Тепловой и энергетический балансы теплогенератора (котла)
Соотношение, связывающее приход и расход теплоты в теплогенераторе, составляет его тепловой баланс. При тепловом расчете тепловой баланс составляют на основании нормативных материалов на 1 кг израсходованного твердого или жидкого топлива (или на 1 м3 газообразного топлива), или в процентах от введенной теплоты. Тепловой баланс теплогенератора выражается равенством между введенной и израсходованной теплотой, отнесенной к 1 кг (м3) израсходованного топлива (рис. 2.28);
Левая часть уравнения теплового баланса или располагаемая теплота Q? (отнесенная к 1 кг (м3) топлива), вводимая в теплогенератор для преобразования ее в энергию пара или горячей воды, в общем случае может содержать;
Рассмотрим составляющие приходной части теплового баланса. В основе приходной части теплового баланса лежит величина Q) — низшая рабочая теплота сгорания топлива, поскольку температура продуктов сгорания, покидающих котел, лежит выше температуры конденсации водяных паров, в них содержащихся. В случае если водяные пары конденсируются, расчет теплового баланса следует вести по высшей теплоте сгорания Qr, Теплота сгорания топлива является основным источником энергии процесса производства пара или горячей воды в котле. Второе слагаемое уравнения (2.30) Q$.T — физическая теплота, вводимая в котел с топливом. кДж/ /кг (кДж/м3):
Третье слагамое в уравнении (2.30) 3фв— физическая теплота воздуха, учитываемая только при подогреве вводимого в котел воздуха вне котла за счет постороннего источника (например, в паровом калорифере или в автономном подогревателе при сжигании в нем дополнительного топлива).
В этом случае
Четвертое слагаемое Qnap— теплота, вводимая в топочный объем с паром при паровом распыле мазута или при вводе пара под колосниковую решетку для улучшения процесса горения при слоевом сжигании антрацита:
Величина Q3K3 выражает теплоту экзотермических реакций некоторых технологических процессов (например, в процессе обжига колчедана в кипящем слое с установкой в этом слое тепловоспринимающих поверхностей нагрева для производства пара), которая может быть использована для получения пара. Величина Q3Hn выражает затраты теплоты на возможные эндотермические реакции (например, на разложение карбонатов при сжигании сланцев).
В этом случае
Величину (Зэл в уравнении (2.30) учитывают при выработке теплоты с использованием электроэнергии в качестве источника теплоты. В этом случае Qnpnx=Qp = = Qэл- При отсутствии подогрева топлива и воздуха от посторонних источников и выработки пара за счет теплоты экзотермических процессов принимают
При установившемся тепловом режиме работы котла уравнение (2.31) с учетом (2.32) можно записать, принимая располагаемую теплоту за 100%:
Полное количество полезно используемой теплоты Qi для производства водяного пара расходуется на подогрев воды (Эпод, ее испарение QHcm перегрев пара в первой Qnep и второй Q ер ступенях пароперегревателя, а также на нагрев в котле теплоносителя (воды или воздуха), отдаваемого затем потребителю (например, подогрев воды тепловой сети в теплофикационном экономайзере котла) Qorn, кДж/кг:
При определении эффективности использования топлива при выработке тепловой энергии следует учитывать также расход электрической и тепловой энергии на собственные нужды (привод насосов, тягодутьевых устройств, расход теплоты на подогрев воды вне котла, ее Деаэрацию и др.). В связи с этим введено понятие КПД котла (нетто):
Потери теплоты обычно составляют 5—10% располагаемой теплоты Q. Сомножитель (100 — qT) введен в уравнение в связи с тем, что значения энтальпии даны на 1 кг введенного топлива без учета механической неполноты его сгорания. С понижением температуры уходящих газов на 12—15°С потери теплоты уменьшаются примерно на 1 %; <72 уменьшаются также пропорционально уменьшению аух. Пути снижения потерь теплоты с уходящими газами <72 состоят в уменьшении коэффициентов аук и ат путем совершенствования процесса горения и ликвидации присосов воздуха по газовоздушиому тракту котла, снижении температуры уходящих газов 0ух путем развития хвостовых поверхностей нагрева (экономайзеров и воздухоподогревателей), полезно утилизирующих теплоту уходящих газов.
Предельная температура уходящих газов 0ух по технологическим параметрам определяется условиями предотвращения возможности внешней низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева котла и зависит от содержания окислов серы в уходящих газах. Температуру 0ух в промышленных и отопительных котлах принимают от 150—170°С и выше при наличии хвостовых поверхностей нагрева и 250—420°С при их отсутствии. При установке воздухоподогревателей разность между Оух и tвх должна быть выше 50 °С, так чтобы на холодных тепловоспринимающих поверхностях нагрева не было конденсации паров воды из воздуха.
Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива qz — Qz/Qp, %, возникают при появлении в продуктах сгорания горючих газообразных компонентов (Нг, СО, СН4, СтН и др.) вследствие неполного выгорания топлива в пределах топочного объема котла. За его пределами горючие газы не догорают в связи с низкими температурами по газовому тракту котла. Причинами появления химической неполноты сгорания могут быть: плохое смесеобразование, особенно в начальных стадиях горения топлива; общий недостаток воздуха; низкая температура в топочном объеме котла, особенно в зоне догорания топлива. При достаточном коэффициенте избытка воздуха и хорошем смесеобразовании потери теплоты с химической неполнотой сгорания q зависят от объемного тепловыделения в топочном объеме qv = ~(BQi )/Vr). Оптимальное значение qv, при котором обеспечиваются минимальные значения Q3, зависит от вида топлива, конструкции топки и способа сжигания топлива. В топках современных котлов потери теплоты с химической неполнотой сгорания составляют: при камерном сжигании q~Q—0,5 % при значениях qv = 0,15— 0,3 МВт/м3, а при слоевом сжигании <73=0,5—2 % при <7 = 0,23—0,45 МВт/м3. При увеличении qv выше расчетного величина q3 резко возрастает. Так, если при горении древесной щепы на цепной решетке при qv~ = 0,39 МВт/м3 величина <73 = 0, а при qv — Q,41 МВт/м3 величина ?73=0,5 %, то при qv = 0,61 МВт/м3 q3 — = 4,2%, т. е. почти в 8,5 раза выше, чем при qv~ = 0,41 МВт/м3. В основе расчета величины <73 лежит уравнение
При разработке мероприятий по снижению величины q3 следует иметь в виду, что при соответствующих условиях в продуктах в первую очередь появляется СО, наиболее трудносжигаемый компонент источников появления 7з, а затем уже Н2 и другие горючие газы, т. е. если в продуктах сгорания отсутствует СО, то там также нет и Н2. Для снижения величины q3 улучшают условия перемешивания газов, особенно в зоне их догорания, применяя острое дутье, и повышают температуру в зоне горения путем подогрева вводимого в топочный объем воздуха. При работе на расчетных режимах при правильной эксплуатации котла и хорошо спроектированной топке потери д3 практически могут быть равны нулю.
Потери теплоты от механической неполноты сгорания выражают уравнением, кДж/кг:
Для слоевых топок величина д4 зависит от теплона- пряжения в топочном объеме, отнесенного к площади зеркала горения qR слоя топлива. С увеличением qR (т. е. с форсировкой котла) увеличивается доля уносимого несгоревшего топлива с продуктами сгорания дун Так, с увеличением qR от 0,93 до 1,63 МВт (т. е. в 1,75 раза) величина qyf возрастает в 7 раз (с 3 до 21 %). Потери теплоты q4 со шлаком длвозрастают с увеличением зольности топлива, ростом теплонапряжения qR и с переходом на сжигание топлива с меньшим выходом летучих. Потери теплоты 4Р с провалом зависят от сорта сжигаемого топлива (главным образом спекаемости топлива), содержания в топливе мелочи и от конструкции колосниковой решетки. При использовании так называемой бесперевальной колосниковой решетки величина qip обычно не превышает 0,5—1 %¦
В камерных топках величина q4 в основном определяется величиной qf и находится в пределах 0—0,5 %, причем верхний предел относится к твердым топливам с малым выходом летучих марок АСШ и ПА. При сжигании углей с большим выходом летучих величина q± не превышает 0,5—1,5%. При сжигании твердых топлив с жидким шлакоудалением потери теплоты снижаются в связи с лучшими условиями выгорания частиц в пределе топочного объема.
Потери теплоты от наружного охлаждения (Q5 и Уъ== Qs/Q р ) наблюдаются в связи с тем, что температура наружной поверхности котла всегда выше температуры окружающей его среды.
Поскольку относительная величина q5 мала и уменьшается с увеличением мощности котла, при тепловых расчетах пользуются данными, представленными на рис. 2.29. Распределение суммарной потери теплоты от наружного охлаждения q5 по отдельным элементам котла — по направлению движения газов (топочный объем, конвективная шахта, экономайзер и др.) — производится пропорционально количеству теплоты, отдаваемому продуктами сгорания в соответствующих элементах (по газовому тракту котла), и учитывается введением коэффициента сохранения теплоты ср:
При изменении производительности котла меняется тепловой режим его работы. В расчетах принято, что потери <7з изменяются обратно пропорционально производительности котла. Так, для парового котла
При камерном сжигании топлива с твердым шлакоудалением потери теплоты учитывают только яри сжигании высокозольных топлив; температуру шлака принимают равной 600—700 °С. При жидком шлакоудалении температуру шлака принимают равной температуре нормального жидкого шлакоудаления, которую выбирают по справочным таблицам топлив. При слоевом сжигании топлив, а также при камерном сжигании с жидким шлакоудалением потери теплоты qe равны 1— 2 % и выше. При невысокой зольности топлива в расчетах (Q бЛ, кДж/кг) можно принимать Qg 4,186Аг.
Потери теплоты на охлаждение панелей и балок, не включенных в циркуляционную систему котла (например, панелей п балок в слоевых топках), рассчитывают по формуле, кДж/кг:
Структура теплового баланса котла (доля каждой его составляющей) зависит от режима его работы и в первую очередь от его производительности, которая для конкретного котла зависит от теплового напряжения топочного объема (qv, МВт/м3) при камерном сжигании топлива или от теплового напряжения на единицу площади зеркала горения при слоевом сжигании топлива (qR, МВт/м2). Для основной массы котлов, в том числе котлов со слоевым сжиганием топлив отопительно-производственных котельных, при отклонении режима работы от номинального КПД котла (брутто) падает; при увеличении производительности за счет увеличения потерь теплоты от механической и химической неполноты сгорания q4 и q3 при одновременном уменьшении потерь q2 и <75, а при уменьшении производительности котла — за счет увеличения потерь теплоты с уходящими газами q2 и с охлаждением ограждающих поверхностей котла qs.
При неустановившемся тепловом состоянии работы котла, переходе с режима на режим, пуске котла возникают дополнительные расходы теплоты на нагрев или охлаждение обмуровки, металла, рабочего теплоносителя. В этом случае в расходную часть уравнения теплового баланса вводят дополнительное слагаемое Q3KK (акн)- Это слагаемое имеет положительный знак при повышении производительности котла, поскольку в этом случае происходит дополнительный нагрев конструкций котла, что приводит к дополнительным потерям теплоты, или отрицательный знак в случае уменьшения производительности котла, когда происходит снижение его тепловых параметров и ранее затраченная теплота как бы возвращается вновь и может рассматриваться как приходная часть баланса.
энергетический баланс к о т л а. Тепловой баланс котла дает количественную картину распределения располагаемой теплоты, в том числе и распределение тепловых потерь, без учета качества теплоты в составляющих баланса. Качество вырабатываемой теплоты в теплогенераторах и, в частности, в котлах на органическом топливе оценивается по отношению к параметрам окружающей среды с использованием параметра эксер- гии.
энергией, пли работоспособностью называется максимальная работа, которую может совершить система в обратимом процессе при переходе от данного состояния до равновесия с окружающей средой. На заключительных этапах рассматриваемых в каждом конкретном случае обратимых процессов должны быть достигнуты состояния термодинамического равновесия с окружающей средой для всех принимающих в них участие форм материи. Иногда при этом в систему необходимо дополнительно подводить вещества из окружающей среды, например кислород воздуха при определении энергии сжигаемого топлива.
В общем случае энергию подразделяют на физическую и химическую. Физическая энергия вещества не равна нулю, если параметры его состояния отличаются от параметров окружающей среды: температуры Т0 и давления р0. Химической энергией называется энергия вещества с параметрами Т0 и ра. В частности, химической энергией топлива называется максимальная работа, получаемая в обратимом процессе, в котором принимают участие исследуемое топливо с параметрами состояния Т0 и р0 и подводимый из окружающей среды кислород. Продукты этого процесса после полного сгорания топлива должны находиться в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой.
Применительно к тепловым процессам максимальная работа ?аксъ которая может быть получена от теплоты Q, переданной горячим источником с температурой Т окружающей среде с температурой Т0, представляет собой работу обратного цикла Карно, осуществленного в интервале температур Тi—Т0. Отсюда
Для оценки эффективности работы котла с позиций качества получаемого теплоносителя — пара или горячей воды — составляют энергетический баланс, включающий так же, как и в тепловом балансе, слагаемые: химической энергии топлива, физической энергии топлива и воздуха, энергии получаемого теплоносителя (пара или горячей воды), энергии составляющих потерь теплоты. Кроме этих потерь в энергетический баланс котла вводят потери энергии вследствие необратимости процесса горения, необратимости теплообмена и смешения потоков.
Величины составляющих энергетического баланса котла, в том числе и потерь, зависят в первую очередь от превышения температуры массы теплоносителя над температурой окружающей среды. Чем температура выше, тем величина составляющих энергетического баланса выше. энергетическая эффективность котла оценивается величиной энергетического КПД, равного отношению полезно усвоенной энергии ЭПОл к энергии Дтатр, затраченной на выработку теплоты, %:
Удельную энергию рассчитывают по приближенным формулам в зависимости от состава топлива. Для газообразного топлива значения ех.х близки значениям низшей теплоты сгорания топлива Qj энергию продуктов сгорания Эп.о при расчете энергетических потерь в связи с необратимостью процесса горения определяют при теоретической температуре горения. Поэтому величина Эп.с выше энергии горячего воздуха Эвоа, причем при повышении температуры горячего воздуха значение Эпс увеличивается тем больше, чем выше величина Эвоз. При подогреве воздуха, направляемого в топку котла, потери энергии от необратимости процесса горения уменьшаются.
Потери энергии от необратимости теплообмена Етепл связаны с ее потерями Еи-охл от наружного охлаждения, так что:
Потери энергии Эсм от смешения потоков при разных их температурах Т, и Т2 наблюдаются в результате присосов воздуха по тракту котла; их определяют из выражения
При сравнении составляющих теплового и энергетического балансов парового котла мощностью 219 МВт (тепл.), работающего на угле, можно заметить, что в связи с низкой температурой уходящих газов доля потерь их энергии в балансе составляет всего 15% доли потерь теплоты <72, в то время как доля потерь энергии от необратимости горения в балансе энергии составляет свыше 20 %, а доля потерь энергии от необратимости теплообмена — немногим меньше 30 % Низкотемпературные потери наружного охлаждения в энергетическом и тепловом балансах котла имеют примерно равные значения (0,4 и 0,6%), а от механической неполноты сгорания доля потерь в энергетическом балансе на 25 % (относительных) больше, чем в тепловом.
В целом же при тепловом коэффициенте полезного действия котла — брутто, равном 90%, энергетический его КПД не превышает половины и составляет 45—46 % Это связано с тем, что при теоретической температуре горения топлива, равной 2300—2500 К, и образовании продуктов сгорания высокого энергетического потенциала, получаемый в паровом котле, теплоноситель — водяной пар имеет существенно меньшую температуру — 770—705 К, что снижает его энергетическую ценность. Если бы было возможно в качестве теплоносителя использовать не водяной пар, а непосредственно высокотемпературные продукты сгорания, то энергетический КПД теплогенератора естественно увеличился бы до ВО—90 %¦ энергетический анализ процесса производства теплоты из органического топлива позволяет установить пути повышения термодинамической эффективности процесса, заключающиеся в целесообразности повышения температуры подогрева воздуха, повышения параметров теплоносителя (пара или воды) и уменьшения механической неполноты сгорания топлива.
