Расчёт технологической схемы котельной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данном дипломном проекте рассмотрена модернизация районной котельной г. Волковыска. Был произведён расчёт тепловой схемы с применением методов математического моделирования. Расчётная схема синтезирована на базе основных элементов: котёл, потребители, теплообменники, насосы и др. На основе схемы разработана математическая модель и создана программа для ЭВМ для расчета: расходов основных энергоносителей, коэффициента полезного действия котлов, котельной. На основе расчётов программы разработано проектное решение по модернизации. Произведён тепловой поверочный расчёт котлоагрегата ТВГ-4р и гидравлический расчёт газопровода с выбором запорно-регулирующей аппаратуры. Была внедрена АСУ Была просчитана экономическая эффективность модернизации и рассчитан срок окупаемости котельной.

В расчетно-пояснительную записку входят также разделы охраны труда и противопожарной безопасности, электроснабжения.

Содержание

котельная тепловой энергоноситель моделирование

• Введение 4
• 1. Описание существующего состояния котельной 6
• 2. Расчёт технологической схемы котельной 10
• 2.1 Синтез расчётной структуры исследуемого объекта 10
• 2.2 Разработка математической модели теплогенерирующего блока 14
• 2.3 Разработка математической модели для блока L 32
• 2.4 Решение математических моделей и составление программы для ЭВМ 42
• 3. Анализ режимов работы районной котельной 46
• 4. Разработка проектного решения по модернизации водогрейного котла ТВГ-4р 48
• 5. ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ КОТЛОАГРЕГАТА ТВГ-4р 53
• 5.1 Краткое описание котлоагрегата ТВГ-4р 53
• 5.2 Поверочный тепловой расчёт 53
• 5.2.1 Расчёт энтальпий воздуха и продуктов сгорания 56
• 5.2.2 Расчёт коэффициента полезного действия и расхода топлива 60
• 5.2.3 Расчёт топочной камеры 62
• 5.2.4 Расчёт первой конвективной поверхности 65
• 6. Гидравлический расчёт газопровода котельной 71
• 7. Разработка АСУ котельной 77
• 8. Электроснабжение 86
• 9. Технико-экономические показатели 100
• 9.1 Расчет себестоимости отпускаемой теплоты. 100
• 9.2 Организация ремонта 112
• 10. Охрана труда 119
• 10.1 Производственная санитария и техника безопасности 119
• 10.2 Пожарная безопасность 125
• Литература 128
• Приложение 1 130
• Приложение 2 136
• Приложение 3 138

Введение

Современная теплоэнергетическая установка представляет собой единый технический комплекс разнородных узлов оборудования со сложной схемой технологических связей. В ней одновременно осуществляются и тесно взаимодействуют разнородные физико-химические процессы, совместно применяются различные виды и фазы энергоносителей, разнообразные материалы, типы технологических схем, конструкций и компоновок оборудования. При проектировании и создании сложных объектов, к которым принадлежат современные теплоэнергетические установки, требуются знания о количественных и качественных закономерностях, свойственных рассматриваемым объектам. Осуществить непосредственную практическую проверку тех или иных закономерностей, очень часто не представляется возможным по ряду причин. В связи с этим приобретает все большее значение изучение свойств и закономерностей рассматриваемых сложных объектов на базе методов моделирования.

Одним из методов моделирования является математическое моделирование, которое позволяет изучать только те параметры исследуемого объекта, которые имеют математическое описание и связаны математическими соотношениями в уравнениях, относящихся как к модели, так и к исследуемому объекту. Процесс математического моделирования включает в себя ряд этапов. Начинается он с постановки задачи, решение которой должно быть получено посредством использования модели. Для этого выделяются некоторые свойства и связи, исследование которых может привести к достижению цели. Второй этап - разработка математической модели. При разработке математической модели создается объект, в котором интересующие свойства и отношения исследуемого объекта могут быть изучены проще, чем при непосредственном его изучении. На третьем этапе математическая модель становится объектом исследования. При этом все действия направлены на модель и на получение знаний об объекте, на установление законов его развития, его свойств и отношений. На четвертом, заключительном этапе процесса математического моделирования рассматривается вопрос о переносе значений, полученных на математической модели, на реальный объект изучения. Возможность такого переноса существует благодаря наличию определенного соответствия элементов и отношений модели элементам и отношениям исследуемого объекта.

Таким образом, можно придти к выводу, что математические модели сложных теплоэнергетических установок являются наиболее подходящим средством для целей комплексного технико-экономического их исследования.

В данном проекте рассмотрены: синтез технологической схемы комплексной энергетической установки, составлена ее математическая модель, произведен выбор и расчет основных элементов установки, схемы КИП и автоматики, представлены технико-экономические показатели, вопросы электроснабжения, охраны труда, пожарной безопасности и экологии.

1. Описание существующего состояния котельной

Котельная оборудована двумя котлами типа ТВГ-4р Монастырищенского машиностроительного завода номинальной теплопроизводительностью 18 ГДж/ч каждый. Топливом для котельной является природный газ теплотой сгорания

.

Установлены пять сетевых насосов, три насоса подпитки.

Система теплоснабжения - закрытая двухтрубная со смешанной схемой присоединения подогревателей горячего водоснабжения и абонентов.

Общая теплопроизводительность котельной - 35,1 ГДж/ч, в том числе:

- количество тепла на отопление и вентиляцию - 27 ГДж/ч,

- количество тепла на горячее водоснабжение - 7,1 ГДж/ч,

- количество тепла на собственные нужды котельной - 0,7 ГДж/ч.

Теплоснабжения потребителей от котельной осуществляется по двум магистралям Д_у 250 и Д_у 80. К магистрали Д_у 80 подключений только потребители системы отопления по безэлеваторной схеме с температурным графиком 95/70. Для магистрали Д_у 250 температурный график 120/70. Регулирование - качественное по отопительной нагрузке. Расхода сетевой воды на горячее водоснабжение приняты, исходя из отопительного графика.

Расчётное количество воды, идущее на отопление и вентиляцию - 35,8 кг/с; то же на горячее водоснабжение - 9,42 кг/с.

Избыточный напор в теплосети на выходе из котельной принят 45 м. в. ст.

Источником водоснабжения является городской водопровод с давлением на вводе 40 м. в. ст.

Ниже приводиться краткое описание основного оборудования котельной.

Котлоагрегат.

Котёл ТВГ-4р прямоточный, водогрейный с принудительной циркуляцией. Отличительная особенность конструкции котла - наличие трёх двусветных экранов, расположенных между двумя подовыми горелками.

Котёл комплектуется четырьмя газовыми подовыми горелками. На каждый котёл устанавливается по одному дымососу типа Д -10 и одному дутьевому вентилятору типа Ц-4-70-№6.

На основном газопроводе к котлу установлено следующее оборудование: задвижка фланцевая (Д_у = 100, Р_у = 6), измерительная диафрагма, запорно-предохранительный клапан ПКН-100 (Д_у = 100, Р_у = 10), поворотная регулирующая заслонка ЗД - 80 (Д_у = 80), газовые щелевые подовые горелки.

На продувочных газопроводах установлены сальниковые муфтовые краны типа 11ч6бк (Д_у =15, Р_у = 10), кран проходной фланцевый типа 11ч8бк (Д_у =25, Р_у = 10), кран пробно-спускной типа 10б8бк.

Расход воды через котёл - 53 м³/ч. Минимальное допустимое давление воды на выходе из котла - 0,784 МПа (из условия невскипаемости).Максимальное давление воды на выходе из котла из условий прочности -1,372 МПа.

Температура воды на входе в котёл - не менее 60 єС.

Таблица 1.1

Техническая характеристика котлов ТВГ-4р

Наименование	Единицы измерения	Величина или характеристика
1	2	3
Теплопроизводительность	ГДж/ч	18
Поверхность нагрева	м2	90,3
в т.ч: радиационная	м2	35,5
конвективная	м2	54,8
Объём топочной камеры	м3	13,6
Расчётные температуры сетевой воды	С	150/70
Расчетный расход воды через котёл	м3/ч	53
Давление воды на выходе из котла
а) максимальное (по условиям прочности)	МПа	1,372
б) минимальное (по условиям невскипания) определяется температурным режимом сети, при t = 150 С	МПа	0,784
Гидравлическое сопротивление котла при расчётном расходе воды	МПа	0,096
Расход природного газа номинальный	м3/ч	560
Давление газа перед горелкой*	МПа	0,017
Температура уходящих газов	С	193
КПД котла (брутто)	%	90,5
Аэродинамическое сопротивление котла	МПа	5,5

* - данные приведены для существующего котла

Сетевые насосы.

Циркуляция сетевой воды в системе теплоснабжения осуществляется сетевыми насосами. Суммарная производительность сетевых насосов (расход воды на отопление, вентиляцию, собственные нужды и горячее водоснабжение) 112 м³/ч.

Напор сетевых насосов - 80 м.в.ст., причём потери напора в котельной составляют 30 м.в.ст.

В котельной установлено 4 сетевых насоса типа 4К-6 (3 рабочих, 1 резервный). В летний период работает один насос.

Техническая характеристика насосного оборудования:

Таблица 1.2

Сетевые насосы

Количество	шт.	1
Тип		4К6А
Напор	м.	72
Подача	м3/ч.	108
Количество	шт.	1
Тип		Д200/95
Напор	м.	95
Подача	м3/ч.	200
Количество	шт.	1
Тип		К100/65
Напор	м.	65
Подача	м3/ч.	100
Количество	шт.	1
Тип		34К-6
Напор	м.	72
Подача	м3/ч.	117
Количество	шт.	1
Тип		К90/55
Напор	м.	55
Подача	м3/ч.	90

Таблица 1.3

Подпиточные насосы сетевой воды

Количество	шт.	3
Тип		К-20/30
Напор	м.	30
Подача	м3/ч.	20

Химводоочистка.

Расход подпиточной воды составляет 4,5 т/ч. Расчётная производительность химводоочистки 5 т/ч. Для предохранения поверхности оборудования от потения и улучшение процесса Na катионирования воды, вода перед умягчением подогревается в водяном подогревателе до 20 - 25С.

Требования к химочищенной воде:

1. Растворённый кислород ? 0,05 мг/л;

2. PH 7 - 9;

3. Взвешенные вещества ? 5 мг/л;

4. Жёсткость карбонатная ? 4 мг экв/л;

5. Воды должна быть стабильной в отношении выделения осадка CaSO₄.

2. Расчёт технологической схемы котельной

2.1 Синтез расчётной структуры исследуемого объекта

В самом общем случае задача синтеза технологической схемы технической системы заключается в определении ее состава (совокупности элементов), структуры (системы связей между элементами) и совокупности режимных и конструктивных параметров при заданных характеристиках сырьевых потоков и готовой продукции, функции цели и ограничений на параметры. Существуют различные методы и подходы к синтезу технологических схем. В данном случае на первом этапе задачу синтеза ограничиваем только определением состава элементов и структуры схемы

После определения состава технологических элементов устанавливаем и уточняем связи между ними по потокам вещества и энергии. Определяются также связи с внешними системами, в том числе с окружающей средой.

Таким образом, при составлении технологический схемы используем два типа элементов: технологические и транспортные. К первым относятся элементы, в которых происходят преобразования массы и энергии, ко вторым - элементы, служащие для транспорта материальных и энергетических потоков, т.е. для соединения технологических элементов между собой. Элементы первого типа в дальнейшем будем называть «элементами», а второго типа - «связями».

Теплоносители и рабочие тела, посредством которых осуществляются различные технологические процессы в элементах оборудования и связи между ними, будем называть энергоносителями. Условно принимаем, что связи по механической и электрической энергии также осуществляются соответствующими энергоносителями. Каждая стационарная связь характеризуются строго заданным направлением, соответствующим действительному направлению движения потока энергоносителя между элементами оборудования. Связи, осуществляемые каким-либо теплоносителем (если известен их состав), однозначно определяются одним расходным и двумя термодинамическими параметрами его состояния, и поэтому их считают трехпараметрическими. Механические и электрические связи количественно характеризуются мощностью, поэтому их называют однопараметрическими. Полученная таким образом расчётная технологическая схема представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 - Расчётная технологическая схема

После построения структуры системы и определения состава в нее входящих элементов оценивается сложность расчетной схемы и определяется уровень глубины исследования.

Упростим полученную расчётную технологическую схему по следующей схеме:

- объединим блоки I и II в блок I (перераспределение нагрузок между котлоагрегатами рассмотрим на последующем этапе моделирования).

- из блока I для расчёта необходимо знать только количество тепла, воспринятое нагреваемой средой. Таким образом, сократим связи 4, 5, 7, 8, 44 и 45 заменив их 78.

- укрупним схему, выделив в ней два блока теплогенерирующий и блок подготовки воды и горячего водоснабжения (L).

Сократив лишние элементы и связи, получим эквивалентную технологическую схему, которая представлена на рисунке 2.1.3.

Блок L рассчитывается по дополнительной системе уравнений составленной по расчётной схема блока L которая представлена на рисунке 2.1.2.

Рисунок 2.1.2 - Расчётная технологическая схема блока L

Рисунок 2.1.3 - Эквивалентная расчётная технологическая схема

2.2 Разработка математической модели теплогенерирующего блока

Математическая модель теплогенерирующего блока представляет собой совокупность соотношений формул, уравнений, неравенств, которые связывают характеристики объекта с параметрами объекта и исходной информацией. Математическая модель дает формализованное и приближенное (с определенной степенью точности) описание реальной картины количественных и логических взаимосвязей и соотношений между основными параметрами рассматриваемой установки, технологическими и материальными характеристиками ее элементов, характеристиками внешних технологических и экономических связей, системой ограничений и величиной соответствующего критерия эффективности.

Структурная схема технологического процесса требует больших усилий для формализации. При исследовании технологических объектов, структурная схема подлежит оптимизации, а следовательно значительным изменениям. Поэтому, необходимы другие виды и способы изображения технологических схем.

Описание технологической схемы (рис. 2.1.3) произведем с помощью теории графа [1] и также представим саму схему в виде поточного направленного графа (рис. 2.2.1). Вершины представляют собой функциональные элементы системы, а дуги - связи между элементами.

Кодирование графа произведем с помощью матрицы соединения и матрицы типов связи.

В матрице соединений узлов графа (табл. 2.2.1) единицы в строках показывают наличие связи входящей в элемент (-1) и выходящей из элемента (1). При этом строка, соответствующая связи между узлами схемы (внутренняя связь), имеет два ненулевых члена (1 и -1), а строка, соответствующая связи между узлом схемы и внешним объектом (внешняя связь), имеет один ненулевой член (1 и -1).

Рисунок 2.2.1 - Поточный направленный граф

Таблица 2.2.1

Матрица соединений

	I	V	VI	VII	X	XIV	XV	XVII	XXV	XXVI	L	У
9	-1	0	+1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
11	0	-1	0	0	0	0	0	0	0	+1	0	0
12	0	0	0	0	+1	0	0	0	0	-1	0	0
13	0	+1	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0
16	0	0	-1	0	0	0	0	0	0	0	+1	0
17	0	0	0	0	+1	0	0	0	0	0	-1	0
19	0	0	0	-1	0	0	+1	0	0	0	0	0
23	0	0	0	0	-1	+1	0	0	0	0	0	0
25	0	0	0	0	0	-1	+1	0	0	0	0	0
26	+1	0	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0
27	0	0	0	0	0	-1	0	+1	0	0	0	0
28	0	0	0	0	+1	0	0	0	-1	0	0	0
29	0	0	0	0	0	0	0	-1	+1	0	0	0
33	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	-1	-1
37	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	+1	+1
49	0	0	0	0	0	0	0	0	0	-1	0	-1
50	0	0	0	0	0	0	0	0	-1	0	0	-1
78	+1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	+1
101	0	+1	-1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
103	0	0	-1	+1	0	0	0	0	0	0	0	0
104	0	0	0	-1	0	0	0	+1	0	0	0	0

В матрице видов связи (табл. 2.2.2) единицы в столбцах указывают тип энергоносителя, посредством которого осуществляется данная связь. Каждый тип энергоносителя характеризуется параметрами.

Таблица 2.2.2

Матрица типов связи

Вид энер-гии / № связи	вода	энергия	параметры связи
9	1	0
11	1	0
12	1	0
13	1	0
16	1	0
17	1	0
19	1	0
23	1	0
25	1	0
26	1	0
27	1	0
28	1	0
29	1	0
33	1	0
37	1	0
49	0	1
50	0	1
78	0	1
101	1	0
103	1	0
104	1	0

Для проведения анализа математической модели составим вспомогательные матрицы: матрицу смежности, матрицу процесса, матрицу контуров. Единицы в матрице смежности (табл. 2.2.3) показывают направление связи, то есть из какого элемента (строка) в какой элемент (столбец) она направляется. Матрица просматривается на наличие пустых строк и столбцов. Элементы, соответствующие этим строкам и столбцам не входят в контура схемы.

Таблица 2.2.3

Матрица смежности

	I	V	VI	VII	X	XIV	XV	XVII	XXV	XXVI	L
I	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
V	0	0	0	0	0	1	0	0	0	1	0
VI	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1
VII	0	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0
X	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0
XIV	0	1	0	0	0	0	1	1	0	0	0
XV	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
XVII	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0
XXV	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0
XXVI	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0
L	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0

Матрица процессов (таблица 2.2.4) указывает номера связей, характерных для рассматриваемого элемента.

Таблица 2.2.4

Матрица процессов

№ элемента	№ связи
I	-9 +26 +78
V	-11 +13 +101
VI	+9 -16 -103 -101
VII	-19 +103-104
X	+12 +17 -23 +28
XIV	-13 +24 -25 -27
XV	-19 +25 +26
XVII	+27 -29 +104
XXV	-28 +29 -50
XXVI	+11 -12 -49
L	+16 -17 -33 +37

Матрица контуров (циклов) (табл. 2.2.5) определяет количество контуров в схеме и указывает внутренние связи, входящие в каждый из контуров.

Таблица 2.2.5

Матрица контуров

№ связи	№ контура	Частота связи
	1	2	3	4	5	6
1	2	3	4	5	6	7	8
9	1	1	1	1			1
11	1				1		2
12	1				1		2
13					1		1
16				1			1
17				1			1
19			1				1
23	1	1		1	1	1	5
25	1	1		1	1		4
26	1	1	1	1	1		5
27						1	1
28		1				1	2
29		1				1	2
33							0
37							0
49							0
50							0
78							0
101	1						1
103		1	1				2
104		1					1
Ранг контура	7	8	4	6	6	4

Зависимости между параметрами связей можно описать системой балансовых уравнений. В систему входят:

- уравнения материального баланса:

, (2.2.1)

которые записываются для каждого j-го теплоносителя k-го элемента;

- уравнения энергетического баланса для каждого элемента:

; (2.2.2)

- уравнения изменения энтальпии для каждого j-го теплоносителя:

; (2.2.3)

- уравнения изменения давления:

, (2.2.4)

где G - расход теплоносителя;

N - мощность электрической или механической связи;

p и i - давление и энтальпия на выходящей и входящей связи узла;

и - изменение давления и энтальпии j-го теплоносителя в k-ом элементе;

- коэффициент, показывающий потери в окружающую среду.

Составляем систему балансовых уравнений для каждого элемента (табл. 2.2.6). Система балансовых уравнений характеризуется числом уравнений, входящих в нее и числом параметров связи, описывающих саму схему.

Таблица 2.2.6

Система балансовых уравнений

Эле-мент	Фрагмент	Балансовые уравнения	№ уравнения
1	2	3	4
I	G26,h26,p26 G9,h9,p9 Q78	;.	(2.2.5) (2.2.6)
V	G101,h101,p101 G11,h11,p11 G13,h13,p13	; ; ;; ;.	(2.2.7) (2.2.8)
VI	G16,h16,p16 G101,h101,p101 G103,h103,p103 G9,h9,p9	; ; .	(2.2.9)
VII	G103,h103,p103 G19,h19,p19 G104,h104,p104	; ; .	(2.2.10)
X	G12,h12,p12 G17,h17,p17 G23,h23,p23 G28,h28,p28	; ; ; ; ; ; ; ;.	(2.2.11) (2.2.12)



1	2	3	4
XIV	G23,h23,p23 G27,h27,p27 G13,h13,p13 G25,h25,p25	; ; .	(2.2.13)
XV	G19,h19,p19 G26,h26,p26 G25,h25,p25	; ; ; ; ; ; ; .	(2.2.14) (2.2.15)
XVII	G104,h104,p104 G29,h29,p29 G27,h27,p27	; ; ; ; ; ; .	(2.2.16) (2.2.17)
XXV	Q50 G29,h29,p29 G28,h28,p28	; ; .	(2.2.18) (2.2.19)
XXVI	Q50 G11,h11,p11 G12,h12,p12	; ; .	(2.2.20) (2.2.21)



L	G37,h37,p37 G16,h16,p16 G33,h33,p33 G17,h17,p17	; ; ; ; ; ; ; ;.	(2.2.22) (2.2.23)

Так как система балансовых уравнений имеет бесконечное множество решений, то, изменяя расчетные термодинамические расходные параметры можно получить ряд сбалансированных состояний системы.

Поэтому имеется возможность выбора оптимальных значений параметров теплоэнергетической системы. Конкретный допустимый состав параметров определим с помощью матрицы функциональных связей, в которой единицы в i-ых строках матрицы дают логический признак наличия непосредственной связи j-ой переменной с одной или несколькими переменными, входящими в i-ое уравнение баланса.

Так как параметры связи и конструктивные параметры не могут изменяться произвольно, то необходимо наложить на них ограничения. Система ограничений на параметры системы балансовых уравнений представлена в графе 7 таблицы 2.2.7.

Таблица 2.2.7

Перечень параметров математической модели

№ п.п.	Наименование параметров	Единицы измерения	Обознач-ение	Идентифи-катор*	Диапазон измерения	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Связь 9 - выход из котла - вода
1	Расход	кг/с	G9	G9	30	Реглам.
2	Температура	С	t9	t9	75…150	Управл.
3	Давление	кПа	р9	p9	590…784	Реглам.
4	Энтальпия	кДж/(кгС)	h9	h9	f(t9,p9)	Зависим.
Cвязь 11 - в подающую магистраль - вода
5	Расход	кг/с	G11	G11	-	Управл.
6	Температура	С	t11	t11	50…130	Управл.
7	Давление	кПа	р11	р11	490…540	Реглам.
8	Энтальпия	кДж/(кгС)	h11	h11	f(t11,p11)	Зависим.
Связь 12 - от потребителя - вода
9	Расход	кг/с	G12	G12	-	Управл.
10	Температура	С	t12	t12	20…80	Реглам.
11	Давление	кПа	p12	p12	200…300	Реглам.
12	Энтальпия	кДж/(кгС)	h12	h12	f(t12,p12)	Зависим.
Связь 13 - линия перепуска - вода
13	Расход	кг/с	G13	G13	-	Зависим.
14	Температура	С	t13		40…80	Реглам.
15	Давление	кПа	p13	p13	880…1080	Реглам.
16	Энтальпия	кДж/(кгС)	h13	h13	f(t13,р13)	Зависим.
Связь 16 - к блоку L - вода
17	Расход	кг/с	G16	G16	-	Зависим.
18	Температура	С	t16		75…150	Управл.
19	Давление	кПа	p16	p16	590…784	Реглам.
20	Энтальпия	кДж/(кгС)	h16		f(t16,р16)	Зависим.
Связь 17 - от блока L - вода
21	Расход	кг/с	G17	G17	-	Зависим.
22	Температура	С	t17	t17	60…70	Реглам.
23	Давление	кПа	p17	p17	90…800	Реглам.
24	Энтальпия	кДж/(кгС)	h17	h17	f(t17,p17)	Зависим.
Связь 19 - линия рециркуляции - вода
25	Расход	кг/с	G19	G19	-	Зависим.
26	Температура	С	t19		75…150	Реглам.
27	Давление	кПа	p19	p19	590…1080	Реглам.
28	Энтальпия	кДж/(кгС)	h19	h19	f(t19,р19)	Зависим.
Связь 23 - на сетевые насосы - вода
29	Расход	кг/с	G23	G23	16,3…1500	Управл.
30	Температура	С	t23		20…80	Управл.
31	Давление	кПа	p23	p23	200…300	Реглам.
32	Энтальпия	кДж/(кгС)	h23	h23	f(t23,р23)	Зависим.
Связь 25 - перед линией рециркуляции - вода
33	Расход	кг/с	G25	G25	16,3…1500	Зависим.
34	Температура	С	t25		20-80	Зависим.
35	Давление	кПа	p25	p25	880…1080	Реглам.
36	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 25	h 25	f(t25р25)	Зависим.
Связь 26 - вход в котёл - вода
37	Расход	кг/с	G26	G26	30	Зависим.
38	Температура	С	t26	t26	60..130	Реглам.
39	Давление	кПа	p26	p26	880…1080	Реглам.
40	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 26	h 26	f(t26р26)	Зависим.
Связь 27 - линия перепуска - вода
41	Расход	кг/с	G27	G27	-	Зависим.
42	Температура	С	t27	t27	20-80	Зависим.
43	Давление	кПа	p27	p27	880…1080	Реглам.
44	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 27	h 27	f(t27р27)	Зависим.
Связь 28 - от потребителя - вода
45	Расход	кг/с	G28	G28	-	Управл.
46	Температура	С	t28	t28	20-80	Зависим.
47	Давление	кПа	p28	p28	200…300	Реглам.
48	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 28	h 28	f(t28р28)	Зависим.
Связь 29 - в подающую магистраль - вода
49	Расход	кг/с	G29	G29	-	Управл.
50	Температура	С	t29	t29	50…130	Зависим.
51	Давление	кПа	p29	p29	490…540	Реглам.
52	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 29	h 29	f(t29р29)	Зависим.
Связь 33 - к потребителю горячей воды - вода
53	Расход	кг/с	G33	G33	16,3	Зависим.
54	Температура	С	t33	t33	60	Зависим.
55	Давление	кПа	p33	p33	200…500	Реглам.
56	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 33	h 33	f(t33,р33)	Зависим.
Связь 37 - холодная вода
57	Расход	кг/с	G37	G37	16,3…50	Зависим.
58	Температура	С	t37	t37	10	Зависим.
59	Давление	кПа	p37	p37	200…500	Реглам.
60	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 37	h 37	f(t37,р37)	Зависим.
Связь 49 -тепло, подаваемое потребителям
61	Теплота	кДж/кг	Q49	Q49	0…34000	Зависим.
Связь 50 -тепло, подаваемое потребителям
62	Теплота	кДж/кг	Q50	Q50	0…34000	Зависим.
Связь 101 - в блок V - вода
63	Расход	кг/с	G101	G101	-	Зависим.
64	Температура	С	t101		100…150	Зависим.
65	Давление	кПа	p101		590…784	Реглам.
66	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 101	h 101	f(t101,р101)	Зависим.
Связь 103 - в блок VII - вода
67	Расход	кг/с	G103	G103	-	Зависим.
68	Температура	С	t103		100…150	Зависим.
69	Давление	кПа	p103		590…784	Реглам.
70	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 103	h 103	f(t103,р103)	Зависим.
Связь 104 - в блок XVII - вода
71	Расход	кг/с	G104	G104	-	Зависим.
72	Температура	С	t104		100…150	Зависим.
73	Давление	кПа	p104		590…784	Реглам.
74	Энтальпия	кДж/(кгС)	h 104	h 104	f(t104,р104)	Зависим.
Связь 78 - вода от подогревателей химочищенной воды
75	Расход	кДж/кг	Q78	Q78	0…34000	Зависим.

Для решения системы балансовых уравнений, рассмотрим сокращенную систему балансовых уравнений, состоящую из уравнений материального и энергетического балансов:

; ; ; ; ; (2.2.23) ; ; ; ; ;

Исключим из системы уравнения материального баланса, в которые входят два члена и из каждого уравнения исключим одну переменную:

G₂₆ - G₉ = 0, G₂₆ = G₉ ??G₉.

Проанализировав граф (рис. 2.2.1), заменим энтальпии в точках разделения, так как температуры входящих выходящих потоков данных точек одинаковы.

h₉ = h₁₀₁ = h₁₀₃ = h₁₆ = h₁₀₄ = h₁₉ ??h₉;

h₂₃ = h₂₇ = h₁₃ = h₂₅ ??h₂₃;

С учетом последних равенств система примет вид:

1)

2)

3)

4) ;

5) ;

6)

7) ;

8) ; (2.2.24)

9) ;

10)

11) ;

12)

13) ;

14)

15) ;

16)

17)

Система включает в себя 17 уравнений. Рассмотрим переменные, входящие в систему уравнений:

Коэффициент потерь теплоносителя в тепловой сети , (n₁=2).

1. Расход: (n₂=17).

2. Энтальпия: (n₃=10).

3. Энергия (n=2).

Система содержит 31 переменных. Определим степень свободы системы балансовых уравнений с помощью формулы [1]:

S = N_п - N_у, (2.2.25)

где N_п - число всех переменных;

N_у - число уравнений, входящих в систему;

S = 31 - 17 = 14.

Все переменные делятся на зависимые (состав и количество параметров состояния системы) и независимые, определяющие состояние системы.

Зададимся независимыми параметрами:

1. Коэффициент потерь теплоносителя в тепловой сети , : область изменения: 0 < < 0,1.

2. Расходы:

a) расход воды через котёл G₉ (исходя из технологических соображений, см. пункт 5.1);

b) расход воды горячее водоснабжение G₃₃ (исходя из технологических соображений, см. пункт 1);

c) расход воды в подающие магистрали тепловых сетей G₂₉, G₁₁ (так как применено качественное регулирование тепловой нагрузки у потребителя см. пункт 1).

3. Энтальпии:

a) энтальпия сетевой воды на входе и выходе из котельной h₁₁, h₁₂, h₂₈, h₂₉ (исходя из технологических соображений по температурному графику, см. пункт 1);

b) энтальпия горячей воды на выходе из котельной h₃₃ (исходя из технологических соображений, см. пункт 1);

c) энтальпия холодной воды на входе в котельную h₃₇ (исходя из технологических соображений, см. пункт 1);

d) энтальпия воды на входе в котёл h₂₆ (исходя из технологических соображений, см. пункт 5.1);

e) энтальпия воды из блока горячего водоснабжения и водоподготовки h₁₇ (исходя из технологических соображений, см. c)).

Составим сокращенную матрицу функциональных связей (табл.2.2.8). Обозначим каждую переменную через x.

Таблица 2.2.8. Упрощённая матрица функциональных связей

№ уравнения	Нахождение параметра связи	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
		Обозначение параметров связи
		G28	Q50	Q49	G12	G13	G16	G17	G19	G23	G25	G27	G37	G101	G103	G104	h9	h23
1	h9		1	1													+
2	G101			1		1								+
3	G13			1		+								1				1
4	G103						1							1	+
5	G23	1			1			1		+
6	h23	1			1			1		1								+
7	G25					1				1	+	1
8	G19								+		1
9	G27		1									+				1
10	G104		1									1				+	1	1
11	Q50	1	+
12	G28	+	1
13	Q49			+	1
14	G12			1	+
15	G16						+	1					1
16	G17						1	+					1				1
17	G37		1	1									+

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.3 Разработка математической модели для блока L

Описание технологической схемы блока L (рис. 2.1.1) произведем с помощью теории графа и также представим саму схему в виде поточного направленного графа (рис. 2.3.1). Вершины представляют собой функциональные элементы системы, а дуги - связи между элементами.

Кодирование графа произведем с помощью матрицы соединения и матрицы типов связи.

Рисунок 2.3.1 - Поточный направленный граф блока L

Таблица 2.3.1

Матрица соединений

	A	B	C	D	XX	XXIII	У
16	0	0	0	0	1	0	1
17	0	0	0	-1	0	0	-1
30	0	-1	0	1	0	0	0
31	0	0	1	0	-1	0	0
32	1	0	0	0	0	-1	0
33	0	0	-1	0	0	0	-1
34	0	0	1	0	0	-1	0
35	0	-1	0	0	0	1	0
36	0	1	-1	0	0	0	0
37	0	1	0	0	0	0	1
39	-1	0	0	1	0	0	0
106	+1	0	0	0	-1	0	0
107	-1	0	0	-1	0	0	0

Таблица 2.3.2

Матрица типов связи

Вид энер-гии / № связи	вода	энергия	параметры связи
1	2	3	4
16	1	0
17	1	0
30	1	0
31	1	0
32	1	0
33	1	0
34	1	0
35	1	0
36	1	0
37	1	0
39	1	0
106	1	0
107	1	0

Таблица 2.3.3

Матрица смежности

	A	B	C	D	XX	XXIII
A	0	0	0	1	0	0
B	0	0	1	1	0	1
C	0	1	0	0	0	0
D	0	0	0	0	0	0
XX	1	0	1	0	0	0
XXIII	1	0	1	0	0	0

Таблица 2.3.4

Матрица процессов

№ элемента	№ связи
A	+32 -39 +106 +107
B	-30 -35 +36 +37
C	+31 -33 +34 -36
D	-19 +103-104
XX	+16 +31 -106
XXIII	-32 -34 +35

Таблица 2.3.5

Матрица контуров

№ связи	№ контура	Частота связи
	1
1	2	8
16		0
17		0
30		0
31		0
32		0
33		0
34	1	1
35	1	1
36	1	1
37		0
39		0
106		0
107		0

Составляем систему балансовых уравнений для каждого элемента (табл. 2.3.6). Система балансовых уравнений характеризуется числом уравнений, входящих в нее и числом параметров связи, описывающих саму схему.

Таблица 2.3.6

Система балансовых уравнений

Эле-мент	Фрагмент	Балансовые уравнения	№ уравнения
1	2	3	4
A	G107,h107,p107 G106,h106,p106 G39,h39,p39 G32,h32,p32	; .	(2.4.1)
B	G30,h30,p30 G35,h35,p35 G36,h36,p36 G37,h37,p37	; .	(2.3.2)
XX	G106,h106,p106 G31,h31,p31 G16,h16,p16	; ; .	(2.3.3)
XXIII	G34,h34,p34 G35,h35,p35 G32,h32,p32	; ; .	(2.3.4)
D	G107,h107,p107 G39,h39,p39 G17,h17,p17 G30,h30,p30	; ; ; ; ; ; ; ;	(2.3.5) (2.3.6)
C	G31,h31,p31 G34,h34,p34 G36,h36,p36 G33,h33,p33	; .	(2.3.7)

Система ограничений на параметры системы балансовых уравнений представлена в таблице 2.3.7.

Таблица 2.3.7

Перечень параметров математической модели

№ п.п.	Наименование параметров	Единицы измерения	Обознач-ение	Идентифи-катор*	Диапазон измерения	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Связь 16 - от котлов к подогревателям - вода
1	Расход	кг/с	G16	G16	-	Зависим.
2	Температура	С	t16		75…150	Управл.
3	Давление	кПа	р16		590…784	Реглам.
4	Энтальпия	кДж/(кгС)	h16		f(t16,p16)	Зависим.
Cвязь 17 - к блоку X - вода
5	Расход	кг/с	G17	G17	-	Зависим.
6	Температура	С	t17	t17	60…70	Управл.
7	Давление	кПа	р17		200…300	Реглам.
8	Энтальпия	кДж/(кгС)	h17	h17	f(t17,p17)	Зависим.
Связь 30 - от подогревателя B к блоку D - вода
9	Расход	кг/с	G30	G30	-	Зависим.
10	Температура	С	t30		40…80	Реглам.
11	Давление	кПа	p30		200…300	Реглам.
12	Энтальпия	кДж/(кгС)	h30	h30	f(t30,p30)	Зависим.
Связь 31 - от блока XX к подогревателю C - вода
13	Расход	кг/с	G31	G31	-	Зависим.
14	Температура	С	t31		75…150	Реглам.
15	Давление	кПа	p31		590…784	Реглам.
16	Энтальпия	кДж/(кгС)	h31		f(t31,р31)	Зависим.
Связь 32 - от блока XXIII к подогревателю A - вода
17	Расход	кг/с	G32	G32	-	Зависим.
18	Температура	С	t32		40…70	Реглам.
19	Давление	кПа	p32		300…500	Реглам.
20	Энтальпия	кДж/(кгС)	h32		f(t32,р32)	Зависим.
Связь 33 - к потребителю горячей водоснабжения - вода
21	Расход	кг/с	G33	G33	0…16,3	Реглам.
22	Температура	С	t33	t33	50…70	Реглам.
23	Давление	кПа	p33	p33	400…600	Реглам.
24	Энтальпия	кДж/(кгС)	h33	h33	f(t33,р33)	Зависим.
Связь 34 - от блока XXIII к подогревателю С - вода
25	Расход	кг/с	G34		0…16,3	Реглам.
26	Температура	С	t34		20…45	Реглам.
27	Давление	кПа	p34		400…700	Реглам.
28	Энтальпия	кДж/(кгС)	h34		f(t34,р34)	Зависим.
Связь 35 - от подогревателя B к блоку XXIII - вода
29	Расход	кг/с	G35	G35	-	Зависим.
30	Температура	С	t35		50…70	Реглам.
31	Давление	кПа	p35		400…700	Реглам.
32	Энтальпия	кДж/(кгС)	h35	h35	f(t35,р35)	Зависим.
Связь 36 - от подогревателя С к подогревателю B - вода
33	Расход	кг/с	G36		-	Зависим.
34	Температура	С	t36		50…110	Управл.
35	Давление	кПа	p36		350…600	Реглам.
36	Энтальпия	кДж/(кгС)	h36		f(t36,р36)	Зависим.
Связь 37 - холодная вода
37	Расход	кг/с	G37	G37	-	Зависим.
38	Температура	С	t37	t37	10	Реглам.
39	Давление	кПа	p37	p37	90…800	Реглам.
40	Энтальпия	кДж/(кгС)	h37	h37	f(t37,p37)	Зависим.
Связь 39 - от подогревателя A к блоку D - вода
41	Расход	кг/с	G39		-	Зависим.
42	Температура	С	t39		40…80	Реглам.
43	Давление	кПа	p39		200…300	Реглам.
44	Энтальпия	кДж/(кгС)	h39	h39	f(t39,р39)	Зависим.
Связь 106 - от блока XX к подогревателю A - вода
45	Расход	кг/с	G106	G106	-	Зависим.
46	Температура	С	t106		75…150	Управл.
47	Давление	кПа	p106		590…784	Реглам.
48	Энтальпия	кДж/(кгС)	h106		f(t106,р106)	Зависим.
49Связь 107 - от подогревателя A к блоку D - вода
49	Расход	кг/с	G107		-	Зависим.
50	Температура	С	t107		40…80	Зависим.
51	Давление	кПа	p107		200…300	Реглам.
52	Энтальпия	кДж/(кгС)	h107	h107	f(t107р107)	Зависим.

Рассмотрим сокращенную систему балансовых уравнений, состоящую из уравнений материального и энергетического балансов.

(2.3.8)

Из предыдущего расчёта (см. пункт 2.2) известно что , а из графа (рис. 2.3.) - , следовательно, заменим эти переменные на .

В точке разделения XXIII температуры потоков равны, следовательно

.

Так как рассматриваемые теплообменники поверхностного типа то потоки теплоносителей на входе и выходе равны т.е.

.

Поток согласно пункту 2.2 это компенсация потерь теплоносителя в тепловых сетях. Следовательно

.

С учетом последних равенств система примет вид:

1)

2)

3)

4) (2.3.9) 5)

6)

7)

Уравнение 5) сокращается из (2.3.9) так как оно подобно 3). Таким образом система балансовых уравнений примет вид:

1)

2)

3) (2.3.10)

4)

5)

6)

Система включает в себя 6 уравнений. Рассмотрим переменные, входящие в систему уравнений:

1. Коэффициент потерь теплоносителя в тепловой сети , (n₁=2);

2. Расход: (n₂=8);

3. Энтальпия: (n₃=9);

4. Коэффициент потерь в окружающую среду (n₄=3)

Система содержит 22 переменные. Определим степень свободы системы балансовых уравнений с помощью формулы (2.2.25)

S = 22 - 6 = 16.

Зададимся независимыми параметрами:

1. Коэффициент потерь теплоносителя в тепловой сети , : область изменения: 0 < < 0,1.

2. Коэффициент потерь в окружающую среду : область изменения: 0 < < 1

3. Расходы:

b) расход воды горячее водоснабжение G₃₃ (исходя из технологических соображений, см. пункт 1);

c) расход сетевой воды от котлоагрегатов G₁₆ (из предыдущего расчёта см. пункт 2.2);

d) расход воды на компенсацию потерь в тепловой сети G₁₇ (из предыдущего расчёта см. пункт 2.2);

e) расход воды в тепловую сеть G₂₉, G₁₁ (из предыдущего расчёта см. пункт 2.2).

4. Энтальпии:

a) энтальпия сетевой воды от котлоагрегатов h₉ (из предыдущего расчёта см. пункт 2.2);

b) энтальпия горячей воды на выходе из котельной h₃₃ (исходя из технологических соображений, см. пункт 1);

c) энтальпия холодной воды на входе в котельную h₃₇ (исходя из технологических соображений, см. пункт 1);

d) энтальпия воды после подогревателя B h₃₀ h₃₉ (исходя из технологических соображений, принимаем при t₃₀=t₃₉=60 C).

Введём дополнительное уравнение:

(2.3.11)

С учётом последних преобразований система примет вид:

1)

2)

3)

4) (2.3.12)

5)

6)

7)

Составим сокращенную матрицу функциональных связей (табл.2.3.8).

Таблица 2.3.8

Упрощённая матрица функциональных связей

№ уравнения	Нахождение параметра связи	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7	порядок расчёта
		Обозначение параметров связи
		G30	G37	G106	h17	h35	h36	h107
1	h107			1		1		+	3
2	G30	+	1			1	1		4
3	G106	1		+					5
4	G37		+						1
5	h35	1		1	1	+		1	6
6	h36	1				1	+		7
7	h17		1		+				2

Проанализируем строки и перепишем систему уравнений, характеризующих данную математическую модель, в следующем виде:

1)

2)

3)

4) (2.3.13)

5)

6)

7)

Данную систему можно решить математическими методами, составив для этого программу для ЭВМ (см. пункт 2.4).

2.4 Решение математических моделей и составление программы для ЭВМ

Используя сокращенную матрицу функциональных связей (табл.2.2.8), определяем строки с одной единицей. Из уравнения системы, соответствующего данной строке, выразим неизвестные:

(2.4.1)

(2.4.2)

(2.4.3)

(2.4.4)

(2.4.5)

(2.4.6)

(2.4.7)

(2.4.8)

(2.4.9)

(2.4.10)

(2.4.11)

(2.4.12)

(2.4.13)

(2.4.14)

(2.4.15)

(2.4.16)

(2.4.17)

Таким образом, все неизвестные системы (2.2.24) выражены.

Используя сокращенную матрицу функциональных связей (табл.2.3.8), определяем строки с одной единицей. Из уравнения системы (2.3.13) соответствующего данной строке, выразим неизвестные:

(2.4.18)

(2.4.19)

Без уравнений, из которых неизвестные уже выражены, система (2.3.13) примет следующий вид:

1)

2)

3) (2.4.20)

4)

5)

Полученную систему уравнений можно решить с применением метода Зейделя [2], сущность которого такова: результаты расчета каждого предшествующего уравнения используются при расчете последующих уравнений системы непосредственно в текущей итерации, тем самым, ускоряя процесс сходимости.

Для решения системы выразим неизвестные величины:

(2.4.21)

(2.4.22)

(2.4.23)

(2.4.24)

(2.4.25)

Для быстрого и эффективного итерационного расчета данной системы уравнений, необходимо привлечение электронно-вычислительной техники.

Все вышеизложенные сведения были использованы при составлении программы для ЭВМ, текст которой приведен в приложении 1, а алгоритм в приложении 2.

Программа состоит из нескольких основных разделов.

В разделе описания констант содержатся значения температур, номинальных расходов, напоров и КПД, которые в дальнейшем расчете остаются постоянными.

Функция vst возводит число x в степень y, необходима для процедуры entalp_H2O.

Процедура entalp_H2O определяет энтальпию воды по давлению и температуре, которая необходима в дальнейших расчетах. При расчете процедура использует интерполяционные полиномы. Значения коэффициентов интерполяционных полиномов содержится в разделе описания констант процедуры entalp_H2O. Процедура основана на листинге программы "WaterSteamPro" [3].

В головном разделе программы определятся значения энтальпий потоков, температура которых известна. Для этого используем процедуру entalp_H2O.

В следующем блоке головного раздела рассчитываются неизвестные параметры математической модели, которые определяются без каких-либо преобразований. Это следующие параметры: h9, G101, G13, G103, G23, h23, G25, G19, G27, G104, G29, G28, G11, G12, G16, G17, G37, h17.

Далее вводятся фиксированные параметры, которые необходимы для решения системы, а следом за этим рассчитываются остальные неизвестные параметры математической модели.

Результаты расчёта выводятся в файл “result”.

С помощью программы определены все параметры математической модели при различных режимах работы двигателя и различных значениях фиксируемых параметрах, а результаты расчетов приведены в приложении 3.

3 Анализ режимов работы районной котельной

По тепловым сетям подаётся теплота различным тепловым потребителям. Несмотря на значительное разнообразие тепловой нагрузки, ёе можно разбить на две группы по характеру протекания во времен: 1) сезонная нагрузка; 2) круглогодичная нагрузка.

Изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от климатических условий: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излечения, влажности воздуха и т.п. Основную роль играет наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки. К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление и вентиляция. Каждый из указанных видов не имеет круглогодичного характера. Отопление и вентиляция являются зимними тепловыми нагрузками.

К круглогодичной относятся технологическая и горячее водоснабжение. Они, в отличие от сезонной нагрузки весьма слабо зависимы от наружной температуры. Нагрузка на горячее водоснабжение имеет переменный суточный график. Годовой график также в определённой мере зависит от времени года.

Рисунок 3.1 - График зависимости энтальпии воды на выходе из котла от температуры наружного воздуха

Из результаты расчётов программы (Приложение 3) видно что температура воды на выходе из котла и расход топлива зависят от температуры наружного воздуха. Эти зависимости представлениы на рисунках 3.1 и 3.2.

Рисунок 3.2 - График зависимости расхода топлива от температуры наружного воздуха

Для поддержания требуемых параметров теплоносителя у потребителей необходимо придерживаться режимной карты, которая представлена на рис. 3.2. Так как человек не способен вовремя отреагировать на изменение температуры наружного воздуха и других параметров, определяющих качество теплоснабжения на котельной необходимо ввести автоматическую систему управления.

Внедрение данной системы позволит снизить расход топлива и повысить качество теплоснабжения потребителей.

4. Разработка проектного решения по модернизации водогрейного котла ТВГ-4р

Для обеспечения контроля за параметрами теплоносителя на выходе из котельной, оптимальной загрузки котлоагрегатов и возможности работы котельной в автономном режиме произведём следующие измененения.

Вместо газовых щелевых подовых горелок устанавливаются микродиффузионные газовые горелки типа МДГГ-150 производства ЗАО "ПромГазАппарат" г Киев, теплопроизводительностью 1,5 МВт.

На газопроводах к котлоагрегатам заменяется существующее газооборудование и арматура на оборудование и арматуру позволяющую котлам работать в системе автоматизированного управления.