива механический недожог состоит из потери частиц топлива вместе со шлаком Q4шл и уносом с газами Q4ун .

Потери со шлаком, как правило, довольно незначительны, подавляющая часть этой потери связана с уносом несгоревших частиц топлива потоком газов вместе с летучей золой. Они проходят транзитом поверхности котла и затем в

90

основном удаляются из газового потока в золоуловителях.

Для определения потерь теплоты с механическим недожогом за счет уноса пропускают небольшое количество газов конвективной шахты через микроциклон, в котором улавливаются твердые частицы уноса. Они состоят из золовых частиц (в подавляющей массе) и горючих коксовых частиц топлива. После прокаливания в лабораторной печи горючие компоненты выгорают, что позволяет по разнице масс установить их долю в общем уносе Гун . Тогда

величина (1 – Гун ) представляет долю содержания золы в общем уносе. Относительная потеря с механическим недожогом в процентах будет составлять

q	= a		Aр		Гун		Q
		ун					ко	,	(5.24)
4			1		− Гун		Qрр

где Qко = 32,6 МДж/кг – расчетная теплота сгорания коксового остатка в уносе; aун – доля уноса золовых фракций из топки с продуктами сгорания; Aр –

зольность рабочей массы топлива, %.

При сохранении оптимальной тонкости размола пыли для данного типа топлива и нормальных условиях эксплуатации потери q4 зависят от величины избытка воздуха и существенно меняются с изменением выхода летучих веществ. При выходе летучих веществ более 25% значение q4 = 0,5–1,5% и тем

меньше, чем больше V г .

Повышенные потери q4 = 4–6% у низкореакционных топлив с V г < 15%

(антрацит, полуантрацит) определяются поздним воспламенением коксовых частиц и затянутым горением в диффузионной области. В связи с этим указанные виды топлива сжигают при повышенной температуре в зоне горения за счет перехода на жидкое шлакоудаление. В этом случае потери q4 = 2–4%.

5.3.4. Потеря теплоты от наружного охлаждения

Эта потеря определяется тем, что обмуровка и обшивка котла и его элементы как барабан, коллекторы, паропроводы, короба горячего воздуха, имея более высокую температуру, чем окружающий воздух помещений, отдают часть теплоты во вне, что и составляет потерю Q5 , кДж/кг. В общем ви-

де эту потерю можно установить по следующей формуле:

Q5	=	Fст	(αк + αл )(tст − tокр ),	(5.25)
		Bк

91

где Fст – наружная поверхность стен котла и высокотемпературных его элементов, м2; αк , αл – коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением, кВт/(м2К); tст , tокр – соответственно средняя температура поверхности теплоотдающих стен и температура окружающего воздуха, °С; Bк – расход топлива

на котел, кг/с.

Согласно ПТЭ внешние поверхности котла и его элементов должны иметь изоляцию, обеспечивающую температуру tст не выше 55°С. В оценоч-

ных расчетах пользуются средним значением теплового потока с поверхности обмуровки: qп = 0,2–0,3 кВт/м2.

При испытаниях котла тепловой поток с его поверхностей qп опреде-

ляют прибором – тепломером.

Для мощных паровых котлов абсолютная потеря тепла BкQ5 больше,

чем для агрегатов малой производительности, а удельная потеря на 1 кг топлива Q5 снижается, так как с ростом паропроизводительности котла отноше-

ние Fст Bк уменьшается, поскольку поверхность стен растет пропорциональ-

но квадрату линейного размера, а расход топлива и тепловая мощность котла увеличиваются пропорционально объему котла, т. е. пропорционально третьей степени от линейного размера (рис. 5.6). Для паровых котлов большой тепловой мощности (при D > 278 кг/с) относительная потеря теплоты во вне невелика и составляет q5 ≤ 0,20%. Однако в абсолютных значениях эта поте-

ря приобретает другой масштаб. Так, на паровом котле электрической мощностью 800 МВт потери теплоты от внешнего охлаждения эквивалентны неиспользованной мощности 4 000 кВт.

q5

qсн

5

qн

5

qсн

5

qн

5

Dп

Рис. 5.6. Изменение потерь теплоты от наружного охлаждения котлов 1 – при номинальной нагрузке, q5н ; 2 – при снижении нагрузки на котле, q5сн

При снижении нагрузки на котле абсолютная потеря тепла через ограждающие его стены и элементы qп Fст останется прак-

тически такой же, так как наружная температура обмуровки и тепловой изоляции не изменяется. Поэтому потери, отнесенные к теплоте 1 кг сожженного топлива по (5.25), пропорционально возрастут (рис. 5.6). Поскольку потери q5 от-

92

носительно невелики, их принято распределять пропорционально величине тепловосприятия каждой из поверхностей нагрева котла и учитывать через коэффициент сохранения теплоты (доля полезного тепловосприятия):

ϕ = 1 −		q5		.	(5.26)
	(η	+ q	)
	к	5

При этом величина q5 (ηк + q5 ) характеризует долю потерь теплоты во вне. Так, например, если в результате прохождения поверхности пароперегревателя продукты сгорания отдали количество теплоты Qгаз , то собственно поверхность нагрева получила Qпов = ϕQгаз , а теплота в количестве Q5пов = ϕQгаз

потеряна газовым потоком во вне через ограждающие газоход стены.

Потеря теплоты от наружного охлаждения в системе пылеприготовления невелика и в значительной мере компенсируется приходом теплоты, выделяющейся при работе углеразмольных мельниц и мельничных вентиляторов, и поэтому не учитывается.

5.3.5. Потери с физическим теплом удаляемых шлаков

Потери теплоты Q6 характеризуется тем, что удаляемый из топки шлак,

имея довольно высокую температуру, уносит определенное количество теплоты, которое передается воде, находящейся в шлаковой ванне, и безвозвратно теряется. Расчет относительной потери (в процентах) ведется по формуле

q	= a	Aр	(сϑ)шл	,	(5.27)
6	шл		Qр
			р
где aшл = 1− аун – доля шлакоудаления в топочной камере; (cϑ)шл					– энтальпия

удаляемого шлака, включая при высоких температурах теплоту плавления шлака, кДж/кг. Значение потери q6 существенно зависит от способа удаления

шлаков из топки. При организации твердого шлакоудаления принимают долю aшл = 0,05, а температура шлаков при этом составляет 600–700 °С. Учет этой

потери при твердом шлакоудалении производят только для многозольных топлив. когда Aр > 2,5Qнр , где Qнр выражено в МДж/кг. В случае жидкого шла-

коудаления температура вытекающего шлака определяется значением температуры плавления – tшл = tC +100°C и в среднем составляет 1400–1600 °С, а

доля шлакоудаления также возрастает до aшл = 0,15–0,3. В этом случае потеря

					93
0,3	0,2 αшл = 0,1					q6 становится заметной ( q6 = 0,5–
0,4				tшл=1600°С		1,5 %) и ее учитывают обязатель-
						но. На рис.	5.7	Приведена номо-
0,5					1400°С
						грамма для определения q6 по ве-
0,7					1200°С
					1000°С	личинам Aп	и tшл .
1,0
					800°С	На котлах со слоевыми топ-
					600°С
						ками иногда применяют водяное
q6, % 2	1	0	1	2	Ап,	охлаждение панелей и балок, не
					кг∙102/МДж	включенных	в	циркуляционную
						систему котла. В этом случае не-
Рис. 5.7. Расчетные значения q6						обходимо оценить потери тепло-
						охл
						той Q6 .
	5.3.6. Оптимизация показателей работы парового котла
				по сумме тепловых потерь

Из анализа тепловых потерь следует, что величина ряда из них существенно и по-разному зависит от избытка воздуха. К ним относятся потери q2 ,

q3 , q4 . В связи с этим возникает необходимость в установлении оптимального избытка воздуха в топке αоптт , обеспечивающего минимум суммарных потерь. При этом потерю q2 относят к значению αт , поскольку присосы по газоходам

известны. При сжигании газа и мазута определяющими экономичность котла являются потери q 2 +q3 , а в случае сжигания твердого топлива – q 2 +q4 . На

рис. 5.8 показан пример определения оптимального избытка воздуха в топке на основании балансовых испытаний котла. Поскольку при сжигании газа и

мазута значение αоптт ≤ αкр , потери q3 в условиях нормальной эксплуатации

незначительны. В этом случае значение αоптт определяется крутизной изменения q3 с ростом αгор > 1, т.е. аэродинамической характеристикой горелок и

аэродинамикой потоков в объеме топки (рис. 5.8, а). Обычно в случае αоптт1,05. При сжигании твердого топлива (рис. 5.8, б) значение αоптт > αкр и вы-

бор оптимального избытка главным образом зависит от характера изменения q4 и определяется видом сжигаемого топлива. Здесь значение αоптт = 1,15–

1,25 и увеличивается по мере снижения выхода летучих веществ из топлива. Во всех случаях отклонение оптимального значения избытка воздуха (не строго по минимуму q3 или q4 ) происходит за счет роста потери q2 с повы-

шением избытка воздуха.

94

q			q
			q2 + q3 + q4
q2 + q3				q2
q2				q4
q3			q3
αопт	αкр	αт	αопт	αт
		а)		б)

Рис. 5.8. К определению оптимального избытка воздуха в топке по минимуму тепловых потерь: а – при сжигании природного газа и мазута; б – при сжигании твердого топлива

В«Нормативных материалах» все тепловые потери приведены для номинальной нагрузки. При нагрузке, отличной от номинальной, основные тепловые потери изменяются по разным законам.

Витоге на современных паровых котлах большой мощности превалирующей является потеря с уходящими газами q2 , которая в основном и опре-

деляет характер изменения КПД котла от нагрузки (рис. 5.9).
0,96			ηi		0,96						0,96
0,94					0,94						0,94
0,92					0,92			ηi			0,92		ηi
0,9					0,9							0,9			q2
6					6			q2				6
			q2
4					4							4		q4
2	q3			q	2			q	4	q5D		2	q		q
				5	Dп								5		6
																	D
0,3		0,5	0,75	1,0		0,3	0,5		0,75	1,0	п	0,3	0,5	0,75		1,0
					Dном						D						п
			а)					б)						в)		D
											ном
																	ном
Рис. 5.9. Изменение тепловых потерь и КПД котла от нагрузки при работе на разных видах
топлив: а – на природном газе; б – на каменном угле; в – на антраците с жидким шлако-
удалением
Обычно паровые котлы работают с нагрузкой 70–100% номинальной и
разгружаются на короткое время (ночной или воскресный провал нагрузки)
до 30–50%,		чтобы сохранить				стабильный				тепловой			режим		оборудования
(вместо кратковременного останова отдельных котлов).

95

5.4.Примеры и контрольные вопросы

5.4.1.Примеры

1.Определить паропроизводительность котельного агрегата, работающего на кузнецком угле марки Д состава: Cr = 33,6 %; Нr = 2,5 %; Or = 9,5 %; Sr = 0,8 %; Ar = 35,7 %; W r = 17,0 %, если известны тепловые потери: с ухо-

дящими газами Q2 = 1360 кДж/кг, потери теплоты от химического недожога Q3 = 148 кДж/кг, потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива Q4 = 680 кДж/кг, потери теплоты в окружающую среду Q5 = 150 кДж/кг и потери теплоты с физическим теплом шлака Q6 = 89 кДж/кг, давление перегретого пара рпе = 14,0 МПа, температура перегретого пара tпе = 550 °С, температура питательной воды tпв = 210 °С, величина непрерывной продувки Р = 4 %, расход условного топлива на котел составляет Bусл = 30 т/ч, гидравлическое сопротивление в пароперегревателе Dрпе = 2,1 МПа.

Решение: низшую теплоту сгорания рабочей массы топлива определяем по формуле:

Qir = 339Cr +1030Hr -109(Or -Sr ) - 25W r = 339 +1030 -109 - 25 = 21916,6 кДж/кг

Теплоту, полезно использованную в котельном агрегате, находим по формуле:

Q1 = Qir - Q2 - Q3 - Q4 - Q5 - Q6 = 22825 -1360 -148 - 680 -150 -89 = 20398 кДж/кг.

КПД котельного агрегата брутто определяем по формуле:

	hбр =	Q1	100 =	20398	100 = 93,1 %.
		Qr		21916,6
	ка
		i

Расход натурального топлива на котел определяем по формуле:

B = BуслQусл = 30 × 29310 = 40,1 т/ч.

Qir 21916,6

Переводим значение расхода топлива в систему СИ:

B = 40,1/3,6 = 11,1 кг/с.

Расход перегретого пара находим по формуле:

	Dпе =		Q1B				=	20398 ×11,1			= 86,7 кг/с.
		(hпе -	tпв ) +	Р	(h¢ -	tпв )		(3458,9 - 879,2) +	4	(1655,6 - 879,2)
				100					100

			96
где hпе			= f ( pпе ,tпе ) = 3458,9 кДж/кг; h¢ = h¢(ts ( pпе + Dpпе )) = 1655,6 кДж/кг;
			×Cв = 210 × 4,1867 = 879,2 кДж/кг.
	tпв = tпв

2. Чему равен рассчитанный по низшей теплоте сгорания КПД (брутто) реального (с учетом теплопотерь) котельного агрегата, работающего на Березовском буром угле марки 2Б со следующими характеристиками: Qir = 15,66

МДж/кг, Hr = 3,1 %, W r = 33 %, если продукты сгорания в нем удалось бы охладить до температуры наружного воздуха, равной 0 °С? Суммарная величина тепловых потерь в котле составляет åqi = 10 %.

Решение: Так как тепловые потери не равны нулю, то полезно используются не все 15,66 МДж теплоты, выделяющихся при сжигании 1 кг бурого угля. При этом, практически весь водяной пар, образующийся при горении, конденсируется при охлаждении газов до 0 °С и теплота конденсации при этом используется полезно. Таким образом, КПД (брутто) реального котлоагрегата находим по формуле:

		(100 -10)×(Qr + 25×9 Hr + 25×W r )		90×(15660 + 25×9×3,1+ 25×33)	= 98,8%.
	hбр =	i	=
		Qr		15660
	ка
		i

5.4.2.Контрольные вопросы

1.Что такое располагаемая теплота сгорания топлива? У каких топлив Qрр

ИQнр отличаются более заметно друг от друга и за счет каких составляющих?

2.Какие поверхности нагрева обеспечивают тепловосприятие Q1 ?

3.Почему необходима оптимизация температуры уходящих газов, а не максимальное ее снижение для уменьшения потерь q2 ?

4.Какие характеристики топлива влияют на выбор оптимальной температуры уходящих газов?

5.Какие эксплуатационные факторы определяют потери теплоты q3 ?

6.Как на практике определяют потери теплоты q4 ? При сжигании ка-

ких топлив эта потеря наибольшая и почему?

7. Определите, в каком случае потеря q5 будет больше: на котле номи-

нальной мощностью 300 МВт (1000 т/ч) или при нагрузке 300 МВт на котле с номинальной мощностью 600 МВт (2000 т/ч).

8.Какие значения тепловых потерь влияют на определение оптимального избытка воздуха?

9.Какие преимущества имеет определение КПД по обратному балансу?

10.В чем различие между КПД котла брутто и нетто?

11.Как изменяется КПД котла с изменением нагрузки?