4.2. Расчет кпд и расхода топлива

Коэффициентом полезного действия (КПД) парового или водогрейного котла называют отношение полезной теплоты к располагаемой теплоте. Не вся полезная теплота, выработанная агрегатом, направляется к потребителю. Часть выработанной теплоты в виде пара и электрической энергии расходуется на собственные нужды. Так, например, на собственные нужды расходуется пар для привода питательных насосов, на обдувку поверхностей нагрева и т.д., а электрическая энергия — для привода дымососа, вентилятора, питателей топлива, мельниц системы пылеприготовления и т. д. Под расходом на собственные нужды понимают расход всех видов энергии, затраченной на производство пара или горячей воды. Поэтому различают КПД агрегата брутто и нетто. Если КПД агрегата определяется по выработанной теплоте, то его называют брутто, а если по отпущенной теплоте — нетто.

КПД брутто котельного агрегата (%) можно определить по уравнению прямого баланса:

для парового котла

η_бр=100Q_пг/(Q_р^рВ_пг);

для водогрейного котла

η_бр=100Q_вк/(Q_р^рВ_вк),

где Q_nr — полезная мощность парового котла, кВт;

Q_B._к — полезная мощность водогрейного котла, кВт;

B_пг и В_вк— расход топлива паровым и водогрейным котлом, кг/с или м³/с;

Q_р^р — располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³.

КПД парового или водогрейного котла по уравнению обратного баланса (%)

η_бр = 100 - (q₂ + q₃+ q₄ + q₅ + q₆).

При тепловом расчете парового или водогрейного котла тепловой баланс составляют для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА.

КПД котлоагрегата «брутто» (валовой):

η^бр_ка=100 Q₁/ Q^р_р,%

или η^бр_ка=100-(q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆), %.

Валовой КПД даёт оценку полноты превращения химической энергии топлива в тепло пара и воды.

Действительный расход топлива: В= Q_ка/(Q^р_р η^бр_ка),кг/сек (м³/сек).

При Q_ка -в Мвт; Q^р_р - МДж/кг.

Объёмы продуктов сгорания подсчитываются без учёта количества топлива, не сгоревшего вследствие механического недожёга, и поэтому расчёт поверхностей нагрева производится на условное количество сгораемого топлива (расчётный расход), уменьшенное по сравнению с действительным на величину механического недожёга:

В_р=В(1- q₄/100), кг/сек.

Составление предварительного теплового баланса.

Основной задачей поверочного теплового расчёта является определение КПД рассчитываемого котла.

Предварительно задаются КПД (η') и для него находят расход топлива, по которому ведётся весь дальнейший расчёт. По окончании расчёта всех теплообменных элементов определяют полученное значение КПД (η) и сравнивают его с принятым ранее значением. Расхождение не должно составлять величину, более 0,5%. При большем расхождении изменяют принятое значение КПД в сторону уменьшения разницы и корректируют расчёт, пока не будет получен нужный результат (метод последовательного приближения).

Задавшись значением КПД следует принять величины потерь в зависимости от типа котла прототипа, его топочного устройства, рода топлива и затем определить величину потери с уходящими газами:

q₂=100-( η + q₃+ q₄+ q₅+ q₆), %.

Затем по q₂ определяют энтальпию I_ух и температуру уходящих газов t_ух:

I_ух = Q^р_р q₂/(100- q₄- q₆) + Q_хв,

Здесь Q^р_р= Q^р_н+ Q_{в. вн}+i_т+ Q_ф- Q_к, кДж/кг или

Q^р_р= Q^с_н+ Q_{в. вн}+i_т+ Q_ф (кДж/ м³)- располагаемое тепло топлива;

Q_хв=αV⁰с_вл t_хв (кДж/кг, кДж/ м³)- тепло, вносимое в топку с холодным воздухом.

Температуру уходящих газов t_ух определяем по ранее построенной диаграмме или по таблице. После чего её сравнивают с t_ух прототипа и проверяют на отсутствие точки росы.

Затем расчётный расход топлива определяют по формуле:

В=[D'_пе (i_пе - i_пв)+D'_н (i_х - i_пв)]/(η Q^р_р),

здесь D'_пе и D'_н - количество вырабатываемого перегретого и насыщенного пара, кг/сек (берётся из задания);

i_пе и i_х - энтальпия, соответственно перегретого и насыщенного пара, кДж/кг;

i_пв - энтальпия питательной воды, кДж/кг.

Энтальпию перегретого пара i_пе определяют по таблицам водяного пара в соответствии с давлением и температурой.

Для определения i_х необходимо задаться величиной влажности пара х, которая зависит от конструкции котла и вида паросепарационных устройств и для большинства котлов малой и средней мощности величина влажности пара х=(5…10)%.

Энтальпия влажного пара: i_х = i^''–(1- х) r,

где i^'' – энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг,

х - степень сухости; r - скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

Пример составления предварительного теплового баланса.

Для расчёта взят котёл ДКВр-6,5-13 (котёл вертикальный для сжигания твёрдых топлив на решётке):

D'_н - производительность -6,5Т/ч (1,81кг/с),

рабочее давление пара 13кг/см (1,3МПа абсолютных),

х - влажность пара -0,01,

t_пв1 - температура питательной воды до экономайзера 100 ºС,

t_пв2 - температура питательной воды за экономайзером - 170 ºС;

t_хв - температура холодного воздуха - 25 ºС;

t_гв - температура воздуха, поступающего в топку (внешний обогрев) 110 ºС.

Вид, состав и коэффициент избытка воздуха взят из п. 3.2.

Способ сжигания топлива – слоевой с механическим забрасывателем.

Установлено топочное устройство ПМЗ-ЛЦР.

Расчёт ведём в табличной форме в табл. 25:

Из решения п. 3.2 берём:

Состав топлива Донецкий ДР.%
С р	Н р	Sл р	N р	О р	А р	W р
49,3	3,6	3,0	1,0	8,3	21,8	13

VRО2	V0N2	V0Н2О	V0	V0вл
0,938	4,291	0,651	5,422	5,508

Q_н^р= 19,518 МДж/кг.

Таблица 25

Предварительный тепловой баланс
№	Наименование						Обозна-чение		Ед. измер.		Расчётная формула или способ определения		Числ знач.		Резуль-тат
1	Низшая теплота сгорания				Твёрд. и жидк.	Qрн		МДж/кг		Qнр=0,339С р +1,03Н р – 0,109(О р –Sл р)-0,025W				19,518
					Газ	Qсн		кДж/кг		Qнр=339С р +103Н р – 109(О р –Sл р)-25W				19518
2	Коэффициент полезного действия						η		%		Принимаем ориентировочно по прототипу				82
3	Потери тепла	От химической неполноты сгорания				q3		%		По прототипу принимается				1
		От механического недожёга				q4		%		По прототипу принимается				6
		В окружающую среду				q5		%		По прототипу принимается				2
		С очаговыми остатками				q6		%		По прототипу принимается				0,5
		С уходящими газами				q'2		%		100-( η + q3+ q4+ q5+ q6)				9
4	Коэффициент избытка воздуха						α				По заданию				1,3
5	Температура воздуха		Холодного			tхв		ºС		По заданию				25
			Горячего			tгв		ºС		По заданию				110
6	Средние изобарные объёмные теплоёмкости влажного воздуха		Холодного			схв		кДж/кг		По таблицам состояния воздуха для температуры tхв				1,319
			Горячего			сгв		кДж/кг		По таблицам состояния воздуха для температуры tгв				1,325
7	Количество тепла, вносимого в топку с воздухом		Холодным			Iхв		кДж/кг		1,016 V0 α схв tхв V0=5,422м/кг (из пр. № 1)				236
			Горячим			Iгв		кДж/кг		1,016 V0 α сгв tгв V0=5,422м/кг (из пр. № 1)				1044
8	Количество тепла, переданное в воздухоподогревателе (внешний подогрев)						Qвн		кДж/кг		Iгв - Iхв				808
9	Температура топлива, поступающего в топку						tтл		ºС		Принимается				30
10	Теплоёмкость сухой массы топлива						сстл		кДж/кг гр		По таблице 1 для температуры tтл				0,9718
11	Теплоёмкость рабочей массы топлива						сртл		кДж/кг гр		сстл (100-Wр)/100+ сН2О Wр /100,где сН2О =1,49 кДж/кг гр; Wр =13%				1,0392
12	Теплота, вносимая в топку с топливом						iтл		кДж/кг		tтл tтл				31,2
13	Теплота, вносимая в топку при паровом распыливании жидкого топлива						Qф=		кДж/кг		Gф (iф -2,51) Принимаем из-за отсутствия				0
14	Располагаемая теплота топлива						Qрр		кДж/кг		Qрн+ Qвн+iтл+ Qф				20357
15	Энтальпия уходящих газов						I'ух		кДж/кг		Qрр q2/(100- q4- q6)+ Iхв				2195
16	Температура уходящих газов						t'ух		ºС		По диаграмме				329
17	Количество пара, вырабатываемого котлом			Перегре-того			Dпе		кг/с		По заданию				0
				Влажного			DН		кг/с		По заданию				1,81
18	Степень сухости пара						х		-		Принимаем для данного типа котла				0,95
19	Энтальпия сухого насыщенного пара						i''		кДж/кг		Из таблицы водяного пара или по S-i диаграмме для давления 1,4МПа				2791
20	Скрытая теплота парообоазования						r		кДж/кг		Из таблицы водяного пара 1,4МПа				1965
21	Энтальпия влажного пара						iх		кДж/кг		i''–(1- х) i'				2693
22	Температура питательной воды						tпв		ºС		По заданию				100
23	Энтальпия питательной воды						iпв		кДж/кг		По таблицам воды и водяного пара				419
24	Секундный расход топлива						Вр		кг/с		DН (iх - iпв)/( Qрр η')				0,234