Расчет теплового баланса парового котла

Введение

Положительные результаты работы топливно-энергетического комплекса являются основой эффективности экономики любой страны. Причём эти результаты во многом зависят от работы, проводимой в области энергосбережения. В нашей стране задачей повышения эффективности работы энергетической отрасли народного хозяйства придаётся большое значение.

На примере работы минских тепловых электростанций приводим примеры топливоиспользования и системы оценки работы ТЭЦ.

Приоритетными направлениями повышения эффективности работы энергетической отрасли являются:

- увеличение комбинированной выработки энергии на теплоэлектростанциях;

внедрение во всех сферах новых, более совершенных энергосберегающих мероприятий и технологий;

повышение эффективности использования топлива, в первую очередь газа;

использование местных видов энергоресурсов;

увеличение использования возобновляемых энергоресурсов.

Получение электрической и тепловой энергии напрямую обусловлено сжиганием органического топлива, а эффективность работы энергетической отрасли неразрывно связана с показателями топливо использования. Чем они лучше, тем ниже себестоимость электроэнергии и тепла, а рентабельность топливно-энергетического комплекса, соответственно, выше. В совокупности это позволяет не только поддерживать основные средства производства в подлежащем техническом состоянии, но и осуществить модернизацию объектов, а также на системном уровне выполнять мероприятия по энергосбережению.

Как известно, основными показателями, которые характеризуют эффективность использования топлива, является удельный расход условного топлива на производство единицы электроэнергии и тепла. Существенное влияние оказывают на них следующие факторы:

реально сложившееся фактическое потребление электроэнергии и тепла разными группами потребителей, то есть структура энергопотребления;

техническое состояние оборудования, особенно отработавшего свой ресурс;

возможности и технические характеристики схем передачи, и распределение энергии, то есть внутренние потери;

оптимальный выбор состава работающего оборудования и распределение нагрузок.

Ряд перечислений можно расширить, но ясно одно: показатели эффективности топливоиспользования могут носить как объективный, так и субъективный характер.

Оптимальное распределение нагрузок работающего оборудования - задача весьма сложная, требует применения методов математического динамического программирования и решается только при помощи вычислительной техники.

На Минской ТЭЦ-3 удельный расход условного топлива на производство электроэнергии удалось снизить с 208,3 г условного топлива на один киловатт-час до 187,2.

На многих электростанциях такие внешние фактора, как снижение теплофикационной выработки, загрузка оборудования ТЭЦ в конденсационном режиме не позволяют достигать существенного улучшения показателей топливо использования.

1 Принципиальное устройство котла

Паровой котел ДЕ-6,5-14ГМ предназначен для выработки насыщенного пара, используемого для технологических нужд предприятий, на теплоснабжение систем отопления, вентиляции и систем горячего водоснабжения.

Котел двухбарабанный водотрубный выполнен по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

Основными составными частями котла являются верхний и нижний барабаны, конвективный пучок и образующие топочную камеру левый топочный экран (газоплотная перегородка), правый топочный экран, трубы экранирования фронтовой стенки топки и задний экран.

Внутренний диаметр верхнего и нижнего барабанов равен 1000мм. Длина цилиндрической части барабана увеличивается с повышением паропроизводительности котлов. Барабаны изготавливаются из стали 16ГС ГОСТ 5520--79, и имеют толщину стенки 13 мм. Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах барабанов имеются лазы. Конвективный пучок образован коридорно-расположенными вертикальными трубами диаметром 51х2,5мм, присоединенными к верхнему и нижнему барабанам. Длина конвективного пучка по всей длине цилиндрической части барабана. Ширина конвективного пучка составляет 890мм. Шаг труб конвективного пучка вдоль барабанов 90мм. Поперечный - 110мм. В конвективном пучке котла для поддержания необходимого уровня скоростей газов устанавливается продольная ступенчатая стальная перегородка. Конвективный пучок от топочной камеры отделен газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для входа газов в пучок. Трубы газоплотной перегородки, правого бокового экрана образуют под и потолок топочной камеры, и трубы экранирования фронтовой стенки вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны.

Средняя высота топочной камеры составляет 2400мм, ширина-1790мм. Глубина топочной камеры увеличивается с повышением паропроизводительности. Трубы правого топочного экрана диаметр 51х2,5мм устанавливаются с продольным шагом 55мм; на вводе в барабаны трубы разводятся в два ряда отверстий. Экранирование фронтовой стенки выполняется из труб диаметром 51х2,5мм. Основная часть труб конвективного пучка и правого топочного экрана, а также трубы экранирования фронтовой стенки топки присоединяются к барабанам вальцовкой. Трубы газоплотной перегородки, а также часть труб правого топочного экрана и наружного ряда конвективного пучка привариваются к барабанам электросваркой.

Опускным звеном циркуляционного контура являются последние по ходу газов наименее обогреваемые ряды труб конвективного пучка. В нижнем барабане размещается устройство для парового прогрева воды в барабане при растопке и патрубки для спуска воды. В качестве первичных сепарационных устройств используются установленные в верхнем барабане направляющие щиты и козырьки, обеспечивающие выдачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. На котле ДЕ-6,5-14ГМ предусмотрена непрерывная продувка из нижнего барабана и периодическая из нижнего коллектора заднего экрана. На котле выход дымовых газов осуществляется через окно, расположенное на задней стенке котла.

Котел оборудован стационарным обдувочным аппаратом для очистки наружной поверхности труб конвективного пучка от отложений. Обдувочный аппарат имеет трубу с соплами, которую необходимо вращать при проведении обдувки. Наружная часть обдувочного аппарата крепится к обшивке левой конвективной стенки котла, а конец обдувочной трубы поддерживается при помощи втулки, приваренной к трубе пучка. Вращение обдувочной трубы производится вручную при помощи маховика и цепи. Для обдувки используется пар давлением не менее 0,7МПа. Для удаления отложений из конвективного пучка устанавливаются лючки на левой стенке котла.

У всех котлов на фронте топочной камеры имеется лаз в топку, расположенный ниже горелочного устройства, и три лючка-гляделки: два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры. На котле ДЕ-6,5-14ГМ взрывной клапан расположен на фронте топочной камеры над горелочным устройством. Обмуровка фронтовой стенки выполняется из огнеупорного шамотного кирпича и изоляционных плит. Нагрузку от элементов котла воспринимает опорная рама. Для установки нижнего барабана в конструкции опорной рамы предусмотрены поперечные балки. Нижний барабан на фронте котла закрепляется неподвижно посредством приварки барабана к подушке поперечной балки опорной рамы и неподвижными опорами. Каркас и обшивка со стороны фронта котла крепятся к нижнему барабану неподвижно. Тепловое расширение барабана предусмотрено в сторону заднего днища. На заднем днище нижнего барабана устанавливается репер для контроля за перемещением барабана.

Для сжигания топочного мазута и природного газа устанавливаются газомазутные горелки ГМ-4,5.

Котел ДЕ комплектуется двумя пружинными предохранительными клапанами, один из которых является контрольным. На котле ДЕ-6,5-14ГМ оба клапана установлены на верхнем барабане котла, один из них контрольный, срабатывающий при повышении давления более чем на 10%.

На всех элементах и трубопроводах котельного агрегата и его вспомогательных устройствах, заполняемых устройствах, заполняемых рабочим телом и находящихся под давлением, устанавливается соответствующая арматура. К арматуре относят устройства и приборы для управления работой элементов и частей котельных установки, находящейся под давлением, для включения, регулирования и отключения трубопроводов воды, пара или предохраняющие от превышения давления, а также контрольные приборы котлоагрегата (водоуказательные стекла для наблюдения за уровнем воды в барабане).

На ДЕ 6,5-14 устанавливается арматура: главная паровая задвижка; вентиль воздушник; вентиль отбора пара на собственные нужды; задвижки на питательных трубопроводах; два предохранительных клапана- пружинные; два водомерных стекла; манометр; вентили для непрерывной продувки; вентили для периодической продувке.

Для контроля уровня воды в паровом котле применяют водоуказательные приборы. Паровой котел ДЕ должен иметь не менее двух водоуказателей. Чаще всего используют водоуказатель с плоскими стеклами «клингер», вставленными на прокладке в рамку. Плоские стекла имеют сложное устройство, но удобны и безопасны в работе. Они лопаются редко, оставаясь при этом в металлической рамке и не разлетаясь на куски, вследствие чего для этих стекал, не нужны ограждения. На внутренней сторон стекла имеются продольные риски, благодаря которым вода в стекле кажется темной, а пар - светлым, т.е. создается отчетливая граница между темной полосой пара над ней.

Котел ДЕ должен быть снабжен двумя независимыми предохранительными клапанами, которые устраивают так, чтобы давление пара в котле не могло превышать допускаемое рабочее. Предохранительные клапаны выпускают излишний пар при через в мерном повышении давлении, т.е. когда стрелка манометра переходит за красную черту.

Парозапорные устройства (вентили, задвижки), предназначенные для отключения котла от потребителя воды или пара. В зависимости от параметров протекающей среды и размеров вентили могут соединяться с трубопроводами на фланцах, резьбе или с помощью сварки. Вентили имеют плоский или игольчатый клапан. Вентили с плоским клапаном используют в качестве запорных устройств, а игольчатым клапаном - для дросселирования.

В гарнитуру котельного агрегата входят дверца, лазы, гляделки, взрывные клапаны, шиберы или поворотные заслонки.

Для наблюдения за процессом горения топлива и конвективных газоходов в обмуровке котлоагрегата выполняют гляделки. Взрывные клапаны предохраняют обмуровку от разрушения при случайных хлопках в газоходах котла. С помощью чугунных дымовых шиберов или поворотных заслонок регулируют тягу и перекрывают боров.

2 Расчет процесса горения

Расчет процесса горения выполняем по формулам в соответствии с источником [2].

Из таблицы характеристик топлив [источн.1] выбираем расчетные характеристики природного газа газопровода Кумертау-Ишимбай-Магнитогорск, %: СН₄=85,9; С₂Н₆=6,1; С₃Н₈=1,5; С₄Н₁₀=0,8; С₅Н₁₂=0,6; N₂=5,0; СО₂=0,1; Q^р_н = 38380,4 МДж/м³.

Определяем теоретический объем воздуха V⁰, м³/м³, необходимого для полного сгорания при сжигании газа

V⁰=0,0476 [0,5 СО+0,5Н₂+1,5Н₂S+?(m+n/4)С_mН_n-О₂], (1)

где m - число атомов углерода;

n - число атомов водорода.

V⁰=0,0476[(1+4/4)85,9+(2+6/4)6,1+(3+8/4)1,5+(4+10/4)0,8+(5+12/4)0,6]=10,03.

Определяем теоретический объем азота V⁰_N2, м³/м³, в продуктах сгорания при сжигании газа

V⁰_N2=0,79 V⁰ +N^р / 100. (2)

V⁰_N2=0,79 10,03+5,0 / 100 =7,97.

Определяем объём трехатомных газов V_RO2, м³/м³, в продуктах сгорания при сжигании газа

V_RO2=0,01(СО₂+СО+Н₂S+? m С_mН_n). (3)

V_RO2=0,01(0,1+(1*85,9+2*6,1+3*1,5+4*0,8+5*0,6)=1,09.

Определяем теоретический объём водяных паров V⁰_H2O, м³/м³, в продуктах сгорания при сжигании газа

V⁰_H2O=0,01(Н₂S+Н₂+? n/2 С_mН_n+0,124d_г.тл)+0,0161 V⁰. (4)

V⁰_H2O=0,01(4/2*85,9+6/2*6,1+8/2*1,5+10/2*0,8+12/2*0,6+0,124*10)+0,0161*10,03=2,2.

Определяем средний коэффициент избытка воздуха _ср, для каждой поверхности нагрев

(5)

где ^? и ^? - коэффициент избытка воздуха перед и после газохода;

^?_T - коэффициент избытка воздуха на входе в топку; принимаем равным 1,05[источник 3].

? = ?+ , (6)

где - присос воздуха в поверхность нагрева.

Определяем избыточное количество воздуха V^в_изб, м³/м³, для каждого газохода

V^в_изб = V⁰ (_ср -1). (7)

Определяем действительный объём водяных паров V_H2O, м³/м³, для газа

V_H2O=V⁰_H2O + 0,0161 (_ср-1) V⁰. (8)

Определяем действительный суммарный объём продуктов сгорания V_г, м³/м³, для газа

V_г= V_RO2 + V⁰_N2 +V^в_изб + V_H2O. (9)

Определяем объемные доли трехатомных газов r_RO2 и водяных паров r_H2O, а также суммарную объемную долю r_п

r_RO2= V_RO2 / V_г. (10)

r_H2O= V_H2O / V_г. (11)

r_п = r_RO2+ r_H2O. (12)

Результаты расчета действительных объемов продуктов сгорания по газоходам котлоагрегата сводим в таблицу 1.

Таблица 1

- объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов.

Обозначение и расчетные формулы
	10,5315	11,033	11,534	11,785	12,036	12,537	13,039	13,540	14,042
	1,09
	8,4715	8,973	9,4745	9,7252	9,976	10,477	10,979	11,480	11,982
	2,200805	2,2016	2,2024	2,2028	2,2032	2,2040	2,2048	2,2056	2,2064
	11,76231	12,264	12,766	13,018	13,269	13,771	14,273	14,776	15,278
	0,187107	0,1795	0,1725	0,1692	0,166	0,1600	0,1544	0,1492	0,1444
	0,092669	0,0888	0,0853	0,0837	0,0821	0,0791	0,0763	0,0737	0,0713
	0,279776	0,2683	0,2578	0,2529	0,2481	0,2391	0,2308	0,2230	0,2157

3 Построение Н, Т-диаграммы

Расчёт энтальпий воздуха и продуктов сгорания производим при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева. Расчёт производим для всего возможного диапазона температур от 100 до 2200⁰C.

Определение энтальпий воздуха и продуктов сгорания производим в последовательности, изложенной в источнике [2].

Определяем энтальпию теоретического объёма воздуха H⁰_в, кДж/м³, для всего выбранного диапазона температур

H⁰_в= V⁰ (с)_в, (13)

где (с)_в - энтальпия 1м³ воздуха, кДж/м³[опред. По табл. 3.4 ист. 2].

V⁰ - теоретический объём воздуха, необходимого для горения, м³/м³ [опред. По табл. 3.3 ист. 2].

Значение теоретического объема воздуха для всего диапазона температур сводим в таблицу 2.

Определяем энтальпию теоретического объёма продуктов сгорания H⁰_г, кДж/м³, для всего выбранного диапазона температур

H⁰_г = V_RO2 (с)_RO2 + V⁰_N2 (с)_N2+ V⁰_H2O(с)_H2O, (14)

где (с)_RO2, (с)_N2, (с)_H2O - энтальпии 1м³ трёхатомных газов, теоретического объёма азота, теоретического объёма водяных паров, кДж/ м³;

V_RO2, V⁰_N2, V⁰_H2O - объёмы трёхатомных газов, теоретические объёмы азота и водяного пара, м³/м³ [ табл. 3.4].

Значение и определение энтальпии теоретического объема продуктов сгорания для всего диапазона температур сведены в таблицу3.

Определяем энтальпию избыточного количества воздуха H^в_изб, кДж/м³, для всего выбранного диапазона температур

H^в_изб=(б-1) H⁰_в. (15)

Определяем энтальпию продуктов сгорания H, кДж/м³, при коэффициенте избытка воздуха б >1

H= H⁰_г+ H^в_изб. (16)

Значение и определение продуктов сгорания для всего диапазона температур сводятся в таблицу 4.

Таблица 2 - теплосодержание воздуха.

t0	(с)в		(с)в*
100	132,7	10,03	1334
200	267,1		2678
300	404		4052,1
400	543,5		5446,3
500	686,3		6880,6
600	832,4		8345
700	982,8		9849,5
800	1134		11374
900	1285,2		12889
1000	1440,6		14443
1100	1600,2		16048
1200	1759,8		17653
1300	1919,4		19248
1400	2083,2		20892
1500	2247		22537
1600	2410,8		24182
1700	2574,6		25817
1800	2738,4		27462
1900	2906,4		29147
2000	3074,4		30832
2100	3242,4		32517
2200	3410,4		34202

По результатам расчетов выполняем построение графика зависимости энтальпий продуктов сгорания Н от температуры Т.

4 Тепловой баланс котла

Расчет теплового баланса котельного агрегата выполняем по формулам в соответствии с источником [2].

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты.

Определяем потерю теплоты с уходящими газами q₂, %

(17)

где H_ух - энтальпия уходящих газов, кДж/м³;

H⁰_х.в - энтальпия теоретического объёма холодного воздуха, определяем при t_в = 30⁰С, кДж/м³;

_ух - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах в сечении газохода после последней поверхности нагрева;

q₄ - потеря теплоты от механической неполноты горения, %; для природного газа q₄ =0;

Q^р_р - располагаемая теплота топлива, кДж/м³.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха H⁰_хв, кДж/м³, при температуре 30⁰С

H⁰_хв =39,8 V⁰ (18)

H⁰_хв= 39,8 10,03 = 399,2

Определяем располагаемую теплоту Q^р_р, кДж/м³, для газообразного топлива

Q^р_р = Q^с_н (19)

где Q^с_н - низшая теплота сгорания сухой массы газа, кДж/м³

Q^р_р=38380

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q₃, %, обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов СО, Н₂, СН₄. По таблице 4.4 [2] q₃=0,5.

Потеря теплоты от механической неполноты горения топлива q₄, %, наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц. Для газа q₄ = 0 %.

Потеря теплоты от наружного охлаждения q₅, %, обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру и для парового котла определяется по формуле

q₅= q_5ном ( D_ном / D) (20)

где q_5ном - потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового котла, %; принимаем по таблице 4.5 [2] q_5ном =2,3;

D_ном - номинальная нагрузка парового котла, т/ч;

D - расчетная нагрузка парового котла, т/ч.

q₅=2,3 6,5/6,5 =2,3

Определяем КПД брутто з_бр, %, парового котла из уравнения обратного теплового баланса

з_бр=100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆). (21)

При сжигании газообразного топлива уравнение примет вид

з_бр =100-(q₂+ q₃ +q₅)

з_бр =100-(6,2+0,5+2,3)=91,0

Определяем полезную мощность Q_пг, кВт, парового котла

Q_пг =D_н.п (h_н.п - h_п.в )+ 0,01рD_н.п (h_кип - h_п.в) (22)

где D_н.п - расход выработанного насыщенного пара 1,8, кг/с;

h_н.п - энтальпия насыщенного пара определяется из ист.4, 2789 кДж/кг;

h_п.в - энтальпия питательной воды ист.4, 820 кДж/кг;

р - непрерывная продувка парового котла, 2,5 %;

h_кип - энтальпия кипящей воды в барабане котла, 826 кДж/кг.

Q_пг =1,8 (2789 - 419) + 0,01*2,5*1,8 (826- 419)=4284,3

Определяем расход топлива В_пг, м³/с, подаваемого в топку парового котла из уравнения прямого теплового баланса

В_пг = (Q_пг / (Q^р_р з_бр))100 (23)

В_пг = (4284,3/ (38380 91,0)) 100 =0,123

Определяем расчётный расход топлива В_р, м³/с

В_р =В_пг= 0,123

Определяем коэффициент сохранения теплоты ц

 (24)

ц = 1-2,3/(91,0 +2,3) = 0,975

5 Расчет топочной камеры

Расчёт топки производим по формулам в соответствии с источником [2] в следующей последовательности.

Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры 1035⁰С. Для принятой температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 2 - Энтальпии продуктов сгорания Н = ѓ (), кДж/м³.

Подсчитываем полезное тепловыделение в топке Q_т, кДж/м³

(25)

где Q_в - теплота вносимая в топку с воздухом, кДж/м³

Q_{т =}38380 (100-0,5)/100+419,6=38607,6

Для паровых котлов, не имеющих воздухоподогревателя, теплоту Q_в, кДж/м³, определяем

Q_в =бЅ_т H⁰_х.в. (26)

Q_в =1,05*399,2=419,16

Определяю коэффициент ш тепловой эффективности экранов

ш = ч о, (27)

где ч - угловой коэффициент, т.е. отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение ч определяется из рисунка 5.3 [2] ; ч=0,97;

о - коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1 [2]: о=0,67.

ш = 0, 97*0, 67=0, 65

Определяем эффективную толщину S, м, излучающего слоя

S=3,6V_т/F_ст (28)

где V_т - объем топочной камеры, м³;

F_ст - поверхность стен топочной камеры, м².

S=3, 6*11, 2/29, 97=1, 35

Определяем коэффициент k, (м·МПа)-¹ , ослабления лучей. При сжигании газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами k_г и сажистыми частицами k_с

k = k_г r_п + k_с (29)

где k_г - коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, (м·МПа)-¹;

r_п - суммарная объёмная доля трёхатомных газов; принимаю по таблице 1;

k_с -коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, (м·МПа)-¹.

Коэффициент k_г, (м·МПа)-¹ , ослабления лучей трехатомными газами определяю по формуле

(30)

где р_п = r_п р - парциальное давление трёхатомных газов, МПа;

р - давление в топочной камере котлоагрегата, для агрегатов, работающих без наддува принимаю р = 0,1 МПа;

TЅ_т - абсолютная температура на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).

Коэффициент k_с , (м·МПа)-¹, ослабления лучей сажистыми частицами

k_с (31)

где С^р, Н^р-содержание углерода и водорода в рабочей массе жидкого топлива, %.

При сжигании природного газа

(32)

где С_mН_n - процентное содержание входящих в состав природного газа углеводородных соединений, %

k=8,75*0,257+1,147=3,43

Определяем степень черноты факела а_ф.

Для газообразного топлива степень черноты а_ф факела

а_ф =mа_св +(1- m) а_г (33)

где m -коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела; принимаю по таблице 5.2 [2] m=0,12 при q_V=421 кВт/м³;

а_св - степень черноты светящейся части факела;

а_г - степень черноты несветящихся трёхатомных газов.

Значения а_св и а_г определяю по формулам

а_св=1 - е^{-( kг rп + kс) р s} (34)

а_г=1 - е ^{-kг rп р s} (35)

а_св=1 - е^{-(3,43*0,1*1,35)}=0,37

а_г=1 - е ^{-8,75*0,257*0,1*1,35}=0,259

а_ф =0,12*0,37+(1-0,12)*0,257=0,274.

Определяем степень черноты топки а_т для камерной топки при сжигании газа

(36)

а_т=0,274/(0,274+(1-0,274)*0,65)=0,36

Параметр М зависит от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки. Для полуоткрытых топок при сжигании газа М=0,48 [источник 2, стр. 67].

Определяем среднюю суммарную теплоёмкость V_с.ср, кДж/м³·К, продуктов сгорания на 1 м^{3 газ}а при нормальных условиях

V_с.ср=(Q_т - H^?_т) / (Т_а -Т^?_т) (37)

где Т_а - теоретическая (адиабатная) температура горения, К; определяем по таблице 4 по значению Q_т, равному энтальпии продуктов сгорания Н_а; Т_а=2254, К.

Т^?_т -температура (абсолютная) на выходе из топки, К;

H^?_т - энтальпия продуктов сгорания, кДж/м³; определяем по таблице 4 при принятой на выходе из топки температуре;

Q_т - полезное тепловыделение в топке, кДж/м³.

V_ср

Определяю действительную температуру х^?_т, ⁰С, на выходе из топки

х?т = (38)

Полученная температура на выходе из топки х^?_т = 1033⁰С сравнивается с температурой, принятой ранее, 1035⁰С. Расхождение между полученной температурой х^?_т, ⁰С, и ранее принятой на выходе из топки не превышает ±100⁰С, расчет считается оконченным.

Определяем удельную нагрузку топочного объема q_V, кВт/м³

q_V= В_рQ^р_н/V_т. (39)

q_V=0,123*38380/11,2=421

6 Расчет конвективных пучков

При расчете конвективных поверхностей нагрева используем уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняем для 1 м³ сжигаемого газа при нормальных условиях.

Расчёт первого конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2].

Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода х^? = 400⁰С и х^? = 300⁰С. Далее весь расчет ведем для двух предварительно принятых температур.

Определяем теплоту Q_б ,кДж/м³, отданную продуктами сгорания

Q_б = ц (H^?- H^?+ Дб_к H⁰_прс) (40)

где H? - энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, кДж/м³;

H^? - энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, кДж/м³;

Дб_к - присос воздуха в поверхность нагрева;

H⁰_прс - энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30⁰С, кДж/м³;

ц - коэффициент сохранения теплоты.

Q⁴⁰⁰_б = 0,975 (20239-7522+0,05399,2) =12418

Q³⁰⁰_б = 0,975 (20239-5574+0,05399,2) =14317

Определяем расчётную температуру потока х, ⁰С, продуктов сгорания в конвективной поверхности

(41)

где х? - температура продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева, ⁰С;

х^? - температура продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева ⁰С.

х ⁴⁰⁰=(1033+ 400) / 2=716,5

х³⁰⁰=(1033+ 300) / 2=666,5

Определяем температурный напор ?t, ⁰С

?t = х - t_к (42)

где t_к - температура охлаждающей среды, для парового котла принимаем равной температуре кипения воды при давлении в котле, ⁰С.

?t ⁴⁰⁰ = 716,5 - 194,1 = 522,4

?t ³⁰⁰ = 666,5 - 194,1 = 472,4

Рассчитываем среднюю скорость щ_г, м/с, продуктов сгорания в поверхности нагрева

(43)

где В_р - расчетный расход топлива, м³/с;

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м²;

V_г - объем продуктов сгорания на 1 м³ газообразного топлива, м³/м³;

х - средняя расчетная температура продуктов сгорания, ⁰С.

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией б_к, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева; при поперечном омывании коридорных пучков

б_к = б_н с_zс_sс_ф (44)

где б_н - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме рис.6.1 [2] при поперечном омывании коридорных пучков, Вт/(м²·К); б_н⁴⁰⁰=95, б_н³⁰⁰= 91;

с_z - поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания; с_z⁴⁰⁰=1, с_z3⁰⁰=1;

с_s - поправка на компоновку пучка; с_s⁴⁰⁰=1, с_s³⁰⁰=1;

с_ф - коэффициент, учитывающий влияние измерения физических параметров потока; с_ф⁴⁰⁰=1,09, с_ф³⁰⁰=1,11.

б⁵⁰⁰_к=95111,09=103,5

б⁴⁰⁰_к=91111,11=101

Вычисляем степень черноты газового потока. При этом вычисляем суммарную оптическую толщину

kрs = ( k_г r_п) ps (45)

где k_г - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами;

р - давление в газоходе, МПа; для котлов без наддува принимаем равным 0,1.

Определяем толщину излучающего слоя s,м, для гладкотрубных пучков

s = (46)

s =

kрs ⁴⁰⁰ =34,69*0,253* 0,10,177=0,155

kрs ³⁰⁰ =35,59*0,253*0,1*0,177=0,159

Определяем коэффициент теплоотдачи б_л, Вт/(м²·К), учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева для незапыленного потока при сжигании газообразного топлива

б_л =б_н а с_г (47)

где б_н - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К), определяем по номограмме на рис.6.4 [2];

а - степень черноты;

с_г - коэффициент, определяем по рис.6.4 [2].

Для определения б_н и коэффициент с_г определяем температуру t_з, ⁰С, загрязненной стенки

t_з = t + ?t (48)

где t - средняя температура окружающей среды, ⁰С; для паровых котлов принимаем равной температуре насыщения при давлении в котле;

?t - при сжигании газообразного топлива принимаем равной 25⁰С.

t_з = 194,1 + 25 = 219,1

б⁴⁰⁰_н =45; б³⁰⁰_н =33

а⁴⁰⁰ = 0,14; а³⁰⁰ = 0,15

с_г⁴⁰⁰ = 0,98; с_г³⁰⁰ = 0,93

б_л⁴⁰⁰ =450,140,98 = 6,4

б_л ³⁰⁰ =330,150,93 = 4,7

Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи б₁, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева

б₁ = о (б_к+ б_л) (49)

где о - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимаем равным 1.

б₁⁴⁰⁰ =1(103,5+6,4)=109,9

б₁³⁰⁰ =1(101+4,7)=105,7

Вычисляем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К)

К = б₁ ш (50)

где ш - коэффициент тепловой эффективности, определяемый из табл.6.2 [2]; принимаем равным 0,85.

К⁴⁰⁰ = 0,85109,9 = 93,5

К³⁰⁰ = 0,85105,7 = 89,8

Определяем количество теплоты Q_т, кДж/м³, воспринятое поверхностью нагрева

(51)

где Дt - температурный напор, ⁰С, определяемый для испарительной конвективной поверхности нагрева

(52)

По принятым двум значениям температуры х? и х^? полученным двум значениям Q_б и Q_т производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Температура х^? на выходе из первого конвективного пучка равна 370⁰С.

Расчет второго конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2] аналогично первому конвективному пучку.

Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода х? =300⁰С и х? =200⁰С. Далее весь расчет ведем для двух принятых температур.

Определяем теплоту Q_б ,кДж/м³, отданную продуктами сгорания по формуле

Q_б = ц (H^?- H^?+ Дб_к H⁰_прс)

Q³⁰⁰_б = 0,975 (7422-3945+0,1*399,2) =3897

Q²⁰⁰_б = 0,975 (7422-5980+0,1399,2) =1912

Определяем расчётную температуру потока х, ⁰С, продуктов сгорания в конвективной поверхности по формуле

х ³⁰⁰=(370+ 300) / 2=335

х ²⁰⁰=(370+200) / 2=285

Определяем температурный напор ?t, ⁰С, по формуле (42)

?t = х - t_к

?t ³⁰⁰ = 335 - 194,1 = 140,9

?t ²⁰⁰ = 285 - 194,1 = 90,9

Рассчитываем среднюю скорость щ_г, м/с, продуктов сгорания в поверхности нагрева по формуле

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией б_к, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева; при поперечном омывании коридорных пучков по формуле

б_к = б_н с_zс_sс_ф

б_н³⁰⁰=73, б_н²⁰⁰= 68

с_z³⁰⁰=1, с_z²⁰⁰=1

с_s³⁰⁰=1, с_s²⁰⁰=1

с_ф³⁰⁰=1,11, с_ф²⁰⁰=1,15

б³⁰⁰_к=73111,11=81

б³⁰⁰_к=68111,15=78,2

Вычисляем степень черноты газового потока. При этом вычисляем суммарную оптическую толщину по формуле

kрs = ( k_г r_п) ps

Определяем толщину излучающего слоя s, м, для гладкотрубных пучков по формуле

s =

s =

kрs ³⁰⁰ =40,6*0,236* 0,10,177=0,17

kрs ²⁰⁰ =42,5*0,236*0,1*0,177=0,18

Определяем коэффициент теплоотдачи б_л, Вт/(м²·К), учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева для

незапыленного потока при сжигании газообразного топлива по формуле (47)

б_л =б_н а с_г

Для определения б_н и коэффициент с_г определяем температуру t_з, ⁰С, загрязненной стенки по формуле

t_з = t + ?t

t_з = 194,1 + 25 = 219,1

б³⁰⁰_н =33; б²⁰⁰_н =26

а³⁰⁰ = 0,14; а²⁰⁰ = 0,15

с_г³⁰⁰ = 0,94; с_г²⁰⁰ = 0,9

б_л⁴⁰⁰ =670, 140,94 = 4,5

б_л ²⁰⁰ =590,150,9 =3,6

Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи б₁, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева по формуле

б₁ = о (б_к+ б_л)

б₁³⁰⁰ =1(81+4,5)=85,5

б₁²⁰⁰ =1(78,2+3,6)=81,7

Вычисляем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К), по формуле

К = б₁ ш

К³⁰⁰ = 0,8585,5 = 72,7

К³⁰⁰ = 0,8581,7 = 69,5

Определяем количество теплоты Q_т, кДж/м³, воспринятое поверхностью нагрева по формуле

где Дt - температурный напор, ⁰С, определяемый для испарительной конвективной поверхности нагрева, определяемый по формуле



По принятым двум значениям температуры х? и х^? полученным двум значениям Q_б и Q_т производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Температура х^? на выходе из второго конвективного пучка равна 274.

7 Расчет экономайзера

Расчёт водяного экономайзера производим по формулам в соответствии с источником [2] .

Определяем теплоту отданную продуктами сгорания Q_б, кДж/м³ при приятой температуре уходящих газов

Q_б = ц (H? - H?+ Дб _эк H⁰_прс) (53)

где H? - энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, кДж/м³

H? - энтальпия уходящих газов, кДж/м³;

Дб_эк - присос воздуха в экономайзер;

H⁰_прс - энтальпия теоретического количества воздуха, Дж/м³;

ц - коэффициент сохранения теплоты.

Q_б =0,975 (5450-3150+0,1399,2) =2339,9

Приравнивая теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере, определяем энтальпию воды h?_эк, кДж/кг, после водяного экономайзера

(54)

где h?_эк - энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг;

D - паропроизводительность котла, кг/с;

D_пр - расход продувочной воды, кг/с.

По энтальпии воды после экономайзера определяем температуру воды после экономайзера t?_эк, ⁰С.

t?_эк = h?_эк/с (55)

t?_эк = 575,2/4,19 = 137,3

В зависимости от направления движения воды и продуктов сгорания определяем температурный напор Дt, ⁰С



Н, м

(56)

где Дt_б и Дt_м - большая и меньшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости, ⁰С

Выбираем к установке чугунный экономайзер ВТИ с длиной труб 1500мм; площадью поверхности нагрева с газовой стороны 2,18 м²; площадью живого сечения для прохода продуктов сгорания F_тр=0,088 м².

Определяем действительную скорость щ_г, м/с, продуктов сгорания в экономайзере

(57)

где х_эк - среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, ⁰С;

F_эк - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м².

х_эк =(274+150) / 2=212

F_эк = z₁ F_тр (58)

где z₁ - число труб в ряду.

F_эк =50,088 = 0,44

Определяем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К),

К = К_нс_х. (59)

К = 20*1,02 = 20,4

Определяем площадь поверхности нагрева Н_эк, м², водяного экономайзера

(60)

Определяем общее число труб n, экономайзера

n =Н_эк / Н_тр (61)

где Н_тр - площадь поверхности нагрева одной трубы, м².

n = 163,6/ 2,18 = 75

Определяем число рядов труб m

m = n / z₁ (62)

где z₁ - принятое число труб в ряду.

m=75 / 5=15

К установке принимаем 15 рядов труб.

8 Аэродинамический расчет котельного агрегата

Аэродинамический расчет котельной установки ведём по формулам в соответствии с источником [7]

Аэродинамическое сопротивление на пути прохождения газов в газоходах котельной установки складывается из местных сопротивлений, зависящих от изменения сечений газоходов и их поворотов и из сопротивления, возникающего вследствие трения и вследствие сопротивления пучков труб.

Аэродинамическое сопротивление котельной установки Дh_к.у, Па, определяется по формуле:

Дh_к.у = Дh_т + Дh_кп1 +Дh _кп2+ Дh_эк + Дh_м.с+Дh_на (63)

где Дh_т - разряжение в топке, создаваемое дымососом, Па;

Дh_кп1 и Дh _кп2- сопротивление конвективных пучков, Па;

Дh_эк - сопротивление экономайзера, Па;

Дh_м.с - местные сопротивления, Па;

Дh_на- сопротивление направляющего аппарата, Па.

Дh_к.у =30+553+247+162+249+11=1252

Определяем разряжение в топке Дh_т, Па, принимаем равным

Дh_т = 30

Исходя из источника [7] стр.30.

Определяем сопротивление первого конвективного пучка Дh_кп1, Па,

(64)

где _г ? плотность дымовых газов в газоходе, кг/м³.

(65)

где _о ? плотность дымовых газов при 0 ?С, кг/м³

и_г ? средняя температура газов в первом конвективном пучке, ?С.

(66)

(67)

щ_к.2 - скорость продуктов сгорания в газоходе, м/с

(68)

о_к - коэффициент сопротивления конвективного пучка.

о_к= о₀* z₂ (69)

где о₀ - коэффициент сопротивления одного ряда труб; зависит от величины относительного продольного и поперечного шагов труб.

о₀=С_у*С_Rе* о_гр (70)

где С_у, С_Rе, о_гр - значения, определяемые по номограмме, рис VII-6 [7].

С_у = 0,56. С_Rе = 1,3. о_гр = 0,48

о₀=0,56*1,3*0,48=0,4

о_к=0,4*26=10,4

Определяем сопротивление второго конвективного пучка Дh_кп, Па, по формуле

 (71)

где _г ? плотность дымовых газов в газоходе, кг/м³, по формуле

(72)

где _о ? плотность дымовых газов при 0 ?С, кг/м³;

и_г ? средняя температура газов в конвективном пучке, ?С, по формуле

(73)

щ_к.2 - скорость продуктов сгорания в газоходе, м/с, по формуле

. (74)

о_к - коэффициент сопротивления конвективного пучка, по формуле (69)

о_к= о₀* z₂

где о₀ - коэффициент сопротивления одного ряда труб; зависит от величины относительного продольного и поперечного шагов труб по формуле (70)

о₀=С_у*С_Rе* о_гр

где С_у, С_Rе, о_гр - значения, определяемые по номограмме, рис VII-6 [7].

С_у = 0,56. С_Rе = 0,9. о_гр = 0,46

о₀=0,56*0,9*0,46=0,23

о_к=0,23*26=6,02

Определяем сопротивление экономайзера Дh_эк, Па

(75)

где n ? число рядов труб по ходу газов; n=15;

_г ? плотность дымовых газов в экономайзере, кг/м³.

(76)

Определяем сопротивление двух поворотов под углом 90⁰ и двух поворотов под углом 180⁰ Дh_м.с, Па

(77)

где о_м - коэффициент местных сопротивлений; под углом 90⁰ о_м=1 под углом 180⁰ о_м=2.

о_м =1*2+2*2 =6

- скорость местных сопротивлений , которая определяется

(78)

_г ? плотность дымовых газов местных сопротивлений, кг/м³

(79)

где и_м.с ? средняя температура газов местных сопротивлений, ?С, по формуле

(80)

Определяем сопротивление направляющего аппарата, Па

(81)

где щ_на - скорость продуктов сгорания в направляющем аппарате, м/с

(82)

F- площадь направляющего аппарата, м²

(83)

и_н.а ? средняя температура газов в конвективном пучке, ?С,

9 Выбор тягодутьевых устройств

Выбор дымососа

Для котлов паропроизводительностью 1 тонна и выше рекомендуется устанавливать индивидуальные дымососы. Выбор дымососа производится по формула источника [7].

Определяем производительность дымососа прямого действия по формуле

(84)

где - расчетное количество сжигаемого топлива, кг/ч;

объем дымовых газов перед дымососом, м³/кг;

и_дым - температура дымовых газов перед дымососом, ?С.

м³/с м³/ч.

Определяем расчетный полный напор дымососа H_p, мм вод.ст.,

(85)

где суммарное сопротивление по газовому тракту всех элементов, мм вод.ст.;

разряжение, создаваемое дымовой трубой, мм рт.ст. Принимаем равное 0.

Пересчитываем напор на температуру перемещаемой среды, указанную в каталоге, H_дым, мм вод.ст,

(86)

Определяем мощность электродвигателя для привода дымососа N, кВт

(87)

где ? производительность, м³/ч;

? напор, мм вод.ст.;

КПД дымососа, %.

По таблице 14.4 [4] выбираем подходящий по производительности Vр и напору дымосос; выписываем его основные характеристики:

марка дымососа ДН?9

производительность 14,65*10³ м³/ч

напор 1,78 кПа

КПД 83 %

масса без электродвигателя 536 кг.

марка электродвигателя 4А160S6

мощность 11 кВт.

Выбор вентилятора

Для котлов паропроизводительностью от 1 тонны и выше рекомендуется устанавливать индивидуальные дутьевые вентиляторы. Расчет ведется по источнику[7].

Из источника [4] выбираем горелку. К установке применяется ГМ-4,5

Определяем полный расчетный напор вентилятора H_p, Па

(88)

где ? сопротивление горелки ист. [4];

? сопротивление воздуха, ист. [4].

Па

Определяем производительность вентилятора (количество холодного воздуха забираемого вентилятором) V_д.в, м³/ч по формуле

(89)

м³/см³/ч

Пересчитываем напор на температуру перемещаемой среды, указанную в каталоге, H_дым, мм вод.ст по формуле

Определяем мощность для привода вентилятора Nдв, кВт по формуле

По таблице 14.1 [4] выбираем подходящий по производительности Vр и напору вентилятор; выписываем его основные характеристики:

марка вентилятора ВДН?8

производительность 10,20*10³ м³/ч

напор 2,19 кПа

КПД 83 %

масса без электродвигателя 417 кг.

марка электродвигателя 4А-16036

мощность 11 кВт.

10 Расчет дымовой трубы

Расчет дымовой трубы ведем по формулам в соответствии с источником [2].

Определяем выброс оксидов азота M_NO2, г/с

(90)

где в1 ? безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества сжигаемого топлива, принимается по таблице 12.3 [2];

в1=0,85

в3 ? коэффициент, учитывающий конструкцию горелок; принимается для прямоточных горелок равным 0,85;

r ? степень рециркуляции продуктов сгорания в процентах расхода дутьевого воздуха; при отсутствии рециркуляции r = 0;

в2 ? коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих продуктов сгорания, т.к. нет рециркуляции;

Вр -расход топлива, мі/с;

k ? коэффициент, характеризующий выход оксидов азота на 1 тонну сожженного условного топлива, кг/т; для котлов паропроизводительностью менее 70 т/ч определяется по формуле

(91)

где D ? паропроизводительность котла, т/ч

Определяем диаметр устья дымовой трубы , м

(92)

где ? объёмный расход продуктов сгорания через трубу при температуре их в выходном сечении, мі/с

скорость продуктов сгорания на выходе из трубы принимаем равной 20 м/с

Принимаем стандартный диаметр устья дымовой трубы 1,2 м.

Определяем предварительную минимальную высоту трубы Hmin, м

(93)

где А ? коэффициент, зависящий от метеорологических условий местности;

А = 120

F ? коэффициент, учитывающий скорость движения вредных веществ в атмосферном воздухе; принимается по СН 369?74;

F = 1

? предельно допустимая концентрация , мг/мі; принимается по таблице 12.1 [2];

ДТ ? разность температур продуктов сгорания, выбрасываемых из трубы и окружающего воздуха, К.

(94)

В соответствии со СНиП 35-76 к установке принимаем трубу из кирпича выходным отверстием 1,2 м. Высота дымовой труб принимаем 30м.

11. Охрана окружающей среды

При работе энергоустановок должны приниматься меры для предупреждения или ограничения прямого и косвенного воздействия на окружающую среду выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и сбросов сточных вод в водные объекты, звукового давления в близ лежащих районов и минимального потребления воды из природных источников.

В настоящее время разработаны предельно допустимые концентрации (ПДК) содержания вредных элементов в атмосфере. Это необходимо для установления безвредности определённых концентраций элементов для человека, животных и растений.

Основными элементами, загрязняющими атмосферный воздух, являются СО, оксид азота, оксид серы и твёрдые частицы. Основным источником выбросов СО является автомобильный транспорт, значительное место занимают и отопительные котельные, которые вырабатывают в атмосферу СО в двадцать раз больше, чем промышленные. Источником выбросов оксидов азота в первую очередь является котельные установки, на которые приходится более половины всех технологических выбросов. До 80% выбросов оксидов серы и около 50% твёрдых частиц также приходятся на долю выбросов котельных установок. Причём для выбросов твёрдых частиц малыми котельными значительна.