Проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-4-14 на твердом топливе

Устройство, имеющее топку для сжигания топлива, обогреваемое продуктами сгорания топлива, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного и используемого вне самого устройства, называют паровым котельным агрегатом (котлом). Теплота от топочных газов в топке передается радиационным поверхностям нагрева, а за топкой - конвективным поверхностям нагрева, к которым относят кипятильные трубы и пароперегреватель.

К конвективным, или хвостовым, поверхностям нагрева также относят водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата и снижения расхода топлива.

Элементы парового котельного агрегата представляют собой цилиндры (трубы и сосуды) разного диаметра, соединенные между собой с помощью сварки или вальцовки. Основными деталями парового котельного агрегата являются барабан, коллекторы и трубы. Для возможности осмотра и очистки барабанов и коллекторов выполняют отверстия, называемые лазами, или люками. Внутренний объем парового котла, заполненный водой, называют водным пространством, занятый паром - паровым пространством; поверхность, отделяющую паровое пространство от водного, - зеркалом испарения. В паровом пространстве устанавливают устройства для сепарации пара и влаги. Основное условие, обеспечивающее надежную, безопасную и экономичную работу парового котельного агрегата, - поддержание за счет интенсивного охлаждения теплоносителем на заданном расчетном уровне температуры металлических поверхностей нагрева, подвергающихся постоянному воздействию высоких температур топочных газов. Охлаждение металла достигается путем непрерывной и постоянной циркуляции теплоносителя внутри обогреваемых труб. Теплота от дымовых топочных газов передается трубам, а теплоноситель должен непрерывно отводить эту теплоту от стенок. Если отвод теплоты происходит недостаточно интенсивно, то металл труб может сильно перегреться и потерять свою механическую прочность. Это может привести к появлению на трубах отдулин, свищей и даже к разрыву труб.

Рисунок 1.7.1 - Принципиальная схема парового котла с естественной циркуляцией: 1 - вода после умягчения ХВО; 2 - питательный насос; 3, 5 - нижний и верхний коллекторы водяного экономайзера; 4 - водяной экономайзер; 6 - питательная линия; 7 - верхний барабан; 8 - нижний барабан; 9, 10 - кипятильные трубы второго и первого газоходов; 11 - опускные трубы; 12 - экранные трубы; 13 - подъемные трубы; 14 - паропровод; 15, 17 - коллекторы пароперегревателя; 16 - пароперегреватель; 18 - перегретый пар; 19 - воздухоподогреватель

Питательная вода 1 из деаэратора после водоподготовки ХВО питательным насосом 2 подается вначале в водяной экономайзер 4, где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем по питательной линии 6 идет в верхний барабан 7 парового котла, где смешивается с котловой водой. Одна часть котловой воды из верхнего барабана по кипятильным трубам 9, расположенным в области более низких температур топочных газов, опускается в нижний барабан 8, откуда по подъемным трубам 10, расположенным в области более высоких температур топочных газов, нагретая вода и пароводяная смесь поднимаются в верхний барабан. Другая часть котловой воды из верхнего барабана 7, по опускным трубам 11, расположенным вне топки (обычно снаружи или в обмуровке), подводится к нижним коллекторам экранных труб 12, распределяется по коллекторам, нагревается в экранных трубах 12, а образующиеся пузырьки пара и пароводяная смесь поднимаются в верхний барабан 7 котла. Путь, по которому совершается движение теплоносителя, называется циркуляционным контуром. Пар, полученный в испарительных поверхностях нагрева, в верхнем барабане котла проходит через паросепарационные устройства, где из него отделяются капельки влаги. После осушки полученный сухой насыщенный пар по паропроводу 14 идет к потребителю или в пароперегреватель 16, где при этом же давлении пар нагревается до более высокой (чем при состоянии сухого насыщенного пара) температуры.

При работе парового котла уровень воды в верхнем барабане колеблется между низшим и высшим положениями. Низший допускаемый уровень (НДУ) воды в барабанах паровых котлов устанавливается (определяется) для исключения перегрева металла стенок верхнего барабана, кипятильного пучка, а также обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы контуров циркуляции. Обычно низший допускаемый уровень располагается выше на 100 мм над огневой линией. Огневая линия - это наивысшая горизонтальная линия соприкосновения горячих топочных газов с неизолированной стенкой верхнего барабана котла. Положение высшего допускаемого уровня (ВДУ) воды в барабанах паровых котлов определяется из условий предупреждения попадания воды в паропровод или пароперегреватель, что может привести к гидравлическому удару паропровода, вибрации.

Объем воды, содержащейся в барабане между высшим и низшим уровнями, определяет «запас питания», т.е. время, позволяющее котлу работать без поступления в него воды. Для повышения КПД теплогенератора возможна также и установка воздухоподогревателя 19. Естественная циркуляция в паровом котле осуществляется за счет гравитационных сил, обусловленных разностью плотностей воды и пароводяной смеси. Плотность воды в опускных трубах выше плотности пароводяной смеси в подъемных трубах, хотя давление и температура насыщения в любой точке контура одинаковы. Поэтому вода идет вниз, а пароводяная смесь поднимается вверх. Кроме того, пузырьки пара всегда стремятся занять верхнее положение, что улучшает естественную циркуляцию. В котле может быть несколько контуров циркуляции. Отношение циркулирующей воды в контуре к количеству образовавшегося пара называется кратностью циркуляции и в паровых котлах может составлять K = 10…100.

Нарушение нормальной циркуляции может быть вызвано:

* неравномерным прогревом поверхностей испарения, что обычно имеет место при шлаковании отдельных участков труб;

* неравномерным распределением воды по трубам экранов и коллекторов, что имеет место при загрязнении шламом;

* несимметричным заполнением факелом горения топочного объема и др.

Весьма опасным является выпуск (или спуск) воды из барабана котла вследствие халатного отношения персонала. В этом случае в опускные трубы может попасть пар из барабана, образуется кавитация, циркуляция совершенно прекращается, что приводит к перегреву труб и верхнего барабана и в конечном итоге - к аварии.

1.8 Основные и вспомогательные элементы котлоагрегата

Хвостовыми поверхностями нагрева называют расположенные в котле последними по пути дымовых газов. Они омываются газами сравнительно низкой температуры.

Применяют две основные схемы взаимного расположения экономайзера и воздухоподогревателя:

1. Последовательное размещение, при котором первым по ходу газов находится экономайзер, а за ним - воздухоподогреватель.

2. Двухъярусное (двухступенчатое в рассечку) расположение при котором дымовые газы сначала проходят через верхнюю часть экономайзера и верхнюю часть воздухоподогревателя, а затем через их нижние части.

Двухступенчатое размещение хвостовых поверхностей нагрева несколько усложняет конструкцию котла. Появляются длинные перепускные короба для воздуха, дополнительные коллекторы и перепускные трубы экономайзера. Однако при таком расположении можно повысить температуру воздуха и тем улучшить условия подсушки и воспламенения топлива. Такую схему почти никогда не применяют в газо-мазутных котлах и считают целесообразной лишь при сжигании антрацитов и тощих углей. В энергоблоках с промежуточным перегревом пара дымовые газы настолько охлаждаются в обоих пароперегревателях, что применение двухъярусной схемы становится затруднительным. В котлах сверхкритического давления хвостовые поверхности нагрева размещены последовательно.

Водяные экономайзеры предназначены для нагрева питательной или сетевой воды за счет теплоты уходящих топочных газов, благодаря чему уменьшаются потери теплоты и повышается КПД. По типу бывают групповые и индивидуальные экономайзеры, а по материалу - чугунные и стальные. В водяной экономайзер вода подается питательным насосом, за счет напора которого и осуществляется ее принудительное движение в трубах экономайзера. Для паровых котлов обычно устанавливают индивидуальные экономайзеры, а групповые - на чугунных котлах и паровых (до 1 т/ч пара). Водяные экономайзеры для котлов среднего и высокого давления изготавливают только из стальных труб, для низкого давления - чугунных или стальных. При частичном испарении воды в трубах экономайзер считается кипящим. Чугунные водяные экономайзеры выполняют только некипящими. Температура воды на выходе из чугунного экономайзера должна быть меньше температуры насыщения на 20 °С, так как закипание воды в чугунном экономайзере недопустимо. В стальном экономайзере допустимо закипание воды. Температура воды на входе всех экономайзеров должна быть выше температуры точки «росы» топочных газов на 5…10 °С для избегания низкотемпературной коррозии. Экономайзеры некипящего типа собирают из чугунных, ребристых труб с квадратными фланцами, торцевые стороны этих фланцев имеют канавки с четырех сторон, в которые укладывается шнуровой асбест для уплотнения. Отдельные чугунные, ребристые трубы (длиной 1,5; 2; 2,5; 3 м) соединяют между собой калачами.

Для очистки от внешних отложений, особенно между ребрами, чугунные трубы компонуются в блоки так, чтобы число горизонтальных рядов было не более 8 (4 + 4), между которыми устанавливается обдувочный аппарат. Это необходимо для эффективной обдувки внешних поверхностей чугунного экономайзера паром или сжатым воздухом, так как один обдувочный аппарат обслуживает не более 4 рядов труб вверх и 4 - вниз. При растопке котла, пока котельный агрегат не имеет достаточной паровой производительности, нагретая в чугунном экономайзере вода сливается в деаэратор или бак с питательной водой по «сгонной» линии. Вода в экономайзере должна двигаться только снизу вверх со скоростью 0,3 м/с, так как при нагревании воды выделяется воздух, который потом в верхней части экономайзера удаляется воздушником. Дымовые газы в экономайзере могут двигаться в любом направлении со скоростью 6…10 м/с. Чугунные экономайзеры могут иметь обводной газоход для топочных газов. При чрезмерном повышении температуры воды, выходящей из некипящего экономайзера, следует перевести газы частично или полностью на обводной боров, открыть сгонную линию и усилить питание. В блочных чугунных экономайзерах между ребристыми трубами установлена вертикальная металлическая перегородка, делящая экономайзер на две равные части. Боковые стены имеют кладку из красного кирпича или двухслойную металлическую обшивку, внутри которой уложен изоляционный материал (шлаковата, асбестовермекулит и др.), а торцевые стены экономайзеров после калачей закрываются съемными металлическими крышками с прокладками из асбеста. В верхней части каждой секции установлены взрывные предохранительные клапаны.

На экономайзере некипящего типа устанавливается арматура:

а) на входе - обратный клапан, обводная линия с вентилем, вентиль запорный, регулятор питания, манометр, термометр, предохранительный клапан;

б) на выходе - вентиль для выпуска воздуха (вантуз), манометр, предохранительный клапан, термометр, сгонная линия, запорный вентиль. Кроме того, на нижнем коллекторе должны быть установлены трубопроводы для спуска воды (сливной вентиль), а в удобных местах - устройства для отбора проб воды и измерения температур и давления, а на верхнем коллекторе - вентиль для удаления воздуха.

Экономайзеры кипящего типа выполняются из стальных труб диаметром 28…42 мм и устанавливаются горизонтально в шахматном порядке на каркасе. Они выдерживают высокие давления, в них возможно частичное закипание воды (до 15%), но они больше подвержены коррозии и не отключаются от котла (т.е. остановка экономайзера влечет остановку котла). На входе экономайзера кипящего типа устанавливается такая же арматура, как на некипящих (за исключением обводной и сгонной линий, а также вантуза), а на выходе арматура не устанавливается для обеспечения свободного прохода пароводяной смеси в барабан котла. Питательные экономайзеры предназначены для пропуска питательной воды, а теплофикационные - сетевой воды.

Воздухоподогреватели предназначены для нагрева воздуха за счет теплоты уходящих топочных газов. Воздух, забираемый снаружи или с верхней части котельной, вентилятором подается в воздухоподогреватель, нагревается до температуры примерно 200 °С и поступает в горелки топки, улучшает воспламенение топлива и процесс горения, снижает потери от химического недожога и тем самым повышается КПД котельного агрегата. Воздухоподогреватель располагают обычно после водяного экономайзера. Воздух в воздухоподогреватель нагнетается дутьевым вентилятором через входные короба воздуховоды и отводится к горелкам коробами горячего воздуха. При сжигании в камере газообразного топлива весь воздух вводится через горелку, в которой газ и воздух перемешиваются. При сжигании жидкого топлива также весь воздух вводится через горелку, но топливо с помощью форсунок сначала превращается в мелкие капли, которые затем перемешиваются с воздухом. В этом случае одна часть воздуха вводится через горелку в смеси с топливом (первичный воздух), а другая - через специальные устройства в той же горелке или рядом с ней (вторичный воздух).

По принципу тепловой работы воздухоподогреватели делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных воздухоподогревателях нагрев воздуха осуществляется дымовыми газами через разделяющую их стальную стенку.



Рисунок 1.8.3а - Конструкционные схемы рекуперативных трубчатых воздухоподогревателей: 1, 2 - холодный и горячий пакеты ВП; 3, 4 - первый и второй пакеты экономайзера по ходу питательной воды

В регенеративных воздухоподогревателях (рис. 1.8.3б) дымовые газы сначала нагревают материал с высокой теплоемкостью (волнистые стальные листы, пустотелые керамические тела, металлические шарики и др.), а затем от этого материала нагревается воздух, т.е. поверхность теплообменника попеременно омывается дымовыми газами и воздухом.

Наибольшее применение получили трубчатые рекуперативные воздухоподогреватели, которые представляют собой куб из стальных труб.

Каждая секция представляет собой пакет вертикальных труб, концы которых укрепляется в отверстиях горизонтальных трубных досок. Трубы наружным диаметрам 51 или 40 мм расположены в шахматном порядке, внутри них движутся обычно сверху вниз дымовые газы, тепло которых передается воздуху, движущемуся между трубами.

Каждая секция представляет собой пакет вертикальных труб, концы которых укрепляется в отверстиях горизонтальных трубных досок. Трубы наружным диаметрам 51 или 40 мм расположены в шахматном порядке, внутри них движутся обычно сверху вниз дымовые газы, тепло которых передается воздуху, движущемуся между трубами.

По ширине котла обычно устанавливается несколько таких секций, над ними ставят второй ряд их, а иногда третий и четвертый. Из одного ряда секций в другой воздух перетекает по перепускным коробам. Расширение воздухоподогревателя при его нагревании во время растопки котла воспринимается обычно горизонтальным компенсатором, расположенным над трубными секциями. При работе котла компенсатор находится в сжатом состоянии. Боковые стены трубных секций нагреваются только воздухом и имеют меньшую температуру, чем трубы, внутри которых движутся нагретые дымовые газы. Различие в тепловом удлинении труб и боковых стен невелико у секций высотой до 3 метров, поэтому секции (кубы) делают не больше этой высоты.

Утечка воздуха в пространстве между соседними секциями предотвращается приваркой к крайним трубам вертикальных стальных полос. Воздух и дымовые газы проходят через ротор вертикально в противоположных направлениях (рис. 1.8.3б). Ротор по сечению разделен глухими перегородками на отдельные секции. Поверхность нагрева, состоит из тонких вертикальных стальных пластин, часть которых изготовляют гофрированными. В целях между пластинами движутся газы и воздух. В газовом потоке пластины нагреваются, а затем, попадая в воздушный поток, отдают воздуху полученное от газов тепло. Потеря напора воздуха при движении через воздухоподогреватель определяется в значительной мере числом рядов труб, которые пересекает воздушный поток.

Пароперегреватели предназначены для получения перегретого пара из сухого насыщенного. Это наиболее ответственный элемент котельного агрегата, так как подвержен высоким температурам рабочего агента. Из соображений надежности работы трубы пароперегревателя выполнены из специальных легированных сталей.

Конструкция пароперегревателя состоит из ряда параллельно включенных стальных петлеобразных труб, выполненных в виде змеевиков и объединенных коллекторами - паросборниками. Они устанавливаются в первом газоходе котла, за топкой, после одного или двух рядов кипятильных труб, а иногда часть змеевиков размещают в топочной камере. В первом случае перегреватель будет конвективным, во втором - радиационным. Так как перегреватель стараются расположить в зоне более высоких температур, то необходимо обеспечить его надежную работу при всех режимах работы - правильным выбором скорости движения пара, распределением его по змеевикам, подбором и изготовлением труб из металла, обладающего надлежащими свойствами. Скорость пара в змеевиках составляет 10…25 м/с, а в коллекторе - в 2 раза меньше.

В пароперегревателе, кроме нагрева пара, происходит испарение капелек котловой воды, вносимой с насыщенным паром из барабана, что вызывает образование накипи в змеевиках. Поэтому в верхнем барабане котла должны быть установлены паро-сепарационные устройства, предназначенные для отделения капель влаги из пароводяной смеси. Для получения сухого насыщенного пара используют физические принципы: гравитацию, инерцию и др. Для этого устанавливают:

* в водном объеме - дырчатый металлический лист с диаметром отверстий 10 мм для выравнивания подъема паровых пузырей и козырек для предохранения от проскока большого объема пара;

* в паровом объеме - дырчатый металлический потолок с отверстиями для выравнивания подъема пара; отбойные щитки; жалюзийный сепаратор, проходя через который, пар делает ряд поворотов, в результате капли воды как более тяжелые выпадают из потока, прилипают к металлической стенке и стекают вниз.

Схемы движения пара в пароперегревателе. Направление движения пара в змеевиках пароперегревателя может совпадать с направлением движения газового потока - прямоточное - или быть ему противоположным - противоточное.

По отношению к потоку топочных газов пароперегреватель может включаться по одной из схем: прямоточная - применяется при малых перегревах пара и требует развитой поверхности нагрева; противоточная - применяется при перегреве пара до 400 °С и позволяет иметь наименьшую поверхность нагрева; комбинированная - применяется при больших температурах пара (более 400 °С).

Рисунок 1.8.4 - Схемы включения пароперегревателя: а - прямоточная; б - противоточная; в - смешанная

При прямоточной схеме движения пара (рис. 34) требуется большая поверхность нагрева пароперегревателя, что вызвано относительно низким температурным перепадом (температурным напором) между дымовыми газами и паром. Кроме того, при такой схеме возможны пережоги труб в первых змеевиках (по ходу пара), так как соли, уносимые паром из барабана котла откладываются в них больше, чем в последних змеевиках. В современных паровых котлах эту схему применяют редко.

При противоточной схеме движения (рис. 34, б) при прочных равных условиях требуется меньшая поверхность нагрева, но повышается температура нагрева труб в выходных змеевиках пароперегревателя, что может вызвать их пережег. Смешанная схема движения газов и пара (рис. 34, в) наиболее надежна в эксплуатации. В этом случае входные змеевики (по ходу пара), в которых наблюдаются наибольшие отложения солей, и выходные змеевики с паром максимальной температуры отнесены в область умеренных температур дымовых газов.

Регулирование температуры перегретого пара. Температура перегретого пара может колебаться в связи с изменением коэффициента избытка воздуха, температуры питательной воды, нагрузки котла, производительности дымососа, шлакованием внешних поверхностей пароперегревателя. Температура перегретого пара повышается в случаях: снижения температуры питательной воды (уменьшается парообразование), уменьшения отбора пара из котла, увеличения тяги в топке (пламя подсасывается) или увеличения температуры в топке. Температура перегретого пара понижается, если температура в топке снижается, трубы снаружи покрыты сажей, а внутри - накипью. Для исключения возможности повышения температуры перегретого пара и поддержания ее в заданных пределах устанавливают специальные регуляторы-пароохладители.

Пароохладители поверхностного или вспрыскивающего типа устанавливаются на входе пароперегревателя (по ходу движения пара) или в рассечку.

Пароохладители поверхностного типа выполняются в виде змеевиков, по которым проходит питательная вода, а пар - снаружи.

1.9 Арматура котлов

Арматурой котла называют находящиеся под давлением рабочей среды (воды и пара) устройства для управления движением этой среды. Наиболее применяемыми типами арматуры являются вентили, задвижки и клапаны. К арматуре причисляют и водоуказательные колонки барабанных котлов.

На рис. 1.9.1а показана распространенная конструкция вентиля на давление 100?140 кгс/см². Через корпус вентиля проходит вода или пар, расход которых регулируется поднятием или опусканием тарелки и изменением расстояния между тарелкой и седлом. Перемещение тарелки осуществляется путем поворота штурвала, соединенного посредством конических шестерен со втулкой. Внутрь втулки вставлена верхняя нарезная часть шпинделя. Когда втулка с шестерней вращается вокруг своей оси, шпиндель удерживается от вращения направляющей поверхностью или планкой и перемещается по резьбе вверх или вниз. Вместе со шпинделем перемещается присоединенная к его нижнему концу тарелка. Штурвал, шестерни и втулка присоединены к мостику (траверсе), укрепленному на крышке вентиля. Уплотнение места выхода шпинделя через крышку производится сальником с набивкой. Регулировать количество пропускаемых через трубопровод воды или пара можно при движении их через вентиль в любом направлении.

Это особенно ценно для арматуры высокого давления. Обычно в вентилях малого диаметра жидкость подается под тарелку. У вентилей большого диаметра осуществляется подача жидкости на тарелку, а для облегчения открытия применяют разгрузку вентиля путем отвода воды мимо вентиля по трубе малого диаметра (по байпасу) или путем установки в средней части основной тарелки вентиля разгрузочной тарелки малого диаметра.

Но от направления течения жидкости зависит удобство открытия и закрытия вентиля. Если жидкость подается под тарелку, то есть сначала проходит через седло, а потом омывает тарелку, то значительно облегчается открытие вентиля, но требуется большее усилие для полного его закрытия. Подача жидкости под тарелку удобна также тем, что в периоды, когда вентиль закрыт, разгружается сальник. Если жидкость подавать в обратном направлении, то есть на тарелку вентиля, то затрудняется его открытие из полностью закрытого положения. Но закрытие вентиля получается более плотным вследствие использования давления жидкости для прижатия тарелки к седлу.



Рисунок 1.9.1б - Схема открытия вентиля с разгрузочной малой тарелкой: а - закрытый вентиль; б - открытие малой тарелки; в-полное открытие вентиля

На рис. 1.9.1б показано, как при подъеме шпинделя сначала происходит подъем малой тарелки на определенную высоту и как затем она поднимает за собой основную тарелку.

Неплотность затвора вентиля чаще всего вызывается попаданием между седлом и тарелкой песка, окалины или других посторонних предметов. В отличие от вентилей, которыми изменяют (регулируют) количество проходящей рабочей среды, задвижки устанавливают только для того, чтобы иметь возможность полностью прекратить ее подачу. Механизм задвижки допускает только два положения: полное открытие либо полное закрытие. У задвижек и вентилей одинакова верхняя часть - привод для вращения шпинделя и конструкция сальника. Как у вентиля так и у задвижки может быть установлен вертикальный штурвал с коническим приводом или горизонтальный, соединенный со шпинделем цилиндрическими шестернями. Дополнительная паразитная шестерня служит для того, чтобы сохранить обычную резьбу на шпинделе и в то же время обеспечить привычное для людей вращение штурвала по часовой стрелке при закрытии арматуры вручную.

К нижнему концу шпинделя присоединены две тарелки, которые при опускании прижимаются к седлам, а при открытии задвижки поднимаются вместе со шпинделем в верхнюю часть корпуса.

Клапаном называется запорный или регулирующий орган автоматического действия. У паровых котлов имеются обратные, питательные, редукционные и предохранительные клапаны. Обратный клапан препятствует движению рабочей среды в обратном направлении. Так, например, обратные клапаны на питательных линиях закрываются при аварийном падении давления в питательных трубопроводах и препятствует выпуску воды из котла. По конструкции обратные клапаны подразделяют на подъемные и поворотные.

В подъемных клапанах (рис. 1.9.2, а) запорным органом является тарелка 2, хвостовик которой входит в направляющий канал прилива крышки 1.

В поворотных клапанах (рис. 1.9.2, б) тарелка 6 поворачивается вокруг оси 7 и перекрывает проход. Обратные клапаны устанавливают в котельных обычно на напорных линиях центробежных насосов, на питательных линиях перед котлом для пропуска воды только в одном направлении и в других местах, где имеется опасность обратного движения среды. Питательный клапан служит для автоматического регулирования питания котла в соответствии с расходом пара. В клапанах, устанавливаемых на современных котлах, вода прижимает к седлу вертикальный шибер.

Соприкасающиеся поверхности седла и шибера покрыты наплавленным и затем отполированным слоем твердой высоколегированной стали. На рисунке клапан изображен в закрытом положении. По мере перемещения шибера вверх все большее число отверстий в седле открывается и пропускает воду, количество которой растет почти пропорционально перемещению шибера.

2. Расчетная работа

2.1 Исходные данные

Величина	Единицы измерения
1. Тип котла 2. Паропроизводительность 3. Вид пара 4. Рабочее давление 5. Температура живительной воды 6. Топливо (твердое, газообразное) 7. Температура холодного воздуха 8. Температура выходящих продуктов сгорания 9. Процент продувки 10. Тип экономайзера	КЕ-4-14 D=4 т/ч насыщенный 1,4 МПа (14 ат) 100 Т 30 150 3%

2.2 Конструктивный расчет

Новая серия котлов типа КЕ разработана с паропроизводительностью от 2,5 до 25 т/ч для производства насыщенного или слабо перегретого пара давлением 1,4 или 2,4 МПа. Котлы паропроизводительностью 2,5-10 т/ч имеют длинный верхний и укороченный нижний барабан диаметром 1000 мм. Верхний и нижний барабаны расположены на общей вертикальной оси, их длинна меняется в зависимости от типоразмера котла. Передняя часть верхнего барабана изолирована и расположена над топковой камерой. В водной среде верхнего барабана размещены живительные трубы и штуцер для беспрерывного продувания. Пароводяная смесь, которая образовывается в экранных и кипятильных трубах, поступает под уровень воды в верхнем барабане.

Таблица - Конструктивные характеристики

Объем топки Площадь поверхности стен топки Диаметр экранных труб Шаг труб боковых экранов Площадь поверхности нагрева, восприним. лучи Площадь поверх. нагрева конвективных пучков Диаметр труб конвективных пучков Расположение труб конвективных пучков Поперечный шаг труб Продольный шаг труб Площадь живого пересечения для прохода продуктов сгорания Число рядов труб по ходу продуктов сгорания	12,03 м3 38,57 м3 51 x 2,5 мм 55 мм 20,51 м3 91,89 м3 51 x 2,5 мм коридорное 90 мм 110 мм 0,59 м2 15

Сепарация пара происходит в паровом объеме барабана и дырчатом листе, установленном на расстоянии 0,5 м от верхней образующей барабана, и потом двигается в паропровод или пароперегреватель.

Коллекторы боковых экранов расположены по всей длине котлоагрегатов, и до них кроме экранных труб присоединены настенные трубы конвективного газохода. Это позволило применить легкую натрубную обмуровку. Котлоагрегаты от КЕ-4 до КЕ-10 имеют задний экран, расположенный перед входом из камеры догорания в конвективные пучки. Казаны КЕ с пароперегревателями имеют унифицированный за профилем пароперегреватель, который расположен перед первым пучком конвективной поверхности нагрева. Пароперегреватели … из труб, которые имеют внешний диаметр 32 мм и толщина стенки 3 мм. Пароперегреватели одноходовые и не имеют пароохладителя.

Все котлоагрегаты серии КЕ оснащены цепными воротами с пневмомеханическими закидывателями. Цепные ворота поставляются в виде одного блока, наперед собранного и обкатанного на заводе-изготовителе. Это повысило эксплуатационную надежность ворот и сократило термины ее монтажа.

Для понижения потери тепла от механической неполноты сгорания с отнесением, - топки оснащены системой возврата отнесения. Отнесение возвращается в топку с помощью эжекторов, получающих воздух от вентилятора острого дуновения. Воздух в систему возврата отнесения и в сопла острого дуновения подается вентилятором, который имеет продуктивность 1000 м³/г при полном натиске 3800 Па.

Топочная камера отделена от конвективного пучка глухой мембранной стенкой, сделанной из труб и сваренными между ними стальными полосками (проставками). Во всех типоразмерах серии от 4 до 25 т/ч диаметр верхнего и нижнего барабанов котлоагрегата 1000 мм. Длинна цилиндровой части барабанов в зависимости от продуктивности меняется от 2240 мм (казан продуктивностью 4 т/ч) до 7500 мм (казан продуктивностью 25 т/ч). В каждом барабане в переднем и заднем днище установлены лазовые затворы, что обеспечивает доступ в барабаны при ремонте.

Ширина топочной камеры всех котлоагрегатов серии одинаковая и составляет 1830 мм. Глубина топочной камеры котлоагрегатов серии меняется от 1980 до 7200 мм. Продукты сгорания с топочной камеры через окно, расположенное с левой стороны, следуют в конвективную поверхность нагрева. Она образована трубами, которые соединяют верхний и нижний барабаны. У казанов от 4 до 10 т/ч конвективная поверхность нагрева разделена продольной перегородкой на две части. Продукты сгорания в конвективном газоходе сначала следуют от задней стенки казана до фронтовой, а потом, повернувши на 180 ^о, идут в обратном направлении. Отведение продуктов сгорания проводится со стороны задней стенки через окно, к которому присоединяется газоход, который направляет их в водяной экономайзер.

2.3 Расчет горения топлива

Для расчетов горения топлива из таблиц ТРК выписываем элементарный состав топлива соответствующего месторождения для твердого топлива:

W^P, A^P, S^P, C^P, H^P, N^P, O^P

После чего проверяется состав топлива, который должен быть равен 100%:

W^P + A^P + S^P + C^P + H^P + N^P + O^P = 100%

Далее … теплообразующую способность твердого топлива по формуле:

кДж/кг

Нижнюю теплообразующую способность топлива … переводим соответственно в ккал/м³ и ккал/кг для чего … ккал/кг

Для твердого топлива для дальнейших расчетов … приведенные характеристики топлива:

При расчете паровых и водонагревающих котлов определяем теоретические и действительные объемы воздуха, необходимого для полного сгорания. Это выполняем в такой последовательности:

1) определяем теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания при сжигании твердого топлива:

м³

м³/кг

2) определяем объем трехатомных газов при сжигании твердого топлива:

м³/кг

При расчете стоит учитывать, что диоксид углерода и серчатый газ принято объединять и называть такие «сухие трехатомные газы», обозначая через RO₂, то есть RO₂=3₂+SO₂.

3) определяем теоретический объем азота в продуктах сгорания при сжигании твердого и жидкого топлива:

м³/кг

4) определяем теоретический объем водных паров при сжигании твердого топлива:

м³/кг

5) определить теоретический объем сухих газов:

6) определить суммарный теоретический объем газов:

Далее рассчитываем среднюю характеристику продуктов сгорания в поверхностях котла, расчет ведем в табличной форме.

Таблица 2.5 - Тепловоздержание воздуха и продуктов сгорания

Название расчетной величины и формулы	V газов	Температура продуктов сгорания
		100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000
Энтальпия теоретического количества воздуха необходимого для горения	6,512	205,8	414,2	626,5	842,7	1064,1	1290,7	1784,3	1758,2	1992,7	2233,6	2481,1	2728,5	2976	3230	3484	3737,9	3991,9	4245,8	4506,3	4766,8
Энтальпия сухих трехатомных газов	1,12	45,5	95,6	149,5	206,5	266,6	327	390,9	455,8	521,9	589,1	657,4	626,9	796,3	866,9	937,4	1008	1079,7	1151,4	1223	1295,8
Энтальпия теоретического количества двухатомных газов	5,15	159,7	319,8	482	647,9	816,8	988,8	1369,9	1344,2	1529,6	1715	1900,4	2085,8	2276,3	2472	2662,6	2858,3	3054	3249,7	3450,5	3646,2
Энтальпия теоретического количества водных паров	0,595	21,4	43,3	65,7	89	112,9	137,4	163	189,8	216,6	245,1	273,7	302,9	333,2	363,5	395,1	426,6	458,7	498,5	524,2	558,1
Энтальпия теоретического количества продуктов сгорания +		226,6	458,7	697,2	943,4	1196,2	1453,2	1923,8	1989,8	2268,1	2549,2	2831,5	3015,5	3405,8	3702,4	3995,1	4292,9	4592,4	4899,6	5197,7	5500,1
Энтальпия действительного количества продуктов сгорания за элементами газового тракта )	За топкой											3219,3	3575,8	3834,2	4298,6	4671,4	5040,3	5414,3	5790	6173,3	6561,4	6930,1
	За 1-м газоходом							1904,9	2548,3	2517,3	2965,5	3219,3
	За 2-м газоходом				979,1	1322,6	1675,1	2034
	За водным экономайзером		335,7	678,2	1029,2

Таблица 2.4 - Средняя характеристика продуктов сгорания в поверхностях котла

Название расчетной величины и расчетная формула	Обозначения	Единицы измерения	Название элементов газового тракта
			Топка	1 газоход	2 газоход	Водный экономайзер
1	2	3	4	5	6	7
Коэффициент излишка воздуха в конце топки		-	1,2
Присос по элементам тракта		-		0,05	0,1	0,15
Коэффициент излишка воздуха за элементом тракта		-	1,2	1,25	1,35	1,43
Средний коэффициент излишка воздуха		-	1,2	1,225	1,3	1,39
Избыточный объем воздуха		м3/кг	1,302	1,465	1,95	2,4
Избыточный объем водяных паров		м3/кг	0,021	0,026	0,031	0,039
Действительный объем водяных паров		м3/кг	0,616	0,621	0,626	0,632
Действительный объем продуктов сгорания		м3/кг	6,886	6,891	6,896	6,906
Объемная частица сухих трехатомных продуктов сгорания		-	0,15	0,14	0,11	0,09
Объемная частица водяных паров в продуктах сгорания		-	0,145	0,132	0,12	0,07
Общая объемная частица трехатомных газов в продуктах сгорания		-	0,295	0,272	0,23	0,16

Таблица 2.7 - Расчет топки

Название расчетной величины	Обозначения	Ед. измерения	Расчетная формула	Расчет	Расчетная величина
Объем топочной камеры включая камеру догорания	Vт	м3	Из расчета конструктивных характеристик	12,03
Полная поверхность нагрева, который получает лучи	Hn	м2	Из расчета конструктивных характеристик	20,51
Степень экранирования топки		-	Из расчета конструктивных характеристик	0,65
Поправочный коэффициент		-	По РН-6-02	1
Коэффициент ослабления луча 3-х атомными газами	Kr	-	По номограмме 9	0,7
Коэффициент ослабления лучей в пламени	K	-			0,207
Степень черноты вещества заполняющего топку	a	-	По номограмме 9	0,295
Эффективная степень черноты факела	aф	-	??		0,295
Условный коэффициент загрязнения		-	По РН-6-02	0,7
Степень черноты топки		-	По РН-6-02	0,85
Коэффициент убытка воздуха в топке		-	См. расчет горения топлива	0,95
Теплосодержание холодного воздуха		ккал/м3	Cв tх.в.	6,5120,3230	62,52
Тепло внесенное воздухом в топку	Qв	ккал/м3			59,4
Тепловыделение в топке на 1 кг топлива	Qm	ккал/м3			5709,04
Теоретическая температура горения			По I - t диаграмме	1720
Тепловыделение на 1 м.кв. поверхности горения	-	ккал/м2			1709002,2
Температура газов на выходе из топки			По номограмме 1	1100
Теплосодержание газов на выходе из топки		ккал/м3	По I - t диаграмме	3175
Тепло, переданное излучением в топке	Qл	ккал/м3		0,986 (5709,4-3175)	2498,9
Тепловая нагрузка поверхностей нагрева, принимающих лучи	-	ккал/м2			523603,2
Видимое тепло напряжения топочного обмена	-	ккал/м3			1957843,1

Таблица 2.8 - Расчет 1-го газохода

Название расчетной величины	Обознач.	Ед. изм.	Расчетная формула или ед. измерения	Расчет	Расчет. вел.
Температура газов на входе в 1-й газоход			По I - t диаграмме	1000
Энтальпия газов на входе в 1-й газоход		ккал/м3	По I - t диаграмме	3219,3
Температура газов за 1-м газоходом			Принимается с уточнением	от 200 до 600	400
Энтальпия газов за 1-м газоходом		ккал/м3	По I - t диаграмме	1600
Тепловосприятие газохода		ккал/м3			1581
Температурное давление в начале 1-го газохода					806
Температурное давление в конце 1-го газохода					206
Средний температурный нажим в 1-м газоходе					444
Средняя температура газов в 1-м газоходе					700
Средняя скорость дымовых газов в 1-м газоходе		м/сек			30,8
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке трубы		ккал/м2	=0,131		41,39
Суммарная поглощающая возможность 3-х атомных газов	-	м			0,042
Коэффициент ослабления лучей 3-х атомных газов	Kr	-	=0,131 =700	-	2,82
Суммарная сила поглощения газового нажима	Kps	-			0,12
Степень черноты газового потока		-	По номограмме 11	0,115
Коэффициент загрязнения труб			По номограмме 12	0,005
Температура внешней поверхности труб	tст				576,6
Коэффициент теплоотдачи излучением незапыленного потока					8,9
Коэффициент омывания газохода газами		-	от 0,9 до 1	-	0,9
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке трубы					46,15
Коэффициент теплопередачи в 1-м газоходе	k				49,09
Тепловосприятие 1-го газохода по уравнению теплопередачи	Qm				450,4
Отношение значения тепловосприятия	-				28,5

Таблица 2.9 - Расчет 2-го газохода

Название расчетной величины	Обознач.	Ед. изм.	Расчетная формула или ед. измерения	Расчет	Расчет. величина
Температура газов на входе в 2-й газоход			Из расчета 1-го газохода	600
Энтальпия газов на входе в 2-й газоход		ккал/м3	По I - t диаграмме	1904,9
Температура газов за 2-м газоходом			Принимается с уточнением	от 200 до 600	300
Энтальпия газов за 2-м газоходом		ккал/м3	По I - t диаграмме	1200
Тепловосприятие газохода		ккал/м3			698,1
Температурное давление в начале 2-го газохода					406
Температурное давление в конце 2-го газохода					106
Средний температурный нажим в 2-м газоходе					222
Средняя температура во 2-м газоходе					450
Средняя скорость дым. газов в 2-м газоходе		м/сек			26,6
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке трубы		ккал/м2	=0,124	-	20
Суммарная поглощающая возможность 3-х атомных газов	-	м			0,035
Коэффициент ослабления лучей 3-х атомными газами	Kr	-	=0,124 =430	-	3,6
Суммарная сила поглощения газового натиска	Kp	-			0,45
Степень черноты газового потока		-	По номограмме 11	0,125
Коэффициент загрязнения труб			По номограмме 12	0,006
Температура внешней поверхности труб	tст				427,8
Коэффициент теплоотдачи излучением незапыленного потока					5,3
Коэффициент омывания газохода газами		-	от 0.9 до 1	-	0,9
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке трубы					23,3
Коэффициент теплопередачи во 2-м газоходе	k				20,4
Тепловосприятие 2-го газ. по уравнению теплопередачи	Qm				81,1
Отношение значения тепловосприятия	-			100	5,1

Таблица 2.10 - Расчет хвостовых поверхностей нагрева

Название расчетной величины	Обознач	Ед. изм.	Расчетная формула или ед. измерения	Расчет	Расчет. величина
Тепловосприятие водного экономайзера	Qв.е.			2514
Энтальпия воды на выходе из экономайзера					126,4
Температура воды на выходе из экономайзера			По таблицам Вукаловича	290
Температурный нажим с начала экономайзера					163,6
Температурный нажим в конце экономайзера					66,3
Средний температурный нажим в экономайзере					108.8
Средняя температура дымовых газов в экономайзере					111
Средняя скорость дымовых газов в экономайзере		м/с		51.2
Коэффициент омывания водяного экономайзера дымовыми газами		-	По РН-7-03	1,0
Коэффициент теплопередачи в водяном экономайзере	К	ккал/ м2 ч град	По номограмме 16	24.1
Поверхность нагрева водяного экономайзера		м2		231

2.11 Расчет и подбор вспомогательного оборудования

К вспомогательным механизмам и приборам котельной относят дымососы и вентиляторы, золоуловители, питательные установки, водоподготовительные установки и др., а также пылеподготовительные приборы при пылеподобном сжигании твердого топлива и мазутное хозяйство при сжигании жидкого топлива.

Подбираем чугунный экономайзер типа ЕП - 1 - 236, который имеет следующие характеристики:

Количество колонок - 1 шт.;

Длинна трубы - 2000 мм;

Количество труб в ряду - 5 шт.;

Количество рядов труб - 16 шт.;

Площадь поверхности нагрева - 236 м²;

Основные габаритные размеры:

А - 2530 мм; В - 990 мм; Н - 3665 мм.

Давление, образующееся насосом Н_н, кПа считаем по формуле:

Подсчитав Н_н, подбираем по характеристикам центробежных насосов: марка насоса - 2,5 ЦВ - 0,8; которая имеет следующие характеристики:

Мощность насоса - 5 - 12 м³/г;

Полное давление - 2,20 МПа;

Скорость - 2900 об/мин;

Мощность электродвигателя - 14 кВт.

Из справочников подбираем насос марки ПНП - 3, который имеет следующие характеристики:

Мощность - 5,5 - 14 м³/г;

Давление нагнетателя - 2,0 МПа;

Давление пара: начальное - 1,2;

заключительное - 0,3.

Часовую продуктивность V, м³/г (с запасом 10%) определяем по формуле:

V_дым=1.1 B_г(t_c+273)/273;

V_дым=1.1835,3408,764 (150+273)/273=12500 м³

Далее находим характеристики дымососов типа Д - 8:

Скорость оборотов об/мин - 730

Продуктивность - 4,4 - 12100 м³/ч

Давление - 540 - 620 Па

Потребительная мощность - 1,1 - 3,2 кВт

Продуктивность вентилятора определяем по формуле:

;

где 1,1 - коэффициент запаса;

- коэффициент избытка воздуха в топке;

- теоретически необходимое количество воздуха;

- температура поступающего воздуха ^оС.

Находим характеристики вентилятора типа ВД - 8:

м³

скорость оборотов - 730 об/мин;

продуктивность - 4400 - 12100 м³/ч;

давление - 870 - 990 Па;

потребительная мощность - 1,8 - 5,1;

Высоту трубы определяем по формуле:

где - расчетная величина внешней среды, ^оС;

- средняя температура газов в трубе, ^оС;

- барометричное давление.

Н=21,1 м;

Принимаем стандартную динамическую трубу высотой 30 м.

Выводы

Котельной называется комплекс устройств и механизмов для превращения химической энергии органического топлива в тепловую энергию.

Котельная включает в себя несколько котельных установок, дымовую трубу для отвода дымовых газов в атмосферу, теплообменники, деаэратор, баки, насосы (питательные, сетевые, подпиточные и другие), разные вспомогательные устройства и машины, предназначенные для обеспечения длительной и надежной работы котельных агрегатов, в том числе и приборов, позволяющих контролировать ход процессов в котельном агрегате. В котельной также имеются помещения для различных вспомогательных служб и мастерских.

Снабжение котельной топливом может осуществляться различными путями: по трубопроводам, по железной дороге и автотранспортом. На территории котельной обычно проложены трубопроводы, подводящие природный газ к котельным агрегатам, и газорегуляторные пункты (ГРП) для приема, очистки и снижения давления газа перед котлами.

Новая серия котлов типа КЕ разработана с паропроизводительностью от 2,5 до 25 т/ч для производства насыщенного или слабо перегретого пара давлением 1,4 или 2,4 МПа.

Рассчитав котельный агрегат КЕ-4-14 мы поняли, что состав топлива влияет на многие параметры. Научились рассчитывать и подбирать вспомогательное оборудование для определенного котельного агрегата (экономайзер, центробежный и поршневой насосы, дымосос, вентилятор и т.д.).

Современные котельные установки непрерывно совершенствуют, оборудуют сложными: агрегатами, оснащенными разными механизмами и контрольно-измерительными приборами, а также средствами автоматики и дистанционного управления. Поэтому требования к квалификации персонала, занятого эксплуатацией котельных установок, постоянно повышаются. В связи с этим непременным условием является планомерная подготовка высококвалифицированных кадров.

Литература

1. Фокин В.М. Основы энергосбережения и энергоаудита: Монография. - М: «Машиностроение-1», 2006. - 256 с.

2. Карауш С.А., Хуторной А.Н. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. Томск: ТГАСУ, 2003. - 161 с.

3. Киселев Н.А. Котельные установки. М.: Высшая школа., 1979. - 270 с.

4. Двойнишников В.А. и др. Конструкция и расчет котельных установок. М.: Машиностроение, 1988. - 264 с.

5. Бойко Е.А. Паровые котлы. Красноярск, 2005. - 136 с.

6. Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. М: «Государственное издательство литературы по архитектуре и строительству», 1953. - 544 с.