KОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

KОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
3.1 Классификация котлов
Часть котла, где происходит горение топлива, называется топкой. При горении
топлива в топк котла высвобождается тепло, которое передается от продуктов
сгорания (газов горения) через металлтческие поверхности нагрева воде. Топки
разделяются на камерные и слоевые.
В камерных топках сжигают газообразные, жидкие и твердые (пелеты или
гранулы) топлива. Горение проходит в объеме топки. Тесно связана с камерной
топкой горелка. Наиболее простая классификация горелок по виду сжигаемого
топлива: газовые, горелки жидкого топлива, горелки твердого топлива (для пелет
или гранул).
Рис.3.1 Газовая горелка. 1- корпус горелки, 2 – привод горелки и вентлятор, 3 –
запальник, 4 – контролирующая автоматика горелки, 5 – головка горелки, 6регалятор подачи воздуха, 7 – установочные фланцы.
Малые котлы, работающие на твердом топливе, в большинстве имеют слоевые или
с колосниковой решеткой топки.
Котлы со слоевыми топками можно разделить на следующие основные типы:
- котлы с верхним горением (рис. 3-3а)
- котлы с нижним горением ( рис. 3- 3в)
- котлы с поворотным пламенем и т.д.
Рис. 3.2 Мазутная горелка жидкого топлива. 1 – корпус горелки, 2 – регулятор
воздуха, 3 – вентилятор горелки, 4 – привод горелки, 5 – топливный насос, 6 –
головка горелки, 7 – установочный стержень для сопел, 8 – сопла, 9 – контрольная
автоматика горелки, 10 – запальник.
Рис. 3.3 а – котел с верхним горением, в – котел с нижним горением ( 1 –
первичный воздух, 2 – вторичный воздух, 3 – газы горения)
Топка котла с верхним горением – традиционная, предназначенная для сжигания
топлив с низким содержанием летучих. Термическое разложение топлива и
горение образовавшихся летучих и кокса происходит в самом объеме камерной
топки. Большая часть выделяющегося тепла передается стенам топки излучением.
При сжигании топлива с высоким содержанием летучих (древесина, торф) в
объеме топки оставляют место, достаточное для горения летучих, куда подается
вторичный воздух.
Котел с нижним горением имеет шахту для топлива, откуда постоянно подается
на решетку топливо взамен сгоревшего. Двигаясь в шахте, топливо сушится и
подогревается. В горении участвует определенная часть топлива, бОльшая часть
топлива, находящегося на решетке термически не обрабатывается и сохраняет
первоначальное содержание летучих. Непосредственно вблизи решетки топливо
газифицируется, образовавшиеся летучие догорают в отдельно расположенной
камере сгорания, куда и подается вторичный воздух, чтобы обеспечить достаточно
высокую температуру горения. Одна из стенок камеры догорания обычно делается
керамической.
При усовершенствовании котла с поворотным пламенем и нижним горением
разработан котел с поворотным горением (рис.3.4а), в котором используется
стабилизирующая процесс горения керамическая решетка. Вследствие очень
хороших условий горения у этого котла камера догорания имеет меньший объем
по сравнению с котлом с нижним горением.
Отдельным типом котла можно считать котел с двумя раздельными камерами
сгорания ( топками) – котел-универсал ( рис. 3.4b). В меняющихся условиях
топливоснабжения и цен на топливо такой котел очень удобен, поскольку в нём
можно сжигать как жидкие топлива, дрова, древесные отходы, торф,
брикетированный торф, древесные пелеты (гранулы), так и каменный уголь и т.д..
В котле, как уже сказано, две независимые друг от друга топки: топка с верхним
горением твердого топлива и топка для сжигания жидкого топлива, на фронт
которой устанавливается горелка жидкого топлива. Котел расчитан на
одновременное использование двух видов топлива. Сжигая твердое топливо,
следует топливо добавлять чаще, чем, например, в случае топки с нижним
горением, которая снабжена шахтой топлива. Горелка жидкого топлива включается
автоматически в случае, если твердое топливо сгорело и температура воды в котле
опустилась ниже допустимого.
Обычно у этих котлов теплообменник горячей воды из спиралевидных труб и есть
возможность установки электрических нагревателей. Таким образом, котел может
быть электрическим, его можно топить твердым и жидким топливом и с этим
котлом нет необходимости в отдельном бойлере горячего водоснабжения.
Рис. 3.4 а – котел с поворотным пламенем, b – котел-универсал с двумя топчными
камерами ( 1 – первичный воздух, 2 –вторичный воздух, 3 – газы горения).
3.2 Показатели эффективности топок
Топка – часть котельной установки, где происходит горение топлива.
Тепло, высвобождающееся при горении топлива, продуктами горения передается
воде через поверхности нагрева. Поверхности нагрева производят обычно
металлическими или чугунными. Теплообмен между внутренней и внешней
средами, разделенными поверхностью нагрева, происходит путем излучения,
конвекции, теплопроводности. Тепло продуктов горения передается на внешнюю
поверхность излучением и конвекцией. В топках доля излучения составляет более
90%. Через материал поверхности нагрева (металл), а также отложения на внешней
поверхности нагрева и накипи на внутренней поверхности нагрева передается
тепло теплопроводностью.
Для характеристики работы топок пользуются различными показателями:
Тепловая мощность топки – количество теплоты, которое выделяется при
горении топлива в единицу времени, kW
Qkolle – тепловая мощность топки, kW
B – расход топлива, kg/s
Qat – низшая теплота сгорания kJ/kg
Форсирование топки – количество теплоты, которое выделяется за единицу
времени на единицу поверхности поперечного сечения топки, kW/m2
где А – площадь поперечного сечения топки, m2.
Удельная объемная мощность топки – количество теплоты, которое выделяется
на единицу объема топки, kW/m3.
где V – объем топки, m3.
Удельная тепловая мощность решетки (слоевой) топки – количество теплоты,
которое выделяется с поверхности решетки в единицу времени.
R – площадь поверхности решетки, m2
V – объем топочной камеры, m3
К.п.д. котла по прямому балансу находится отношением полезно используемого
тепла Qkas к количеству тепла, поданного в в топку:
где G – расход воды через котел,
h1 – энтальпия воды на входе в котел
h2 – энтальпия воды на выходе из котла
К.п.д. котла ( брутто- к.п.д. не учитывает расход энергии на собственные нужды)
по косвенному балансу:
где q2 – потери тепла с уходящими газами;
q3 – потери тепла от хим. недожега;
q4 – потери тепла от мех. недожега;
q5 – потери тепла от выстывания котла;
q6 – потери тепла с физическим теплом шлака.
Для того, чтобы найти нетто-к.п.д. котла нужно cнять расход количества теплоты
qsot и электрической энергии qeot на собственные нужды:
Обычно расход на собственные нужды (на работу воздуходувки, насосы и т.д.) для
газовых и на жидком топливе котлов составляет не более 0,3... 1%. Чем мощнее
котел, тем меньше процент.
К.п.д. котла на номинальной нагрузке отличается от к.п.д. котла на частичной
нагрузке. При уменьшении нагрузки котла ниже номинальной в определенном
количестве снижаются потери тепла с уходящими газами и от хим. недожега.
Потери от выстывания остаются прежними и их процентная доля значительно
возрастает. И это является причиной, почему при снижении нагрузки котла
уменьшается и к.п.д. котла.
Отдельным вопросом являются потери котла при периодической работе,
которые в общем случае вызваны следующими причинами:
- потери от наружного выстывания;
- потери от внутреннего выстывания, которые вызваны неплотностью шиберов,
задвижек;
- потери с растопкой котла, т.к. эти условия значительно хуже нормальных
теплотехнических условий;
- потери тепла при останове котла, что связано с тем, что пламя в топке гаснет.
Расчет этих потерь практически не возможен. Потери тепла при периодической
работе можно определить только опытным путем.
3.3. Уравнение теплового баланса
Тепловой баланс котельной установки показывает, как распределяется тепло,
входящее в котельную установку. На основе теплового баланса определяется к.п.д.
котельной установки. При эксплуатации составляют тепловой баланс на основании
опытных данных, при проектировании же исходят из соответствующей методики
расчета.
Тепловой баланс обычно составляют на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого
топлива или 1м3 газообразного топлива.
В топку подаваемое тепло в объемных или массовых единицах называют
используемым теплом и обозначают Qtk .
При сжигании твердого и жидкого топлива:
При горении газов :
где Qta – нижняя теплота сгорания топлива;
Qv.õ. – тепло подаваемого в топку котла воздуха, который подогрет вне котла;
Qk.f. – физическая теплота топлива;
Qp – теплота пара, который используется для расспыления топлива в топке или
подается под топочную решетку;
Qka – теплота сгорания газового топлива.
При сжигании сланца используемое тепло топлива вычисляется по формуле:
Где ΔQka означает теплоту эндотермического эффекта, обусловленного неполным
разложением карбонатов:
При полном разложении kCO2 = 1 и ΔQka = 0
Тепло Qtk , подаваемое в в котельную установку, разделяется на полезно
используемое Q1 и тепловые потери:
Q2 – с уходящими газами;
Q3 – от химического недожега;
Q4 – от механического недожега;
Q5 – от выстывания котла;
Q6 – с физическим теплом шлака.
Приравняв между собой используемое тепло топлива Qtk
получим:
c затратами тепла,
Это выражение называется уравнением теплового баланса котельной установки.
Уравнение теплового баланса в процентном выражении:
где
и т.д..
3.4 Тепловые потери котла
3.4.1 Теплове потери с уходящими из котла газами
где Hv.g. – энтальпия уходящего газа из котла в kJ/kg или kJ/m3 ( сжигаемого
топлива 1 kg или 1 m3)
αv.g – коэффициент избытка воздуха
H0k.õ – энтальпия воздуха, необходимого для сжигания 1 kg или 1 m3 топлива (до
воздухоподогревателя) в kJ/kg или kJ/m3.
где Vi – объемы компонентов (VRO2 , VN2 , VO2 ,VH2O) уходящих газов на единицу
массы или объема топлива m3/ kg , m3/ m3
c’i – изобарная объемная теплоемкость соответствующего газового компонента
kJ/m3∙К
θv.g - температура уходящих из котла газов.
На величину теплопотери q2 значительное влияние оказывает как температура
уходящих газов θv.g , так и коэффициент избытка воздуха αv.g.
Температура уходящих газов увеличивается из-за загрязнения поверхностей
нагрева, коэффициент избытка воздуха работающего под разряжением котла –
из-за увеличения неплотностей. Обычно теплопотеря q2 составляет 3...10 %, но
вследствие выше перечисленных факторов может увеличиться.
Для практического определения q2 при теплотехнических испытаниях котла
следует определить температуру уходящих газов и коэффициент избытка воздуха.
Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить процентное
содержание RO2 , O2 , СО в уходящих газах.
Содержание газовых компонентов определяют в сухом газе.
3.4.2 Тепловые потери
(хим.недожега)
от
химически
неполного
сгорания
топлива
Потери с хим.недожегом обусловлены тем, что часть горючего вещества топлива
остается в топке неиспользованным и выходит из котла в виде газовых
компонентов ( СО, Н2, СН4, СН...). Полное сгорание этих горючих газов
практически невозможно из-за низких температур за топкой. Основные причины
хим.недожега следующие:
- недостаточное количество воздуха, полаваемого в топку,
- плохое смешивание воздуха с топливом,
- малый объем топки, что определяет время нахождения топлива в топке, которого
не хватает для полного сгорания топлива,
- низкая температура в топке, которая снижает скорость горения;
- слишком высокая температура в топке, которая может привести к диссоциации
продуктов горения.
При правильном объеме воздуха и хорошем смешивании q3 зависит от удельной
объемной мощности топки. Оптимальная объемная мощность топки, где q3
минимальная зависит от сжигаемого топлива, технологии сжигания и конструкции
топки. Теплопотеря от хим.недожега составляет 0...2% при удельной объемной
мощности qv = 0,1 ... 0,3 MW/m3. В топках, где происходит интенсивное горение
топлива qv = 3... 10 MW/m3, теплопотеря от хим.недожега отсутствует.
3.4.3 Потери тепла от механического неполного сгорания ( от мех.недожега)
Теплопотери от мех.недожега q4 обусловлены содержанием горючего вещества
топлива в выходящих из котла твердых остатках горения. Часть твердого горючего
вещества , которая содержит углерод, водород и серу, уходит вместе с уходящими
газами в верхней части топки в виде 1.летучей золы, часть твердых горючих
остатков удаляются с решетки или из-под решетки вместе 2. со шлаком; может
иметь место частичное 3. проваливание топлива через ячеки решетки.
При сжигании жидкого и газового топлива потери от мех.недожега отсутствуют, за
исключением тех случаев, когда образуется сажа, которая выносится из котла
вместе с уходящими газами горения.
Потери от мех.недожега можно вычислить по формуле:
где αr, αv, αlt - удельные количества твердого горючего остатка, который удален с
решетки (αr), или из-под решетки как провалившегося сквозь неё (αv), или
ушедшего из котла вместе с горючими газами в виде летучей золы (αlt).
Рr, Рv , Рlt – процентное % содержание горючего вещества в трех горючих остатках.
Qtk – используемое тепло kJ/kg;
At – золосодержание товарного топлива, %
3.4.4 Тепловые потери от внешнего выстывания котла
Тепловые потери от внешнего выстывания котла обусловлены проникновением
тепла через обмуровку и тепловую изоляцию. Тепловые потери q5 зависят от
толщины обмуровки и толщины тепловой изоляции деталей котельной установки.
В случае больших ( мощных) котлов поверхность котла в сравнении с объемом
меньше и q5 не превышают 2 %.
Для котлов мощностью менее 1 МW потери от выстывания определяют опытным
путем. Для этого наружную поверхность котла разделяют на части меньшей
площадью Fi , по середине которой измеряется тепловой поток qi W/m2.
Рис. 13.5. Зависимость внешнего
паропроизводительности котла.
выстывания
поверхности
котла
от
При отсутствии тепломера по середине каждой части поверхности котла замеряют
температуру поверхности и теплопотери вычисляют по формуле:
где α – средний коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности котла в
окружающую среду (воздух) W/m2∙К
Δt = tF – tõ
– средний перепад температур между поверхностью котла и средней
температурой воздуха.
А – площадь внешней поверхности котла, состоящая из n частей площадью Fi m2.
3.4.5 Теплопотери с физическим теплом шлака
где αr – относительное количество удаляемого шлака из топки котла
tr – температура шлака 0С
cr – удельная теплоемкость шлака kJ/ kg∙K
At – золосодержание в товарном топливе %.
3.5
Горелки твердого топлива
Во многих странах проводят испытания оборудования котлов на твердом топливе с
целью автоматицации его работы. Если в качестве топлива используют древесную
крошку, то наиболее распростаненная горелка для такого топлива – стокер-горелка.
Рис. 3.6 STOKER – горелка.
Для сжигания гранулированного топлива (пелет) используют специальную горелку
EcoTec.
Рис.3.7 Гоерелка EcoTec для сжигания пелет.
С ущест в ую т дв а ос н овн ых т и п а п еллет н ых к от лов, п ервое эт о к от л ы
со сп ец и аль н ыми п еллет н ыми горелк ами (к ак вн ешни ми , т ак и
вн ут р ен н и ми ) и второе - более п рост ые модели , п ереде лан н ые, к ак
п рави ло, из опи лочн о -щеп очн ых к от лов, в к от орых горелк а т ак
п ред мет от с ут ст в ует , а сжи ган и е п еллет п рои сх оди т в т оп очн ой
армат уре. Перв ый т и п п еллет н ых кот лов, в свою о че редь , можн о
раз д ели т ь н а две п одгр уп п ы: в ст роен н ые п еллет н ые горелк и и
п ел л ет н ые горелки , к от орые можн о демон т и роват ь и п еревест и
к от ёл н а др угой ви д т оп ли ва ( уголь , д рова).
Итак,
сначала
давайте
проясним,
о
чём
идёт
речь.
К первой группе относятся следующие решения на российском рынке котёл Junkers
+ горелка EcoTec, и прочее. Конструктивно данное решение представляет из себя
твердотопливный котёл с установленной в него пеллетной горелкой.
Ко второй группе относятся Фачи и его восточно европейские клоны, Бенеков, и др
Итак, большая разница, как мы видим, в наличии специализированной горелки и
некоторая минорная в системе подачи пеллет. Конкретней это выглядит
следующим образом:
Чем отличается пеллетная горелка от топочной арматуры
Во-первых, пеллеты на пеллетной горелке горят лучше, чем на топочной арматуре,
всё дело в том, что на специализированной пеллетной горелке установлены
датчики, влияющие на сжигание пеллет (например, датчик температуры,
оптический датчик пламени) и дополнительные активные механизмы
(ворошитель золы, система автоподжига). Усложнение горелки ведёт с одной
стороны к более высокому КПД котла в целом, однако, с другой стороны, расплата
за это - более сложная (а следовательно и дорогая) система управления.
Во-вторых, подача воздуха в специализированной горелке осуществляет
направлено и, как правило, зонально, т.е. существует область подачи первичного
воздуха, есть область подачи вторичного воздуха. В обычной топочной арматуре
этого нет.
Система подачи пеллет
У пеллетных горелок система подачи пеллет «разбита» на две независимые части,
каждый со своим отдельным электромотором – внешний шнек и внутренний
шнек, соединённые как правило легкоплавным шлангом, что является
дополнительной
защитой
(помимо
основных)
от
обратного
огня.
У котлов переделанных из опилочных пеллеты на топочную арматуру подаётся
жестким шнеком.
Из
разницы
в
системе
подачи
вытекают
прочие
отличия:
Бункер – в горелках с жестким шнеком размеры бункера ограничен. хотя возможна
надстройка существующего бункера. В сисемах с пеллтнными горелками возможно
конструирование бункера любого размера.
Образцом пеллетной горелуки объёмного горения может являтся пеллетная
горелка шведской фирмы EcoTec .
1.
2.
3.
4.
5.
6.
труба шнека, опускаемая в бункер
электромотор внешнего шнека
легкоплавкий шланг*
шнек внутреннего бункера
внутренний бункер горелки
(дозатор)
лепестковый клапан*
7.
8.
9.
10.
11.
стенки котла с теплоносителем
воздуховод
шнек подачи пеллет в зону горения
нагнетатель воздуха
зона горения пеллет
Запуск «холодной» пеллетной горелки
фото 1. Вентилятор
При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во
внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига.
Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача
воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим
нормальной работы. При неудачном запуске, в зависимости от алгоритма работы горелки,
возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение
системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при
достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.
При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во
внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига.
Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача
воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим
нормальной работы. При неудачном запуске, в зависимости от алгоритма работы горелки,
возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение
системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при
достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.
Режим нормальной работы пеллетной горелки
После розжига, горелка переходит в режим нормальной работы. Предварительно
установив требуюмую мощность горелки ( например, Вы приобрели горелку
мощностью 25 кВт для отопления 150 кв. метров, в этом случае оптимальным
будет уменьшение мощности горелки до 10-15 кВт) устанавливается
температурный диапазон работы горелки, например, нижняя граница 70 С, а
верхняя 85 С. Алгоритм следующий – при достижении температуры теплоносителя
верхней границы котел останавливается и переходит в режим stand-by, после чего
температура начинает опускаться, затем, при переходе нижней границы, котёл
автоматически запускается. Информация об изменении температуры поступает с
внешнего датчика температуры, установленного в систему отопления (батареи) или
внутреннего датчика котла. Соответственно, чем больше это диапазон, тем более
длительные перерывы могу быть между включением/выключение пеллетного
котла.
Запуск из режим stand-by
Запуск из режима stand-by происходит при пересечении нижней установленной
температурной границы. Основное отличие от процедуры холодного запуска котла,
заключается в том, что в этом случае первоначально включается вентилятор,
который разжигает тлеющие пеллеты. В отдельных случая возможно включение
внутреннего шнека, с целью подачи новых пеллет взамен прогоревших. Система
автоподжига может включаться после нескольких попыток неудачного запуска
(хотя это говорит пожалуй о том, что со времени остановки котла прошёл
значительный период времени и запуск может считаться «холодным»).
Динамическое изменение мощности работы горелки
Под динамическим изменением мощности мы подразумеваем следующую
ситуацию, допустим, как в примере выше, Ваша горелка работает в режиме 75% от
возможной мощности, т.е. этого достаточно для нормального функционирования
системы отопления и обеспечения требуемого комфорта. В случае, например,
зимой, понижения температуры окружающей среды, горелка будет длительней
достигать верхней границы и быстрей опускаться до нижней, однако настроенной
мощности будет хватать для отопления Вашего дома.
Теперь представьте ситуацию, у Вас установлен бойлер для горячей воды, и Вы
решили в самую холодную ночь года принять душ одновременно все, в этом
случае, падение температуры теплоносителя может быть достаточно резким, и
через некоторое время Вы может почувствовать на собственной коже, что Ваш
котёл не «вытягивает» нагрузку, несмотря на то, что трудится в пиковом режиме.
Вот именно для подобных случаев и применяется система динамического
изменения мощности горелки. В этом случае, горелка автоматически увеличит
рабочую мощность до 100%, а при достижении требуемой температуры вернётся
обратно.
Остановка горелки в штатном режиме
После поступления команды от пульта управления или внешнего выключателя (
например GSM modem) отключается внешняя система подачи пеллет, а внутренний
шнек подает оставшиеся пеллеты в зону горения, одновременно вентилятор
начинает подавать воздум с максимальной скоростью, для скорейшего прогорания
оставшихся пеллет. После прохождения заданного периода времени и поступления
сигнала об отсутствие пламени пульт управления отключает горелку. Стоит
отметить, что при выключении горелки возможно продолжение мониторинга
(температуры и пламени для предотвращения возникновения обратного огня) в
течение некоторого времени.
Тонкая настройка пеллетной горелки
При наличии дополнительных датчиков пеллетной горелки возможна тонкая
настройка
её
работы.
В качестве регулируемых параметров изменяется скорость подачи пеллет и объём
подоваемого
воздуха.
В качестве индикаторов используются температурные датчики, лямбда зонд,
датчики
температуры
дымовых
газов,
датчики
давления
и
т.д.
Оптимальные параметры работы пеллетной горелки определяются исходя из
требований клиентов, но, как правило, это наименьший расход топлива.