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 ΄ _р_m_В= 1,297 кДж/ (м³∙ К); средняя объемная теплоемкость уходящих газов при постоянном давлении с ΄ _р_m _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 ΄ _р_m _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 ΄ _р_m _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.