Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы. Глава 4. Тепловой и материальный баланс котельной установки (В. Р. Котлер, 2008)

Котельная установка сконструирована и работает в строгом соответствии с законом сохранения энергии. Это значит, что тепловая энергия, полученная в топке в результате сгорания органического топлива, расходуется на нагревание и превращение воды в пар, а также на перегрев этого пара до заданной температуры. Некоторая часть тепловой энергии при этом теряется в окружающую среду, с уходящими газами, с физическим теплом золы и шлака. Присутствует среди потерь и несгоревшая часть топлива – химический и механический недожог (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема основных тепловых потоков котла

4.1. Газовоздушный тракт

Для превращения химической энергии органического топлива в тепловую, в топочную камеру котла подаются топливо и окислитель, а из котла удаляются продукты сгорания. Конструкторы котла и эксплуатационный персонал (каждый – в зоне своей компетенции) стараются обеспечить максимально полное сгорание топлива, минимальные потери в окружающую среду и максимальную степень охлаждения продуктов сгорания, покидающих котельную установку. Всё это вместе приводит к повышению коэффициента полезного действия – КПД (брутто).

Приходная часть материального баланса котла — это топливо (В, кг/с) и окислитель (L_B, кг/с), в качестве которого используется организованно подаваемый в топку горячий воздух. Кроме того, в негазоплотных котлах, работающих под разрежением, в топку и конвективные газоходы подсасывается некоторое количество воздуха (ΔL_т и ΔL_к, кг/с). При этом подсосанный в конвективный газоход воздух в процессе горения не участвует, то есть является полностью балластным.

Расходная часть материального баланса — газообразные продукты сгорания, покидающие котел, и твердые очаговые остатки – золошлаки (последние – только при сжигании твердого топлива). При этом шлак удаляется через холодную воронку или через летку (в топках с жидким шлакоудалением), а зола уноса улавливается в электрофильтрах или других золоуловителях (за исключением небольшой части, уносимой газообразными продуктами сгорания через дымовую трубу).

Таким образом, уравнение материального баланса по газовоздушному тракту можно записать в таком виде:

B + L_B + ΔL = L_r + ΣG_з/ш. (4.1)

В случае сжигания жидкого или газообразного топлива в этом уравнении последний член отсутствует.

Расход топлива В определяется мощностью (паропроизводительностью) котельного агрегата, а необходимый расход окислителя (кислорода) можно подсчитать по содержанию в топливе горючих компонентов – углерода С, водорода Н и серы S.

Так, например, количество кислорода, необходимое для полного сгорания углерода, легко определить, зная молекулярные массы углерода (12), кислорода (32) и плотность кислорода при 20 °С и 101,3 кПа (1,428 кг/м³):

(4.2)

Точно так же можно подсчитать количество необходимого кислорода для полного сгорания водорода (5,56 м³/кг) и серы (0,7 м³/кг). После этого легко определить теоретически необходимый расход кислорода для полного сгорания твердого и жидкого топлива (с учетом кислорода О^r, который имеется в сжигаемом топливе):

. (4.3)

Если учесть, что содержание кислорода в воздухе (по объему) составляет приблизительно 21 %, то для определения теоретического количества сухого воздуха V_B^O (м³/кг), необходимого для полного сгорания твердого и жидкого топлива (то есть при α = 1,0), можно записать:

V_B^O = 0,0889 (С^r + 0,375S^r_O+K) + 0,265Н^r − 0,ЗЗЗО^r. (4.4)

Аналогичный расчет для случая, когда в котле сжигается газообразное топливо, позволяет определить теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м³ газа (V_B^Oм³/м³) с известным химическим составом:

V_B^O = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н₂ + 1,5H₂S + 2(m + n/4)С_mН_n−O₂]. (4.5)

Скорость горения, как и скорость других химических реакций, зависит, в частности, от концентрации реагирующих веществ. Поэтому теоретически необходимого количества воздуха оказывается недостаточно для полного сгорания топлива: на последней стадии горения скорость реакций станет недопустимо малой – топливо не успеет сгореть в зоне высоких температур. Именно поэтому в топку подают количество воздуха, превышающее теоретически необходимое. Отношение первого ко второму называют коэффициентом избытка воздуха и традиционно обозначают первой буквой греческого алфавита – α. Следовательно,

α = V_B / V_B^O, (4.6)

где V_B и V_B^O – фактический и теоретически необходимый расходы воздуха (м³/кг или м³/м³).

В некоторых странах используют не «коэффициент» (отношение), а «избыток» воздуха в процентах, то есть 100 (V_B − V_B^O) / V_B^O. Понятно, что α = 1,15, например, соответствует избытку воздуха 15 %, α = 1,2–20 %, и т. д.

После завершения топочного процесса в котле образуются продукты сгорания, состав и количество которых имеют большое значение как для процессов теплообмена и аэродинамики в конвективных поверхностях нагрева, так и для анализа проблемы загрязнения атмосферного воздуха.

Если пренебречь ничтожно малым объемом монооксида углерода V_co, то можно считать, что газообразные продукты сгорания – это трехатомные газы: (V_co2+ V_so2), азот V_N2 и водяные пары V_H2O. Объем трехатомных газов V_RO2 (м³/кг) удобно выразить в виде одного члена:

. (4.7)

Объем азота при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха будет равен сумме азота воздуха и молекулярного азота, образовавшегося из азотсодержащих компонентов топлива:

. (4.8)

Объем водяных паров в продуктах сгорания складывается из нескольких составляющих: водяного пара, образовавшегося при сгорании водорода топлива, испарившейся влаги топлива и, наконец, влаги, внесенной в топку вместе с теоретически необходимым количеством воздуха:

. (4.9)

В этом уравнении принято, что влагосодержание воздуха α_в = 10 г/кг. В тех случаях, когда в котле сжигается мазут с использованием форсунок парового распыливания, необходимо добавить еще один член – 1,24 G_Ф, где G_Ф – расход пара, кг/кг.

Объем водяных паров при фактическом расходе воздуха (α>1) будет несколько больше за счет водяных паров, содержащихся в дополнительном воздухе (α−1):

. (4.10)

Таким образом, окончательное выражение для подсчета объема продуктов сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива К (м³/кг) имеет вид:

. (4.11)

При сжигании газообразного топлива теоретический объем азота, как и в случае с углем, состоит из азота воздуха и молекулярного азота, присутствующего в топливе:

. (4.12)

Объем трехатомных газов V_RO2 (м³/м³) при сжигании газа равен:

. (4.13)

Теоретический объем водяных паров также рассчитывается по формуле, отличающейся от аналогичной зависимости для угля:

. (4.14)

Здесь d_г.тл – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³. Теперь, для определения объема водяных паров и общего объема дымовых газов при сжигании газообразного топлива с α>1,0 можно воспользоваться уравнениями (4.10) и (4.11).

В некоторых случаях требуется определить плотность сухого газа ρ^d_г.тл (кг/м³). Зная состав газа, легко рассчитать ρ^d_г.тл при нормальных условиях:

ρ^d_г.тл = 0,01[1,96CO₂ + 1,52H₂S + 1,25N₂ + 1,43О₂+ 1,25СО + 0,0899Н₂ + Σ(0,536m + 0,045n)С_mН_n]. (4.15)

После этого можно определить массу дымовых газов (кг/м³) при сжигании природного газа:

. (4.16)

При сжигании твердого топлива масса продуктов сгорания (кг/кг) рассчитывается по другой формуле:

. (4.17)

4.2. Пароводяной тракт

Материальный баланс нагреваемой среды в паровом котле достаточно прост: поступает в котел питательная вода при температуре, определяемой системой подогрева с использованием низкопотенциальной теплоты из отборов паровой турбины. Выдает котельная установка на ТЭС перегретый пар, используемый для производства электрической энергии.

На промышленных предприятиях чаще можно встретить котлы, вырабатывающие насыщенный пар для технологических нужд или систем отопления.

Кроме пара, в расходную часть материального баланса (только на барабанных котлах) должна быть включена продувка, то есть котловая вода, удаляемая из барабана с загрязняющими примесями. Таким образом, уравнение материального баланса для пароводяного (точнее – для водопарового) тракта имеет простой вид:

D_пв = D_о + D_пр. (4.18)

Здесь D_пв – расход питательной воды, кг/с; D_o – свежий пар, кг/с и D_пр – котловая вода продувки, кг/с.

На котлах, которыми оборудуют энергоблоки с промежуточным перегревом, появляется еще один контур. В таких котлах расходы пара промперегрева на входе и выходе примерно равны между собой: D'_пп = D''_пп.

4.3. Баланс теплоты котельной установки

Если известен материальный баланс котла, можно составить и тепловой баланс. При этом следует учитывать, что процессы по газовоздушному тракту котла протекают при практически постоянном давлении, а количество тепла, отданное газами (Q, МДж/кг), равно разности теплосодержания продуктов сгорания в топке и на выходе из котла, то есть

Q = I' − I'', (4.19)

где I – энтальпия газа, МДж/кг.

Энтальпия газа при постоянном давлении является произведением его объема при нормальных условиях (на 1 кг топлива) на объемную теплоемкость [МДж/(м³·град)] и температуру (°С).

В каждом сечении газохода, кроме газообразных продуктов сгорания, имеются еще избыточный воздух и зола (при сжигании твердого топлива). Поэтому энтальпию продуктов сгорания в расчете на 1 кг твердого, жидкого или 1 м³ газообразного топлива в любом сечении необходимо рассчитывать по формуле:

I = I^o_r + (α−1)I^o_B + I₃, (4.20)

где

;

I^o = V^o(ct_B);

Здесь произведение (сϑ)_i – это теплоемкость и температура, соответственно, трехатомных газов, азота, водяных паров, воздуха и золы, а V_i – соответствующие объемы в расчете на 1 кг (или на 1 м³) сжигаемого топлива. В случае золовых частиц их масса оценивается по зольности исходного топлива (А^r, %) и доле золы, уносимой в газоходы продуктами сгорания (а_ун).

Средние значения энтальпии продуктов полного сгорания топлива, а также воздуха и золы твердых топлив приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Энтальпии 1 м³ газов, влажного воздуха и золы

* Ввиду незначительного содержания в топочных газах оксидов серы вместо энтальпии трехатомных газов RО₂ можно использовать значения энтальпии для СО₂

В случае, если из газохода котельного агрегата (или за котлом) отбирается часть дымовых газов (r_p), и эти газы подаются в топочную камеру, то энтальпия продуктов сгорания (I_r МДж/кг) на всем тракте от места ввода до места отбора газов рециркуляции определяется по следующей формуле:

I_гr = I_r + r_p·I_готб. (4.21)

Здесь I_готб – энтальпия газов перед смешением и за местом отбора, МДж/кг, а r_p – коэффициент рециркуляции.

На рис. 4.2 приведена I-ϑ-диаграмма, показывающая качественную зависимость между энтальпией продуктов сгорания (I, МДж/кг) и температурой (ϑ, °С). Видно, что энтальпия теоретически необходимого количества воздуха однозначно определяется температурой ϑ. То же самое можно сказать и об энтальпии дымовых газов при стехиометрическом сжигании топлива I^o_r. А вот энтальпия продуктов сгорания при фактическом избытке воздуха (ломаная кривая на рис. 4.2) зависит еще и от коэффициента избытка воздуха, усредненного для зоны расположения той или иной поверхности нагрева.

Конец ознакомительного фрагмента.