Тепловой и аэродинамический расчёт топочного агрегата

Введение

Первые паровые котлы в начале XIX в. вырабатывали пар давлением 0,5--0,6 МПа и имели производительность сотни килограммов в час. В настоящее время для производства пара применяются котлы, вырабатывающие пар с давлением до 25 МПа (и даже до 31 МПа) и температурой до 570 °С и производительностью до 4000 т/ч.

Интенсивное развитие котельной техники было вызвано ростом промышленного производства и концентрацией выработки электроэнергии в основном на паротурбинных электростанциях. Созданная за годы советской власти котлостроительная промышленность, имеющая котельные заводы, специализированные научно-исследовательские институты и другие организации, обеспечивает производство современных котлов, необходимых для страны и для экспорта их за рубеж.

Современная котельная установка является сложным сооружением, состоящим из большого количества различного оборудования и строительных конструкций, связанных в единое целое общей технологической схемой производства пара.

Технологическая схема котельной установки видоизменяется в зависимости от ее назначения, производительности, параметров пара, вида топлива, способа его сжигания и местных условий.

В котельных установках, использующих жидкое и газовое топлива, отсутствуют золоулавливающие устройства, оборудование для удаления шлака и золы, значительно упрощаются устройства для хранения (при газовом топливе--отпадают), транспорта и подготовки топлива к сжиганию.

На промышленных предприятиях имеются котельные установки, дополняющие технологические агрегаты, в которых пар вырабатывается за счет теплоты отходящих газов или теплоты, передаваемой их охлаждаемым элементам. В последние годы нашли применение энерготехнологические установки, в которых котел является неотъемлемой частью технологического агрегата.

Оборудование котельной установки условно разделяют на основное (собственно котел) и вспомогательное. Вспомогательными называют оборудование и устройства для подачи топлива, питательной воды и воздуха, для удаления продуктов сгорания, очистки дымовых газов, удаления золы и шлака, паропроводы, водопроводы и др.

Котел состоит из топочной камеры и газоходов, поверхностей нагрева, находящихся под внутренним давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара): экономайзера, испарительных элементов, пароперегревателя. Испарительные поверхности - экраны и фестон включены в барабан и вместе с опускными трубами, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. Поверхности нагрева, находящиеся под давлением, объединены барабаном, в котором происходит разделение пара и воды. Перегрев пара осуществляется в пароперегревателе. Подогрев воздуха производится в воздушном подогревателе.

Топливо вместе с воздухом подается через горелки в топочную камеру, где сжигается факельным способом. На стенах топочной камеры расположены экраны, состоящие из большого числа вертикальных труб, и на выходе из топки - фестон, которые образуют испарительные поверхности нагрева, получающие часть теплоты продуктов сгорания. Естественная циркуляция воды и пароводяной смеси в системе организуется за счет разности масс столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах экранов и фестона.

После топочной камеры продукты сгорания проходят через пароперегреватель, в котором пар перегревается до требуемой температуры, после чего направляется к потребителям. После пароперегревателя продукты сгорания проходят через экономайзер, в котором подогревается питательная вода, и воздушный подогреватель, в котором подогревается воздух, идущий на сжигание топлива. Охлажденные продукты сгорания удаляются из котла.

Имеются разнообразные конструкции котлов. Применяется, например, принудительная циркуляция воды и пароводяной смеси в испарительной системе котла с помощью специальных насосов. Испарительные поверхности котлов иногда выполняются в виде трубных поверхностей нагрева, размещенных за топочной камерой. В ряде случаев часть поверхности пароперегревателя размещается в топке, а экономайзер и воздухоподогреватель выполняются в несколько ступеней и т. д.

Современный котел оснащается системами автоматизации, обеспечивающими надежность и безопасность его работы, рациональное использование топлива, поддержание требуемой производительности и параметров пара, повышение производительности труда персонала и улучшение условий его работы и защиту окружающей среды от вредных выбросов.

Исходные данные

Таблица 1

Кроме заданных параметров котельный агрегат ДКВР- 2,5- 14С имеет следующие характеристики:

Таблица 2

2 Материальный баланс процесса горения

По заданному виду топлива ( каменный уголь Волынского ГСШ) определяем элементарный состав и другие характеристики данного топлива и заносим их в таблицу.

Таблица 3

В соответствии с данными таблицы 3 рассчитываем:

1 Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания:

Vє_в= (C^р + 0,375 S^p_ор+к) + 0,265 H^р - 0,033 O^р;

Vє_в= ( 55,5 + 0,375·2,6) + 0,265·3,7 - 0,0333·7,5 = 5,75 м³/кг;

2 Теоретический объём азота в продуктах сгорания:

Vє_N2 = Vє_в + 0,8· ;

Vє_N2 = 5,75 + 0,8· = 4,55 м³/кг;

3 Теоретический объём водяных паров:

Vє_Н2О =;

Vє_Н2О = м³/кг;

4 Теоретический объём трёхатомных газов:

V_RO2 =;

V_RO2 = м³/кг;

Исходя из табличных значений, принимаем коэффициент избытка воздуха на выходе из топки б_т = б^Ч=1,6. Величины присосов воздуха выбираем по таблице 3-4 [1]: Дб _Iкп = 0,05;

Дб _IIкп = 0,1; Дб _эк = 0,1.

Коэффициент избытка воздуха перед каждой поверхностью нагрева после топочной камеры подсчитывается прибавлением к соответствующих присосов воздуха, т.е ,

Средний коэффициент избытка воздуха в газоходе поверхности нагрева определиться как

;

Действительный объем водяных паров

, м³/кг;

Суммарный объём продуктов сгорания

, м³/кг;

Объёмная доля трёхатомных газов

;

Объёмная доля водяных паров

;

Суммарная объёмная доля

;

Массовая концентрация уноса в продуктах сгорания

, кг/ м³;

где - масса продуктов сгорания твёрдого топлива, складываемая из обеззоленной массы топлива и воздуха, подаваемого на горение определиться по следующей формуле

, кг/кг

= 6% - доля золы топлива в уносе (из таблицы 2).

Подставляем заданные величины в выше приведенные формулы и все результаты расчётов заносим в таблицу 4.

Таблица 4

Энтальпия дымовых газов определяется как

,

где - энтальпия теоретического объёма продуктов сгорания, представляющих собой смесь газов при температуре , определяется как

, кДж/кг

- соответственно энтальпия 1 кг трехатомных газов, азота и водяных паров;

- температура продуктов сгорания;

- коэффициент избытка воздуха после каждой поверхностью нагрева после топочной камеры подсчитывается прибавлением к соответствующих присосов воздуха, т.е. ,;

- энтальпия теоретического количества воздуха, необходимого для горения, определяется как

, кДж/кг;

- энтальпия золы, которая учитывается, если приведенная величина уноса, т.е. . Зная, что =21,44 МДж (из таблицы 2-11 [1] для донецкого каменного угля типа Г и Д), получаем . Тогда в нашем случае энтальпия золы не учитывается.

Подставляем заданные величины в выше приведенные формулы и все результаты расчётов заносим в таблицу 5.

Таблица 5

3. Тепловой баланс котла

При тепловом расчёте котельного агрегата тепловой баланс составляется для определения к.п.д. брутто и расчётного расхода топлива. Для нахождения значений этих величин составим сводную таблицу 6, куда занесем все параметры и формулы, необходимые для их определения.

Таблица 6

4. Расчет теплообмена в топочной камере

При выполнении расчёта топочной камеры определяются температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, удельные нагрузки колосниковой решётки и топочного объёма при известных значениях объёма топочной камеры, степени её экранирования и площади лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивных характеристик труб экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметра труб, расстояния между осями труб s₁ и между рядами s₂). Расчёт сведем в таблицу 7, где найдём все необходимые характеристики топочной камеры.

Таблица 7

Так как полученное значение действительной температуры на выходе из топки °С по формуле 13 таблицы 7 отличается от принятого значения равного 700 °С менее чем на 100 °С, то расчёт топочной камеры считаем законченным.

5. Расчёт конвективных поверхностей нагрева