Паровые теплогенераторы
1 Паровые теплогенераторы
2 Принцип работы парового теплогенератора
3 Тепловой расчет теплогенератора на примере парового котла ДЕ-25-14ГМО
1 Паровые теплогенераторы
Паровым или водогрейным котлом называется устройство, в котором для получения пара или нагрева воды под давлением выше атмосферного, потребляемых вне этого устройства, используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива.
Первые цилиндрические котлы (рисунок 1) имели большие недостатки: небольшой паросъем, неразвитую поверхность нагрева, большие водяной объём и занимаемую площадь в помещении котельной. Стремление увеличить поверхность нагрева котла при тех же размерах, повысить давление и паросъем, уменьшить размеры котла и его массу потребовало создание улучшенных конструкций котлов. Совершенствование шло по двум направлениям: по пути развития внутренней поверхности нагрева, что привело к появлению жаротрубных (рисунок 1,б) и газотрубных (рисунок 1,в), и увеличения внешних поверхностей нагрева – водотрубные котлы (рисунок 1,д). Последние оказались более перспективными, экономичными и позволяли создавать котлы большой тепловой производительности.
Рисунок 1 – Схемы паровых котлов
а – цилиндрического; б – двухжаротрубного; в – газотрубного; г – батарейного; в – водотрубного
По назначению котлы подразделяют на энергетические, предназначенные для электростанции; производственные – для снабжения промышленных предприятий паром; отопительные – для систем теплоснабжения. Паровые котлы делят по рабочему давлению на 4 группы: низкого (0,9-1,4 МПа), среднего (2,4-4,0 МПа), высокого (9,0-14,0 МПа), сверхвысокого и закритического давления; по паропроизводительности: малой (до 25 т/ч), средней (35-220 т/ч) и большой паропроизводительности.
Паровые котлы в настоящее время широко распространены в различных отраслях промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве котлы типа ДКВР (двухбарабанные, водотрубные, реконструированные котлы), рассчитанные на рабочее давление 1,4 МПа с номинальной паропроизводительностью 2,5; 4,0; 6,5; 10 и 25 т/ч. Котлы ДКВР отличаются достаточно высокой экономичностью, небольшой массой, простотой конструкции, малыми габаритами и транспортабельностью.[1]
Паровой котёл ДЕ-25-14 ГМ газомазутный вертикально-водотрубные паровые с естественной циркуляцией типа Е (ДЕ) производительностью 25 т/ч предназначен для выработки насыщенного или слабоперегретого пара, используемого на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Средний срок службы котлов между капитальными ремонтами при числе часов использования установленной мощности 2500 ч/г - 3 года, средний срок службы до списания не менее - 20 лет.
Котёл ДЕ-25-14 ГМ (рисунок 2) может использоваться в качестве водогрейного (по технической документации завода).
Рисунок 2 – Котел ДЕ-25-14 ГМО
2 Принцип работы парового теплогенератора
Элементы парового котельного агрегата представляют собой цилиндры (трубы и сосуды) разного диаметра, соединенные между собой с помощью сварки или вальцовки. Основными деталями парового котельного агрегата являются барабан, коллекторы и трубы. Для возможности осмотра и очистки барабанов и коллекторов выполняют отверстия, называемые лазами, или люками. Внутренний объем парового котла, заполненный водой, называют водным пространством, занятый паром – паровым пространством; поверхность, отделяющую паровое пространство от водного, – зеркалом испарения. В паровом пространстве устанавливают устройства для сепарации пара и влаги.
Основное условие, обеспечивающее надежную, безопасную и экономичную работу парового котельного агрегата, – поддержание за счет интенсивного охлаждения теплоносителем на заданном расчетном уровне температуры металлических поверхностей нагрева, подвергающихся постоянному воздействию высоких температур топочных газов. Охлаждение металла достигается путем непрерывной и постоянной циркуляции теплоносителя внутри обогреваемых труб. Теплота от дымовых топочных газов передается трубам, а теплоноситель должен непрерывно отводить эту теплоту от стенок. Если отвод теплоты происходит недостаточно интенсивно, то металл труб может сильно перегреться и потерять свою механическую прочность. Это может привести к появлению на трубах отдулин, свищей и даже к разрыву труб, что в свою очередь приведет к аварийной остановке котла.
Рисунок 3 – Принципиальная схема парового теплогенератора с естественной циркуляцией:
1 – вода после умягчения ХВО; 2 – питательный насос; 3,5 – нижний и верхние коллекторы водяного экономайзера; 4 – водяной экономайзер; 6 – питательная линия; 7 – верхний барабан; 8 – нижний барабан; 9,10 – кипятильные трубы второго и первого газоходов; 11 – опускные трубы; 12 – экранные трубы; 13 – подъемные трубы; 14 – паропровод; 15,17 – коллекторы пароперегревателя; 16 – пароперегреватель; 18 - перегретый пар; 19 – воздухоподогреватель
Питательная вода 1 из деаэратора после водоподготовки ХВО питательным насосом 2 подается вначале в водяной экономайзер 4, где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем по питательной линии 6 идет в верхний барабан 7 парового котла, где смешивается с котловой водой. Одна часть котловой воды из верхнего барабана по кипятильным трубам 9, расположенным в области более низких температур топочных газов, опускается в нижний барабан 8, откуда по подъемным трубам 10, расположенным в области более высоких температур топочных газов, нагретая вода и пароводяная смесь поднимаются в верхний барабан. Другая часть котловой воды из верхнего барабана 7, по опускным трубам 11, расположенным вне топки (обычно снаружи или в обмуровке), подводится к нижним коллекторам экранных труб 12, распределяется по коллекторам, нагревается в экранных трубах 12, а образующиеся пузырьки пара и пароводяная смесь поднимаются в верхний барабан 7 котла. Путь, по которому совершается движение теплоносителя, называется циркуляционным контуром.
Пар, полученный в испарительных поверхностях нагрева, в верхнем барабане котла проходит через паросепарационные устройства, где из него отделяются капельки влаги. После осушки полученный сухой насыщенный пар по паропроводу 14 идет к потребителю или в пароперегреватель 16, где при этом же давлении пар нагревается до более высокой (чем при состоянии сухого насыщенного пара) температуры.
При работе парового котла уровень воды в верхнем барабане колеблется между низшим и высшим положениями. Низший допускаемый уровень (НДУ) воды в барабанах паровых котлов устанавливается (определяется) для исключения перегрева металла стенок верхнего барабана, кипятильного пучка, а также обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы контуров циркуляции. Обычно низший допускаемый уровень располагается выше на 100 мм над огневой линией. Огневая линия – это наивысшая горизонтальная линия соприкосновения горячих топочных газов с неизолированной стенкой верхнего барабана котла.
Положение высшего допускаемого уровня (ВДУ) воды в барабанах паровых котлов определяется из условий предупреждения попадания воды в паропровод или пароперегреватель, что может привести к гидравлическому удару паропровода, вибрации, нарушению нормальных условий работы и возможной аварии. Объем воды, содержащейся в барабане между высшим и низшим уровнями, определяет «запас питания», т.е. время, позволяющее котлу работать без поступления в него воды. Для повышения КПД теплогенератора возможна также и установка воздухоподогревателя 19.
Естественная циркуляция в паровом котле осуществляется за счет гравитационных сил, обусловленных разностью плотностей воды и пароводяной смеси. Плотность воды в опускных трубах выше плотности пароводяной смеси в подъемных трубах, хотя давление и температура насыщения в любой точке контура одинаковы. Поэтому вода идет вниз, а пароводяная смесь поднимается вверх. Кроме того, пузырьки пара всегда стремятся занять верхнее положение, что улучшает естественную циркуляцию.
В котле может быть несколько контуров циркуляции. Отношение циркулирующей воды в контуре к количеству образовавшегося пара называется кратностью циркуляции и в паровых котлах может составлять K = 10…100.[2]
3 Тепловой расчет теплогенератора на примере парового котла ДЕ-25-14ГМО
1. Исходные данные для расчёта
Котёл ДЕ-25-14 паропроизводительностью 25 т/ч вырабатывает насыщенный пар с рабочим абсолютным давлением Р=1,4 МПа. Питательная вода поступает при температуре tпв=100°С. Котёл оборудован индивидуальным экономайзером системы ВТИ БВЭС-IV-I. Непрерывная продувка котля составляет 3%. Основное топливо - природный газ, резервное топливо – мазут марки М100.
Характеристика топлива:
CH4 – 94,9%
C2H6 – 3,2%
C3H8 – 0,4%
С4Н10 – 0,1%
С5Н12 (и более тяжёлые) – 0,1%
N2 – 0,9%
СО2 – 0,4%
Теплота сгорания низшая сухого газа:
Плотность газа при 0°С и 760 мм. рт. ст.:
Влагосодержание на 1 м3 сухого газа при t=10°C принимаем
dг=10 г/м3
2. Определение присосов воздуха
Таблица 1
Участки газового тракта. | Δα | α’’ |
топка | 0,1 | 1,1 |
первый конвективный пучок | 0,05 | 1,15 |
второй конвективный пучок | 0,1 | 1,25 |
экономайзер | 0,1 | 1,35 |
3. Расчёт объёмов воздуха и продуктов сгорания
Теоретический объём воздуха необходимого для полного сгорания топлива:
где m – число атомов углерода,
n – число атомов водорода.
Теоретический объём азота в продуктах сгорания:
С учётом избыточного воздуха:
(теоретический объём двухатомных газов равен теоретическому объёму азота).
Объём водяных паров:
С учётом избыточного воздуха:
Объем трёхатомных газов:
Определяем объёмы продуктов сгорания, объёмные доли трёхатомных газов и другие характеристики продуктов сгорания в участках нагрева котла.
Результаты сводим в таблицу 2:
Таблица 2
Наименование величины | Расчётная формула | топка | 1-й конвективный пучок | 2-й конвективный пучок | Экономайзер |
Коэффициент избытка воздуха за газоходом, α | 1,1 | 1,15 | 1,25 | 1,35 | |
Коэффициент избытка воздуха средний, αср | 1,1 | 1,125 | 1,2 | 1,3 | |
Избыточное количество воздуха, | 0,973 | 1,217 | 1,947 | 2,92 | |
Действительный объём водяных паров, | 2,199 | 2,202 | 2,214 | 2,23 | |
Действительный суммарный объём продуктов сгорания, | 11,903 | 12,15 | 12,892 | 13,880 | |
Объёмная доля трёхатомных газов, | 0,087 | 0,085 | 0,08 | 0,074 | |
Объёмная доля водяных паров, | 0,185 | 0,181 | 0,172 | 0,161 | |
Суммарная объёмная доля трёхатомных компонентов | 0,271 | 0,266 | 0,252 | 0,235 |
Энтальпии теоретического объёма воздуха и продуктов сгорания.
Таблица 3
Температура, °С | V0=9,734 м3 | VRO2=1,034 м3 | VN20=7,697 м3 | VH2O0=2,183 м3 | Iг0= VRO2+ VN20+ VH2O0 м3 |
Iв0=V0·(ct)в | IRO2=VRO2·(cυ)RO2 | I0N2=VN20·(cυ)N2 | I0H2O=VH2O0·(cυ)N2 | ||
379,63 | |||||
1284,89 | 174,75 | 1000,61 | 329,63 | 1504,99 | |
2589,24 | 369,14 | 2001,22 | 663,63 | 3033,99 | |
3922,8 | 3017,22 | 1010,73 | 4605,96 | ||
5275,83 | 798,25 | 4056,32 | 1366,56 | 6221,13 | |
6658,06 | 1029,86 | 5110,81 | 1733,3 | 7873,97 | |
8079,22 | 1263,55 | 6188,39 | 2110,96 | 9562,89 | |
9529,59 | 1510,67 | 7281,36 | 2503,9 | 11295,94 | |
10999,42 | 1761,94 | 8412,82 | 2914,30 | 13089,06 | |
12469,25 | 2017,33 | 9567,37 | 3326,89 | 14911,59 | |
13978,02 | 2276,87 | 10729,62 | 3765,68 | 16772,16 | |
15525,73 | 2540,54 | 11891,87 | 4204,46 | 18636,861 | |
17073,436 | 2809,38 | 13046,42 | 4651,97 | 20507,77 | |
18796,35 | 3077,18 | 14239,45 | 5116,96 | 22433,59 | |
20207,78 | 3350,16 | 15463,27 | 5584,11 | 24397,55 | |
21794,426 | 3623,14 | 16656,3 | 6066,56 | ||
23390,802 | 3895,08 | 17880,13 | 6551,18 | 28326,39 | |
24977,44 | 4172,19 | 19103,95 | 7044,54 | 30320,69 | |
26564,09 | 4449,3 | 20335,47 | 7548,81 | 32333,59 | |
28199,398 | 4726,41 | 21590,09 | 8050,9 | 34367,4 | |
29824,98 | 5007,66 | 22813,9 | 8570,46 | 36392,03 | |
31528,43 | 5288,91 | 24068,52 | 9083,46 | 38440,89 | |
33085,87 | 5570,16 | 25323,13 | 9603,02 | 40496,31 |
Энтальпии продуктов сгорания при α>1.
Таблица 4
t | Участки газового тракта и коэф. избытка воздуха | |||||||||
топка α=1,1 | первый конвективный пучок α=1,15 | второй конвективный пучок α=1,25 | экономайзер α=1,35 | |||||||
I, кДж/м3 | ΔI, кДж/м3 | I, кДж/м3 | ΔI, кДж/м3 | I, кДж/м3 | ΔI, кДж/м3 | I, кДж/м3 | ΔI, кДж/м3 | |||
1284,89 | 1504,99 | - | - | - | - | - | - | 1954,70 | - | |
2589,24 | 3033,99 | - | - | - | - | 3681,3 | - | 3940,22 | 1985,52 | |
3922,80 | 4605,96 | - | - | - | - | 5586,66 | 1905,36 | 5978,94 | 2038,72 | |
5275,83 | 6221,13 | - | - | 7012,50 | - | 7540,09 | 1953,43 | 8067,67 | 2088,73 | |
6658,06 | 7873,97 | - | - | 8872,68 | 1860,17 | 9538,49 | 1998,40 | 10204,29 | 2136,62 | |
8079,22 | 9562,89 | - | - | 10774,77 | 1902,09 | 11582,70 | 2044,21 | 12390,62 | 2186,33 | |
9529,59 | 11295,94 | - | - | 12725,38 | 1950,61 | 13678,34 | 2095,64 | 14631,30 | 2240,68 | |
10999,42 | 13089,06 | 14189,00 | - | 14738,97 | 2013,59 | 15838,92 | 2160,58 | 16938,86 | 2307,56 | |
12469,25 | 14911,59 | 16158,52 | 1969,51 | 16781,98 | 2043,00 | 18028,90 | 2189,99 | 19275,83 | 2336,97 | |
13978,02 | 16772,16 | 18169,96 | 2011,45 | 18868,86 | 2086,89 | 20266,67 | 2237,76 | 21664,47 | 2388,64 | |
15525,73 | 18636,86 | 20189,43 | 2019,47 | 20965,72 | 2096,86 | 22518,29 | 2251,63 | 24070,87 | 2406,40 | |
17073,44 | 20507,77 | 22215,11 | 2025,68 | 23068,79 | 2103,06 | 24776,13 | 2257,84 | 26483,47 | 2412,61 | |
18796,35 | 22433,59 | 24313,23 | 2098,11 | 25253,04 | 2184,26 | 27132,68 | 2356,55 | 29012,31 | 2528,84 | |
20207,78 | 24397,55 | 26418,33 | 2105,10 | 27428,72 | 2175,67 | 29449,50 | 2316,82 | 31470,27 | 2457,96 | |
21794,43 | 26346,00 | 28525,44 | 2107,11 | 29615,16 | 2186,45 | 31794,61 | 2345,11 | 33974,05 | 2503,78 | |
23390,80 | 28326,39 | 30665,47 | 2140,03 | 31835,01 | 2219,85 | 34174,09 | 2379,48 | 36513,17 | 2539,12 | |
24977,44 | 30320,69 | 32818,43 | 2152,96 | 34067,31 | 2232,30 | 36565,05 | 2390,96 | 39062,79 | 2549,62 | |
26564,09 | 32333,59 | 34990,00 | 2171,57 | 36318,20 | 2250,90 | 38974,61 | 2409,56 | 41631,02 | 2568,23 | |
28199,40 | 34367,40 | 37187,34 | 2197,34 | 38597,31 | 2279,11 | 41417,25 | 2442,64 | 44237,19 | 2606,17 | |
29824,98 | 36392,03 | 39374,53 | 2187,19 | 40865,78 | 2268,47 | 43848,28 | 2431,03 | 46830,77 | 2593,58 | |
31528,43 | 38440,89 | 41593,73 | 2219,21 | 43170,15 | 2304,38 | 46323,00 | 2474,72 | 49475,84 | 2645,07 | |
33085,87 | 40496,31 | 43804,90 | 2211,16 | 45459,19 | 2289,04 | 48767,78 | 2444,78 | 52076,36 | 2600,52 |
Тепловой расчет
Тепловой баланс составляем в расчёте на 1 м3 топлива с располагаемой теплотой сгорания Qрр. При определении Qрр учитываем предварительный подогрев воздуха в паровом калорифере.
Расчёт теплового баланса котельного агрегата и расхода топлива
Таблица 5
Наименование | Обозначение | Расчетная формула или способ определения | Единица | Расчет |
Располагаемая теплота сгорания топлива | Qрр | Qрн + Qв.н, где | кДж/м3 | 36700+1·(50)=36750 |
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива | q3 | Табл. 4−5 [2] | % | 0,5 |
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива | q4 | Табл. 4−5 [2] | % | |
Температура уходящих газов | uух | По выбору, табл. 1−3 [2] | °С | |
Энтальпия уходящих газов | Iух | По I−u таблице | кДж/ м3 | 1985,52 |
Температура воздуха в котельной | tх.в. | По выбору | °С | |
Теоретическая энтальпия воздуха в котельной | I0х.в. | По I−u таблице | кДж/ м3 | 39·9,734=379,63 |
Потеря теплоты с уходящими газами | q2 | % | ||
Потеря теплоты от наружного охлаждения | q5 | По рис. 3−1 [2] | % | 1,3 |
Сумма тепловых потерь | Σq | q5 + q4 + q3 + q2 | % | 1,3+ 0 + 0,5 +4 = 5,8 |
КПД котла | hка | 100 - Σq | % | 100 – 7,06 = 94,2 |
Коэффициент сохранения теплоты | φ | − | ||
Паропроизводительность котла | D | По заданию | кг/с | 6,94 |
Давление пара в барабане | рб | р∙1,1 | МПа | 1,1 |
Температура пара | tпп | По заданию | °С | |
Температура питательной воды | tпв | По заданию | °С | |
Энтальпия насыщенного пара | i пп | Табл. VI−8 [2] | кДж/ м3 | 2780,4 |
Энтальпия питательной воды | iпв | Табл. VI−6 [2] | кДж/ м3 | 419,8 |
Значение продувки | р | По выбору | % | |
Энтальпия воды (рб, tн) | i кип | Табл. VI−7 [2] | кДж/ м3 | 781,1 |
Полезно использованная теплота | Qпол | D(i пп – i пв) + 0,01D(i кип – i пв)p | кВт | |
Полный расход топлива | В | м3/с | ||
Расчётный расход топлива | Вр | В∙0,01∙(100 – q4) | м3/с | 0,475∙0,01∙(100 -0) = 0,475 |
[1] Делягин Г. Н. и др. Теплогенерирующие установки: Учеб. для вузов/Г. Н. Делягин, В. И. Лебедев, Б. А. Пермяков. – М.: Стройиздат, 1986. – 559 с., ил.
[2] Фокин В. М. Теплогенерирующие установки систем снабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.