Тепловой баланс парового котла заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат при сжигании топлива количеством теплоты, называемым располагаемой теплотой, Qрр и суммой использованной теплоты Q1 и тепловых потерь. На основе теплового баланса находят КПД и расход топлива.
При установившемся режиме работы агрегата тепловой баланс для 1 кг или 1 м3 сжигаемого топлива записывается как
Qpp = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6.
где – Qpp – располагаемая теплота, приходящаяся на 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива, – кДж/кг или кДж/м3.
Q1 – использованная теплота;Q2 – потери теплоты с уходящими из агрегата газами;
Q3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
Q4 – потери теплоты от механической неполноты сгорания;
Q5 – потери теплоты в окружающую среду через внешнее ограждение котла;
Q6 – потери теплоты с физической теплотой шлака.
Обычно в расчётах используется уравнение теплового баланса, выраженное в процентах по отношению к располагаемой теплоте, принимаемой за100% (Qрр = 100%):
100 = q1+ q2+ q3+ q4+ q5+ q6,
где q1= (Q1: Qpp) х 100 и т. д.
Располагаемая теплота включает все виды теплоты, внесённые в топку вместе с топливом:
Qрр = Qнр + Qф.т + Qв.вн + Qф – Qкарб,
Где Qф.т –физическая теплота топлива, включая полученную при подсушке и подогреве;
Qв.вн – теплота воздуха, полученная им при подогреве вне котла;
Qф – теплота, вносимая в топку с распыливающим форсуночным паром;
Qкарб – теплота, необходимая для разложения карбонатов при сжигании сланцев.
Использованная теплота Q1 воспринимается поверхностями нагрева в топочной камере котла и его конвективных газоходах, передаётся рабочему телу и расходуется на подогрев воды до температуры фазового перехода, испарение и перегрев пара.Тепловые потери парового котла.
Эффективность использования топлива определяется в основном полнотой сгорания топлива и глубиной охлаждения продуктов сгорания в паровом котле.
Потери теплоты с уходящими газами Q2 являются наибольшими.
Для современных паровых котлов величина q2 находится в пределах 5 – 8 % располагаемой теплоты и возрастает при увеличении tух, aух, и объёма уходящих газов. Объём уходящих газов возрастает при увеличении влажности топлива и аух, которые зависят от ат и присосов воздуха по газовому тракту. Рост аух способствует также увеличению tух. Снижение tух примерно на 14 – 15оС – приводит к уменьшению q2 ~ на 1%. Глубокое охлаждение уходящих газов требует больших поверхностей нагрева. Оптимальное значение температуры уходящих газов для каждого топлива устанавливается на основании технико-экономических расчётов, в которых сопоставляются стоимости дополнительных поверхностей нагрева и увеличение затрат на собственные нужды (в данном случае на преодоление гидравлических сопротивлений движению газов в них) с получаемой экономией топлива.
Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива Q3 – это теплота, которая осталась химически связанной в продуктах неполного горения. Потери теплоты от химической неполноты сгорания обычно зависят от качества смесеобразования и локальных недостаточных количеств кислорода для полного сгорания. Cледовательно, q3 зависит от ат. Наименьшие значения ат, при которых q3 практических отсутствуют, зависят от вида топлива и организации режима горения. При камерном сжигании жидких и газообразных топлив с ат=1.1 величина q3 не превышает 0,5%. Минимальная величина ат, при которой q3 ~ 0, для твёрдых топлив выше, чем для мазута и природного газа. При слоевом сжигании твёрдого топлива q3 >= 0.5 – 1.0 %. q3 = 1% соответствует примерно потерям 6% располагаемой теплоты.
Химическая неполнота сгорания сопровождается всегда сажеобразованием, недопустимым в работе котла.
Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива Q4 –это теплота топлива, которая при камерном сжигании уносится продуктами сгорания в газоходы котла или остаётся в шлаке, а прислоевом сжигании и в провале через колосниковую решётку.
Величина q4 зависит от метода сжигания и способа удаления шлака, а также свойств топлива. При хорошо отлаженном процессе горения твёрдого топлива в камерных топках q4 ~ 0,3 – 0,6 для топлив с большим выходом летучих, для АШ q4>= 2%.
При слоевом сжигании для каменных углей q4 = 3,5 (из них 1% приходится на потери со шлаком, а 2,5 % - с уносом), для бурых – q4 = 4 %. q4 увеличивается при уменьшении или увеличении ат от оптимального значения.
Потери теплоты в окружающую среду Q5 –зависят от площади наружной поверхности агрегата и разности температур поверхности и окружающего воздуха. При росте номинальной нагрузки котла q5 уменьшается. Для котлов единичной производительностью более
260 кг/с (300 МВт) величину q5 принимают равной 0,2%. При снижении нагрузки котла ниже номинальной q5 растёт примерно обратно пропорционально нагрузке.
Потери тепла с физической теплотой шлака – Q6 –происходят за счёт удаления из топки шлака, температура которого может быть достаточно высокой. В пылеугольных топках с твёрдым шлакоудалением температура шлака 600 – 700оС, а с жидким – (tз + 100)оС.
Потери с физической теплотой шлака учитываются при слоевом сжигании, при камерном сжигании и жидком шлакоудалении, а при твёрдом шлакоудалении только для высокозольных топлив с приведённой зольностью Ап > Qнр/100, так как у малозольных топлив q6 < 0.2 % и в расчётах не учитывается.
Выше показано, что основными потерями теплоты в котле являются q2, q3 и q4, зависящие от ат.. Суммирование этих потерь при различных значениях ат позволяет найти оптимальное значение ат, соответствующее миниумуму потерь теплоты.