Разработка котельного агрегата ДКВр 20-13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данной курсовой работе выполнен поверочно-конструкторский расчет котла ДКВр 20-13 - двухбарабанного котла, вертикально-водотрубного реконструированного.

Для топочной камеры и конвективных котельных пучков выполнен поверочный расчет.

Для водяного экономайзера - конструктивный расчет.

Также разрабатывается проект котельного агрегата с экономайзером.

Исходные данные:

Поверхность нагрева, установленная за котлом - экономайзер

Номинальная паропроизводительность котла - 20 т/ч

Давление пара - 14 атм (ата)

Температура питательной воды (после деаэратора) - 80 ⁰С

Вид топлива - г/д Саратов-Москва

Способ сжигания топлива - в факеле

Температура наружного воздуха (в котельной) - 25 ⁰С

В первой главе производится расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания при б=1. Для этого рассчитывается теоретическое количество воздуха необходимое для полного сгорания топлива и минимальный объем продуктов сгорания, которые получились бы при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха.

Во второй главе приводится описание котла ДКВР 20-13, производится выбор топочного устройства по исходным данным, приводятся расчетные характеристики топки, определение коэффициентов избытка воздуха, рассчитываются энтальпии продуктов сгорания для разных участков, тут же строится J-и диаграмма продуктов сгорания, производится расчет теплового баланса и расхода топлива, а также тепловой расчет топки, расчет конвективных пучков.

В третьей главе проводится конструктивный расчет водяного экономайзера, находится его поверхность нагрева, число и ряд труб.

В четвертой главе производится определение расчетной невязки теплового баланса.

В пятой главе составляется таблица теплового расчета котельного агрегата.

Описание топлива:

В качестве топлива в котельном агрегате используется природный газ, поступающий из газопровода Саратов-Москва

В качестве газообразного топлива используется природный газ газоконденсатных и газонефтяных месторождений. Природные газы подразделяются на три группы:

1. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений. В основном состоят из метана и являются тощими или сухими. Содержание тяжелых углеводородов (от пропана и выше) в сухих газах 50 мг/м³.

2. Газы, которые выделяются из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью. Такие газы называются попутными. Кроме метана также газы содержат обычно свыше 150 мг/м³ тяжелых углеводородов. Они являются жирными газами. Жирными газами называются такие газы, которые представляют собой смесь сухого газа, пропан-бутановой фракции и газового бензина.

3. Газы, добываемые из конденсатных месторождений. Такие газы состоят из смеси сухого газа и паров конденсата, которые выпадают при сжижении. Пары конденсата представляют собой смесь паров тяжелых углеводородов, содержащих С₅ и выше (бензин, керосин и лигроин).

Природный газ не имеет запаха. До подачи в сеть его одорируют, т.е. придают резкий не приятный запах, который ощущается при 1% концентрации.

Газообразное топливо очищают от примесей.

Природный газ состоит из метана СН₄ (до 98%) и других углеводородов. Теплота сгорания =28000-46000 кДж/м³. Природные газы отличаются малым содержанием балласта, отсутствием серы, окиси углерода и пыли.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащих некоторое количество примесей. К горючим газам относятся углеводороды, водород и оксид углерода. Негорючими компонентами являются азот, диоксид углерода и кислород. Они составляют балласт газообразного топлива.

В сравнении с твердым топливом применение в котельных установках жидкого и газообразного топлива значительно выгоднее т.к. упрощается его транспортировка, хранение и сжигание, а также значительно повышается коэффициент полезного действия котла. При использовании газа автоматизируется производство, и ликвидируются складские помещения.

Расчетные характеристики топлива:

Месторождение - г/д Саратов-Москва

Состав газа по объёму [6]:

CH₄=84,5%

C₂H₆=3,8%

C₃H₈=1,9%

C₄H₁₀=0,9%

С₅Н₁₂ и более=0,3%

N₂=7,8%

CO₂=0,8%

Плотность, кг/м³ (при 0 ⁰С и 760 мм рт. ст.), =0,837 кг/м³

= 8550 ккал/м³ =10215 кДж/кг

1. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания при б=1 (для газообразного топлива)

Теоретическое количество воздуха необходимое для полного сгорания топлива:

Минимальный объем продуктов сгорания, которые получились бы при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (б=1):

,

,

,

,

2. Котел. Описание котла типа ДКВр 20-13

Котельные установки - это теплогенерирующие установки, т.е. целью их работы является получение тепловой энергии сгорания сжигаемого в них топлива и передачи полученной теплоты теплоносителю.

Котельные установки подразделяются по роду вырабатываемого теплоносителя на паровые и водогрейные, а по характеру обслуживания потребителей - на отопительные, отопительно-производственные и производственные. Котельные производственные и отопительные (предназначенные для покрытия отопительных нагрузок) работают определенное количество дней в году, в зависимости от характера производства и длительности отопительного периода.

Проектируемой теплогенерирующей установкой является котельный агрегат ДКВр 20-13.

Котел ДКВр 20-13 (первое число после наименования котла обозначает паропроизводительность, т/ч; второе число - давление пара в барабане котла, кгс/смІ ати) - двухбарабанный, вертикально-водотрубный с естественной циркуляцией, реконструированный, бескаркасной конструкции. Он используется для производства насыщенного и перегретого (при установке пароперегревателя) пара давлением 14 и 24 кгс/см².

Котел предназначен для производственно-отопительных и районных котельных. При сжигании газообразного топлива компонуется камерной топкой.

Котельный агрегат ДКВр 20-13 представляет собой два продольно-расположенных барабана, установленных друг над другом, диаметром 1000 мм и сваренных из листовой стали. Поверхность верхнего барабана должна быть хорошо изолирована огнеупорным материалом для обеспечения требуемого срока службы котла.

Котельный агрегат обмурован со всех сторон тяжелыми кирпичными стенами толщиной 510 мм за исключением задней стенки толщиной 380 мм. Котел устанавливается на бетонном основании выше уровня чистого пола.

По боковым стенам обмуровки котельного агрегата вмонтированы люки для осмотра котла изнутри. Штампованное днище нижнего барабана имеет специальные лазы, закрываемые люками. Таким образом, у котла имеются четыре люка для ревизии с правой и с левой сторон (по два на каждую) и один с фронтовой стороны между газовыми горелками. С левой и с задней сторон можно произвести тщательный наружный осмотр котельного агрегата, а также произвести качественную регулировку расхода пара, благодаря смотровым площадкам, закрепленным на металлическом каркасе, который опоясывает обмуровку котла. В данном проекте запроектировано три смотровые площадки, подъем на которые можно осуществить по металлическим лестницам, приваренным к каркасу площадок. В свою очередь все смотровые площадки оборудованы перилами, установленными для предотвращения падения служебного персонала с этих площадок.

В верхней части котельного агрегата установлены два взрывных клапана. При нерасчетном режиме работы котельного агрегата - взрыве, резко возрастает объем дымовых газов. Дымовые газы свободно проходят через крупноячеистую сетку, затем разрушают асбестовую плиту и выходят по направляющей трубе наружу.

На верхнем барабане запроектирована вся необходимая запорно-регулирующая, предохранительная, контрольно-пропускная арматура, а также манометр, измеряющий давление в барабане котлоагрегата. На передней части котла установлены водоуказательные приборы.

На фронтовой части котла установлены три газомазутные горелки типа ГМГм, через которые топливо подается в топку котельного агрегата. Для этого во фронтальной стене обмуровки имеются расширяющиеся отверстия в топку, необходимые для образования факела горения и раскрытия его на необходимый угол.

По боковым сторонам за пределы вынесены трубы, соединенные с верхними и нижними коллекторами и обоими барабанами. Эти трубы - выносные циклоны. Выносные циклоны необходимы для разделения пароводяной смеси соответственно на пар и воду. От выносных циклонов в верхней части котла к верхнему барабану выходят две трубы, по которым движется пар.

С задней стороны в обмуровке имеется отверстие, через которое из конвективной части котла выходят дымовые газы. К этому отверстию возможно присоединение поверхностей нагрева - воздухоподогревателя или экономайзера. По заданию необходимо рассчитать и запроектировать поверхность нагрева - экономайзер, который соединен с котлом с помощью специального короба.

На наружной поверхности обмуровки имеются отверстия, в которые вмонтированы трубы периодической продувки. В нижний барабан дополнительно подведены трубы для прогрева котла паром при растопке.

Котел ДКВр 20-13 состоит из двух продольно-расположенных барабанов, которые соединяются между собой пучком кипятильных (конвективных) труб. Трубы боковых экранов приварены к верхним коллекторам. Нижние концы экранных труб приварены к нижним коллекторам. В нижнем барабане расположены трубы периодической продувки и спускная линия.

Перед кипятильным пучком котлов расположена топочная камера, которая для уменьшения потерь тепла с уносом и химическим недожогом делится кирпичной шамотной перегородкой на две части: собственно топку и камеру догорания. Дымовые газы совершают в котле горизонтально-поперечное с несколькими поворотами движение. Это обеспечивается установкой между кипятильными трубами чугунных перегородок, которые делят их на первый и второй газоходы. Выход газов из камеры догорания и из котла, как правило, асимметричен.

Вода в трубы боковых экранов поступает одновременно из верхнего и нижнего барабанов.

В котлах ДКВр 20-13 применено двухступенчатое испарение. Первая ступень испарения включает конвективный пучок, фронтовой и задний экраны, а также боковые экраны заднего топочного блока. Боковые экраны переднего топочного блока включены во вторую ступень испарения. Сепарационными устройствами второй ступени испарения являются выносные циклоны центробежного типа. Циркуляционные контуры второй ступени испарения замыкаются через выносные циклоны и их опускные трубы; первой ступени испарения - через опускную часть конвективного пучка. Питание циркуляционного контура второй ступени испарения осуществляется из нижнего барабана в выносные циклоны.

Газоходы разделены между собой чугунной перегородкой по всей высоте газохода котла с окном (от фронта котла) справа. Передняя часть нижнего барабана крепится неподвижно, а остальные части котла имеют скользящие опоры, а также реперы, которые контролируют удлинения элементов при температурном расширении.

Топка сформирована экранными трубами, которые образуют соответственно: передний или фронтовой экран, левый боковой экран, правый боковой экран (аналогично левому), задний экран топки.

Барабаны котла, рассчитанные на давление 14 кгс/см², имеют одинаковый внутренний диаметр (1000 мм) при толщине стенок 13 мм. Для осмотра барабанов и расположенных в них устройств, а также для очистки труб шарошками на заднем и переднем днищах имеются лазы. В водяном пространстве верхнего барабана находится питательная труба для непрерывной продувки; в паровом объеме - сепарационные устройства также устанавливается воздушный кран и собственно паропровод, на котором установлен главный парозапорный вентиль. Следует также отметить, что в данной работе запроектирован кран для отвода пара на собственные нужды котельной. В верхнем барабане над топкой установлены две легкоплавкие вставки (смесь олова и свинца), которые плавятся при температуре около 300°С, что приводит к выпуску воды в топку, прекращению горения топлива и предохранению барабана от перегрева. На верхнем барабане установлена арматура: водоуказательные приборы, предохранительные клапаны, термометр, манометр. На всех котлах ДКВР над топкой и газоходом установлены взрывные и предохранительные клапаны. В нижнем барабане установлены перфорированная труба для периодической продувки, устройство для прогрева барабана при растопке и штуцер для спуска воды.

Движение топочных газов осуществляется следующим образом: Топливо и воздух подаются в горелки, а в топке образуется факел горения. Теплота от топочных газов в топке, за счет радиационного и конвективного теплообмена, передается всем экранным трубам (радиационным поверхностям нагрева), где эта теплота за счет теплопроводности металлической стенки и конвективного теплообмена от внутренней поверхности труб передается воде, циркулирующей по экранам. Затем топочные газы с температурой 900-1100 °С выходят из топки и через окно справа в кирпичной перегородке переходят в камеру догорания, огибают кирпичную перегородку с левой стороны и входят в первый газоход, где передают теплоту конвективному пучку труб. С температурой около 600 °С топочные дымовые газы, огибая чугунную перегородку с правой стороны, входят во второй газоход кипятильного пучка труб и с температурой около 200-250 °С, с левой стороны, выходят из котла и направляются в водяной экономайзер.

За котельным агрегатом устанавливается поверхность нагрева - экономайзер. Экономайзер является одной из составных частей котлоагрегата. Так как температура воды в котельном агрегате везде одинакова и растет с увеличением давления, то без установки водяного экономайзера глубокое охлаждение уходящих газов невозможно.

Котел оборудован устройствами и приборами, обеспечивающими безопасную работу котельного агрегата и позволяющими безотказно и быстро производить пуск, остановку и регулирование его работы. За нормальной эксплуатацией котельного агрегата необходимо наблюдать и контролировать происходящие в нем процессы. Для этого применяют различные контрольно-измерительные приборы. Изменение давления в котельном агрегате или отклонение уровня воды в барабане за допустимые пределы может вызвать аварийную ситуацию, связанную с непосредственной опасностью для обслуживающего персонала. Поэтому, согласно правилам, на паровом котле для непосредственного наблюдения и контроля за давлением и уровнем воды в барабане установлены манометр, водоуказательные приборы и предохранительные устройства.

Предохранительная арматура служит для ограничения движения, расхода и направления движения среды. К ней относятся: предохранительные клапаны на питательных линиях, автоматические быстрозапорные клапаны на паропроводах, обратные клапаны. Обратные клапаны пропускают среду только в одном направлении и автоматически закрываются при обратном ее движении. Устанавливают их на входе питательной воды в парогенератор для исключения возможности ее обратного движения из котла при падении давления в питательном трубопроводе. Обратные клапаны устанавливают также на напорных патрубках питательных насосов для предотвращения обратного движении воды при остановке последних.

Питательная вода по питательным трубопроводам 15 поступает в верхний барабан 16, где смешивается с котловой водой. Из верхнего барабана по последним рядам труб конвективного пучка 18 вода опускается в нижний барабан 17, откуда по подпиточным трубам 21 направляется в циклоны 8. Из циклонов по опускным трубам 26 вода подается к нижним камерам 24 боковых экранов 22 второй ступени испарения, пароводяная смесь поднимается в верхние камеры 10 этих экранов, откуда поступает по трубам 9 в выносные циклоны 8, в которых разделяется на пар и воду. Вода по трубам 31 опускается в нижние камеры 20 экранов, отсепарированный пар по перепускным трубам 12 отводится в верхний барабан. Циклоны соединены между собой перепускной трубой 25.

Рис. 1 Общая схема циркуляции воды в котле ДКВР-20-13

1 - вторая ступень испарения; 2 - фронтовой экран; 3 - камера; 4 - непрерывная продувка; 5 - рециркуляционные трубы; 6 - перепускная труба из верхнего коллектора в барабан; 7, 10, 11 - верхние камеры; 8 - выносные циклоны; 9 - перепускные трубы из верхней камеры в выносной циклон; 12 - перепускные трубы из выносного циклона в барабан; 13 - патрубок отвода пара; 14 - сепарационное устройство; 15 - питательные линии; 16 - верхний барабан; 17 - нижний барабан; 18 - конвективный пучок; 19, 20, 23, 24 - нижние камеры; 21 - подпиточные трубы; 22 - боковые экраны; 25 - перепускная труба; 26 - опускные трубы; 27, 29, 30, 31 - перепускные трубы; 28 - пароотводящие трубы.

Экраны первой ступени испарения питаются из нижнего барабана.

В нижние камеры 20 боковых экранов 22 вода поступает по соединительным трубам 30, в нижнюю камеру 19 заднего экрана по другим трубам. Фронтовой экран 2 питается из верхнего барабана - вода поступает в нижнюю камеру 3 по опускным трубам 27.

Пароводяная смесь отводится в верхний барабан из верхних камер 10 боковых экранов первой ступени испарения по пароотводящим трубам 28, из верхней камеры 11 заднего экрана трубами 29, из верхней камеры 7 фронтового экрана трубами 6. Фронтовой экран имеет рециркуляционные трубы 5.

2.1 Топка. Выбор топочного устройства. Описание топочного устройства и топочного объема

Топка - устройство, предназначенное для сжигания топлива с целью получения теплоты. Топка выполняет функцию горения и теплообменного аппарата - теплота излучением и конвекцией одновременно передается от факела горения и продуктов сгорания к экранным поверхностям, по которым циркулирует вода. Доля лучистого теплообмена в топке, где температура топочных газов порядка 1000°С, больше чем конвективного, поэтому, чаще всего, поверхности нагрева в топке называют радиационными.

Топочные устройства в зависимости от способа сжигания делятся на камерные и слоевые. Выбор способа сжигания и типа топочного устройства определяется видом топлива, его реакционными свойствами и физико-химическими свойствами золы, а также производительностью и конструкцией котла.

Топочное устройство должно обеспечивать экономичность работы котла в необходимых пределах регулирования нагрузки, бесшлаковую работу поверхностей нагрева, отсутствие газовой коррозии экранных труб, минимальное содержание окислов азота и сернистых соединений в уходящих газах.

Для сжигания природного газа, мазута и пылевидного твердого топлива обычно используют камерные топки. В конструкции камерной топки можно выделить четыре основных элемента: топочную камеру, экранную поверхность, горелочное устройство и систему удаления шлака и золы.

Обмуровкой называют ограждения, отделяющие топочную камеру и газоходы котельного агрегата от внешней среды. Обмуровку выполняют из красного или диатомового кирпича, огнеупорного материала или из металлических щитов с огнеупорами. Внутренняя часть обмуровки в топке, или футеровка, со стороны топочных газов и шлаков, выполняется из огнеупорных материалов: шамотного кирпича, шамотобетона и других огнеупорных масс. Обмуровка и футеровка должны быть достаточно плотными, особо высокоогнеупорными, стойкими к химическому воздействию шлаков и иметь малый коэффициент теплопроводности. Несмотря на более высокую стоимость шамотного кирпича или другого огнеупорного материала по сравнению с обычным красным кирпичом, все эксплуатационные расходы покроют капитальные, благодаря высоким теплофизическим свойствам, а также высокой стойкостью к продуктам сгорания.

Экранная радиационная поверхность нагрева выполнена из стальных труб. Экраны воспринимают теплоту за счет радиации и конвекции и передают ее воде или пароводяной смеси, циркулирующим по трубам. Экраны защищают обмуровку от мощных тепловых потоков.

В камерных топках котлов паропроизводительностью до 25 т/ч сжигается газообразное топливо и мазут.

Таблица №1. Расчетные характеристики топки

№	Наименование величин	Обозначение	Размерность	Величина
1	Видимое теплонапряжение зеркала горения	•10-3		-
2	Видимое теплонапряжение топочного объема	•10-3		250
3	Коэффициент избытка воздуха в топке	бт	-	1,15
4	Потеря тепла от химнедожога	q3	%	1,5
5	Потеря тепла от мехнедожога	q4	%	-
6	Содержание горючих в шлаке и провале	Гшл+пр	%	-
7	Содержание горючих в уносе	Гун	%	-
8	Доля золы топлива в шлаке и провале	ашл+пр	-	-
9	Доля золы топлива в уносе	аун	-	-
10	Давление воздуха под решеткой	Рв	мм вод. ст.	-
11	Температура дутьевого воздуха	tв	оС	-

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки принимаем из таблицы «Расчетные характеристики камерной топки» (РН 5-02, РН 5-03[6]).

Коэффициент избытка воздуха для других участков газового тракта получаются путем прибавления к б_т присосов воздуха принимаемых по [6], РН 4-06.

Для выполнения теплового расчета газовый тракт котельного агрегата делят на самостоятельные участки: топочную камеру, конвективные испарительные пучки и экономайзер.

Таблица №2. Средние характеристики продуктов сгорания в поверхностях нагрева котла

№	Наименование величин	Размерность	V=9.52нм3/кг V=7,6 нм3/кг	V=1,037 нм3/кг V=2,11 нм3/кг
			Топка	Конвективные пучки	Экономайзер
1	Коэффициент избытка воздуха перед газоходом б'	-	1,15	1,20	1,25
2	Коэффициент избытка воздуха за газоходом б”	-	1,20	1,25	1,35
3	Коэффициент избытка воздуха (средний) б	-	1,175	1,225	1,30
4	V=V+0,0161·(-1)·Vо	нм3/кг	2,218748	2,226676	2,238568
5	Vг=V+V+V+(-1)·Vо	нм3/кг	12,804418	13,304766	14,055288
6	r=	-	0,082472	0,07937	0,075132
7	r=	-	0,17328	0,16736	0,15927
8	rг=r+ r	-	0,255752	0,24673	0,234402

Энтальпия газов, представляющая собой произведение объема газов на их теплоемкость и температуру, возрастает с повышением температуры.

При вычислении I-и таблицы рекомендуется для каждого значения коэффициента избытка воздуха б определить величину лишь в пределах, немного превышающих реально возможные пределы температур в газоходах. Величина представляет собой разность двух соседних по горизонтали значений при одном б.

Результаты вычислений сводятся в таблицу 3.

По расчетным данным таблицы 3 строится диаграмма I-и продуктов сгорания.

Таблица №3. Тепловой баланс и расход топлива

№	Наименование величины	Обозначение	Расчетная формула, способ определения	Размерность	Расчет
1	Располагаемое тепло топлива	Q	Q=Q+Q Q=cтл·tтл, при tтл=0 Q=0 и Q=Q	ккал/кг	10215
2	Температура уходящих газов	и ух	По приложению IV [6]	оС	180
3	Энтальпия уходящих газов	Iух	Из диаграммы I-и при и ух	ккал/кг	843,29
4	Температура холодного воздуха	tхв	Согласно заданию	оС	25
5	Энтальпия холодного воздуха	Iхв	Iхв=ух·Vо(с•и)хв	ккал/кг	101,143
6	Потери тепла от мех. недожога	q4	По характеристикам топки	%	-
7	Потери тепла от хим. недожога	q3	По характеристикам топки	%	1,5
8	Потеря тепла с уходящими газами	Q2 q2	Q2=(Iух-ух·Iхв)· q2=·100	ккал/кг %	711,8 6,3289
9	Потеря тепла в окружающ. среду	q5	По РН 5-01 [6]	%	1,3
10	Коэффициент сохранения тепла	ц	ц=1-	-	0,987
11	Потеря тепла с физическим теплом шлаков	q6	q6=·100= где: ашл - по расчетным характеристикам топки; (с•и)шл - энтальпия шлака, при tшл=600оС по РН4-04 [6] (с•и)шл=133,8 ккал/кг	%	-
12	Сумма потерь тепла	Уq	Уq=q2+q3+q4+q5+q6, при сжигании газа и мазута q4=0; q6=0	%	9,1289
13	К.П.Д. котлоагрегата	зка	зка=100-Уq	%	90,87
14	Энтальпия насыщенного пара	i''нп	Из термодинамических таблиц согласно Рнп (приложение V [6])	ккал/кг	666,2
15	Энтальпия питательной воды	i'пв	Из термодинамических таблиц согласно t'пв (приложение V [6])	ккал/кг	80,524
16	Тепло, полезно использованное в котлоагрегате	Qка	Без пароперегревателя Qка=D·(i''нп- i'пв)	ккал/час	11713520
17	Полный расход топлива	В	В=	кг/час	1146,222
16	Расчетный расход топлива	Вр	Вр=В·, при сжигании газа и мазута Вр=В	кг/час	1146,222

Таблица №4. Тепловой расчет топки

Наименование величины	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Размерность	Расчет
Объем топочной камеры	Vт	По данным приложения I [6]	м3	42,5
Полная луче-воспринимающая поверх. нагрева	Нл	По данным приложения I [6]	м2	65
Поверхность стен	Fст	Fст=6	м2	71,27
Степень экранирования топки	ш'	для камерных топок	для слоевых топок	-	0,912
		ш'=	ш'=
Площадь зерк. гор.	Rзг	По приложению III [6]	м2	-
Поправочный коэффициент	в	По приложению VI [6]	-	1,0
Эффективная толщина излучающего слоя	S	S=3,6·	м	2,15
Абсолютное давление газов в топке	р	Принимается р=1,0	ата	1,0
Температура газов на выходе из топки	и”т	Принимается предварительно по приложению VII [6]	оС	1000
Коэффициент ослабления лучей в пламени	k	Для светящегося пламени: k=1,6· Для несветящегося пламени: k=kг·(р+р), где: kг - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, определяемый по номограмме IX [6]. Для полусветящегося пламени: k=kг·(p+p)+kn·µ, где kn - коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяемый по номограмме Х [6]; µ- концентрация золы в дымовых газах, г/нм	-	0,192
Произведение	k·p·s	k·p·s	-	0,413
Степень черноты топочной среды	а	Принимается по номограмме ХI [6]	-	0,33
Эффективная степень черноты факела	аф	в·а	-	0,33
Условный коэффициент загрязнения	ж	По РН 6-02 [6]	-	1,0
Произведение	ш'·ж	ш'·ж	-	0,912
Параметр, учиты-вающий влияние излучения горящего слоя	с	с=	-	-
Степень черноты топки	ат	Для слоевых топок: ат= Для камерных топок: ат=	-	0,287
Присос холодного воздуха в топку	Дбт	По РН 4-06 [6]	-	0,05
Коэффициент избытка воздуха, организованно поданного в топку	бт	бт=бтШ-Дбт, где бтШ принимается из табл. №1	-	1,15
Температура горячего воздуха	tгв	Принимается согласно расчетным характеристикам топки	оС	-
Энтальпия горячего воздуха	Iгв	Iгв=бт·Vo·(c•и)гв	ккал/кг	-
Энтальпия холодного воздуха	Iхв	При отсутствии подогрева воздуха Iхв=бт·Vo·(c•и)хв при наличии подогрева воздуха Iхв=Дбт·Vo·(c•и)хв	ккал/кг	85,583
Тепло, вносимое воздухом в топку	Qв	При отсутствии подогрева воздуха Qв=Iхв при наличии подогрева воздуха Qв=Iхв+Iгв= =Дбт·Vo·(c•и)хв+бт·Vo·(c•и)гв	ккал/кг	85,583
Тепловыделение в топке на 1кг (1нм3) топлива	Qт	Qт=Q·+Qв	ккал/кг	11163,68
Теоретическая (адиабатическая) температура горения	Qа	По I-и диаграмме согласно величине Qт	оС	2205
Тепловыделение на 1 м2 поверхности нагрева	-		ккал/м2ч	19686
Температура газов на выходе из топки	QтЅ	По номограмме I [6]	оС	1160
Энтальпия газов на выходе из топки	IтЅ	По I-и диаграмме согласно величине QтЅ	ккал/кг	5561,6
Тепло, переданное излучением в топке	Qл	Qл=ц·(Qт-IтЅ)	ккал/кг	5529,2
Тепловая нагрузка лучевоспринимающей поверхности нагрева топки	-		ккал/м2ч	97503
Видимое тепло-напряжение топочного объема	-		ккал/м3ч	30332
Приращение энтальпии воды в топке	?iт	?iт=	ккал/кг	316,88

2.2 Конвективные пучки. Общее описание конвективных пучков

Испарительная поверхность нагрева вертикально-водотрубных котельных агрегатов состоят из развитого пучка кипятильных труб вальцованных в верхний и нижний барабаны, топочных экранов питаемых водой из котельных барабанов через опускные и соединительные трубы из коллекторов. Коллектор выполнен из труб диаметром до 219 мм, экранные трубы присоединены к ним сваркой. Как правило, котел ДКВр имеет три циркуляционных контура: один, образуемый кипятильными трубами котла, и два, образуемые экранами. Часть питательной воды, поступающей в верхний барабан котла по группе кипятильных труб, являющихся опускными, проходит в нижний барабан. Здесь вода разделяется на 3 потока: один из них по группе кипятильных труб, являющихся подъемными, возвращается в верхний барабан в виде пароводяной смеси, а два других по соединительным трубам проходят в нижние коллекторы экранов, затем в экранные трубы и, наконец, также в виде пароводяной смеси, в верхний барабан котла. Другая часть питательной воды, поступающей в котел, из верхнего барабана по опускным трубам также поступает в коллектор.

Для обеспечения надежной работы и расчетной производительности котельного агрегата большое значение имеет правильная организация движения воды в испарительных поверхностях нагрева. Надежная работа может быть обеспечена в том случае, когда вода, движущаяся в кипятильных и экранных трубах работающих при повышенной температуре, создает необходимое охлаждение металла этих труб, так как снижение механической прочности металла при повышении температуры может привести к их разрушению.

Следует отметить, что естественная циркуляция в кипятильных и экранных трубах происходит под действием гравитационных сил, обуславливаемых разностью плотностей воды и пароводяной смеси.

При расчете используются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса, а расчет выполняется для 1 м³ газа при нормальных условиях.

Таблица №5. Расчет кипятильного пучка

Наименование величины	Обозначение	Расчетная формула, способ определения	Размерность	Расчет
Конструктивные характеристики:
а) расположение труб	-	По данным приложения I [6]	-	коридорное
б) диаметр труб	dн/dвн	То же	мм	51/46
в) поперечный шаг	s1	То же	мм	110
г) продольный шаг	s2	То же	мм	100
д) число труб в ряду первого газохода	z	То же	шт	22
е) число рядов труб в первом газоходе	z	То же	шт	13
ж) число труб в ряду второго газохода	z	То же	шт	22
з) число рядов труб во втором газоходе	z	То же	шт	15
и) общее число труб	z	z=z·z+z·z	шт	616
к) средняя длина одной трубы	lср	По данным приложения I [6]	мм	2600
л) конвективная поверхность нагрева	Нк	Нк=z·р·dн·lср	м2	256,48
Среднее сечение для прохода газов	Fср	По данным приложения I [6]	м2	1,75
Температура газов перед кипятильным пучком 1го газохода	иґ1кп	Из расчета топки (без пароперегревателя) иґ1кп=QЅт-(30ч40)оС	оС	1120
Энтальпия газов на входе	Jґ1кп	По диаграмме J-и	ккал/кг	5347,17
Температура газов за кипятильным пучком 2го газохода	иЅ2кп	Предварительно принимаем по приложению VIII [6]	оС	310
Энтальпия газов за 2ым газоходом	JЅ2кп	По диаграмме J-и при иЅ2кп и б2кп	ккал/кг	1470,83
Средняя температура газов	иср	иср=0,5·(иґ1кп+иЅ2кп)	оС	715
Тепловосприятие кипятильных пучков	Qб	Qб=ц·(Jґ1кп-JЅ2кп+?бкп·J)	ккал/кг	3830,94
Секундный объем газов	Vсек	Vсек=	м3/сек	15,33
Средняя скорость газов	щг.ср	щг.ср=Vсек/Fср	м/сек	8,76
Температура насыщения при давлении в барабане котла	ts	По приложению V [6]	оС	194,13
Коэффициент загрязнения	е	Принимается по номограмме XII [6]		0,005
Температура наружной стенки трубы	tз	tз=ts+е·	оС	279,733
Объемная доля водяных паров	r	r=0,5·(рґ+рЅ), где рґи рЅ-парциальное давление водяных паров на входе и выходе из пучков (табл.2)	-	0,17
Коэффициент теплообмена конвекцией	бк бн Сz Cср	бк=бн·Сz·Cср По номограмме II [6]		50,49
Объемная доля сухих трехатомных газов	r	Из табл.2 проекта r=р	-	0,07937
Объемная доля трехатомных газов	rг	rг=r+r	-	0,249
Эффективная толщина излучающего слоя	S	s=(1,87·	м	0,1836
Суммарная поглощательная способность трехатомных газов	rг·s	рг·s=rг·s	м·ата	0,0457
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами	kг	По номограмме IX [6]	-	2,35
Сила поглощения газового потока	k·p·s	kг·pг·sг·р, где р=1 ата	м·ата	0,1074
Поправочный коэффициент	а	По номограмме XI [6]	-	0,11
Коэффициент теплообмена излучением	бл бн Сг а	бл=бн·Сг·а По номограмме XI [6] то же из пункта 22 расчета		9,438
Коэффициент омывания поверх-ности нагрева	щ	По приложению II [6]	-	0,9
Коэффициент теплопередачи	k	k=		43,0626
Температурный напор на входе газов	?tґ	?tґ=иґ1кп-ts	оС	925,87
Температурный напор на выходе газов	?tЅ	?tЅ=иЅ2кп-ts	оС	115,87
Среднелогарифми-ческий температур-ный напор	?t	?t=	оС	391,3
Тепловосприятие поверхности нагре-ва по уравнению теплопередачи	Qт	Qт=	ккал/кг	3770,46
Отношение расчетных величин тепловосприятия		Если Qб и QТ отличаются меньше, чем на 2%, расчет считается законченным, в противном случае расчет повторяется с изменением величины иЅ2кп	%	1,58
Приращение энтальпии воды	?i	?i=	ккал/кг	219,555

3. Описание водяного экономайзера

Водяные экономайзеры устанавливают для снижения температуры уходящих газов, а, следовательно, для повышения коэффициента полезного действия котельной установки. Чугунные экономайзеры изготовляются по отраслевым стандартам «Экономайзеры чугунные блочные» ГОСТ 24.03.002.

Экономайзеры бывают индивидуальные и групповые. Как правило, устанавливать индивидуальные экономайзеры, так как они работают равномерно и с наименьшим избытком воздуха.

Водяные экономайзеры изготавливаются чугунными и стальными.

В данной курсовой работе в качестве поверхности нагрева запроектирован индивидуальный экономайзер, установленного за котлом. Компоновка - одноколонковый экономайзер (несколько горизонтальных рядов труб образуют группы, которые компонуют в одну или две колонки). Группы в требуемом количестве собираются в пакет. Пакет собирают в каркасе с глухими стенками, состоящими из изоляционных плит, обшитых металлическими листами. Торцы экономайзеров закрываются четырьмя съёмными металлическими щитами, запроектированными для возможности качественного осмотра внутренней части экономайзера и для его очистки.

Проектируемый экономайзер имеет собственный фундамент из-за значительной массы устройства. Фундамент экономайзера не связан с фундаментом котельного агрегата.

Экономайзер соединен с котлом с помощью специального короба, непосредственно по которому двигаются дымовые газы. В коробе имеется мягкая вставка для предотвращения передачи вибрации. На верхней части короба установлен взрывной клапан.

В нижней части имеется дымоход, по которому осуществляется выход отработанных дымовых газов. Внизу устроены люки для чистки.

На внешней поверхности экономайзера имеется ввод питательной воды в нижнем ряду и выход отепленной питательной воды из верхнего ряда.

Приборы на входе питательной воды расположены непосредственно у дымохода, а приборы на выходе - на питательном трубопроводе рядом с верхним барабаном котла, над задней смотровой площадкой. Приборы запроектированы так, чтобы обслуживающему персоналу было удобно обеспечить их регулировку и снимать показания с измерительных приборов, а также во избежание их помех при эксплуатации.

Предусмотрена установка чугунного экономайзера, так как чугунные экономайзеры возможно применять при давлениях до 23 ати. Чугунные экономайзеры не допускают кипения воды в них, т. к. при гидравлическом ударе они могут выйти из строя. Температура воды на выходе из чугунного экономайзера на 20 °С ниже температуры кипения воды в барабане котла.

Чугунные экономайзеры собирают из чугунных ребристых труб и соединяют чугунными коленами (дугами и калачами). Питательная вода должна последовательно пройти по всем трубам экономайзера снизу вверх. Такое ее движение необходимо, т.к. при нагревании воды падает растворимость находящихся в ней газов, и они выделяются из нее в виде пузырьков, которые постепенно продвигаются вверх, где и удаляются через воздушный сборник. Скорость движения воды должна быть не менее 0,3 м/с, чтобы лучше смывать пузырьки.

На концах труб экономайзера имеются квадратные приливы - фланцы, которые при монтаже образуют две сплошные металлические стенки. Стыки между фланцами герметизируются асбестовым шнуром для устранения присосов воздуха. Сбоку стенки с дугами и калачами закрываются съемными крышками.

Температура воды при входе в экономайзер превышает температуру точки росы дымовых газов не менее чем на 10 °С. Это необходимо для того, чтобы исключить конденсацию водяных паров, входящих в состав дымовых газов и осаждение влаги на трубах экономайзера.

Чугунный экономайзер прост и надёжен в эксплуатации. Он устойчив против коррозии, поэтому его применению следует отдать предпочтение перед воздухоподогревателями в тех случаях, когда подогрев воздуха является необходимым для интенсификации процесса горения или для повышения КПД топки.

Рис. 2 Детали чугунного водяного экономайзера системы ВТИ: а - ребристая труба; б - соединение труб.

Чугунный экономайзер является не менее надёжной частью агрегата, чем собственно котёл. Он не требуют частых остановок, поэтому он не имеет обводных боровов, являющихся источником значительных присосов воздуха в газовый тракт.

Циркуляция в экономайзере происходит следующим образом. Вода из питательной линии подается в одну из крайних нижних труб, а затем последовательно проходит через все эти калачи по всем трубам, после чего поступает в котел.

Вода движется по трубам снизу вверх. Газы, омывая трубы снаружи, движутся сверху вниз. При такой схеме движения (противотоке) газов и воды обеспечивается лучшее удаление выделяемых из воды пузырьков воздуха с внутренней стенки трубы, а также уменьшается количество золы и сажи, осаждающихся на наружной поверхности труб. Водяные экономайзеры с ребристыми трубами сравнительно быстро загрязняются золой и сажей, поэтому периодически наружные поверхности экономайзеров обдуваются перегретым паром или сжатым воздухом.

Рис. 3 Чугунный экономайзер марки ВТИ

В качестве предохранительного устройства экономайзера использован взрывной клапан, который устанавливается на верхнем коробе экономайзера, присоединенного к котлу. При нерасчетном режиме работы котельного агрегата - взрыве, резко возрастает объем дымовых газов. Дымовые газы свободно проходят через крупноячеистую сетку, затем разрушают асбестовую плиту и выходят по направляющей трубе наружу.

На экономайзере устанавливается следующая арматура:

а) на входе - регулирующий клапан, обводная линия с вентилем, задвижка, обратный клапан, вентиль и обратный клапан на дренаже, манометр, термометр, предохранительный клапан.

б) на выходе - вентиль для выпуска воздуха, манометр, предохранительный клапан, термометр, вантуз, вентиль и обратный клапан, установленные непосредственно на входе трубопровода питательной воды в верхний барабан котла.

К достоинствам чугунных экономайзеров относятся устойчивость к коррозии их внешней и внутренней поверхности, а также сравнительно небольшая стоимость, что оправдывает их применение в котельных небольшой мощности. Недостатками чугунных экономайзеров являются: громоздкость, особенно при больших площадях поверхности нагрева, низкая теплопередача и большая чувствительность к гидравлическим ударам, что не позволяет нагревать воду в них до кипения.

3.1 Расчет водяного экономайзера

Таблица №6. Расчет водяного экономайзера

Наименование величины	Обозначение	Расчетная формула, способ определения	Размерность	Расчет
Конструктивные характеристики:
а) диаметр труб	dн/dгн	По приложению I [6]	мм	76/60
б) расположение труб	-	То же	-	корид.
в) поперечный шаг	s1	То же	мм	150
г) продольный шаг	s2	То же	мм	150
д) относительный поперечный шаг	s1/dн	То же	-	1,97
е) относительный продольный шаг	s2/dн	То же	-	1,97
ж) средняя длина одной трубы	lср	Принимается по приложению IХ [6]	мм	3000
з) число труб в ряду колонки	z1	То же	шт	9
и) число рядов труб по ходу газов	z2	Принимается предварительно в зависимости от вида топлива: а) газ, мазут z2=12; б) твердые топлива с Wр > 22% - z2=14; в) твердые топлива с Wр < 22% - z2=16.	шт	12
Средняя скорость газов	щг	Принимается равной 6ч8 м/сек	м/сек	7
Температура газов на входе	иґвэ	Из расчета кипятильных пучков котла иґвэ=иЅкп	оС	310
Энтальпия газов на входе	Jґвэ	По J-и диаграмме	ккал/кг	1470,83
Температура газов на выходе	иЅвэ	Из задания иЅвэ=иух	оС	180
Энтальпия газов на выходе	JЅвэ	По J-и диаграмме	ккал/кг	843,29
Температура воды на входе в экономайзер	tґ	Из задания tґ=tґпв	оС	80
Энтальпия воды на входе в экономайзер	iґ	Согласно расчету теплового баланса котлоагрегата (табл.4)	ккал/кг	80,524
Тепловосприятие экономайзера по балансу	Qб	Qб=ц·(Jґвэ-JЅвэ+?бвэ·J)	ккал/кг	629,365
Энтальпия воды на выходе из экономайзера	iЅ	iЅ= iґ+Qб·	ккал/кг	116,594
Температура воды на выходе из экономайзера	tЅ	По приложению V при Рк [6]	оС	194,13
Температурный напор на входе газов	?tґ	?tґ=иґвэ-tЅ	оС	115,87
Температурный напор на выходе	?tЅ	?tЅ=иЅвэ-t'	оС	100
Средний темпера-турный напор	?tср	?tср=0,5·(?tґ+?tЅ)	оС	107,935
Средняя температура газов	и	и=0,5·(иґвэ+иЅвэ)	оС	245
Средняя температура воды	t	t=0,5·(tґ+tЅ)	оС	137,065
Объем газов на 1кг топлива	Vг	По табл.2 расчета	нм3/кг	14,055
Сечение для прохода газов	Fг	Fг=	м/сек	1,213
Коэффициент теплопередачи	k kн Cх	Пономограмме XVI [6]		16,575
Поверхность нагрева	Нвэ	Нвэ=	м2	403,233
Число рядов труб по ходу газов	z2	z2=	шт	9,98
Число рядов труб, принятое по конструктивным соображениям	z2к	По приложению I [6]	шт	9
Число рядов труб в одной колонке	zґ2к	zґ2к=0,5·z2к	шт	4
Высота колонки	h	h=s2·zґ2к+(500ч600)	мм	1200
Ширина колонки	b	b=s1·z1	мм	1350
Приращение энтальпии воды	?i	?i=	ккал/кг	36,07

4. Определение невязки теплового баланса

Таблица №7. Определение расчетной невязки теплового баланса

Наименование величины	Обозначение	Расчетная формула, способ определения	Размерность	Расчет
Количество тепла, воспринятое на 1кг топлива лучевоспринимающими поверхностями топки, определенное из уравнения баланса	Qл	Из табл. №5	ккал/кг	5529,22
То же, кипятильными пучками	Qкп	Из табл. №6	ккал/кг	3830,94
То же, экономайзером	Qэк	Из табл. №7	ккал/кг	629,365
Общее количество полезно использованного тепла	Q1	Q1=Q·зка/100	ккал/кг	10219,967
Невязка теплового баланса	?Q	?Q=Q1-(Qл+Qкп+Qэк)·(1-)	ккал/кг	230,442
Относительная величина невязки	д1	д1=	%	2,05
Приращение энтальпии воды в топке	?iт	Из табл. №5	ккал/кг	316,886
То же, в кипятильных пучках	?iкп	Из табл. №6	ккал/кг	219,555
Приращение энтальпии воды в экономайзере	?iэк	Из табл. №7	ккал/кг	36,07
Сумма приращений энтальпий	?i1	?i1=?iт+?iкп+?iэк	ккал/кг	572,511
Невязка теплового баланса	?i-?i1	iпв-?i1	ккал/кг	13,165
Относительная величина невязки	д2	д2=	%	2,3

5. Сводная таблица теплового расчета котлоагрегата

Таблица №98. Сводная таблица теплового расчета котлоагрегата

Наименование величин	Размерность	Наименование газохода
		топка	кипятильные пучки	экономайзер
Температура газов на входе иґ	оС	-	1120	310
То же, на выходе иЅ	оС	1160	310	180
Средняя температура газов и	оС	-	715	245
Энтальпия газов на входе Jґ	ккал/кг	-	5347,17	1470,83
То же, на выходе JЅ	ккал/кг	5561,63	1470,83	843,29
Тепловосприятие Qб	ккал/кг	-	3830,94	629,365
Температура вторичного теплоносителя на входе tґ	оС	-	-	80
То же, на выходе tЅ	оС	-	-	194,13
Скорость газов щг	м/с	-	8,76	7
Скорость воздуха щв	м/с	-	-	-

Заключение

котел воздух топливо экономайзер

В данной курсовой работе был проведен поверочно-конструкторский расчет котельного агрегата и экономайзера. Курсовая работа выполнена согласно заданию с использованием всей необходимой справочной и нормативной литературой и методов расчета. Для выполнения теплового расчета газовый тракт котлоагрегата разделен на ряд самостоятельных участков: топочную камеру, конвективные пучки, экономайзер.

КПД котельного агрегата составляет 90,87 %. Расчетный расход топлива 1146,2 кг/ч. Тепло полезно используемое в котлоагрегате 11,714 Гкал/ч.

В качестве топлива в котельном агрегате используется природный газ, поступающий из третьей нитки газопровода Ставрополь-Москва. Тепловыделение в топке на 1 м² поверхности нагрева 196862,4 ккал/м²ч. Тепло переданное излучением в топке составляет 5529,22 ккал/кг топлива.Температура газов на выходе из топки 1160 °С.

Тепловосприятие кипятильных пучков 3830,94 ккал/кг, средняя температура газов 715 °С. При расчете было найдено тепловосприятие поверхности нагрева по уравнению теплопередачи, и по уравнению баланса, различие между которыми составило 1,58%, что в пределах нормы (<2%).

Поверхность нагрева установленная за котлом - экономайзер из чугунных ребристых труб длиной труб 3000 мм. Количество рядов труб в одной колонке, полученое в расчете, равно 9; число рядов труб по ходу газов, принятое по конструктивным соображениям, также равно 9. Средняя температура газов здесь составляет 245 °С. Температура воды на входе в экономайзер - 80 °С. Температура воды на выходе из экономайзера - 194,13 °С.

По определённому количеству полезного тепла, воспринимаемого различными поверхностями котельного агрегата, найдена тепловая невязка д₁=2,05%. Также определена относительная величина тепловой невязки по энтальпии д₂=2,3%.

По поверочно-конструктивному расчёту сконструирован водяной экономайзер. Выполнена обвязка котла и экономайзера с нанесением необходимой арматуры (предохранительные клапаны, вентили, обратные клапана, регулирующие клапаны, задвижки, воздушник, манометр, термометры, вантуз).

Список литературы

1. Гусев Ю.Л. Основы проектирования котельных установок. Издание 2, переработанное и дополненное. Издательство литературы по строительству. Москва, 1973. - 248 с.

2. Щёголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С. Котельные установки. Издание 2, приработанное и дополненное. Издательство литературы по строительству. - Москва, 1972.

3. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. - Москва, Стройиздат, 1986. - 560 с.

4. СНиП II-35-76. Котельные установки.

5. Методические указания для расчета котельного агрегата и экономайзера. К курсовой работе по ТГУ для студентов специальности 270109 - Теплогазоснабжение и вентиляция / Сост.: А.Е. Ланцов, Г.М. Ахмерова. Казань, 2007. - 26 с.

6. Расчетные нормали, приложения и номограммы к поверочно-конструкторскому и аэродинамическому расчетам котельного агрегата и экономайзера к курсовой работе и курсовому проекту по ТГУ для студентов специальности 270109. / Сост.: А.Е. Ланцов, Г.М. Ахмерова. - Казань, 2009. - 54 с.

7. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Энергоатомиздат. - Ленинград, 1989. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru