З а д а ч а.

Составить тепловой баланс котельного агрегата, если имеются следующие данные о его работе.

Топливо – Донецкий каменный уголь марки Г. Состав рабочей массы: С^Р = 55, 2 %; Н^Р = 3, 8 %; N^Р = 1, 0 %; О^Р = 5, 8 %; = 3, 2 %; А^Р = 23 %; W^Р = 8, 0 %.

Паропроизводительность котельного агрегата D _ПП = 35 кг / с. Расход топлива В_Т = 5 кг / с.

Температура топлива на входе в топку t _Т = 16 ⁰С. Температура воздуха в котельной, который подается в топку t _В = 30 ⁰С. Давление перегретого пара р _ПП = 2, 8 МПа, температура перегретого пара t _ПП = 420 ^оС, температура питательной воды t _ПВ = 180 ^оС, величина непрерывной продувки Р = 3, 5 %, температура уходящих газов на выходе из последнего газохода t _ДГ= 200 ^оС. Коэффициент избытка воздуха в топке 1, 4; за газоходами 1, 55.

Теплоемкость: воды – 4, 19 кДж / (кг · К); средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении с ΄ _{рm В} = 1, 297 кДж/ (м³ ∙ К); средняя объемная теплоемкость уходящих газов при постоянном давлении с ΄ _{рm ДГ} = 1, 415 кДж / (м³ ∙ К).

Содержание в уходящих газах: оксида углерода СО = 0, 16 % и трехатомных газов RО₂ = 12 %.

Доля золы: в шлаке a_ПР+ШЛ = 0, 81, в уносе a_УН = 0, 19. Содержание горючих: в шлаке Г_ПР+ШЛ = 20 %, в уносе Г_УН = 10 %.Температура шлака t _ШЛ = 590 ^оС, теплоемкость шлака с_ШЛ = 0, 934 кДж / (кг · К).

Р е ш е н и е:

Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого топлива применительно к установившемуся тепловому режиму котельного агрегата. Уравнение теплового баланса по (9.57) имеет вид:

= Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅ + Q ₆, кДж / кг,

или в процентах от располагаемой теплоты топлива (9.58):

q ₁ + q ₂ + q ₃ + q ₄ + q ₅ + q ₆ = 100%,

где – располагаемая теплота; Q ₁ – теплота, полезно использованная в котлоагрегате на получение пара; Q ₂ – потери теплоты с уходящими газами; Q ₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива; Q ₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива; Q ₅ – потери теплоты в окружающую среду; Q ₆ – потери теплоты с физической теплотой шлака.

Следует отметить, что реальные данные о работе КА получаются путем проведения прямых и косвенных измерений соответствующих величин. Соответственно всегда эти величины определяются с некоторой погрешностью. Это, в свою очередь, приводит к появлению невязки теплового баланса, которая рассчитывается по формуле (9.67):

Δ Q _НЕВ = – (Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅ + Q ₆), кДж / кг.

Располагаемая теплота на 1 кг топлива определяется по формуле (9.15):

= + Q _Т + Q _В, кДж / кг,

где – низшая теплота сгорания рабочей массы твердого топлива, кДж / кг; Q _Т – физическая теплота топлива, т.е. теплота, затраченная на нагрев 1 кг топлива в устройствах, не входящих в состав КА, кДж / кг; Q _В – теплота, вносимая воздухом, кДж / кг.

Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива определяется по выражению (4.4):

= 338 · C^Р + 1025 · H^Р – 108, 5 · (O^Р – ) – 25 · W^Р, кДж / кг,

где C^Р, H^Р, O^Р, , W^Р – содержание элементов в рабочей массе топлива, %.

Тогда = 338 · 55, 2 + 1025 · 3, 8 – 108, 5 · (5, 8 – 3, 2) – 25 · 8 =

= 22070, 5 кДж / кг.

Физическая теплота топлива по формуле (9.10):

Q _Т = · (t _T – 0) = · t _T,

где – теплоемкость рабочей массы топлива, кДж / (кг ∙ К); t _Т – температура топлива на входе в топку, ^оС.

Теплоемкость рабочей массы топлива рассчитывается как теплоемкость смеси сухого топлива и содержащейся в нем влаги:

, кДж / (кг ∙ К),

где , – теплоемкости сухой массы твердого топлива и воды соответственно, кДж / (кг ∙ К); W^Р – влажность рабочей массы топлива, %.

Теплоемкости сухой массы топлива, в зависимости от типа топлива приведены в прил. 11. Так как по условию задачи топливо – каменный угль, то = 0, 962 кДж / (кг ∙ К).

= 1, 22 кДж / (кг ∙ К).

Тогда Q _Т = · t _Т = 1, 22 · 16 = 19, 52 кДж / кг.

В условии задачи не оговаривается, что воздух предварительно нагрет в устройствах, не входящих в КА, тогда в формуле (9.14) Q _В = 0, так как t _В = t _ХВ.

Таким образом, величина располагаемой теплоты рассчитывается по (9.15):

= + Q _Т + Q _В = 22070, 5 + 19, 52 + 0 = 22090, 02 ≈ 22090 кДж / кг.

Теплота, полезно использованная в котельном агрегате рассчитывается по (9.62), т. к. отсутствует отбор насыщенного пара (т.е. D_НП = 0):

, кДж / кг,

где D _ПП – расход перегретого пара, кг / с; В_Т – расход натурального топлива, кг / с; i _ПП, i _ПВ, i _КВ – соответственно энтальпия перегретого пара, питательной и котловой воды, кДж / кг; Р – коэффициент непрерывной продувки, %.

Энтальпию перегретого пара находим по is -диаграмме при давлении перегретого пара р _ПП = 2, 8 МПа и температуре перегретого пара t _ПП = 420 ^оС: i _ПП = 3280 кДж / кг (или по таблицам перегретого пара [19]);

• энтальпию питательной воды находим по таблице насыщенного пара и воды [19] при температуре питательной воды t _ПВ = 180 ^оС: i _ПВ = i ' = 763, 1 кДж / кг;

• энтальпию котловой воды находим по таблице насыщенного пара и воды [19] по давлению в котельном агрегате, т.е. при давлении перегретого пара р _ПП = 2, 8 МПа: i _КВ = i ' = 990, 4 кДж / кг.

= 17681, 94 ≈ 17682 кДж / кг.

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива по (9.39):

1681, 70 ≈ 1682 кДж / кг.

= 7, 61 %.

, откуда = 0, 92.

Это значение будет использовано в дальнейших расчетах.

Потери теплоты с уходящими газами по (9.44) или (9.45):

, кДж / кг,

где V _Г– объем уходящих газов на выходе из последнего газохода котлоагрегата, нм³ / кг;

с ΄ _{рm ДГ} – средняя объемная теплоемкость уходящих газов при постоянном давлении, определяемая по t _ДГ, кДж / (нм³ ∙ К);

t _ДГ – температура уходящих газов на выходе из последнего газохода, ^оС;

– действительный объем воздуха, нм³ / кг;

с ΄ _{рm В} – средняя объемная теплоемкость воздуха, кДж / (нм³ ∙ К);

t _ХВ – начальная температура холодного воздуха, ^оС, принимается в расчете t _ХВ = 30 ^оС [8].

Потери теплоты за счет золы в составе дымовых газов пренебрежительно малы, поэтому в расчете слагаемое не учитывается.

Теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг твердого топлива, определяется по выражению (6.14):

V ^О = 0, 089 · С^Р + 0, 226 · Н^Р + 0, 033 · ( – О^Р), нм³ / кг,

где С^Р, Н^Р, , О^Р – содержание элементов топлива в % на 1 кг рабочей массы топлива, %.

V ^О = 0, 089 · 55, 2 + 0, 226 · 3, 8 + 0, 033 · (3, 2 – 5, 8) = 5, 68 нм³ / кг.

Определение объема продуктов сгорания ― это сумма объемов сухих газов и водяных паров по (6.31):

V _Г = V _СГ + , нм³ / кг.

Объем трехатомных газов согласно (6.43):

=

= 1, 052 (нм³ / кг).

Теоретический объем азота (при α = 1) по формуле (6.52):

=

= 4, 503 (нм³ / кг).

Действительный объем двухатомных газов, включая избыточный кислород по формуле (6.55):

= (α – 1) · V ^О + = (1, 55 – 1) · 5, 69 + 4, 503 = 7, 633 (нм³ / кг).

Действительный объем водяных паров по формуле (6.59):

= =

= 0, 0124 · (9 · 3, 8 + 8) + 0, 0161 · 1, 55 · 5, 69 = 0, 665 (нм³ / кг).

Тогда действительный объем продуктов сгорания:

V _Г = V _СГ + = + + =

= 1, 052 + 7, 633 + 0, 665 = 9, 35 нм³ / кг.

Действительный объем воздуха определяем из выражения (6.3):

= α · V ^O, нм³ / кг,

где α – коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом; V ^О – теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг топлива, нм³ / кг (определен по (6.14)).

Таким образом, = 1, 55 · 5, 69 = 8, 82 нм³ / кг.

= (9, 35 · 1, 415 · 200 + 0 – 8, 82 · 1, 297 · 30)× 0, 92 = 2118, 63 ≈ 2119 кДж / кг.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива определяются содержанием в продуктах горения СО по (9.53):

Q ₃ = , кДж / кг,

где C^Р и – содержание углерода и серы в топливе, %; СО – содержание оксида углерода в уходящих газах, %; RO₂ = СО₂ + SО₂ – содержание трехатомных газов в уходящих продуктах сгорания, %.

Q ₃ = = 175, 88 ≈ 176 кДж / кг.

Потери теплоты в окружающую среду определяются с помощью графика зависимости потери теплоты в окружающую среду от производительности котла, рис. 9.3. При производительности котла D = 35 кг / с определяем q ₅ = 0, 62 %, откуда по (9.58):

= 136, 96 ≈ 137 кДж / кг.

Потери с физической теплотой шлака по (9.56):

= = 102, 66 ≈ 103 кДж / кг.

Составляющие теплового баланса:

q ₁ = = (17682 / 22090) · 100 = 80, 05 %;

q ₂ = = (2119 / 22090) · 100 = 9, 59 %;

q ₃ = = (176 / 22090) · 100 = 0, 80 %;

q ₄ = = (1682 / 22090) · 100 = 7, 61 %;

q ₅ = = (137 / 22090) · 100 = 0, 62 %;

q ₆ = = (103 / 22090) · 100 = 0, 47 %.

Величина невязки определяется по формуле (9.67):

Δ Q _НЕВ = – (Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅ + Q ₆) = 22090 – (17682 +

+ 2119 + 176 + 1682 + 137 + 103) = 22090 – 21899 = 191 кДж / кг.

При этом невязка теплового баланса может быть определена и в % по выражению (9.68):

= = 0, 86 %.

Тепловой баланс в % от располагаемой теплоты топлива для этого случая будет иметь вид:

100 = q ₁ + q ₂ + q ₃ + q ₄ + q ₅ + q ₆ + Δ q _НЕВ =

= 80, 05 + 9, 59 + 0, 80 + 7, 61 + 0, 62 + 0, 47 + 0, 86 = 100 %.