5. Тепловой баланс и кпд

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:
Qрр = Qнр + Qдоп ,
(5.1)
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, например 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 влажностью 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 теплоты в паровом котле Qисп или Q1 , и определяется повышением энтальпии
рабочего тела (вода, пар) при прохождении поверхностей нагрева (рис. 5.1):
Q1 =
G
Dпе
D
( hпе − tпв ) + вт ( hвт′′ − hвт′ ) + пр ( h′ − tпв ) ,
Bк
Bк
Bк
(5.3)
где Dпе , Dвт – расход свежего и вторично-перегретого пара на турбину, кг/с;
Gпр – расход продувочной воды из барабана котла с естественной или принудительной циркуляцией для поддерDпе hпе
жания заданного солевого режима в
контурах циркуляции, кг/с; hпе , tпв , h′
hвт′′
– энтальпия перегретого пара, питаpб
тельной воды, поступающей в эконоGпр
майзер котла, и воды на линии насыh′
щения при давлении в барабане ( pб ),
кДж/кг; hвт′′ , hвт′ – энтальпия вторичноDвт hвт′
перегретого пара на выходе из промеtпв
жуточного перегревателя и пара и вхоРис. 5.1. К определению полезно исполь- де в него, кДж/кг; Bк – расход сжигаезованного тепла в паровом котле
мого топлива, кг/с или м3/с.
Остальная часть выделившейся теплоты составляет различные тепловые 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 частицы);
Q5 – с рассеянием теплоты через внешние ограждения (тепловую изоляцию);
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:
Qрр =
Q1
+ Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 .
Полезно
использованное тепло
Тепловые потери
(5.4)
Полезно использованное количество теплоты складывается из тепловосприятий отдельных поверхностей нагрева котла:
Q1 = Qтк + Qпек + Qвт + Qэк ,
(5.5)
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 – тепловосприятие 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:
qi =
100Qi
Qрр
,
(5.6)
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
вых
вых
рпром
;tпром
Dпе ; рпе ; tпе
вх
вх
Dпром ; рпром
; tпром
Q5т
Dпе ; рпе ; tпе
Qрр
Q5к
Qгв
Qхв
шл
6
Q
Q2
шл
4
Q
Q4ун
Q3
Рис. 5.2. Баланс теплоты парового котла
Для получения полноценной версии необходимо обращаться по адресу…
«Лаборатория информационных технологий в энергетике»,
Кафедра «Тепловые электрические станции»
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
e-mail: boiko@krgtu.ru
р.т.: (8-3912) 91-27-56
660074, г. Красноярск, ул. Академика Киренского, 26
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
82