Как определить расход топлива в термодинамике

6

Определение расчётного расхода топлива

Располагаемое тепло топлива Qрр находим по формуле:

Величину тепла, вносимого воздухом, подогреваемом вне парового котла, Qв.вн учитывают только для высокосернистых мазутов. Топливо проектируемого котла — малосернистый мазут.

где (I o _в)’ при t’_вп =100 o C (I o _в)’=322 ккал/кг;

Величину физического тепла топлива находим по формуле:

3.5 ) Потери теплас химическим недожогом q₃=0,5%;

с механическим недожогом q₄=0,0%;

Потеря тепла с уходящими газами:

где (I o _хв) при t =30 o C; I o _хв=9,5V o =9,510,62=100,89 ккал/кг;

3.7 ) Потеря тепла от наружного охлаждения котла: q₅=0,92% (при D = 50 т/ч);

3.8 ) КПД парового котла “брутто” находят по методу обратного баланса:

Коэффициент сохранения тепла:

Расход топлива, подаваемого в топку:

где Qпк=Dк(I_пе— I_пв)1000; при P_пе = 40 кгс/см 2 и t_пе = 440 o C I_пе = 789,8 ккал/кг;

а при P_пв = 1,08P_б = 1,0845 = 48,6 кгс/см 2 и t_пв = 140 o C I_пе = 141,3 ккал/кг;

Qпк = 50(789,8- 141,3)1000=3,2425·10 7 ккал/кг;

Расход топлива используют при выборе и расчёте числа и мощности горелочных устройств. Тепловой расчёт парового котла, определение объёмов дымовых газов и воздуха, количество тепла, отданного продуктами горения поверхностям нагрева, производятся по расчётному расходу фактически сгоревшего топлива с учетом механической неполноты горения:

Выбор схемы сжигания топлива

4.1 ) Схему топливосжигания выбирают в зависимости от марки и качества топлива. Подготовка к сжиганию мазута заключается в удалении из него механических примесей, повышении давления и подогрева для уменьшения вязкости.

4.2 ) В проектируемом паровом котле установлены горелки (в количестве трёх штук) с механическими форсунками суммарной производительностью 110120% от паропроизводительности котла; мазут подогревают до 100130 о С. Скорость воздуха в самом узком сечении амбразуры должна быть 3040 м/с.

Поверочный расчёт топки

Задачей поверочного расчёта является определение температуры газов на выходе из топки _т» при заданных конструктивных размерах топки, которые определяют по чертежам парового котла.

5.3. Методика расчета фактической эффективности использования топлива в котлах

Обычно используются два варианта для расчета эффективности использования топлива в котлах – прямой и обратный тепловые балансы [5.19].

В первом случае коэффициент полезного действия котла брутто (то есть без учета расхода тепла и электроэнергии на собственные нужды) может быть определен по формуле:

η = D(i_п – i_п.в)/BQ_н,

где η – КПД котла, в %; D – количество вырабатываемого котлом пара в кг; i_н – теплосодержание (энтальпия) пара, в ккал/кг, табл. 5.22; i_п.в – теплосодержание (энтальпия) питательной воды, в ккал/кг, табл. 5.22; В – расход топлива, кг; Q_н – низшая теплота сгорания топлива, в ккал/кг.

В случае для водогрейного котла величину D(i_п—i_п.в) можно определить как D_в(t₁ – t₂)∙10 -3 , Гкал, где D_в – расход воды через котел, м 3 ; t₁, t₂ – соответственно, температура воды до и после котла, о С.

Таким образом, КПД котлов и котельной характеризуется расходом топлива на единицу вырабатываемой продукции.

За единицу продукции примем Гкал (1 Гкал = 10 6 ккал). За единицу расхода топлива принят 1 кг условного топлива. Условное топливо – топливо, низшая теплота сгорания которого равна 7000 ккал/кг. Перевод натурального топлива в условное производится по формуле:

Перевод условного топлива в натуральное производится по формуле:

где В_у – расход в единицах условного топлива; В – расход натурального топлива, кг; Q_H – низшая теплота сгорания натурального топлива в ккал/кг.

Тогда КПД котлоагрегата, приведенный к условному топливу, может быть выражен:

η = D(i_п – i_п.в) / В_у ∙ 7000,

где D – паропроизводительность котла, кг; i_п – теплосодержание пара в ккал/кг, табл. 5.22; i_п.в – теплосодержание питательной воды в ккал/кг, равное ее температуре; В_у – расход топлива, кг у.т.

Термодинамические свойства воды и водяного пара

в состоянии насыщения для р = 0,7…15 кгс/см 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОГО КОЛИЧЕСТВА ТОПЛИВА НА ВЫРАБОТКУ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

3.1. Потребность в условном топливе для котельной (т у.т.) находят умножением общего количества вырабатываемой тепловой энергии за планируемый период на удельную норму расхода условного топлива на выработку 1 Гкал тепловой энергии или 1 т нормального пара по формуле:

3.2. Удельный расход условного топлива (кг у.т.) на выработку 1 Гкал тепловой энергии определяют по формуле:

КПД котлоагрегата определяют на основании теплотехнических испытаний котлоагрегата, находящегося в технически исправном и отлаженном состоянии.

Если за котлоагрегатом установлен экономайзер для нагрева питательной воды (утилизатор), общий КПД котлоагрегата определяют по формуле (%):

КПД экономайзера вычисляют по формуле (%):

3.4. Пересчет пара из котла в нормальный выполняют по формуле:

3.5. При наличии в котельной нескольких котлов, среднюю норму расхода условного топлива на выработку тепловой энергии за планируемый период определяют как средневзвешенную по формуле (кг у.т./Гкал):

3.6. Удельный расход условного топлива на растопку котла с учетом технологического процесса зависит от площади поверхности нагрева котла, длительности и числа остановок котла в сезоне [Приложение 4, таб.4.1].

3.7. Нормы естественной убыли являются предельными, и применяются только в случае фактической недостачи топлива. Списание топлива в приделах норм естественной убыли до установления факта недостачи запрещается [13].

3.8. Пересчет условного топлива в натуральное выполняют в соответствии с характеристикой топлива и значением калорийного эквивалента по формуле:

Характеристики некоторых видов твердого, жидкого и газообразного видов топлива приведены в Приложении 4.

3.9. Установленные на теплоэнергетическом предприятии нормы расхода топлива подлежат корректировке на основании проведения энергосберегающих мероприятий и эксплуатационных испытаний топливоиспользующих устройств и агрегатов. Испытания должны проводиться только после приведения объектов в исправное состояние и оформление соответствующего акта.

3.10. Для контроля экономичности работы котельных и возможности сопоставления плановых показателей с отчетными, потребность в топливе и удельные расходы топлива могут быть представлены в расчете на выработку тепловой энергии, отпускаемой с коллекторов котельной.

Потребность в условном топливе на производство тепловой энергии, опускаемой с коллекторов котельной, определяют по формуле (т у.т.):

3.11. Удельный расход условного топлива на отпуск тепловой энергии можно определить по формуле (кг у.т./Гкал):

Пример 1. Определить потребность котельной в топливе на растопку котла площадью поверхности нагрева 138 м 2 . Графиком ремонтных работ предусмотрены следующие остановки котла:

по 48 ч – 2; по 24 ч – 2; по 12 ч – 5 остановок.

По табл. 4.1 Приложения 4 находим удельный расход топлива, кг у.т. на одну растопку котла в зависимости от продолжительности остановки:

48 ч – 800; 24 ч – 400; 12 ч – 200.

Вычисляем потребность в топливе на предусмотренные графиком ремонтных работ растопки котла:

В_раст = 800× 2 + 400× 2 + 200× 5 = 3400 кг у.т.

Пример 2. Определить удельную норму расхода топлива на выработку 1 т нормального пара для котельной с пятью котлами ДКВР – 4/13, работающей на природном газе. КПД котлов 90%.

Определяем удельный расход условного топлива на выработку 1 Гкал по формуле (3.2):

Находим расчетную удельную норму расхода топлива на выработку 1 т нормального пара, энтальпия которого равна 639 ккал/кг:

Находим по табл. 2.7 Приложения 2 коэффициент, учитывающий потери тепловой энергии с продувочной водой равным 0,13.

По формуле (3.5) определяем удельную норму расхода топлива на выработку 1 т нормального пара с учетом потерь тепловой энергии с продувочной водой:

Пример 3. Определить потребность в топливе по двум отопительным котельным.

Котельная №1 имеет пять котлов ДКВР-4/13, работающих на природном газе, теплотворная способность которого равна 8500 ккал/нм 3 , площадь поверхности каждого котла 138 м 2 . КПД котлоагрегата 0,88. Запланированы по две остановки котлов в год продолжительностью 48 ч и более. Годовой расход тепловой энергии составляет на отопление – 16800 Гкал, вентиляцию – 4200 Гкал, горячее водоснабжение – 18400 Гкал, собственные нужды – 860 Гкал, потери тепловой энергии в тепловой сети – 200 Гкал.

Котельная №2 имеет два котла Е-4-14ГМ, работающих на мазуте марки 100В, теплотворной способность 9600 ккал/кг, и обеспечивает отопление жилых зданий. КПД котлов равен 88, площадь поверхности нагрева одного котла 48 м 2 . Запланирована одна остановка котлов в год продолжительностью более 48 ч. Годовая выработка тепловой энергии котельной 3000 Гкал.

По котельной №1.

Определяем годовую выработку тепловой энергии:

Q_ГОД = 16800+4200+18400+860+200 = 40460 Гкал

Производим пересчет тепловой энергии в тоннах нормального пара по формуле (3.6):

G_НП = 40460:639×10 3 = 63317,5 т.

Определяем удельную норму расхода условного топлива на выработку 1 т нормального пара по паспортным данным котлоагрегата или по данным наладочных испытаний по формуле (3.2):

В = 142,86×100: 88 = 162,34 кг у.т./Гкал.

b_н=162,34× 0,639=103,74 кг у.т./т пара; К_прод = 0,13 (табл. 2.7);

b = 103,74×(1+0,13) = 117,2 кг у.т./т пара.

Вычисляем расход топлива на выработку пара котельной по формуле (3.1):

Определяем потребность в топливе для растопки котлов. По табл. 4.1 находим удельный расход топлива для растопки котла при его остановке на 48 ч – 800, свыше 48 ч – 1200 кг у.т.

Общая потребность в условном топливе для котельной №1 составит:

В=В_П + В_р = 7420,8 + 4 = 7424,8 т у.т.

Определяем калорийный эквивалент по формуле (3.9):

Э = 8500: 7000 = 1,214.

Определяем потребность в природном газе котельной по формуле (3.8):

В_кот = 7424,8: 1,214 = 5868,9 тыс. м 3 = 5,868 млн. м 3 .

По котельной №2.

Находим удельную норму расхода условного топлива на выработку Гкал тепловой энергии по формуле (3.1):

В=142,86×100:88 = 162,3 кг у.т./Гкал.

Вычисляем потребность в топливе котельной №2 на выработку расчетного количества тепловой энергии по формуле (3.10):

В_т = 3000×162,3 = 486900 кг у.т.

Определяем потребность в топливе на растопку котлов по табл. 4.1, равную В_р = 600 кг у.т.

В = В_т + В_р = 486900 + 600 = 487500 кг у.т. ×10 -3 = 487,5 т у.т.

Определяем калорийный эквивалент натурального топлива по формуле (3.9):

Э =9600: 7000 = 1,37.

Вычисляем потребность котельной в мазуте марки 100В по формуле (3.8):

В_нат = 487,5:1,37 = 355,8 т.

Пример 4. Определить потребность в топливе на отпуск тепловой энергии в тепловую сеть котельной с двумя котлами ВК – 21 площадь поверхности нагрева 57 м 2 , КПД брутто 91%. Котлы работают на природном газе, теплотворной способность 7980 ккал/нм 3 . Годовая выработка тепловой энергии 3000 Гкал. Расход тепловой энергии на собственные нужды 62 Гкал.

Определяем коэффициент, учитывающий расход топлива на собственные нужды котельной:

К_сн = 62:3000 = 0,0206.

Рассчитываем средний КПД нетто котельной с учетом расхода тепловой энергии на собственные нужды котельной по формуле 3.13:

Вычисляем удельный расход условного на топлива на отпуск тепловой энергии в тепловую сеть:

b_отп = (142,86 × 100): 89 = 160,5 кг у.т./Гкал.

Находим потребность в условном топливе на отпуск тепловой энергии, с коллекторов котельной:

В_отп = Q_отп × b_отп = (3000-62)×160,5 = 471549 кг у.т. = 471,5 т у.т.

Тепловой баланс печи и определение расхода топлива

Тепловой баланс печи — сопоставление прихода в печь теплоты с ее расходом.

Печи непрерывного действия (например, методические, кольцевые, секционные) характеризуются постоянным во времени температурным режимом. Для таких печей баланс тепла составляется применительно к единице времени. Печи периодического действия характеризуются переменным во времени температурным режимом. Баланс теплоты для них составляется применительно к одному рабочему циклу (нагрев металла, обжиг, плавка и Т.Д.).

Удобнее всего оценивать тепловую экономичность печи с помощью теплового баланса, отнесенного к единице массы (1т или 1 кг) нагреваемого материала, шихты.

Для нагревательных топливных печей тепловой баланс, который может быть отнесен к единице времени, одному рабочему циклу печи или единице массы продукции, определяется уравнением

где применительно к тепловому балансу за единицу времени: Q_x — химическая теплота, выделяющаяся при сгорании топлива; Q_T — физическая теплота топлива; Q_n — теплота, вносимая извне с воздухом, поступающим для горения; Q_3K3 — теплота, выделяющаяся в результате экзотермических технологических реакций, протекающих при тепловой обработке материала (например, окисление металла); Q_lipHC — теплота, вносимая воздухом, постуиающим в газоходы печи в результате присосов из окружающей среды; Q, — теплота, затраченная на нагрев металла (полезная теплота); Q_5oxi — потери теплоты с водой, охлаждающей отдельные элементы печи; Q_5t — потери теплоты из-за нагрева транспортных устройств и тары, используемых для подачи изделий в печь; Q _5ok — потери теплоты с окалиной; Q_5aKK — потери теплоты в результате аккумуляции ее кладкой (в печах периодического действия).

Работа воздухоподогревателя на общем уравнении теплового баланса не отражается, поскольку поступающий в камеру горения воздух подогревается в воздухоподогревателе за счет теплоты продуктов сгорания, образующихся в самой печи, тогда как уравнение баланса учитывает только приход и расход теплоты, поступающей в печь извне.

Отдельные составляющие теплового баланса, отнесенного к единице времени, МВт, определяются следующим образом.

Приход теплоты. Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива,

где В — расход топлива, кг/с (м 3 /с).

Теплота, вносимая с топливом (физическая теплота топлива),

где с_т — средняя теплоемкость топлива, МДжДкг К) [МДж/(м 3 * К)]; t_T — температура топлива, °С.

Теплота_> вносимая извне с воздухом, поступающим для горения. Так как в приходную часть теплового баланса включается только теплота, поступившая извне, под Qb понимается теплота необходимого для горения топлива холодного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель (если он есть), или непосредственно в горелку, или в камеру сгорания:

где а_т — коэффициент избытка воздуха в топке (камере сгорания); V 0 — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг (1 м 3 ) топлива, м 3 /кг (м 3 /м 3 ); с_хв — средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха при ?_хв, МДж/(м 3 — К); ?_хв — температура холодного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель или горелку, °С; /_хв — энтальпия теоретического объема холодного воздуха, отнесенного к единице топлива, МДж/м 3 .

Теплота, выделяющаяся в результате экзотермических технологических реакций. При нагреве стальных (чугунных) заготовок, поковок в процессе закалки, отжига и др. происходит их окисление с выделением теплоты в среднем количестве 5,65 МДж на 1 кг окисленного металла. Поэтому

где G — производительность печи, кг/с; 8 — угар металла, %.

Величина угара в высокотемпературных печах (кузнечных, прокатных) колеблется в пределах 1 —3%.

Теплота, поступающая в газоходы печи в результате присоса воздуха,

где а_т — увеличение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах за счет присоса;

где a_vx — коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; /®_в — энтальпия теоретического объема холодного воздуха присасываемого в газоходы печи, отнесенного к единице топлива, МДж/м 3 ;

Расход теплоты. Расход теплоты па нагрев металла

где г_к и г_ц — энтальпии металла соответственно в конце и начале нагрева, определяемые по его средней массе и по температурам t₀ и t_K, МДж/кг. Потери теплоты с уходящими газами

где I_v, — энтальпия уходящих газов, имеющих температуру f_vx (°С), МДж/м 3 ; V_vx — объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы объема (массы) топлива, м 3 /м 3 (м 3 /кг); c_vx — средняя объемная изобарная теплоемкость уходящих газов, МДж/(м 3 — К).

Потери теплоты из-за химической Q₃u механической Q₍ неполноты сгорания топлива определяют таким же образом, как в котельных установках (см. параграф 15.2), относя их к расходу топлива В.

Потери теплоты в результате теплопроводности кладки после разогрева печи и при установившемся режиме ее работы

где t_m — средняя температура внутренней поверхности кладки, определяемая по известному температурному режиму печи, °С; t_B — температура окружающего воздуха; — сумма термических сопротивлений слоев кладки, (м 2 -К)/Вт; S — толщина соответствующего слоя, м; X — коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м • К); а» — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду, Вт/(м 2 -К) (может быть принят равным 20); F_K1 — площадь наружной поверхности кладки, м 2 .

Потери теплоты с дымовыми газами, выбивающимися из печи в атмосферу через неплотности кладки, Q,_Bдолжны быть равны нулю, т.е. конструкция печи должна быть газоплотной (для нормальных условий работы обслуживающего персонала).

где с — коэффициент излучения внутренней поверхности рабочей камеры, принимаемый равным 5,22 Вт/(м 2 К 4 ); ф — коэффициент диафрагмирования, определяемый в зависимости от толщины кладки и размеров окна или щели, обычно ф

0,65;/— суммарная площадь окон и щелей, м 2 ; Т_к — температура в камере печи, К; ф — период работы печи, в течение которого окно открыто (ф

Потери теплоты с охлаждающей водой (имеют наибольшее значение в методических печах с развитой системой водяного охлаждения)

где k — коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде, Вт/(м 2 • К); F — площадь поверхности охлаждаемых элементов печи, м 2 ; At — температурный напор между газами и водой, К.

Потери теплоты из-за нагрева транспортных устройств и тары, используемых для подачи изделий в печь,

где G_r — масса проходящих через печь в единицу времени перемещающихся частей или тары, кг/с; i₂ и г, — энтальпии перемещающихся частей соответственно в конце и начале печи, Дж/кг.

Потери теплоты с окалиной

где 0,01 — переводной коэффициент (перевод процентов в доли); 5 — угар металла, %; G — производительность печи, кг/с; с_ок — теплоемкость окалины, с,ж = 1′ Ю 3 МДжДкг- К); t_OK — температура окалины, которую можно принимать равной максимальной температуре поверхности металла, °С; t₀ — начальная температура нагреваемого металла, °С; т — количество окалины Fe₃0,j, кг, образующейся при окислении 1 кг Fe.

Остальные потери относят к неучтенным, в том числе Q_5aKK.

Потери теплоты в результате аккумуляции ее кладкой (в печах периодического действия) при необходимости можно определить по формуле

где V_K4 — объем кладки, м 3 ; р_К1 — плотность материала кладки, кг/м 3 ; с_кл — теплоемкость материала кладки, ДжДкгК); Д/ ., — разность средних температур кладки в конце и начале периода работы печи, К; т — длительность периода работы печи, ч.

Теплота, рассеянная в окружающую среду печью и затраченная на нагрев кладки в печах периодического действия с 10%-ным запасом,

Расход топлива. Подставляя в уравнение (15.10) выражения для отдельных составляющих, можно вычислить расход топлива В.

Уравнение (15.10) можно представить в следующем виде:

Обозначим теплоту, рассеиваемую в окружающую среду, при стационарном режиме печи через Qo_C :

а полезную теплоту, т.е. теплоту, расходуемую на технологический процесс (в рассматриваемых печах это в основном нагрев металла) за вычетом теплоты экзотермических реакций, через (2г_СХ„ :

Тогда уравнение теплового баланса примет вид

Все слагаемые теплового баланса, пропорциональные расходу топлива, можно выразить через удельный расход топлива Ь, т.е. расход, приходящийся на единицу массы обрабатываемого материала (1 кг исходной шихты или нагреваемого металла):

где /_т — энтальпия топлива, отнесенная к единице его количества; /_хв — энтальпия подаваемого воздуха, отнесенная к единице топлива; а — доля газов, выбивающихся из рабочего пространства печи; /_ух — энтальпия газов, уходящих из печи, отнесенная к единице количества топлива; /_{в г} — энтальпия газов, выбивающихся из рабочего пространства, отнесенная к единице количества топлива.

Поэтому уравнение теплового баланса (15.28) для непрерывно работающей печи (т.е. при Q_5aKK = 0) можно записать так:

Отсюда удельный расход топлива (в килограммах — для твердого топлива, в кубических метрах — для газообразного) на единицу количества материала, кг/кг (м 3 /кг),

называется коэффициентом использования топлива, показывающим, какая доля теплоты, введенной в печь, использована в рабочем пространстве печи. Тогда выражение (15.32) принимает вид

Зная удельный расход топлива на единицу количества материала b и массу нагреваемого в единицу времени материала G, можно найти расход топлива печью за единицу времени:

Коэффициенты полезного действия печей. Коэффициент полезного действия рабочего пространства печи представляет собой отношение полезно использованной в рабочем пространстве теплоты Q ко всей теплоте, вводимой в рабочее пространство (при 0,_фИС

При этом нод полезно использованной теплотой понимают теплоту

где Оэвд — теплота, поглощаемая в результате эндотермических реакций, протекающих при тепловой обработке продукта (в печах для нагрева ме- талла 0э_ВД = 0).

Энергетический КПД представляет собой отношение теплоты, полезно использованной всей печной установкой, к затраченной теплоте: