Тепловой расчёт котельного агрегата

Тепловой расчёт котельного агрегата

БЕЛОРУССКИЙ КОНЦЕРН ПО ТОПЛИВУ И ГАЗИФИКАЦИИ «БЕЛТОПГАЗ»

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ И ПЕРЕПОДГОТОВКИ КАДРОВ В ОБЛАСТИ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ «ГАЗ-ИНСТИТУТ»

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: Тепловой расчёт котельного агрегата ДЕ - 6,5 - 14 ГМ

Минск - 2005

Содержание

Введение

. Расчёт объёмов и энтальпий продуктов сгорания

. Тепловой баланс котла и расчёт расхода топлива

. Расчёт теплообмена в топке

. Тепловой расчёт конвективного пучка

. Расчёт водяного экономайзера

Литература

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 газообразное топлива, отсутствуют золоулавливающие устройства, оборудование для удаления шлака и золы, значительно упрощаются устройства для хранения (при газообразном 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, защиту окружающей среды от вредных выбросов.

1. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

Таблица 1. Исходные данные

Топливо - малосернистый мазут

Таблица 2. Элементарный состав топлива (%)

Из таблицы 1 методических указаний для заданного топлива выбираем объёмы продуктов сгорания (м3/кг):

º = 10,6;   VºН2О = 1,51;   Vог = 11,48;   VRO2 = 1,58;   VºN2 = 8,4;

Определение теоретических объёмов воздуха, трёхатомных газов, водяных паров и азота

Коэффициент избытка воздуха в топке для данного топлива принимаем равным α″т = 1,1  (МУ, стр.6) Значения α в последующих газоходах определяются следующим образом:

α″Iкп = α″т + ∆ α Iкп = 1,1 + 0,05 = 1,15

α″IIкп = α″Iкп + ∆ α IIкп = 1,15 + 0,1 = 1,25

α″вэ = α″IIкп + ∆ α вэ = 1,15 + 0,1 = 1,35

где: ∆ α Iкп , ∆ α IIкп , ∆ α вэ - величины присосов в первом, втором конвективных пучках и водяном экономайзере соответственно (МУ, табл.9)

Объём водяных паров:

VH2O = VºН2О + 0,0161 · (αcр-1) · Vº

VH2O = 1,51 + 0,0161 · (1,1-1) · 10,6 = 1,53O = 1,51 + 0,0161 · (1,125-1) · 10,6 = 1,53O = 1,51 + 0,0161 · (1,2 - 1) · 10,6 = 1,54O = 1,51 + 0,0161 · (1,3 - 1) · 10,6 = 1,56

Объём дымовых газов:

Г = VR2O + VoN2 + VH2O + (αcр-1) · Vº

 VГ = 1,58 + 8,4 + 1,53 + (1,1-1) · 10,6 = 12,57

VГ = 1,58 + 8,4 + 1,53 + (1,125-1) · 10,6 = 12,84

VГ = 1,58 + 8,4 + 1,54 + (1,2-1) · 10,6 = 13,7

VГ = 1,58 + 8,4 + 1,56 + (1,3-1) · 10,6 = 14,7

rRO2 = VR2O/VГ = 1,58 / 12,57 = 0,126= 1,58 / 12,84 = 0,123

rRO2= 1,58 / 13,7 = 0,115= 1,58 / 14,7 = 0,108

Объёмные доли водяных паров:

O = VH2O /VГ O=1,53 / 12,57 = 0,122O=1,53 / 12,84 = 0,119O=1,54 / 13,7 = 0,112O=1,56 / 14,7 = 0,106

Суммарные объемные доли:

 rп =rR2O+rH2Oп = 0,126 + 0,122 = 0,248п = 0,123 + 0,119 = 0,242п = 0,115 + 0,112 = 0,227п = 0,108 + 0,106 = 0,214

Расчетные значения объёмов продуктов сгорания сведём в таблицу 3, составленную применительно к котлу с четырьмя газоходами (топка, первый и второй конвективные пучки, водяной экономайзер)

Таблица 3. Объёмы продуктов сгорания, объёмные доли трёхатомных газов

Энтальпии дымовых газов на 1 кг топлива подсчитываются по формуле:

г = Ioг + (α-1) Iов, кДж/ кг

где: Ioг - энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха α = 1 и температуре газов υ, °С,  кДж/ кг ;ов - энтальпия теоретически необходимого воздуха при нормальных условиях, кДж/ кг ;

Значения Ioг и Iов для заданного топлива приведены в таблице 11 методических указаний.

При α″т = 1,1 и υ = 900 ÷ 1900 °С

 г = 15872 + 0,1 · 13658 = 17238  г = 19820 + 0,1 · 17002 = 21520                 г = 23852 + 0,1 · 20395 = 25892           г = 27989 + 0,1 · 23873 = 30376           г = 32193 + 0,1 · 27359 = 34929           г = 36452 + 0,1 · 30883 = 39540                     

При α″Iкп = 1,15 и υ = 500 ÷ 1100 °С

г = 8375 + 0,15 · 7291 = 9469г = 12020 + 0,15 · 10441 = 13586г = 15872+ 0,15 · 13658 = 17921г = 19820 + 0,15 · 17002 = 22370

При α″IIкп = 1,25 и υ = 300 ÷ 700 °С

г = 4885 + 0,25 · 4292 = 5958   г = 8375 + 0,25 · 7291 = 10198    г = 12020 + 0,25 · 10441 = 14630

При α″вэ = 1,35 и υ = 100 ÷ 300 °С

г = 1592 + 0,35 · 1412 = 2086г = 4885 + 0,35 · 4292 = 6387

Рассчитанные значения энтальпий сведем в таблицу 4.

Таблица 4. Энтальпии продуктов сгорания

. Тепловой баланс котла и расчет расхода топлива

Располагаемое тепло на 1 кг топлива:

рр = Qнр + h тл ;  

где:Qнр  - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива,нр = ;в.вн - тепло, внесенное поступающим в теплогенератор воздухом, при подогреве последнего вне агрегата, считаем Qв.вн = 0;

h тл  - физическое тепло топлива, для мазута h тл = Стл×tтл.тл - температура топлива, равняется 120 0С

Стл=1,74+0,0025 tтл=1,74+0,0025х120=2,04Тл=2,04х120=244,8 кДж/кг 

Следовательно, Qрр = 40277+244,8 =40521,8

Потери тепла от химической и механической неполноты сгорания топлива составляют соответственно:  = 0,5 % , = 0(МУ,стр.11) 

Потери тепла с уходящими газами:

q4),  %

где: Iух  - энтальпия уходящих газов; принимаем при соответствующем избытке воздуха α ух = α"вэ = 1,35 и температуре уходящих газов υ ух = 195 °С (МУ табл.13) по Iυ - диаграмме Iух = 4300;˚хв - энтальпия теоретически необходимого количества холодного воздуха,

˚хв = Vº · С хвt  при t = 30°С (МУ стр.11) С хв = 39,8 кДж/кг , тогда˚хв = 10,6 · 30 · 1,53 = 421 кДж/кг;= = 9 %

Потери тепла от наружного охлаждения:= 2,58 % (МУ, табл.12)

Коэффициент полезного действия котлоагрегата (брутто) определяется:

 = 100 - (q2 + q3 + q4 + q5 ) = 100 - (9 + 0,5 + 0 + 2,58) = 87,92 %

Коэффициент сохранения тепла:

 = = 1- 2,58 / (2,58 + 87,92) = 0,971

Тепло, полезно отданное в паровом котле:

ка = Dнп (iнп - i пв) + Dпр (iкв - i пв)

где: Dнп - количество выработанного насыщенного пара, нп = 6500 кг/ч = 1,806 кг/с;пр - расход воды на продувку котла,

, пр =   = 0,054 кг/с;

где p - процент продувки, принимаем p = 3 % (МУ стр.15)нп  - энтальпия насыщенного пара, определяется по таблицам по давлению в барабане котла, iнп = 2788 кДж/кг;пв  - энтальпия питательной воды,пв = С в · t пв , кДж/кг,

где: С в - теплоемкость воды,

   С в = 4,19 кДж/(кг ·°С)

   t пв - температура питательной воды,

   принимаем t пв = 100 °Спв = 4,19 · 100 = 419 кДж/кг;кв  - энтальпия кипящей воды в барабане котла, определяется по таблицам по давлению в барабане, iкв = 830 кДж/кг;

ка = 1,806 · (2788 - 419) + 0,054 · (830 - 419) = 4300 кВт

Расход топлива, подаваемого в топку:

В =   =   = 0,122 кг/c = 440,5 кг/ч;

Расчетный расход топлива при сжигании природного газа (q4 = 0) равен:

Вр = В = 440,5 кг/ч

. Тепловой расчет топки

Полезное тепловыделение в топке:

 =  , кДж/кг

где: Qв - тепло, вносимое в топку с воздухом,

   Qв = αт · I˚хв = 1,1 · 421 = 463,1 кДж/кг ;

 =  = 39737 кДж/кг ;

По найденному значению  по I υ - диаграмме определим адиабатическую температуру горения (при  αт = 1,1)

= 1910°С;

Та = ta + 273 = 1910 + 273 = 2183 К

Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания 1 м3 газообразного топлива:

=  ; 

где:  - предварительно принятая температура газов на выходе из топки, для природного газа принимаем  = 1200°С;

 - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, соответствующая температуре  по I υ - диаграмме принимаем  = 23700 кДж/м3;

=  = 19,8 ;

Поверхность стен топочной камеры равна: Fст = 40 м2

Параметр М при сжигании мазута определяется: М = 0,54 - 0,2Хт

где: Хт - отношение высоты расположения осей горелок hг (от пода топки) к общей высоте топки Нт ( от пода топки до середины выходного окна из топки), принимаем Хт = 1,0, тогда

М = 0,54 - 0,2 · 1,0 = 0,34

Средний коэффициент тепловой эффективности экранов:

Ψср = Х · ζ

где: Х - угловой коэффициент, Х = 1 (1, рис.3.3)

   ζ - коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия вследствии загрязнения или закрытия изоляцией поверхности, ζ = 0,55 (1, табл. 14)

Ψi = 1 · 0,55 = 0,55

Ψср==(0,55х16,8+0,55х3,2+0,55х6,72+0,55х6,72)/40=0,46

Степень черноты камерной топки при сжигании природного газа:

ат =  ;

где: аф - эффективная степень черноты факела, для газообразного топлива

   аф = m · асв + (1 - m) · аг

где: m - коэффициент, характеризующий долю топочного объёма, заполненного светящейся частью факела, m = 0,1 (1, стр.19)

   асв, аг - степень черноты светящейся части факела и несветящихся трехатомных газов, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами,

асв = 1- ;

аг = 1- ;

где: kг , kс - коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами,

   кр rп = ,  ;

где: Рп - парциальное давление трехатомных газов,

   Рп = Р · rп

где: Р - давление в топочной камере котлоагрегата, принимаем Р = 0,1 МПа( МУ стр. 19)п - суммарная объёмная доля трехатомных газов, rп = 0,248 (табл. 3)

    Рп = 0,1 · 0,248 = 0,0248 МПа

    rH2O - объёмная доля водяных паров, rH2O = 0,122 (табл. 3)

     - абсолютная температура на выходе из топочной камеры,

      =  + 273 = 1200 + 273 = 1473 К

    S - эффективная толщина излучающего слоя,

    S = , м

где: Vт и Fт объём и поверхность стен топочной камерыт = 11,8 м3 ( МУ, табл.6) , Fт = 40 м2 ( 3, табл. 2.7)

кр rп =  = 0,203 ;

с - коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами

с =  , ;с = 0,03 · (2 - 1,1) · (1,6 ·  - 0,5) · 84,65/11,7 = 0,363 , тогда

асв = 1 -  = 0,451 ;

аг = 1 -  = 0,19 ;

аф = 0,55 · 0,451 + (1 - 0,55) · 0,19 = 0,36 ;

ат =  = 0,55 ;

Температура газов на выходе из топки:

   υт″ =  =

  =  = 1140 °С ;

Так как расхождение между полученной расчетным путем температурой (υт″ = 1140°С) и ранее принятым значением ( = 1200°С) на выходе из топки не превышает ± 5%, то тепловой расчет топки считается законченным.

. Расчет конвективных поверхностей нагрева

Первый конвективный пучок.

Площадь поверхности нагрева I конвективного пучка равна:

Н = 39,5 м2  (3, табл.2.7)

Относительный поперечный и продольный шаг труб:

σ1 =  =  = 2,16

σ2 =  =  = 1,76

где: S1 и S2  - поперечный и продольный шаг труб= 110мм и S2 = 90мм, (МУ, табл.6)- диаметр труб, d = 51мм, (МУ, табл.6)

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания := 0,348 м2  (3, табл.2.7)

Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после I конвективного пучка:

υ1″ = 500°С

υ2″ = 600°С

Далее весь расчет ведется для двух предварительно принятых температур.

Расчет представлен в виде таблицы 5.

Таблица 5. Тепловой расчет первого конвективного пучка.

Продолжение таблицы 5

Действительная температура продуктов сгорания после конвективной поверхности нагрева I КП рассчитывается по интерполяционной формуле:

Ікп =  +  = 600 +  = 554 °С

Второй конвективный пучок.

Площадь поверхности нагрева II конвективного пучка равна:

Н = 27,5 м2  (3, табл.2.7)

Весь расчет аналогичен п. 4.1

Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после II конвективного пучка:

υ2″ = 400°С

Далее весь расчет ведется для двух предварительно принятых температур. Расчет представлен в виде таблицы 6.

Таблица 6. Тепловой расчет второго конвективного пучка.

Действительная температура продуктов сгорания после конвективной поверхности нагрева II КП рассчитывается по интерполяционной формуле:

ІІкп =  +  = 400  +  =

= 323 °С

5. Расчет водяного экономайзера

По уравнению теплового баланса определяем количество теплоты, которое должны отдать продукты сгорания:

эк = ;

где:  - энтальпия продуктов сгорания на входе в водяной экономайзер, определяется по температуре продуктов сгорания:

υвэ′ = υ″ΙΙкп = 323°С, 

принимаем  = 7250   (по I υ - диаграмме)

 - энтальпия продуктов сгорания (уходящих газов) на выходе из водяного экономайзера, определяется по температуре υвэ″ = υ ух = 195 °С ,

принимаем  = 4300   (по I υ - диаграмме), тогда

эк = 0,971 · (7250 - 4300 + 0,1 · 421) = 2905 ;

Энтальпия воды на выходе из экономайзера:

i″эк =  + i′эк , ;

где: i′эк - энтальпия воды на входе в экономайзер,

     i′эк = Св · t′эк ,

где: Св - теплоемкость воды, Св = 4,19 ;′эк - температура воды на входе в экономайзер, t′эк = tпв = 100°С, тогда

   i′эк = 4,19 · 100 = 419

    i ″эк =  + 419 = 609,5;

Температура воды на выходе из экономайзера:

″эк = i ″эк / Св = 609,5 / 4,19 = 145,5°С;

Средняя разность температур:

∆ tср =  -  =  -  = 136°С;

Принимаем к установке экономайзер ВТИ 1500 с площадью живого сечения для прохода продуктов сгорания Fтр = 0,088 м2  и числом труб в горизонтальном ряду Z1 = 5 шт.

Общая площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания:

эк = Z1 · Fтр = 5 · 0,088 = 0,44  ;

Среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере:

υвэ =  =  = 259 °С ;

Действительная скорость продуктов сгорания в экономайзере:

ωср =  =  = 8 м/с

Так как действительная скорость продуктов сгорания в экономайзере находится в интервале от 6 до 9 м/с, то количество труб в горизонтальном ряду Z1=5 выбрано верно.

К = Кн · Сυ ,  

где:  Кн = 20,9 ,  (по номограмме)

Сυ = 0,99 (по номограмме)

К = 20,9 · 0,99 = 20,7  ;

Площадь поверхности нагрева водяного экономайзера:

Нэк =  =  = 126 м2

Общее число труб и число рядов экономайзера:

=  , шт.

где: Нтр - площадь поверхности нагрева одной трубы, Нтр = 2,95 (2, табл.8-5)

    n =  = 43, шт.

число рядов:  m =  =  ≈ 9

котельный энтальпия топливо экономайзер

Литература

1. Методические указания к курсовому проекту «Теплогенерирующие установки», Минск, БГПА 2001г.

. Эстеркин Р.И. «Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование» М., «Энергоатомиздат», 1989г.

. Родатис К.Ф. «Справочник по котельным установкам малой производительности» М., «Энергоатомиздат», 1989г.

. «Тепловой расчёт котельных агрегатов. Нормативный метод» Л., «Энергия», 1977г

. «Аэродинамический расчёт котельных установок. Нормативный метод» Л., «Энергия», 1977г.