Методика поверочного теплового расчёта котлоагрегата.

С т р о и т е л ь с т в а и а р х и т е к т у р ы»

Кафедра «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»

Учебно - методическое пособие

для студентов очной и заочной форм обучения специальности

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

к курсовому проектированию

по курсу «Теплогенерирующие установки»

 

Макеевка ДонНАСА- 2016

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Д о н б а с с к а я н а ц и о н а л ь н а я а к а д е м и я

С т р о и т е л ь с т в а и а р х и т е к т у р ы»

Кафедра «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»

Учебно - методическое пособие

для студентов очной и заочной форм обучения специальности

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

к курсовому проекту

по курсу «Теплогенерирующие установки»

 

Утверждено на заседании кафедры

«Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»

Протокол № 10 от 21.01.2016г.

 

Утверждено на заседании совета

«Института городского хозяйства и

охраны окружающей среды»

Протокол № 7 от 02.03.2016г.

 

 

 

Макеевка ДонНАСА- 2016

 

 

УДК 697

 

Учебно – методическое пособие для студентов очной и заочной форм обучения специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» к курсовому проекту по курсу «Теплогенерирующие установки». Сост.: А.В.Лукьянов, О.В. Шайхед, – Макеевка: ДонНАСА, 2016. - 55 с.

 

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» очной и заочной форм обучения, выполняющих курсовой проект по дисциплине «Теплогенерирующие установки». В пособии описаны общие сведения о структуре ТГУ, приведен расчет теплообмена в теплогенераторе, методики теплового расчета котлоагрегата. Приведено описание порядка выполнения курсового проекта и его оформления, полный состав курсового проекта по тепловому расчету газотрубных теплогенераторов.

 

 

Составители: А.В. Лукьянов, д.т.н., проф.

О.В. Шайхед, к.т.н., доц.

 

Рецензенты: Н.И.Захаров, д.т.н., проф.

А.А.Олексюк, д.т.н., проф.

 

 

Введение

Теплота – один из основных видов энергии, используемых человеком для обеспечения необходимых условий его жизнедеятельности. Централизованное теплоснабжение промышленности и жилищно-коммунального хозяйства от котельных в настоящее время и на перспективу является, наряду с теплофикацией, одним из основных направлений развития теплоснабжения. Последнее десятилетие характеризуется техническим прогрессом в области котельных установок, освоением новых видов котельно-топочного и вспомогательного оборудования. Совершенствование топочного оборудования направлено на создание универсального оборудования для сжигания широкой гаммы топлив и высокоэкономичных газомазутных горелочных устройств. В качестве топлива для котельных установок используют угли, торф, сланцы, древесные отходы, газ и мазут. Газ и мазут – эффективные источники теплоты. При их применении упрощаются конструкция и компоновка котельных установок, повышается их экономичность, сокращаются затраты на эксплуатацию.

Наблюдающийся в теплоэнергетике переход на внедрение блочного оборудования и оборудования повышенной заводской готовности постепенно распространяется и на котельные централизованного теплоснабжения. К проектным решениям по котельным централизованных систем теплоснабжения предъявляются повышенные требования в части экономичности и современного технического уровня.

На современном этапе большое распространение получили автономные источники теплоты, основным теплогенерирующим оборудованием которых являются газотрубные котлы.

 

 

I. Теоретические положения

 

Методика поверочного теплового расчёта котлоагрегата.

1.1.Материальный баланс котлоагрегата

Материальный баланс котлоагрегата составляют для его газовоздушного и пароводяного трактов.

Материальный баланс преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания:

 

B + G_B + SG_B = G_Г + SG_ЗЛ, (1.1)

 

где В – расход топлива [кг/с, м³/с]; G_B - расход окислителя (воздуха), организованно поступающего в топку; SG_B – расход воздуха, присасываемого через неплотности по газовому тракту; G_Г – расход газообразных продуктов сгорания, покидающих котёл; SG_ЗЛ – расход твёрдых минеральных остатков (золы).

 

SG_ЗЛ=SG_ЗЛ1 +SG_ЗЛ2 + SG_ЗЛ3 +SG_ЗЛ4 (1.2)

 

Материальный баланс для пароводяного тракта парового котлоагрегата:

 

D_ПВ = D + D_ПР., (1.3)

 

где D_ПВ – расход питательной воды, поступающей в котёл [кг/с]; D – расход пара, выдаваемого из котла [кг/с]; D_{ПР. В} – расход продувочной воды из котла [кг/с].

 

1.2.Тепловой баланс котлоагрегата

 

Тепловой баланс теплогенератора выражается равенством между введённой и израсходованной теплотой, отнесённой к 1 кг (м³) израсходованного топлива.

 

Q^r_P= Q_рас (1.4)

 

где Q^r_P – располагаемая теплота топлива, кДж/кг(м³); Q_рас – израсходованная в к.а.теплота, кДж/кг (м³).

 

Q^r_P= Q^r_Н+ Q_Ф.Т+ Q_В.ВН+ Q_ПАР+ (Q_ЭКЗ- Q_ЭНД)+ Q_ЭЛ, (1.5)

 

где Q^r_Н - низшая рабочая теплота сгорания топлива (без конденсации водяных паров, если высшая, то следует принимать Q^r_В ); Q_Ф.Т – физическая теплота топлива, кДж/кг(м³). Q_Ф.Т =С_Т t_Т ;

Q_В.ВН­ – физическая теплота воздуха, (принимается при подогреве вне котла за счёт постороннего источника).

Q_В.ВН­ =b¢ (i^°_Г.В - i^°_Х.В);

Q_ПАР – теплота, вводимая в топку паром при паровом распылении мазута или при вводе пара под колосниковую решётку для улучшения процесса горения; Q_ЭКЗ – теплота экзотермических реакций; Q_ЭНД – теплота эндотермических реакций; Q_ЭЛ – при выработке теплоты с использованием электрической энергии.

При отсутствии подогрева топлива и воздуха и выработки пара:

 

Q^r_Р= Q^r_Н (1.6)

 

Расходная часть теплового баланса:

 

Q_РАС= Q₁ + SQ_ПОТ, (1.7)

 

SQ_ПОТ = Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q_ОХЛ ± Q_АКК, (1.8)

 

где Q₂ ,Q₃ ,Q₄ ,Q₅ ,Q₆ – соответственно потери теплоты: с уходящими газами, с химической и механической неполнотой сгорания топлива, от наружного охлаждения, с физической теплотой шлаков; Q_ОХЛ – потери теплоты на охлаждение балок, панелей; ± Q_АКК – расход (+) или приход (-) теплоты, связанной с неустановившимся режимом работы котла, кДж/кг (м³).

Принимая располагаемую теплоту за 100%, можно записать:

 

100 = q₁+ q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆+ q_ОХЛ= Sq, (1.9)

 

где q_i= (Q_i/ Q^r_P)100% - доля теплоты.

Тепловые потери:

с уходящими газами q₂= (Q₂/ Q^r_P)100% обычно 5-10% Q^r_P. Зависит от температуры уходящих газов; коэффициента избытка воздуха в уходящих газах a_УХ.;

от химической неполноты сгорания q₃= (Q₃/ Q^r_P)100%.Возникают при появлении в продуктах сгорания горючих газообразных компонентов (Н₂,СО,СН₄ ,С_mH_n и др.) вследствие неполного выгорания топлива в топке. Причины появления q₃ :плохое смесеобразование, общий недостаток воздуха; низкая температура в топке;

от механической неполноты сгорания q^пр₄+ q^шл₄+ q^ун₄;

где q^пр₄, q^шл₄, q^ун₄ – потери теплоты с провалом, со шлаками, с уносом.

q^пр₄ – зависят от сорта топлива (спекаемости), содержания в топливе мелочи и от конструкции колосниковой решётки;

q^шл₄ – зависит от зольности топлива;

от наружного охлаждения q₅= (Q₅/ Q^r_P)100%. Наблюдаются из-за того, что температура наружной поверхности котла всегда выше температуры окружающей среды, q₅ уменьшается с увеличением мощности котла;

с физической теплотой шлаков q₆= (Q₆/ Q^r_P)100%. Образуется в связи с тем, что удаляемый шлак имеет температуру более высокую, чем среда, в которую он отводится.

 

1.3. Расчёт объёмов воздуха и продуктов сгорания.

Рассчитывается теоретический объём воздуха, необходимого для сжигания твёрдого топлива, м³/кг:

 

V°=0,0889(C^P+0,375S^P_OP+K) + 0,265H^P- 0,0333O^P (1.10)

 

Для газообразного топлива, м³/ м³:

 

V°=0,0476[0,5CO+0,5H₂+1,5 H₂S+S(m+0,25n)C_mH_n-O₂] (1.11)

 

Теоретические объёмы продуктов сгорания топлива:

а) для жидких и твёрдых топлив, м³/кг:

объём двухатомных газов V°_N = 0,79 V°+0,008N^P (1.12)

объём трёхатомных газов V°_RO =0, 01866(C^P+0,375S^P_OP+K)

объём водяных паров V°_{Н O} =0,111 H^P+0,0124W^P+0,0161V°

б) соответственно для газообразных топлив, м³/ м³:

V°_N = 0,79 V°+0,01N^P (1.13)

V°_RO =0, 01(CО+СО₂+Н₂S+SmC_mH_n)

V°_{Н O} =0,01(H₂+ H₂S+Σ0,5nC_mH_n+0,124d_Г.ТЛ)+0,0161V°,

 

где d_Г.ТЛ – влагосодержание топлива, отнесённое к 1м³ сухого газа (г/ м³). При t_Г.ТЛ=10°С можно считать, что d_Г.ТЛ= 10 г/ м³, d_В.ТЛ =13 г/ м³.

При работе теплогенераторов в топку для обеспечения полного сжигания топлива подается, как правило, окислителя (воздуха) в количестве большем теоретического. Отношение действительного объема воздуха к теоретическому в ТГУ называется коэффициентом избытка воздуха.

По данным расчётных характеристик топок выбираются коэффициенты избытка воздуха на выходе из топки a_Т и присосы воздуха по газоходам Ña_Т. Находят расчётные коэффициенты избытка воздуха в газоходах a^’’ _i =a _{i –1}+Ña _i . Результаты расчётов сводятся в таблицу.

Рассчитываются объёмы газов по газоходам при избытке воздуха a>1 для твёрдых, жидких, и газообразных топлив по формулам: (объём V°_RO от α’’ не зависит, так как их во всасываемом воздухе нет)

V_N = V°_N + (a-1) V°, м³/кг (м³/ м³)

V_{Н O} = V°_{Н O} +0,0161(a-1)V°, м³/кг (м³/ м³)

Суммарный объём дымовых газов при a>1:

V_Г= V°_RO + V_N + V_{H O}, м³/кг (м³/м³)

Рассчитываются объёмные доли 3-х атомных газов при общем давлении 0,1 МПа (парциальное давление):

r_RO = V°_RO / V_Г; r_{Н O} = V°_{Н O}/ V_Г; r_п = r_RO + r_{H O};

 

При сжигании твёрдых топлив концентрация золы в дымовых газах (г/ м³) рассчитывается по формуле:

М = 10(А^Р а_УН)/ V_Г,

где а_УН – доля золы топлива, уносимая газами.

Полученные результаты сводятся в таблицу.

 

1.4. Расчёт энтальпий воздуха и продуктов сгорания.

 

Удельные энтальпии теоретического объёма воздуха и продуктов сгорания топлива определяются по формулам:

I°_B= V°(ct)_B;

I°= V°_RO(cq)_RO + V°_N (cq)_N + V°_{H O}(cq)_{H O},

где (cq)_RO , (cq)_N ,(cq)_{H O}, (ct)_В – удельные энтальпии 3-х атомных газов, 2-х атомных газов, водяных паров и воздуха, кДж/м³.

Полученные результаты сводятся в таблицу.

Определяют энтальпию продуктов сгорания топлива I_Г при a>1 по формулам:

I_Г= I°_Г +(a-1) I°_B , кДж/кг (кДж/ м³)

Если приведенная величина уноса золы из топки А^Р а_УН 10³ >1, то к энтальпии дымовых газов следует добавить энтальпию золы:

I_ЗЛ =(cq)_ЗЛ А^Р а_УН 10³ /100, кДж/кг

Полученные результаты сводятся в таблицу.

 

1.5. Расчёт теплового баланса и расхода топлива.

 

Определяется в расчёте к 1кг (м³) располагаемая теплота топлива Q^Р_Р:

Q^Р_Р = Q^Р_Н + Q^Р_В.ВН +i_ТЛ – для твёрдых и жидких топлив.

Q^Р_Р = Q^Р_Н – для газообразного топлива,

где Q^Р_В.ВН – количество теплоты, вносимое воздухом; i_ТЛ – физическая теплота топлива при подогреве его во внешнем источнике; i_ТЛ =С_М t_Н; С_М =1,74+0,0025t_Н;

Расчёт выполняется в таблице в следующем порядке:

Располагаемая теплота топлива.

Потеря теплоты от химического недожога q_3.

Потеря теплоты от механического недожога q_4.

Температура уходящих газов (по заданию).

Энтальпия уходящих газов I_УХ (определяется по I-q таблице), кДж/кг.

Температура воздуха в котельной t_Х,В=25-30°С (по заданию).

Энтальпия воздуха в котельной I°_Х.В (по I-q таблице), кДж/кг.

Потеря теплоты от наружного охлаждения q_5.

Потеря теплоты с уходящими газами:

q₂=[(I_УХ - a_УХ I°_Х.В)(100- q₄)]/ Q^Р_Р, %

 

Сумма тепловых потерь:

å q= q₂+ q₃+ q₄+q₅+ q₆;

 

К.П.Д. котлоагрегата:

h_К.А=100-å q,%

Коэффициент сохранения теплоты:

j = 1- q₅ /(h_К.А+q₅)

Паропроизводительность D или расход воды через котел G, [кг/c].

Давление рабочего тела Р_б (по заданию), Мпа.

Температура рабочего тела на выходе из котлоагрегата t₁ (по заданию).

Температура питательной (подпиточной) воды t_П.В.(по заданию).

Удельная энтальпия рабочего тела на выходе i₁, кДж/кг.

Температура питательной воді t_пв (для паровых к.а.) или температура воды на входе в водогрейный к.а. t₂ (по заданию), ⁰С;

Удельная энтальпия питательной воды i_ПВ или воды на входе в водогрейный котлоагрегат, кДж/кг.

Значение продувки котловой воды Р_ПР (по выбору), 3-5%, кДж/кг.

Полезно используемая теплота в агрегате:

в водогрейном:

 

Q₁=G (i₁-i₂), кВт;

в паровом:

 

Q₁= D(i₁-i_пв) + D_пр(i_кв – i_пв)

Полный расход топлива:

В = (Q₁ 100)/(Q^Р_Р h_К.А), кг/с.

Расчётный расход топлива:

В_Р = В (100 - q₄)/100, кг/с.