Расчёт теплового баланса котельного агрегата и расхода топлива




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 ппi пв) + 0,01D(i кипi пв)p кВт
Полный расход топлива В м3
Расчётный расход топлива Вр В∙0,01∙(100 – q4) м3 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.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: