Методические указания по выполнению лабораторных работ
Общие положения
Цель лабораторных работ:
1) закрепление и углубление знаний, полученных на лекциях и самостоятельных занятиях;
2) познание сущности физических процессов работы теплоэнергетических установок (ТЭУ) на практике;
3) приобретение навыков лабораторного эксперимента и использования измерительной аппаратуры;
4) научиться делать выводы и обобщения, составлять отчеты о результатах работы.
Непосредственно перед началом выполнения каждой работы студенты обязаны пройти инструктаж по технике безопасности.
Перед выполнением лабораторной работы студент обязан знать соответствующий теоретический материал.
Перед выполнением лабораторной работы студент обязаны знать соответствующий теоретический материал.
Лабораторная работа выполняется составом бригады из четырех-пяти человек.
После выполнения работы студенты составляют отчет о проделанной работе и защищают ее у преподавателя (в этот же день).
Техника безопасности при выполнении работ
Включение лабораторных стендов допускается только с разрешения преподавателя.
Присутствие у лабораторного стенда разрешается только членам бригады, выполняющим данную лабораторную работу.
К выполнению лабораторной работы допускаются лица, отчетливо представляющие:
· устройство лабораторного стенда;
· возможные травмирующие факторы (производственные опасности);
· последствия от поражения электрическим током.
Категорически запрещается выполнять в лаборатории действия, могущие повлечь несчастный случай.
При поражении электрическим током необходимо:
· вызвать к пострадавшему «скорую помощь» и поставить в известность преподавателя;
· по возможности отключить электропитание установки;
· освободить пострадавшего от действия электрического тока (откинуть сухим нетокопроводящим предметом электрический провод, оттащить пострадавшего за сухую одежду от электрического провода);
· при необходимости сделать искусственное дыхание (непрямой массаж сердца плюс искусственное дыхание изо рта в рот).
О любой неисправности установки или прибора, а также при возникновении несчастного случая следует немедленно поставить в известность преподавателя.
По окончании работы необходимо:
· выключить установку;
· сдать преподавателю все используемые приборы;
· привести рабочее место в порядок.
Покидать лабораторию без разрешения преподавателя запрещается. Лица, виновные в нарушении техники безопасности, несут ответственность в установленном порядке.
Оформление отчета о лабораторной работе
отчет о лабораторной работе оформляется на стандартных листах бумаги формата А4 (или в тетрадях).
Отчет должен в краткой и четкой форме раскрывать суть работы, для чего используются эскизы, диаграммы, схемы, уравнения. Написанный отчет должен быть грамотным и оформленным в соответствии с установленными правилами.
в соответствии с ГОСТ 8.417-81 физические величины единиц измерения должны применяться в СИ как предпочтительные во всех областях науки, техники и образования.
Лабораторная работа №14
Котельная установка
Цель работы – изучить:
1) компоновку котельной установки;
2) пути движения в котельной установке топлива, воздуха, воды, перегретого пара, продуктов сгорания, золы и шлака;
3) назначение оборудования котельной установки;
4) циркуляцию воды в котле;
5) закрепить полученные знания на электрическом стенде.
Общие теоретические сведения
Котельная установка – совокупность устройств и механизмов превращения химической энергии топлива в тепловую энергию.
Котельная установка состоит из котельного агрегата (котла) и вспомогательных устройств.
Котельный агрегат (котел) – это теплообменный аппарат, в состав которого входят топка, каркас, обмуровка, обшивка, арматура и гарнитура котла. агрегат может включать в себя пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель.
К вспомогательным устройствам котельной установки относят:
· устройства подготовки и подачи топлива;
· устройства подготовки и подачи воды;
· устройства подготовки и подачи воздуха;
· устройства удаления и очистки дымовых газов;
· устройства удаления шлаков и золы.
По вырабатываемому теплоносителю котлы подразделяются на паровые и водогрейные.
В паровых котлах вырабатывается пар, в водогрейных – горячая вода заданных параметров.
Основные показатели паровых котлов:
1) номинальная производительность, т/ч (кг/с) – наибольшая паропроизводительность котла при сжигании основного вида топлива и при номинальных значениях температуры и давления пара;
2) номинальное давление пара, МПа – значение давления перед паропроводом при номинальной производительности котла;
3) номинальная температура пара, °С – значение температуры пара перед паропроводом при номинальной производительности котла;
В зависимости от номинального давления пара паровые котлы бывают:
· низкого давления – до 1 МПа;
· среднего давления – 1...10 МПа;
· высокого давления – 10…22,5 МПа;
· сверхкритического давления – выше 22,5 МПа.
Промышленностью выпускаются паровые котлы в широком диапазоне: от 0,56…265 кг/с и более. котельные агрегаты вырабатывают насыщенный либо перегретый пар с температурой 570 °С и более.
К основным показателям водогрейных котлов относятся:
1) тепловая мощность, МВт – количество теплоты, вырабатываемой котлом в единицу времени;
2) температура горячей и обратной воды, °С;
3) расчетное давление в котле, МПа (кПа).
Котлы, не имеющие топочного устройства и использующие теплоту
отходящих дымовых газов каких-либо производств, называются котлами утилизаторами.
В зависимости от назначения различают следующие типы котельных установок:
1) энергетические – установки, вырабатывающие пар для паровых двигателей или турбин электростанций;
2) производственно - отопительные – установки, вырабатывающие пар и горячую воду на технологические потребности производства, на нужды отопления и вентиляции;
3) отопительные – установки, вырабатывающие пар или горячую воду для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей.
Принципиальная технологическая схема котельной установки, работающей на пылевидном угольном топливе, с естественной циркуляцией приведена на рисунке 1. топливо с угольного склада после дробления подается конвейером в бункер сырого угля 1, из которого направляется в систему пылеприготовления, имеющую углеразмольную мельницу 2. Воздухом, нагнетаемым специальным вентилятором 3, пылевидное топливо транспортируется по трубам к горелкам 4 топки котла 5, находящегося в котельной 6. К горелкам подводится также дополнительный вторичный воздух, обеспечивающий полное сжигание топлива. Он подается дутьевым вентилятором 9 через воздухоподогреватель котла 18. Вода для питания котла нагнетается питательным насосом 8 из бака питательной воды 7, имеющего деаэрационное устройство.
I – водяной тракт; II – путь движения перегретого пара;
III – топливный тракт; IV – путь движения воздуха;
V –тракт продуктов сгорания; VI – путь золы и шлака
Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема
котельной установки
Уходящие из котла газы очищаются от золы в золоулавливающем устройстве 10 и дымососом 11 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 12. Уловленная из дымовых газов пылевидная зола и выпавший в нижнюю часть топки шлак удаляются, как правило, в потоке воды по каналам, а затем образующаяся пульпа откачивается специальными багерными насосами 13 и удаляется по трубопроводам. Однако в связи с тем, что зола может использоваться для нужд строительства, например, как инертная добавка в бетон (а для этой цели она должна выводиться из котельной в сухом виде), в последнее время интенсивно внедряется транспорт золы в сухом виде – обычно с помощью воздушного потока.
Основными частями котельного агрегата являются следующие:
1. испарительная часть (14) – это обогреваемые топочными газами трубчатые поверхности нагрева, в которых получается насыщенный пар, собираемый в барабане 15, где происходит отделение воды от пара. поверхности нагрева, расположенные в топке котла и воспринимающие тепло преимущественно теплоизлучением, называются радиационными поверхностями нагрева. Все остальные поверхности нагрева, в которых преобладает теплообмен соприкосновением горячих газов с поверхностями нагрева – это конвективные поверхности.
Система кипятильных труб на выходе газов из топки с большим шагом как по ширине, так и по глубине газохода называется фестоном. В современных котлах фестонирование осуществляется путем разводки труб заднего экрана. Наличие такого фестона предотвращает возможность ошлакования передних кипятильных труб.
2. топка (5) – это устройство для сжигания топлива, а также это и теплообменное устройство, в котором происходит выделение тепла при сжигании топлива и отдача тепла поверхностям нагрева (14), которые располагаются в топочном пространстве.
3. пароперегреватель (16) – это теплообменный аппарат, обогреваемый продуктами сгорания и предназначенный для повышения температуры насыщенного пара для превращения его в перегретый пар.
4. водяной экономайзер 17 – теплообменный аппарат, в котором происходит подогрев воды перед поступлением ее в котел за счет использования тепла продуктов сгорания, выходящих из пароперегревателя 16.
5. воздухоподогреватель (18) – это теплообменный аппарат, подогревающий воздух, необходимый для сжигания топлива за счет тепла продуктов сгорания.
Другие устройства, обеспечивающие нормальную работу котла, но не являющиеся его составными частями, относятся к вспомогательному оборудованию котельной установки.
Вспомогательные части котельной установки:
1. топливоподающее устройство 3 (топливоподача), предназначенное для подачи топлива с топливного склада в котельную.
2. топливный бункер 1 служит для образования некоторого запаса топлива в котельной.
3. дымосос 11 отсасывает дымовые газы из газоходов котлоагрегата.
4. дымовая труба 12 служит для выброса дымовых газов в атмосферу.
5. дутьевая установка 9 состоит из вентиляторов, которые нагнетают воздух по воздухопроводам в топку.
6. шлакоудаляющее устройство 13 служит для удаления шлаков из под топки.
7. золоулавливающее устройство 10, предназначенное для улавливания летучей золы из дымовых газов по выходе из котлоагрегата в целях снижения запыленности воздушного бассейна (атмосферы).
В зависимости от типа и размера котельной установки она может содержать те или иные элементы основного и вспомогательного оборудования.
Основные процессы, происходящие в котельном агрегате.
1. процесс горения топлива в топке котла в атмосферном воздухе, где происходит преобразование химической энергии топлива в физическое тепло продуктов сгорания.
Важнейшей характеристикой топлива является его теплота сгорания (теплотворная способность топлива) – количество тепла в кДж, которое выделяется из топлива при полном сгорании единицы топлива (кг или м3). Различают высшую 
и низшую 
теплоту сгорания, где буквы обозначают: «р» – рабочее топливо; «в» – высшая теплота сгорания; «н» – низшая теплота сгорания.
При низшей теплоте сгорания не учитывается та часть тепла, которая идет на испарение влаги из топлива и образующейся воды при сжигании топлива.
Для полного сгорания топлива действительно требуется большее количество воздуха, чем посчитанное теоретически, так как не всегда можно добиться равномерного и полного смешения воздуха с топливом. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха (a).
2. процесс теплообмена в топке котла и газоходах между продуктами сгорания и рабочим телом.
3. процесс парообразования, сопровождаемый процессом циркуляции воды и пароводяной смеси внутри котла. путь, по которому совершается движение воды, называется циркуляционнымконтуром.
Паровые котлы по принципу движения потоков теплоносителя (воды, пароводяной смеси, пара) разделяются на две группы:
1) барабанные котлы – котлы с естественной циркуляцией воды;
2) прямоточные котлы – безбарабанные котлы высокого давления, в которых разность плотностей ∆ρ незначительна и величина гравитационного давления ргр близка к нулю. Такие котлы работают на принудительной циркуляции воды.
Наибольшее распространение в настоящее время получили паровые котлы с естественной циркуляцией воды, в которых непрерывное движение воды вызывается обогревом испарительных поверхностей нагрева.
естественнаяциркуляция – движение теплоносителя по замкнутому контуру, состоящему из обогреваемых и необогреваемых труб и коллекторов.
Движение теплоносителя при естественной циркуляции возникает за счет естественного (гравитационного) давления ргр, па, которое возникает из-за разности плотностей в обогреваемой и необогреваемой части контура:
(1)
где h – высота подъемной трубы, м;
rо, rс – плотности теплоносителя соответственно в необогреваемой и обогреваемой части контура, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Кроме того, пузырьки пара всегда легче воды, поэтому они стремятся занять верхнее положение, поднимаются и увлекают за собой нагреваемую воду.
упрощенная схема с естественной циркуляцией теплоносителя в котле показана на рисунке 2.
1 – барабан-паросборник; 2 – опускная труба; 3 – коллектор;
4 – подъемная обогреваемая труба; 5 – подвод теплоты
Рисунок 2 – простейший контур с естественной циркуляцией
теплоносителя в котле
Питательная вода поступает в барабан 1 и смешивается с котловой водой в барабане. Питательная вода нагревается, но температура воды, поступающей в опускные трубы 2, сначала будет немного ниже температуры насыщения, соответствующей давлению в барабане. Вода, дойдя до коллектора 3, распределится по обогреваемым экранным трубам 4, сечение которых в несколько раз больше сечения опускных труб. до момента закипания (точки начала парообразования) вода только нагревается. Затем начинается процесс парообразования на стенках обогреваемых труб 4. Из труб 4 пароводяная смесь направляется в барабан. Вода, выделившаяся в барабане-паросборннике 1 котла из пароводяной смеси, вместе с поступившей в барабан питательной водой снова поступает в опускные трубы 2, а пар из барабана отводится к потребителю непосредственно или через пароперегреватель.
Скорость поступления поды в обогреваемые трубы называется скоростью входа или скоростью циркуляции.
Кратность циркуляции – отношение количества воды, циркулирующей в контуре к количеству образовавшегося пара:
. (3)
Количество воды G, кг/с (т/ч), циркулирующей по контуру, значительно больше полученного в нем пара D, кг/с (т/ч).
Кратность циркуляции зависит от конструкции контура, давления в контуре, тепловой нагрузки обогреваемых труб, других факторов.
Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в трубах контура обеспечивает отвод теплоты от обогреваемых стенок, а перемешивание питательной и котловой воды выравнивает температуры элементов котлоагрегата и снижет уровень температурных напряжений.
Объем барабана, заполненный водой, называется водным пространством, объем выше уровня воды – паровым пространством. поверхность воды в барабане котла, разграничивающая водный объем от парового, называется зеркалом испарения.
4. Процесс перегрева насыщенного пара в перегретый пар.
Все поверхности нагрева котлоагрегата, заполненные рабочим телом и находящиеся под давлением, соединяются трубопроводами и арматурой.
Арматура котельной установки – это устройства и приборы, служащие для управления работой элементов и частей котлоагрегата, находящиеся под давлением: для включения, регулирования и отключения трубопроводов воды и пара, регулирования подачи теплоносителя и обеспечения безопасности работы. Основной арматурой являются задвижки, вентили, клапаны.
К контрольно-измерительным приборам котельных установок относятся: указатели уровня воды; манометры; тягонапоромеры; термодатчики; расходомеры; газоанализаторы.
Указанные приборы являются датчиками систем автоматического регулирования режимом работы котельной установки в условиях изменяющейся нагрузки.
Гарнитура котельной установки – это устройства, предназначенные для обслуживания котла и защиты обмуровки от разрушения при взрыве. К гарнитуре относят: топочные дверцы и лазы в обмуровке, гляделки для визуального наблюдения за горением и состоянием поверхностей нагрева и футеровки; взрывные предохранительные клапаны; устройства для очистки внешних поверхностей нагрева; шиберы и заслонки для отключения шлаковых и золовых бункеров; устройство регулирования дутья и тяги.