Котельные установки ТЭС: теплотехнические расчеты

Минск
«Вышэйшая школа»
2017

Допущено 
Министерством образования
Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия 
для студентов учреждений 
высшего образования 
по специальностям
«Тепловые электрические станции»,
«Автоматизация и управление 
теплоэнергетическими процессами» 

Г.И. Жихар
Котельные 
установки ТЭС

Теплотехнические 
расчеты

УДК 621.182:621.311.22(075.8)
ББК 31.37я73
Ж75

Р е ц е н з е н т ы: заведующий отделением энергетических систем, процессов и технологий Института тепло- и массообмена им. А.В. Лынькова Национальной акаде мии 
наук Беларуси, член-корреспондент, профессор, доктор технических наук В.А. Бо родуля; доцент кафедры энергосбережения, гидравлики и теплотехники учреждения 
образования «Белорусский государственный технологический университет» кандидат технических наук, доцент В.В. Дударев

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части 
не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Жихар, Г. И.
Ж75 
Котельные установки ТЭС : теплотехнические расчеты : учебное пособие / Г. И. Жихар. – Минск : Вышэйшая школа, 2017. – 
224 с. : ил.
ISBN 978-985-06-2883-1.

Подробно рассмотрена методика выполнения укрупненного расчета котельных установок ТЭС. Приведены технические характеристики и краткое описание 
современных мощных паровых и стальных водогрейных котлов. Уделяется внимание вопросу выбора тягодутьевых машин котла. Даны рекомендации для выбора 
вентилятора, дымососа и электродвигателей к ним. 
Для студентов теплоэнергетических специальностей учреждений высшего образования.
Учебное издание

Жихар Георгий Иосифович

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ТЭС
Теплотехнические расчеты

Учебное пособие
Редактор Е.В. Савицкая. Художественный редактор Т.В. Шабунько. Технический редактор Н.А. Лебедевич. Корректор Е.В. Савицкая. Компьютерная верстка А.Н. Бабенковой

Подписано в печать 19.07.2017. Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гар ни тура «NewtonC». Офсетная 
печать. Усл. печ. л. 14,0. Уч.-изд. л. 16,6. Тираж 300 экз. Заказ 2121.

Республиканское унитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая шко ла”». Свиде тель ство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/3 
от 08.07.2013. Пр. Победителей, 11, 220004, Минск. e-mail: market@vshph.com   http://vshph.com

Открытое акционерное общество «Типография “Победа”». Свидетельство о госу дарст вен ной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 2/38 от 29.01.2014. Ул.  Тавлая, 11, 222310, Молодечно.

УДК 621.182:621.311.22(075.8)
ББК 31.37я73 

ISBN 978-985-06-2883-1 
© Жихар Г.И., 2017
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ

Котельные установки ТЭС – важная составляющая тепловых электрических станций. В связи с этим подготовка на должном уровне специалистов в области энергетики и энергетического оборудования представляется чрезвычайно важной задачей. 
Предлагаемое учебное пособие соответствует учебной программе 
по специальностям «Тепловые электрические станции», «Автоматизация 
и управление теплоэнергетическими процессами» учреждений высшего 
образования. Оно необходимо при выполнении студентами дипломных 
проектов по разделам «Укрупненный тепловой расчет котла» и «Выбор 
тягодутьевых машин», а также может быть полезно при подготовке курсового проекта по дисциплине «Котельные установки ТЭС» и при изучении дисциплины «Вспомогательное оборудование ТЭС».
Теплотехнические расчеты обеспечивают эффективную и надежную 
работу котла, а значит, и тепловой электростанции в целом. 
Расчеты необходимо проводить в определенной последовательности:
1) выбрать способ сжигания и тип углеразмольных мельниц для заданного вида топлив;
2) выбрать температуру уходящих газов, которая оказывает решающее 
влияние на экономичность работы котла и на величину расхода топлива;
3) для эффективного сжигания топлива в котлах выбрать оптимальную температуру подогрева воздуха, которая определяется не только 
характеристиками сжигаемого топлива, но и организацией его сжигания;
4) произвести расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания для выбранного способа сжигания заданного вида топлива;
5) выполнить расчет теплового баланса котла и определить КПД 
котла и расход топлива;
6) с учетом часового расхода топлива определить часовой расход воздуха и дымовых газов;
7) определить сопротивление воздушного и газового тракта котла;
8) с учетом часовых объемов воздуха и газов, а также сопротивления 
воздушного и газового трактов выбрать необходимые вентиляторы 
и дымососы для данного котла по справочным данным, приведенным 
в настоящем пособии;
9) рассчитать мощность для выбранного вентилятора и дымососа;
10) по расчетной мощности электродвигателей и принятому напряжению и частоте вращения выбрать тип электродвигателя для вентилятора 
и дымососа по справочным данным, приведенным в настоящем пособии.
При подготовке издания использованы современные литературные 
источники и официальные каталоги.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Тепловые 
электрические станции» БНТУ за оказанную помощь при оформлении 
рукописи пособия.

Автор

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Обозначение
Размерность
Наименование величины

1. Топливо

а) твердое и жидкое

W r
1
% на рабочую массу
Содержание влаги общей

Ar
% на рабочую массу
Зольность

(
)
СО
крб
2
r
% на рабочую массу
Содержание диоксида углерода карбонатов

S
S , Sк
р
r
о
r
r
,
% на рабочую массу
Содержание серы пиритной, органической, 
колчеданной

C H N O
r
r
r
r
,
,
,
% на рабочую массу
Содержание углерода, водорода, азота, кислорода

Q
Q
Q
r
S
r
r
б  
 
,
,
1
кДж/кг
Теплота сгорания по калориметрической бомбе, высшая, низшая

V daf
%
Выход летучих веществ (на сухую беззольную 
массу)

A
A
Q
r
r
r
пр =103
1
/
%/(кДж/кг)
Приведенная зольность топлива

W
W
Q
r
r
r
пр =103
1
1
/
%/(кДж/кг)
Приведенная влажность топлива

Г
, Г
ун
шл пр
+
%
Содержание горючих в уносе, шлаке и провале

a
a
ун
шл пр
 ,
+
–
Доля золы топлива в уносе, шлаке и провале

B
кг/с
Секундный расход топлива

Bр
кг/с
Расчетный расход топлива с поправкой на механическую неполноту сгорания

tА
°С
Температура начала деформации золы

tВ
°С
Температура размягчения золы

tС
°С
Температура жидкоплавкого состояния золы

t0
°С
Начало истинного жидкого состояния шлака

tн.ж
°С
Температура нормального жидкого шлакоудаления

б) газообразное

dг.тл
г/м3
Содержание влаги (на 1 м3 сухого газа при 0 °С 
и 101,3 кПа)

Ad
г.тл
%
Содержание минеральных примесей (по массе)

Qi
d
кДж/м3
Теплота сгорания низшая 1 м3 сухого газа

ρ
ρ
г.тл
с
г.тл
в
 ,
кг/м3
Плотность сухого и влажного топлива

Обозначение
Размерность
Наименование величины

2. Воздух и продукты сгорания

а) объемы на 1 кг твердого и жидкого или на 1 м3

газообразного топлива (все объемы при 0 °С и 101,3 кПа)

V0
н
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Теоретический объем воздуха, необходимого 
для сгорания топлива (
)
α =1

V0
2
N
н
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Теоретический объем азота (
)
α =1

VRO
н

2
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Суммарный объем углекислого (СО2) и сернистого (SO2) газов

V0H O
н

2
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Теоретический объем водяных паров (
)
α =1

V0г
н
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Объем продуктов сгорания (
)
α =1

Vг
н
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Полный объем продуктов сгорания (
)
α ≠1

Vрц
н
м3 ⋅ кг (м3/м3)
Объем газов, отбираемых для рециркуляции

r
r
r
RO
H O
п
 
 
2
2,
,
–
Объемные доли сухих трехатомных газов, водяных паров. Их суммы

рп
МПа
Суммарное парциальное давление трехатомных 
газов

μзл
кг/кг
Массовая концентрация золы в продуктах сгорания топлива

Gг
кг/кг (кг/м3)
Масса дымовых газов

d
г/кг
Влагосодержание воздуха

3. Коэффициент избытка воздуха

α
α
т
пер
 ,
′
–
Коэффициент избытка воздуха в топке и перед 
перегревателем

Δ
Δ
α
α
т  ,
–
Присосы воздуха в топке и газоходах

Δαпл
–
Присосы воздуха в пылеприготовительной системе

′
βт
–
Отношение количества воздуха, подаваемого 
в топку из воздухоподогревателя, к теоретически необходимому

′
′′
β
β
вп
вп
, 
–
Отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель и выходе из него к теоретически необходимому

βрц
–
Отношение количества воздуха, рециркулирующего в воздухоподогревателе, к теоретически 
необходимому

βизб
–
Отношение количества избыточного воздуха 
(отдаваемого «на сторону») к теоретически необходимому

Раздел 1. УКРУПНЕННЫЙ ТЕПЛОВОЙ 
РАСЧЕТ КОТЛА

Глава 1. Исходные данные для теплового 
расчета котла

1.1. Расчетные характеристики энергетических топлив

Ископаемые твердые топлива разделяются на угли, горючие сланцы 
и торф. Жидким топливом главным образом является мазут, из газообразных в ряде районов как основное, а в остальных случаях как замещающее 
топливо электростанций используется природный газ.
Твердое топливо. В зависимости от теплоты сгорания влажной беззольной массы топлива и выхода летучих веществ угли разделяются 
на четыре типа: бурые, каменные, антрациты и полуантрациты.
Бурые угли по содержанию влаги в рабочей массе топлива разделяются на три группы: Б1, Б2, Б3 при содержании W r
1  соответственно более 
40, 30...40% и менее 30%.
Каменные угли отличаются более глубокой углефикацией исходного 
органического вещества и имеют в связи с этим более высокую теплоту 
сгорания. В зависимости от выхода летучих веществ, свойства спекаемости органической массы угля при высоких температурах и наличия 
жирных смолистых веществ в исходном топливе каменные угли разделяются на несколько марок (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Маркировка каменных углей

Марка угля
Обозначение
Выход летучих веществ на сухую 
беззольную массу V daf , %

Длиннопламенный
Д
> 35

Газовый
Г
> 35

Газовый жирный
ГЖ
27...37

Жирный
Ж
27...37

Коксовый жирный
КЖ
25...31

Коксовый
К
18...27

Коксовый второй
К2
17...25

Слабоспекающийся
СС
25...37

Отощенный спекающийся
ОС
14...22

Тощий
Т
8...17

Угли со спекающимся коксом используются в доменном производстве. Они предварительно обогащаются (отделяется минеральная часть 
вместе с угольной мелочью). Обогащенный угольный концентрат направляется на коксование, а отделенные мелкие фракции топлива 
с повышенной зольностью (Ad > 40%) сжигаются на электростанциях. 
Их называют промежуточным продуктом обогащения. Применяют так 
называемые «мокрый» и «сухой» способы обогащения топлива. В первом случае продукт обогащения называется шламом, во втором – отсевом.
К антрацитам (обозначение – А) относят угли с наиболее высокой 
степенью углефикации и низким выходом летучих веществ (менее 9%). 
К полуантрацитам (обозначение – ПА) относят угли, переходные от каменных углей к антрацитам. Ископаемые угли по крупности кусков при 
сортировке разделяются на классы (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классификация углей по размеру кусков (ГОСТ 19242-73)

Класс
Условное обозначение
Размер кусков, мм

Плитный
П
Более 100

Крупный
К
50...100

Орех
О
25...50

Мелкий
М
13...25

Семечко
С
6...13

Штыб
Ш
Менее 6

Рядовой
Р
0...200

На электростанцию поступает топливо разной крупности, представляющее собой смесь нескольких классов, например СШ – семечко 
со штыбом, т.е. уголь с размером фракций от 13 мм и менее, МСШ – 
угольная мелочь с размером фракций менее 25 мм.
Горючие сланцы представляют собой минеральные породы, пропитанные горючими органическими веществами. Горючие сланцы в минеральной части содержат заметное количество карбонатов, разлагающихся при высокой температуре с выделением диоксида углерода. Поэтому кроме зольности горючих сланцев (Ar = 40...45%) отдельно указывается выделение диоксида углерода в процентах от рабочей массы 
(
)
CO
крб
2
r  = 14...15%. Разложение карбонатов происходит с затратой теплоты, что необходимо учитывать при определении располагаемой теплоты Qр при сжигании сланцев.
Изменение состава рабочей массы по сравнению со средним 
(см. табл. 1.5–1.7) чаще всего связано с отклонениями зольности и влажности добываемых твердых топлив от расчетных значений. В этом случае 

изменяются теплота сгорания топлива и связанные с ней объемы и энтальпии образующихся газов, а также расход воздуха на сжигание топлива. 
Изменение состава топлива, поступающего к горелкам котла, может быть 
связано со сжиганием предварительно подсушенного топлива (сушонка) 
при использовании разомкнутой или полуразомкнутой схемы пылеприготовления. В указанных случаях вначале определяют новое значение 
теплоты сгорания топлива, а затем производят расчет теоретических 
объемов и энтальпий (см. главу 2).
Пересчет низшей теплоты сгорания рабочего топлива с начальной 
влажностью W r
1  на влажность W r
2  или с начальной зольности Аr
1 на зольность Аr
2 осуществляют по формулам, приведенным ниже.
Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива влажностью W r
1  
пересчитывается на топливо влажностью W r
2  по формуле

 
Q
Q
W
W
W
W
i
r
i
r
r
r

r
r
2
1
1
2

1
2
24 42
100
100
24 42
=
+
−
−
−
(
,
)
,
, кДж/кг. 
(1.1)

При изменении зольности рабочей массы топлива при неизменной 
влажности пересчет Qi
r производится по формуле

 
Q
Q
W
W
A
W
A
W
i
r
i
r
r
r
r

r
r
r
2
1
1
1
2

1
1
1
24 42
100
100
24 42
=
+
−
−
−
−
−
(
,
)
,
, кДж/кг. 
(1.2)

При одновременном изменении влажности и зольности для пересчета используется выражение

 
Q
Q
W
W
A
W
A
W
i
r
i
r
r
r
r

r
r
r
2
1
1
2
2

1
1
2
24 42
100
100
24 42
=
+
−
−
−
−
−
(
,
)
,
, кДж/кг. 
(1.3)

При сжигании топлива, состав которого не указан в таблицах, его 
расчетные характеристики устанавливают на основании анализов проб.
Фрезерный торф, предназначенный для пылевидного сжигания, 
должен удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Требования к фрезерному торфу

Показатель
Норма

Содержание общей влаги W r
1 , %, не более
52

Зольность Ad, %, не более
23

Засоренность посторонними горючими примесями (куски размером не более 25 мм), %, не более
8

Жидкое топливо. В соответствии с ГОСТ 10585-2013 в качестве котельного топлива применяется остаточный продукт нефтепереработки – 
мазут двух марок: 40 и 100.

Марка топлива определяется предельной величиной вязкости при 
80 °С, составляющей:
 8,0 °ВУ (градусов условной вязкости) – для мазута 40;
 16,0 °ВУ – для мазута 100. 
Предельная зольность (Аd) мазута 40 и мазута 100 установлена: для 
малозольных мазутов – 0,04 и 0,05% соответственно, для зольных мазутов – 0,12 и 0,14% соответственно.
По содержанию серы мазуты делятся на низкосернистые (массовая 
доля серы ≤0,5%), малосернистые (≤1,0%), сернистые (≤2,0%) и высокосернистые (≤3,5%).
Газообразное топливо. Газообразное топливо представляет собой смесь 
горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей в виде водяного пара и пыли (механические примеси). Различают 
следующие виды газообразного топлива:
 природные газы; 
 попутные газы;
 промышленные газы (доменный, коксовый, синтез-газ).
Физико-химические показатели природного горючего газа определяются ГОСТ 5542-2014, согласно которому при 20 °С и 101,3 кПА теплота 
сгорания низшая должна быть не менее 31,8 МДЖ/м3 (7600 ккал/м3), содержание сероводорода – не более 0,02 г/м3, меркаптановой серы – 
не более 0,036 г/м3.
Состав газообразного топлива задается в процентах по объему, и все 
расчеты относятся к кубическому метру сухого газа при нормальных 
условиях (101,3 кПа и 0 °С).
Теплота сгорания газообразного топлива принимается по калориметрическим данным (табл. 1.4). При отсутствии таких данных теплота 
сгорания 1 м3 газа при нормальных условиях подсчитывается по формуле смешения

 
Q
Q
Q
Q
Q
m
n
m
n
c
H S
2
4
CO
H
2
C H
3
2
2
H SO
CO
H
C H
 кДж
м
=
+
+
+
⎡⎣
⎤⎦
∑
0 01
,
,
. (1.4)

Теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного 
топлива, приведена в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Теплота сгорания отдельных газов

Газ
Обозначение
Плотность ρ, кг/м3
Теплота сгорания, Qi
d

МДж/м3
ккал/м3

1
2
3
4
5

Метан
СН4
0,717
35,88
8570

Этан
С2Н6
1,355
64,36
15 370

Пропан
С3Н8
2,009
93,18
22 260

1
2
3
4
5

Бутан
С4Н10
2,697
123,15
29 415

Пентан
С5Н12
3,454
156,63
37 410

Гексан
С6Н14
3,848
173,17
41 360

Гегтан
С7Н16
4,474
200,55
47 900

Этилен
С2Н4
1,251
59,06
14 107

Пропилен
С3Н6
1,877
86,00
20 541

Бутилен
С4Н8
2,503
113,51
27 111

Бензол
С6Н6
3,485
140,38
33 528

Азот
N2
1,250
–
–

Водород
Н2
0,090
10,79
2580

Двуокись углерода
СО2
1,977
–
–

Окись углерода
СО
1,250
12,64
3020

Кислород
О2
1,428
–
–

Сероводород
Н2S
1,536
23,37
5580

Расчетные характеристики жидких топлив приводятся в табл. 1.5, 
а твердых и газообразных – в табл. 1.6, 1.7.

Окончание табл. 1.4