Энергосбережение в котельных установках и парогенераторах. Лекция № 9,10

Основное понятие о котельном агрегате
Основные элементы котельной установки – котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства.
Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.
Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.
Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу.
Вспомогательные элементы (в основном современные КА): водяной экономайзер и воздухоподогреватель, приборы теплового контроля и средства автоматизации.
При сжигании твердого топлива в котельных, имеются системы шлако- и золоудаления для удаления очаговых остатков топлива, а также золоуловители – отделяющие золу из дымовых газов.

Топочная камера (топка), ограничена фронтальной, задней, боковыми стенами, подом и сводом в которой во взвешенном состоянии сжигается органическое топливо и создается наиболее высокая температура продуктов сгорания. Тепловоспринимающие поверхности в виде труб (топочные экраны) расположены на ограждающих камеру стенах из огнеупорных материалов и получают теплоту из газового объема за счет радиации или горящего факела (радиационный теплообмен).
Основные элементы паровых и водогрейных котлов
Пароперегреватели
Получение перегретого пара из сухого насыщенного осуществляется в пароперегревателе.
Горизонтальный газоход
В объеме этого газохода располагаются поверхности пароперегревателя, в которых происходит радиационно - конвективный (на выходе из топки), и конвективный теплообмен между газовыми продуктами сгорания (газами) и рабочей средой внутри труб.
Конвективная шахта
Объем шахты заполнен плотными пакетами поверхностей промежуточного пароперегревателя и экономайзера; Вид теплообмена конвективный.

Водяной экономайзер (ВЭ).
В экономайзере питательная вода перед подачей в котел подогревается дымовыми газами за счет использования теплоты продуктов сгорания топлива. Экономайзеры подразделяют на два типа — некипящие и кипящие.
В некипящих экономайзерах подогрев воды ведут до температуры на
20 °С ниже температуры насыщенного пара в паровом котле.
В кипящих экономайзерах происходит не только подогрев воды, но и частичное (до 15 %) ее испарение.
Барабаны паровых котлов.
-разделение пароводяной смеси, поступающей из подъемных обогреваемых труб, на пар и воду и сбор пара;
-прием питательной воды из водяного экономайзера либо непосредственно из питательной магистрали;
-внутрикотловая обработка воды (термическое и химическое умягчение воды);
-непрерывная продувка;
-осушка пара от капелек котловой воды;
-промывка пара от растворенных в нем солей;
-защита от превышения давления пара.

Воздухоподогреватель
В котельных агрегатах воздухоподогреватель уменьшает потери теплоты с уходящими газами. При использовании подогретого воздуха повышается температура горения топлива, интенсифицируется процесс сжигания, повышается коэффициент полезного действия котельного агрегата. Продукты сгорания после воздухоподогревателя называются уходящими газами, их температура составляет 120…160°С. Дальнейшая утилизация теплоты продуктов сгорания в рамках котельной технологии становится экономически нецелесообразной.
Температура подогрева воздуха выбирается в зависимости от способа сжигания и вида топлива: природный газа и мазут - 200...250 °С, пылеугольное сжигания твердое топливо — 300...420°С.
По принципу действия воздухоподогреватели разделяют на рекуперативные и регенеративные.
Гарнитура котла.
Устройства, позволяющие безопасно обслуживать топочную камеру, газоходы котельного агрегата и газовоздушный тракт. К ней относят: топочные дверцы и лазы в обмуровке; смотровые; лючки для обдувки, взрывной предохранительный клапан; и т.д.

В топочном устройстве котла химическая энергия топлива в процессе горения преобразуется в энтальпию нагретых продуктов сгорания (дымовых газов, водяных паров), от которых передаётся пароводяному теплоносителю путём теплоотдачи к поверхностям нагрева и частично теряется.
Эффективность использования топлива в котельном агрегате определяется в основном темя факторами:
- полнотой процесса сгорания топлива;
глубиной охлаждения продуктов сгорания;
- использованием скрытой теплоты парообразования.

Бóльшая часть располагаемой теплоты, вносимой в котельный агрегат (теплота сгорания топлива, физическая теплота топлива, воздуха, иногда – пара), воспринимается поверхностями нагрева и передается нагреваемому рабочему телу (вода, пар).
Это – полезно использованная теплота Q1 (кДж/кг), за счет которой производятся:
в водогрейном котле
подогрев сетевой воды от t х.в. до t г.в.
в паровом котле
подогрев питательной воды до т-ры насыщения,
испарение воды
и перегрев пара до t пп .

Остальная часть располагаемой теплоты (от 5–7 % в мощных котлоагрегатах, до 15–20 % в котлах малой мощности) теряется вследствие потерь тепла, сопутствующих работе котельного агрегата.
Распределение вносимого в котельный агрегат тепла на полезно используемое и отдельные потери описывется уравнением теплового баланса котельного агрегата.
В общем виде уравнение теплового баланса при установившемся режиме работы записывается следующим образом

Qрр – располагаемое (подводимое) тепло на 1 кг рабочего твердого/жидкого топлива , кДж/кг (или на 1 м3 сухого газообразного топлива, кДж/м3)
Q1 – полезно использованное тепло, кДж/кг (кДж/м3)
Q2 - потери тепла с уходящими газами, кДж/кг (кДж/м3)
Q3 – потери тепла от химической неполноты сгорания топлива, кДж/кг
Q4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, кДж/кг
Q5 – потери тепла от наружного охлаждения котельного агрегата, кДж/кг (кДж/м3)
Q6 – потери с физическим теплом шлаков, кДж/кг.

Уравнение теплового баланса обычно относится к величине располагаемого тепла (нормируется на Qрр ) и выражается в процентах
q1+ q2+q3+q4+q5+q6= 100%
или долях:
q1+ q2+q3+q4+q5+q6= 1
Отношение полезно использованного тепла Q1 к располагаемому Qрр представляет собой коэффициент полезного действия (КПД) брутто котельного агрегата

Коэффициент полезного действия котельного агрегата с учетом расхода электроэнергии и тепла на с.н. называют КПД к.а. нетто:
КПД к.а. брутто не учитывает затраты энергии на собственные нужды (с.н.) котельного агрегата (эл.энергия на привод насосов, вентиляторов, дымососов, размол топлива; тепловая энергия на паровую обдувку поверхностей нагрева и с продувочной водой (на продувку).

Непрерывная продувка
Для предотвращения накопления растворимых солей (в основном натриевых) и шлама в котловой воде из циркуляционного контура непрерывно отводится (продувается) часть воды.
Величина непрерывной продувки, которая зависит от чистоты питательной воды и допустимой концентрации солей в циркуляционном контуре, составляет обычно 0.5–2.0 % от паровой производительности котла (Dп).
Шлам – твердая накипь (в основном СаСО3, может быть MgSiO3 и другие соединения магния, Mg(OH)2 – прикипающий шлам).
Обдувка – удаление золы с поверхностей нагрева струёй пара.

Расчёт КПД котла брутто по прямому балансу требует непосредственного измерения всех величин, характеризующих как подводимое (располагаемое) Qрр, так и полезно используемое Q1 тепло в котельном агрегате.
КПД котла брутто может быть рассчитан по обратному балансу путём вычитания суммарных тепловых потерь из располагаемой теплоты (в относительном виде)

Располагаемая теплота Qрр котельного агрегата может быть представлена следующим уравнением:
Qрр = Qнр +Q в.внеш+ Q тл +Q ф - Qкарб
Qрн - низшая теплота сгорания твердого или жидкого, кДж/кг, и кДж/м3 сухой массы газового топлива,
Q в.внеш - теплота, вносимая в топку воздухом, подогретым вне котла до входа в воздухоподогреватель, кДж/кг или кДж/м3,
Qтл – физическая теплота (энтальпия) топлива, кДж/кг или кДж/м3,
Qф - теплота, вносимая паром, используемым для распыливания мазута, кДж/кг,
Qкарб = 40.6 СО2к – теплота (кДж/кг), расходуемая на разложение карбонатов при сжигании сланцев
(СО2к – содержание диоксида углерода, образующегося при разложении карбонатов, %).

При сжигании высокосернистых мазутов, углей воздух предварительно подогревают вне котла – например, в калориферах
α – коэффициент избытка воздуха.

Физическая теплота топлива
Теплоемкость прир.газа (сухая масса)
= 1,6 кДж/(К.м3)

, кДж/кг,
– удельный расход пара на форсунку, который
обычно принимается равным 0.03–0.05 кг/кг (при номинальной нагрузке котла) и имеет давление
0.3–0.6 МПа и температуру 280–350 оС.
– энтальпия пара, кДж/кг.
2500 кДж/кг – условно принимаемая энтальпия пара, содержащегося в уходящих газах.
Количество теплоты, вносимое с паром, используемым для распыливания мазута

Dп , Dпром , Dпр – паропроизводительность котла, расход пара на промежуточный перегрев и расход котловой воды на продувку, кг/с;
[Дж = Вт∙с]
Полезное тепловосприятие рабочей среды в паровом котле

Gв – расход воды через водогрейный котёл, кг/с
, Дж = Вт∙с
Полезное тепловосприятие рабочей среды в водогрейном котле

где КПД котла брутто по обратному балансу
РАСХОД ТОПЛИВА НА КОТЁЛ

Вследствие механической неполноты сгорания не все топливо, поступающее в топку, полностью сгорает, что приводит к уменьшению количества газов – продуктов сгорания.
Так как расчётные объёмы и энтальпии продуктов сгорания отнесены к 1 кг рабочего топлива, то для учета механического недожога условно полагают, что в топку поступает несколько меньшее количество топлива,
т.е. тепловой расчет производят по расчетному расходу топлива
(Влиянием химической неполноты сгорания пренебрегают).
Расчетный расход твёрдого топлива

Потери теплоты с уходящими газами
В тепловом балансе котельного агрегата наибольшей является потеря теплоты с уходящими газами q2, составляющая 4–8 % располагаемого тепла.
Относительная потеря теплоты с уходящими газами
абсолютная
кДж/кг или кДж/м3
Т.к. воздух, поступающий в котлоагрегат, вносит в топку свою физическую теплоту, потерю тепла с уходящими газами определяют по разности энтальпий продуктов сгорания и холодного воздуха за котлом (30 оС).

Сзл – удельная (массовая) теплоёмкость золы, кДж/(кг.К)

Средняя объемная изобарная теплоемкость
воздуха и продуктов полного сгорания кДж/(м3К)

Энтальпия теоретического объема газов при температуре оС
(кДж/кг или кДж/м3).
Энтальпия действительного объёма продуктов сгорания

Энтальпия теоретически необходимого воздуха
Энтальпия дополнительного объема водяных паров в избыточном воздухе

Энтальпия летучей золы невелика по сравнению с другими составляющими энтальпии газов. Поэтому ее следует учитывать лишь в том случае, когда приведённая величина уноса золы
Энтальпия золы
кДж/кг
– доля золы, уносимой газами из топки.

Реальные объемы дымовых газов меньше расчетных вследствие механической неполноты сгорания топлива. Поэтому разность энтальпий продуктов сгорания и холодного воздуха уменьшается на величину q4.
С повышением температуры уходящих газов потери тепла увеличиваются. При росте температуры уходящих газов на 12-16 0С q2 повышаются примерно на 1 %. Поэтому желательно иметь возможно более низкую температуру дымовых газов, покидающих котельный агрегат.

Однако глубокое охлаждение газов требует увеличения конвективных поверхностей нагрева и гидравлического сопротивления газоходов.
Оптимальные значения температуры уходящих газов для различных топлив устанавливаются на основании технико-экономических расчетов, сравнивающих стоимость дополнительных поверхностей нагрева и увеличение затрат на собственные нужды котельных агрегатов с получаемой экономией топлива.
Обычно для больших энергетических котлов температура уходящих газов 110-150 0 С.

Лекция 5

Лекция 4
Ограничения температуры уходящих газов снизу

Помимо температуры, большое влияние на величину потери тепла с уходящими газами оказывает объем дымовых газов, покидающих котельный агрегат.
Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке, а также присосы холодного воздуха обусловливают повышение объема уходящих газов, удаляемых в атмосферу, и их энтальпии. В результате потери тепла с уходящими газами увеличиваются.
При этом несколько интенсифицируется конвективный теплообмен и возрастает гидродинамическое сопротивление в газоходах котла.

Потери теплоты от химической
неполноты сгорания топлива q3
Процесс сжигания топлива не всегда идет полностью до образования продуктов полного сгорания: СО2, SО2 и Н2О.
Иногда в дымовых газах содержатся и продукты неполного горения: СО, Н2, СН4, тяжелые углеводороды СmНn.

RO2 – концентрация трёхатомных газов в сухих газах (об.%);

При содержании в продуктах сгорания только СО
(кДж/кг ).
Теплота, которая осталась химически связанной в газообразных продуктах неполного окисления смеси, содержащихся в дымовых газах, не используется в котельном агрегате и составляет потерю от химической неполноты сгорания (хим. недожога)
где СО, RO2 – измеренные газоанализатором концентрации оксида углерода и трехатомных газов в сухих газах (об.%).
В КП можно использовать паспортное значение максимальной концентрации выбросов СО для выбранного котла. При этом вместо измеренных (RO2+CO) можно взять значение RO2, рассчитанное для условий полного горения.

, м3/кг
В камерных топках при сжигании всех видов топлив величина q3 обычно не превышает 0.5%.
Объем сухих газов для твердых и жидких топлив
и для газообразных топлив (индекс "т" – компоненты топлива)
, м3/ м3
В общем случае потерю теплоты от химического недожога рассчитывают на основании данных полного газового анализа продуктов сгорания
, кДж/кг
– концентрации продуктов неполного сгорания в сухих газах (об.%)

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива q4
Теплота сгорания углерода, содержащегося в твердых частицах топлива, унесённых дымовыми газами или удаленных из топки вместе со шлаком и провалом, не используется в котельном агрегате и составляет потерю от механической неполноты сгорания топлива.
Механическая неполнота сгорания сопутствует сжиганию также жидких и газообразных топлив. Тяжелые углеводороды, содержащиеся в них, подвергаясь разложению, выделяют значительные количества свободного углерода в виде сажи.
Особенно сильное сажеобразование наблюдается при горении вязких мазутов.
Сажеобразование при сжигании твёрдых топлив иногда относят к потерям от химического недожога q3.

При сжигании твердых топлив в камерных топках величина q4 находится в пределах 0.5—5 %.
Механический недожог жидких и газообразных топлив существенно меньше 0.5% и в расчетах обычно не учитывается.
– содержание горючих в (шлаке + провале) и уносе, %; aшл+пр , аун , %.
32700 кДж/кг – теплота сгорания горючих (углерода) в шлаке, провале и уносе; 327 = 32700/100 (перевод aшл+пр и аун из % в доли единицы).
Для определения доли золы топлива в уносе и содержания в них горючих соединений отбирают пробы летучей золы из дымовых газов.

q3 и q4 для котлов малой мощности

q3 и q4 для паровых котлов большой мощности

Потери теплоты от наружного охлаждения котельного агрегата
Наружные поверхности топки и газоходов, опускные и пароотводящие трубы экранов, коллекторы экранов, пароперегревателей и водяных экономайзеров, барабаны, трубопроводы, воздухопроводы и газопроводы при работе котельного агрегата всегда имеют температуру, более высокую, чем окружающая среда.
За счет конвекции (и частично излучения) происходят потери тепла этими поверхностями в окружающую среду (q5).
Они зависят от размера и температуры его наружной поверхности, качества обмуровки и тепловой изоляции, а также от температуры окружающего воздуха.
Для котла паропроизводительностью 900 т/час потери q5 составляют около 0.2% и уменьшаются с ростом мощности котла.

1 кВт = 3,6 МДж/ч

При определении количества теплоты, переданного продуктами сгорания поверхностям нагрева, учет потери тепла от наружного охлаждения производят путем введения коэффициента сохранения тепла

– теплоемкость и температура (оС) шлака.
В пылеугольных котлах с сухим шлакоудалением температура шлака невелика (600–700 оС), и величина q6 учитывается только для топлив с приведённой зольностью
В топках с жидким шлакоудалением потери тепла с физическим теплом шлаков могут достигать нескольких процентов, так как температура жидкого шлака велика (до 1300–1600 оС)
Потеря с физической теплотой шлака

Интенсификация радиационного теплообмена
- путем увеличения адиабатической температуры горения(за счет снижения избытка воздуха);
- подогрев воздуха;
- увеличение температуры газов;
- очистки экранных труб от загрязнений;
- повышение углового коэффициента х (двухсветный экран).
Интенсификация конвективного теплообмена
- путем повышения скорости теплоносителя (продуктов сгорания) за счет уменьшения диаметра труб или канала для прохода газов;
Увеличение скорости газов лимитируется условиями надежности (золовой износ труб).

1