Тепловой расчет котлов ДКВР

Введение
В руководстве изложена методика теплового расчета котлов типа ДКВР, не содержащих пароперегревателя. Некоторые величины, входящие в расчет (например, коэффициенты ослабления излучения дымовыми газами, коэффициенты теплоотдачи при обтекании конвективных пучков и др.), вычисляются с помощью программы «BoilerTools». Задание по курсовому проекту должно содержать параметры пара на выходе из агрегата и его паропроизводительность, температуру питательной воды и состав топлива. Для выполнения теплового расчета понадобятся чертежи котлоагрегата и значения ряда параметров, характеризующих процессы в котельной установке. Эти материалы опубликованы на сайте кафедры. Рекомендуется так же использовать нормативный метод [1].
Объем и состав дымовых газов
Для твердого и жидкого топлива объемы воздуха и продуктов сгорания, отнесенные к одному килограмму топлива, вычисляются по приведенным ниже формулам. По составу топлива определяется минимально необходимое количество воздуха
V о для полного сжигания
вз
топлива ( )
V о = 0 , 0889 C p + 0 , 375 S p + 0 , 265 H p − 0 , 0333 O p
вз
В приведенной формуле H p , C p , O p и S p - состав рабочей массы топлива, выраженный в процентах.
В результате полного сжигания топлива в этом количестве воздуха образуются продукты сгорания, объем которых, отнесенный к килограмму топлива, равен:
азот
N p
V = 0 , 79 V o + 0 , 8
N 2 вз 100
трехатомные газы
C p + 0 , 375 S p
V = 1 , 866
RO 2 100
водяные пары
V o = 0 , 111 H p + 0 , 0124 W p + 0 , 0161 V o
H 2 O вз
Здесь W p - содержание влаги в рабочей массе топлива, выраженное в процентах.
Для газообразного топлива аналогичные величины определяются по следующим формулам:
минимально необходимое количество воздуха для полного сжигания газа
V вз o = 0 , 0476 ? ? ? 0 , 5 CO + 0 , 5 H 2 + 1 , 5 H 2 S + ∑ ? ? ? + m n 4 ? ? ? C m H n − O 2 ? ? ?
содержание азота в продуктах сгорания
N
V = 0 , 79 V o + 2
N 2 вз 100
содержание трехатомных газов в продуктах сгорания
V = 0 , 01 [ C O + CO + H S + ∑ m C H ]
RO 2 2 2 m n
содержание водяных паров в продуктах сгорания
V H o 2 O = 0 , 01 ? ? ? H 2 S + H 2 + ∑ 2 n C m H n + 0 , 124 d T ? ? ? + 0 , 0161 V вз o
Здесь C m H n , H 2 , CO и др. – состав газообразного топлива, отнесенный к кубическому метру
топлива, выраженный в процентах, d T - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к
кубическому метру топлива.
При избытке воздуха α > 1 объем водяных паров в продуктах сгорания равен
V = V o + 0 , 0161 ( α − 1 ) V o
H 2 O H 2 O вз
Полный объем дымовых газов равен
V = V + V + V + ( α − 1 ) V o
Г RO 2 N 2 H 2 O вз
2
It –диаграмма продуктов сгорания
Задаются коэффициент избытка воздуха в топке α Т и всеми присосами Δ α по ходу дымовых газов.
Эти параметры приведены в таблицах ниже.
Коэффициент избытка воздуха
топливо и способ сжигания α T
Топки для сжигания газов и мазута 1,10 Сжигание твердого топлива в слое
1,30 – 1,50
Присосы воздуха в газоходах котла
газоходы котла Δ α
Топочные камеры газомазутных котлов 0,05 – 0,10
Топочные камеры слоевых топок 0,10 – 0,30
Котельный пучок 0,05 – 0,10
Экономайзер чугунный 0,10 – 0,20
Вычисляется действительное количество воздуха
V , подаваемого в топку
д
V = α V о
д Т вз
Выполняется расчет энтальпий продуктов сгорания для температур в диапазоне 100 – 2000 С. Для этого удобно вначале вычислить энтальпию продуктов сгорания при
α =1.
I o = ( c t ) V + ( ct ) V + ( ct ) V
Г N 2 N 2 RO 2 RO 2 H 2 O H 2 O
Здесь (ct ) - произведение средней теплоемкости газа в интервале температур 0 - и температуры газа t t .
Затем вычисляется энтальпия продуктов сгорания воздуха α по формуле I Г при заданной температуре и коэффициенте избытка
I = I o + ( α − 1 ) ( ct ) V о
Г Г вз вз
Коэффициент избытка воздуха возрастает по мере движения продуктов сгорания по тракту котлоагрегата вследствие присосов. Для коэффициента избытка воздуха в топке
α Т энтальпия продуктов сгорания
строится в диапазоне температур 1500 – 2000 С. На выходе из топки коэффициент избытка увеличивается на величину присосов
Δ α Т . Следует построить кривую для значения α = α Т + Δ α Т в диапазоне температур
700 – 1200 С. На выходе из конвективного пучка коэффициент избытка воздуха α = α Т + Δ α Т + Δ α К ,
Для этого значения где Δ α К - присосы в конвективном пучке. α следует построить кривую энтальпии продуктов сгорания для температур 300 – 700 С.
Коэффициент избытка воздуха уходящих газов равен
α = α + Δ α + Δ α + Δ α
ух Т Т К Э
где Δ α - присосы в экономайзере. Кривая энтальпии для этого значения коэффициента избытка воздуха
Э
строится в температурном диапазоне 100 – 400 С. Так выполняется построение
It -диаграмма дымовых газов.
Расход топлива
Вычисляется располагаемое тепло, отнесенное к единице топлива (килограмму или кубометру)
Q Р = Q Р + Q
Р Н ф
Здесь Q Н Р - теплота сгорания топлива, Q ф = с Т t Т - физическое тепло топлива, равное произведению
теплоемкости топлива и его температуры. Теплоемкости топлива приведены в таблице
3
Теплоемкость топлив
топливо теплоемкость
Газ 1,60 – 1,80 кДж/м 3 С
Мазут 1,75 – 1,85 кДж/кг С
Уголь 0,95 – 1,10 кДж/кг С
Задается температура уходящих газов
t ух . Если не предполагается устанавливать экономайзер, то
температура дымовых газов на выходе из котла принимается на 30 – 40 С выше температуры кипения воды в барабане котла, При использовании экономайзера - согласно таблице, приведенной ниже.
Для твердых топлив температура уходящих газов выбирается по приведенной влажности топлива W П .
Она равна
W П = 4 , 19 ⋅ 10 3 W Р Q Р
Н
где Q Р - теплота сгорания топлива, кДж/кг (куб.м), W Р - влажность рабочей массы топлива.
Н
Температура уходящих газов
топливо t ух , С
угли с W П <= 3,0 и природный газ 120 – 130
угли с W П = 3,0-20 140 – 150
мазут 150 - 160
Затем вычисляются потери тепла с уходящими газами
Q = I − α I о
2 ух ух вз
где I о - энтальпия минимально необходимого количества воздуха для полного сгорания топлива ( α = 1 ) ,
вз
отнесенная к температуре в котельной (температуру воздуха в котельной принять 30 С, при этой температуре
( ct ) = 34 , 0 кДж/м 3 ). На It –диаграмме продуктов сгорания для определения энтальпии
вз
уходящих газов используется кривая, соответствующая α ух .
Далее вычисляется значение q 2 , равное
Q
q = 2 ⋅ 100 % .
2 Q P
P
Затем задаются величины химического недожога топлива q и механического уноса топлива q .
3 4
Соответствующая информация приведена в таблице.
4
Потери с механическим уносом и химическим недожогом
топливо и способ сжигания q 3 , % q 4 , %
Сжигание мазута и газа 0,5 0,0
Сжигание твердого топлива в слое 0,5 – 1,0 5,0 – 8,0
Потери тепла в окружающую среду
q находятся с помощью графика, представленного на рис.1. По оси
5
абсцисс указана паропроизводительность котла. Кривая 1 относится к котлу с хвостовыми поверхностями, кривая 2 – собственно к котлу (без хвостовых поверхностей).
Рис. 1 Потери тепла в окружающую среду
Для твердыхтоплив дополнительно оценивается величина потерь тепла в результате удаления шлаков q .
6
Она равна ( 1 − a ) ( ) сt A p
q = ун зл %
6 Q P
Здесь a ун - доля золы топлива в уносе ( принять 0,1 ), P ( ) ct зл - энтальпия золы ( принять 550 кДж/кг золы ),
A p - зольность рабочей массы твердого топлива (в процентах).
Теперь можно оценить к.п.д. котлоагрегата
η = 100 % − q − q − q − q − q
К 2 3 4 5 6
Расход топлива котлоагрегатом B равен
D ( i − i ) + G ( i ′ − i )
B = ПП ПВ пр ПВ 100
η Q Р
К Р
Здесь D и G - соответственно паропроизводительность котлоагрегата и расход продувки, i - энтальпия
пр ПП
перегретого пара (если пароперегреватель отсутствует, принимается i = i ′′ ), i ′′ i′ и - соответственно
ПП
энтальпия сухого насыщенного пара и кипящей жидкости (параметры на линии насыщения при давлении в барабане котла),
i ПВ - энтальпия питательной воды на входе в котел. Температуру питательной воды
принять равной 100 С.
Адиабатная температура сгорания
Тепло, вносимое в топку Q Т , равно
Q Т = Q Р Р ? ? ? ? 100 100 % % − q − 3 q − q 4 ? ? ? ? + α Т I вз о
4
где I вз о - энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре воздуха в котельной.
5
С помощью It –диаграммы продуктов сгорания по кривой, соответствующей α Т , определяется адиабатная
температура сгорания так, как это показано на рисунке.
Температура дымовых газов на выходе из топки
По чертежам котлоагрегата вычисляется суммарная поверхность стен топки F . Затем вычисляются
ст
площади поверхностей топки, занятых экранами Экранов в топке может быть несколько. Например, фронтальный, задний, боковые и др. Площадь поверхности -ого настенного экрана обозначим.
i F i Э . Она
равна
F Э = [ ( т − 1 ) s + d ] H Э
i
Здесь m - количество экранных труб на экранируемой поверхности, s - шаг экранных труб, d и H Э -
соответственно наружный диаметр и высота экранной трубы. Последняя величина определяется по чертежам котла. Средняя тепловая эффективность экранов равна
∑ ψ F Э
i i
ψ ср = i F .
ст
где ψ = x ξ , x - угловой коэффициент i-ого экрана (определяется по номограмме), ξ - коэффициент
i i i i i
загрязнения этой экранной поверхности. Угловые коэффициенты однорядных гладкотрубных экранов определяются по графику, приведенному на рис.2 .На этом графике кривые 1 – 4 учитывают излучение обмуровки топки, кривая 5 - нет. При сжигании газа принять
ξ = 0,65 , при сжигании мазута ξ = 0,55 и при сжигании углей в слое ξ = 0,60.
По составу дымовых газов находятся объемные доли трехатомных газов
V V
r RO 2 = RO 2 V Г r H 2 O = H 2 O V Г
Здесь V и V - объемы трехатомных газов в продуктах сгорания, V - объем дымовых газов при
RO 2 H 2 O Г
значении коэффициента избытка воздуха на выходе из топки α = α + Δ α .
Т Т
Далее вычисляется эффективная степень черноты факела a ф .
При сжигании газообразных и жидкихтоплив указанная степень черноты вычисляется по формуле
a = m a + ( 1 − m ) a
ф св г
При сжигании газа m = 0,1 , при сжигании мазута m = 0,55. В приведенной формуле a - степень черноты
св
светящегося пламени, a - степень черноты несветящегося пламени. Они определяются по формулам
г
a = 1 − exp( − ( k r + k ) ps ) a = 1 − exp( − k r ps )
св г г c г г г
Здесь k - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, k - коэффициент ослабления лучей
г c
сажистыми частицами, r = r + r - объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания, p -
давление в топке ( p = 1 атм), - эффективная толщина излучающего слоя в топке. Она равна г RO s 2 H 2 O
V
s = 3 . 6 Т
F
ст
Здесь V T - объем топки в кубических метрах.
6
Рис.2 Угловые коэффициенты экранов
кривая 1 – e > 1,4d кривая 2 - e = 0,8d кривая 3 - e = 0,5d
кривая 4 - e = 0 кривая 5 – e > 0,5d
Коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами можно вычислить с помощью программы. Коэффициент
k c , в частности, зависит от соотношения содержания в топливе
углерода и водорода, определяемого как
C Р = 12 0 , ∑ m C H
H Р n m n
Левое отношение действительно для мазутов, правое – для газов. При сжигании твердых топлив эффективная степень черноты факела рассчитывается по формуле
a = 1 − exp( − kps )
ф
где - коэффициент ослабления лучей топочной средой, k p - давление в топке ( p = 1 атм), s - эффективная
толщина излучающего слоя в топке (см. выше). Коэффициент ослабления лучей равен
k = k r + k μ + κ κ
г г зл зл 1 2
Здесь k - коэффициент ослабления лучей зольными частицами, μ - безразмерная концентрация золы в
зл зл
дымовых газах, κ и κ - коэффициенты, зависящие от рода топлива и способа его сжигания. Так при
1 2
сжигании бурых и каменных углей κ = 0,5 . При слоевом сжигании твердого топлива κ = 0,03.
1 2
Коэффициент k г определяется так же, как при сжигании газа или мазута (см. выше). Для вычисления k зл с
помощью программы нужно, в частности, знать содержание золы в топливе A P , средний диаметр частиц
золы и величину ее уноса. При слоевом сжигании этот диаметр равен 20 мкм, а унос составляет 10%. Объем воздуха, подаваемого в топку, принять равным
V д (см. выше).
После определения
a ф следует вычислить степень черноты топки a Т по формуле, приведенной ниже
7
a
a = ф
Т 1 − ( 1 − a )( 1 − ψ )( 1 − ρ )
ф ср
где ρ = R F - отношение площадей зеркала горения слоя топлива R к полной поверхности стен топки
ст
F .
ст
Расчетный расход топлива равен
q
B = B ( 1 − 4 )
P 100
Далее вычисляется критерий Больцмана
? B ( Vc )
Bo = P ср
σ ψ F T 3
ср ст а
Здесь σ = 5,73 10 –8 Вт/м 2 К 4 , ? = ( 1 − q 5 ) - коэффициент сохранения тепла, ( Vc) - средняя
η + q ср
K 5
теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от t ′′ до t a . Последняя величина оценивается как
Q − I ′′
( Vc ) = T
ср t − t ′′
a
где t a и t′′ - соответственно адиабатная температура и температура дымовых газов на выходе из топки (в
градусах Цельсия), I′′ - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки. Последняя величина является
целью расчета настоящего раздела. Поэтому необходимо предварительно задать величину t′′ ( диапазон
ожидаемых значений этой температуры 800 – 1100 С) и далее действовать согласно рисунку
Кривая 1 на рисунке соответствует α Т , кривая 2 – значению α = α Т + Δ α Т .
Теперь вычисляется отношение температур T′′ и T (температуры в градусах Кельвина) по следующей
a
формуле
T ′′ Bo 0 , 6
=
T M a 0 , 6 + Bo 0 , 6
a T
Здесь коэффициент
M при сжигании газа и мазута равен
M = 0 , 54 − 0 , 2 x
T
а при сжигании твердыхтоплив
M = 0 , 59 − 0 , 5 x
T
В обеих формулах x есть отношение высоты расположения горелки от пода топки к высоте топки. При
T
сжигании твердоготоплива в тонком слое x = 0, а при сжигании в толстом слое x = 0,14.
T T
С помощью It –диаграммы дымовых газов (кривая α = α + Δ α ) по величине T′′ или t′′ = T′′ - 273
Т Т
определяется значение I′′ (см. рисунок выше).
Если значение t′′ будет сильно отличаться от величины этой температуры, принятой при расчете средней
теплоемкости дымовых газов ( Vc) (см. выше в этом разделе), то выполняют коррекцию принятого
ср
значения, и расчет повторяют.
Количество тепла, воспринятое в топке за счет излучения, отнесенное к единице топлива, равно
8
Q = ? ( Q − I ′′ )
л T
Расчет пучка кипятильных труб
Задается температура продуктов сгорания на выходе из пучка кипятильных труб t′′ K . С помощью этой
температуры и кривой на It –диаграмме, соответствующей значению α = α Т + Δ α Т + Δ α К , находится
энтальпия продуктов сгорания за конвективным пучком I′′ K . И далее определяется тепловосприятие пучка
кипятильных труб Q′ K по формуле теплового баланса
Q ′ = I ′ − I ′′ + Δ α I о
K K K K вз
Здесь I′ K - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки ( I ′ K = I ′′ ).
Исходя из конструктивных размеров котлоагрегата, необходимо определить минимальное живое сечение для прохода дымовых газов в пучке кипятильных труб. С помощью программы определяется коэффициент теплоотдачи
α K со стороны продуктов сгорания для
коридорного пучка труб при поперечном обтекании его газами с температурой t ср = 0 , 5 ( t K ′ + t K ′′ ) , где t′ K -
температура дымовых газов на выходе из топки. Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к пароводяной смеси в кипятильных трубах равен
k = ψ ( α + α )
K K л
Здесь
ψ - коэффициент тепловой эффективности ( ψ = 0,60 – 0,65). Величину коэффициента теплоотдачи
излучением α л так же следует вычислить с помощью программы. Температура стенок труб пучка
принимается равной t w = t нс + Δ t , где t нс - температура нагреваемой среды. Для котельного пучка она
равна температуре кипения воды в барабане котла. При сжигании твердого или жидкого топлива
Δ t = 60 C , при сжигании газа Δ t = 25 C .
Далее с помощью уравнения теплопередачи оценивается тепловосприятие пучка кипятильных труб Q′′ K
k F Δ t
Q ′′ = K K лог
K B
P
Здесь F K - площадь поверхности теплообмена кипятильного пучка (принимается согласно конструктивным
размерам котлоагрегата), Δ t - температурный напор. Он вычисляется по следующей формуле.
лог
Δ t ′ − Δ t ′′
Δ t =
лог Δ t ′
ln
Δ t ′′
где Δ t ′ = t ′ − t , Δ t ′′ = t ′′ − t , t - температура кипения воды в барабане котла.
K S K S S
Если величины Q′ K и Q′′ K сильно различаются (более, чем на 5%), то необходимо скорректировать
энтальпию продуктов сгорания I′′ K . Так, если Q ′ K > Q K ′′ , то I′′ K или t′′ K следует увеличить, и наоборот.
Тепло, расходуемое котлом на генерацию пара, определяется по формуле
D ( i − i ) + G ( i ′ − i )
Q = ПП В пр ПВ
KA B
P
Здесь i ПB - энтальпия питательной воды на входе в котел. Если пароперегреватель отсутствует, то на выходе
из котла пар – насыщенный и его энтальпия принимается равной i ПП = i ′′ . Принимая далее
Q K ≅ Q ′ K ≅ Q K ′′ , определяем тепло, расходуемое на подогрев питательной воды в экономайзере
Q = Q − Q − Q
Э КА л K
Если величина Q близка к нулю, то экономайзер не нужен, в противном случае вычисляется энтальпия
Э
дымовых газов за экономайзером по формуле
I ′′ = I ′ − Q + Δ α I о
Э Э Э Э вз
9
где I′ Э и I′′ Э - энтальпия дымовых газов соответственно на входе и выходе из экономайзера, Δ α Э -
присосы в экономайзере. Очевидно, что I Э ′ = I K ′′ .
Если I′′ Э и энтальпия дымовых газов на выходе из котла I ух , принятая ранее (см. раздел «Расход топлива»),
примерно одинаковы (с точностью до 5%), то приступают к расчету экономайзера. В противном случае корректируется значение температуры уходящих газов
t , и расчет повторяется, начиная с пункта «Расход
ух
топлива».
Расчет чугунного экономайзера ВТИ
Энтальпия воды i В на выходе из экономайзера составляет
B Q
i = i + P Э
B ПВ D + G
пр
По величине i В и давлению питательной воды, равному давлению в барабане котла, определяется
температура воды на выходе из экономайзера t B .
Температуры дымовых газов на входе t′ и выходе из экономайзера t′′ определяются с помощью It –
Э Э
диаграммы продуктов сгорания (см. рисунок ниже). На рисунке кривая 1
соответствует α = α Т + Δ α Т + Δ α К , кривая 2 - α ух = α Т + Δ α Т + Δ α К + Δ α Э .
Средняя температура продуктов сгорания в экономайзере равна
t = 0 , 5 ( t ′ + t ′′ )
ср Э Э
Далее определяется объем дымовых газов V , поступающий в экономайзер
Э
273 + t
V = 0 , 5 ( α + α ) V 0 B ср
Э ух вз P 273
Среднюю скорость продуктов сгорания в экономайзере следует принять равной
w = 7 – 8 м/сек. Тогда
Э
площадь живого сечения для прохода газов равна
V
S = Э
Э w
Э
Выбирается трубы экономайзера (см. таблицу ниже), и вычисляется количество труб в одном ряду поперек потока газов.
S
z = Э
Э s
тр
где s - живое сечение для прохода газов одной трубы.
тр
10
Если z Э не целое число, то выполняется округление до целого значения, и корректируются величины S Э и
w Э .
V
S = z s w = Э
Э Э тр Э S
Э
Размеры трубы чугунного экономайзера
Характеристика одной трубы Размерность Экономайзер ВТИ Экономайзер
ЦККБ
длина мм 1,50 2,00 2,50 3,00 1990
поверхность нагрева с газовой стороны кв.м 2,18 2,95 3,72 4,40 5,50
живое сечение для прохода газов кв.м 0,088 0,120 0,152 0,184 0,210
С помощью программы вычисляется коэффициент теплопередачи
k Э экономайзера. Величина поверхности
теплообмена экономайзера равна
Q B
F = Э P
Э k Ψ Δ t
Э лог
В этом выражении логарифмический напор вычисляется по формуле
Δ t − Δ t
Δ t = 1 2
лог Δ t
ln 1
Δ t
2
где Δ t 1 = t Э ′ − t B и Δ t 2 = t Э ′′ − t ПВ . Коэффициент пересчета ψ от противоточной схемы к более сложной
определяется по номограмме, приведенной на рис.3. Эта номограмма применима для теплообменников, схема течения теплоносителей в которых организована так, как это указано на рис. 4. Предварительно вычисляются две разности температур: для дымовых газов
υ ′ − υ ′′ и для воды t ′′ − t ′ .
Большая из этих разностей – это τ , меньшая обозначена как τ . Далее вычисляются величины P и R ,
б м
равные соответственно
τ τ
P = м R = б
υ ′ − t ′ τ
м
Если число ходов больше четырех принимается ψ = 1 , 0 .
Количество рядов труб по ходу потока дымовых газов равно
F
z = Э
f z
Э Э
Литература
1. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод), «Энергия», Москва, 1973 г., 300 стр.
11
Рис. 3 Коэффициент ψ для перекрестного тока.
Рис. 4 Схемы течения теплоносителей