Определение коэффициентов избытка воздуха по газоходам

Тепловой расчет котельных установок

 

 

Методические указания для выполнения расчетно-графической работы №1

 

Саранск 2009

Введение

 

 

Промышленные предприятия и жилищно-коммунальный сектор по-требляют огромное количество теплоты на технологические нужды, венти-ляцию, отопление и горячее водоснабжение. Тепловая энергия в виде пара и горячей воды вырабатывается теплоэлектроцентралями, производственными и районными отопительными котельными.

Повышение цен на топливо и переход многих предприятий на двух- и трехсменную работу требуют серьезной перестройки в проектировании и эксплуатации производственных и отопительных котельных.

Тепловой расчет парового или водогрейного котла может быть конст-руктивным или поверочным. Конструктивный расчет выполняется при раз-работке новых паровых или водогрейных котлов специализированными про-ектно-конструкторскими институтами или конструкторскими бюро котло-строительных заводов. Поверочный расчет котельных агрегатов, выпускае-мых промышленностью, выполняется при проектировании источника тепло-снабжения, предназначенного для выработки пара или горячей воды.

При выполнении курсового проекта рекомендуется производить пове-рочный расчет с элементами конструктивного расчета отдельных поверхно-стей нагрева (пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогрева-теля).

Основной целью поверочного расчета является определение основных показателей работы котлоагрегата, а также реконструктивных мероприятий, обеспечивающих высокую надежность и экономичность его эксплуатации при заданных условиях.

 

2. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания

 

 

Определение коэффициентов избытка воздуха по газоходам

 

 

Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расче-тах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают равной 30°С.

Присос воздуха принято выражать в долях теоретического количества воздуха, необходимого для горения:

= VприсV 0, (2.1)

 

где Vприс – количество воздуха, присасываемого в соответствующий газо-ход агрегата, приходящееся на 1 кг сжигаемого жидкого топлива или на 1 м3 газа при нормальных условиях, м3/кг или м3/м3.

При тепловом расчете котлоагрегата присосы воздуха принимаются по нормативным данным. Значения расчетных присосов воздуха для промыш-ленных паровых и водогрейных котлов приведены в табл. 2.1.

Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева после топочной камеры подсчитывается прибавлением к т соответствующих при-сосов воздуха:

 

å

i = т + i i, (2.2) 1

где i – номер поверхности нагрева после топки по ходу продуктов сгорания; т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки.

Коэффициент избытка воздуха принимается в зависимости от вида то-плива, способа его сжигания и конструкции топки. Поэтому прежде всего следует выбрать способ сжигания топлива и конструкцию принимаемой к ус-тановке топки.

Выбор способа сжигания топлива и конструкции (типа) топочного уст-ройства производится в зависимости от паропроизводительности (теплопро-изводительности) и конструкции котельного агрегата, а также физико-химических свойств топлива. Так для котлов любой паропроизводительности при сжигании жидкого и газообразного топлива следует применять камерные (факельные) топки. В табл. 2.2 приведены расчетные коэффициенты избытка воздуха для камерных топок.

 

 

Таблица 2.1. Расчетные значения присосов воздуха в топку и в газоходы паровых и водо-

грейных котлов при номинальной нагрузке

Топочные камеры и газоходы	Присос воздуха
Топочные камеры пылеугольных котлов с твердым шлакоуда-лением и металлической обшивкой труб экрана то же с обмуровкой и обшивкой без металлической обшивки	0,05   0,07 0,1
Фестон, ширмовый пароперегреватель, первый котельный пу чок котлов производительностью >50 т/ч
Первый котельный пучок конвективной поверхности нагрева котлов производительностью D 50 т/ч	0,05
Второй котельный пучок конвективной поверхности нагрева котлов производительностью D 50 т/ч	0,1
Пароперегреватель	0,03
Водяной экономайзер котлов производительностью D 50 т/ч (на каждую ступень)	0,02
Водяной экономайзер котлов производительностью D 50 т/ч: стальной чугунный с обшивкой чугунный без обшивки	0,08 0,1 0,2
Воздухоподогреватели трубчатые, на каждую ступень: для котлов с D >50 т/ч для котлов с D 50 т/ч	0,03 0,06
Газоходы (на каждые 10 м длины): стальные кирпичные	0,01 0,05

 

Таблица 2.2. Расчетные значения коэффициента избытка воздуха на выходе из топки т

Тип топки	Топливо	Значение т
Камерная	Мазут	1,1
Природный газ	1,1

 

2.2. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

 

 

При тепловом расчете паровых и водогрейных котлов определяются теоретические и действительные объемы воздуха и продуктов сгорания в следующей последовательности:

1. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для полно-го сгорания:

при сжигании жидкого топлива (м3 воздуха/кг топлива)

 

ор

V o = 0,0889(C р + 0,375 S р + к) + 0,265 Н р 0,0333 Ор; (2.3) при сжигании газа (м3 воздуха/м3 газа)

 

 

 

Vo = 0,04760,5 CO + 0,5 H 2 +1,5 H 2 S + å(m + n) CmHn O 2 , (2.4)

 

где – число атомов углерода; n – число атомов водорода.

2. Определить теоретический объем азота в продуктах сгорания: при сжигании жидкого топлива (м3/кг)

 

N

p

N

V 02 = 0,79 V 0 + 0,8100; (2.5) при сжигании газа (м3/м3)

 

N

N

V 02 = 0,79 V 0 + 100. (2.6) 3. Определить объем трехатомных газов:

при сжигании жидкого топлива (м3/кг)

 

р

VRO 2 =1,866 C p + 0,375 Sop + к; (2.7)

 

при сжигании газа

VRO 2 = 0,01(CO 2 + CO + H 2 S + å mCmHn). (2.8)

 

При расчете следует учитывать, что диоксид углерода и сернистый газ принято объединять и называть «сухие трехатомные газа», обозначая через

RO 2, т.е. RO 2 = CO 2 SO 2.

4. Определить теоретический объем водяных паров: при сжигании жидкого топлива (м3/кг)

 

H

V 02 О = 0,111 Н р + 0,0124 W p + 0,0161 V 0; (2.9) при сжигании газа (м3/м3)

 



 

 

VH 2 O = 0,01 H 2 S + H 2 + å nCmHn + 0,124 dг. тл +0,0161 V 0. (2.10)

 

5. Определить средний коэффициент избытка воздуха в газоходе для каждой поверхности нагрева

ср = +, (2.11)

 

где – коэффициент избытка воздуха перед газоходом; – коэффициент избытка воздуха после газохода.

 

 

N2

в

6. Определить избыточное количество воздуха для каждого газохода Vизб = V 0 (cр 1). (2.12)

7. Определить действительный объем водяных паров для жидкого топ-лива (м3/кг) и для газа (м3/м3) по формуле

 

VH 2 O = VH 2 O + 0,0161(cр 1) V 0. (2.13)

 

8. Определить действительный суммарный объем продуктов сгорания для жидкого топлива (м3/кг) и для газа (м3/м3) по формуле

 

0 в

Vг = VRO 2 + VN 2 + Vизб + VH 2 O. (2.14) 9. Определить объемные доли трехатомных газов и водяных паров, а

также суммарную объемную долю по формулам:

rRO 2 = VRO 2 Vг; (2.15) rH 2 O VH 2 OVг; (2.16) rп = rRO 2 + rН 2 О. (2.17) Результаты расчета действительных объемов продуктов сгорания по га-

зоходам котлоагрегата сводятся в таблицу, форма которой при сжигании жидкого топлива или газа приведена в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов

Величина	Расчет-ная формула	Теоретические объемы: V0=…м3/кг; V0 =…м3/кг; VRO2 =…м3/кг; V0H2O=…м3/кг;
Газоход
Топка	Паропе-регрева-тель	Конвек тивные пучки	Эко-номай-зер
Коэффициент избытка воздуха после поверхности нагрева	(2.1), табл. 2.1, 2.2
Средний коэффициент из-бытка воздуха в газоходе поверхности нагрева	(2.11)
Избыточное количество воздуха, м3/кг	(2.12)
Объем водяных паров, м3/кг	(2.13)
Полный объем продуктов сгорания, м3/кг	(2.14)
Объемная доля трехатом-ных газов	(2.15)
Объемная доля водяных паров	(2.16)
Суммарная объемная доля	(2.17)

 

в

2.3. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

 

 

Количество теплоты, содержащееся в воздухе или продуктах сгорания, называют теплосодержанием (энтальпией) воздуха или продуктов сгорания. При выполнении расчетов принято энтальпию воздуха и продуктов сгорания относить к 1 кг сжигаемого жидкого топлива и к 1 м3 (при нормальных усло-виях) газообразного топлива.

Расчет энтальпий продуктов сгорания производится при действитель-ных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева (значения коэффициента избытка воздуха после поверхности нагрева берутся из табл. 2.3). Расчет следует производить для всего возможного диапазона температур после поверхностей нагрева, так как температуры эти неизвест-ны. В дальнейших расчетах при пользовании значениями энтальпии допуска-ется линейная интерполяция в интервале температур 100 К. Поэтому при расчетах энтальпии интервал температур не должен быть более 100 К.

Определение энтальпий воздуха и продуктов сгорания производится в такой последовательности:

1. Вычислить энтальпию теоретического объема воздуха для всего вы-бранного диапазона температур для жидкого топлива (кДж/кг) и газа (кДж/м3)

 

I 0 = V 0 (c) в, где c в – энтальпия

 

(2.18) 1 м3 воздуха, кДж/м3, принимается для каждой вы-

 

бранной температуры по табл. 2.4; V 0 – теоретический объем воздуха, необ-ходимого для горения, принимается по табл. 2.3.

Таблица 2.4 Энтальпия 1 м3 воздуха и газообразных продуктов сгорания (кДж/м3)

,ОС	(c) RO 2	c) N 2	c O 2	(c H 2 O	c в
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500	170 359 561 774 999 1226 1466 1709 1957 2209 2465 2726 2986 3251 3515	130 261 393 528 666 806 949 1096 1247 1398 1550 1701 1856 2016 2171	132 268 408 553 701 852 1008 1163 1323 1482 1642 1806 1970 2133 2301	151 305 464 628 797 970 1151 1340 1529 1730 1932 2138 2352 2566 2789	133 267 404 543 686 832 982 1134 1285 1440 1600 1760 1919 2083 2247

 

1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200	3780 4049 4317 4586 4859 5132 5405	2331 2490 2650 2814 2973 3137 3301	2469 2637 2805 2978 3150 3318 3494	3011 3238 3469 3700 3939 4175 4414	2411 2574 2738 2906 3074 3242 3410

 

 

2. Определить энтальпию теоретического объема продуктов сгорания для всего выбранного диапазона температур (кДж/кг или кДж/м3)

 

0 0 0

(

)

)

Iг = VRO 2 (c) RO 2 + VN 2 (c) N 2 + VH 2 O (c) H 2 O, (2.19) где c RO 2, c N 2, c H 2 O – энтальпии 1 м3 трехатомных газов, теоретиче-ского объема азота, теоретического объема водяных паров, принимаются для

 

0 0

каждой выбранной температуры по табл. 2.4, кДж/м3; VRO 2, VN 2, VH 2 O – объ-

 

емы трехатомных газов, теоретический объем азота и водяного пара, берутся из табл. 2.3, м3/кг или м3/м3.

3. Определит энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур (кДж/кг или кДж/м3)

в 0

Iизб = 1) Iв, (2.20)

 

4. Определить энтальпию продуктов сгорания при коэффициенте из-бытка воздуха 1 (кДж/кг или кДж/м3)

 

0 в

I = Iг + Iизб, (2.21) Результаты расчета энтальпии продуктов сгорания по газоходам котло-

агрегата сводят в таблицу. Форма расчетной таблицы применительно к про-мышленному котлоагрегату приведена в табл. 2.5.

 

 

 

Энтальпия продуктов сгорания I f (

Таблица 2.5., кДж/кг или кДж/м3

 

Поверхность нагрева	Температура после по-верхности нагрева, оС	I 0, ф-ла (2.18)	I 0, ф-ла (2.19)	в изб, ф-ла (2.20)	I, ф-ла (2.21)
Верх топочной камеры, фестон, т =	2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300

 

1
	1200 1100 1000 900 800
Пароперегреватель, пе =	1000 900 800 700 600 500
Конвективные пучки, к =
Водяной экономайзер, вп =

 

 

I

Данные таблицы 2.5 позволяют в последующих расчетах по температу-ре продуктов сгорания определять их энтальпию

Iх = Iм + (tизв tм) Iб 100 м; (2.22) или, наоборот, по энтальпии продуктов сгорания – их температуру

I I

tx = tm + Iизв Iм 100. (2.23) б м

При этом производится линейная интерполяция в интервале темпера-туры 100 К. В формулах (2.22) и (2.23) Iб, Iм – энтальпии, соответствующие большей и меньшей температурам искомого интервала температур, приве-денным в табл. 2.5; tизв – температура, для которой вычисляется энтальпия, °С; tм – температура, соответствующая меньшей энтальпии искомого интер-вала, °С; Iизв – энтальпия, по значению которой определяется температура.

 

 

3. Расчетный тепловой баланс и расход топлива

 

 

Расчет потерь теплоты

 

 

р

При работе парового или водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное ко-личество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагае-мой теплотой и обозначают Qр. Между теплотой, поступившей в котельный

 

агрегат и покинувшей его, должно существовать равенство. Теплота, поки-нувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 кг сжигаемо-го жидкого топлива или 1 м3газа при нормальных условиях имеет вид

 

p

Qp = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5, (3.1)

 

р

где Qр – располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м3; Q 1– полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воды, кДж/кг или кДж/м3; Q 2, Q 3, Q 4, Q 5 – потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания,

от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения, кДж/кг или кДж/м3.

Тепловой баланс котла составляется применительно к установившему-ся тепловому режиму, а потери теплоты выражаются в процентах распола-гаемой теплоты:

 

р

Q

qi = Qi. (3.2) р

 

Потеря теплоты с уходящими газами (q 2) обусловлена тем, что темпе-ратура продуктов сгорания, покидающих котельный агрегат, значительно выше температуры окружающего атмосферного воздуха. Потеря теплоты с уходящими газами зависит от вида сжигаемого топлива, коэффициента из-бытка воздуха в уходящих газах, температуры уходящих газов, чистоты на-ружных и внутренних поверхностей нагрева, температуры воздуха, забирае-мого дутьевым вентилятором.

)

(

Потеря теплоты с уходящими газами определяется по формуле

 

р

Q

q 2 = Iух ухIх. в 100 q 4, (3.3) р

 

где Iух – энтальпия уходящих газов, определяется по табл. 2.5 при соответст-вующих значениях ух и выбранной температуре уходящих газов, кДж/кг

или кДж/м3; Iхв – энтальпия теоретического объема холодного воздуха, оп-ределяется при tв = 30°С по формуле (3.4), кДж/кг или кДж/м3; ух – коэф-

 

фициент избытка воздуха в уходящих газах, берется из табл. 2.1 в сечении га-

 

q q

=;

q = q,

зохода после последней поверхности нагрева; q 4 – потеря теплоты от меха-нической неполноты горения, при сжигании газа и мазута q 4 0 (табл. 3.1).

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха при температуре 30°С (кДж/кг или кДж/м3)

 

Iх. в = 39,8 V 0. (3.4) Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (q 3) обусловлена

появлением в уходящих газах горючих газов CO, H 2, CH 4. Потеря теплоты от химической неполноты горения зависит от вида топлива и содержания в нем летучих, способа сжигания топлива и конструкции топки, коэффициента избытка воздуха в топке, от уровня и распределения температуры в топочной камере, организации смесеобразовательных процессов в топке (горелке и то-почной камере) (табл. 3.1).

Потеря теплоты от механической неполноты горения (q 4) отсутствует при сжигании газа и мазута (табл. 3.1).

 

 

Таблица 3.1 Расчетные характеристики камерных топок при сжигании газа и мазута

Топливо	Удельная нагрузка топоч-ного объема, кВт/м3, для котлов производительно-стью (т/ч)	Потери от неполноты горе-ния, %
механической	химической
25 – 50	75 – 400
Мазут				0,5
Природный газ				0,5

 

 

Потеря теплоты от наружного охлаждения (q 5) обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру. Потеря теплоты от наружного охлаждения зависит от тепло-проводности обмуровки, ее толщины, поверхности стен, приходящейся на единицу паропроизводительности парового или теплопроизводительности водогрейного котла.

Потеря теплоты от наружного охлаждения (в %) определяется по фор-мулам:

для парового котла

п. к п. к. Dном 5 5 ном D

для водогрейного котла в. к в. к. Nном

5 5 ном N

 

(3.5)

 

(3.6)

 

п. к в. к

где q 5 ном и q 5 ном – потери теплоты от наружного охлаждения при номиналь-ной нагрузке парового и водогрейного котла, определяются по табл. 3.2 и 3.3 соответственно; Dном – номинальная нагрузка парового котла, т/ч; D – рас-

 

четная нагрузка парового котла, т/ч; Nном – номинальная мощность водо-грейного котла, МВт; N – расчетная мощность водогрейного котла, МВт.

 

 

Таблица 3.2. Потеря теплоты от наружного охлаждения парового котла

Номинальная поизводи-тельность котла, кг/с (т/ч)	Потеря теплоты, %
Собственно котел	Котел с хвостовыми по-верхностями
0,55 (2) 1,11 (4) 1,67 (6) 2,22 (8) 2,78 (10) 4,16 (15) 5,55 (20) 8,33 (30) 11,11 (40) 16,66 (60) 22,22 (80) 27,77 (100) 55,55 (200) 83,33 (300)	3,4 3,1 1,6 1,2 ----------	3,8 2,9 2,4 2,0 1,7 1,5 1,3 1,2 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

 

 

Таблица 3.3. Потеря теплоты от наружного охлаждения водогрейного котла

(ориентировочно)

Номинальная мощность кот-ла, МВт
Потеря, %				1,7	1,5	1,2	1,0	0,9	0,7	0,5