Тепловые процессы в котельном агрегате.

Паровым котлом называется комплекс агрегатов, предназначенных для получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных устройств, связанных между собой и служащих для передачи тепла от продуктов сгорания топлива к воде и пару. Исходным носителем энергии, наличие которого необходимо для образования пар из воды, служит топливо.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:

процесс горения топлива,

процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой,

процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и нагрева полученного пара.

Во время работы в котлоагрегатах образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя.

В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.

Одной из основных задач, возникающей при эксплуатации котельного агрегата, является обеспечение равенства между производимой и потребляемой энергией. В свою очередь процессы парообразования и передачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в потоках рабочего тела и теплоносителя.

Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Расчет процесса горения обычно сводится к определению количества воздуха в м³, необходимого для сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава теплового баланса и определению температуры горения.

Значение теплоотдачи заключается в теплопередаче тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива, воде, из которой необходимо получить пар, или пару, если необходимо повысить его температуру выше температуры насыщения. Процесс теплообмена в котле идет через водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом, в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные.

Образование пара в котлоагрегатах протекает с определенной последовательностью. Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при больших температурах и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а, следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации, называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях.

Пар, образуемый в котлоагрегате, подразделяется на насыщенный и перегретый. Насыщенный пар в свою очередь делится на сухой и влажный. Так как на технологические нужды требуется перегретый пар, то для его перегрева устанавливается пароперегреватель, в котором для перегрева пара используется тепло, полученное в результате сгорания топлива и отходящих газов. Полученный перегретый пар при температуре Т=440єС и давлении Р=40 атм. идет на технологические нужды.

1. Технологическая схема котельной установки

Современная промышленная котельная установка представляет собой комплекс основного и вспомогательного оборудования. Выбор технологической схемы и размещение оборудования зависят от назначения установки, вида сжигаемого топлива, мощности и типа установленных котлоагрегатов и от других факторов.

Основным оборудованием установки является парогенератор, который содержит следующие элементы: топочную камеру с горелками, экранные и конвективные поверхности нагрева, пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель. Топочная камера предназначена для организаций и завершения сжигания топлива, а также для передачи теплоты расположенным в ней поверхностям нагрева. Поверхности нагрева котлоагрегата в зависимости от способа передачи им теплоты принято разделять на лучевоспринимающие и конвективные. Лучевоспринимающие поверхности нагрева, расположенные непосредственно в топочной камере, называются экранами. Поверхности нагрева, в которых тепло от продуктов сгорания передается путем соприкосновения, называются конвективньми.

Пароперегреватель предназначен для превращения сухого насыщенного пара в перегретый. Перегретый пар имеет большие температуры и энтальпию, по сравнению с насыщенным, при одинаковом с ним давлении.

Водяной экономайзер предназначен для подогрева питательной воды, поступающей в парогенератор. Нагрев воды в экономайзере осуществляется продуктами сгорания, покидающими парогенератор.

В воздухоподогревателе за счет теплоты продуктов сгорания осуществляется подогрев воздуха, используемого в процессе сжигания топлива. Воздухоподогреватель и водяной экономайзер принято называть хвостовыми поверхностями нагрева.

Систему ограждений топочной. камеры и газоходов котлоагрегата от окружающей среды называют обмуровкой. Газоходами называют каналы, по которым перемещаются продукты сгорания. Под газовым трактом, или трактом продуктов сгорания, понимают все газоходы котлоагрегата, начиная от топки и кончая дымовой трубой.

Дымосос осуществляет удаление продуктов сгорания из парогенератора и направляет их в дымовую трубу, по которой они выбрасываются в атмосферу.

Воздушный тракт котельной установки состоит из вентилятора, воздухоподогревателя и системы каналов. Вентилятор предназначен для подачи воздуха, необходимого для организации процесса горения, в топку. Система каналов, по которым вентилятор подает воздух, называется воздухопроводами.

Паровой тракт парогенератора содержит барабан с сепарационными устройствами, пароперегреватель с устройствами для регулирования температуры перегретого пара и паропровод для подачи пара к потребителям. В барабане парогенератора собирается пар, образовавшийся в экранных и конвективных поверхностях, нагрева. В сепарационных устройствах происходит отделение капелек воды от пара перед поступлением его в пароперегреватель.

Для поддержания постоянного уровня в парогенераторе в него необходимо подавать воду в количестве, равном количеству выработанного пара. Однако вода, поступающая из источника водоснабжения, перед подачей в парогенератор проходит очистку от механических примесей в химическую обработку. Химически очищенная вода (ХОВ) и возвратившийся от потребителей пара конденсат направляются для дегазации в деаэратор. Деаэратор служит для удаления из воды растворенных в ней кислорода и углекислого газа. Из деаэратора вода забирается питательным насосом и по трубопроводам, называемым питательными линиями, подается в водяные экономайзеры парогенераторов. Нагревшись до определенной температуры, питательная вода из водяного экономайзера поступает в барабан парогенератора.

Для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования, регулирования количества пара и воды, а также отключения отдельных трубопроводов котельная установка имеет предохранительную, регулирующую и отключающую арматуру.

Котел Е-50-3,9-440ГМ.

Паровой котел Е-50-3,9-440ГМ, предназначен для получения перегретого пара за счет теплоты сгорания топлива - мазута или природного газа.

Котел - паровой, водотрубный, барабанный с естественной циркуляцией в испарительных поверхностях нагрева, с камерным сжиганием топлива. Компоновка поверхностей П-образная.

Котел состоит из следующих основных частей:

топочная камера с горелками;

опускная шахта;

барабан с сепарационным устройством, опускной и пароотводящей системой;

выносные циклоны;

пароперегреватель 1-й ступени;

пароперегреватель 2-й ступени;

система впрыска собственного конденсата

экономайзер;

воздухоподогреватель;

устройства очистки поверхностей нагрева;

обмуровка и изоляция;

помосты и лестницы;

каркас помостов, лестниц, воздухоподогревателя и портал котла,

опоры котла;

комплект арматуры и КИП.

Котел служит для производства водяного пара под давлением с перегревом по отношению к температуре насыщения. Таким образом, в котле происходит нагрев воды, ее испарение и перегрев образовавшегося пара. Теплоносителем являются продукты сгорания органического топлива - дымовые газы. Горение топлива происходит в вертикальной топочной камере прямоугольной формы в плане, образованной экранными трубами. На фронтовой стене топки расположены горелки, с помощью которых сжигается топливо - мазут или природный газ.

В обогреваемых газом трубах, образующих топку и конвективную шахту, происходит образование насыщенного водяного пара. Пароводяная смесь поступает в коллекторы, а из них по пароотводящим трубам - в барабан-паросборник и выносные сепараторы-циклоны. В барабане и циклонах происходит отделение пара от воды. К барабану присоединены необогреваемые опускные стояки, а к циклонам необогреваемые опускные трубы, по которым котловая вода поступает в нижние коллекторы экранов.

В образованном таким образом замкнутом контуре происходит естественная циркуляция рабочего тела благодаря разнице в весах столбов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в экранных трубах.

В барабане и выносных циклонах происходит отделение пара от воды, который затем направляется в пароперегреватель, где он перегревается горячими дымовыми газами. Из пароперегревателя пар направляется потребителю.

Питание котла водой производится через экономайзер, в котором осуществляется подогрев воды. Вся вода из экономайзера подается в барабан. Выносные циклоны питаются водой из барабана.

Для осуществления горения топлива необходим горячий воздух, который подается в топку из воздухоподогревателя, обогреваемого горячими дымовыми газами.

Котел представляет собой вертикальную трехходовую, конструкцию, которую составляют по ходу газов: топка, горизонтальный газоход, в котором расположена вторая (выходная) ступень пароперегревателя, опускной газоход, в котором расположены первая ступень пароперегревателя, экономайзер и газоход воздухоподогревателя.

Движение дымовых газов по трактам котла осуществляется за счет работы дымососа. Котел может также работать под наддувом, при этом возможность движения дымовых газов создается высоконапорным вентилятором.

Все элементы котла, находящиеся снаружи и содержащие рабочее тело или горячий воздух, закрываются тепловой изоляцией.

Топочная камера

Топочную камеру образуют мембранные экраны - фронтовой, задний и боковые, состоящие из труб 575, расположенных с шагом 75 мм и вваренных между ними полосовых проставок.

Ширина топочной камеры - 4550 мм, глубина 4500 мм. Каждый из боковых экранов состоит из двух блоков по глубине топки, сваренных соответственно из 40 и 20 труб. Каждый из этих блоков состоит из плоской (не гнутой) мембранной панели, приваренной к коллекторам 219.

Блок, состоящий из 40 труб, секционирован по ширине на 2 равные части (по 20 труб) и включает 2 верхних и 2 нижних коллектора 219.

Фронтовой экран топочной камеры образует фронтовую стенку, половину пода и часть потолка. Угол наклона пода - 10єС, потолка - 15єС. Под закрыт шамотным кирпичом.

На вертикальном участке фронтового экрана имеются разводки для горелок. Фронтовой экран поставляется одним блоком из 40 труб, секционированным по ширине на 2 равные части, и одним блоком из 20 труб.

Задний экран образует заднюю стенку, являющуюся общей с опускным газоходом, половину пода, под горизонтального газохода, трехрядный фестон и часть потолка горизонтального газохода.

Поставка и секционирование заднего экрана осуществляется аналогично фронтовому экрану.

Поперечный шаг фестона составляет 225 мм, продольный - 150 мм. На боковых экранах устанавливается два лаза 540 мм и 8 гляделок.

Углы топочной камеры уплотнены проставками, привариваемыми к крайним трубам смежных экранов.

На фронтовой стене установлены 2 газомазутные горелки типа ГМУ-15.

На поду топки между нижними отогнутыми участками фронтового и заднего экранов в обмуровке имеются 3 отверстия для удаления стоков после обмывки экранов.

Система трубопроводов.

В промышленной котельной с паровыми или водогрейными котлами имеется система трубопроводов, которая предназначена для соединения между собой всего действующего оборудования: парогенераторов, насосов, деаэрационных, установок, теплообменных аппаратов и т.д.

Трубопроводы состоят из системы труб и арматуры, предназначенной для отключения отдельных трубопроводов и их участков, для регулирования количества транспортируемого теплоносителя и изменения его направления.

Все трубопроводы в зависимости от назначения разделяются на водопроводы, паропроводы, мазутопроводы и газопроводы. Водопроводы предназначены для подачи и распределения потоков воды: сырой, ХОВ, конденсата, питательной, охлаждающей отдельные элементы оборудования. Паропроводы, мазутопроводы и газопроводы соответственно предназначены для подачи и распределения пара различных параметров, мазута и газа.

Все трубопроводы принято также разделять на главные и вспомогательные. К главным водопроводам относят питательные линии для подачи воды в котлы. Главными паропроводами являются паропроводы, соединяющие паровые котлы со сборным коллектором (к которому присоединены паропроводы, снабжающие паром различных потребителей), а также паропроводы к питательным турбонасосам и подогревателям сетевой воды. Вспомогательными трубопроводами являются продувочные, обдувочные, дренажные, выхлопные и другие служебные паро- и водопроводы.

Приведена наиболее типичная схема главных трубопроводов промышленно-отопительной котельной. Главный магистральный паропровод, объединяющий все котлы, выполняется одиночным с секционированной перемычкой или двойным. Располагают арматуру так, чтобы иметь возможность отключать на ремонт любой из котлов без нарушения теплоснабжения потребителей. Паропровод низкого давления после РОУ выполнен двойным, что позволяет производить ремонты арматуры, РОУ, вспомогательного оборудования и обеспечивает надежную подачу пара на собственные нужды цеха. Трубопровод питательной воды от насосов до котлов через подогреватели выполнен одиночным с секционированными перемычками. Кроме того, предусмотрена подача питательной воды в котлы помимо подогревателей на случай ремонта или выхода их из строя.

2. Расчет

Расчетные характеристики топлива

По общепринятой методике объемы продуктов сгорания и воздуха выражаются в кубических метрах при нормальных условиях на 1 кг сжигаемого топлива (твердого или жидкого) или на 1 м³ газового топлива. Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, исходя из данных по составу рабочей массы твердого или жидкого топлива, производится следующий образом:

, м³/м³,

, м³/м³,

, м³/м³,

, м³/м³,

, м³/м³,

где d_г - влагосодержание газообразного топлива, d_г=19,4 г/м³ при расчетной температуре 20 єС

м³/м³,

м³/м³,

м³/м³,

м³/м³,

м³/м³.

Для расчета действительных объемов продуктов горения по газоходам агрегата прежде всего принимаются коэффициент избытка воздуха в верхней части топки _т и присосы воздуха в отдельных поверхностях нагрева . Коэффициент избытка воздуха _т выбирается в зависимости от типа топочного устройства и вида сжигаемого топлива. Избыток воздуха _т включает в себя коэффициент избытка воздуха, подаваемого в горелки, и присосы холодного воздуха в топку, происходящие в основном в нижней ее части.

Избыток воздуха за каждой поверхностью нагрева после топочной камеры получается прибавлением к _т соответствующих присосов воздуха.

Объемы газов и водяных пapoв определяются по среднему коэффициенту избытка воздуха в поверхности нагрева, равному полусумме значений его на входе в поверхность и на выходе из нее.

Таблица 2

Расход топлива, подаваемого в топочную камеру парогенератора, можно определить из баланса между полезным тепловыделением при горении топлива и тепловосприятием рабочей среды в парогенераторе:

,

откуда

, кг/с,

где D_пе - расчетная производительность, кг/с;

- энтальпия соответственно перегретого пара, питательной воды и кипящей воды в барабане парогенератора, кДж/кг. Энтальпии определяются по соответствующим температурам «с учетом изменения давления по тракту рабочей среды парогенератора;

D_пр - расход продувочной воды из испарительного контура парогенератора, кг/с:

, кг/с,

где р-величина непрерывной продувки парогенератора, %;

р=2%;

кг/с,

кг/с.

2.5 Тепловые характеристики топочной камеры

Передача тепла экранам топочной камеры происходит главным образом за счет излучения ядра факела и трехатомных газов, заполняющих топочный объем.

Общее количество переданного тепла определяется разностью между полезным тепловыделением и энтальпией газов на выходе из топки.

Полезное тепловыделение в топочной камере (в расчете на 1 кг топлива) Q_т складывается из располагаемого тепла топлива за вычетом топочных потерь и тепла воздуха, поступающего в топку:

, кДж/м³;

Тепло воздуха состоит из тепла горячего воздуха и небольшой доли тепла присосов холодного воздуха извне (расчетная t _х.в=30єС):

, кДж/м³,

где _т - присосы воздуха в топке, _т=0,08,

- энтальпия горячего воздуха при t_гв, кДж/м³;

Температура горячего воздуха рассчитывается по формуле:

, єС,

=192 єС, примем t_гв=200єС.

кДж/м³,

кДж/м³;

Теоретическая (адиабатическая) температура горения характеризует максимальный уровень температуры продуктов сгорания в случае, если бы отсутствовал теплообмен с окружающими экранами топки. Поскольку максимальное тепловыделение характеризуется величиной Q_т, то адиабатическая температура продуктов сгорания:

_а, єС,

где V_iс_i-произведение объема на теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания при температуре _а.

При расчете парогенератора _а определяют по табл. 3 на основании известной Q_т путем интерполяции в зоне высоких температур газов при _т.

_а=1980єС,

_а^oC,

Слишком большое расхождение между принятой температурой и полученной, необходимо уточнить V_ic_i. Примем _а=2150єС, тогда

_а єС.

Температура газов на выходе из топки выбирается исходя из характеристики топлива [1]. По принятой температуре из табл. 3 устанавливается энтальпия газов на выходе из топки .

=1250єС,

=(24325,22-20184,87)*150/250 + 20184,87= 22669,1 кДж/м³;

Удельное тепловосприятие топки (в расчете на 1 м³ топлива):

, кДж/м³,

где - коэффициент сохранения тепла, учитывающий долю тепла газов, воспринятую поверхностью нагрева.

В расчетах принимается, что потеря тепла на наружное охлаждение пропорциональна доле тепловосприятия данной поверхности. Поэтому коэффициент во всех поверхностях одинаков:

=1-,

=1-,

0,991516319 кДж/м³;

2.6 Определение размеров топочной камеры и размещение горелок

котельный сгорание топливо камера

Объем топочной камеры (рис. 2) ограничивается осевой плоскостью экранных труб стен и потолка, поверхностью, проходящей через оси первых рядов труб фестона или ширм, и горизонтальной плоскостью, отделяющей половину высоты холодной воронки, или плоскостью пода топки.

Сечение топки в свету f_т определяется из чертежа топки как произведение глубины топки на ее ширину:

=20,475 м².

Характеристика горелочных устройств и расстояния между ними:

Расстояние между осями горелок по горизонтали 1,5 м;

Расстояние от боковой стенки до оси крайней горелки 1,5 м;

Расстояние от пода до нижнего ряда горелок 1,5 м;

Диаметр амбразуры горелок 0,4 м;

Нижняя часть топки выполнена в виде горизонтального пода.

Высота топки h_т=8 м.

, м³,

=163,8 м³,

Поверхность стен топочной камеры:

=185,75 м².

2.7 Расчет теплообмена в топке по методу ЦКТИ

Поверхность стен топочной камеры, воспринимающих заданное количество тепла BQ_л и снижающих температуру газов до выбранной на выходе из топки, определяется из уравнения теплообмена между раскаленными газами и поверхностью настенных экранов:

, м²,

где - теоретическая температура горения и температура на выходе из топки, К;

М - коэффициент, учитывающий относительное положение ядра факела по высоте топочной камеры;

_ср-средний коэффициент тепловой эффективности экранов;

а_т-степень черноты топочной камеры.

Отсюда методом последовательных приближений найдем температуру на выходе из топки, первоначально примем =1250С.

Изменение положения ядра факела в топке существенно сказывается на температуре в верхней части ее. В конструктивном расчете топки при заданной температуре изменение высоты размещения горелок в топке или сжигание пылевидного топлива с растянутым факелом по сравнению с короткофакельным сжиганием газа и мазута заметно влияет на размер необходимой поверхности охлаждающих экранов топки, что учитывается с помощью эмпирического коэффициента М.

При сжигании газа и мазута

,

Максимальное значение М принимается не выше 0,5.

Величина Х_т характеризует относительную высоту положения максимума температур в топке. Для большинства видов топлив максимум температур совпадает с уровнем расположения горелок:

,

где h_гор - высота размещения горелок,

,

.

Тепловосприятие топочной камеры оценивается коэффициентом тепловой эффективности экранов, который равен произведению условного коэффициента загрязнения на угловой коэффициент экрана:

,

Угловой коэффициент экрана х и коэффициент загрязнения определяются по справочным данным.

х=0,5;

=0,65;

.

На размеры лучевоспринимающей поверхности большое влияние оказывает степень черноты топочной камеры а_т, которая определяется степенью черноты факелы а_ф,

заполняющего топочный объем, и тепловой эффективностью экранных поверхностей :

.

Эффективная степень черноты факела при сжигании газового и жидкого топлива определяется по формуле

,

где а_св, а_г - степени черноты светящейся части факела и несветящихся газов; они определяются с помощью формулы

,

в которой различные значения принимает коэффициент k (коэффициент ослабления лучей топочной средой, 1/мМПа),

где р-давление в топочной камере, МПа; для парогенераторов, работающих без наддува, р=0,1 МПа;

s - эффективная толщина излучающего слоя в топочной камере; определяется из соотношения объема топки к поверхности ее стен:

, м,

=3,17 м;

Степень черноты несветящихся газов а_г зависит от коэффициента ослабления лучей трехатомными газами

, 1/мМПа,

где r_п - объемная доля трехатомных газов, ,

k_г - коэффициент ослабления лучей газовой средой, определяется по формуле:

, 1/мМПа,

где p_п - парциальное давление трехатомных газов, ,

r_п=0,269,

=0,0269 МПа,

=4,64 1/мМПа,

=1,25 1/мМПа,

0,33,

Степень черноты светящихся газов а_св определяется как объемной концентрацией трехатомных гахов, так и раскаленными сажистыми частицами:

, 1/мМПа,

где k_с - коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами:

, 1/мМПа,

При сжигании природного газа

,

=3,003

=1,567 1/мМПа,

=2,815 1/мМПа,

0,59,

Значения коэффициента m, характеризующего долю топочного объема, заполненную светящейся частью факела, принимают в зависимости от расчетного теплового напряжения топочного объема.

m=0,1,

=0,356

=0,63;

=233,31 м².

Следует уточнить температуру на выходе из топки, примем =1350С.

=25392,522 кДж/м³;

Удельное тепловосприятие топки (в расчете на 1 м³ топлива):

, кДж/м³,

0,991613620 кДж/м³;

, 1/мМПа,

r_п=0,269,

=0,0269 МПа,

=4,25 1/мМПа,

=1,142 1/мМПа,

0,304

, 1/мМПа,

=1,181 1/мМПа,

=2,322 1/мМПа,

0,521,

m=0,1,

=0,326,

=0,592;

=161,78 м².

Среднее тепловое напряжение поверхности нагрева экранов определяется по формуле:

, кВт/м²,

=111,3 кВт/м².

Выводы

Таким образом, в ходе выполнения курсовой работы было выяснено распределение температур и тепловых потоков по высоте топки котла Е-50-3,9-440ГМ.

Расхождение между ранее определенной температурой на выходе из топки и рассчитанной позонным методом составило 5С.

Литература