В.В.Назаревич Расчет котельной установки
.pdf0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра стационарных и транспортных машин
РАСЧЕТ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы» для студентов направления 550900 – «Теплоэнергетика»
Составители В.В.Назаревич Б.А. Анферов
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 176 от 25.12.00 Рекомендованы к печати методической комиссией направления 550900
Протокол № 126 от 25.12.00.
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ
Кемерово 2001
1
КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Котельная установка включает пять основных трактов: топливный, пароводяной, воздушный, газовый и тракт золошлакоудаления.
Топливный тракт – совокупность оборудования для подачи топлива в топку и подготовки его к сжиганию – включает: конвейер, бункер, питатели топлива, мельницу, короб подачи первичного воздуха.
Пароводяной тракт – совокупность последовательно расположенных по ходу рабочего тела поверхностей нагрева, соединяющих их трубопроводов и установленных дополнительных устройств: экономайзер, барабан, опускные трубы, нижний распределительный коллектор, экраны, ширмовый пароперегреватель, первая и вторая ступени конвективного перегревателя, промежуточный пароперегреватель.
Воздушный тракт включает: дутьевой вентилятор, воздухоподогреватель, короба первичного и вторичного воздуха.
Тракт золошлакоудаления включает: золоуловители, шлакоудаляющие механизмы и устройства, каналы.
Другие элементы котла: горелки, обмуровка – система огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций, предназначенная для уменьшения тепловых потерь и обеспечения плотности; каркас – несущая металлическая конструкция, воспринимающая нагрузку от массы котла с находящимся в нем рабочим телом и все другие возможные нагрузки и обеспечивающая требуемое взаимное расположение элементов котла.
ТОПЛИВО Теплота сгорания заданного топлива, кДж/кг, определяется по
формуле Д.И. Менделеева (для твердого и жидкого топлива):
Qнр = 339,13C р +1035,94 H р −108,86(O р − S р ) − 24,62W р ,
где C p , H p ,O p ,S р,W р – процентное содержание углерода, водоро- да, кислорода, серы и влаги в рабочей массе топлива по весу.
Теплота сгорания газообразного топлива, МДж/нм3, может быть подсчитана по его составу:
Qн =0,01[ QH2S H2S +QCO CO +
+Q |
H2 |
H |
2 |
+∑( Q |
C |
m |
H |
n |
)] , |
|
|
CmHn |
|
|
|
2
где QH 2 S ; QCO и т.д. – теплота сгорания отдельных газов, входящих в
состав газообразного топлива, МДж/нм3 (в знаменателе нм3 – нормальные метры кубические).
Справка: Н2 – водород, теплота сгорания, МДж/нм3 – 10,83;
СО – окись углерода……………………….… -12,68; H2S – сероводород………………………….... – 23,46; СH4 – метан………………………………..…. – 35,93; C2H6 – этан…………………………………… – 63,95; C3H8 – пропан………………………………… – 91,54; C4H10 – бутан………………………………… – 119,02; C5H12 – пентан………………………………... – 146,54; C2H4 – этилен ………………………………... – 59,25; C3H6 – пропилен……………………………… – 86,27; C4H8 – бутилен……………………………….. – 113,87.
Примечание: при содержании в газообразном топливе до 3% не- |
|
|||||||||||
предельных углеводородов вида СnH2n их считают состоящими только |
|
|||||||||||
из этилена. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Количество воздуха, необходимое для |
полного сгорания твердо- |
|
||||||||||
го или жидкого топлива, м3/кг, определяется по формуле |
|
|
|
|
|
|
||||||
V o = 0 ,089 ( C р + 0 ,375 S р ) + 0 ,265 H р − 0 ,0333 О р . |
|
|
||||||||||
Для полного сгорания сухого газообразного топлива, м3/м3: |
|
|
|
|
|
|||||||
V o = 0,0478[ 0,5( CO + H |
2 |
) +1,5H |
2 |
S + 2CH |
4 |
+ ∑( m + n ) C |
m |
H |
n |
−O |
2 |
]. |
|
|
|
4 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для исключения неполного выгорания топлива в топку подают количество воздуха больше теоретически необходимого. Отношение фактически подаваемого количества воздуха к теоретически необходимому выражает коэффициент избытка воздуха
α= V‰ .
V o
Взависимости от типа топки, вида и сорта топлива выбирается ко-
эффициент избытка воздуха в топке αт (для слоевых топок αт=1,2 …1,6). Присосы воздуха в газоходы котельного агрегата пред-
ставлены в табл. 1, а схема присосов воздуха в газоходы котельного агрегата показана на рис. 1.
3
|
Присосы воздуха |
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
||
Газоходы |
|
|
Обозначение |
Величина |
Пароперегревателя |
|
|
∆αПП |
0,05 |
Экономайзера: |
змеевикового |
|
∆αВЭ |
0,05 |
|
чугунного |
|
- |
0,10 |
Воздухоподогревателя: |
пластинчатого |
|
∆αВП |
0,10 |
|
трубчатого |
|
- |
0,05 |
|
чугунного |
|
- |
0,20 |
|
|
|
|
|
Рис. 1. Схема подачи |
воздуха и присосов ∆α в котле: |
1 – мельница; 2 − топка; 3 |
– пароперегреватель; 4 – промежуточ- |
ный
пароперегреватель; 5 – экономайзер; 6 – воздухоподогреватель Избыток воздуха в продуктах сгорания за i–й поверхностью на-
i
грева можно определить из выражения αi =αт + ∑∆αn . n=1
ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Объем продуктов сгорания с учетом избытка воздуха в топке при-
сосов за любой i-й поверхностью нагрева определяется по формуле, нм3/кг:
Vгi = Vгo +1,0161 ( αi −1 )V o ,
4
где Vго =V oRo2 |
+V oH 2O + NoN 2 |
− объем газов за рассматриваемой i-й |
|||||
поверхностью нагрева при α = 1; |
V ROо |
,V Ho |
2 |
O и V оN |
2 |
− объем трехатом- |
|
|
|
2 |
|
|
|
||
ных газов, водяных паров и азота при α = 1; αi − коэффициент избытка
воздуха в продуктах сгорания за рассматриваемой поверхностью нагрева; 1,0161 – коэффициент, учитывающий содержание влаги в воздухе;
RO2 = CO2 + SO2 .
Объем трехатомных газов подсчитывается по формуле, нм3/кг:
V o = 0,01866 ( C р + 0,375 S р ).
RO2
Объем водяных паров, нм3/кг:
V o = 0 ,111 H р + 0 ,0124 W р + 0 ,0161 V o .
H 2 O
Объем азота, нм3/кг: V o = 0 ,79 V o + 0 ,008 N р .
N 2
Результаты расчетов заносят в табл.2.
ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И ВОЗДУХА
Теоретическая энтальпия газов, кДж/кг, определяется по формуле
Jго =(V o C |
PRO2 |
+V o C |
PN2 |
+ V o C |
)t |
, |
RO2 |
N 2 |
H 2O |
P H 2O |
|
где СРRO2 ,CPN2 ,CPH2O - изобарные массовые теплоемкости газов (оп-
ределяются из таблиц [4] или по табл. 4 данных указаний); t – теоретическая температура (100…2400 °C).
Теоретическая энтальпия воздуха, кДж/кг, определяется по формуле J ов = V o Срвt.
Энтальпия дымовых газов, кДж/кг:
J = J го + (α − 1 )J во
Результаты вычислений заносят в табл. 3, на основании которой строят диаграмму J −t .
5
Таблица 2
Объем продуктов сгорания
|
Наименование газов, |
Обозн. |
|
Ед. |
Наименование газохода |
||||||||||||||
|
расчетные формулы |
|
|
|
|
изм. |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
топка |
п.п. |
в.э. |
в.п. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
αт |
αпп |
αвэ |
αвп |
Теоретический объем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
трехатомных газов |
|
o |
|
|
нм |
3 |
|
|
|
|
|
||||||||
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VRO |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
VRO 2 |
= 0,01866 × |
|
|
2 |
|
кг |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
×( C р + 0,375 S р ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Теоретический объем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
азота |
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
|
нм |
3 |
|
|
|
|
|
|
VNo |
|
= 0,79V o |
+ 0,008 N p |
VN |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
|
кг |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Теоретический объем водя- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ных паров |
|
|
|
|
o |
|
|
нм |
3 |
|
|
|
|
|
|||||
o |
|
|
= 0,111H |
p |
+ |
|
VH2O |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
кг |
|
|
|
|
|||||||||||
VH 2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
+0,0124W p +0,0161V o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Объем избыточного воздуха |
∆V |
|
|
нм3 |
|
|
|
|
|||||||||||
∆V = (α − 1)V o |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кг |
|
|
|
|
|
|
Объем водяных |
|
паров, |
вно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
симых в избытке воздуха |
|
o |
|
нм |
3 |
|
|
|
|
|
|||||||||
∆V |
|
|
|
|
= 0,0161(α −1 )V o |
∆ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
H |
2O |
|
кг |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
VH2O |
|
|
|
|
|
||||||||
Действительный |
объем |
про- |
Vг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
дуктов сгорания |
|
|
|
|
нм3 |
|
|
|
|
||||||||||
V =Vо |
|
+Vо |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
кг |
|
|
|
|
|
||||||||
г |
|
|
RO |
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Vо |
|
|
+∆V |
|
+∆V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
H O |
|
|
H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
Таблица 3
Исходные данные для построения J-t –диаграммы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V о = |
|
Энтальпия дымовых |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
газов |
|
|||
|
VROо 2 |
= |
VNо2 |
= |
VHо |
2O = |
|
газов |
|
|
Jг |
= Jго +(α −1) |
||||||||
Температура, °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теоретич.энтальпия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o RO2 |
|
|
N2 |
|
|
o H2O |
Σ(3+5+7) |
=(8×1) |
|
|
=(11х1) |
|
|
|
|
|
|||
|
V |
|
|
o |
|
|
·V |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
·V |
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
||||||||
PRO2 |
PN2 |
|
PH2O |
|
Pв |
·V |
= |
|
= |
= |
= |
|||||||||
|
PRO2· |
|
PN2 |
|
PH2O |
o г |
Pв |
o в |
т |
|
пп |
вэ |
вп |
|||||||
С |
C |
C |
|
C |
C |
|
C |
J |
С |
С |
воздухаЭнтальпия, J |
α |
|
α |
α |
α |
||||
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6 |
|
7 |
8 |
|
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
14 |
15 |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200
300
400
….
2000
7
|
Средняя, |
теплоемкость газов при постоянном давлении, Срт, кДж/(м3 град) |
Таблица 4 |
||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t ,°C |
O2 |
|
N2 |
CO |
CO2 |
H2O |
SO2 |
Воздух |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
абс. сухой |
|
0 |
1,3059 |
|
1,2946 |
1,2992 |
1,5998 |
1,493 |
1,733 |
1,2971 |
|
100 |
1,3176 |
|
1,2958 |
1,3017 |
1,7003 |
1,502 |
1,813 |
1,3004 |
|
200 |
1,3352 |
|
1,2996 |
1,3071 |
1,7873 |
1,5223 |
1,888 |
1,3071 |
|
300 |
1,3561 |
|
1,3067 |
1,3167 |
1,8627 |
1,5424 |
1,955 |
1,3172 |
|
400 |
1,3775 |
|
1,3163 |
1,3289 |
1,9297 |
1,5654 |
2,018 |
1,3289 |
|
500 |
1,3980 |
|
1,3276 |
1,3427 |
1,9887 |
1,5897 |
2,068 |
1,3427 |
|
600 |
1,4168 |
|
1,3402 |
1,3574 |
2,0411 |
1,6148 |
2,114 |
1,3565 |
|
700 |
1,4344 |
|
1,3536 |
1,3720 |
2,0884 |
1,6412 |
2,152 |
1,3708 |
|
800 |
1,4499 |
|
1,3670 |
1,3862 |
2,1311 |
1,6680 |
2,181 |
1,3842 |
|
900 |
1,4645 |
|
1,3796 |
1,3396 |
2,1692 |
1,6957 |
2,215 |
1,3976 |
|
1000 |
1,4775 |
|
1,3917 |
1,4126 |
2,2035 |
1,7229 |
2,236 |
1,4097 |
|
1100 |
1,4892 |
|
1,4034 |
1,4248 |
2,2349 |
1,7501 |
2,261 |
1,4214 |
|
1200 |
1,5005 |
|
1,4143 |
1,4361 |
2,2638 |
1,7769 |
2,278 |
1,4327 |
|
1300 |
1,5106 |
|
1,4252 |
1,4465 |
2,2898 |
1,8028 |
- |
1,4432 |
|
1400 |
1,5202 |
|
1,4348 |
1,4566 |
2,3136 |
1,8280 |
- |
1,4528 |
|
1500 |
1,5294 |
|
1,4440 |
1,4658 |
2,3354 |
1,8527 |
- |
1,4620 |
|
1600 |
1,5378 |
|
1,4528 |
1,4746 |
2,3555 |
1,8761 |
- |
1,4708 |
|
1700 |
1,5462 |
|
1,4612 |
1,4825 |
2,3743 |
1,8996 |
- |
1,4867 |
|
1800 |
1,5541 |
|
1,4687 |
1,4901 |
2,3915 |
1,9213 |
- |
1,4867 |
|
1900 |
1,5617 |
|
1,4758 |
1,4972 |
2,4074 |
1,9423 |
- |
1,4939 |
|
2000 |
1,5692 |
|
1, 4825 |
1,5039 |
2,4221 |
1,9628 |
- |
1,5010 |
|
8
Рис. 2. Примерный вид J −t диаграммы
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛА
Тепловой баланс составляют на 1 кг твердого (жидкого) топлива или на 1 м3 газообразного топлива при условии установившегося режима работы котельной установки, в кДж/кг (кДж/м3):
Q р = Q +Q +Q +Q +Q +Q |
, |
||||||
р |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
где Qрр - располагаемая теплота; Q1 |
|
– теплота, полезно использован- |
|||||
ная в котлоагрегате; Q2 – потери теплоты с уходящими газами; Q3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания; Q4 – потери теплоты от механического недожога; Q5 – потери теплоты от охлаждения
элементов котельного агрегата в окружающую среду; Q6 - потери теп-
лоты с физической теплотой шлака.
Или в процентах: q1+q2+q3+q4+q5+q6=100% ,
где q1- процентная доля полезно использованного тепла, характеризующая коэффициент полезного действия котельного агрегата; q2, q3, q4, q5, q6 – процентные доли потерь теплоты по указанным видам.
Располагаемая теплота, кДж/кг, при работе котла на твердом или жидком топливе определяется из следующего выражения:
Qрр = Qнр +Qтл +Qв +Qф −Qк ;
9
при работе на газообразном топливе, кДж/м3:
Qрр = Qнс + Qтл + Qв + Qф ,
гдеQнр и Qнс – низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого и сухой массы газообразного топлива, кДж/кг (кДж/м3); Qтл –
физическая теплота топлива, кДж/кг (кДж/м3); Qв – теплота, вносимая в топку с воздухом, кДж/кг (кДж/м3); Qф – теплота, вносимая в топку
с паровым дутьем, кДж/кг (кДж/м3); Qк – теплота, затраченная на разложение карбонатов при сжигании сланцев, кДж/кг.
Физическая теплота топлива:
Qтл = Cтр tт ,
где Cтр – теплоемкость рабочей массы топлива, кДж/(кг·К); tт – тем-
пература топлива на входе в топку, °С. Теплоемкость рабочей массы топлива:
р |
с 100 −W р |
|
|
W р |
|
|||
Cт |
= Cт |
|
+CH |
O |
|
|
, |
|
100 |
100 |
|||||||
|
|
2 |
|
|
||||
где Стс , CH2O – соответственно, теплоемкости сухой массы твердого
топлива и воды, кДж/(кг·К); Cтс – для антрацита – 0,921; для каменных углей – 0,962; для бурых углей – 1,088; для фрезерного торфа – 1,297 и
сланцев – 1,046. Теплоемкость мазута: Cтр =1,74 + 0,0025tт.
Физическая теплота топлива учитывается в том случае, если оно предварительно подогрето вне котлоагрегата (подогрев мазута, сушка топлива в разомкнутой системе и т.д.).
Теплота, вносимая в топку с воздухом, определяется из следующего выражения:
Qв =αт V o C′рв ∆tв,
где С′рв - средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном дав-
лении, кДж/(м3·К), ∆tв – разность температур подогретого и холодного воздуха, °С.