Санкт-Петербургский  энергетический техникум 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 
 

      По  предмету Котельные установки         . 

      По  специальности  .   140101    курс    4            .

      Тема Реконструкция котла          .

            .       Е 160-100 ГМ               . 
 
 
 
 
 

                      Разработал: .                                  Безверхов И.А.

                      Руководитель: .                                 Городецкая И.Л..

                      Нормоконтролер:  

                                                                                                                                                     ^{Подпись                                                                         Фамилия} 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2008

Пояснительная записка

          1 ОПИСАНИЕ КОТЛА ДО РЕКОНСТРУКЦИ……………………..3

          2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ  КОТЛА ……………………………………...4

  2.1 Технические характеристики топлива………………………..4

        2.2 Присосы и избытки  воздуха по газоходу  котла …………........4

        2.3 Расчёт объёмов  продуктов сгорания  …………………………..5

        2.4 Расчет энтальпий  продуктов сгорания  ……………………….6

        2.5 Тепловой баланс котла …………………………………………..7

        2.6 Расчёт топки  ………………………………………………………9

               2.6.1 Конструктивные  характеристики топки  ……………..9

               2.6.2 Тепловой расчёт  топки …………………………………..10

       2.7 Расчёт пароперегревателя  ………………………………….......11

               2.7.1 Конструктивные  характеристики ширм  ………….......12

               2.7.2 Тепловой расчёт  ширм ……………………………………12

               2.7.3 Расчёт теплообмена  в III конвективной ступени …….13

               2.7.4 Расчёт теплообмена  в I конвективной ступени …........13

        2.8 Расчёт экономайзера  ……………………………………………..14

               2.8.1 Конструктивные  характеристики экономайзера  ……..14

               2.8.2 Расчёт теплообмена  в экономайзере  ………………........15

        2.9 Расчёт РВП ………………………………………………………...17

               2.9.1 Тепловой расчёт  РВП ……………………………………...17

               2.10 Расчет невязки  баланса ……………………………............18

        3 Выводы по реконструкции…………………………………………19

    Список литературы…………………………………………………..20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Котёл Е 160-100 ГМ с естественной циркуляцией. Компоновка

                                                  П-образная.

Основные  технические характеристики

 
Давление  перегретого пара Рпп = 9.8 МПа Температура перегретого пара t_ПП = 540 °С Температура питательной воды t_ПВ = 210 °С Паропроизводительность D=160 т/ч

         Основным топливом является газ, резервным мазут. Топка призматическая, экраны гладкотрубные из труб Ø 60×4 мм, с шагом 64 мм. Вверху трубы заднего экрана образуют аэродинамический выступ. На горизонтальной стенке в три ряда расположены 12 газомазутных горелок. Экраны объединены вверху и внизу в секции коллекторами. Верхние коллекторы подвешены к верхнему перекрытию каркаса с помощью подвесок. Нижние коллекторы при растопке свободно перемещаются вниз. Четыре пояса жесткости скрепляют секции. Материал труб сталь 20.

На  котле применена  двухступенчатая  схема испарения: часть пароводяной смеси из экранов поступает в барабан, часть в четыре выносных циклона, которые образуют солёный отсек.

         Пароперегреватель радиационно-конвективного типа. Сухой насыщенный пар из барабана направляется по потолочным трубам в первую конвективную ступень, расположенную в верхней части опускного газохода из них в горизонтальные ширмы, из ширм в третью конвективную ступень, расположенную в верхней части опускного газохода и далее идёт на турбину. Трубы Ø 32×4, ширмы и третья ступень выполнены из стали 12Х1МФ, первая ступень из стали 20.

Крепление ширм и третьей  ступени осуществляется на подвесных трубах, крепление первой ступени на стойках, опирающихся на балки, проходящие сквозь газоход  котла. Для регулирования  температуры перегретого пара в коллекторах установлены два впрыскивающих пароохладителя.

         Экономайзер змеевикового типа из труб Ø 32×3,5 мм, сталь 20, расположение труб шахматное, змеевики параллельны фронту, крепление на стойках, три пакета труб высотой 1,5 м, зазоры для лазов 800 мм.

Для подогрева воздуха  два РВП-3600 со скоростью  вращения 2 об/мин. Для  защиты холодной части  РВП от сернокислой  коррозии при работе котла на мазуте предусмотрен предварительный  подогрев воздуха  в паровом калорифере, до

60-80 °С.

         Обмуровка котла трёхслойная: огнеупорный слой, теплоизоляционные плиты, штукатурка.

         В топке обмуровка натрубная, в конвективной шахте накаркасная.

         Каркас из 8 колонн верхнего перекрытия балок, выполнен из стали 20. Для обслуживания предусмотрены лестницы и площадки. 

         2. Тепловой расчет котла

            2.1 Технические характеристики топлива 

Газопровод: Дашава – Киев

Объёмный  состав газа, %

CH₄ – 97,1%

C₂H₆ – 0,3%

C₃H₈ – 0,1%

C₄H₁₀ – 0,0%

C₅H₁₂ и более тяжелые – 0,0%

N₂ – 2,4%

CO₂ – 0,1%

H₂ – нет

Теплота сгорания низшего, сухого газа Q^C_H=35,04 мДж\м³ 

            2.2 Присосы и избытки воздуха по газоходу котла 

Рисунок 2.1 Эскиз газахода

 

Котел газоплотный, присосы в газоходе Δα=0

Коэффициент избытка воздуха в топке α =1,16

Δα_рвп=0,2

α_рвп= α_ух= α_эк +  Δα_рвп=1,36

            2.3 Расчёт объёмов продуктов сгорания 

Теоретический объём воздуха  9,32 м³/м³

Теоретический объём водяных  паров  2,11 м³/м³

Объем трехатомных газов  0,98 м³/м³

Теоретический объём азота  7,38 м³/м³

Теоретический объём газов  =7,38+0,98+2,11=10,47 м³/м³ 

Данные  смотри по табл. П4.2 (мазут) или П 4.3 (газ) [1]

Расчет  объёмов продуктов  сгорания по газоходу котла приведены  в табл. 2.1 
 

Таблица 2.1 Объемы продуктов сгорания. 

            2.4 Расчет энтальпий продуктов сгорания

Нг° и На⁰ взяты из П4.2 (мазут) и П4.3 (газ) 

                                  Таблица 2.2: Энтальпии продуктов сгорания. 

            2.5 Тепловой баланс котла 
 

Рисунок 2.2 Схема  « вода-пар »

Р_пв=11 МПа

t_пв=212 ⁰С

h_пв=923,7 кДж/кг

Р_пе=9,3 МПа

t_пе=538⁰С

h_пе=3574,5 кДж/кг

Р_б=10,45 МПа

t_н=313,86 ⁰С

h^’=1425,8 кДж/кг

h^”=2717,1 кДж/кг

Р_б=Р_пе+0,1Р_пе=10,45 МПа

P_пв=P_б+0,05P_б=11 МПа

Таблица 2.3 Тепловой баланс 

            2.6. Расчёт топки

Рисунок 2.3 Эскиз топки 

            2.6.1. Конструктивные характеристики топки

1. Диаметр и толщина труб (чертёж) d×δ=60×4 мм

2. Шаг трубы (чертёж) S₁=64 мм

3. Ширина топки сверху (чертёж) a=7140 мм

4. Глубина топки  (чертёж) b=4416 мм

5. Поверхность фронтовой  стенки (чертёж) F_ф=110 м²

6. Поверхность задней стенки (чертёж) Fз=78 м²

7. Поверхность боковой стенки (чертёж) F_б=68 м²

8. Поверхность пода (чертёж) Fпода=28,4 м²

9. Поверхность выходного окна (чертёж) Fвых=37,3 м²

10. Суммарная поверхность стен (чертёж) Fст=389,7 м²

11. Объём топочной  камеры V_m=а•F_б=483 м³

12. Эффективная толщина  излучающего слоя (формула 4.38 [1] ) S=4,5 м

13. Отношение S₁/d=1,06

14. Расстояние от  оси крайней трубы до обмуровки (чертёж) е=40 мм

15. Отношение е/d=0,66

16. Угловой коэффициент экранов (формула 4.31 [1]) х=0,988

17. Степень экранирования топки (страница 46 {1}) χ=0,975

18. Лучевоспринимающая поверхность топки Н_Л=(F_ф+F₃+2F_б) χ+F_вых+F_пода=381,6 м²

            2.6.2. Тепловой расчёт топки 

1. Коэффициент избытка  воздуха в топке  α_m=1,16 (задано)

2. Температура горячего воздуха t_гв=256°С (задано)

3. Энтальпия горячего  воздуха (по таблице  2 расчёта, графа «воздух» интерполяция)

 кДж/кг(м³)

4. Тепло, вносимое  воздухом в топку  (по формуле 4.18 [1])

5. Полезное тепловыделение в топке (по формуле 4.17 [1]) кДж/кг(м³)

6. Теоретическая температура горенияλ=1950 °С

7. Высота расположения осей горелок (чертёж) h_г =3,5 м

8. Высота топки (чертёж) Нm=18 м

9. Относительное положение максимума температур

X_m =h_г/H_m  =3,5/18= 0,19

10. Объёмная доля  водяных паров (из таблицы 2.1 расчета) r_H2O =0,176 м³/м³

11. Объёмная доля  трёхатомных газов (из таблицы 2.1 расчета) r_n =0,257м³/м³

12. Давление в топке  (стр. 42 [1]) Р=0,1 МПа

13. Произведение P_nּS =Pּr_nּS=0,1ּ0,257ּ4,5=0,115 МПаּм

14. Коэффициент ослабления  лучей сажей (формула 4.43 [1])

15. Коэффициент ослабления  лучей трёхатомными газами (рисунок 6.12 [1])К_Г =3

16. Оптическая толщина  светящейся части  пламени 

(КРS)св=(Кгּr_n+Кс)ּPּS= =(5ּ0,32+1,43) 0,1ּ4,5=0,958

17. Оптическая толщина  несветящейся части пламени (смотри стр. 43 [1])

(КРS)г = Кгּr_nּPּS=3ּ0,257 ּ0,1ּ4,5)=0,3469

18. Коэффициент усреднения  факела (таблица 4.9 [1]) m=0,1

19. Коэффициент излучения  светящейся части  пламени (рисунок 4.3 [1]) ε_св=0,62

20. Коэффициент излучения несветящейся части пламени (рисунок 4.3 [1]) ε_г=0,35

21. Коэффициент излучения факела ε_ф=mּε_св+(1-m)ּε_г =0,1ּ0,62+(1-0,1) 0,35=377

22. Коэффициент М (формула 4.26 [1]) М=0,52-0,52ּХ_Т=0,52-0,5ּ0,19=0,425

23. Параметр B_pּQ_m/F_cm=3,56ּ38680/389,7=353,35кВт/м²

24. Коэффициент загрязнения экранов (таблица 4.8 [1]) ξ=0,65

25. Коэффициент тепловой  эффективности экранов  ,где х из пункта 2.6.1

ψ=xּξ=0,988ּ0,65=0,642

26. Температура газов  на выходе из  топки (рисунок  4.4 [1]) 1250 °С

27. Энтальпия газов  на выходе из  топки (по таблице  2.2 расчёта, графа  «топка» интерполяция) 23341кДж/кг(м³)

28. Количество тепла воспринимаемое в топке

Q_Л =φ(Q_m - )=0,994(38680-23341)=15246 кДж/кг(м³)

29. Средняя тепловая  нагрузка с поверхности  нагрева в топке  (формула 4.49 [1])

q_л=B_pּQ_Л/Н_Л=3,56  ּ15246/381,6=142,2 кВт/м²

30. Теплонапряжение топочного объёма q_ν =B_pּQ^p_н/V_T =3,56 ּ35040/483=258,2 кВт/м³ 
 
 

            2.7. Расчёт пароперегревателя 
 

                Рисунок. 2.4 Схема пароперегревателя 
 

            2.7.1 Конструктивные характеристики ширм

1. Диаметр и толщина  труб (чертёж) d×δ=32ּ4 мм

2. Шаг между ширмами  (чертёж) S₁=775 мм

3. Количество ширм  Z₂ =9 шт

4. Лучевоспринимающая  поверхность ширм  H_л.ш=50 м²

5. Полная поверхность  нагрева ширмового  пароперегревателя H_n=150 м²

6. Расчётная поверхность  нагрева ширм Н_р=Н_п–Н_лш=100 м² 
 

            2.7.2. Тепловой расчёт ширм

         Цель расчёта - определить температуру пара на выходе из ширмового пароперегревателя по условию теплообмена в нём.

1. Температура газов на входе в ширмы (из расчета топки) 1250⁰С

2. Энтальпия газов  на входе в ширмы  23341 кДж/кг

3. Коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен топки и ширм

β=A\U”_т=700\1250=0,56

4. Лучистое тепло  воспринятое ширмами из топки

Q_лш=βּ(Q_лּ В_р/Н_л)ּ(Н_лш/В_р)=0,56 ּ142,2 ּ(50/3,56)=1118,426

5. Температура пара  на входе в ширмы  (принимается по  согласованию

  с преподавателем) 400⁰C

6. Энтальпия пара  на входе в ширмы  (таблица III [2]) 3098,5кДж/кг(м³)

7. Температура пара  на выходе из  ширм (принимается со следующим уточнением)

500⁰С

8. Энтальпия пара  на выходе из  ширм (таблица Ш  [2])

3374,1 кДж/кг(м³)

9. Тепловосприятие  ширм по балансу; D_впр2= 1,5 – 2 кг/с – расход воды

на  впрыск(принять)

D_ш–расход пара через ширмы;

D_ш=D–D_впр2=44,7-2=42,7кг/с

D=161/3,6=44,7кг/с

Q_бш=(D_ш/В_р)( - )–Q_лш=(42,7/3,56)(3374,1,4-3098,5)-1118,426=2187,07 кДж/кг(м³)

10. Энтальпия газов на выходе из ширм

23341-(2187,07/0,994)=21141 кДж/кг(м³)

11. Температура газов  на выходе из  ширм (таблица 2.2 расчёта,  графа «топка», 

интерполяция) 1150°С

12. Средняя температура  газов (1250+1150)/2=1200⁰С

13. Средняя температура пара (400+500)/2=450⁰С

14. Коэффициент теплоотдачи  K=104 Вт/м²К

15. Температурный напор в ширмах 1200-450=750⁰С

16 Тепловосприятие ширм по условию теплообмена

Q_m=(H_pּKּΔt)/B_pּ10³=(100ּ104ּ750)/3,56ּ10³=2191 кДж/кг(м³)

17. Отношение Q_бּ100% /Q_m=2187,07 ּ100/2191=99,8%

            2.7.3. Расчёт теплообмена в III конвективной ступени

1. Температура газов  перед III ступенью (из расчёта ширм) 1150⁰C

2. Энтальпия газов  перед III ступенью (из расчёта ширм) 21141 кДж/кг(м³)

3. Энтальпия и температура  пара на входе  в III ступень (пункт 2.7.3.) t’=t₅=480⁰C;

h’=h₅=3308,6 кДж/кг(м³)

4. Температура и  энтальпия пара  на входе в III ступень (пункт  2.7.3.) t”=t₆=538⁰С;

h"=h₆=3574 кДж/кг(м³)

5. Тепловосприятие  ступени по балансу

Q_бIII =(D/B_p)ּ(h₆–h₅)=(44,7/3,56)(3574-3308,6)=3330,7 кДж/кг(м³)

6. Энтальпия газов за III ступенью

21141-(3330,7/0,994) =17790кДж/кг

7. Температура газов  за III ступенью (по  таблице 2.2 расчёта,  графа «пароперегреватель»,  интерполяция) 965⁰C 
 
 

            2.7.4. Расчёт теплообмена в I конвективной ступени

1. Температура газов  на входе в I ступень (из расчёта  Ш ступени)

965⁰C

2. Энтальпия газов  на входе в I ступень (из расчёта  III ступени)

17790 кДж/кг(м³)

3. Температура и энтальпия на выходе из I ступени (пункт 2.7.3.)

t”=t₂=420⁰C; h”=h₂=3138,9кДж/кг(м³)

4. Температура и  энтальпия пара на входе в I ступень (пункт 2.7.3.)

t’=t₁=313,86⁰C

h’=h=2717,1 кДж/кг(м³)

5. Тепловосприятие ступени по балансу

Q_бI=(D₁/B_p)ּ(h₂ –h₁)=(40,7/3,56)(3138,9-2717,1)=4808,52 кДж/кг(м³)

D₁=D-Dвпр2-D_впр1=44,7-2-2=40,7

6. Энтальпия газов  на выходе из I ступени

17790-(4808,52/0,994)=12952,4 кДж/кг(м³)

7.Температура  газов на выходе  из I ступени (по  таблице 2.2 расчёта,  графа «пароперегреватель», интерполяция) 720⁰C

            2.8. Расчёт экономайзера 

1.Входные  коллекторы

2.Выходные  коллекторы

3.Узел  крепления труб (стойки и балки)

4.Трубы  экономайзера

Рисунок. 2.5 Эскиз экономайзера 
 
 
 

            2.8.1. Конструктивные характеристики экономайзера

1. Наружный диаметр  и толщина стенки (чертёж) d×δ=32×3,5 мм

2. Поперечный шаг труб (чертёж) S₁=70 мм

3. Продольный шаг труб (чертёж) S₂=60 мм

4. Относительный поперечный  шаг σ₁ =S₁/d=2,18

5. Относительный продольный  шаг σ₂ =S₂/d=1,875

6. Количество труб  в ряду Z₁=41

7. Количество рядов по ходу газов (чертёж) Z₂=20

8. Взаимное расположение  труб шахматное

9. Ширина газохода (чертёж) а=7,104 м

10. Глубина газохода (чертёж) b_ш =2,9 м

11. Живое сечение  для прохода газов  F_г=аּb_ш–Z₁ּdּ(a–0,1)=11,5м²

12. Поверхность нагрева (чертёж) Н=664 м²

13. Толщина излучающего слоя (формула 6.40 [1]) S=0,122 м

14. Поверхность одного  ряда экономайзера Нряд = Н/Z₂ =664/19=33,2 м²

            2.8.2. Расчёт теплообмена в экономайзере

         Цель расчёта: определить новую поверхность нагрева экономайзера, в соответствии с заданием и определить объём реконструкции.

1. Температура газов  на входе в экономайзер  (из расчёта пароперегревателя, I ступень)

720⁰

2. Энтальпия газов  на входе в экономайзер    12952,4 кДж/кг(м³)

3. Энтальпия воды  на выходе из  экономайзера (формула  7.11 [1])

Q_S=Q_л+Q_бш+Q_III+Q₁=25572,2кДж/кг

 кДж/м

4. Температура воды  на выходе из  экономайзера (таблица  III [2], или страница 153 [1])

310⁰C

5. Температура и  энтальпия питательной воды (рисунок 2.2 расчёта) t_пв =212⁰С

h_пв=923,7 кДж/кг(м³)

6. Тепловосприятие экономайзера по балансу

 кДж/кг(м³)

7. Энтальпия газов на выходе из экономайзера

 кДж/кг(м³)

8. Температура газов  на выходе из  экономайзера (таблица  2.2 расчёта, графа «экономайзер», интерполяция) 310⁰С

9. Средняя температура  газов  ⁰С

10. Средняя температура воды ⁰С

11. Температурный напор  на входе в экономайзер  720-310=410⁰С

12. Температурный напор  на выходе из  экономайзера  310-212=98⁰С

13. Температурный напор  = =218,3⁰С

14. Температура загрязнённой стенки 25⁰С = 261+25 = 286⁰С

15. Обьём дымовых  газов (таблица 2.1 расчёта) = 11,985 м³/м³

16. Обьёмная доля водяных паров (таблица 2.1 расчёта) = 0,176 м³/кг

17.Обьёмная  доля трёхатомных  газов (таблица  2.1 расчёта) 0,257м³/м³

18.Средняя скорость газов (формула 6.7[1]) = 10,710 м/с

  19. Коэффициент теплоотдачи конвекцией (таблица 6.1 [1])

=98,8 Вт/м²·К

  20. Суммарная поглощающая способность трёхатомных газов =0,257·0,122·0,1 = 0,0031 МПа·м

       21. Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами (рисунок 6.12 [1]) К_Г =42

        22. Суммарная оптическая толщина запылённого потока (рисунок 4.3[1])

=  0,135

        23. Коэффициент теплоотдачи излучением ξ  = 7.1 Вт/м²·К

     24. Коэффициент тепловой эффективности 0,85

      25. Коэффициент теплопередачи К=60  Вт/м²К

        26. Поверхность экономайзера по условиям теплообмена

 м² 
 

27. Поверхность нагрева  одного ряда Н_ряд=33,2 м²

28. Новое количество  рядов по ходу  газа Z₂=Нр/Нряд=2068/33,2=62,2 рядов

Принимаю  60 рядов

Число рядов округляется до числа кратного четырём, так как в теплообменнике

расположение  труб шахматное.

Экономайзер надо скомпоновать в  пакеты высотой 1-1,5 м  с разрывами 0,8-1 м  для лазов и  определить новую  высоту, которую занимает в конвективной шахте  экономайзер. 

Принимаю 3 пакета, каждый высотой 1,18 м 

            2.9. Расчёт РВП

                                                      Рисунок. 2.6 Эскиз  РВП 
 

            2.9.1. Тепловой расчёт РВП

           Цель расчёта: уточнить заданную температуру горячего воздуха, которая может отличаться от принятой в задании ±40°С и уточнить температуру уходящих газов, которая может отличаться от принятой в задании на ±10°С.

1. Температура и  энтальпия горячего воздуха (из расчёта «топки») t_гв=256⁰С

3213,6 кДж/кг(м³)

2. Температура воздуха  на входе в РВП  (по заданию)  +30⁰C

3. Энтальпия воздуха  на входе в РВП  (таблица 2.2 расчёта,  графа «воздух», интерполяция)

533,1 кДж/кг(м³)

4. Отношение количества  воздуха на входе  в РВП к теоретически необходимому

1,16-0=1,16

5. Тепловосприятие РВП по балансу

 кДж/кг(м³)

6. Энтальпия и температура газов на входе в РВП (из расчёта экономайзера)

5297,4 кДж/кг(м³)

310⁰С

7. Энтальпия газов  на выходе из  РВП (уходящих  газов) 

8. Температура газов  на выходе из  РВП (уходящих газову по таблице 2.2 расчёта, графа

«РВП», интерполяция) 113⁰С

            2.10. Расчет невязки баланса 

Невязка теплового баланса

ΣQ=Q_л+Q_бш+Q_бIII+Q_б1+Q_бэк=33181,24 кДж/м³

 кДж/кг(м³)

2. Относительная невязка теплового баланса 0, 0046%

Допускается невязка не более 0,5%

         3. Выводы по реконструкции

           В разделе 2 выполнен тепловой расчёт котла Е-160-100 ГМ в соответствии с заданием. Из расчёта топки 1250⁰С, что соответствует рекомендации норм теплового расчёта и, следовательно, топка котла Е-160-100 ГМ реконструкции не требует. Из теплового расчёта ширм стало известно, что в них пар перегревается с t΄=400⁰С, до t˝=500⁰С. Для регулирования температуры перегретого пара работают два впрыскивающих пароохладителя. Расход воды на впрыск 1-D_впр1⁼2 м/с, расход воды на впрыск 2-D_впр2 =2 м/с. В III ступени пароперегревателя пар перегревается с t΄=480⁰С, до t˝=538⁰С, в I ступени с t=313⁰С, до t˝=420⁰С

           Экономайзер кипящий, вода в нём нагревается с t_пв=212⁰С, до t=330⁰С, поверхность нагрева экономайзера Н=2068 м². Он изготавливается из трёх пакетов по 20 рядов в каждом.

           В РВП воздух нагревается с t΄=+30⁰С, до t˝=256⁰С.  КПД котла

Для защиты от сернокислотной коррозии воздух предварительно нагревается до 30⁰С в паровом калорифере.

           После указанной реконструкции котёл Е-160-100ГМ пригоден для сжигания газа из газопровода Промысловка -Астрахань и работы на заданных параметрах. 

         Список литературы

1. Ю.М. Липов и  другие

«Компоновка и тепловой расчёт парового котла»    Издательство энергоатомиздат 1988

2. С.А. Ривкин

«Термодинамические свойства и водяного пара» Издательство энергоатомиздат 1984

3. Методическое пособие