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

1. Расчёт объёмов и энтальпий продуктов сгорания

2. Тепловой баланс котла и расчёт расхода топлива

3. Расчёт теплообмена в топке

4. Тепловой расчёт конвективного пучка

5. 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 °C 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):

V? = 10,6; V? Н2О = 1,51; Vог = 11,48; VRO2 = 1,58; V? N2 = 8,4;

Определение теоретических объёмов воздуха, трёхатомных газов, водяных паров и азота Коэффициент избытка воздуха в топке для данного топлива принимаем равным?? т = 1,1 (МУ, стр.6) Значения? в последующих газоходах определяются следующим образом:

??Iкп = ??т +? ? Iкп = 1,1 + 0,05 = 1,15

??IIкп = ??Iкп +? ? IIкп = 1,15 + 0,1 = 1,25

??вэ = ??IIкп +? ? вэ = 1,15 + 0,1 = 1,35

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

Объём водяных паров:

VH2O = V? Н2О + 0,0161 · (?cр-1) · V?

VH2O = 1,51 + 0,0161 · (1,1−1) · 10,6 = 1,53

VH2O = 1,51 + 0,0161 · (1,125−1) · 10,6 = 1,53

VH2O = 1,51 + 0,0161 · (1,2 — 1) · 10,6 = 1,54

VH2O = 1,51 + 0,0161 · (1,3 — 1) · 10,6 = 1,56

Объём дымовых газов:

VГ = VR2O + VoN2 + VH2O + (?cр-1) · V?

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

Объёмные доли сухих трехатомных газов:

rRO2 = VR2O/VГ

rRO2= 1,58 / 12,57 = 0,126

rRO2= 1,58 / 12,84 = 0,123

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

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

Объёмные доли водяных паров:

rH2O = VH2O /VГ

rH2O=1,53 / 12,57 = 0,122

rH2O=1,53 / 12,84 = 0,119

rH2O=1,54 / 13,7 = 0,112

rH2O=1,56 / 14,7 = 0,106

Суммарные объемные доли:

rп =rR2O+rH2O

rп = 0,126 + 0,122 = 0,248

rп = 0,123 + 0,119 = 0,242

rп = 0,115 + 0,112 = 0,227

rп = 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:

Iг = Ioг + (?-1) Iов, кДж/ кг

где: Ioг — энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха? = 1 и температуре газов ?, °С, кДж/ кг ;

Iов — энтальпия теоретически необходимого воздуха при нормальных условиях, кДж/ кг ;

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

При ??т = 1,1 и? = 900? 1900 °С

Iг = 15 872 + 0,1 · 13 658 = 17 238

Iг = 19 820 + 0,1 · 17 002 = 21 520

Iг = 23 852 + 0,1 · 20 395 = 25 892

Iг = 27 989 + 0,1 · 23 873 = 30 376

Iг = 32 193 + 0,1 · 27 359 = 34 929

Iг = 36 452 + 0,1 · 30 883 = 39 540

При ??Iкп = 1,15 и? = 500? 1100 °С

Iг = 8375 + 0,15 · 7291 = 9469

Iг = 12 020 + 0,15 · 10 441 = 13 586

Iг = 15 872+ 0,15 · 13 658 = 17 921

Iг = 19 820 + 0,15 · 17 002 = 22 370

При ??IIкп = 1,25 и? = 300? 700 °С

Iг = 4885 + 0,25 · 4292 = 5958

Iг = 8375 + 0,25 · 7291 = 10 198

Iг = 12 020 + 0,25 · 10 441 = 14 630

При ??вэ = 1,35 и? = 100? 300 °С

Iг = 1592 + 0,35 · 1412 = 2086

Iг = 4885 + 0,35 · 4292 = 6387

Рассчитанные значения энтальпий сведем в таблицу 4.

Таблица 4. Энтальпии продуктов сгорания

2. Тепловой баланс котла и расчет расхода топлива Располагаемое тепло на 1 кг топлива:

Qрр = Qнр + h тл ;

где:Qнр — низшая теплота сгорания рабочей массы топлива,

Qнр = ;

Qв.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.

tтл — температура топлива, равняется 120 0С Стл — теплоемкость мазута Стл=1,74+0,0025 tтл=1,74+0,0025×120=2,04

h Тл=2,04×120=244,8 кДж/кг

Следовательно, Qрр = 40 277+244,8 =40 521,8

Потери тепла от химической и механической неполноты сгорания топлива составляют соответственно:

q3 = 0,5% ,

q4 = 0(МУ, стр.11)

Потери тепла с уходящими газами:

q4), %

где: Iух — энтальпия уходящих газов; принимаем при соответствующем избытке воздуха? ух = ?" вэ = 1,35 и температуре уходящих газов? ух = 195 °C (МУ табл.13) по I? — диаграмме Iух = 4300;

I?хв — энтальпия теоретически необходимого количества холодного воздуха,

I?хв = V? · С хвt при t = 30 °C (МУ стр.11) С хв = 39,8 кДж/кг, тогда

I?хв = 10,6 · 30? 1,53 = 421 кДж/кг;

q2 = = 9%

Потери тепла от наружного охлаждения:

q5 = 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:

Qка = Dнп (iнп — i пв) + Dпр (iкв — i пв) где: Dнп — количество выработанного насыщенного пара,

Dнп = 6500 кг/ч = 1,806 кг/с;

Dпр — расход воды на продувку котла,

Dпр = = 0,054 кг/с;

где p — процент продувки, принимаем p = 3% (МУ стр.15)

iнп — энтальпия насыщенного пара, определяется по таблицам по давлению в барабане котла, iнп = 2788 кДж/кг;

iпв — энтальпия питательной воды,

iпв = 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 °С

iпв = 4,19 · 100 = 419 кДж/кг;

iкв — энтальпия кипящей воды в барабане котла, определяется по таблицам по давлению в барабане, iкв = 830 кДж/кг;

Qка = 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

3. Тепловой расчет топки Полезное тепловыделение в топке:

=, кДж/кг

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

Qв = ?т · I? хв = 1,1 · 421 = 463,1 кДж/кг ;

= = 39 737 кДж/кг ;

По найденному значению по I? — диаграмме определим адиабатическую температуру горения (при ?т = 1,1)

ta = 1910 °C;

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 °C;

— энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, соответствующая температуре по I? — диаграмме принимаем = 23 700 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:

?ср = Х · ?

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

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

?i = 1 · 0,55 = 0,55

?ср==(0,55×16,8+0,55×3,2+0,55×6,72+0,55×6,72)/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)

rп — 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 камеры

Vт = 11,8 м³ (МУ, табл.6), Fт = 40 м² (3, табл. 2.7)

S = = 1,062 м, тогда

кр rп = = 0,203 ;

kс — коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами

kс =, ;

kс = 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:

?т? = =

= = 1140 °C ;

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

4. 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:

?1 = = = 2,16

?2 = = = 1,76

где: S1 и S2 — поперечный и продольный шаг труб

S1 = 110 мм и S2 = 90 мм, (МУ, табл.6)

d — диаметр труб, d = 51 мм, (МУ, табл.6)

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания :

F = 0,348 м² (3, табл.2.7)

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

?1? = 500°С

?2? = 600 °C 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 °C 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:

?1? = 300°С

?2? = 400 °C 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:

Qэк = ;

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

?вэ? = ???кп = 323 °C,

принимаем = 7250 (по I? — диаграмме)

— энтальпия продуктов сгорания (уходящих газов) на выходе из водяного экономайзера, определяется по температуре? вэ? =? ух = 195 °C ,

принимаем = 4300 (по I? — диаграмме), тогда

Qэк = 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 ;

t?эк — температура воды на входе в экономайзер, t? эк = tпв = 100 °C, тогда

i?эк = 4,19 · 100 = 419

i ?эк = + 419 = 609,5;

Температура воды на выходе из экономайзера:

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

Средняя разность температур:

? tср = - = - = 136 °C;

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:

Fэк = Z1 · Fтр = 5 · 0,088 = 0,44 ;

Среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере:

?вэ = = = 259 °C ;

Действительная скорость продуктов сгорания в экономайзере:

?ср = = = 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.

Коэффициент теплопередачи определяется:

К = Кн · С? ,

где: Кн = 20,9, (по номограмме) С? = 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:

n =, 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

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

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

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

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

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