Природный газ представляет собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой, поэтому в практических расчетах пользуются средними значениями теплоты сгорания, плотности сухого природного газа и плотности газа по воздуху.

Физические характеристики и теплоту сгорания некоторых газов Ухтинского месторождения сводим в таблицу 1.

Таблица 1 - Физические характеристики газа

Теплотворная способность или теплота сгорания природного газа , кДж/м³, находится по формуле (1):

, кДж/м³, (1)

где - низшая теплота сгорания природного газа, кДж/м³;

- объемная доля i-го компонента, %, найденная из таблицы 1.4 [1];

- теплота сгорания i-го компонента, кДж/м³, принимаемая из таблицы 1.3 [1].

Плотность природного газа при нормальных условиях , кг/м³, определяется как плотность газовой смеси в зависимости от содержания и плотности отдельных компонентов в соответствии с формулой (2):

(2)

где - плотность газа при нормальных условиях (t=0? и =101,3 кПа), кг/м³;

- плотность -го компонента при нормальных условиях, принимаемая из 1.2 [1], кг/м³.

Относительная плотность газового топлива по воздуху, кг/м³, определяется по формуле (3):

кг/м³ (3)

газовый котельная отопление загазованность

где - плотность газа по воздуху, кг/м³;

- плотность -го компонента по воздуху, принимаемая из 1.2 [2], кг/м³. Подставив численные значения в формулы (1), (2) и (3), получаем средние значения теплоты сгорания , кДж/м³, плотности сухого природного газа при нормальных условиях , кг/м³, и плотности газа по воздуху ,кг/м³.

;

кг/м³.

3. РАСЧЕТ В ТЕПЛЕ И ТОПЛИВЕ

4. ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ КОТЕЛЬНОЙ

4.1 Подбор основного оборудования

4.1.1 Подбор котлов

Котельные агрегаты (КА) - приборы, которые имеют топку с целью сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате высокотемпературных химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых переходит другому теплоносителю (воде или водяному пару), наиболее удобному с целью дальнейшего использования.

Газовые котлы отопления работают на природном газе или, при конструктивных возможностях, на сжиженном газе.

Газовые котлы -- самый распространенный тип котлов как в России, так и во всем мире. Примерно половина всех продаваемых котлов -- газовые котлы. В этом нет ничего странного, ведь газ -- это самое удобное топливо для отопительных котлов.

Конструкция всех современных водогрейных котлов по принципу действия одинаковая и работают они по одной схеме. Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, передается нагреваемой воде. В общем случае, водогрейный котел представляет собой конструкцию из металлического корпуса с устройством теплообмена внутри.

На сегодняшний день на российском рынке можно найти водогрейные котлы почти всех крупнейших отечественных и зарубежных производителей отопительной техники.

При подборе котлов следует вычислить тепловую нагрузку на нужды теплоснабжения, Гкал/ч, по следующей формуле (5):

где - тепловая нагрузка на нужды теплоснабжения, Гкал/ч;

- расчетная и фактическая нагрузка на отопление и вентиляцию, Гкал/ч;

- соответственно расчетная и фактическая нагрузка на горячее водоснабжение, Гкал/ч;

и - соответственно расчетная и фактическая температура наружного воздуха, ?;

и - соответственно расчетная и фактическая температура внутреннего воздуха помещения, ?;

и - соответственно расчетная и фактическая температура горячей воды, ?;

и - соответственно расчетная и фактическая температура холодной воды, ?.

Тепловая нагрузка на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения представлена в таблице 7.

Таблица 7 - Тепловая нагрузка на отопление, вентиляцию и ГВС.

Результаты подбора котлов показаны в таблице 8.

Таблица 8 - Сводные данные по характеристике котлоагрегатов

На рисунке 1 представлен газовый котел Viessmann Vitoplex 200.

Рисунок 1 - Котел Viessmann Vitoplex 200

Паспорт котла Viessmann Vitoplex 200 представлен в приложении 1.

4.1.2 Подбор горелок для котлов

Газовая горелка - это устройство, представляющее собой прибор, в котором смешиваются газ и кислород, находящийся в окружающем воздухе. Полученная смесь подается к выходным отверстиям, где воспламеняется с помощью искры от пьезоэлемента или электричества. В результате появляется постоянное факельное пламя.

Расчет мощности горелки производится по формуле (6).

где - расчетная тепловая мощность горелки, кВт ;

- номинальная мощность тепловой установки (котла), кВт;

- КПД котла.

В результате расчета была подобрана горелка фирмы Weishaupt WG 40 N/1-A, 1", исп. ZM-LN, с газовым мультиблоком W-MF, без термозатвора, мощностью 500 кВт, с расходом газа 52 м³/ч, весом 37 кг.

Газовая горелка фирмы Weishaupt показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Газовая горелка фирмы Weishaupt

4.1.3 Подбор теплообменника

Теплообменные агрегаты (теплообменники) - устройства, служащие для переноса теплоты от одного теплоносителя к другому.

В различных отраслях промышленности, в энергетических установках применяется много видов разнообразных теплообменных агрегатов. Достаточно обширное распространение получили пластинчатые теплообменники.

Для расчета теплообменника необходимо знать нагрузку и температуры воды на входе и выходе из теплообменника как для греющей, так и для нагреваемой среды. Кроме того, принимаем запас по нагрузке равным 5% и потери давления равными 5 кПа.

В курсовом проекте подобран емкостный теплообменник фирмы Viessmann Vitocell?L 100 с отдельным теплообменным агрегатом Vitotrans 222.

Расчет теплообменника приведён в таблице 9.

Таблица 9 - Подбор теплообменного аппарата для СГВ

4.2 Подбор насосного оборудования

Насосы сетевые нужны для перекачивания горячей воды в системах тепловых сетей. Насос сетевой, как правило, предназначен для работы с жидким теплоносителем, нагрев которого не должен превышать 181°С.

Кроме того, любые виды сетевых насосов предназначены для работы с водой прошедшую многоступенчатую фильтрацию, которая очищает воду от любых элементов. Данные насосы чаще всего устанавливается в котельных и являются частью мощных централизованных сетей теплоснабжения (отсюда - соответствующее название «насос сетевой»), а также крупных теплоэнергоцентралей (ТЭЦ).

Число сетевых насосов должно быть не менее двух, один из которых является резервным; при пяти рабочих сетевых насосах в одной группе резервный насос допускается не устанавливать. Место установки сетевого насоса определяется рабочей температурой насоса.

Подпиточный насос служит для обеспечения надежной работы тепловых сетей и местных систем. Устанавливается в тепловом пункте и предназначается для заполнения системы и ее подпитки - возмещение потери (утечки) воды в процессе эксплуатации.

Подпиточный насос должен передвигать не большое количество воды и вырабатывать достаточно высокое давление, превышающее гидростатическое в системе отопления. Применяют специальные моноблочные насосы, а также вихревые лопастные насосы, вырабатывающие большое давление при малой подаче. Обычно устанавливают не менее двух насосов (один резервный). Для подбора сетевого насоса требуются следующие формулы:

где - потери давления в системе отопления (сопротивление абонента с.о.), кПа;

- потери давления в системе абонента, кПа;

- потери давления в регуляторах, кПа;

- потери давления в подогревателе горячего водоснабжения, кПа

- потери давления в элеваторе.

, , (8)

где- суммарные потери давления в контуре, кПа;

- сопротивление на источнике теплоты, кПа;

- сопротивление в трубопроводе, кПа.

, , (9)

где- требуемый напор сетевого насоса, кПа;

- напор на всасывающем патрубке насоса, кПа.

, , (10)

где- напор сетевого насоса, кПа.

4.2.1 Подбор сетевого насоса

Результаты расчётов по подбору сетевых насосов для системы отопления приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Технические характеристики сетевых насосов

Устанавливаем два насоса (основной и резервный) марки Wilo-TOP-SD 65/15 мощностью 4,35кВт, так как они являются более экономичными в сравнении с другими насосами.

4.2.2 Насос для циркуляции ГВС

Расчёт насоса для циркуляции ГВС представлен в таблице 11.

Таблица 11 - Технические характеристики насоса для циркуляции ГВС

Устанавливаем один насос марки Wilo Star-Z 25/6 мощностью 0,07 кВт, так как он является более экономичным в сравнении с другими насосами.

4.2.3 Насос для вентиляции

Расчёт насоса для системы вентиляции представлен в таблице 12.

Таблица 12 - Технические характеристики насоса для системы вентиляции

Устанавливаем один насос марки Wilo-TOP-SD 40/7 3~ PN6/10 мощностью 0,18 кВт, так как он является более экономичным в сравнении с другими насосами.

4.2.4 Подбор насосов циркуляции контуров отопления 1, 2, 3, 4 и цокольного этажей.

Расчёты по подбору насоса для каждого этажа представлены в таблицах.

Таблица 13 - Расчет циркуляционного насоса цокольного этажа

Устанавливаем один насос для цокольного этажа Wilo Top-SD 32/7 3~ PN6/10 мощностью 0,09 кВт, так как это более подходящий насос по заданным параметрам.

Таблица 14 - Расчет циркуляционного насоса 1-го этажа

Устанавливаем один насос для 1-го этажа Wilo Top-SD 40/7 3~ PN6/10 мощностью 0,18 кВт, так как это более подходящий насос по заданным параметрам.

Таблица 15 - Расчет циркуляционного насоса 2-го этажа

Устанавливаем один насос для 2-го этажа Wilo Top-SD 30/5 3~ PN6/10 мощностью 0,05 кВт, так как это более подходящий насос по заданным параметрам.

Таблица 16 - Расчет циркуляционного насоса 3-го этажа

Устанавливаем один насос для 3-го этажа Wilo Top-SD 40/7 3~ PN6/10 мощностью 0,18 кВт, так как это более подходящий насос по заданным параметрам.

Таблица 17 - Расчет циркуляционного насоса 4-го этажа

Устанавливаем один насос для 4-го этажа Wilo Top-SD 30/5 3~ PN6/10 мощностью 0,05 кВт, так как это более подходящий насос по заданным параметрам.

4.2.5 Подбор подпиточного насоса

Для подбора подпиточного насоса использованы следующие формулы:

, , (11)

где- объем воды в системе отопления, м³;

- м³/Гкал;

- максимальная тепловая нагрузка, Гкал.

, , (12)

где- объем воды в системе теплоснабжения, м³;

- объем воды в системе отопления, м³;

- объем воды в источнике отопления, м³. Вычисляется следующим образом:

, м³,(13)

где - объём котловой воды в 1 котле, м³;

- объём котловой воды во 2 котле, м³.

, , (14)

где- величина утечки теплоносителя, м³;

, , (15)

где- статический напор в системе, кПа;

- высота здания, м.

, , (16)

где- требуемый напор подпиточного насоса, кПа;

- сопротивление подпиточной линии, кПа.

, , (17)

где- напор подпиточного насоса, кПа.

Результаты подбора подпиточных насосов приведены в таблице 18.

Таблица 18 - Технические характеристики подпиточного насоса

Устанавливаем один насос марки Wilo MHI 202~ мощностью 0,55 кВт, так как он является более экономичным в сравнении с другими насосами.

4.3 Подбор расширительных баков на обратном сетевом трубопроводе и для контура котлов мощностью 440 кВт

Система отопления представляет собой замкнутый контур, заполненный теплоносителем (вода или незамерзающая жидкость - антифриз). Поэтому, незначительное увеличение объема теплоносителя при скачке температуры может образовать давление, гораздо больше предела прочности отдельных элементов системы, а уменьшение объема при понижении температуры может вызвать разрыв струи и нарушение циркуляции.

Для предотвращения этих явлений в системах отопления служит расширительный бак, воспринимающий излишек воды при повышении температуры и восполняющий нехватку воды при ее понижении.

Для подбора расширительного бака необходимо знать вид теплоносителя, общий объем теплоносителя в системе, коэффициент расширения теплоносителя в системе, начальное и максимально допустимое значение давления и коэффициент заполнения расширительного бака при заданных условиях работы.

Вычисляем объем расширения теплоносителя по формуле:

(18)

где - объем расширительного бака, л;

- коэффициент расширения теплоносителя в системе;

- общий объем теплоносителя в системе, л;

- начальное давление в расширительном баке, атм;

- максимально допустимое значение давления, атм;

- коэффициент заполнения расширительного бака при заданных условиях работы.

По формуле (19) находим полный объем расширительного бака:

,, (19)

где- полный объем расширительного бака, л;

- объем расширительного бака, л;

- коэффициент запаса равный 1,25 (или 25%).

К установке для компенсации расширения воды в тепловой сети принимаем мембранный расширительный бак фирмы «Reflex» (Т22) N 500 6 бар - 1 шт.

К установке для компенсации расширения воды в контуре котлов принимаем расширительные баки фирмы «Reflex» Т96 N50 6 бар - 2шт.

4.4 Подбор химводоподготовки

Химводоочистка (ХВО) предназначена для снабжения химочищенной водой производственных установок и котельной.

Режим эксплуатации водоподготовительных установок и водно-химический режим должен обеспечить работу котельной и тепловых сетей без повреждений и снижения экономичности, вызванных коррозией внутренних поверхностей водоподготовительного, котельного и сетевого оборудования, а также образованием накипи и отложений на теплопередающих поверхностях, и шлама в оборудовании и трубопроводах котельной и тепловых сетей. Чтобы избежать подобных последствий, рекомендуется использовать химводоочистку (ХВО). Система очистки воды для подпитки котлов включает в себя:

- удаление примесей на механических фильтрах;

- удаление солей жёсткости (умягчение воды);

- обескислороживание и удаление углекислоты (декарбонизация).

Для приведения качества исходной воды в соответсвии с нормами, принята автоматическая установка умягчения воды и удаления раствореннго кислорода производительностью 1 м³/ч фирмы «Акватон». Химводоочистка представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Химводоочистка

4.5 Подбор запорной арматуры в котельной

где - скорость выхода дымовых газов из устья дымовой трубы, принимается 20 м/с.

Условием выбора высоты дымовой трубы является рассеивание вредных загрязняющих веществ на высоте 2 м от земли в атмосферном воздухе для каждого выброса.

1. Расчет выбросов летучей золы и несгоревшего топлива, г/с:

где - золосодержание топлива по рабочей массе, %;

- КПД золоуловителей, %; для мазута - 83.

2. Расчет выбросов оксидов углерода, г/с:

где - коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленную наличием в продуктах неполного сгорания оксида углерода; принимается: для твердого топлива - 1; для мазута - 0,65; для газа - 0,5;

- низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

3. Расчет выбросов оксидов серы, г/с:

где - содержание серы по рабочей массе, %; доля оксидов серы, связываемая летучей золой; принимается 0,1; - доля оксидов серы, улавливаемой в золоуловителе; принимается 0.

4. Расчет выбросов оксидов азота, г/с:

где - удельный выброс оксидов азота при сжигании топлива на 1 МДж теплоты, г/МДж; рассчитывается по уравнению:

для природного газа:

для мазута:

для слоевого сжигания твердого топлива:

где - характеристика гранулометрического состава угля - остаток на сите с размером ячеек 6 мм, %; при отсутствии данных принимается 30%;

- тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м²;

- безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелок: при сжигании газа для дутьевых горелок напорного типа - 2; для горелок инжекционного типа - 1,6; для горелок двухступенчатого сжигания - 0,7; при сжигании жидкого и твердого топлива - 1;

- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота: для твердого топлива ; для природного газа и мазута;

где - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота. Для газа и твердого топлива - 1.

Минимальная высота дымовой трубы , рассчитывается по следующей зависимости:

где - количество выбросов i-го загрязняющего вещества из дымовой трубы, г/с;

- предельно-допустимая максимальная разовая концентрация i-го вредного загрязняющего вещества в приземном воздухе, мг/м³;

- фоновые концентрации i-го загрязняющего вещества в районе расположения котельной, мг/м³;

- коэффициент распределения температуры воздуха, зависящий от метеорологических условий местности и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе;

- коэффициент скорости оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, равный: 1 - для газообразных выбросов; 2 - для пыли и золовых частиц при степени улавливания более 90%; 2,5 - для пыли и золовых частиц при степени улавливания менее 90%;

- количество дымовых труб, шт;

- разность температур уходящих газов и температуры окружающего атмосферного воздуха, равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года .

Выбор высоты дымовой трубы делается для максимального значения из расчетов минимальной высоты дымовой трубы для рассеивания вредных веществ. По расчетам дымовая труба от двух котлов «Viessmann Vitoplex 200» - 5 м, - 300мм, производителя ООО «Энтророс» (г. Санкт-Петербург). Дымовые трубы присоединены к системе молниезащиты здания.

4.7 Подбор труб

5.2 Определение диаметра обводного газопровода

Обводной газопровод (байпас) на ГРП служит для подачи газа потребителям в случае выхода из строя регулятора давления, предохранительного запорного клапана или фильтра и их остановки на ремонт или чистку. Байпас позволяет также подавать газ потребителям, когда на вводе давление газа понижено и работа через регулятор давления становится невозможной.

5.3 Защита газопроводов от коррозии

Все подземные стальные газопроводы должны быть защищены от коррозии. Защита от коррозии должна проектироваться в соответствии с требованиями ГОСТ 9.015-74* «Единая система защиты от коррозии и старения. Подземные сооружения. Общие технические требования».

Подземные газопроводы защищают от почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами двумя способами: пассивным и активным.

Пассивный способ заключается в изоляции газопровода от контакта с окружающим грунтом.

Активный способ (электрохимическая защита) заключается в создании защитного потенциала газопровода по отношению к окружающей среде. К активным методам защиты относят катодную и протекторную защиту и электрический дренаж.

В зависимости от коррозионной активности грунтов применяют три типа изоляции трубопроводов: нормальную, усиленную и весьма усиленную.

Газопроводы, прокладываемые в пределах городов и других населенных пунктов, промышленных предприятий, изолируют защитными покрытиями весьма усиленного типа в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.

В качестве защитных используют битумно-полимерные, битумно-минеральные, эмаль-этиленовые с использованием армирующих оберток из стекловолокнистых материалов, покрытия на основе битумнорезиновых мастик (по ГОСТ 15836-79), изготовленные на специализированных заводах, а также покрытия из полимерных материалов, наносимых в виде лент или в порошкообразном состоянии. Защитные покрытия должны наноситься только в цеховых условиях. Допускается нанесение защитных покрытий непосредственно на месте укладки только при выполнении ремонтных работ на действующих газопроводах, изоляции сварных стыков и мелких фасонных частей, исправлении повреждений изоляции в процессе монтажа, применении липких лент сразу после укладки труб в траншеи.

Битумно-полимерные, битумно-минеральные или битумно-резиновые защитные покрытия весьма усиленного типа имеют следующую структуру: битумная грунтовка, битумно-полимерная или битумно-минеральная мастика (толщина слоя 2,5 - 3 мм), армирующая обмотка из стеклохолста, битумная мастика (толщина слоя 2,5 - 3 мм), наружная обертка из бумаги. Общая толщина покрытия должна быть не менее 9 мм. Допускается применение четырех слоев битумно-атектической, битумно-минеральной или битумно-резиновой мастики с тремя слоями армирующей обмотки при соблюдении общей толщины покрытия не менее 9 мм. При изоляции труб диаметром до 150 мм общая толщина покрытия может быть не менее 7,5 мм.

Битумные грунтовки изготавливают из битума, растворенного в бензине.

Составы битумных грунтовок под битумные мастики в зависимости от сезона нанесения приведены в справочнике.

Защитные покрытия весьма усиленного типа из полимерных липких лент из поливинилхлорида или полиэтилена имеют следующую структуру: грунтовка (0,1 мм), липкая лента в три слоя (толщиной не менее 1,1 мм), наружная обертка. Для защиты такого покрытия от механических повреждений при укладке трубопроводов в грунт и их засыпке необходимо использовать рулонные материалы с прочностью не менее 0,25 МПа (бризол, пленка ПЭКОМ). Под покрытие из полимерных липких лент применяют клеевые или битумно-клеевые грунтовки. Липкие ленты шириной 450 мм поставляются в рулонах и наносятся на газопровод в виде спиральной обертки. Под покрытие из полимерных липких лент применяют клеевые или битумно-клеевые грунтовки, изготовленные в соответствии с нормативно-технической документацией.

Защитную обертку различными рулонными материалами выполняют с нахлесткой витков. Концы защитной обертки должны быть прочно приклеены горячей битумной мастикой или клеем.

Надземные газопроводы следует защищать от атмосферной коррозии лакокрасочными покрытиями, состоящими из двух слоев грунтовки и двух слоев краски, эмали или лака, выдерживающими температурные изменения и влияние атмосферных осадков. Рекомендуемое сочетание грунтовок и красителей с растворителями приведено в таблицах.

Внутренние газопроводы, в том числе прокладываемые в каналах, следует окрашивать. Для окраски должны применяться водостойкие лакокрасочные материалы.

Все газопроводы, находящиеся внутри зданий, на наружных установках и коммуникациях, эстакадах и в подземных каналах, для быстрого их обнаружения должны быть окрашены в желтый цвет.

5.4 Расчет газопровода низкого давления

При проектировании трубопроводов выбор размеров труб осуществляется на основании гидравлического расчета, определяющего внутренний диаметр труб для пропуска необходимого количества газа при допустимых потерях давления или, наоборот, потери давления при транспорте необходимого количества газа по срубам заданного диаметра.

Сопротивление движению газа в трубопроводах слагается из линейных сопротивлений трения и местных сопротивлений: сопротивления трения «работают» на всей протяженности трубопроводов, а местные создаются только в пунктах изменения скоростей и направления движения газа (углы, тройники и т.д.).

Гидравлический расчет газопроводов выполняют для определения внутренних диаметров трубопроводов, обеспечивающих пропуск необходимых количеств газа при допустимых для конкретных условий перепадах давления. На основании опыта проектирования при расчете газопроводов среднего давления рекомендуется принимать потери давления газа от ГРПШ до наиболее удаленных горелок не более 25% от номинального давления газа перед горелками.