Тепловой расчет котельных установок. Методические указания для выполнения расчетной работы

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА

Тепловой расчет котельных установок

Методические указания для выполнения расчетной работы №1

Саранск 2005

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.

1. Назначение, технические данные и устройство котлов ДКВР

Котлы ДКВР – двухбарабанные, вертикально-водотрубные с экраниро-

ванной топочной камерой и развитым кипятильным пучком из гнутых труб

(рис. 1.2.).

Топочная камера котлов производительностью до 10 т/ч включительно

разделена кирпичной стенкой на собственно топку и камеру догорания, кото-

рая позволяет повысить КПД котла за счет снижения химического недожега.

Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла – асиммет-

ричные.

Рис. 1.2. Парогенератор ДКВР-20-13: 1 – газомазутная горелка; 2 – боковые

экраны; 3 – выносной циклон; 4 – короб взрывного предохранительного кла-

пана; 5 – задний топочный блок; 6 – конвективная поверхность нагрева (кон-

вективный блок); 7 – изоляция верхнего барабана; 8 – нижний барабан; 9 –

задний экран.

Установкой одной шамотной перегородки, отделяющей камеру догора-

ния от пучка, и одной чугунной перегородки, образующей два газохода, в

пучках создается горизонтальный разворот газов при поперечном омывании

труб.

В котлах с пароперегревателями последние размещаются в первом га-

зоходе с левой стороны котла.

Барабаны котлов ДКВР на давление 13 и 23 кгс/см

изготавливаются

Барнаульским котельным заводом из двух продольных половин с внутрен-

ним диаметром 960 мм при толщине стенки 40 мм из стали 20К ГОСТ 5520-

69.

В котлах ДКВР при шаге экранных труб 80 мм стенки стенки верхнего

барабана хорошо охлаждаются потоками пароводяной смеси, выходящими из

труб боковых экранов и крайних труб кипятильного пучка, что было под-

тверждено специальными исследованиями температуры стенки барабана при

различном снижении уровня воды, а также многолетней практикой эксплуа-

тации котлов ДКВР.

На верхней образующей барабана приварены патрубки для установки

предохранительных клапанов, главного парового вентиля и задвижки, венти-

лей для отбора проб пара, отбора пара на собственные нужды (обдувку).

При работе котлов ДКВР-2,5, ДКВР-4, ДКВР-6,5 и ДКВР-10 на газе и

мазуте, когда допускается повышение их производительности, часть верхне-

го барабана, расположенная в топочной камере и камере догорания, должна

быть изолирована.

В котлах ДКВР-10-39 часть верхнего и нижнего барабанов в области

пароперегревателя торкретируется по сетке на шипах, приваренных к бара-

бану.

В водяном пространстве верхнего барабана находится питательная

труба, в паровом объеме – сепарационные устройства. В нижнем барабане

размещаются перфорированная труба для продувки, устройство для прогре-

ва барабана при растопке (для котлов производительностью от 6 т/ч выше) и

штуцер для спуска воды.

Экраны и кипятильные пучки котлов выполняются из стальных бес-

шовных труб ∅51х2,5 мм.

Конфигурация боковых экранов в котлах ДКВР-2,5 и 4 одинакова для

всех топочных устройств.

Котлы ДКВР-10 для всех топочных устройств имеют фронтовой и зад-

ний экраны.

Боковые экраны у всех котлов ДКВР имеют шаг 80 мм; шаг задних и

фронтовых экранов равен 80-130 мм.

В котлах ДКВР-2,5 – 10 трубы экранов привариваются к нижним каме-

рам и развальцовываются в верхнем барабане.

В котлах ДКВР 10-39 экраны привариваются к нижним и верхним ка-

мерам; на камерах имеются боковые лючки для доступа к трубам и очистки.

Шамотная перегородка, отделяющая камеру догорания от пучка, опи-

рается на чугунную опору, укладываемую на нижний барабан.

Чугунная перегородка между первым и вторым газоходами собирается

на болтах из отдельных плит с предварительным промазыванием стыков спе-

циальной замазкой или с прокладкой асбестового шнура, пропитанного

жидким стеклом. Монтаж этой перегородки должен производиться очень

тщательно, т.к. при наличии зазоров может быть протечка газов из одного га-

зохода в другой помимо пучка труб, что приведет к повышению температуры

уходящих газов.

В перегородке имеется отверстие для прохода трубы стационарного

обдувочного прибора.

Окно для выхода газов из котла расположено на задней стенке.

В котлах на давление 13 и 23 кгс/см

температура перегретого пара не

регулируется; в котлах на давление 39 кгс/см

предусматривается регулиро-

вание перегрева с установкой поверхностных пароохладителей.

У котлов ДКВР 2,5-10 сепарационные устройства расположенны в

верхних барабанах. Конструкция сепарационного устройства котлов ДКВР

2,5–6,5 представляет собой потолочный дырчатый лист, котлов ДКВР 10–13

– пластинчатые сепараторы и дырчатый лист, которые крепятся на расстоя-

нии 90 мм от верхней образующей внутреннего диаметра барабана.

В котлах производительностью 2,5–10 т/ч пароводяная смесь из подъ-

емных труб направляется непосредственно в барабан в отличие от котлов

ДКВР-10-39, у которых на пути пароводяной смеси в верхнем барабане уста-

навливаются отбойные щитки.

В котлах ДКВР-10-39 применено двухступенчатое испарение с выделе-

нием во вторую ступень передних частей или блоков боковых экранов и ус-

тановкой выносных циклонов.

При установке котлов ДКВР в тяжелой обмуровке стены выполняются

толщиной 510 мм (два кирпича) за исключением задней стены, которая имеет

толщину 380 мм (1,5 кирпича).

Заднюю стену для уменьшения присосов следует покрывать с наруж-

ной стороны слоем штукатурки толщиной 20 мм.

Тяжелая обмуровка состоит в основном из красного кирпича. Из ша-

мотного кирпича выкладываются обращенные в топку стены толщиной 125

мм на экранированных участках и 250 мм – на неэкранированных и часть

стен в области первого газохода конвективного пучка.

Стенка камеры догорания толщиной 250 мм и перегородка между тру-

бами пучка также выполняются из шамотного кирпича.

Каждый котел снабжается двумя водоуказательными приборами, пре-

дохранительными клапанами, манометром, регулятором питания, запорными

вентилями и обратными клапанами. В котлах ДКВР-6,5 и ДКВР-10 устанав-

ливается устройство для подогрева нижнего барабана.

На верхнем барабане устанавливаются предохранительные клапаны,

главный паровой вентиль (у котлов без пароперегревателя), вентили для от-

бора проб пара, отбора пара на обдувку.

Установленный в нижнем барабане пароохладитель имеет дренажный

вентиль на соединительных паропроводах. Для регулирования количества

поступающего в пароохладитель пара на перемычке между прямым и обрат-

ным паропроводами поставлен вентиль.

2. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания

2.1. 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:

прис

∆=∆

(2.1)

где

прис

∆

– количество воздуха, присасываемого в соответствующий газо-

ход агрегата, приходящееся на 1 кг сжигаемого жидкого топлива или на 1 м

газа при нормальных условиях, м

/кг или м

/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

соответствующих при-

сосов воздуха:

∑

∆+=

iтi

ααα

(2.2)

где

– номер поверхности нагрева после топки по ходу продуктов сгорания;

– 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

0,05

то же с обмуровкой и обшивкой 0,07

без металлической обшивки 0,1

Фестон, ширмовый пароперег

реватель, первый котельный пу

чок котлов производительностью

т/ч

Первый котельный пучок конвективной поверхности нагрева

котлов производительностью

≤

т/ч

0,05

Второй котельный пучок конвективной поверхнос

ти нагрева

котлов производительностью

≤

т/ч

0,1

Пароперегреватель 0,03

Водяной экономайзер котлов производительностью

т/ч

(на каждую ступень)

0,02

Водяной экономайзер котлов производительностью

≤

т/ч:

стальной 0,08

чугунный с обшивкой 0,1

чугунный без обшивки 0,2

Воздухоподогреватели трубчатые, на каждую ступень:

для котлов с

т/ч 0,03

для котлов с

≤

т/ч 0,06

Газоходы (на каждые 10 м длины):

стальные 0,01

кирпичные 0,05

Таблица 2.2.

Расчетные значения коэффициента избытка воздуха на выходе из топки

Тип топки Топливо

Значение

Мазут 1,1

Камерная

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 (м

воздуха/кг топлива)

ррр

кор

рo

ОНSCV 0333,0265,0)375,0(0889,0 −++=

;

(2.3)

при сжигании газа (м

воздуха/м

газа)













−++++=

∑

222

)

(5,15,05,00476,0 OHC

mSHHCOV

(2.4)

где

– число атомов углерода;

– число атомов водорода.

2. Определить теоретический объем азота в продуктах сгорания:

при сжигании жидкого топлива (м

/кг)

100

8,079,0

VV += ;

(2.5)

при сжигании газа (м

/м

)

100

79,0

+= .

(2.6)

3. Определить объем трехатомных газов:

при сжигании жидкого топлива (м

/кг)

100

375,0

866,1

кop

= ;

(2.7)

при сжигании газа

∑

+++= )(01,0

nmRO

HmCSHCOCOV .

(2.8)

При расчете следует учитывать, что диоксид углерода и сернистый газ

принято объединять и называть «сухие трехатомные газа», обозначая через

RO , т.е.

222

SOCORO

4. Определить теоретический объем водяных паров:

при сжигании жидкого топлива (м

/кг)

0161,00124,0111,0

VWНV

pр

ОH

++= ;

(2.9)

при сжигании газа (м

/м

)

.22

0161,0124,0

01,0

VdHC

HSHV

тлгnmOH













+++=

∑

(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

6. Определить избыточное количество воздуха для каждого газохода

)1(

−=

cр

изб

(2.12)

7. Определить действительный объем водяных паров для жидкого топ-

лива (м

/кг) и для газа (м

/м

) по формуле

)1(0161,0

VVV

cрOHOH

−+=

(2.13)

8. Определить действительный суммарный объем продуктов сгорания

для жидкого топлива (м

/кг) и для газа (м

/м

) по формуле

избNROг

VVVVV

222

+++= .

(2.14)

9. Определить объемные доли трехатомных газов и водяных паров, а

также суммарную объемную долю по формулам:

гRORO

VVr

;

(2.15)

гOHOH

VVr

;

(2.16)

ОНROп

rrr

(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

Теоретические объемы:

=…м

/кг; V

=…м

/кг;

RO2

=…м

/кг; V

H2O

=…м

/кг;

Газоход

Величина

Расчет-

ная

формула

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, м

/кг

(2.12)

Объем водяных паров,

/кг

(2.13)

Полный объем продуктов

сгорания, м

/кг

(2.14)

Объемная доля трехатом-

ных газов

(2.15)

Объемная доля водяных

паров

(2.16)

Суммарная объемная доля (2.17)

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 м

(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/м

)

вв

cVI )(

= ,

(2.18)

где

(

)

– энтальпия 1 м

воздуха, кДж/м

, принимается для каждой вы-

бранной температуры по табл. 2.4;

– теоретический объем воздуха, необ-

ходимого для горения, принимается по табл. 2.3.

Таблица 2.4

Энтальпия 1 м

воздуха и газообразных продуктов сгорания (кДж/м

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

1 2 3 4 5 6

100

170

130

132

151

133

200

359

261

268

305

267

300

561

393

408

464

404

400

774

528

553

628

543

500

999

666

701

797

686

600

1226

806

852

970

832

700

1466

949

1008

1151

982

800

1709

1096

1163

1340

1134

900

1957

1247

1323

1529

1285

1000

2209

1398

1482

1730

1440

1100

2465

1550

1642

1932

1600

1200

2726

1701

1806

2138

1760

1300

2986

1856

1970

2352

1919

1400

3251

2016

2133

2566

2083

1500

3515

2171

2301

2789

2247