Лекции №2: Тепловой и экзегетический баланс парогенератора
advertisement
Лекция №2 Тепловой и экзегетический баланс парогенератора. План: 2.1 Общее уравнение теплового баланса парогенератора. 2.2 Характеристика потерь теплоты в парогенераторе. 2.3 Выбор оптимального избытка воздуха в топочной камере. 2.4 Эксергетический баланс котла. 2.1Общее уравнение теплового баланса котла При работе котла неизбежны потери, поэтому степень экономического совершенства парового котла характеризуется его коэффициентом полезного действия (КПД). Для определения КПД составляют тепловой баланс, под которым понимают распределение выделившейся теплоты при горении топлива на полезную часть для получения пара требуемых параметров и на тепловые потери. При сжигании 1 кг (или 1 м3) топлива наибольшее количество теплоты, которая может выделиться в топке, называют располагаемой теплотой топлива: Qрр= Qрн+Qb.bhiii+Qтл+Qп-Qк, (2.1) где Qрр— располагаемая теплота 1 кг (или 1 м3) топлива, МДж/кг (или МДж/м3); Qрн— низшая удельная теплота сгорания топлива на рабочую массу, МДж/кг (или МДж/м3); Qb.bhiii— теплота, внесенная в топку воздухом при подогреве его вне агрегата, МДж/кг (или МДж/м3); эта теплота учитывается в тех случаях, когда воздух предварительно, до поступления в воздухоподогреватель, подогревается от постороннего источника, например в калориферах паром из отбора турбины; Qтл— физическая теплота топлива, получаемая также при внешнем его подогреве, МДж/кг, например при сжигании мазута и подогреве его паром до поступления в топку; Qп— теплота пара, поступающего в форсунку для распыления мазута, МДж/кг; Qк— теплота, затраченная на разложение карбонатов исходного топлива при его нагреве, МДж/кг (учитывается при сжигании сланцев). Количество теплоты, внесенное воздухом при подогреве его вне котла, определяют по формуле Qb.bhiii= a впV0вСв(t'в- tх.в), (2.2) где a вп— коэффициент избытка воздуха на входе в воздухоподогреватель; Св— теплоемкость воздуха, МДж/(м3·К); tх.в, t'в— температура холодного воздуха и воздуха перед поступлением в воздухоподогреватель (за калориферной установкой). Физическая теплота топлива при внешнем подогреве Qтл=Стлtтл, (2.3) где tтл— температура топлива, °С; стл— удельная теплоемкость топлива, МДж/(кг·К). Теплота, внесенная паром при распылении мазута, Qп=dп(h-2,26), (2.4) где dп и h — удельный расход пара, поступающий в форсунку на распыление мазута, кг/кг, и его энтальпия, МДж/кг; 2,26 — энтальпия пара при температуре уходящих газов, МДж/кг. При сжигании сланцев небольшая доля теплоты, выделяющейся при горении, расходуется на разложение карбонатов. Она пропорциональна образованию углекислоты СОК2 из карбонатов рабочей массы сланцев (СаСО3, MgCO3) и при сжигании топлива в топке, определяется по формуле Qк=0,04СОк2, (2.5) где 0,04 — средний расход теплоты на разложение карбонатов при образовании 1% углекислоты, МДж/кг. Для большинства твердых топлив принимают Qрр=Qрн. Заметное их различение (Qрр>Qрн) имеет место при сжигании углей с высокой влажностью и сернистостью, когда необходимо учитывать значение Qb.bhiii, так как требуется подогрев воздуха для повышения температуры металла воздухоподогревателя во избежание сернокислотной коррозии. При сжигании мазута обычно Qрр=Qрн+Qт+Qп+Qb.bhiiiл, а в случае сжигания сланцев Qрр=Qрн+Qk. Располагаемое количество теплоты Qрр могло бы быть полностью использовано, если бы при работе котла не было потерь. Часть теплоты, которая затрачивается на подогрев и испарение воды в трубах поверхностей нагрева, а также на перегрев пара, составляет использованную теплоту. Другая часть располагаемой теплоты, которая по условиям технологического процесса не может быть использована, составляет тепловые потери. Запишем уравнение теплового баланса котла в следующем виде: Qрр= Q1 +Q2+Q3+Q4+Q5+Q6, (2.6) Использованная теплота Тепловые потери Вводимая в топку располагаемая теплота горения 1 кг топлива вместе с дополнительными источниками в основном (на 90—95%) передается рабочей среде в поверхностях нагрева и используется на получение перегретого пара высокого давления и пара вторичного перегрева. Остальная часть теплоты составляет различные потери. Использованное количество теплоты в паровом котле Q1 определяется повышением энтальпии рабочего тела (вода, пар) при прохождении поверхностей нагрева: DПЕ (hП . П - hП .В ) + DВТ (hКИП - hП .В ) В Q1= В , (2,7) где DПЕ, Dbt — расход свежего и вторично перегретого пара, кг/с; DПР— расход продувочной воды из барабана котла с естественной или принудительной циркуляцией для поддержания заданного солевого режима в контурах циркуляции, кг/с; hП.П, hП.В, hКИП — энтальпия перегретого пара, питательной воды, поступающей в экономайзер котла, и воды на линии насыщения при давлении в барабане, кДж/кг; h"ВT, h'ВТ — энтальпия вторично перегретого пара на выходе из промежуточного перегревателя и входе в него, кДж/кг; В— расход сжигаемого топлива, кг/с или м3/с. Это же количество теплоты можно выразить Рис. 2.1. Баланс теплоты парового котла: 1 - топочная камера; 2,3 - пакеты пароперегревателя; 4 - экономайзер; 5 - воздухоподогреватель. также через тепловосприятия отдельных поверхностей нагрева котла: Q1 =Qt.k +QкПЕ +Qbt +QЭК, (2.8) где Qt.k— тепловосприятие рабочей среды в поверхностях топочной камеры, кДж/кг; QКПЕ, Qbt— тепловосприятие пара в конвективных поверхностях основного и промежуточного (вторичного) перегревателей, кДж/кг; QЭK— тепловосприятие экономайзера, кДж/кг. Из уравнения (2.8) видно, что тепловосприятие воздухоподогревателя прямо не входит в тепловой баланс котла. Это связано с тем, что теплота поступающего в топку горячего воздуха получается за счет теплообмена с продуктами сгорания, т.е. является внутренним источником теплоты. Эта часть теплоты 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 теплоты в паровом котле показан на рис. 2.1. Здесь теплота горячего воздуха QГ.B показана в виде замкнутого внутреннего контура. Для повышения доли полезно используемой теплоты требуется сведение до минимума тепловых потерь, перечень которых приведен в табл. 2.1. Связь между абсолютной и относительной потерями теплоты выражают формулой qi = Qi 100 Q pp , (2.9) где Qi— любая из абсолютных потерь теплоты (t=2, 3, 4 и т. д.). Используя относительные значения потери теплоты, уравнение теплового баланса можно записать так: 100=q1+q2+q3+q4+q5+q6, (2.10) На рис. 2.2 изображены тепловые потери при работе современных мощных паровых котлов, сжигающих твердое топливо и мазут. 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, q5 внесены в нормативный метод тепловых расчетов , остальные потери — q2, q6— существенно зависят от вида сжигаемого топлива, условий эксплуатации, для их определения в приведены расчетные формулы. 2.2 Характеристика потерь теплоты в парогенераторе. 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 температуры уходящих газов над температурой атмосферного воздуха, происходящее за счет остаточной теплоты, выделяемой при горении топлива, определяет потерю Q2, называемую потерей теплоты с уходящими газами: Q2=HУХ -НХ.В, (2.11) где НУХ — энтальпия уходящих газов, МДж/кг (или МДж/м3); НХ.В — энтальпия холодного (атмосферного) воздуха, МДж/кг (или МДж/м3). Формулу (2.11) можно переписать в следующем виде: Q2=Hг0+( αУХ -1)НВ0 –НХ.В, (2.12) В этой формуле Hг0= V0вСГ J УХ— энтальпия уходящих газов при α=1; величина (αУХ -1)НВ0— энтальпия избыточного воздуха при J УХ. Из формулы (2.12) следует, что главным фактором, влияющим на значение потери Q2, является J УХ, зависящая от размера поверхности нагрева, омываемой продуктами сгорания, и интенсивности отдачи теплоты этим поверхностям. Связь необходимой поверхности нагрева с глубиной охлаждения газов можно получить из уравнения конвективного теплообмена, которое запишем в следующем виде: F=Q/(kΔt), (2.13) где F— поверхность нагрева, м2; Q— тепловосприятие поверхности, кДж/кг; k— коэффициент теплопередачи, кВт/(м2·К); Δt— температурный напор между газами и рабочей средой в поверхности нагрева, °С. Рис. 2.3. Изменение размера конвективной поверхности нагрева в зависимости от уровня температуры греющих газов Желание снизить температуру газов за поверхностью нагрева неизбежно приводит к уменьшению температурного напора, в то же время тепловосприятие поверхности должно быть увеличено. Из формулы (2.13) следует, что в этом случае будет иметь место значительный рост размеров поверхности нагрева. Графически эта зависимость изображена на рис. 2.3, из которого следует, что снижение температуры уходящих газов в зоне более низких температур требует существенного увеличения поверхности нагрева. Одновременно с этим будут возрастать затраты на тягу, так как растет сопротивление газового тракта. Было бы неправильно проектировать паровые котлы с высокой температурой J УХ. Это привело бы к снижению эффективности использования топлива и его неоправданному перерасходу. Поэтому выбор температуры уходящих газов является задачей технико-экономической. Она решается на основании определения минимума годовых расчетных затрат. При изменении J УХ изменяются затраты на топливо и на металл главным образом поверхностей нагрева котла. С повышением J УХ затраты на металл поверхностей нагрева уменьшаются, а на топливо, наоборот, возрастают. Оптимальная температура уходящих газов соответствует минимуму годовых расчетных затрат 3 (рис. 7.4): 3=Sгод+nKП.К , (2.14) Рис. 2.4. Технико-экономическое определение оптимальной температуры уходящих газов: 1 — затраты на поверхности нагрева; 2 — затраты на топливо; 3 — суммарные расчетные затраты; а — область рекомендуемых значений температуры. В свою очередь годовые эксплуатационные расходы Sгод=BгодЦТЛ+аKП.К+SЭ , (2.15) В формулах (2.14) и (2.15) обозначено: KП.К— затраты на металл и строительство парового котла, руб; n=0,15 — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, характеризующий ежегодную долю отчислений государству от начальной стоимости, год-1; Вгод— расход топлива, кг/год; ЦТЛ— цена топлива, руб/кг; а— коэффициент отчислений (на амортизацию, текущий ремонт и другие расходы), год-1; SЭ— затраты на электроэнергию, используемую на собственные нужды котла в процессе его эксплуатации, руб/год. В области температуры, близкой к оптимальной JУХ , годовые расчетные затраты мало зависят от J УХ, в связи с чем в зависимости от дефицитности топлива или металла значение J УХ можно выбирать несколько больше или меньше оптимального. ОПТ На оптимальную температуру уходящих газов оказывает влияние влажность топлива. При этом объем продуктов сгорания и их теплоемкость заметно возрастают. Поэтому даже при постоянной J УХ потеря Q2 при влажном топливе будет больше, чем при сухом. Вместе с тем в этом случае заметно возрастает размер поверхности нагрева для охлаждения увлажненных газов и потеря энергии на преодоление сопротивления. Поэтому чем больше ОПТ влажность топлива, тем должна быть выше JУХ . С увеличением цены топлива при прочих равных условиях получается больше стоимость сэкономленного топлива, что окупает более развитую поверхность нагрева и ОПТ позволяет иметь более низкую JУХ . При выборе J УХ учитывается возможность коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева, главным образом воздухоподогревателя. Поэтому при сжигании сернистых топлив J УХ принимают более высокой. Значение J УХ для агрегатов большой мощности выбирают в пределах 120—160°С (нижний предел для маловлажного и малосернистого топлива, высший для высоковлажного или сернистого топлива). Потеря теплоты с уходящими газами сильно зависит от αyx. Чем выше избыток воздуха в топке и больше присос в газоходах, тем больше объем продуктов сгорания за агрегатом, что увеличивает Q2. Отрицательное действие большого избытка воздуха в топке и присоса его в газоходах выражается также в увеличении нагрузки на дымососы, а следовательно, и расхода электроэнергии. Потеря q2 является наибольшей из всех тепловых потерь и для котлов, работающих под разрежением (при наличии присосов холодного воздуха), составляет примерно 5—8%. В котлах с наддувом нет присоса воздуха в газоходах и поэтому q2 имеет меньшие значения. Расчетные значения потери q2 достигаются лишь при эксплуатационно чистых поверхностях нагрева. В эксплуатационных условиях поверхности нагрева могут существенно загрязняться шлаком и золой, что ухудшает теплообмен и повышает J УХ, а следовательно, приводит к увеличению потери q2, соответственно возрастают и газовое сопротивление, и нагрузка на дымососы. Для достижения в эксплуатации проектных режимов работы котла его поверхности нагрева поддерживают возможно более чистыми, производя периодически (1 раз в смену) очистку поверхностей нагрева на ходу котла. Потеря теплоты с химическим недожогом топлива В продуктах сгорания могут находиться в газовой фазе продукты неполного сгорания исходного топлива СО, Н2, СН4 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 догоранния газообразных горючих, составляет химический недожог. Потерю теплоты от химического недожога определяют по формуле Q3=VCOQCO+VH2QH2+VCH4QCH4, (2.16) где Vco, VH2, VCH4— объем горючих газов в продуктах сгорания, м3/кг топлива; QCO, QH2, QCH,—объемная теплота сгорания соответствующих горючих газов, МДж/м3. С учетом (2.16) удельное значение тепловых потерь в процентах от Qpp определяют по формуле q3=(126,4VCO+ 108VH2+ 358,2VCH4), (2.17). Цифры перед обозначением объемов газов VСО, VН2, VCH4—уменьшенные в 100 раз теплоты сгорания 1 м3 соответствующих газов. Химический недожог при сжигании газового и жидкого топлив q3=0÷0,5%, а при сжигании твердого топлива, как правило, очень мал и принимается равным нулю. В эксплуатации он определяется главным образом содержанием в продуктах сгорания СО и в меньшей мере Н2. Наличие в составе продуктов сгорания СН4 свидетельствует о ненормальности организации процесса горения. Однако анализ на недожог проводят обязательно по всем составляющим, поскольку даже небольшое количество VCH4 согласно (2.17) может оказать заметное влияние на значение недожога. Потери теплоты с химическим недожогом сильно зависят от коэффициента избытка воздуха и нагрузки парового котла (рис. 2.5). В условиях полного (идеального) перемешивания топлива с кислородом 1 химический недожог может иметь место только при α<1 и будет увеличиваться пропорционально нехватке кислорода (1—α). В реальных условиях 2 при полной нагрузке наличие химического недожога при α=1 определяется несовершенством перемешивания топлива с воздухом. При коэффициенте избытка воздуха, названном критическим αКР, химический недожог не имеет места. Обычно αKP=l,02÷1,03 и характеризует, таким образом, степень аэродинамического совершенства горелочного устройства. При работе котла на пониженной нагрузке 3 снижаются скорости выхода топлива и воздуха из горелок, тем самым уменьшается энергия перемешивания потоков, несколько снижается уровень температур в зоне горения, что ведет при сохранении того же избытка воздуха к росту химического недожога топлива. Определение концентрации горючих газов производят хроматографом (типа «Газохром3101»). Рис. 2.5. Потери теплоты с химическим недожогом топлива: αГОР— избыток воздуха в горелке Потеря теплоты с механическим недожогом топлива Если химический недожог характеризуется наличием в продуктах сгорания горючих веществ в газообразной форме, то механический недожог определяется неполнотой сгорания топлива в виде твердых частиц. 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 (α<0,6). При камерном сжигании твердого топлива потеря теплоты от механического недожога состоит из потери со шлаком Q4шл и уносом Q4yн. Потеря теплоты со шлаком Q4шл возникает оттого, что расплавленный при высокой температуре в топке шлак затем застывает, в результате чего не полностью сгоревшие частицы топлива оказываются заплавленными в нем и удаляются вместе со шлаком. Из топки обычной конструкции, как правило, удаляется со шлаком лишь ничтожное количество несгоревшего угля. Поэтому в большинстве котельных содержание горючих в шлаке определяют лишь изредка, при подробном изучении условий работы котлов. Рис. 2.6. Потери теплоты с механическим недожогом топлива при твердом шлакоудалении. Потеря теплоты с уносом Q4yн вызывается тем, что небольшие частицы топлива и заплавленные в золе горючие элементы, подхваченные потоком продуктов сгорания, уносятся по газовому тракту. Часть этого уноса оседает в воронках конвективных газоходов, а основная его масса проходит транзитом через поверхности котла и вместе с летучей золой удаляется из газового потока в золоулавливающей установке. При сохранении оптимальной тонкости размола пыли и нормальных условиях эксплуатации потери q4 зависят от величины избытка воздуха и существенно меняются с изменением выхода летучих веществ (рис. 2.6). При избытке воздуха ниже оптимального рост недожога определяется неполнотой перемешивания топлива с воздухом и развитием зон с нехваткой кислорода, хотя температурный уровень горения высокий. При α>αопт имеет место снижение температуры в зоне горения и замедление реакций окисления, одновременно уменьшается время пребывания частиц в высокотемпературной зоне ввиду увеличения объема и скорости продуктов сгорания. Оба эти «фактора приводят к возрастанию недожога топлива. Повышенные потери q4 у низкореакционных топлив (антрацита, полуантрацита) определяются поздним воспламенением коксовых частиц и затянутым горением в диффузионной области. В связи с этим указанные топлива весьма чувствительны к режиму эксплуатации, распределению воздуха по горелкам. В нормальных условиях эксплуатации потери с механическим недожогом при сжигании твердых топлив составляют q4=0,5÷5%, при этом большая цифра относится к топливам с малой реакционной способностью, а меньшая — к торфу и бурым углям с высоким выходом летучих горючих. Каменные угли имеют q4=0,5÷2%. Потери q4 при сжигании газа и мазута невелики (обычно менее 0,1%), и их рассматривают совместно с потерями q3, т.е. оценивают как (q3+ q4). Для определения потерь теплоты с механическим недожогом за счет уноса пропускают небольшое количество газов через микроциклон, в котором улавливаются твердые частицы уноса. Они состоят из золовых частиц (в подавляющей массе) и горючих коксовых частиц топлива. После прокаливания в среде воздуха горючие компоненты выгорают, что позволяет установить их долю в общем уносе ГУН. Тогда 1-ГУН представляет долю содержания золы в общем уносе. Затем относят долю горючих в уносе к 1 кг сожженного топлива, учитывая при этом разницу в теплоте сгорания исходного топлива и частиц топлива в уносе, так как последние представляют собой коксовые частицы без летучих веществ и в основном без золовых фракций. Относительная потеря теплоты с механическим недожогом будет составлять ГУН QK P q4=aУНАр 1 - ГУН QP , (2.18) где QK=32,6 МДж/кг— теплота сгорания коксового остатка в уносе; αун— доля уноса золовых фракций с продуктами сгорания; Ар— зольность рабочей массы топлива, %. Поскольку потери со шлаком, за редкими исключениями, ничтожны, потерю теплоты с уносом принимают за полное значение потери с механическим недожогом. Потеря теплоты от наружного охлаждения Эта потеря определяется тем, что обмуровка и обшивка котла и его элементы (барабан, коллекторы, паропроводы), имеющие более высокую температуру, чем температура окружающего воздуха, отдают часть теплоты вовне, что и составляет потерю Q5, кДж/кг. В общем виде эту потерю можно выразить следующей формулой: Q5= FCT (a К + a Л )(t CT - tОКР ), В (2.19) где Fст— наружная поверхность стен котла и высокотемпературных его элементов, м2; αК, αЛ— коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением, кВт/(м2·К); tСТ, tОКР— средняя температура поверхности теплоотдающих стен и температура окружающего воздуха, °С. Потеря от наружного охлаждения будет тем больше, чем выше температура обмуровки и тепловой изоляции. Согласно ПТЭ внешние поверхности котла и его элементов должны иметь изоляцию, обеспечивающую температуру tСТ не выше 55°С . В прикидочных расчетах пользуются средним значением теп- лового потока с поверхности обмуровки: qП=0,2÷0,3 кВт/м2. Тогда потеря теплоты в окружающую среду будет составлять FCT Q5=qп B , (2.20) в которой В— расход топлива на котел, кг/с. При полных испытаниях котла> тепловой поток с его поверхностей qп определяют прибором — тепломером. Рис. 2.7. Потери теплоты от внешнего охлаждения в зависимости от паропроизводительности котла Для мощных паровых котлов абсолютная потеря теплоты BQ5 больше, чем для агрегатов малой производительности, а удельная потеря Q5, кДж/кг, будет меньше, так как с ростом паропроизводительности котла отношение FСТ/B уменьшается, поскольку поверхность стен растет пропорционально квадрату линейного размера, а расход топлива и тепловая мощность котла увеличиваются пропорциональна объему котла, т.е. пропорционально третьей степени от линейного размера. Эта зависимость в логарифмических координатах показана на рис. 2.7. Для паровых котлов, работающих в блоке с турбиной 300 МВт и более (D≥1000 т/ч), относительная потеря теплоты вовне невелика и составляет q5≤0,25%. Однако при больших мощностях агрегатов эта потеря в абсолютных значениях приобретает другой масштаб. Так, на паровом котле электрической мощностью 800 МВт потери теплоты от внешнего охлаждения эквивалентны неиспользованной мощности 1600 кВт. При снижении нагрузки на котле абсолютная потеря теплоты через; ограждающие его стены и элементы BQ5=qПFСТ останется практически такой же, так как наружная температура обмуровки и тепловой' изоляции не изменяется. Поэтому потери, отнесенные к теплоте 1 кг сожженного топлива, пропорционально возрастут: DH q5= q5н D , (2.21) Здесь индекс «н» относится к значению при номинальной нагрузке. Поскольку потери q5 относительно невелики, принято для упрощения считать их пропорциональными тепловосприятию каждой из поверхностей нагрева котла и учитывать коэффициентом сохранения теплоты j = 1- q5 h K + q5 , (2.22) при этом q5/ηK+q5 характеризует долю потерь теплоты вовне. Так, если в результате прохождения поверхности пароперегревателя продукты сгорания ГАЗ отдали количество теплоты Q ПЕ , то собственно поверхность нагрева ГАЗ ПЕ ГАЗ получила QПЕ=φQ ПЕ , а теплота в количестве Q 5 =(l—φ) Q ПЕ , потеряна газовым потоком вовне через ограждающие газоход стены. Потеря теплоты от наружного охлаждения системы пылеприготовления невелика и в значительной мере компенсируется приходом теплоты, выделяющейся при работе углеразмольных мельниц и мельничных вентиляторов, а поэтому не учитывается. Потеря с физической теплотой удаляемых шлаков Потеря теплоты Q6 характеризуется тем, что удаляемый из топки шлак, имеющий довольно высокую температуру, уносит определенное количество теплоты, которая передается воде, находящейся в шлаковой ванне, и безвозвратно теряется. Расчет относительной потери, %, ведется по формуле q6 = a ШЛ (сt )ШЛ АР QPP , (2.23) где аШЛ=1-aУН — доля шлакоудаления в топочной камере; сшл, tшл— теплоемкость и температура удаляемого шлака. Значение потери q6 существенно зависит от способа удаления шлаков из топки. При организации твердого шлакоудаления доля aшл=0,05÷0,1, а температура шлаков составляет 600—700°С, и при невысокой зольности топлива потеря q6 будет весьма небольшой. Учет этих потерь при твердом шлакоудалении производят только для многозольных топлив. В случае жидкого шлакоудаления температура вытекающего шлака определяется значением температуры плавления tшл=t3+100°С и в среднем составляет tшл=1400÷1600°С, а доля шлакоудаления также возрастает до ашл=0,15÷0,3 в однокамерных топках и достигает 0,5—0,7 в топках с циклонными предтопками. В этом случае потеря q6 становится заметной (q6=0,54÷1,5%) и ее учитывают обязательно. При увязке теплового баланса котла, полученного прямым и обратным методами , иногда вводят понятие «прочие потери». К ним относят небольшие и трудно-учитываемые на котлах потери теплоты, например охлаждение шлаковых леток в топках, нагрев технической воды в системе гидроуплотнения нижней части топки, периодическое использование насыщенного пара из барабана котла для работы эжекторов и т.п. В котлах большой мощности доля таких потерь незначительна и ее часто не учитывают. Размер этих потерь оценивают в процессе проведения испытаний котла (см. рис. 2.2). 2.3 Выбор оптимального избытка воздуха в топочной камере. Из анализа тепловых потерь следует, что значение 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, обеспечивающего минимум суммарных потерь. При этом потери q2 относят к αT, поскольку присосы по газоходам известны. При сжигании газа и мазута определяющими экономичность котла являются потери q2+q5, а в случае сжигания твердого топлива — q2+q4+q5. Поскольку αт>αкр, потери q3 в условиях нормальной эксплуатации незначительны при сжигании любого вида топлива. Рис. 2.8. Определение оптимального избытка воздуха в топке по минимуму тепловых потерь На рис. 2.8 показан пример определения оптимального избытка воздуха в топке на основании балансовых испытаний котла, проводимых для определения экономичности и других эксплуатационных характеристик котла. Как видно, оптимальный избыток воздуха получается несколько выше αКР. 2.4. Эксергетический баланс котла Для оценки эффективности теплотехнических процессов, в том числе и в котлах, все большее применение находят методы, основанные на совместном использовании первого и второго законов термодинамики. Это связано с тем, что обычно применяемая система КПД, базирующаяся на первом законе термодинамики, в соответствии с уравнением теплового баланса учитывает лишь количество теплоты и не рассматривает ее качество. Однако при оценке целесообразности и эффективности использования теплоносителя весьма существен и учет его качества. Действительно, одинаковая энтальпия продуктов сгорания, например Q=Vrcrtr=1000 МВт, может быть получена при температуре газов 50°С и при температуре 1000°С, следовательно, при различных количествах газов. Однако ясно, что для практического использования газы, имеющие более высокую температуру, обладают большей ценностью, чем низкотемпературные, несмотря на значительно большее количество последних. По этой же причине окружающая нас среда, обладающая неисчерпаемыми запасами низкопотенциальной теплоты, не имеет практической ценности. Для термодинамической оценки эффективности котла применим метод эксергетических балансов. Под эксергией, как известно, понимают максимальную работу, которая может быть совершена при обратимом переходе какой-либо термодинамической системы из состояния с заданными параметрами в состояние равновесия с окружающей средой. Работоспособность (эксергия) теплоты Q, МВт, при температуре Т, К, может быть определена из соотношения, справедливого для обратимого цикла Карно: где Т0 — абсолютная температура окружающей среды. Коэффициент (1—То/Т) учитывает качество теплоты при температуре окружающей среды Т0. При температуре теплоносителя =Т0 эксергия ее равна нулю. Чем выше температура теплоносителя Т, тем больше эксергия, тем больше ценность этой теплоты. Эксергия потока Ем, МВт, при условии, что кинетической и потенциальной энергией можно пренебречь, определяется по формуле где Н и Н0 — энтальпии потока и окружающей среды; S—So — изменение энтропии горячего источника, равное приросту энтропии окружающей среды. Эксергетический КПД, %, представляет собой отношение полезно усвоенной эксергии к эксергии затраченной и определяется по формуле Эксергетнческий баланс применительно к котлу дает возможность не только оценить качество полезно затраченной теплоты и всех потерь, найденных из теплового баланса, но и выявить потери, которые в тепловом балансе вообще не находят отражения. Такими потерями, в частности, являются потери из-за необратимости горения топлива, из-за необратимости теплообмена, при смешении. Потери эксергии вследствие необратимости процесса горения топлива, МВт, можно определить, исходя из равенства где Етоп=еВ; Ев; Епс — соответственно эксергии топлива (химическая и физическая), воздуха и продуктов сгорания. Удельная эксергня топлива е близка по значению к теплоте сгорания топлива, e~Qрн, МДж/кг (или МДж/м'). Эксергия продуктов сгорания определяется для адиабатной температуры. При подогреве воздуха, идущего для горения топлива, потери эксергии от необратимости горения уменьшаются. Это объясняется большим повышением эксергии продуктов сгорания Епс (вследствие повышения температуры горения) по сравнению с повышением эксергии горячего воздуха Ев. Потери эксергии от необратимого теплообмена, МВт, можно определить по формуле где Е1 и Е2 — эксергии греющего потока теплоносителя на входе и на выходе рассматриваемого участка; Е4 и Ез— эксергия нагреваемого потока на выходе и на входе рассматриваемого участка; Eн.опот = Qh.o(1—То/Тср) — потери эксергии рассматриваемым участком от наружного охлаждения. Потери эксергии от смешения потоков с различной температурой (Г1, и Т2), МВт, что имеет место, например, при подсосе воздуха в котел, можно определить по формуле где Ет1 Ет2 — эксергии смешивающихся потоков; Есм — эксергия потока после смешения.
