Расчет потерь теплоты и кпд-брутто котельном агрегате. Определение кпд котла брутто и нетто

Для определения к.п.д. нетто котлоагрегата необходимо подсчитать расход электроэнергии (привод дымосов, дутьевых и мельничных вентиляторов, мельниц, вентиляторов рециркуляции дымовых газов, питателей пыли и сырого угля) и тепла (на обдувку, распыливание мазута, с продувочной водой и на собственные нужды).

Мощность, потребляемая электродвигателем, подсчитывается по замерам силы тока и напряжения, с учётом косинуса 

где I - сила тока, а; V - напряжение, в; Cos  - принимают равным 0,85. Суммарная мощность
, расходуемая электродвигателями всех вспомогательных агрегатов на собственные нужды равна:

где
- мощность, затрачиваемая на привод соответственно дымососов, дутьевых вентиляторов и вентиляторов рециркуляции дымовых газов.

Расход тепла на собственные нужды самого котла могут быть незначительными, тогда общий расход энергии на собственные нужды в % от располагаемого тепла топлива будет составлять:

 сн =
, % (11)

Таким образом, КПД нетто котла равен:

 нетто = бр - сн, % (12)

8 Определение кпд брутто котла методом

обратного баланса.

Определение КПД брутто методом обратного баланса производится косвенным путем и основывается на измерении тепловых потерь парового или водогрейного котла. При этом составление теплового баланса котла заключается в установлении равенства между располагаемым теплом топлива и полезно использованным теплом плюс сумма тепловых потерь.

Уравнение теплового баланса, отнесенное к единице количества топлива, имеет вид:

если располагаемое тепло принято за 100%, то

Отсюда к.п.д. котла по методу обратного баланса находится как разность

где q 1 – полезно использованное тепло, отнесенное к располагаемому теплу и представляющее собой к.п.д. брутто, %; q 2 – потери тепла с уходящими газами, %; q 3 – потери тепла с химической неполнотой сгорания топлива, %; q 4 – потери тепла с механическим недожогом, %; q 5 – потери тепла в окружающую среду с ограждающей поверхности котла, %; q 6 – потери тепла с физическим теплом шлаков, %.

При одинаковой точности замеров, метод обратного баланса обеспечит большую точность в определении к.п.д. по сравнению с методом прямого баланса. По этому метод обратного баланса используется как основной при балансовых испытаниях как паровых, так и водогрейных котлов.

При этом требуются следующие дополнительные измерения:

температуры уходящих газов ( ух, 0 С);

газового анализа уходящих газов (RO 2 = CO 2 + SO 2 ; О 2 , %).

Так как эти величины были определены ранее и занесены в таблицу, то можно продолжать обработку результатов испытания для определения к.п.д. котла методом обратного баланса.

Теплота, выделяемая топливом, не полностью исполь­зуется для нагрева рабочего тела котла. Часть теплоты теряется. Эффективность использования энергии в котле определяет его КПД. Различают КПД брутто и нетто. КПД котла (брутто) назы­вают выраженное в процентах отношение полезно использованной теплоты к количеству располагаемой теплоты вводимого в котел топлива.

Полезно использованная теплота слагается из теплоты нагрева питательной воды до состояния перегретого пара и теплоты допол­нительного нагрева пара промежуточного перегрева. Теплота может быть затрачена на подогрев части рабочего тела, впоследст­вии выводимого из котла (например, продувочная вода). Полное количество полезно использованной (воспринятой рабочим телом) в котле теплоты

Qn - D (І - і"пв) + Dim (І"пп - inn) 4~ Dnp (t"np - in»)»

Где D, D„n и Dnp - расход соответственно свежего пара, пара промежуточного перегрева и продувочной воды, кг/с; і, і„в, inn и /Пр - энтальпия соответственно свежего пара, питательной

2* 35 воды, пара промежуточного перегрева на выходе и входе в котел и продувочной воды, МДж/кг.

Энтальпия рабочего тела і ~ ct, где с - массовая теплоемкость, МДж/(кг-°С). Количество теплоты, поступившее в котел в расчете на единицу массы (или объема для газообразного топлива) исход­ного топлива, называют располагаемой теплотой топлива;

Qp = Qk ~Ь QВ. ВИ + ЇТЛ + Сф ----- Qk>

Где QB. вн - теплота, внесенная в топку с воздухом (при его на­греве вне котла); ітл - физическая теплота топлива, численно равная произведению теплоемкости топлива на его температуру; Фф ~ Оф (г"ф - 2,5) - теплота, вносимая в топку с паром, ис­пользуемым для распыливания жидкого топлива (вводится лишь при установке паровых форсунок при сжигании жидкого топлива); Сф и і"ф - соответственно расход (на 1 кг топлива) и энтальпия пара; QK - 0,0406 k (С02)к - теплота, затраченная на разложе­ние карбонатов топлива; (СОг)к- содержание углекислоты кар­бонатов.

Для газообразного топлива два последних члена отсутствуют.

Полное количество"вносимой в котел теплоты

Где В - расход топлива в котле, кг/с.

В соответствии с определением КПД брутто

Вследствие тепловых потерь в котле Qn < Qp.

При определении КПД нетто дополнительно учитываются (вычитаются из Qn) затраты энергии на работу основного и вспо­могательного оборудования (насосы, вентиляторы, дымососы, мельницы и т. д.), т. е. затраты энергии на собственные нужды .

Тепловые потери в котле зависят от эффективности процесса горения топлива в топке и передачи теплоты от продуктов сгора­ния к рабочему телу в поверхностях нагрева. Рассмотрим состав­ляющие потерь теплоты в котле.

Продукты сгорания выходят из последней поверхности нагрева котла при температуре #ух, значительно превышающей темпера­туру воздуха, поступающего из атмосферы в котел. Потери теп­лоты с уходящими газами равны разности энтальпий конечного состояния газов и воздуха, входящего в котел.

Если в уходящих газах содержатся горючие газообразные элементы (Н2, СН4 и др.) или продукты неполного сгорания СО, то имеют место потери с химическим недожогом топлива. Вели­чина этих потерь определяется количеством и теплотой сгорания указанных горючих элементов.

Поскольку частицы твердого топлива могут совсем не участ­вовать в химической реакции, потери теплоты с твердым непро - реагировавшим топливом называют потерями с механическим недожогом.

Наружная поверхность стен котла имеет более высокую тем­пературу, чем окружающая среда. Потери теплоты вследствие теплоотдачи от стен котла к окружающему воздуху называют по­терями в окружающую среду. И, наконец, в котлах имеют место потери теплоты со шлаком, выводимым из топки с высокой темпе­ратурой.

Потери теплоты с химическим и механическим недожогом, а также со шлаком относят к топочным потерям; потери теплоты в окружающую среду и с уходящими газами являются общими для котла. Равенство количества располагаемой теплоты сумме количества теплоты, полезно использованной в котле, и тепловых потерь называют тепловым балансом котла Обычно принято тепловой баланс котла составлять для единицы массы (твердого," жидкого) или объема (газообразного) сжигаемого топлива, В этом случае

■QS-=Qi + Q2 + Qa + Q4 + Qe + Qe, (20)

Где Qa - полезно использованная теплота; Q2, Qs, Q4, Q5 и Q, - потери теплоты соответственно с уходящими газами, с химиче­ским и механическим недожогом, в окружающую среду и со шла­ком.

Наиболее распространен тепловой бала не котла в относитель­ном виде. Если располагаемую теплоту принять за 100%, то зави­симость (20) примет вид

100 « qv + Яг + Чг + <7* + Чь + Я«>

Где qx = 100 = Т]бр - относительное количество полезно

Использованной теплоты,%; q2 = 100, qs = 100 и т. д. -

Относительные потери теплоты соответственно с уходящими га­зами, с химической и механической неполнотой горения (с недо­жогом), в окружающую среду и со шлаком.

При организации работы котла необходимо стремиться к сни­жению тепловых потерь. Рассмотрим факторы, от которых зави­сят тепловые потери, и возможности снижения потерь.

Потери теплоты с уходящими газами можно представить в еле-, дующем виде:

Где сг и сХЙ - теплоемкость соответственно газа и холодного воздуха, МДж/(м:1К); Фух и tXB - температура соответственно уходящих из котла газов (после последней поверхности нагрева) и холодного воздуха, 0 С; Vr - объем уходящих газов в расчете на 1 кг топлива, м3/кг; а? х - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; qt - относительные потери теплоты с меха­ническим недожогом.

Объем уходящих газов

Если принять коэффициент теплоотдачи" конвекцией ah{ = = idem = ак и ts, CTi = idem = tH. ст, то

BQS = aK(tH. рт - tXB)2 F, = q£Ft..

Тепловой поток q меняется незначительно с изменением мощ­ности котла, так как температуру стенки поддерживают на постоян­ном безопасном для человека уровне ст < 55 °С) при помощи изоляции. В то же время увеличение площади поверхности стен Fj котла с ростом его мощности происходит медленнее и hFi/BQp уменьшается, т. е. величина

Дь = - ЩL 100 BQI

Также снижается.

При изменении нагрузки котла температура ст, а следо­вательно, тепловые потоки меняются незначительно. В то же время вносимая с топливом теплота линейно зависит от нагрузки. Потери q& при отклонении нагрузки D от номинальной £)„ (%)

. (24)

Потери с физической теплотой шлака

<76 - атлА* (сОшл/Qj, (25)

Где /шл = 600 °С для ТШУ и *шл == ta +100 °С для ЖШУ; 6ШЯ - теплоемкость шлака.

Определение к.п.д. брутто по методу прямого баланса основано на измерениях количества подведённого и использованного тепла путём непосредственных замеров расхода топлива, пара и его параметров. КПД брутто по методу прямого баланса вычисляется по формуле:

где Q 1 - полезно использованное тепло, кДж/кг; Q- располагаемая теплота, поступающая в котлоагрегат на 1 кг или на 1 м 3 топлива, кДж/кг; q 1 - полезно использованное тепло, отнесенное к располагаемому теплу топлива и представляющее собой к.п.д. брутто, %; D пе - производительность котлоагрегата, кг/с; В - расход топлива в котле, кг/с (м 3 /с); h пе, h пв - соответственно энтальпии перегретого пара и питательной воды, кг/с.

Если при работе котлоагрегата на электростанции во время испытаний имеет место непрерывная продувка и отбор насыщенного пара из барабана котла на собственные нужды, то

где D пр - расход воды на непрерывную продувку, кг/с; D сн - расход насыщенного пара на собственные нужды, кг/с; ,- соответственно энтальпии кипящей воды и насыщенного пара при давлении в барабане котла, кДж/кг.

Для водогрейного котла к.п.д. определяется по формуле:

, % (3) где D в - расход сетевой воды через котел, кг/с; h пр, h обр - соответственно энтальпии прямой и обратной сетевой воды, кДж/кг.

Располагаемое тепло топлива определяется по формуле:

КДж/кг (кДж/м 3) (4)

где - низшая удельная теплота сгорания рабочей массы твёрдого, жидкого или сухой массы газообразного топлива, кДж/кг или кДж/нм 3 ; Q в. вн - тепло, внесённое в котлоагрегат воздухом, при нагреве в калорифере, кДж/кг; Q тл - физическое тепло топлива, кДж/кг; Q ф - тепло, поступаемое в котлоагрегат с паровым дутьём (форсуночным паром).

Состав топлива и величина должна определяться в химической лаборатории, а для известной марки топлива может быть принята по справочным данным.

Физическое тепло топлива может быть найдено по формуле:

, (5)

где t тл - температура рабочего топлива, о С; С тл - теплоёмкость топлива, кДж/(кг о С).

Теплоёмкость жидкого топлива зависит от температуры и определяется для мазута по приближенной формуле:

С тл =4,187(0,415 + 0,0006 t тл) , (6)

Физическое тепло топлива учитывается в тех случаях, когда оно предварительно нагрето посторонним источником тепла (паровой нагрев мазута и т.д.)

Тепло, затраченное на нагрев воздуха, поступающего в котлоагрегат, кДж/кг или кДж/нм 3 .

, (7)

где - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому расходу воздуха
;
- энтальпия теоретически необходимого количества воздуха на выходе из калорифера и на входе в него (холодного воздуха), кДж/кг или кДж/м 3 .

Тепло, вносимое в котёл паровым дутьём, определяется по формуле:

Q ф =G ф (h ф -2510),

где G ф - выход пара, идущего на дутьё или распыливание топлива, кг/кг; h ф - энтальпия этого пара кДж/кг.

КПД брутто котла по методу прямого баланса рассчитывается по формуле (I) или (2).

Для определения энтальпии пара и питательной воды по таблицам перегретого пара и воды необходимо знать их давление и температуру.

Давление пара и питательной воды, замеряется по приборам на щите управления котла. Температура перегретого пара и питательной воды замеряется термопарами, установленными на паропроводе и входном коллекторе водяного экономайзера. Вторичные показывающие или самопишущие приборы расположены на тепловом щите.

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса определяется расход топлива и вычисляется коэффициент полезного действия, эффективность работы котельного агрегата.

В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на нагревания воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразования энергии вырабатываемый продукт (вода) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.

Уравнение теплового баланса для установившегося теплового состояния агрегата:

где – располагаемая теплота, ;

– полезно использованная теплота, ;

Суммарные потери, ;

– потери теплоты с уходящими газами, ;

– потери теплоты от химического недожога, ;

– потери теплоты от механической неполноты сгорания, ;

– потери теплоты в окружающую среду, ;

– потери теплоты с физической теплотой шлаков .

Левая приходная часть уравнения теплового баланса (38) является суммой следующих величин:

где – теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 топлива; эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухонагревателе, то, теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата;

– теплота, вносимая с паром для распыления мазута (форсуночный пар);

– физическая теплота 1 топлива.

Т.к. предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то формула (39) принимает вид:

Коэффициентом полезного действия водогрейного котла называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку горячей воды, к располагаемой теплоте котла. Не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учетом этого различают КПД котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и по отпущенной теплоте (КПД-нетто).По разности выработанной и отпущенной теплоты определяется расход на собственные нужды.

В итоге КПД-брутто котла характеризует степень его технического совершенства, а КПД-нетто – коммерческую экономичность. КПД-брутто котельного агрегата определяется по уравнению прямого баланса:

где – относительные потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от наружного охлаждения.

Относительные потери теплоты с уходящими газами определяются по формуле:

– потери теплоты от механической неполноты сгорания (учитывается только при сжигании твердого и жидкого топлива), %

6.1.4 Расчет количества топлива, сжигаемого в котельном агрегате

Общий расчет топлива, подаваемого в топку котельного агрегата:

где – расход воды через котельный агрегат, кг/с;

– энтальпия горячей и холодной воды (на выходе и входе водогрейного котла) , кДж/кг

Таким образом,

Список использованных источников

1. Строительная климатология. СНиП 23-01-99.

2. Котельные установки. СНиП II-35-76.

3. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Нормативы по энергопотреблению и теплозащите. ТСН 23-341-2002 Рязанской области Администрация Рязанской области г. Рязань – 2002.

4. Тепловые сети. СНиП 2.04.07-86.

5. Тепловой расчет котельных установок. Методические указания для выполнения расчетной работы №1. Мордовский государственный университет им.Н.П.Орагева. Саранск, 2005.

6. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб. пособ. Для техникумов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1989.

7. Выбор и расчет теплообменников. Учебное пособие. Пензенский государственный университет. Пенза, 2001.

8. Роддатис К.Ф. Котельные установки. Учебное пособие для студентов неэнергетических специальностей вузов. – М.: «Энергия», 1977.

9. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

10. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзиньш Э.Я.. Производственные и отопительные котельные 2-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

11. Справочник эксплуатационника газифицированных котельных. Л.Я.Порецкий, Р.Р.Рыбаков, Е.Б.Столпнер и др. – 2-е изд., перераб. и доб. - Л.: Недра,1988.

12. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. службой стандартных справочных данных. ГСССД Р-776-98 – М.: Издательство МЭИ. 1999.

13. Сайт компании «Виссманн» www.viessmann.ru

14. Сайт компании «Grundfos» www.grundfos.ru

15. Сайт компании «Ридан» www.ridan.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица А.1 – Единицы измерения энергии

Таблица А.2 –Характеристика некоторых видов топлива

Таблица 1- Климатические параметры холодного периода года

Примечание - Абсолютная минимальная температура воздуха выбрана из ряда наблюдений за период 1881-1985 гг.; в СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика" абсолютная минимальная температура воздуха для отдельных пунктов определялась методом приведения.