Поверочный расчет парового котла

ТГУ ДЕ25-14ГМ.doc

Паровым или водогрейным котлом называется устройство в котором для получения пара или нагрева вода под давлением выше атмосферного используется теплота выделяющаяся при сгорании органического топлива.
Поверочный расчет парового котла выполняется для оценки показателей экономичности выбора вспомогательного оборудования получения исходных данных для последующих расчетов: аэродинамических гидравлических прочностных.
При выполнении поверочного расчета парового котла его паропроизводительность параметры пара и питательной воды являются заданными. Поэтому цель расчета состоит в определении температур газовой среды и тепловосприятий рабочего тела в поверхностях нагрева заданного котла.
Описание парового котла типа ДЕ
Газо-мазутные вертикально-водотрубные паровые котлы типа ДЕ паропроизводительностью 4; 65; 10 и 25 тч предназначены для выработки насыщенного или слабонасыщенного пара давлением 14 Мпа. Топочная камера котлов размещена сбоку от конвективного пучка образованного вертикальными трубами развальцованных в верхнем и нижнем барабанах. Ширина топочной камеры изменяется в зависимости от номинальной паропроизводительности котла.
Основными составными частями этих котлов являются: верхний и нижний барабаны конвективный пучок фронтальный боковой и задний экраны образующие топочную камеру. Трубы перегородки и правого бокового экрана образующего также под и потолок топочной камеры вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны. Концы труб заднего экрана приварены к верхнему и нижнему коллекторам диаметром 159х6мм. Трубы фронтального экрана котлов паропроизводительностью 4; 65 и 10 тч приварены к коллекторам диаметром 159х6мм а на котлах паропроизводительностью 16 и 25 тч они развальцованы в верхнем и нижнем барабанах. Шаг труб вдоль барабана 90 мм. поперечный - 110мм. Для поддержания необходимого уровня скоростей газов в конвективных пучках котлов производительностью 4; 65 и 10 тч установлены продольные ступенчатые перегородки.
Плотное экранирование боковых стен потолка и пода топочной камеры позволяет на котлах применять легкую изоляцию в 2-3 слоя изоляционных плит толщиной 100мм укладываемую на слой шамотобетона по сетке толщиной 15-20мм. Обмуровка фронтальной и задней стен выполнена из шамотного кирпича толщиной 65мм. и изоляционных плит общей толщиной 100мм. для котлов 4; 65 и 10 тч. Для котлов 16 и 25 тч обмуровка фронтальной стены выполнена из шамотного кирпича толщиной 125мм. и нескольких слоев изоляционных плит толщиной 175мм. общая толщина обмуровки фронтальной стены 300мм. Обмуровка задней стены состоит из слоя шамотного кирпича толщиной 65 мм. и нескольких слоев изоляционных плит толщиной 200мм.; общая толщина обмуровки составляет 265мм. Для уменьшения присосов в газовый тракт котла снаружи изоляцию покрывают металлической листовой обшивкой толщиной 2мм. приваренной к обвязочному каркасу. В качестве хвостовых поверхностей нагрева котлов применяют стандартные чугунные экономайзеры из труб ВТИ.
Выбор температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха.
Температура уходящих газов оказывает решающее влияние на экономичность работы парового котла так как потеря теплоты с уходящими газами является при нормальных условиях эксплуатации наибольшей даже в сравнении с суммой других потерь. Однако глубокое охлаждение газов требует увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева и во многих случаях приводит к усилению низкотемпературной коррозии.
Температура уходящих газов за хвостовой поверхностью нагрева (экономайзером) выбирается в зависимости от вида сжигаемого топлива [5 таблица 1] =120оС.
Для расчета действительных объемов продуктов горения по поверхности нагрева котельного агрегата прежде всего выбирают коэффициенты избытка воздуха на выходе из топки и присосы воздуха в отдельных газоходах . Коэффициент избытка воздуха должен обеспечить практически полное сгорание топлива. Он выбирается в зависимости от типа топочного устройства и вида сжигаемого топлива [5 таблица 2] =11.
В топку и газоходы котла при наличии в них отверстий и неплотностей из атмосферы поступает воздух который называют присосом . Избыток воздуха включает в себя коэффициент избытка воздуха подаваемого в горелки или под колосниковую решетку и присосы холодного воздуха извне при работе топки под разряжением происходящие в основном в нижней части топки. При выбранном избыток воздуха поступающий в зону горения топлива определяется как . В газоплотных топках у котлов серии ДЕ aгор=aт=1.1
За счет присосов коэффициенты избытка воздуха от топки к дымовой трубе по тракту возрастают. Избыток воздуха за каждой поверхностью нагрева после топочной камеры получают прибавлением к соответствующих присосов воздуха. Присосы воздуха в газоходах парового котла [5 таблица 3].
При распределении коэффициентов избытка воздуха по газоходам следует ознакомиться с конструкцией парового котла для которого проводится поверочный расчет.
Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания.
По общепринятой методике [1] объемы продуктов сгорания и воздуха выражаются в м3 при нормальных условиях (0°С и 01 МПа) при сжигании 1 кг твердого жидкого топлива или 1 м3 газового топлива.
Состав органического топлива: CH4=844%; C2H6=52%; C3H8=13%; C4H10=043%; C5H12=015%; CO2=018%; N2=82%; Qн=33160 кДжм3.
При сжигании природного газа расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания производится на основании процентного состава компонентов входящих в него:
теоретический объем воздуха:
V°=0.0476×[ S(m+0.25×n)×CmHn+0.5×(CO+H2)+1.5×H2S-O2 ] = 0.0476 ×[ (1+0.25×4)×
4+(2+0.25×6)×5.2+(3+0.25× 8)×1.3+(4+0.25×10)×0.43+(5+0.25×12)×0.15]=9.4 m3m3
теоретические объемы продуктов сгорания воздуха:
VRO2=0.01×(Sm×CmHn+CO2+CO+H2S)=0.01(1×84.4+2×5.2+3×1.3+4×0.43+5×0.15+
V°N2=0.79×V°+0.01×N2=079×94+001×82=7.5086м3м3
VH2O=0.01×(S0.5×n×CmHn+H2S+H2+0.124×dг.тл+1.61×V°)=0.01×(0.5×4×84.4+0.5×6×5.2+
+0.5×8×1.3+0.5×10×0.43+0.5×12×0.15+0.124×10+1.61×9.4)=2.0903 м3м3
где - влагосодержание газообразного топлива при расчетной температуре 10°C
V°г=VRO2+V°N2+VH2O=1.0135+7.5086+2.0903=10.6124м3кг
Расчет объемов продуктов сгорания в поверхностях нагрева сводят в таблицу 1.
Таблица 1: Объемы продуктов сгорания
Величина и расчетная формула
Коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева
Средний коэффициент избытка воздуха в поверхности нагрева
Действительный объем водяных паров
Объемная доля трехатомных газов
Объемная доля водяных паров
Объемная доля трехатомных газов и водяных паров
Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания.
Для всех видов топлива энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания в кДжм3 при расчетной температуре oС определяют по формулам:
Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха
В приведенных формулах : - теплоемкость соответственно воздуха трехатомных газов азота и водяных паров [5 таблица П1]
- коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева.
Поскольку на данном этапе расчета температура газов за той или иной поверхностью нагрева еще неизвестна расчет энтальпий газов делается на весь возможный за данной поверхностью диапазон температур.
Результаты расчета энтальпий газов при действительных избытках воздуха сведем в таблицу 2.
Таблица 2: Энтальпии продуктов сгорания
Темпера-тура за поверхно-стью oC
По результатам расчета строится диаграмм.
Тепловой баланс парового котла.
Распределение теплоты вносимой в котел при сжигании топлива на полезно использованную теплоту и тепловые потери носит название теплового баланса.
Тепловой баланс составляется на 1 м3 газообразного топлива.
Уравнение теплового баланса имеет вид:
где - располагаемая теплота топлива;
Q1- полезно используемая теплота для производства водяного пара;
Q2- потери теплоты с уходящими газами;
Q3- потери теплоты от химической неполноты сгорания;
Q4- потери теплоты от механической неполноты сгорания;
Q5- потери теплоты в окружающую среду;
Q6-потери с физической теплотой шлаков;
Если отнести все слагаемые теплового баланса к располагаемой теплоте и выразить их в процентах то уравнение теплового баланса примет вид:
Коэффициент полезного действия котельного агрегата (брутто) определяется из данного уравнения:
и- учитывается только для твердого топлива.
Располагаемая теплота газообразного топлива определяется по уравнению:
Потеря теплоты с уходящими газами определяется по формуле:
где Jух - энтальпия уходящих газов при 5 и Jух =2300 кДжм3
определяется по диаграмме;
- коэффициент избытка воздуха за экономайзером =135
- энтальпия воздуха при температуре в котельной tхв=30°C определяется по формуле: J°в=V°×Cв×txв=94×129×30=36881кДжкг
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания зависит от рода топлива и типа топочного устройства. При сжигании природного газа .
Потеря теплоты от наружного охлаждения для стационарных паровых котлов принимается =12% при производительности котла Q=10 [2 рисунок 2.29]. Распределение по отдельным элементам котельного агрегата производится пропорционально количеству теплоты отдаваемому продуктами сгорания в соответствующем элементе и учитывается введением коэффициента сохранения теплоты : q5 12
hбр=q1=100- (q2 +q3 +q5 ) =100- (543+05+12 ) = 9287 %
Полное количество полезно используемой теплоты Q1 для производства водяного пара определяется по формуле :
где D - паропроизводительность агрегата D=25000 кгч ;
i" i' iп.в - энтальпия соответственно сухого насыщенного пара котловой и питательной воды при P=10 МПа i’’=2777кДжкгi’=7626кДжкг приt=17988°c
П - процент непрерывной продувки принимается равным 3%.
Расход топлива подаваемого в топку определяется по формуле:
B =Q13600×Qрр ×hбр × 100 =5877638753600×33160×9287=0.53 м3с
Расчет теплообмена в топке.
Топка парового котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой. Перенос теплоты в топке от факела горящего топлива и высокотемпературных продуктов сгорания к экранным поверхностям нагрева осуществляется в основном излучением. Поэтому расчет теплообмена в топке проводится с условием преобладающего влияния в сложном теплообмене радиационной составляющей.
Целью расчета является определение температуры продуктов сгорания на выходе из топки удельной нагрузки на единицу объема топки . Полученные при расчете значения должны находиться в пределах рекомендуемых [1].
Таблица 3: Расчет теплообмена в топке
Рассчитываемая величина
Формула и обоснование
Коэффициент избытка воздуха в топке
Теплота вносимая дутьевым воздухом
Qв=11×94×129×30=40019
Полезное тепловыделение в потоке
Qт=33160×(100-0.5)100+40019=3339439
Теоретическая температура горения
Лучевоспринимающая поверхность
Полная поверхность стен топки
Степень экранирования топки
Эффективная толщина излучающего слоя
Температура на выходе из топки
предварительно принимается
Суммарная поглощательная способность 3-х атомных газов
Pп× S=027×01×163=004
Коэффициент ослабления лучей 3-х атомных газов
Сила поглощения потока
Коэффициент теплового излучения несветящихся газов
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами
kс=03(2-11)×(16×10-3×1300-05)283=1214
Коэффициент теплового излучения светящейся частью факела
k=67×027+121=302 kps=302×01×163=049 xсв=039
Коэффициент усреднения
Коэффициент теплового излучения факела при сжигании газа
xф=01×039+(1-01)×026= =0273
Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности
Относительный шаг труб настенного экрана
Угловой коэффициент экрана
Коэффициент тепловой эффективности экранов
Тепловыделение в топке на 1 м. ограждающей поверхности
ВрQтFст=053×3339439 6422=2756
Температура газов на выходе из топки
Энтальпия газов на выходе из топки
Количество теплоты воспринятое в топке
Qл=0987 (3339439-24100)=917356
Среднее тепловое напряжение лучевоспринимающей поверхности нагрева
gл =053× 9173566046= =8042
Теплонапряжение топочного объема
gл =053×3316029.0 =60603
Расчет теплообмена в газоходе1 парового котла.
Целью расчета является определение температуры продуктов сгорания на выходе из газохода и количества теплоты воспринятое поверхностью нагрева газохода.
Из справочной литературы [4] и с чертежа парового котла в таблицу заносятся основные конструктивные характеристики газохода.
Таблица 7: Конструктивные характеристики газохода
Расчетные шаги труб:
Число труб пересекаемых потоком газов
Число рядов труб по ходу газов
Живое сечение для прохода газов
Эффективная величина излучающего слоя
S=(1.87×220+9551-4.1)51= 0379
При расчете конвективной поверхности котла предварительно принимают два значения температуры на выходе из газохода. Для котла с одним газоходом принимаем =500°С и =300°С. По двум принятым температурам проводят параллельно расчеты.
После проведения расчетов действительную температуру продуктов сгорания за газоходом определяют графическим путем по величинам тепловосприятия рассчитанных по уравнениям теплового баланса Qб и теплопередачи Qт при двух ранее принятых температурах и Порядок определения искомого значения [5 рис.2].
Полученное действительное значение температуры продуктов сгорания на выходе из газохода будет являться температурой на входе в экономайзер.
Таблица 5: Расчет теплообмена в первом газоходе.
Температура газов на входе
Температура газов на выходе из газохода
Энтальпия присоса воздуха
DJэ=005×94×129×30=1819
Тепловосприятие газохода по уравнению теплового баланса
Qв=098(24650-16500+1819)=8062 Q в=098(24650-8624+ 1819)=158356
Средняя температура газов
uср=1320+9002=1110 uср=1320+5002=910
Средняя скорость газов в газоходе
Wср=053×1181×(273+1110) 1245×273=2546 Wср=053×1183×(273+910) 1245×273=2178
Коэффициент теплопередачи конвекцией
aк=1345×1×101×102=1386 aк=1263×1×101×102=1301
Рn×S=026×01×0379=0.01
kрS = 001×16 =016 kрS =001×184 =0184
Коэффициент теплового излучения
Температура обогреваемой среды
температура насыщения при давлении в барабане котла 075 МПа
Температура наружной поверхности загрязненной стенки
Коэффициент теплоотдачи излучением
ap =2036×099×017=345 ap =1383×099×023=3163
Коэффициент тепловой эффективности котельного пучка
Коэффициент теплопередачи
K1=085×(345+13856)= =1471 K2=085×(3163+1301)= =13744
Δt= 1320-900 = 2.3×lg(1320-17988)(900- - 17988)
=9141 Dt = 1320-500 = 2.3×lg(1320-17988)(500- - 17988 ) =64557
Тепловосприятие газохода по уравнению теплопередачи
Qт=1471×9141×1636 103×053 =415063
Qт=13744×64557×1636 103×053 =27388
По графику: Qг= 4700 кДж кг uд=1067°C
Расчет теплообмена во втором газоходе парового котла.
Таблица 7: Конструктивные характеристики второго газохода
S=(1.87×110+9551-4.1)51=0.174
Таблица 5: Расчет теплообмена во втором газоходе.
DJ=0.1×9.4×1.29×30= =36.38
Qб=098(19800-9700+ +3638)=100046
Qб=098(19800-3579+ +3638)=16046
uср=1067+5002=7835 uср=1067+2002=6335
Wср=053×1256×(273+7835)0851×273=302 Wср 053×1256×(273+6335) 0851×273=26
aк=1375×1×1×101=13888 aк=1275×1×1×103=13133
Рn×S=025×01×0174=0.004
kрS=315×0004=0126 kрS=34×0004=0136
ap =107×0988×011 =1162 ap=75×0981×0125 =92
K1=085×(13888+1162)= =12793 K2=085×(13133+92)= =11945
3×lg (1067-17988) (500-17988)
= 55627 Dt = 1067-200
3×lg (1067-17988) (200-17988)
Qт=12793×55627×196 103× 053=26317 Qт=11945×229×196 103× 053=10116
Qг= 14450кДж кг uд=280°C
Тепловой расчет экономайзера .
При поверочном расчете чугунного водяного экономайзера температура газов на входе принимается из теплового расчета газохода температура газов на выходе была предварительно принята .
Целью расчета является определение поверхности нагрева экономайзера Нэ. Экономайзер компонуется из отдельных чугунных ребристых труб длиной 3 м с поверхностью нагрева с газовой стороны fэ= 449 м2. и живым сечением для прохода газов . F = 0184 м2
Для заданного типа парового котла выбирается количество чугунных труб в ряду экономайзера n=9 [4 таблица 9.2.]. Проходное сечение для газового потока можно определить по формуле: Fэк =n×f = 9× 0184=1656
Таблица 9: Расчет экономайзера
Температура газов на выходе
Тепловосприятие водяного экономайзера
Qэ =098( 5500-2300+01×94×129×30) =319431
Количество питательной воды проходящей через экономайзер
Паропроизводитель-ность котла
Температура питательной воды на входе в экономайзер
Температура питательной воды на выходе из экономайзера
tэ=104+3600×31943×053 419×25000 =1622
Средняя скорость газов
Wср=053×1348×(200+273) 1656× 273 =75
Dt =200-(104+1622) 2 =669
Расчетная поверхность нагрева
Нэ =103×31943×0532098× ×669 =12062
Число горизонтальных рядов
Определение невязки теплового баланса котла.
Невязка теплового баланса котла
DQ=Qрр=hбр–(Qp +Qг +Qэ)=33160×09287–(917356+4700+14450+319431)=-72218
Относительная невязка
dQ = × 100% = 100 % = 22 %
Окончательные данные поверочного расчета парового котла сводятся в таблицу 10.
Таблица 10. Данные теплового расчета парового котла ДЕ25 – 14 ГМ топливо – природный газ 33160 МДжкг(м3) расход 053 кгс.
среда поверх-ность нагрева
Тепловосприятие поверхности Q
Коэффициент теплопередачи k
Поверхность нагрева F м2
Тепловой расчет котельного агрегата (нормативный документ) под редакцией Кузнецова Н.В. Митора В.В. Дубовицкого И.Е. и др. - 2-е изд. переработанное - М.: Энергия 1973. - 295 с.
Делягин Г.Н. Лебедев В.И. Пермяков В.А. Теплогенерирующие установки: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат 1986. - 559 с.
Липов Ю.М. Самойлов Ю.Ф. Вишневский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла.: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат 1988. - 208с.
Роддатис К.Ф. Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат 1989. - 487 с.
Артеева Л.В. Поверочный расчет парового котла: Методические указания. - Ухта: УИИ 1997. - 36с.

ДЕ 25-14ГМ.dwg