Паровой котел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основы проектирования котельных

1.1 Выбор числа и типа котлов

1.2 Компановка котельной

2. Тепловой расчет котельного агрегата

2.1 Общие положения

2.2 Сводка конструктивных характеристик котельного агрегата

2.3 Определение количества воздуха, необходимого для процесса горения, состав и количество дымовых газов и их энтальпии

2.4 Составление теплового баланса котельного агрегата и определение часового расхода топлива

2.5 Тепловой расчет топки

2.6 Расчет пароперегревателя

2.7 Расчет конвективных пучков

3. Тепловой расчет хвостовых поверхностей нагрева

3.1 Расчет вводного экономайзера

3.2 Расчет воздохоподогревателя

4. Уравнение теплового баланса

5. Описание тепловой схемы котельной

Заключение

Литература

Введение

Паровой котел - это основной агрегат тепловой электростанции (ТЭС). Рабочим телом в нем для получения пара является вода, а теплоносителем служат продукты горения различных органических топлив. Необходимая тепловая мощность парового котла определяется его паропроизводительностъю при обеспечении установленных температуры и рабочего давления перегретого пара. При этом в топке котла сжигается расчетное количество топлива.

Номинальной паропроизводительностью называется наибольшая производительность по пару, которую котельный агрегат должен обеспечить в длительной эксплуатации при номинальных параметрах пара и питательной воды, с допускаемыми по ГОСТ отклонениями от этих величин.

Номинальное давление пара - наибольшее давление пара, которое должно обеспечиваться непосредственно за пароперегревателем котла.

Номинальные температуры пара высокого давления (свежего пара) и пара промежуточного перегрева (вторично-перегретого пара) - температуры пара, которые должны обеспечиваться непосредственно за пароперегревателем, с допускаемыми по ГОСТ отклонениями при поддержании номинальных давлений пара, температуры питательной воды и паропроизводителъности.

Номинальная температура питательной воды - температура воды перед входом в экономайзер, принятая при проектировании котла для обеспечения номинальной паропроизводительности.

При изменении нагрузки котла номинальные температуры пара (свежего и вторично-перегретого) и, как правило, давление должны сохраняться (в заданном диапазоне нагрузок), а остальные параметры будут изменяться.

При выполнении расчета парового котла его паропроизводительность, параметры пара и питательной воды являются заданными. Поэтому цель расчета состоит в выборе рациональной компоновки и определении размеров всех поверхностей нагрева котла (конструктивный расчет) или же в определении температур и тепловосприятий рабочего тела и газовой среды в поверхностях нагрева заданного котла (поверочный расчет). Следует отметить, что в данном курсовом проекте представлено изложение поверочно-конструкторской методики расчета котельного агрегата, когда расчет радиационных и полурадиационных поверхностей нагрева котла (топочная камера, ширмовый пароперегреватель) выполняется поверочной методикой, а конвективных (конвективный пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель) - конструкторской.

В системах теплоснабжения в качестве рабочей среды в основном используется пар или горячая вода и только в отдельных случаях нагретый воздух или какой-либо другой органический теплоноситель. В зависимости от вида источника получения тепловой энергии, используемой рабочей средой, теплогенерирующие установки делятся на: котлы на органическом топливе, парогенераторы и теплогенераторы и парогенераторы на расщепляющемся топливе, геотермальные и гелиоустановки.

Паровым или водогрейным котлом называется устройство, в котором для получения пара или нагрева воды под давлением выше атмосферного, потребляемых вне этого устройства, используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива.

В настоящее время широко распространены в различных отраслях промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве котлы типа ДКВР (двухбарабанные котлы, водотрубные, реконструированные), рассчитанные на рабочее давление 1,4 МПа с номинальной производительностью 2,5 4,0 6,5 10 и 25 тонн в час.

Используются также котлы этого типа, работающие при давлении 2,4 и 4,0 МПа. Котлы выпускаются с топками для сжигания твёрдого (в слое), жидкого и газообразного топлива. Твёрдое топливо из бункера пневмомеханическим забрасывателем подаётся на колосниковую решётку и образует слой, в котором происходит его сгорание. При горении образуются продукты сгорания, которые движутся из топочного пространства в конвективные газоходы, отдавая теплоту конвективному (кипятильному) пучку труб. В топке теплота от горящего топлива и продуктов сгорания отдаётся излучением экранным поверхностям. Воздух в пневмомеханический забрасыватель подаётся по воздушному коробу.

Нижний барабан служит шламоотстойником и имеет продувочный патрубок с вентилями. Боковые экраны котлов питаются из нижнего и верхнего барабанов с помощью перепускных труб. Такая схема питания обеспечивает надёжную работу котла. Для уменьшения потерь от механической неполноты сгорания топлива топка котлов разделена на две части: собственно топку и камеру догорания.

Котлы допускают компоновку с различными топочными устройствами. Котлы ДКВР и ДКВ выпускают с топками для сжигания бурых и каменных углей, фрезерного торфа, древесных отходов, мазута и газа.

Котлы ДКВР отличаются достаточно высокой экономичностью, небольшой массой, простотой конструкции, малыми габаритами и транспортабельностью. Наличие в котлах кипятильного пучка обеспечивает глубокое охлаждение продуктов сгорания, в результате чего достигается их высокая экономичность. Экранированная топочная камера обеспечивает интенсивный теплообмен продуктов сгорания с экранными поверхностями нагрева, а небольшие тепловые напряжения экранов - надёжную и длительную работу обмуровки котла. Плотное расположение кипятильных труб малого диаметра в пучке - характерная особенность этих котлов. Движение газов в котлах - горизонтальное с несколькими поворотами.

В последние годы на смену котлам ДКВР созданы новые котлы серии Е (для работы на газе и мазуте серии ДЕ и на твёрдом топливе серии КЕ).

1. Основы проектирования котельных

Проектирование котельной начинают с выявления характера потребителей и определения количества потребного для них тепла или пара, а также вида и параметров теплоносителя. При этом производственные котельные обычно вырабатывают пар для технологических нужд, отопления и вентиляции производственных цехов; отопительные котельные приготавливают горячую воду для отопления общественных и жилых зданий, а также для хозяйственных нужд; производственно-отопительные котельные вырабатывают пар и приготавливают горячую воду для всех перечисленных видов потребления.

Потребность в тепле на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение жилых, общественных и производственных зданий и сооружений определяют по проектам местных систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. При отсутствии таких проектов потребность в тепле может быть подсчитана по укрупнённым показателям.

Отпуск пара на технологические нужды промышленных предприятий и горячей воды для их горячего водоснабжения определяют по технологическим проектам этих предприятий.

Когда вид и параметры теплоносителя, а так же полный отпуск тепла или пара выявлены, можно установить профиль и производительность проектируемой котельной. Если всё тепло отпускается в виде горячей воды, проектируют котельную с водогрейными котлами, если в виде пара - то с паровыми котлами.

Когда же тепло отпускается в виде пара и в виде горячее воды, то в зависимости от количественного соотношения отпусков пара и воды, можно спроектировать паровую котельную с установкой для подогрева сетевой воды, либо комбинированную котельную с паровыми и водогрейными котлами.

1.1 Выбор числа и типа котлов

Переходя к определению числа и производительности котлов, подлежащих установке в котельной, исходят из того, что котлы должны быть однотипными и одинаковой производительности. Предпочтительнее выбирать меньшее число более крупных котлов; желательно, чтобы в котельной было два-три работающих котла. Резервного котла не предусматривают, за исключением тех случаев, когда по условиям производства недопустимо даже кратковременное сокращение отпуска тепла или пара.

Производительность котлов выбирают из такого расчёта, чтобы они полностью обеспечивали требуемую выработку пара в зимний максимум и чтобы в летний период можно было, по очереди, выводить все котлы в капитальный ремонт.

Необходимые данные для расчета:

Максимальное потребление пара на технологические нужды D_{т.н.пот.} = 16 т/час.

Тепловая нагрузка на отопление и вентиляцию Q_о.в.пот = 9,2 х 10³ кВт.

Энтальпия перегретого пара по h-s диаграмме при заданных давлениях и температуре соответственно Р_пп = 1,4 МПа; t_пп = 225°С.

Температура насыщения t_H = 195°С; h_пп = 2868 кДж/кг.

Энтальпия пара после редукционно-охладительного устройства идущего на деаэратор по h-s диаграмме при заданных давлениях и температуре соответственно Р"_пп = 1,0 МПа; t"_пп = 185°С; h"_пп = 2791 кДж/кг).

Энтальпия сухого насыщенного пара h'_пп = 2789 кДж/кг.

Теплоемкость воды принимаем с_р = 4,19 кДж/кг °С.

Энтальпия конденсата при температуре t_K = 90 °С.

h_К= с_р ^. t_K = 4,19 х 90=377,1 кДж/кг.

Энтальпия питательной воды при температуре t_пв = 100°С.

h_пв = c_p ^. t_nB = 4,19 х 100 = 419,0 кДж/кг

Энтальпия воды в подающем и обратном трубопроводах соответственно при t₁ = 150°С; t₂ = 70°С.

h₁ = с_p ^. t₁ = 4,19 х150 = 628,5

h₂ = c_p ^. t₂ = 4,19 х 70 = 293,3

Доля возвращаемого конденсата q_к = 50 %.

Температура химически очищенной воды перед деаэратором t_к = 90°С.

Доля выпора в деаэраторе D_вып = 0,5 %.

Потеря пара в сети на отпускаемые технологические нужды q_{т.н.сет.}=4%.

Потеря тепла в сетях теплоснабжения q_{о.в.сет.} = 3 %.

Потери тепла в окружающую среду сетевыми подогревателями = 2%.

Потери тепла в окружающую среду деаэратором q_с.д. = 1,5 %.

Расход пара на собственные нужды с учетом потерь q_с.н. = 3 %.

Отпуск пара из котельной на технологические нужды производства:

Отпуск пара из котельной на отопление и вентиляцию:

Отпуск пара на подогреватели сетевой воды:



Отпуск пара котельной для внешних потребителей:

Выработка пара котельной с учетом собственных нужд (без деаэратора):

Количество тепла возвращаемого конденсата:

Потребность в добавочной воде:

Средняя температура воды в деаэраторе (без греющего пара):

Расход пара на деаэратор:

Максимальная нагрузка котлов:

Номинальная производительность котла: D_к=16 т/час.

Принимаем к установке следующее число котлов:

Тип котла: ДЕ - 16 - 14 - 225

1.2 Компановка котельной

При компоновке котельной преследуют цель наиболее рационально разместить основное и вспомогательное оборудование, чтобы его удобно было эксплуатировать и вместе с тем, чтобы котельная получалась компактной, с минимальным объемом здания, несложным для сооружения.

Котельные располагают в отдельных помещениях, удовлетворяющих требованиям Правил Гостехнадзора, "Строительных Норм и Правил", "Противопожарных норм строительного проектирования промышленных предприятий и населенных мест" и "Санитарных норм проектирования промышленных предприятий". Котельные помещения не должны примыкать к жилым зданиям. Нежелательно также примыкание котельных к производственным помещениям.

Различают три типа котельных: закрытые, полуоткрытые, открытые. В закрытых котельных все основное и вспомогательное оборудование (обычно за исключением золоулавливателей) размещают в закрытых помещениях. В котельных полуоткрытого типа котельные агрегаты и некоторое наиболее ответственное вспомогательное оборудование размещают в закрытом помещении, а дымососы, дутьевые вентиляторы, золоулавливатели и деаэраторы, баки и прочее - на открытом воздухе. В открытых котельных почти все оборудование размещают на открытом воздухе, сооружая только очень небольшое помещение для укрытия персонала, обслуживающего фронт котлов, а также насосов и щитов управления. Рекомендации по выбору типа котельной даны в СНиП П.-Г. 9-65.

Котельные установки проектируют только с индивидуальными дымососами, дутьевыми вентиляторами и золоулавливателями. Топливоподачу, питательные насосы, водоумягчительную установку, деаэраторы и другое оборудование, а также дымовую трубу, как правило, проектируют общие для всей котельной.

Каждую котельную установку размещают в отдельной строительной ячейке; вспомогательное оборудование водопарового тракта размещают в строительной ячейке в одном из торцов котельной, причем помещение вспомогательного оборудования можно не отделять стеной от помещения котельных установок. Наряду с этим вспомогательное оборудование размещают и перед фронтом котлов. Здесь устанавливают тепловой щит, а при котельных агрегатах без воздухоподогревателей часто и дутьевые вентиляторы; в некоторых случаях перед фронтом котлов размещают питательные и сетевые насосы, водоподготовительную установку, деаэраторы.

Оборудование котельной размещают с учетом того, чтобы ее здание можно было выполнить из сборных железобетонных конструкций той номенклатуры и типоразмеров, которые применяют в промышленном строительстве.

Пролет здания котельной можно принимать равным 6, 9, 12, 18, 24 и 30 метров, шаг колонн 6 и 12 метров, высоту помещения от отметки чистого пола до низа несущих конструкций на опоре следует принимать при пролете 12 м от 3,6 до 6 м включительно кратной 0,6 м, от 6 до 10,8 включительно - кратной 1,2 м, при больших высотах - кратной 1,8 м.

При пролете 18 и 24 м от 6 до 10,8 - кратной 1,2 м . При пролете 30 м от 12,6 - кратной 1,8 м. Кроме того при пролете 18 м, допускаются высоты, равные 4,8 и 5,4 м., а для пролета 24 м -5,4 м.

Для возможности расширения котельной одну из стен ее оставляют свободной от застройки.

Помещения, в которых установлены котлы, предусматриваю на каждом этаже два выхода наружу, расположенные с противоположных сторон котельной. Выходные двери должны открываться наружу от нажатия руки. Расстояние от фронта котлов или выступающих частей топок до противоположной стены котельной принимают не менее 3 м, причем в случае установки вспомогательного оборудования ширину свободных проходов перед фронтом котлов оставляют на менее 1,5 м. Однако это оборудование не должно мешать обслуживанию котла. Ширина остальных проходов между котлами и между котлами и стенами должна быть не менее 1,3 м. Расстояние от верхней отметки котла или от отметки верхней площади обслуживания котла до нижних частей конструкций покрытия котельной должно быть не мене 2 м.

Для обслуживания котлов устанавливают лестницы и площадки из несгораемых материалов. К площадкам более 5 м устанавливают не менее 2 лестниц шириной не менее 600 мм с углом наклона к горизонту не более 50.

Площадки, предназначенные для обслуживания арматуры, контрольно-измерительных приборов и т. п., выполняют шириной не менее 800 мм, остальные площадки шириной не менее 600 мм.

Котельную оборудуют надлежащей вентиляцией и обеспечивают естественным и искусственным освещением, создающим освещенность в пределах 5-50 л. Аварийное освещение предусматривают от самостоятельного источника энергии. В котельной располагают средства огнетушения в соответствии действующими правилами пожарной безопасности.

2. Тепловой расчет котельного агрегата

2.1 Общие положения

Как было отмечено выше, тепловой расчет парового котла может быть конструктивным и поверочным.

Задача конструктивного теплового расчета котла заключается в выборе компоновки поверхностей нагрева в газоходах котла, определении размеров поверхностей нагрева, обеспечивающих номинальную паропроизводительность котла при заданных номинальных параметрах пара, надежность и экономичность его работы. При этом обеспечение надежности работы поверхностей нагрева предполагает получение расчетных тепловых характеристик, исключающих увеличение максимальной температуры стенки сверх допустимого значения по условиям прочности, а на экономичность работы котла определяющее влияние оказывают температура уходящих газов и присосы холодного воздуха в газовый тракт.

Выполнение конструктивного теплового расчета производится на основании исходных данных, составляющих задание на проект:

- тип парового котла: Е,

- номинальная паропроизводительность D_K = 16 т/час,

- давление перегретого пара Р_пп = 1,4 МПа,

- температура перегретого пара t_пп = 225°С.

- месторождение и марку энергетического топлива: мазут M100 следующего объемного состава в %:

С = 84,65;

Н = 11,7;

О = 0,5;

N = 0,5;

S = 0,5;

А = 0,14;

W = 1,5.

- температуру питательной воды t_п.в = 100 °С.

При необходимости, кроме указанной информации могут быть заданы и другие характеристики, например способ сжигания твердого топлива (с твердым или жидким шлакоудалением), температуры уходящих газов и холодного воздуха, величина непрерывной продувки, доля рециркуляции газов в топку, условия работы котла (поднаддувом или при разрежении в газовом тракте) и прочие.

- температуры уходящих газов t_ух = 120°С;

- воздуха на входе в воздухоподогреватель t_х.в. = 30°С;

- горячего воздуха после воздухоподогревателя t_г.в. = 225°С.

Ряд других характеристик, в случае их отсутствия в задании, как правило, могут быть выбраны проектантом в соответствии с рекомендациями нормативного метода расчета.

После выбора расчетных характеристик приступают к созданию общего эскиза проектируемого парового копта. Проектный эскиз котла представляет собой поперечный разрез котла с последовательным расположением вдоль газового тракта поверхностей нагрева с учетом их разделения на пакеты (секции) и с теми упрощениями и отступлениями от исходного типового котла заводского производства, которые оговорены заданием или дополнительно указаны преподавателем.

Для последующего выполнения теплового и конструктивного расчета котла выбирают возможные присосы холодного воздуха по газовому тракту котла и коэффициенты избытков воздуха.

Правильный выбор всех расчетных показателей свидетельствует о том, что расчет котла будет выполняться для условий его работы, отвечающих требуемой экономичности.

Поверочный расчет котла или отдельных его элементов выполняется для существующей конструкции с целью определения показателей ее работы при переходе на другое топливо, при изменении нагрузки или параметров пара, а также после проведенной реконструкции поверхностей нагрева. В результате поверочного расчета определяют:

- коэффициент полезного действия парового котла;

- расход топлива;

- температуру продуктов сгорания по газовому тракту, включая температуру уходящих газов;

- температуру рабочей среды (пара, воды) за каждой поверхностью нагрева.

Надежность работы поверхности нагрева устанавливают расчетом ожидаемой температуры стенки и сравнением ее с допустимой для использованного металла. Для выполнения расчета приходится предварительно задаваться температурой уходящих газов и температурой горячего воздуха, правильность выбора которых определяется лишь по завершении расчета.

Задание на поверочный расчет включает в себя практически те же исходные данные, что и при конструктивном расчете, и дополнительно - конструктивные данные поверхностей котла. Поэтому расчету предшествует определение по чертежам геометрических характеристик поверхностей (диаметров и шагов труб, числа рядов труб, размеров проходных сечений для газов и рабочей среды, габаритных размеров газоходов и поверхностей нагрева и т. д.).

При поверочном расчете котла, так же как при конструктивном, вначале определяют объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания, КПД и расход топлива, а затем выполняют расчет теплообмена в топочной камере и других поверхностях в последовательности, соответствующей их расположению по ходу газов.

При поверочном расчете поверхности нагрева приходится задаваться изменением температуры одной из теплообменивающихся сред (разностью температур на входе и выходе). Этим определяется тепловосприятие поверхности в первом приближении.

Далее можно вычислить температуры другой среды на концах поверхности нагрева, температурный напор, скорости газового потока и рабочей среды и все другие величины, необходимые для вычисления тепловосприятия во втором приближении.

При расхождении принятого и расчетного тепловосприятий выше допустимого повторяют расчет для нового принятого тепловосприятия. Таким образом, поверочный расчет поверхности нагрева выполняют методом последовательных приближений.

2.2 Сводка конструктивных характеристик котельного агрегата

Паропроизводительность: D_K = 16 т/час.

Давление пара на выходе из котла: Р_пп = 1,4 МПа.

Температура:

- пара насыщенного: t_H = 195°C;

- перегретого: t_пп = 225°С;

- питательной воды: t_п.в. = 100°С;

Объем топочной камеры: V_T = 22,5 м³.

Площадь поверхности:

- нагрева радиацией: F_p = 48,13 м²;

- конвекцией: F_Kl = 77 м², F_k2 = 11 м²;

- стен топки: F_T = 51,84 м²;

- пароперегревателя: F_пп = 10,08 м²;

- экономайзера: F_эк = 236 м².

Марка экономайзера: ЭП 1-334.

Размеры экранных и конвективных труб:

d_э = 51^. 10^-3 м;

д = 2,5^.10^-3м;

s_э = 55^.10^-3м;

s_к = 110^.10^-3 м.

Расположение конвективных труб: коридорное.

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания:

S_ceч =1,25 м².

Число труб в ряду по ходу продуктов сгорания в одном газоходе:

z₁ = 61.

Эффективная толщина излучающего слоя топки:

s_т = 3,6 * V_т / F_т = 3,6^.22,5 / 51,84 = 1,56 м.

2.3 Определение количества воздуха, необходимого для процесса горения, состав и количество дымовых газов и их энтальпии

Для расчета действительных объемов продуктов горения по газоходам агрегата прежде всего выбирают коэффициент избытка воздуха в верхней части топки и присосы воздуха в отдельных поверхностях нагрева.

Коэффициент избытка воздуха должен обеспечить практически полное сгорание топлива, он выбирается в зависимости от типа топочного устройства и вида сжигаемого топлива.

Согласно рекомендациям принимаем следующие коэффициент избытка воздуха в топочной камере, а также присосы воздуха по ходу газового тракта:

- топка;

- пароперегреватель;

- конвективный пучок 1;

- конвективный пучок 2;

- экономайзер-воздухоподогреватель.

б_т=1,05.

?б_т = 0,05 * ?б_пп = 0,03 * ?б_кп1 = 0,03 * ?б_кп2 = 0,03 * ?б_э = 0,02 * ?б_в = 0,03

Тогда коэффициент избытка воздуха за каждым из элементов составит:

б₁ = б_т + ?б_т = 1,05 + 0,05 = 1,1

б₂ = б_т + ?б_т + ?б_пп = 1,05 + 0,05 + 0,03 = 1,13

б₃ = б_т + ?б_т + ?б_пп + ?б_кп1 = 1,05 + 0,05 + 0,03 + 0,03 = 1,16

б₄ = б_т + ?б_т + ?б_пп + ?б_кп1 + ?б_кп2 = 1,05 + 0,05 + 0,03 + 0,03 + 0,03 = 1,19

б₅ = б_т + ?б_т + ?б_пп + ?б_кп1 + ?б_кп2 + ?б_э = 1,05 + 0,05 + 0,03 + 0,03 + 0,03 + 0,02 = 1,21

б₆ = б_т + ?б_т + ?б_пп + ?б_кп1 + ?б_кп2 + ?б_э + ?б_в = 1,05 + 0,05 + 0,03 + 0,03 + 0,03 + 0,02 + 0,03 = 1,24

Средние значения коэффициентов избытка воздуха по элементам соответственно:

Вычислим низшую теплоту сгорания твердого топлива, обычно относят к 1 кг в нормальных условиях и рассчитывают через теплоты сгорания составляющих его компонентов, согласно следующего уравнения:



По общепринятой методике объемы продуктов сгорания и воздуха выражаются в кубических метрах при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.) при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газового топлива.

При сжигании твердого топлива расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания м³/кг, производится на основании процентного состава компонентов, входящих в него при б=1.

Теоретический объем воздуха:

Теоретическое количество трехатомных газов в продуктах сгорания при сжигании 1 м³ исходного газа:

Теоретическое количество азота:

Теоретический объем водяных паров:

Общее количество дымовых газов, образующихся в процессе горения твердого топлива:

Действительное количество продуктов сгорания при б_i >1:

Действительное количество водяных паров при б_i >1:

Объемная доля водяных паров, трехатомных газов и суммарная:

Результаты расчета сводим в таблицу:

Таблица:

Определение энтальпии воздуха и продуктов сгорания.

Средняя энатльпия продуктов сгорания при постоянном давлении, отнесенная к единице объема, H_i , кДж/м³.

Таблица:

Поскольку на данном этапе расчета температура газов за той или иной поверхностью нагрева еще не известна, расчет энтальпий газов выполняется на весь возможный (ожидаемый) за данной поверхностью диапазон температур. Искомая температура или энтальпия за поверхностью нагрева определяется по найденному в расчете или принятому значению путем линейной интерполяции (по Лагранжу) в пределах имеющегося диапазона. Экстраполяция за пределы выбранного диапазона допускается при отклонении рассчитываемой величины не более чем нам 100°С.

Для всех видов топлива энтальпия теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания при расчетной температуре х определяется по следующим формулам соответственно:

Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха б_i >1:

- в топке:



- в пароперегревателе:

- в конвективном пучке 1:

- в конвективном пучке 2:

- в экономайзере:

- в воздухоподогревателе:

Таблица:

2.4 Составление теплового баланса котельного агрегата и определение часового расхода топлива

Уравнение теплового баланса для установившегося режима сгорания топлива в камере сгорания определится по выражению:

Где:

Q_р^р - располагаемое тепло, приходящееся на 1кг топлива;

Q₁- полезно используемая теплота;

Q₂ - потеря тепла с дымовыми газами;

Q₃ - потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива;

Q₄ - потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива;

Q₅ - потеря теплоты от наружного охлаждения (в окружающую среду);

Q_{6 ШЛ} - потеря с физическим теплом шлака, удаляемого из топки.

Разделив левую и правую часть уравнения на Q_р^р и умножив на 100, получим выражение:

Потерю тепла с уходящими газами, можно определить по формуле:

Потеря теплоты от наружного охлаждения, через внешние поверхности в котлах большой тепловой мощности невелики (менее 0,5 %) и уменьшается с ростом единичной мощности котла, a q_{3 4} = 0,2 % принимаем.



Разбивка потери тепла от наружного охлаждения котла по отдельным газоходам практически не сказывается на результатах расчета. Доли этой потери, приходящиеся на отдельные газоходы, для упрощения принимаются пропорциональными количеству тепла, отдаваемого газами в соответствующих газоходах.

Поэтому при определении количества тепла, отданного газами, потери от наружного охлаждения учитываются введением коэффициента сохранения тепла:

Потерю с физическим теплом шлака определим по формуле:

Тогда КПД котельного агрегата будет:

з_к = 100 - (q₂ + q_{3 4} + q₅ + q_{6 шл}) = 100 - (4,57 + 0,2 + 0,161 + 0,0051) = 95,06%

Полный расход топлива В, кг/с, подаваемого в топочную камеру парового котла, определяется из баланса между полезным тепловыделением при горении топлива и тепло-восприятием рабочей среды в паровом котле, предварительно определив некоторые значения энтальпии. По термодинамическим таблицам воды и водяного пара определяем необходимые значения энтальпий свежего (перегретого) пара, питательной воды и котловой воды на линии насыщения при давлении в барабане парового котла:

2.5 Тепловой расчет топки

Задачей расчета теплообмена в топочной камере является определение тепловосприятия экранов топки и температуры дымовых газов на выходе из нее. В связи с тем, что значительное число характеристик радиационного теплообмена зависят от значения температуры газов на выходе из топки, то в основу поверочного расчета топочной камеры парового котла положена методика последовательного приближения Согласно данной методике необходимо предварительно задаться значением температуры газов на выходе из нее: х_Т = 1900°С.

Согласно данной методике необходимо предварительно задаться значением температуры газов на выходе из топки исходя из характеристик топки и топлива. Определим количество тепла внесенного с воздухом, которое складывается из энтальпии горячего и холодного воздуха:

Удельное тепловое напряжение по объему топки:

Найдем адиабатную температуру продуктов сгорания в топке из диаграммы по: V_а=2093,17⁰С.

Основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности (критерий Бугера):

Bu = k * p * s_т

Вычислим неизвестные составляющие в него входящие:

- коэффициент поглощения топочной среды рассчитывается по температуре и составу газов на выходе из топки, при его определении учитывается излучение трехатомных газов и взвешенных частиц в потоке; найдем предварительно дополнительные коэффициенты.

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, образующимися в ядре факела:

Тогда:

k = k_г * r_П.1 + k_с = 2,86 * 0,251 + 6,138 = 6,86

- давление в топочной среде (принимается) р=0,1 Мпа.

Bu = k * р * s_Т = 6,86 * 0,1 * 1,56 = 1,07мПа

Определим эффективное значение критерия Бугера:

Изменение положение ядра факела в топке существенно сказывается на температуре в ее верхней части. Учет положения пылеугольного факела в камерной топке осуществляется с помощью эмпирического параметра М. Его значение при сжигании различных видов топлива в настенных горелках принимают:

М = 0,52 - 0,5 * Х_т

Прежде определим коэффициент, характеризующий относительную высоту положения зоны максимальных температур в топке:

М = 0,52 - 0,5 * Х_т = 0,52 - 0,5 * 0,85 = 0,095

Определим коэффициент тепловой эффективности экрана, который зависит от условного коэффициента загрязнения е (принимаем) и углового коэффициента экрана ч:

Ш = е * ч = 0,55 * 0,984 = 0,541

Вычислим степень черноты факела, который складывается из степени черноты светящейся и несветящейся частей (коэффициент т = 0,1 принимаем по q_х):

Найдем степень черноты топки:

Вычислим среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания:

Н_Т=39350,86 кДж/кг - по диаграмме Н-х при х_т.

Далее определяем температуру на выходе из топки:

Найденая температура практически не отличается от предварительно принятой. При этом не следует допускать завышения температуры выше рекомендуемых значений по условиям предотвращения шлакования конвективных поверхностей нагрева. Работа котла с температурой газов на выходе из топки, превышающей допустимую по условию шлакования, не разрешается. Поэтому, если такое превышение обнаружено расчетом, необходимо предусмотреть конструктивные мероприятия по снижению температуры газов на выходе из топки (например, увеличить объем и площадь стен топочной камеры, применить рециркуляции газов и т. д.).

Уточняем значение Н"_m.

Н_т=39509,22 кДж/кг - по диаграмме Н-х при х_т.

Общее количество теплоты, переданное излучением от газов к поверхностям топки, определяется разностью между полезным тепловыделением в зоне горения и энтальпией газов на выходе из топки:

Среднее тепловое напряжение экранов топки (воспринятый тепловой поток), степень экранирования топки принимаем х = 0,985:

2.6 Расчет пароперегревателя

При курсовом проектировании парового котла считается методически правильным выполнять тепловой расчет конвективного пароперегревателя конструктивным методом с определением необходимых теплообменных поверхностей при номинальной производительности и принятых показателях экономичности и надежности работы.

Проектирование конвективного пароперегревателя начинают с эскизной проработки поверхности с выбором конструктивных характеристик: диаметра труб поверхности нагрева пароперегревателя, поперечного и продольного шагов, числа труб, их расположения, габаритов газохода, площадей проходных сечений, эффективной толщины излучающего слоя.

Составление компоновочной схемы и схемы движения сред в проектируемом пароперегревателе: размещение пароперегревателя в газовом тракте котла, взаимное движение сред, число их ходов, наличие пароохладителей выполняется с помощью заводских проектных материалов (чертежей) и в строгом соответствии с заданием на проектирование.

Пароперегреватели горизонтального газохода имеют коридорное расположение труб, что ослабляет наружные загрязнения, пароперегреватели конвективной шахты чаще всего имеют шахматное расположение (интенсифицируется теплообмен).

Количество тепла, воспринятого в конвективном пароперегревателе:

Тогда энтальпия дымовых газов на выходе из пароперегревателя определится выражением:

По известной диаграмме вычислим температуру продуктов сгорания:

х_пп=1815,32 ⁰С.

Вычислим средние температуры пара и дымовых газов приняв следующее условие:

t^/_пп= t_н=195,00⁰С х^/_пп=х^//_н=1906,94⁰С

Определим средне логарифмический температурный напор:

Скорость движения дымовых газов в газоходе пароперегревателя:

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи со стороны дымовых газов, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства газов при средней температуре и поправку на компоновку пучка:

- число Прандтля Рr_г=0,754.

- коэффициент теплопроводности л_г=0,18 Вт/м^.0С.

- коэффициент кинематической вязкости х_г=377,97^.10^-6 м²/с.

Вычислим лучистый коэффициент теплоотдачи от газов к стенке по следующему критериальному уравнению.

Для этого предварительно определив эффективную толщину излучающего слоя:

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока:

Степень черноты газов определится следующим образом:

Температуру стенки принимаем:

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи от стенкb к пару, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства пара при средней температуре:

- теплопроводность л_п= 0,044 Вт/м^.0С;

- кинематическая вязкость х_n = 1,39^.10^-6м²/с;

- число Прандтля Pr_п=1,24;

- удельный объем v_п=0,084 м³/кг.

Площадь живого сечения прохода пара:

Скорость пара:

Коэффициент теплопроводности стенки л_ст = 45 Вт/м^.0С

Тогда коэффициент теплопередачи определится так:

Найдем из основного уравнения теплопередачи поверхность теплообмена:



Длина одного змеевика:

Действительное число рядов труб при средней высоте h_nn = 0,4 м.

Ширина каждого пакета пероперегревателя должна быть не более 1500-1800 мм.

Между пакетами необходимо иметь свободное пространство глубиной (по ходу газов) не менее 800 мм для выполнения ремонтных работ и осмотров. Против этого пространства на стене в обмуровке устанавливают лаз.

2.7 Расчет конвективных пучков

В курсовом проекте, как правило, выполняется поверочный расчёт газоходов. Сущность поверочного расчёта заключается в определении температуры продуктов сгорания за котельным пучком и расчёте количества тепла, воспринятого трубками пучка.

Первый конвективный пучок:

Задаемся температурой газов на выходе из конвективного пучка х"_кп1 = 1000⁰С, и температурой воды на входе х'_кп1 = х"_пп = 1815,32°С, температура воды:



Если требуется, то уточняем t^/_КП1=165⁰С.

Тогда средняя температура составит:

Количество тепла, отданное конвективному пучку:

Скорость движения дымовых газов в газоходе конвективного пучка:

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи со стороны дымовых газов, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства газов при средней температуре и поправку на компоновку пучка:

- число Прандтля Рг_г = 0.54;

- коэффициент теплопроводности л = 0,13 Вт/м^.0С;

- коэффициент кинематической вязкости х_г = 259,96 ^.10^-6 м²/с.



Вычислим лучистый коэффициент теплоотдачи от газов к стенке по следующему критериальному уравнению, предварительно определив эффективную толщину излучающего слоя:

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока:

Степень черноты газов определится следующим образом:

Температуру стенки принимаем:



Подсчитываем коэффициент теплопередачи для конвективного пучка:

Определим средне логарифмический температурный напор:

Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева:

Строим график зависимости количества отданного и воспринятого тепла от конечной температуры сгорания после поверхности нагрева:

Второй конвективный пучок:

Если требуется то уточняем t^/_кп2 = 136 °С.

Тогда средняя температура составит:

Количество тепла, отданное конвективному пучку:

- по диаграмме H-х при х"_кп2

Скорость движения дымовых газов в газоходе конвективного пучка:

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи со стороны дымовых газов, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства газов при средней температуре и поправку на компоновку пучка:

- число Прандтля Pr_г = 0,59;

- коэффициент теплопроводности л = 0,08 Вт/м^.0С;

- коэффициент кинематической вязкости х_г=119,67^.10^-6м²/с.

Вычислим лучистый коэффициент теплоотдачи от газов к стенке по следующему критериальному уравнению, предварительно определив эффективную толщину излучающего слоя:

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока:

Степень черноты газов определится следующим образом:

Температуру стенки принимаем:

Подсчитываем коэффициент теплопередачи для конвективного пучка:

Определим средне логарифмический температурный напор:

Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева:

3. Тепловой расчет хвостовых поверхностей нагрева

3.1 Расчет вводного экономайзера

Расчету теплообмена в экономайзере предшествует конструктивная и компоновочная проработка поверхности: выбор диаметра и шагов труб, расположение змеевиков в газоходе, исходя из заводских чертежей проектируемого котла, определение числа параллельно включенных труб, определение проходных сечений по обеим средам.

Экономайзеры выполняются чаще всего из гладких труб, однако оребрение (плавники, мембраны) внешней стороны труб позволяет улучшить технико- экономические показатели.

Поверхность экономайзера набирается плоскими змеевиками с шахматным расположением труб и поперечным омыванием газами. Как правило, экономайзерные поверхности размещаются в конвективной шахте котла с нисходящим движением газов, при этом змеевики располагают в плоскостях параллельно фронту котла. При такой компоновке наибольшему износу подвергаются только змеевики, расположенные у задней стены конвективной шахты, в результате концентрации золы у внешней образующей при движении газов в поворотной камере.

При сжигании жидких и газообразных топлив допустимо поперечное расположение змеевиков.

Водяной экономайзер является завершающей поверхностью высокого давления по тракту газов. В барабанном котле его тепловосприятие определяется как остаток полезно воспринятой теплоты в котле. С другой стороны определение тепловосприятия экономайзера часто выполняют, как определение тепловосприятия замыкающей поверхности, после расчета тепловосприятия всех остальных поверхностей, когда известны энтальпии газов соседних поверхностей (воздухоподогревателя и конвективного пароперегревателя). В этом случае тепловосприятие экономайзера определяется по газовой стороне с помощью формулы, приняв температуру на выходе равную температуре на входе в воздухоподогреватель х^/_в=256,5⁰С:

Определяем энтальпию питательной воды на выходе из экономайзера:

Тогда температура составит воды:

Вычислим средние температуры воды и дымовых газов, приняв следующее условие: х^//_в=606,9⁰С.

Определим средне логарифмический температурный напор:

Скорость движения дымовых газов в газоходе экономайзера:



Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи со стороны дымовых газов, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства газов при средней температуре и поправку на компоновку пучка:

- число Прандтля Рr_г = 0,62;

- коэффициент теплопроводности л = 0,05 Вт/м^.0С;

- коэффициент кинематической вязкости х_г=62,52^.10^-6 м²/с.

Принимаем d_вэ = 32 ^. 10^-3 м; l_р = 1,5 м.

Вычислим лучистый коэффициент теплоотдачи от газов к стенке по следующему критериальному уравнению, предварительно определив эффективную толщину излучающего слоя:

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока:

Степень черноты газов определится следующим образом:

Температуру стенки принимаем:

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи от стенки к воде, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства воды при средней температуре:

- теплопроводность л_пв = 0,68 Вт/м^.0С;

- кинематическая вязкость х_пв = 1,97^.10^-7 м²/с;

- число Прандтля Pr_пв=1,14;

Площадь поверхности одной трубы:

Тогда количество параллельных горизонтальных труб выходящих из одного колектора:



Площадь живого сечения прохода воды:

Скорость воды:

Коэффициент теплопроводности стенки л_ст = 45 Вт/м^.0С.

Тогда коэффициент теплопередачи определится так:

Найдем из основного уравнения теплопередачи поверхность теплообмена:

Общее число труб равно количеству труб в вертикальном ряду, количество которых составит:



Экономайзерные поверхности компонуются пакетами высотой 1,0-1,5 м, с разрывом между пакетами в 0,6-0,8 м, для осмотров и выполнения ремонтных работ в пакетах трубных змеевиков. Между экономайзером и трубчатым воздухоподогревателем разрывы составляют 0,8-1,0 м. В итоге устанавливается высота, которую занимает в конвективной шахте экономайзер.

3.2 Расчет воздохоподогревателя

С помощью заводских чертежей проектируемого котла выполняется конструктивная и компоновочная проработки трубчатого воздухоподогревателя: выбираются диаметр и шаг труб, определяют направление движения газов (продольное, внутри труб) и воздуха (поперечное в шахматном пучке), размеры поперечного сечения конвективной шахты трубчатого воздухоподогревателя.

После конструктивной проработки осуществляется определение тепловосприятия трубчатого воздухоподогревателя. При этом в первую очередь учитывают количестве ступней воздухоподогревателя.

При курсовом проектировании поверхности нагрева расположенные в конвективной шахте котельного агрегата и в частности трубчатый воздухоподогреватель рассчитывается конструктивно, т.е. определяется необходимая теплообменная его поверхность, при этом каждая ступень рассчитывается отдельно. Тепловосприятие одноступенчатого трубчатого воздухоподогревателя определяется по воздушной стороне:



По диаграмме Н-х при:

По известной диаграмме вычислим температуру продуктов сгорания на входе в воздухоподогреватель: .

Минимальный температурный напор на горячей стороне воздухоподогревателя:

Вычислим среднею температуру дымовых газов приняв следующее условие:

Определим средне логарифмический температурный напор:

Скорость движения дымовых газов в газоходе воздухоподогревателя:



Коэффициент теплопроводности стенки л_ст = 45 Вт/м^.0С.

Тогда коэффициент теплопередачи определится так:

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи со стороны дымовых газов, предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства газов при средней температуре и поправку на компоновку пучка:

- число Прандтля Pr_г =0,65;

- коэффициент теплопроводности л_г = 0,04 Вт/м^.0С;

- кинематическая вязкость х_пв = 30,44^.10^-6 м²/с;

Принимаем d_в=40^.10^-3м.

Вычислим коэффициент конвективной теплоотдачи от стенки к воздуху.

Для этого предварительно находим необходимые параметры теплофизические свойства воздуха при средней температуре:

- теплопроводность л_в = 0,03 Вт/м^.0С;

- кинематическая вязкость х_в = 26,55^.10^-6 м²/с;

- число Прандтля Pr_в=0,697;

Скорость воздуха щ_в=5 м/с - принимаем.

Найдем из основного уравнения теплопередачи поверхность теплообмена:

Вычислим полное число труб:

Длина одного змеевика:

Площадь живого сечения по воздуху:

Определим число труб поперек хода воздуха при числе ходов:



Число труб по ходу воздуха:

Воздухоподогреватель набирается из отдельных кубов, размеры которых должны удовлетворять требованию железнодорожного габарита.

Для трубчатых воздухоподогревателей и других поверхностей в конвективной шахте, при сжигании твердых топлив, дающих плотные отложения, должна быть предусмотрена дробевая очистка.

4. Уравнение теплового баланса

Завершающим этапом распределения тепловоcприятий является проверка правильности распределения с помощью определения расчетной невязки теплового баланса котельного агрегата:

Невыполнение этого условия, т. е. превышение невязки значения 0,5 % Q_cн, свидетельствует, как правило, о наличии логических и (или) арифметических ошибок выполненных расчетчиком и требует пересчета теплового баланса котла для устранения погрешности вычислений.

5. Описание тепловой схемы котельной

Отпуск пара технологическим потребителям часто производится от котельных, называемых производственными. Эти котельные обычно вырабатывают насыщенный или слабо перегретый пар с давлением от 1,4 до 2,4МПа. Пар используется технологическими потребителями и в небольшом количестве - на приготовление горячей воды, направляемой в систему теплоснабжения. Приготовление горячей воды производится в сетевых подогревателях, устанавливаемых в котельной.

Принципиальная тепловая схема производственной котельной с отпуском небольшого количества тепла на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в закрытую систему теплоснабжения представлена на рисунке.

Насос сырой воды подаёт воду в охладитель продувочной воды, где она нагревается за счёт теплоты продувочной воды. Затем сырая вода подогревается до 20-30⁰С в пароводяном подогревателе сырой воды и направляется на химводоочистку. Химически очищенная вода направляется в охладитель деаэрированной воды и подогревается до определённой температуры. Дальнейший подогрев химически очищенной воды осуществляется в подогревателе паром. Перед поступлением в головку деаэратора часть химически очищенной воды проходит через охладитель выпора деаэратора.

Подогрев сетевой воды производится паром в последовательно включённых двух сетевых подогревателях. Конденсат от всех подогревателей направляется в головку деаэратора, в которую так же поступает конденсат, возвращаемый внешними потребителями пара.

Подогрев воды в атмосферном деаэраторе производится паром от котлов и паром из расширителя непрерывной продувки. Непрерывная продувка от котлов используется в расширителе, где котловая вода вследствие снижения давления частично испаряется. В котельных с паровыми котлами, независимо от тепловой схемы, использование теплоты непрерывной продувки котлов является обязательным. Использованная в охладителе продувочная вода сбрасывается в охладительный колодец (барботер).

Деаэрированная вода с температурой около 104⁰С питательным насосом подаётся в паровые котлы. Подпиточная доза для системы теплоснабжения забирается из того же деаэратора, охлаждаясь в охладителе деаэрированной воды до 70⁰С перед поступлением к подпиточному насосу. Использование общего деаэратора для приготовления питательной и подпиточной воды возможно только для закрытых систем теплоснабжения, ввиду малого расхода подпиточной воды в них. В открытых системах теплоснабжения расход подпиточной воды значителен, поэтому в котельной следует устанавливать два деаэратора: один для приготовления питательной воды, другой - подпиточной воды. В котельных с паровыми котлами, как правило, устанавливаются деаэраторы атмосферного типа.

Для технологических потребителей, использующих пар более низкого давления, по сравнению с вырабатываемым, котлоагрегатами, и для подогревателей собственных нужд в тепловых схемах котельных предусматривается редукционная установка для снижения давления пара (РУ) или редукционно-охладительная установка (РОУ).

Заключение

В результате выполненного проекта в отопительно-производственной котельной предусматривается установка двух котлов типа ДЕ 16-14-225ГМ работающих на мазуте. Паропроизводительностъ и тепловая мощность котельной полностью обеспечивают потребности производства и собственные нужды.

В качестве хвостовых поверхностей нагрева котлов применяются чугунные экономайзеры.

Котлы оборудованы системами очистки поверхностей нагрева.

Каждый котел снабжен двумя пружинными предохранительными клапанами, один из которых является контрольным. На котлах без пароперегревателя оба клапана устанавливаются на верхнем барабане котла и любой из них может быть выбран как контрольный.

Котельная предназначена для теплоснабжения промышленных предприятий. Строительная часть котельной выполнена из железобетонных конструкций. Оборудование котельной выбрано на данную тепловую нагрузку. Все вспомогательное оборудование вместе с трубопроводами (деаэрационно-питательная установка, сетевые насосы и т. д.) размещается на усиленный пол без фундаментов.