Теплоэнергетика, 2021, № 6, стр. 25-32

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Общее уравнение теплового баланса пылесистемы (в килоджоулях на 1 кг сырого топлива) имеет вид

В приходные статьи теплового баланса включаются тепло, поступающее с сушильным агентом на входе в пылесистему (${{q}_{1}}$), тепло присосанного в пылесистеме воздуха (${{q}_{{{\text{прс}}}}}$) и тепло, выделяющееся в результате работы мелющих органов (${{q}_{{{\text{мех}}}}}$). В расходные статьи входят тепло сушильного агента на выходе из пылесистемы без учета паров испарившейся из топлива влаги (${{q}_{2}}$), тепло, затрачиваемое на испарение влаги топлива (${{q}_{{{\text{исп}}}}}$) и подогрев топлива (${{q}_{{{\text{т}}{\text{.п}}}}}$), потеря тепла в окружающую среду (${{q}_{5}}$).

Составляющие теплового баланса ${{q}_{{{\text{мех}}}}},$ ${{q}_{{{\text{т}}{\text{.п}}}}}$ и ${{q}_{5}},$ не связанные с теплотехническими параметрами котла, определяются по соответствующим расчетным формулам и методическим указаниям [1]. Методика расчета остальных составляющих теплового баланса учитывает взаимозависимость теплотехнических параметров котла и пылесистемы.

Тепло, поступающее с сушильным агентом на входе в пылесистему, ${{q}_{1}}$ в общем случае при сушке топлива дымовыми газами и организованным воздухом определяется как

где ${{B}_{{\text{р}}}}$ – расчетный расход топлива на котел (расход сожженного в котле топлива), кг/с; B – расход сырого топлива, кг/с; ${{H}_{{\text{г}}}}$– суммарная энтальпия потоков дымовых газов, отбираемых из газоходов котельной установки и направляемых в пылесистему (газов рециркуляции), кДж/кг (на 1 кг сожженного топлива); ${{H}_{{\text{в}}}}$ – суммарная энтальпия потоков организованного воздуха, направляемых в пылесистему, кДж/кг (на 1 кг сожженного топлива).

Суммарная энтальпия потоков дымовых газов на входе в пылесистему ${{H}_{{\text{г}}}}$ определяется следующим образом:

где $h_{i}^{{\text{г}}}$ – энтальпия потока дымовых газов на входе в пылесистему из i-го отбора газов рециркуляции, кДж/кг.

Суммарная энтальпия потоков организованного воздуха в пылесистему H_в определяется так:

где $h_{j}^{{\text{в}}}$ – энтальпия j-го потока организованного воздуха на входе в пылесистему, кДж/кг (на 1 кг сожженного топлива).

Энтальпии потока дымовых газов в пылесистему из i-го отбора газов рециркуляции $h_{{\,i}}^{{\text{г}}}$ и j-го потока организованного воздуха в пылесистему $h_{j}^{{\text{в}}}$ рассчитываются по формулам

где $r_{i}^{{{\text{п}}{\text{.с}}}}$ – коэффициент рециркуляции для доли дымовых газов (газов рециркуляции), направляемых в пылесистему из i-го отбора; ${{K}_{i}}$ – расчетный комплекс, определяющий долю продуктов сгорания в газах рециркуляции; $h_{{\,i\_F}}^{0}$ – энтальпия дымовых газов, вычисляемая по теоретическому составу продуктов сгорания и температуре за i-м отбором газов рециркуляции в пылесистему; ${{h}_{{\text{з}}}}$ – энтальпия золы топлива; ${{h}_{{\,i\_{\text{вл}}{\text{.в}}}}}$ – энтальпия влажного воздуха при температуре дымовых газов за i-м отбором газов рециркуляции в пылесистему; ${{\alpha }_{i}}$ – коэффициент избытка воздуха в дымовых газах за i-м отбором газов рециркуляции, поступающих в пылесистему; ${{\beta }}_{j}^{{{\text{п}}{\text{.с}}}}$ – относительное количество j-го отбора организованного воздуха, направляемого в пылесистему (по отношению к теоретическому количеству сухого воздуха, необходимому для полного сгорания 1 кг топлива ${{V}^{0}}$); $h_{{j\_{\text{вл}}{\text{.в}}}}^{0}$ – энтальпия влажного воздуха при температуре j-го потока организованного воздуха, поступающего в пылесистему.

Энтальпии дымовых газов и воздуха $h_{{\,i\_F}}^{0},$ ${{h}_{{\text{з}}}},$ ${{h}_{{\,i\_{\text{вл}}{\text{.в}}}}}$ и $h_{{j\_{\text{вл}}{\text{.в}}}}^{0}$ рассчитываются по соответствующим формулам [2] с учетом полного элементного состава сжигаемых топлив разных видов и их смесей. При расчете энтальпии $h_{{\,i}}^{{\text{г}}}$ дополнительно учитывается тепло, поступающее с присосами воздуха в газоходы рециркуляции и устанавливаемые в них золоуловители.

Такая методика теплового расчета позволяет учитывать фактическое тепло от сушильного агента при сжигании не только топлива одного вида, но и смеси твердых топлив, а также твердых топлив совместно с газообразным и (или) жидким топливом. При этом полный расход топлива в котел может не совпадать с расходом сырого топлива, как, например, в пылесистемах с бункером пыли.

Расчетный комплекс ${{K}_{i}}$ определяется из материального баланса газовоздушного тракта котельной установки в схемах с применением рециркуляции газов в пылесистему, в том числе в сочетании с рециркуляцией газов непосредственно в топку (в горелки, другие узлы ввода) из того же или другого отбора. В общем случае

где ${{r}_{{\,1}}},$ ${{r}_{2}}$ – суммарные коэффициенты рециркуляции для предыдущих, расположенных по ходу газов, отборов газов рециркуляции по отношению к i-му отбору (в приведенной формуле при i > 2); ${{r}_{i}}$ – суммарный коэффициент рециркуляции, определяющий общее количество дымовых газов из i-го отбора газов рециркуляции, направляемых в пылесистему и непосредственно в топку; ${{R}_{{\text{т}}}}$ – расчетный комплекс, определяющий долю газов рециркуляции, направляемых непосредственно в топку, который вычисляется по формуле

Здесь $r_{{{\kern 1pt} 1}}^{{\text{т}}}$ – коэффициент рециркуляции для доли дымовых газов, направляемых непосредственно в топку из i-го отбора газов рециркуляции.

При отсутствии рециркуляции газов непосредственно в топку расчетный комплекс ${{R}_{{\text{т}}}}$ = 1.

По тракту сушильного агента в пылесистеме компонентный состав сушильного агента (без водяных паров, выделившихся в результате испарения из топлива влаги) изменяется только из-за присосов воздуха в пылесистемах, работающих под разрежением. Поэтому тепло сушильного агента на выходе из пылесистемы ${{q}_{2}}$ рассчитывается по тем же формулам, что и при расчете тепла сушильного агента на входе в пылесистему ${{q}_{1}},$ но с учетом температуры сушильного агента на выходе из пылесистемы (за мельницей, сепаратором) ${{t}_{2}}$ и тепла, затрачиваемого на нагрев присосанного в пылесистеме воздуха до температуры ${{t}_{2}}.$

Тепло, поступающее с присосанным в пылесистему с воздухом, ${{q}_{{{\text{прс}}}}}$ как приходная статья теплового баланса рассчитывается по формуле

где ${{g}_{1}}$ – количество сушильного агента на входе в пылесистему, кг/кг (на 1 кг сухого воздуха); ${{K}_{{{\text{прс}}}}}$ – коэффициент, учитывающий присос холодного воздуха в пылесистеме в долях ${{g}_{1}};$ ${{c}_{{{\text{вл}}{\text{.в}}}}}$ – средняя объемная теплоемкость влажного воздуха, кДж/(м³ ⋅ К); ${{t}_{{{\text{х}}{\text{.в}}}}}$ – температура холодного воздуха, °С; d – влагосодержание холодного (атмосферного) воздуха, кг/кг; $\rho _{{{\text{с}}{\text{.в}}}}^{0}$ – плотность сухого воздуха при нормальных условиях, м³/кг.

Относительное количество присосанного воздуха в пылесистеме $\Delta {{{{\alpha }}}_{{{\text{п}}{\text{.с}}}}},$ которое задается в тепловом расчете котла по [2] (по отношению к ${{V}^{0}}$), связано с ${{K}_{{{\text{прс}}}}}$ следующим соотношением:

Количество сушильного агента на входе в пылесистему ${{g}_{1}}$ рассчитывается по формуле

где $\sum {M_{i}^{{\text{г}}}} $ – сумма потоков дымовых газов в пылесистему с массой $M_{i}^{{\text{г}}}$ каждый; $\sum {\beta _{j}^{{{\text{п}}{\text{.с}}}}} $ – сумма потоков организованного воздуха в пылесистему с относительным количеством $\beta _{j}^{{{\text{п}}{\text{.с}}}}.$

Масса потока дымовых газов в пылесистему из i-го отбора газов рециркуляции $M_{i}^{{\text{г}}},$ кг (на 1 кг сожженного топлива), рассчитывается как

где $r_{i}^{{{\text{п}}{\text{.с}}}}$ – коэффициент рециркуляции для доли дымовых газов, направляемых в пылесистему; ${{M}_{{{\text{д}}{\text{.г}}}}}$ – масса дымовых газов (без учета газов рециркуляции), кг (на 1 кг сожженного топлива), вычисляется следующим образом: где ${{A}^{r}}$ – зольность топлива в рабочем состоянии, %.

Тепло, затрачиваемое на испарение влаги из топлива, рассчитывается как

где $\Delta W$ – количество влаги, испарившейся из топлива, кг/кг (на 1 кг сырого топлива); ${{h}_{s}}$ – энтальпия водяного пара; ${{h}_{{{\kern 1pt} w}}}$ – энтальпия воды.

Количество испарившейся влаги ΔW определяется по формуле

где ${{W}_{1}}$ – влажность топлива на входе в пылесистему (при отсутствии предварительной сушки топлива принимается равной влаге сырого топлива в рабочем состоянии), %; ${{W}^{{{\text{п}}{\text{.с}}}}}$ – влажность пыли (на выходе из пылесистемы), %.

Энтальпии ${{h}_{s}}$ и ${{h}_{w}}$ определяются по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара [4] при температуре сушильного агента на выходе из пылесистемы (за мельницей, сепаратором) и температуре топлива соответственно.

ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ПЫЛЕСИСТЕМЫ

Решение уравнения теплового баланса позволяет рассчитывать основные параметры пылесистемы, от которых зависят условия сушки и транспортировки топлива, безопасность и надежность работы пылесистемы. Это уравнение является базовым для последующего определения воздушного и материального балансов топочно-горелочного устройства котла. Основные возможные варианты теплового расчета пылесистемы приведены в таблице (по главным параметрам теплового баланса). Расчет по последним двум вариантам требует использования методов последовательных приближений.

Количество сушильного агента на выходе из пылесистемы ${{g}_{2}},$ кг (на 1 кг сырого топлива), получаемое в результате теплового расчета пылесистемы, вычисляется по формуле

где ${{r}_{{{\text{с}}{\text{.а}}}}}$ – коэффициент рециркуляции сушильного агента на всас мельницы.

Коэффициент рециркуляции учитывается в схемах пылесистем с рециркуляцией сушильного агента, например пылесистем c бункером пыли и шаровыми барабанными мельницами, и определяется здесь как доля сушильного агента, отбираемого за мельницей (сепаратором), по отношению к количеству сушильного агента за местом отбора.

Другие параметры сушильного агента на выходе из пылесистемы: плотность, содержание сухого воздуха и кислорода, влагосодержание и относительная влажность, температура точки росы сушильного агента при любой сушке топлива (газовой, воздушной или газовоздушной) – определяются, как и для влажной газовой смеси, по фактическому составу сушильного агента и его термодинамическим параметрам.

Спецификой и преимуществом данного подхода к тепловому расчету пылесистем является то, что рассматриваемая методика наряду с проведением теплового расчета пылесистемы позволяет составлять общий материальный баланс газовоздушного тракта котельной установки и, дополнительно, пылегазовоздушного тракта топочно-горелочного устройства котла. При этом помимо общих теплотехнических параметров пылесистемы рассчитываются массовые, объемные расходы и температура сушильного агента по его тракту в пылесистеме, составляется общий и поэлементный воздушный баланс топки, определяются распределение и расход всех вводимых в топку потоков топлива, сушильного агента, газов рециркуляции и воздуха по горелкам и другим узлам ввода потоков, расход и температура транспортирующего агента, концентрация пыли в пылепроводах. Алгоритм теплового расчета пылесистемы позволяет рассчитывать параметры сушильного агента по его тракту с учетом фактических мест ввода потоков рециркулирующего сушильного агента, присосов воздуха, воздуха на уплотнение мельниц и др.

В рассматриваемой методике предусматривается возможность проведения совместного теплового расчета котла и пылесистемы, схема реализации которого приведена на рис. 1. Совместный расчет осуществляется методом итераций с тепловыми расчетами котла (по отдельной программе) и пылесистемы на каждом шаге итераций с непосредственным обменом общими в котле и пылесистеме параметрами пылегазовоздушного тракта и приведением к одному и тому же расходу топлива. Сходимость расчета контролируется по изменению в процессе итерации расхода топлива в котле, температуры и расходов компонентов сушильного агента.

Алгоритм теплового расчета пылесистем реализован в компьютерной программе, которая прошла апробацию при расчетах нескольких котельных установок, в том числе при совместных с котлом тепловых расчетах. На рис. 2 и 3 показаны фрагменты программы с примерами результатов теплового расчета пылесистемы (с газовой сушкой и прямым вдуванием) и топочно-горелочного устройства котла в составе расчета котельной установки энергоблока мощностью 800 МВт.

Также эта программа совместно с программой теплового расчета котла используется в НИУ МЭИ при изучении программных средств теплового расчета котельных установок, при обучении магистров по направлению подготовки “Энергетическое машиностроение” и выполнении магистерских диссертаций [5].

ВЫВОДЫ

1. Новый подход к тепловому расчету систем пылеприготовления, при котором пылесистема рассматривается и рассчитывается как часть котельной установки, работающая в едином технологическом цикле с котлом и имеющая общий с ним пылегазовоздушный тракт, позволяет выполнять совместный тепловй расчет котла и пылесистемы.

2. В рассматриваемом тепловом расчете пылесистемы определение параметров сушильного агента осуществляется, как и для газовоздушной смеси, по фактическому составу направляемых в пылесистему потоков дымовых газов и воздуха, определенному из общего с котлом материального баланса газовоздушного тракта котельной установки. Энтальпии газов и воздуха вычисляются в соответствии с нормами теплового расчета котлов по полному элементному составу сжигаемых топлив и их смесей.

3. В методике теплового расчета учитывается фактическое тепло, поступающее с сушильным агентом при сжигании не только одного вида топлива, но и смеси твердых топлив, а также твердых топлив совместно с газообразным и/или жидким топливом.

4. Алгоритм теплового расчета пылесистемы реализован в компьютерной программе, которая позволяет наряду с тепловым расчетом пылесистемы составлять общие материальные балансы газовоздушного тракта котельной установки и пылегазовоздушного тракта топочно-горелочного устройства котла.