Тепловой баланс котла

Показатели эффективности сжигания газового топлива

Всю поступившую в котельный агрегат теплоту, полученную при сгорании топлива, расходуют на выработку полезной теплоты (в виде пара или горячей воды) и на покрытие тепловых потерь, возникающих в процессе работы.

Тепловым балансом котельного агрегата называют равенство между поступившей в него теплотой и суммой выработанной полезной теплоты и теплоты, израсходованной на покрытие тепловых потерь. Поступившую в котельный агрегат теплоту называют располагаемой теплотой. Располагаемая теплота , кДж/кг, для газообразного топлива определяется по формуле:

,

где – низшая теплота сгорания сухой массы газообразного топлива, кДж/м³;

– теплота, внесенная в котельный агрегат воздухом при подогреве его вне агрегата отработанным паром или другим теплоносителем, кДж/кг или кДж/м³;

– физическая теплота, внесенная топливом, кДж/кг или кДж/м³;

Здесь – коэффициент избытка воздуха – отношение количества воздуха на входе в котельный агрегат (в воздухоподогреватель) к теоретически необходимому;

– теплосодержание теоретически необходимого количества холодного воздуха и воздуха на входе в котельный агрегат, кДж/кг;

– удельная теплоемкость рабочего топлива, кДж/(кг·К) или кДж/(м³·К);

– температура топлива, °С;

Тепловой баланс составляется для установившегося теплового режима испытываемого котельного агрегата на 1 м³ газообразного топлива при нормальных условиях.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

где – полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, кДж/кг или кДж/м³;

– потеря теплоты с уходящими продуктами горения, кДж/кг или кДж/м³;

– потеря теплоты от химической неполноты сгорания, кДж/кг или кДж/м³;

– потеря теплоты от механической неполноты сгорания (имеет место только при сжигании твердого топлива), кДж/кг;

– потеря теплоты в окружающую среду (от наружного охлаждения), кДж/кг или кДж/м³;

– потеря теплоты с физической теплотой шлака и потеря на охлаждение, не включенные в циркуляционную схему котла панелей и балок ( – имеет место только при сжигании твердого топлива), кДж/кг или кДж/м³.

Продукты сгорания покидают котел при достаточно высокой температуре, как правило, 120 – 140 °С. Дополнительное снижение этой температуры за счет установки дополнительных поверхностей нагрева невыгодно, так как из-за небольшой разности температур между греющим и нагреваемым теплоносителем потребуется очень большая поверхность теплообмена, что сильно увеличит расход металла на котел. Кроме того, значительное понижение температуры уходящих газов вызывает конденсацию водяного пара, находящегося в продуктах сгорания, что может вызвать коррозию этих поверхностей. Поэтому теплота, которую можно было получить, если охладить газы от их температуры на выходе из котла до температуры окружающего воздуха, оказывается потерянной. Величина этих потерь для газообразного топлива определяется как отношение разности теплосодержаний продуктов сгорания и поступающего воздуха в топку к низшей теплоте сгорания топлива. Потеря с уходящими газами обычно является наибольшей и составляет 4 – 10 % подведенной теплоты.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания обусловлена наличием в продуктах сгорания горючих элементов (чаще всего СО, но может быть Н₂, СН₄),что происходит из-за недостаточного количества воздуха или плохого его перемешивания с топливом. Для работающего котла эта потеря определяется по данным анализа продуктов сгорания на СО, Н₂, СН₄.

Увеличение избытка воздуха в топке ведет к уменьшению потери от химической неполноты сгорания, но повышает потерю с уходящими газами, так как приходится нагревать дополнительное количество воздуха, не участвующего в процессе горения. Наиболее экономичная работа котла получается в том случае, если сумма обеих потерь минимальна.

Потеря от наружного охлаждения (в окружающую среду) обусловлена тем, что температура всех наружных поверхностей котлоагрегата выше, чем температура окружающей среды, и эта поверхность отдает теплоту как конвекцией, так и излучением. Количество этой теплоты можно подсчитать, зная температуру и площади всех ограждающих поверхностей котла и температуру окружающей среды. Для крупных котлов эта величина составляет 0,3 – 0,4 %, для малых – достигает 5 %.

Физическую теплоту, внесенную топливом, следует учитывать только при сжигании мазута в форсунках любого типа, а теплоту, вносимую при паровом распыле, – только при установке редко применяемых паровых форсунок. Теплота, внесенная в топку воздухом при подогреве его вне котельного агрегата, может не учитываться, если температура воздуха измеряется на входе в котельный агрегат (в воздухоподогреватель). Это упрощает испытания и составление теплового баланса за счет исключения из величины .

Эксплуатационные и наладочные испытания обычно проводят с определением КПД котельной установки с точностью до 2 %. Следовательно, при этих испытаниях физическая теплота топлива, вносимая с подогретым мазутом, может не учитываться, так как дает относительную погрешность при определении КПД менее 0,8 %.

Уравнение теплового баланса котельного агрегата с учетом сказанного о располагаемой теплоте и потерях теплоты при сжигании газообразного топлива примет вид (в кДж/м³):