Тепловий баланс і теплова економічність котельної установки

Тепловий баланс складають на підставі нормативних матеріалів на
1 кг витраченого твердого або рідкого палива (або на 1 м³ газоподібного палива) або у відсотках від підведеної теплоти. Тепловий баланс зумовлює рівність між корисною і підведеною (витраченою) теплотою, віднесеної до 1 кг (м³) поданого до котла палива (рис.15.3):

(15.1)

де Q_кор – корисна теплота, потрібна для генерації пари; åQ_i – сума втрат теплоти в котлі. Підведену теплоту визначають як суму теплоти згорання палива , фізичної теплоти повітря і фізичної теплоти палива Q_ф.п, тобто

(15.2)

Якщо котел генерує пару, то корисну теплоту визначають за формулою

(15.3)

де D – витрата пари, кг/с; h_п.п і h_ж.в – ентальпія відповідно перегрітої пари і живильної води, кДж/кг; В – витрата палива, кг/с.

Загальна втрата теплоти åQ_i складається з суми втрат теплоти: з димовими газами Q_д.г = Q₂, хімічної Q_х = Q₃ і механічної Q_м = Q₄ неповноти згорання, від зовнішнього охолодження Q_з.о = Q₅ і з фізичною теплотою шлаків Q_ф.ш = Q₆.

Рис. 15.3 - Схема теплового балансу котла

Відношення корисно використаної в котлі теплоти до підведеної представляє ККД-брутто котла

= Q_кор / = 1 – (Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆)/ (15.4)

або у відсотках від корисно використовуваної теплоти

= [1 – (q₂ – q₃ – q₄ – q₅ – q₆)]100 %, (15.5)

ККД котельної установки, що враховує витрати котла на власні потреби (привід насосів, вентиляторів, димососів тощо), називають ККД-нетто:

= – q_в.п, (15.6)

де q_в.п = 4–7 % – витрата енергії на власні потреби, віднесена до .

Втрати теплоти q₂ з димовими газами зазвичай становлять 5–10 % відносно теплоти .

Втрати теплоти від хімічної неповноти згорання палива q₃ = 100Q₃ / виникають тільки, якщо в продуктах згорання є горючі газоподібні компоненти (Н₂, СО, СН₄, С_mН_n та ін.) унаслідок неповного вигорання палива в межах топкового об’єму котла. За його межами горючі гази не догорають через низькі температури вздовж газового тракту котла. Причинами появи хімічної неповноти згорання можуть бути: неякісне сумішоутворення, особливо на початкових стадіях горіння палива; загальна нестача повітря; низька температура в топковому об’ємі котла, особливо в зоні догорання палива.

Якщо коефіцієнт надлишку повітря достатній і сумішоутворення
в топках сучасних котлів якісне, то втрати теплоти з хімічною неповнотою згорання становлять: для камерного спалювання q₃ = 0–0,5 %; для шарового спалювання q₃ = 0,5–2 %.

Щоб знизити рівень q₃, поліпшують умови змішування газів, особливо в зоні їх догорання, застосовуючи гостре дуття, і підвищують температуру в зоні горіння, підігрівши повітря, що подається в топку. Працюючи в розрахункових режимах, нормально експлуатуючи котел і добре спроектовану топку, втрати q₃ практично можна довести до нуля.

Втрати теплоти від механічної неповноти згорання q₄для шарових топок залежать від теплової напруги топкового об’єму і пов’язані з тим, що паливо провалюється через решітку q_4пр, потрапляє в шлак q_4шл і уноситься газами q_4ун. Втрати теплоти зі шлаком (q_4шл) зростають зі збільшенням зольності палива, зростанням теплової напруги топки і з переходом на спалювання палива з меншим виходом летких.

Втрати теплоти з провалом (q_4пр) залежать від сорту палива (відносно його спікливості), умісту в паливі дріб’язку і від конструкції колосникової решітки. Якщо використано так звану безперевальну колосникову решітку, то рівень q_4пр не перевищує 0,5–1 %.

У камерних топках рівень q₄ переважно визначається теплотою q_4ун і знаходиться в межах 0–0,5 %, причому верхня границя належить до твердих палив з малим виходом летких марок АСШ і ПА. Під час спалювання вугілля з великим виходом летких рівень q₄ не перевищує 0,5–1,5 %. Під час спалювання твердих палив з рідким шлаковилученням втрати теплоти q₄ знижуються у зв’язку з кращими умовами вигорання частинок у межах топкового об’єму.

Втрати теплоти від зовнішнього охолодження q₅ виникають тому, що температура зовнішньої поверхні котла завжди вища за температуру навколишнього середовища, вони змінюються обернено пропорційно потужності котла.

Втрати теплоти з фізичною теплотою шлаку q₆ виникають тому, що шлак, який видаляється з топкового об’єму, має вищу температуру, ніж середовище, у яке його відводять.

Камерне спалювання палива з твердим шлаковиведенням зумовлює втрати теплоти q₆, які враховують тільки, якщо спалюють високозольні палива, температуру шлаку приймають на рівні 600–700 °С. Для рідкого шлаковиведення температуру шлаку вибирають за довідковими таблицями палива. Під час шарового спалювання палива, а також камерного з рідким шлаковиведенням втрати теплоти q₆ сягають 1–2 % і вище.

Витрату палива В для виробництва теплоносія із заданими параметрами визначають з теплового балансу котла:

Q_кор = B , (15.7)

B = Q_кор /( ). (15.8)

Основні показники роботи котелень можна розподілити на технологіч­ні, що визначають функціональні залежності робочих процесів, економічні і режимні. Останні показники визначають за даними технічної та економічної звітності. Їх аналіз дозволяє установити причини відхилення від заданих нормативів, виявити і використовувати резерви виробництва і можливості підвищення рентабельності роботи.

Питому витрату умовного палива на тонну виробленої пари даних параметрів (т/т) визначають із співвідношення

(15.9)

де D – кількість виробленої пари, т/міс. або т/рік.

Основними показниками режиму роботи котла є річний коефіцієнт робочого часу h_t, коефіцієнти використання теплової потужності котла К_вик і кількість годин використання встановленої потужності t₀. Річний коефіцієнт робочого часу у відсотках визначають зі співвідношення

(15.10)

коефіцієнт використання теплової потужності котлів у відсотках визначають зі співвідношення

(15.11)

де SD – сумарне виробництво пари котлами, т/рік; SD₀ – сумарна номінальна потужність котлів, т/рік; t – фактичний час роботи котлів, год.

Кількість годин використання встановленої потужності котлів визначає термін безупинної роботи котлів при їх номінальній потужності

t₀ = SD/SD₀. (15.12)

Використання встановленої потужності котлів визначається графіком навантаження, резервною продуктивністю, надійністю встановленого устаткування тощо. Велика кількість годин використання встановленої потужності характеризує постійний режим роботи, меншу кількість зупинів агрегатів і меншу тривалість простою їх в ремонті або резерві. Зі збільшенням кількості годин використання встановленої потужності економічність котлів зростає. Зниження економічності роботи зі збільшенням кількості годин використання встановленої потужності вказує на роботу агрегатів з неекономічним навантаженням або на погіршення їх технічного стану.

Найважливішим підсумковим показником, що комплексно відображає технічний рівень стану устаткування експлуатації котлів, є собівартість відпущеної пари. Витрати на генерацію пари поділяють на змінні, що залежать від кількості виробленої пари, і постійні, що мало залежать від цього показника. Перемінні витрати складаються з витрат на паливо, електроенергію, воду і допоміжні матеріали, постійні – із заробітної плати з нарахуваннями, амортизації будинків, споруджень і устаткування, витрат на поточний ремонт й інші витрати.

Основною частиною собівартості пари є паливна складова, що може доходити до 70 %. Суттєвою складовою собівартості пари є також витрати на електроенергію для власних потреб під час роботи котла, які треба враховувати, починаючи з системи паливоподачі. Ураховують також вартість води на живлення котла і її очищення, вартість води на охолодження елементів устаткування, вартість мастильних і обтиральних матеріалів, куль і биток для млинів і дробарок та ін.

Враховують також витрати на заробітну плату, до яких включають усі витрати на утримання обслуговуючого персоналу, за винятком зайнятого ремонтом (ремонтні витрати відносять на рахунок амортизаційних відрахувань). Ці витрати залежать від ступеня механізації й автоматизації котельних установок. Складова заробітної плати знижується зі збільшенням кількості годин використання номінальної потужності агрегатів.

Амортизаційні витрати складаються з відрахувань від вартості будинків, споруджень і устаткування. Складова собівартості за амортизаційними відрахуваннями становить 6–12 %. Частка собівартості на поточ­ний ремонт та інші витрати становить 10–15 % вартості пари і зменшується зі збільшенням кількості годин використання устаткування. Основними напрямками зниження собівартості пари є зменшення:

1) питомої витрати палива за рахунок підвищення ККД агрегатів і втрат палива;

2) витрати енергії на власні потреби котлів усуненням шкідливих опорів у системі пилоприготування, пароводяного і газоповітряного трактів, а також підтримкою оптимального режиму роботи устаткування;

3) чисельності обслуговуючого персоналу за рахунок комп­лексної механізації й автоматизації робочих процесів;

4) початкової вартості котельних установок за рахунок збільшення одиночної потужності, виготовлення агрегатів збільшеними блоками, застосування збірних будівельних конструкцій будинків і споруд тощо.