2 Поверочный расчет котлоагрегата 

   2.1. Описание котлоагрегата 

   Газо-мазутные котлы типа ДЕ

   Газо-мазутные котлы типа ДЕ, разработанные А.А.Дорожниковым и сотрудниками  НПО ЦКТИ паропроизводятельностью от 4 до 25 т/ч (Бийский котельный завод) с давлением 14 кгс/м2. Они предназначены для выработки насыщенного пара идущего на технологические нужды промышленных предприятий. Топочная камера размещается сбоку от конвективного пучка, образованного вертикальными трубками, развальцованными в верхнем и нижнем барабанах. Котлы типа ДЕ состоят из: верхнего и нижнего барабанов, диаметром 1000 мм каждый, конвективного пучка, оборудованного вертикальными трубками диаметром 51*2,5мм, фронтального, боковых и задних экранов , образующих топочную камеру. Ширина топочной камеры одинакова для всех видов котлов ДЕ -1790мм. Конвективный пучёк имеет газовые перегородки для изменения направления потоков газа, в свою очередь он отделен от топочной камеры. Трубы парового экрана котлов производительностью от 4 до 10 т/ч приваривают к коллекторам, трубы котлов с производительностью от  16 до 25 т/ч развальцованы в барабанах.

   Изоляция  в котлах типа толщиной 100 мм, а обмуровка фронтальной и задней стенок из шламобетона. Снаружи обмуровка котлов покрыта металлической обивкой толщиной 2 мм. В отличии от парогенератора ДЕ-10-14 парогенератор ДЕ-16-14 имеет конвективный газоход без продольной перегородки и продукты сгорания в 1 газоходе, омывают поверхность нагрева, двигаясь от задней стенки к фронтальной. Возврат продуктов сгорания к задней стенке парогенератора производится по газоходу, расположенному под топочной камерой с выводом продуктов сгорания вверх. Это способствует удобному размещению водяного экономайзера.

   В парогенераторе предусмотрено двухступенчатое  испарение. Во вторую ступень испарения  выведены частично трубы конвективного  пучка. Общим спускным звеном всех контуров является последняя (по ходу продуктов сгорания) труба конвективного пучка.

   Спускные  трубы второй ступени испарения  вынесены за пределы газохода. На парогенерато-торах  производительностью от 16 до 25 т/ч  предусмотрена установка горелки  с предварительной газификацией топлива: ГМП. Для парогенераторов производительностью от 6,5 до 10 т/ч предусмотрена установка горелок использующих фронтовое устройство газомазутных парогенераторов. 

   Схема циркуляции котла ДЕ- 16-14 имеет два контура циркуляции. 

   Первый  контур: вода из верхнего барабана по опускной трубе, находящейся в обмуровке, поступает в нижний барабан, где она нагревается, и пароводяная смесь по экранным трубам поднимается в верхний барабан.

   Второй  контур: вода из верхнего барабана по слабообогреваемым  трубам конвективного пучка поступает в нижний барабан, и после нагревания в сильнообогреваемых трубах вновь попадает в верхний барабан.

  Схема циркуляции

Рис.  1. 

   Верхний барабан (1) служит для отделения  пара от воды с помощью сепарирующих устройств, а также в него подается питательная вода от системы водоочистки с последующей деаэрацией, а также для периодической продувки, Нижний барабан котла (2) служит для продувки котлоагрегата, а также играет роль шламонакопителя; загрязненная вода периодически удаляется в дренаж. Правый боковой экран (3) питается из нижнего барабана(2). Задний, фронтовой экран (5) питается из нижних коллекторов, получающих воду из нижнего барабана. В первой (по ходу движения продуктов сгорания) половине конвективных труб (6) пароводяная смесь поступает в верхний барабан, поэтому они называются подъемными (кипятильными). Во второй половине питательная вода движется к нижнему барабану, поэтому они называются опускными. Пар через паровую задвижку направляется к потребителю,овой экран (3) питается из нижнего барабана (2).

  Характеристика  котлоагрегата

   Таблица  1

          2.2 Выбор топочного устройства 

   Характеристика  топлива

   Газообразное  топливо состоит из механической смеси горючих и негорючих  газов с небольшой примесью водяных паров, смол и пыли, Очень важными свойствами газа являются токсичность и взрываемость. В природном газе в основном содержится метан (СН4) этан (С2Н6) и тяжелые углеводороды, а также негорючие газы - углекислый газ (С02) и азот СЫ). Природные газы состоят из 96° о метана, 2% этана, 0.5% тяжелых углеродов, 1.5% углекислый газ и азот. Природный газ при содержании его в воздухе от 3.8% до 7.8% (по объему) образует взрывоопасную смесь, ядовит, поэтому его одорируют. 

Состав  топлива

                                                         Таблица 2

   Выбор топочного устройства

   Газомазутные  горелочные устройства должны обеспечивать оптимальные условия для правильного смешивания топлива с воздухом, для горения смеси я передачи теплоты от факела к тепловоспринпмающим поверхностям нагрева. К ним применяются следующие основные требования : 
 
 
 

   б) Значение коэффициента избытка воздуха  должно выбираться таким образом , чтобы  обеспечивать минимальные потери теплоты . Содержание токсичных коррозионноактивных соединений в топочных газах не должно превышать предельно допустимых значений.

   в) Температурные поля в различных сечениях топки должны быть максимально выравнены с тем, чтобы не было локальных перегрузок экранных труб котла или чрезмерного приближения факела к экрану. 

     Конструкция газомазутного  горелочного устройства  ГМ 7. 

   Горелка  состоит из форсуночного узла, периферийной газовой части и одноразового возду-хонаправляющего устройства. В форсуночный узел входит паромеханические форсунки и устройства, предусматривающие установку смежной форсунки, которая включается на непродолжительное время, необходимое для замены основной форсунки. Распыляющее устройство это распыляющая головка, которая является основным узлом форсунки из парового и котельного завихрителя , распределительной шайбы, прокладки и втулки. Газовая часть горелки состоит из газового коллектора с газовыдающими отверстиями и газоподводящей трубой, Коллектор в сечении имеет прямоугольную форму, к торцу его приварен овод полукруглой формы. Внутри коллектора имеется разделительная обечайка, которая способствует равномерному распределению газа по коллектору. Воздух направляется в устройство, представляющее собой лопаточный завихритель осевого типа с профильными лопатками устанавливаемыми под углом 45°.

Горелка типа ГМ -7.

Рис. 2

1. Заглушка.

2. Мазутная форсунка,

3. Газовоздушная часть.

4. Лопаточный завихритель вторичного воздуха.

5. Лопаточный завихритель первичного воздуха.

6. Монтажная плитка.

   Потеря  теплоты с уходящими газами обусловлены  тем , что температура продуктов  сгорания. покидающих котлоагрегат, значительно выше температуры атмосферного воздуха. Потери теплоты с уходящими газами являются наиболыиим из всех потерь теплоты и зависят от вида сжигаемого топлива, нагрузки котлоагрегата, температуры и объема уходящих газов, температуры воздуха, забираемого дутьевым вентилятором. Для снижения потерь теплоты с уходящими газами следует стремится к уменьшению их объема и температуры. Однако объем уходящих газов не может быть меньше теоретического, а температура ниже температуры точки росы, во избежание конденсата водяных паров и продуктов сгорания. Температура, при которой водяные пары в продуктах сгорания находясь в агрегатном парцио-нальном давлении начинают конденсироваться, называется температурой точки росы.

   Согласно  рекомендациям Р.И.Эстеркина, температуру  уходящих газов принимаем 150°С.

2.4. Выбор хвостовых поверхностей нагрева

   Выбор типа хвостовой поверхности нагрева

   В производственно-отопительных котельных  устанавливаются котлоагрегаты  производительностью от 2.5 до 25 т/ч. Для получения этого количества пара в топках сжигается сравнительно небольшое количество топлива и образуется небольшое количество дымовых газов. Теплота, уносимая этими газами, недостаточна для подогрева воды в водяном экономайзере и воздуха воздухоподогревателя одновременно. Поэтому котлы типа ДЕ 10-14 ; оборудованы только одной поверхностью нагрева. В нашем случае более экономично в хвостовой поверхности установить водяной экономайзер, чтобы предотвратить низкотемпературную коррозию труб поверхностей нагрева котлоагрегата. 

   Водяной экономайзер

   Экономайзер благодаря применению труб небольшого размера является недорогой и компактной поверхностью нагрева, в которых эффективно используется теплота уходящих газов. Водяной экономайзер воспринимает до 18% общего количества теплоты. Гидравлическое сопротивление водяного экономайзера по расчету для парогенераторов среднего давления не должно превышать 8% рабочего давления в барабане. В зависимости от материала, из которого сделан экономайзер их разделяют на чугунные и стальные- Для рабочего давления котла 2.4 мПа экономайзеры изготавливают чугунными, а. выше давления 3-9 мПа из стальных труб. При подогреве воды в чугунных экономайзерах вода не доводится до кипения во избежание гидравлических ударов, приводящих к разрыву труб. Нагрев воды производится в чугунных экономайзерах на 20°, а в стальных на 40°ниже температуры кипения. 

  2.5. Расчетная часть.

Горение топлива 

   Горение — это процесс окисления горючего вещества, происходящий при высокой температуре и сопровождающийся выделением тепла.

   Определение теоретического объема количества воздуха, м ³/м ³                                                                                 

V⁰=0,0476[0,5 * СО + 0,5* Н₂ + 1,5 * Н₂S + ∑ (m + n/4) * С_m Н_n – O2 ] : М³/М³ 

(2.1)

Где : m – число атомов углерода ;                                                                              

n - число атомов водорода .

V⁰ = 0,0476*[0,5*0+0,5*0+1,5* 0+(1+4/4)*95,4+(2+6/4)*2,6+(3+8/4)*0,3

+(4+10/4)*0,2+(5*12/4)*0,2-0]

V⁰=9,72468 м³/м³ 

     Определение теоретического объёма азота в продуктах сгорания , м³/м³  

V⁰ _N2 = 0,79 *  V⁰ +N₂/100 м³/м³

                                                                                                                                           (2.2)

V⁰ _N2 = 0,79 *  9,72468 + 1,1/100 =7,6934 м³/м³                                                                                               
 

     Определение объёма трехатомных газов , М³/М³ . 

V⁰ _RO2 = 0,01* (СО₂ + СО + Н₂S + ∑ m C_mH_n ) ; м³/м³ .                                                      

                                                                                                                                            (2,3)

V⁰ _RO2 = 0,01*(0,2+ 0 + 0 + (1 *95,4) + (2 * 2,6) + (3 * 0,3) + (4 * 0,2) + (5 * 0,2); м³/м³ 

V⁰ _RO2  = 1,0350 м³/м³ 
 

     Определение теоретического объёма водяных паров м³/м³ . 
 

V⁰ _Н2О = 0,01*(Н₂S + H₂  + ∑ n/2 * СmHn  + 0,124 * d ) + 0,0161 * V⁰ ;  м³ /м³

(2.4) 

V⁰ Н2О = 0,01*( 0 + 0 + (4/2 * 95,4 ) + (6/2*2,6) + (8/2*0,3) + (10/2*0,2) + (12/2*0,2) + 

+ (0,124 * 10)) + 0,0161 *9,72468                                                                                         

V⁰ _Н2О = 2,1889; м³ / м³  
 
 

   Определение коэффициента избытка  воздуха в газоходе для каждой поверхности нагрева.

   Коэффициентом избытка воздуха называется отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому : 

α = Vφ  / V⁰

(2.5)

где V⁰ – теоретическое количество воздуха;

Vφ  - фактическое или действительное количество воздуха .

Для газообразного  топлива 1 ≤ α  ≤ 1,1 

а)  Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки 

α_т  = 1,05 – D > 10 т/ч                                                                                                             

                                                                                                                                         (2.6)

D – производительность котла; т/ч. 

б)  Коэффициент избытка  воздуха за конвективным пучком – α  _Kn 

α _Kn  = αт +   Δ   α _Kn

                                                                                                                                         (2.7)

где     Δ  α _Kn- присос холодного воздуха в конвективный пучок

α _Kn= 1,05 + 0,1 =  1,15                                                                                    

в)  Коэффициент избытка воздуха за водяным экономайзером – α_в.эк 

α_в.эк = α _Kn+  Δ α_в.эк       

(2.8)                                                                                                                                               

где Δ α_в.эк  - присос воздуха в водяной экономайзер  

α_в.эк  = 1,25 + 0,1 = 1,35 
 

Определение коэффициента избытка  воздуха по газоходам  котла.

                                                                                                                                                                        Таблица 3

     Количество тепла, содержащейся в воздухе или продуктах сгорания называется энтальпией воздуха или продуктов сгорания.

   При выполнении расчетов принято энтальпии воздуха  или продуктов сгорания относить к 1 кг сжигаемого твердого топлива или к 1м³ газообразного топлива. Расчет энтальпий продуктов сгорания производится при действительных коэффициентах избытка воздуха для каждой поверхности нагрева [ L, берем из таблицы 3 к.п. ] определение энтальпий сводится в таблицу  4 курсового проекта, где V_r – теоретический объем продуктов сгорания [ табл. 3 к. п. ]

   (CV)_в  -энтальпия 1м₃ воздуха кДж/м³ ;

   I⁰в - энтальпия теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур

   (CV)_RO (CV)_N2 (CV)_Н2О  - энтальпия 1м³ 3-атомных газов, азота, водяного пара [табл.3 к.п.]

   I⁰_изб- энтальпия теоретического объема продуктов сгорания

   I  -  энтальпия продуктов сгорания при α > 1

                                 Таблица 4

   При работе парового или водогрейного котла  вся поступающая в него тегшота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступающей в котлоагрегат, называется располагаемой теплотой и обозначается Q^p_p . Между теплотой, поступающей в котлоагрегат и покинувшей его должно существовать равенство. Теплота покинувшая котлоагрегат , представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанной с техническим процессом выработки пара. При тепловом расчете парогенератора или водогрейного котла, тепловой баланс составляют для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива. Тепловой баланс котла составляют принципиально к установившемуся тепловому режиму. При поверочном расчете котлоагрегата определяют КПД по оборотному балансу.

   Определение располагаемой теплоты, кДж / м³ [ таб.2, д.п.]

Q^p_p = Q^с _н =37430 кДж/м³  где Q^с _н – низшая теплота сгорания .     

   Определение теплоты с уходящими  газами, %

g₂ = (I_ху  - α _ух  *  I⁰_х.в.)*(100 – g₄) : Q^p_p                                                                                                                                                                                                   

(2.9) 

     где I_ху - энтальпия уходящих газов, определяется при соответствующих значениях коэффициента избытка воздуха в уходящих газах [ табл.4, к.п.]

t_ух=150°С                                         I⁰_хв =39,8 * V⁰= 39,8 * 9,72468= 387,039 кДж/м³

α _ух = α _эк = 1,35                               g₂ = 0, т.е. топливо - газ

g2 =( 2984,0584 –1,35*387,039)*(100-0) : 37430 = 6,57% 

   Определение потерь теплоты от химической неполноты сгорания, %

g₃ = 0,5 %                                         g₆ = 0, т.к. топливо - газ.                                                                                                        

   Определение потерь теплоты от наружного охлаждения, %

g₅ = g_5ном * (D_ном : D )    где -g_5ном = 1,7 %     

   Опред еление КПД бру тто парового котла из уравнения теплового баланса, %

η_бр = 100 – ( g₂ + g₃ + g₄ + g₅ + g₆ ), %

(2.10)

η_бр = 100 – (6,57 + 0,5 + 0 + 1,7 + 0 ) = 91,22 %   

   Определение полезной мощности парового котла

Q_п.г. = D_П.Е. ( i_П.П. – i _П.П.)  + D_Н.П. (i_Н.П. – i_П.В.) + 0.01 * P (D_П.Е. +  D_Н.П.) * ( i _кип – i_п.в. )  

(2.11)                    

где – D_П.Е. = 0 – расход выработанного переднего пара, кг / с                                                 

         D_Н.П. - расход выработанного насыщенного пара, кг / с

         D_Н.П. - 10000 / 3600 = 2,7778 кг / с

P  - непрерывная продувка парового котла , % учитывается только при P = 2% ; P = 3% .

Q_П.Г. = 2,777 (2790 – 435,8 ) + 0,01 * 3 ( 0 + 2,77 ) * ( 828 – 435,8 ) = 6564,5897 к Вт

   Определение расхода топлива, м³ / с

В_П.Г. = Q_П.Г. :(Q ^p_p *  η_бр) *  100                                                                                                                    

(2.12)

где  Q_П.Г. -  полезная мощность парового котла

       Q ^p_p  - располагаемая теплота, кДж /м³

      η_бр - КПД брутто парового котла

       В_П.Г. = ( 6383,794 / 37560 х 91,17) х 100 = 0.2 М³ / С

   Определение коэффициента сохранения теплоты

φ = 1 – g₅ : η_бр + g₅

φ = 1 – 1,7 : (91,22 +1,7)=0,981     

(2.13)

2.8. Расчет топочной камеры

   Расчет  топочных камер заключается в  определении температур продуктов  сгорания на выходе из топки и количества теплоты, отданного дымовыми газами экранной поверхности нагрева. В конце курсового проекта проверяется надежность работы топочной камеры.

   В современных теплогенераторах , топочная камера частично экранирована, поэтому, в результате лучистого теплообмена, между газами и экранными поверхностями, температура газов снижается. Лучистый теплообмен, в топочной камере, зависит от площади поверхности экранных труб, от полезного тепловыделения в топке, от частоты поверхности экранных труб, от вида сжигаемого топлива.

   Перед началом расчета топочной камеры составляем эскиз топки по чертежам котлоагрегата, для определения  её геометрических размеров и дальнейшего  расчета площади поверхности стен и объёма топки.

     Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топки для газа в пределах от 1050°С. Для этой температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки. [таблица 4 к.п.]

Т=1050°С

I^\\ _топки = (17749,5565 + 19729,4678) : 2 = 18739,5121 кДж/м³                           

   Определение полезного тепловыделения

Qт = ( Q ^pp х ( 100 - g3 ) / 100 ) + QB                         

(2.14)

где Q_B – теплота уносимая в топку воздухом, кДж/м³

Q_{B =} α_т * I_хв = 1,05 * 387,039 = 406,39095

I_хв = V° * 39,8 = 9,72468 * 39,8 = 387,039 кДж/м³

I_хв – энтальпия теоретического объема холодного воздуха

g  = 0,5   Q^p_p = 37430 кДж/м³

Q_Т  = 37430 * ((100 – 0,5) : 100 )) + 406,39095 = 37649,24095 кДж/м³

   Определение коэффициента тепловой эффективности экрана

ψ = χ  * ζ  

(2.15)

где  χ - угловой коэффициент , который  равен отношению количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность  к энергии излучения всей полусферической  излучающей поверхности ;

ζ - коэффициент загрязнения, учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева из-за их загрязнения (лит. 6, стр.62, табл. 5.1.)

ζ = 0,65         

ψ  = 0,6 5 * 1 = 0,65                                                                           

   Определение эффективности толщины излучаемого слоя, м

S = 3,6 * Vт : Fс.т.                    S = 3,6 *  17,2 : 42,73 = 1,45 м                                                                                                                                                                            (2.16)

где V_т - объем топочной камеры, м³                                                                                    

F_cт - площадь поверхности стен топочной камеры, м³

   Определение коэффициента ослабления лучей к(мМпа) ^-1

   При сжигании жидкого или газообразного топлива k зависит от коэффициента ослабления лучей 3-х атомными газами – k_r  и коэффициента ослабления лучей – k_c

k= k_r * k_n + k_c                                                                

(2.17)

где r - суммарная, объемная доля 3-х атомных газов (табл. 3, к.п.)   r = 0,2824                  

k_r - ( лит. 4, стр. 63, табл. 5.4.) или по формуле

k_r =  (7,8 + 16 * rН2О) : (31,16 * vPn * S ) * ( 1 – 0,37 ( Т_т^\\ : 1000 ) , (м * мПа ) ^–1

k_r = 9

k_с = 0,3 *(2* α_т) * 1,6* (Т”_т:1000) * (С^р : М^р)

Т_т^\\ -  абсолютная температура на выходе из топки     (Т_т^\\   - 1323 К )

αт  - 1,05

С^РН^Р - содержание углеводорода и водорода в рабочей массе топлива при сжигании природного газа.

С^р /Н^р  = 0,12 Σ m/n * С_m * H_n

С^р /Н^p = 0,12 * ( 1/4 * 95,4 + 2/6 * 3,6 + 3/8 * 0,3 + 4/10 * 0,27 + 5/12 * 0,2) = 3,08826 (м * мПа)^-1

Kc = 0,3 ( 2 – 1,05 ) * ( 1,6 * (1323 : 1000 ) – 0,5 ) * 3,088 = 1,29

отсюда,            

k = 9 * 0,2824 + 1,29 – 3,83 (м х мПа)^-1 

   Определяем  степень черного  факела

α _ф = m * α_св + ( 1 – m ) * α_r        

(2,18)

где m - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела

m =0,1

α_cв - степень черноты светящейся части факела, та, которой обладал бы факел при заполнении всей топки, только светящейся частью пламени.

α_св = 1 – ехр[-(k_r*R_n+k_c)PS]

где е - основание  натурального логарифма

      p- давление в топке для котлоагрегатов, работающих без продува Р = 0,1 мПа

     α₁ - степень черноты несветящихся 3-х атомных газов

α_св = 1 – e^{–(9*0,2828+1,29)*0,1*1,45} = 0,4263

α₁ =1- е ( kr * rn ) PS

α_r = 1- e^{-( 9*0.2824*0.1*1.61)} = 0.33413

  α_св = 0,4263

α_r = 0,33413 

α_ф = m * α_св + ( 1 – m ) * α_r = 0,1*0,4263 + (1-0,1)*0,33413 = 0343347

n – число труб расположенных в газоходе;

из чертежа  топки определяем поперечный (S₁) и продольный (S₂) шаг трубы

Z₁ = 6 – число труб в ряду;

Z₂ = 41 – число рядов по ходу сгорания;

N = Z₁*Z₂ = 6*41 = 246 (шт)

S₁ = 110мм,  S₂ = 90мм

H – 3,14*0,056*1,98*246 = 85,65 м² 

  Определение степени черноты  топки

α_т = α_ф :(α_ф + ( 1- α_ф )Ψ_ср)

(2.19)

Ψ_ср - среднее значение коэффициента эффективности экранов.        Ψ_ср=(Ψ_пр.б.э*F_пр.б.э+Ψ_л.б.е.*F_л.б.е.+Ψ_пот.*F_пот.+Ψ_под.*F_под.+Ψ_зад.э*F_зад.э+Ψ_фр*F_фр.) / F_сm= 0,65                                                                                                                         αт = 0343347 : (0,343347 + (1-0,343347)*0,65) = 0,44589

   Определение параметров М

Параметр М  учитывает распределение температуры топочной камеры. Он зависит от максимального положения температуры пламени, по высоте топки 

М = 0,48 (принимаем  по В.В. Померанцеву, лит.б, стр.67)

М=0,54-(0,2* 0,274) =0,48     

   Определение средней суммарной  теплоёмкости продуктов  сгорания на 1 м³ сжигаемого газа, кДж (м³ К)

Vср = (Qт - Iт\\ )/ (Tα - Tт\\)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

(2.20)

где T_т” - температура на выходе из топки принятая по предварительной оценки, К

T_α - теоретическая температура горения в (К), [табл. № 4 к.п.] по Q равному энтальпии продуктов сгорания;

Q_т - полезное тепловыделение в топке;

T_т” -энтальпия продуктов сгорания [таб. № 4 к.п. по принятой на выходе из топки температуре]

Qт = 37649,24095

I_т” = 18739,5121

 Т_т”=1323

Ta = 273 +1900 + ((37649,24095 – 36366,2520) / (38504,1913 – 36366,2520) * 100 =

= 2233,010541

Vср = (37649,24095 – 18739,5121) / (2233,010541 - 1323) = 20,7796                                                                                                                              

    Определение действительной температуры на выходе из топки, °С. 

gт = ( Т_α / М * ((5,67 * ψ_ср *  F_ст * Q_т * ( T_α )3) / (1011 * φ * В_р * V_ср )0,6 ) +1) –273

(2.21)

где Т_α - теоретическая температура горения, К

ψср - среднее значение коэффициента эффективности экранов

Qт - степень черноты топки кДж/м³

φ- коэффициент  сохранения теплоты

Вр - расчетный  расход топлива, м³ /с

Fст - площадь поверхности стен топочной камеры, м²

Vср -теплоёмкость продуктов сгорания, кДж/м³ 

g_т = ( 2233,010541 / 0,485((5,67*0,632*42,717*0,44(2233,010541)³) / (10¹¹* 0,981* 0,19*20,7796)^0.6)+1) - - 273 =1016 

     Определение удельной нагрузки топочного объёма

qv = В_р * Q^p _H  / V_T  

(2.22)                                                 

qv  = 0,19 * 37430  / 17,2 = 413,47093 rDn/v₃

где В_р - расчетный расход топлива

Q^p _H - низшая теплота сгорания на 1 м³ газа

V_т - объем топочной камеры 

Расчет  конвективных поверхностей нагрева.

     Конвективные поверхности нагрева котлов играют важную роль в процессе получения пара и использования теплоты продуктов сгорания, попадающих в топочную камеру. Эффективность работы поверхностей нагрева зависит от интенсивности передачи тепла продуктам сгорания и пару. Продукты сгорания передают теплоту наружным поверхностям труб путем конвенции и излучения. Расчет выполняется для 1 м³ газа при нормальных условиях. При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

    Определяем площади поверхности нагрева, расположенные в рассчитываемом газоходе.

H = π d I_ср n , м³

d =  0,056 - наружный диаметр труб;

I - длина труб в газоходе

   Расчет  первого конвективного  пучка.

Определение температуры  продуктов сгорания:

задаёмся температурой сгорания продуктов, °С

t = 300 °С                               t = 500 °С

   Расчет  ведем для обеих  выбранных температур

Определяем теплоту  отданною продуктами сгорания

Q_Б = φ * ( I’ – I’’ + Δακ * I°_пр ) ; кДж/м³

(2.23)          

φ- коэффициент  сохранения теплоты φ = 0,98 %

I’  - энтальпия  продуктов сгорания перед первым  конвективным пучком.

I" - энтальпия  продуктов сгорания после первого  конвективного пучка ( берём по  таблице 4 к. п. для двух выбранных температур )

I’₃₀₀ =5265,2016 кДж/м3                                        I"₅₀₀ = 9002,8840 кДж/м3

Δακ - присос воздуха  в конвективной поверхности нагрева    Δακ  = 0,05

  Q_б=0,98 *(18066,34–5265,2+                                Q_б = 0,98*(18066,34-9002,8840+

          +0,05*387,039) = 13231,68                                   +0,05*387,039) = 9927,034

   Определяем  температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе,°С

g  = g’- g" / 2 ,

(2.24)

где g’ – действительная  температура на выходе из топки

 g"   - заданная температура. 

g’ =  (1016 + 300) / 2 = 685                                     g" = (1016 + 500) / 2 = 758

   Определяем  среднюю скорость продуктов сгорания на поверхности нагрева, (м/с)

W_r  = B_p * V_r * ( ν * 273 ) / (F * 273)

(2.25)

ν - средняя расчетная температура продуктов сгорания, °С

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания - 0,41 м/с

Wr300  = 0,19*11,9077* (658+273) / 0,41*273 = 18,89

Wr500 = 0,19* 11,9077 * (758+273) / 0,41*273 = 20,8

   Определяем  коэффициент теплоотдачи  конвекции  от  продуктов  сгорания  (Вт/м²K)

αк = αн * Cz * Cs * Cф 

(2.26)

где  αн - коэффициент теплоотдачи (лит. 6, стр.71)

αн  = 97                                                             αн = 107

Cz -  поправка на число труб по ходу продуктов сгорания (лит.б, стр.71)

Cs - поправка на компоновку пучка; Cs = 1

Сф - коэффициент, учитывающий влияние, изменения физических параметров потока (лит.1, стр.71, рис.6.1.)                                                                                                                                                                 Сф = 1,13                                                        Сф =1,1                                                                                                  αк = 97*0,97*1,13 = 106,32                            αк = 107*0,97*1,1 = 114,16

   Определить степень черноты газового потока

При этом необходимо вычислить необходимую суммарную  оптическую величину                                      k_ps  = (k_r * r_n) * P * S

  (2.27)

где r n - коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами.

k _r – коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами.

k_r³⁰⁰ = 30 (м*Па)-¹                                           k _r⁵⁰⁰ = 28 (м*Па)-¹

r _n – суммарная объёмная доля трёхатомных газов (таб.3, к.п.) ;  

r n = 0.27

P – давление в газоходе без продува; P = 0.1мПа;

S – толщина излучаемого слоя;

S = 0,9*d*((4/ π)*(S₁* S₂)/d²)-1) = 0,9*0,056*4/3,14*((011,0,09/0,056²)-1) = 0,15; м

k_рs³⁰⁰ =30*02707*0,1*0,15 = 0,12                   k _рs⁵⁰⁰= 28*0,2707*0,1*0,15 = 0,11 

   Определение коэффициента теплоотдачи                                                                                                       α_л = α_н * d_ф * С_r

(2.28)

где α_л - коэффициент, учитывающий передачу теплоты излучения поверхности нагрева

      α_н - коэффициент теплоотдачи

      С_r - коэффициент пропорциональности

Для вычисления α_н * α * С_r, определяем температуру загрязнённой среды.

t - средняя температура окружающей среды для паровых котлов.

t₃ = 195 +25 = 220 ⁰C

α_л³⁰⁰ = 94* 1,152* 0,96 = 13,17                           α_л⁵⁰⁰ = 152 * 0,142 * 094 =20,28 

   Определение суммарного коэффициента теплоотдачи                                                                                          α1 = ζ (αk + αл)

(2.29)

где ζ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева; ζ = 1

α₁ = 1 *  (106,32 + 13,71) =120,03                     α₁ = 1 *  (114,16 + 20,28) =134,44 

   Определяем  коэффициент теплоотдачи, (Вт/м²K)

К = ψ  × α₁

(2.30)

где ψ - коэффициент  эффективности;  ψ  = 0,85

К = 0,85*120,03 = 102,025                                 К =0,85*134,44= 114,274 

   Определение воспринятого количества теплоты, (кДж/м³)

Q_T =(K*H*Δt) / (Bp*10³)

(2.31)

где -  Δt – температурный напор для испарительной конвективной  поверхности нагрева;

Δt = (υ’ - υ") / (2.3×Ig(υ’- t _кип) / (υ"- t_кип) ;

t _кип – температура кипения при давлении в паровом котле, ⁰С

Δt300= 348                                                            Δt500= 521,7

QT300 =(102,025*85,65*348) / (0,19*103) = 16005,14

QT500=(114,274*85,65*521,7) / (0,19*103) = 26874,6 

   Определяем  погрешность (Δ)

Q_p = 449 °C                                     Q_T³²⁴ = (K*H*Δt) / (Bp*10³)

(2.32)

Q_T³²⁴ = (102,025*85,65*374,3) / (0,23*10³) = 12720,86

Δt = (V’_т -Q_p) /(2,3 Ig(V_т”-195) /(Q_p -195))

Δt³²⁴ = 692 /(2,3 Ig(821 /129)) = 374.3

Q_б =  φ*(I’- I"+Δα_k*I°_прис)

(2.33)

Q_б³²⁴= 0,98*(18739,5121 – 5707,3059 + 0,05 * 387,039) = 12790,52 кДж/м³

Δ = ( ( Q_Б – Q_T) / Q_Б ) *100%

Δ = ( (12790,52-12720,86 ) / 12790,52)*100 = 0,4% 

   Расчет  второго конвективного  пучка. 

   Задаёмся температурой продуктов сгорания

t = 200 °С                                          t = 300 °С

   Определение теплоты отданной продуктами сгорания, (кДж/м3)

Q_Б =  φ*(I’- I"+Δα_k*I°прис)

(2.34)

I’ = 5707,3059                                                  I’ = 5707,3059

I" = 3732,1740                                                  I"  = 5658,08,34

Q_Б²⁰⁰ = (5707,3059 – 3732,1740 + 0,05*387,039)*0,98 = 1954,59

Q_Б³⁰⁰ = (5707,3059 – 5658,0834 + 0,05*387,039)*0,98 =67,20

   Определение расчетной температуры потока продуктов сгорания в конвективном  газаходе.

υ  = υ’+ υ" / 2 ,

(2.35)

υ’ = Qp + 200 /2 = 259,5                                       υ’ = Qp + 300 /2 =309,5 

   Определение средней скорости, м/с

Wr  = B_r * V_r * ( ν + 273 ) / (F * 273)

(2.36)                                                                                      

W_r²⁰⁰  = (0,19*13,387*(262+273)) / (0,41*273) = 12,15

W_r³⁰⁰  = (0,19*13,387*(312+273)) / (0,41*273) = 13,27 

   Определение коэффициента теплоотдачи  конвекцией от продуктов  сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2К 

α_к = α_н * C_z * C_s * C_ф

(2.37)

α_к = 108,989                                                              α_к = 115,005 
 

   Определение степени черноты  газового поток.  

k_рs =(k_r*r_n)*P*S;

(2.38)                                                                                      

S=0,15;    P=0,1;    r=0,2408

k_рs²⁰⁰ =40*0,2408*0,1*0,15=0,14                            k_рs³⁰⁰ = 38*0,2408*0,1*0,15=0,13 

   Определение коэффициента теплоотдачи. 

α_л = α_н * α * С_r

(2.39)                                                                                      

α_л²⁰⁰ = 40*0,139*0,98=5,44                                     α_л³⁰⁰ = 39*0,132*0,96=4,94

   Определение суммарного коэффициента теплоотдачи. 

α₁ = ζ (α_k + α_л)

(2.40)

ζ = 1.

α₁ = 1 *  (106,32+5,44) =111,76                               α₁ = 1 *  (114,96+4,94) =119,9 

   Определение коэффициента теплоотдачи 

К = ψ  * α₁

(2.41)

 ψ =0,85

К²⁰⁰ =  0,85*111,76=94,99                                       К³⁰⁰ = 0,85*119,9=101,9 

   Определение  воспринятого  количества   теплоты, кДж/м3 

Q_T = (K*H*Δt) / (B_p*10³)

(2.42)

Δt = (υ’ - υ") / 2,3*Ig((υ’- t _кип) / (υ"- t _кип))

(2.43)

Δt²⁰⁰ =38,19                                                              Δt³⁰⁰ = 116                                                            

Q_T²⁰⁰ =  (94,99*85,65*38,19) / (0,19*1000) = 1635

Q_T³⁰⁰ = (101,9*85,65*116) / (0,19*1000) = 5328 

   Определение погрешности (Δ)  

Q_p = 210 ºC                   

Q_б =  φ*(I’- I"+Δα_k*Iº_прис)

(2.44)

Q_б²¹⁰ = 0,98*(5707,3058 – 3924,7649+0,05*387,039) = 1765,8 

QT = (K*H*Δt) / (B_p*10³)

(2.45)

∆t =(Q_PI – Q_PII)/( 2,3Ig*(( Q_PI – 195)/ (Q_PII – 195))=

=(324-210)/ 2,3Ig((342-195)/(210-195))=53,039 ºC

Q_т = ( 94,99*85,65*53,039) / (0,19*1000) = 1771,15                                                                                                            Δ = ( ( Q_б – Q_т) / Q_б ) *100%        

Δ = ( (1765,8-1771,15)/ 1765,8)*100 = 0,3%                                                                                                         

    Расчёт водяного экономайзера 

   Определяем  отданное количество теплоты, кДж/м3 

Q_б =  φ*(I’_эк - I" _эк + Δα_эк × Iº_прис)

(2.46)

I’_эк - энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер                                                                            I" _эк -энтальпия уходящих газов на выходе из водяного экономайзера, при t - 150 °С

Δα_эк  - присос холодного воздуха в водяной экономайзер

Iº_прис. - энтальпия присасывающего воздуха

Q_б = 0,98* (3924,7649-2984,0584+0,05*387,039)=940,75 

   Определение энтальпии воды 

i" _эк = ( (B_p *Q_б) / (D + D_пр) ) + I’ _эк

(2.47)

где i" _эк -энтальпия воды после водяного экономайзера, кДж/кг

I’ _эк -энтальпия воды на входе экономайзера, кДж/кг

D  - паропроизводительность  котла, D = 2,78 кг/с

D_пр - расход продувочной воды, Dпр = 0,11 кг/с

i" _эк =(( 0,19*940,75) / (2,78+0,11) )+940 =1001,84 

   По  энтальпии воды после  экономайзера и давлению определяем температуру  воды на выходе из экономайзера 

t"_эк = i" _эк / 4,19

(2.48)                           

t "_эк = 1001,84/4,19=239,1 ºС

Если температура получится на 20°С выше температуры в барабане котла (195°С), то для котлов с давлением меньше 2,4 Мпа к установке принимают чугунный водяной экономайзер. При несоблюдении этого условия следует принимать стальной змеевиковый водяной экономайзер.

i " _эк = 239,1ºC 

   Определение температурного напора (°С) 

Δt =( Δt _б – Δt_н) / ( 2.3×Ig (Δt _б / Δt_н)

(2.49)

где Δt Б - Δtн. - большая  и меньшая разности температуры  продуктов сгорания и нагреваемой  жидкости.

Δt _б = Q_р – I_ух.  = 210-150 = 60 ºС

Δt_н = t"_эк – t_кип = 144-104 = 40 ºС

Δt =( 60-40) / ( 2.3×Ig (60/40) = 49,38 ºС

   Выбор конструктивных характеристик  принятого к установке  водяного экономайзера. 

   Для чугунного  и стального водяного экономайзера выбираем число труб в ряду с таким  расчетом , чтобы скорость продуктов сгорания была в пределах от б до 9 м/с. Число труб в ряду чугунного экономайзера должна быть не менее 3 и не более 10. 

Характеристика  одной трубы экономайзера ВТИ

                                                                                                                                  Таблица  5

   Определяем  действительную скорость продуктов сгорания в экономайзере, м/с 

W_r  =( B_р * V_r * (ν_эк  + 273 )) / (F_эк * 273)

(2.50)

 где ν_эк - среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, м/с

F_эк - площадь живого сечения для проходов продуктов сгорания.

ν_эк =( t’_эк +  t" _эк) / 2

(2.51)                          

ν_эк = (210 + 144) / 2 = 177 ºС

F_эк = Z₁* F_тр

F_эк = 0,12 * 12 = 1,44 м²

W_r  = (0,19*13,881* (177+273 )) / (1,44*273) = 3,01 м/с 

   Определение коэффициента теплопередачи, Вт/м 'К

К=К_m* С_v

(2.52)

Где  К_m  и С_v  - поправочные коэффициенты.

К=  23,5*1,03 = 24,2

   Определение площади поверхности  нагрева, м2

H_эк = ( 10³*Q_б*B_р)  / (K×Δt)

(2.53)

H_эк = ( 1000*940,75*0,19)  / (24,2*49,38) =149,57 м²  

   Определение конструктивных характеристик

n = H_эк / Н_тр

(2.54)

где Н_тр - площадь поверхности нагрева 1 трубы с газовой стороны, м²

n = 149,57/2,95=50,7

m = n / Z₁;      m = 99,7 / 6 = 16,62                

m - число рядов  труб.

ΔQ = Q^p_р * ŋ_бр – ( Q_л + Q_k + Q_эк )

(2.55)

где Q_л+Q_k+Q_эк - количество теплоты воспринятой лучепринемающими поверхностями топки, конвекгивными пучками и водяным экономайзером.

ΔQ = 37430*0,91-(18550,44-12790,52+940,75)= 27360,63

( ΔQ /  (Q^p_р * ŋ_бр) ) * 100 = (2736,138/(37430*0,91) = 0,8 % 

2.9. Выбор вспомогательного оборудования.

    Производительностью дымососа называется объём продуктов сгорания, перемещённых в единицу времени.

     Необходимая расчетная производительность дымососа определяется с учетом условий всасывания, т.е. избыточное давление или разряжение и температура перед машиной и представляет собой действительные объёмы продуктов сгорания ( или воздуха который должен перемещать дымосос ).

Выбор дымососа

Таблица 6

   Расчетная производительность дымососа

Q_p = β₁ * V_д , м³ / ч

(2.56)

где β₁ - коэффициент запаса по производительности

V_д - расход продуктов сгорания

V_д  = B_р ( V_ух + Δα_тVº) *( (ν _ух + 273) / 273) ; м³/ч

B_р = 0,192*3600 =684 - расход топлива в час

V_ух  = 13,881,   Vº= 9,7246,   ν _ух =150 ºС

V_д  = 684 ( 13,881 + 0,1*9,72) *( (150 + 273) / 273) =15741,56

  Q_p =  1,05 * 15741,56=16528,63

   Определение расчетного давления, Па

 Н_p = β₂*Δ Н_n

(2.57)

 Δ Н_n = h"_T + Δ Н_n

где h"_T - разряжение верхней части топочной камеры = 20 мм. рт. cт. (Па)

 ΔН - суммарное  сопротивление газового тракта 

 Δ Н= S_общ. = 195.7 мм. рт. ст. (Па)

 ΔН_n= 20 +195,7 =215,7(Па):             

H_р= 1,1х215,7 =237,27 Па

    По рассчитанным данным Q_р и Нр выбираем дымосос по напорной характеристике в справочнике типа ВДН - 10.

Характеристика  дымососа

Таблица  7

   Определяем  мощность двигателя, кВТ

N =( Q_p * H_р * 1.2 ) / (3600 *102 * η )

(2.58)

N = (16528,63*273,27*1,2) / (3600 *102 * 0,83 ) =17,78

N_у = 17,78 * 1,1 = 19,558

Тип двигателя 4А  – 180М4 

Выбор вентилятора

Таблица  8

   Определяем  расчетную производительность, м³/ ч 

Qp = β₁ × V_в          

(2.59)

где V_в  - расход воздуха

 V_в = B_р*Vº(α_т – Δα ) *((t_в + 273) / 273)   

Vв = 684*9,72*(1,05-0,05)*((30+273)/273)=7379,08 

   Выбор питательных насосов 

   Расчетное полное давление 

Н_p = β₂×Δ Н_п

(2.60)

Н_р= 1,1*215,7=237,27 Па

Δ Н_п = ΔН_r

ΔН_r= 20+195,7 =215,7 Па

ΔН =S_общ =195,7 мм.рт.ст.  (Па)

Нp = 1,1*215,7 =237,27 Па

N =( Q_p * H_р  ) / (3600 *102 * η )

N =  ( 7748,034*273,27) / (3600 *102 * 0.83 ) = 6,03

N_у = 1,1*6,03 =6,63

Q_н= (Д + Д_пр)*1,1

Д = 10,  Д_пр=0,04*10 = 0,4

Q_н = (10 + 0,04)*1,1 = 11,4  

   Определяем  расчетный напор  питательного насоса 

Р_н =1,1*(Р_к * (1+ΔР)+Р_эк. +Р"_тр +Р^вс_тр – 3 - Р_д)

(2.61)

где Р_к -давление в барабане котла =1,37 Мпа;

ΔР - избыточное давление в барабане котла на открывании задвижки

ΔР = 0,05*Р_к      ΔР =0,05*1,37= 0,0685 МПа

Р_эк -сопротивление водяного экономайзера =0,18 Мпа

Р"_тр - сопротивление в трубопроводе до питательного котла с учетом сопротивления

автоматических  клапанов питания

Р^вс_тр – сопротивление всасывающих трубопроводов =0,1 Мпа

Р_д -давление под которым находится питательная вода в деаэраторе =0,12 Мпа

Р_н =1,1(1,37*(1+0,685)+0,18+0,2+0,1+0,12)=2,9 МПа 

   Определяем  мощность питательного насоса 

N =( Q* Р_н  ) / (0,36 * η )  ;кВт 

(2.62)

N =( 11,44*2,9 ) / (0,36 * 0,88) =  105,96 кВт 

N_y = 1,05*105,96 = 111,258 

   Характеристика  питательного насоса марки ПЭ – 65 - 40

Таблица  9       

2.10. Описание тепловой  схемы.

   Отпуск  пара теплотехническим потребителям часто  производится от котельных установок, которые называются производственными. Эти котельные обычно вырабатывают насыщенный или слабо-перегретый пар с давлением до 1,4 или 2,4 Мпа. Пар используется технологическими потребителями и в небольшом количестве на приготовление горячей воды, направляемой в систему теплоснабжения. Приготовление горячей воды производится в сетевых подогревателях установленных в котельной.

   Принципиальная  тепловая схема производственной котельной  с отпуском небольшого количества теплоты на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, в закрытую систему теплоснабжения, показана на отдельном листе.

   Насос сырой воды подаёт воду в охладитель продувочной воды, где она нагревается  за счет теплоты продувочной воды. Затем сырая вода подогревается  до температуры 20-30  ° С в пароводяном подогревателе сырой воды и направляется в химводоочистку. Химически очищенная вода направляется в охладитель деаэрированной воды и подогревается до определённой температуры.

   Дальнейший  подогрев химически очищенной воды осуществляется в подогревателе паром. Перед поступлением в головку деаэратора часть химически очищенной воды проходит через охладитель выпара деаэратора.

   Подогрев  сетевой воды производится паром  в последовательно включенных двух сетевых подогревателях. Конденсат  от всех подогревателей направляется в головку деаэратора, в которую также поступает конденсат, возвращаемый внешним потребителем пара.

 Подогрев  воды в атмосферном деаэраторе производится паром от котлов и паром из расширителя непрерывной продувки. Непрерывная продувка от котлов используется в расширителе, где котловая вода в следствии снижения давления частично испаряется.

 В котельных  с паровыми котлами, независимо от тепловойй  схемы, использование теплоты непрерывной  продувки котлов является обязательным. Использованная в охладителе продувочная вода сбрасывается в продувочный колодец (барботер ) .

 Деаэрированная  вода с температурой 105 °С  питательным  насосом подаётся в паровые котлы. Подпиточная вода для систем теплоснабжения забирается из того же деаэратора, охлаждаясь в охладителе деаэрированной воды до 70 °С  перед поступлением к подпиточному насосу. Использование общего деаэратора для приготовления питательной и подпиточной воды возможно только для закрытых систем теплоснабжения ввиду малого расхода подпиточной воды в них. В котельных с паровыми котлами, как правило, устанавливаются деаэраторы атмосферного типа.

Для технологических  потребителей, использующих пар более  низкого давления, по сравнению с вырабатываемым котлоагрегатами, и для собственных нужд , в тепловых схемах котельных предусматривается редукционная установка для снижения давления пара (РУ) или редукционно-охладительная установка для снижения давления и температуры пара (РОУ). 
 
 
 
 
 
 

 
 
1. Е.Д.Будников « Производственные котельные установки », М.Энергоиздат, 1984 г.

2. Л.М.Сидельковский , В.Н.Юренев « Котельные установки промышленной ориентации » М.Энергоиздат, 1985 г.

3. Р.И.Эстеркин «Промышленные установки» Л.Энергоиздат, 1988 г.

4. « Тепловые и атомные электростанции ». Справочник М.Энергоиздат, 1989 г.

5. В. С Вергазов «Устройство и эксплуатация котлов » . Справочник . Н.Стройиздат ,1991 г.

6. Р.И.Эстеркин «Котельные установки .Курсовое и дипломное проектирование ». Л.Энергоиздат , 1989 г.

7. Д.Н.Сидоров, А-С.Сидоров « Монтаж оборудования котельных установок ». М.Высшая школа , 1991 г.

8. К.Ф.Роддатис , А.Н.Полтарецкий « Справочник по котельным установкам Малой производительности » М.Энергоиздат, 1989 г.