Расчет тепловой схемы котельной для максимально-зимнего режима

Исходные данные

Котельная предназначена для отпуска пара технологическим потребителям и горячей воды для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Система горячего водоснабжения открытая.

Пар, вырабатываемый в паровых котлах, расходуется на технологические нужды производственных потребителей, на подогрев сетевой воды и на собственные нужды котельной.

Параметры отпуска тепловой энергии в виде пара:

на производственного потребителя перегретого пара: отпуск тепловой энергии в виде пара - 25 ГДж/ч; давление - 4,0 МПа; температура - 440 °С; коэффициент возврата конденсата - 0,8; температура возвращаемого конденсата - 40 °С;

на производственного потребителя редуцированного пара: отпуск тепловой энергии в виде пара - 30 ГДж/ч; давление - 1,4 МПа; температура - 195 °С; коэффициент возврата конденсата - 0,7; температура возвращаемого конденсата - 35 °С.

Параметры отпуска тепловой энергии в виде горячей воды:

тепловая нагрузка отопления и вентиляции - 100 ГДж/ч, горячего водоснабжения - 30 ГДж/ч; температурный график тепловой сети 150/70 °С (см. рис.); параметры редуцированного пара, подаваемого на сетевые подогреватели: давление 0,6 МПа; температура - 172,8 °С.

Деаэрация питательной и подпиточной воды осуществляется раздельно в атмосферных деаэраторах (давление в деаэраторах – 0,12 МПа).

Температура сырой воды в зимний (отопительный) период - 5 °C, в летний период - 15 °С.

Температура воды перед водоподготовительной установкой - 25 °С.

Температура питательной воды - 145 °С.

Температура подпиточной воды - 70 °С.

Непрерывная продувка паровых котлов - 2,5 %.

Расчетная температура отопления - минус 37 °С (г. Омск) [79].

Топливо, используемое на котельной - мазут.

Расчет тепловой схемы выполнен для пяти расчетных режимов.

 

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема промышленно-отопительной котельной с паровыми котлами

Расчет тепловой схемы котельной для максимально-зимнего режима

1. Расчет отпуска пара от котлоагрегатов внешним потребителям тепла (I этап).

Расход пара на производственного потребителя, т/ч, может быть определен из уравнения, используемого для расчета расхода тепловой энергий, отпускаемой в виде пара производственным потребителям:

 

	;
	,

 

где - расход тепловой энергии, отпускаемой на производство, ГДж/ч;

- расход пара на производственного потребителя, т/ч;

- энтальпия пара, отпускаемого производственному потребителю, кДж/кг;

- коэффициент возврата конденсата от производственного потребителя;

- температура конденсата, возвращаемого от производственного потребителя, °С;

- температура сырой воды, кДж/кг;

- теплоемкость воды, кДж/(кг·°С), в общем случае значение принимается равным 4,19 кДж/(кг·°С).

Расход пара также может быть с достаточной точностью определен с использованием «обобщенной» формулы, т/ч,

 

,

 

где 640 ­­- среднее теплосодержание 1 кг пара, ккал/кг, 2681,6 - то же, кДж/кг.

Для рассчитываемой схемы расход пара на производственного потребителя, т/ч:

с параметрами 4,0 МПа, 440 °С -

 

;

 

с параметрами 1,4 МПа, 195 °С -

 

.

 

Расход пара на сетевые подогреватели (рис. 2), т/ч, определяется исходя из уравнения теплового баланса подогревателей:

 

	;
	,

 

где - нагрузка сетевых подогревателей, ГДж/ч;

- энтальпия редуцированного греющего пара, кДж/кг, энтальпия пара после редукционной установки равна энтальпии пара на входе в нее и в данном случае равна энтальпии пара с параметрами 1,4 МПа, 195°С - 2788,4 кДж/кг;

- температура охлажденного конденсата после сетевых подогревателей, °С; разница между значением температуры охлажденного конденсата на выходе из сетевого подогревателя и температуры сетевой воды на входе в него должна быть не менее 10 °С, следовательно, значение принимается равным 80 °С [];

- расход сетевой воды в прямой (подающей) линии, т/ч;

, - температура воды в подающей линии тепловой сети и температура воды в обратной линии после отопительной системы (точки смешения сетевой и подпиточной воды) при расчетной температуре наружного воздуха, °С, для максимально-зимнего режима °С, °С.

Добавить расчет для прочих режимов (?)

 

Рис. 2. Сетевые подогреватели:

I - пароводяная ступень; II - водо-водяная ступень

 

Для открытой системы теплоснабжения расход воды в прямой линии тепловой сети, т/ч, определяется из выражения

 

;

 

в обратной линии (на входе в котельную), т/ч, без учета потерь в тепловой сети -

 

,

 

где - расчетный расход сетевой воды на отопление и вентиляцию, т/ч, определяется по формуле ();

и - расчетный расход сетевой воды на ГВС из прямой и обратной линии, т/ч (рис. 3).

 

,

 

где - расчетный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию, кДж/ч.

 

 

Рис. 3. Схема присоединения установок горячего

водоснабжения при открытой системе теплоснабжения

 

Расчетный расход сетевой воды из прямой линии на ГВС, т/ч, определяется по формуле:

 

,

 

из обратной -

 

,

 

где b - доля водоразбора из подающей линии сети, значение находится по формуле ();

- температура воды, поступающей в систему ГВС, и холодной водопроводной воды, °С.

 

,

 

где , - температура воды в подающей линии тепловой сети и в обратной линии отопительной системы, в точке излома графика, °С; по графику, приведенному на рис. 2.10, определяется значение °С, °С.

Для максимально-зимнего режима () значение b принимается равным нулю, т. е. водоразбор на нужды ГВС ведется только из обратной линии после систем отопления.

Тогда

	;
	;
	;
	;
	;
	;
	.

 

На нужды внешних потребителей отпускается как свежий, так и редуцированный пар, расход которого от котлов определяется с учетом особенностей работы редукционной и редукционно-охладительной установок (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Схема отпуска свежего и редуцированного пара

от котельной на внешних потребителей

 

Расход пара на входе в редукционную установку (РУ) (рис. 5, а) равен расходу пара на выходе из нее, т/ч,

 

.

 

Давление пара при прохождении через РУ понижается, но при этом энтальпия пара на выходе из РУ равна энтальпии пара на входе в нее.

 

Рис. 5. Установки:

а - редукционная; б - редукционно-охладительная

 

Тогда суммарный расход известных потоков редуцированного пара давлением 0,6 МПа, т/ч, проходящего через РУ-1,4/0,6, равен

 

	;
	.

 

Суммарный расход известных потоков редуцированного пара давлением 1,4 МПа, т/ч, равен

 

	;
	.

 

Суммарный расход известных потоков свежего пара давлением 4,0 МПа, т/ч, определяется с учетом того, что часть пара проходит через редукционно-охладительную установку (РОУ).

Расход «острого» (первичного) пара на входе в РОУ, т/ч, определяется из совместного решения уравнений материального и теплового балансов РОУ (рис. 5, б):

 

	;	(6.1)
	;
	,

 

где - расход вторичного пара на выходе из РОУ, т/ч;

- расход первичного пара на входе в РОУ, т/ч;

- расход охлаждающей воды на РОУ, т/ч;

, ­- энтальпия первичного и вторичного пара, кДж/кг;

- энтальпия охлаждающей воды, кДж/кг.

Тогда расход свежего пара, с учетом того, что часть пара проходит через РОУ-4,0/1,4, составит:

 

,

 

где - энтальпия первичного пара, кДж/кг, при давлении 4,0 МПа и температуре 440 °С равна 3307,7 кДж/кг;

­- энтальпия вторичного пара, кДж/кг, при давлении 1,4 МПа и температуре 195 °С равна 2927,28 кДж/кг;

- энтальпия охлаждающей воды, кДж/кг, при давлении 0,12 МПа равна 439,36 кДж/кг.

 

.

 

Суммарный расход пара на внешних потребителей, т/ч,

 

	;
	.

 

2. Расчет суммарного отпуска пара на внешних потребителей и на собственные нужды котельной (II этап).

Расход пара на мазутное хозяйство, т/ч, принимается в размере 4 % внешнего потребления пара (2 % - на распыление мазута в паровых форсунках и 2 % - на разогрев мазута):

 

	;
	.

 

Расход пара на собственные нужды котельной, т/ч, принимается в размере 1 % внешнего потребления пара (на обдувку поверхностей нагрева):

 

	;
	.

 

Расход пара на подогрев сырой, химочищенной и деаэрированной воды и на деаэраторы питательной и подпиточной воды, т/ч, предварительно принимается в размере 58 % внешнего потребления пара, эта величина при необходимости уточняется в ходе расчета:

 

	;
	.

 

Расчетная производительность котлов определяется с запасом в 3 %. Следовательно, предварительно определяемое суммарное количество пара, которое должны выработать котельные агрегаты, т/ч, составит:

 

	;	(6.2)
	.

 

3. Расчет действительной паропроизводительности котельной установки (III этап).

Количество продувочной воды, поступающей от котлов в расширитель непрерывной продувки (РНП), т/ч, определяется по формуле:

 

;

(6.3)

 

и при заданной величине продувки = 2,5 % составит:

 

.

 

Количество пара, т/ч, получаемое из РНП (рис. 6), находится из совместного решения уравнений теплового и материального балансов РНП:

 

Рис. 6. Расширитель непрерывной продувки

 

	;
	,	(6.4)
	,

 

где - энтальпия продувочной воды, равная энтальпии котловой воды при давлении в барабане котла, кДж/кг, при давлении 4,0 МПа равна 1087,5 кДж/кг;

х – степень сухости пара выходящего из расширителя, значение принимается равным 0,98;

- энтальпия отсепарированного пара при давлении в расширителе, кДж/кг, при давлении 0,12 МПа равна 2683,8 кДж/кг;

- расход отсепарированной воды на выходе из расширителя, т/ч;

- энтальпия отсепарированной воды при давлении в расширителе, кДж/кг, при давлении 0,12 МПа равна 439,36 кДж/кг;

 

.

 

Из уравнения материального баланса РНП (6.4) находится количество воды на выходе из расширителя, т/ч,

 

.

 

Расход охлаждающей воды на РОУ, т/ч, (см. рис. 5, б) определяется из уравнения материального баланса РОУ (6.1):

 

	;
	.

 

Потеря конденсата, т/ч, для данной тепловой схемы определяется частичным невозвратом производственного конденсата и с учетом 3 % потерь внутри котельной и невозврата конденсата после мазутного хозяйства находится по формуле:

 

	;
	.

 

Расход химочищенной воды, т/ч, для данной схемы равен сумме расхода воды на восполнение потерь конденсата и продувочной воды, сбрасываемой в дренаж, и расхода воды на подпитку тепловой сети, складывающегося из расхода воды на ГВС и на восполнение потерь сетевой воды (принимаются равными 2 % расхода воды в сети):

 

	;
	;
	.

 

Расход воды на собственные нужды химводоочистки может составлять до 25 - 30 % количества химочищенной воды. Принимая расход воды на собственные нужды ВПУ равным 25 % расхода химочищенной, получим расход сырой воды на входе в котельную, т/ч,

 

	;	(6.5)
	.

 

Температура сырой воды после теплообменника, утилизирующего теплоту продувочной воды после расширителя, определяется из уравнения теплового баланса охладителя продувочной воды (рис. 7, а):

 

	;
	,

 

где - температура воды, сбрасываемой в дренажный колодец или канализацию, кДж/кг, ее нормируемое значение равно 50°С [].

 

Рис. 7. Теплообменники для подогрева сырой воды:

а - охладитель продувочной воды; б - подогреватель сырой воды

 

При температуре сырой воды на входе в котельную равной 5 °С (в отоптильный период) температура сырой воды на выходе из охладителя составит, °С:

 

.

 

Расчет подогревателя сырой воды (рис. 7, б) ведется аналогичным образом. Расход пара на подогреватель, т/ч, находится из уравнения теплового баланса:

 

	;
	,

 

где - энтальпия редуцированного греющего пара, кДж/кг; энтальпия пара после редукционной установки равна энтальпии пара на входе в нее и в данном случае равна энтальпии пара с параметрами 1,4 МПа, 195 °С - 2788,4 кДж/кг;

- энтальпия конденсата греющего пара, кДж/кг, при давлении 0,6 МПа равная 670,4 кДж/кг;

- температура сырой воды перед химводоочисткой, °С, равная 25 °С (по заданию);

 

.

 

Температура воды после ВПУ, °С,

 

,

(6.6)

 

где - снижение температуры воды в процессе ее обработки, обычно равное 2 - 3 °C;

 

.

 

После ВПУ часть химочищенной воды направляется на деаэратор подпитки предварительно подогреваясь в охладителе подпиточной воды и подогревателе химочищенной воды до температуры 90 - 95 °С (значение задается из условий оптимальной работы деаэратора []). Схема подготовки подпиточной воды представлен на рис. 8. Для каждого из элементов составляются уравнения теплового (для подогревателей), а также материального (для деаэратора) балансов.

Уравнение теплового баланса охладителя подпиточной воды

 

.

 

Уравнение теплового баланса подогревателя химочищенной воды, подаваемой на подпиточный деаэратор

 

.

 

Рис. 8. Схема подготовки подпиточной воды:

1 - деаэратор подпиточной воды; 2 - охладитель подпиточной воды;

3 - подогреватель химочищенной воды подпиточного деаэратора

 

Уравнения материального и теплового баланса подпиточного деаэратора (без учета выпара):

 

	;
	.

 

Из выражений () и () может быть найден расход химочищенной воды, отводимой от ВПУ на подпиточной деаэратор, и расход греющего пара на подпиточный деаэратор

 

	;
	;
	;
	.

 

Далее рассчитывается значение температуры химочищенной воды, °С, после охладителя подпиточной воды

 

	;
	.

 

и расход греющего пара, т/ч, на подогреватель подпиточной воды

 

	;
	.

 

Расход химочищенной воды на питательный деаэратор, т/ч, определяется как

 

	;
	.

 

Из уравнения теплового баланса находится расход греющего пара, т/ч, на подогреватель химочищенной воды, подаваемой на питатльный деаэратор (рис. 9, а).

 

	;
	;
	.

 

Расход питательной воды из деаэратора на подогреватель, т/ч, может быть определен через предварительно найденное значение производительности паровых котлов (уточнить значение после расчета питательного деаэратора)

 

	;
	.

 

 

Рис. 9. Подогреватели:

а - химочищенной воды питательного деаэратора; б - питательной воды

 

Расход пара на подогреватель питательной воды, т/ч, находится из уравнения материального баланса подогревателя (рис. 9, б):

 

	;
	.

 

Расчет тепловой схемы котельной с паровыми котлами завершают, составляя материальный и тепловой балансы деаэратора питательной воды (рис. 10):

 

	;	(6.7)
	,	(6.8)

 

где - расход греющего пара на деаэратор питательной воды, т/ч;

- суммарное количество воды и пара, поступающее в деаэратор питательной воды, за вычетом греющего пара, т/ч,

 

;

 

- пар, удаляемый из деаэратора вместе с газами - выпар; это количество пара составляет от 2 до 5 кг на каждую 1 т деаэрированной воды; теплота, содержащаяся в выпаре, используется обычно для подогрева химически очищенной воды, направляемой в деаэратор; подогрев химически очищенной воды в охладителе выпара из деаэратора, как правило, незначителен и не учитывается, что практически не сказывается на точности расчета схемы;

Рис. 10. Деаэратор питательной воды

 

- расход воды на выходе из деаэратора, т/ч,

 

;

(6.9)

 

- средняя энтальпия потоков, поступающих в деаэратор, за исключением греющего пара, кДж/кг, определяемая из выражения:

 

;

 

- энтальпия пара выпара при давлении в атмосферном деаэраторе, кДж/кг.

Значение находится следующим образом.

1. Рассчитывается суммарное количество воды и пара, поступающее в деаэратор питательной воды, за вычетом греющего пара, т/ч,

 

.

 

2. Определяется средняя энтальпия этих потоков, кДж/кг,

 

.

 

В том случае, если значение средней энтальпии потоков, поступающих в деаэратор, , оказывается выше величины 439,36 кДж/кг (т. е. значения энтальпии при давлении в деаэраторе 0,12 МПа), необходимо внести изменения в задаваемые температуры потоков внутри схемы, поступающих в деаэратор (например, понизить температуру химочищенной воды на входе в деаэратор).

3. Рассчитывается расход пара на деаэратор питательной воды, т/ч, на основании уравнений (6.7) и (6.8), при этом потеря тепла с выпаром входит в потери деаэратора в окружающую среду и учитывается коэффициентом :

 

	;
	.

 

Суммарный расход редуцированного пара внутри котельной на подогрев сырой, химочищенной и деаэрированной воды и на деаэраторы питательной и подпиточной воды составит, т/ч,

 

	;
	.

 

Фактическая паропроизводительность котельной с учетом собственных нужд и внутренних потерь составит, т/ч,

 

	;	(6.10)
	.

 

Расхождение с предварительно определенной величиной паропроизводительности котлов (см. формулу (6.2)) составит, %,

 

	;
	.

 

Расхождение не превышает 3 %. Следовательно, расчет можно считать законченным.

Для проверки правильности составления материальных балансов элементов тепловой схемы котельной после выполнения расчета рекомендуется рассчитать невязку материального баланса парового котла (рис. 11), т. е. сравнить величины - суммарный расход потоков, выходящих из котла, т/ч, рассчитываемых по формулам (6.10) и (6.3), и - расход питательной воды, поступающей из деаэратора, т/ч, определяемый из формулы (6.9).

Рис. 11. Паровой котел

 

	;
	;
	;
	.

 

Расхождение, %, между значениями расходов на входе и выходе из котла:

 

	;
	.

 

Значительное расхождение (выше 0,5 %) свидетельствует об ошибке в составлении балансов элементов тепловой схемы.

Результаты расчета тепловой схемы котельной для максимально-зимнего, наиболее холодного месяца, среднего отопительного сезона, в точке излома температурного графика и летнего режимов приведены в табл.