Котельные установки и их эксплуатация

Департамент среднего профессионального и начального профессионального

образования Томской области

 

Областное государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

«Томский коммунально-строительный техникум»

 

 

 

 

 

КУСОВОЙ ПРОЕКТ

ПМ 01. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ ТЕПЛО И ТОПЛИВОСНАБЖЕНИЯ

Тема 01.01.6 Котельные установки и их эксплуатация

по специальности среднего профессионального образования 140102 Теплоснабжение и теплотехническое оборудование

 

ВЫПОЛНИЛ:

Студент:

Группа:

ПРОВЕРИЛ:

 

 

 

Томск – 2013 г. 
Оглавление

 

 

 

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Введение

 

В поверочном тепловом расчете котла ДЕ-25 по принятой конструкции и размерам котла для заданных нагрузок и вида топлива определяются [1,2]:

- температуры воды, пара, воздуха и дымовых газов на границе поверхностей нагрева,

- КПД котла,

- расход топлива,

- расход и скорости пара, воздуха и дымовых газов.

Цель поверочного расчета:

- оценка показателей экономичности и надежности работы котла на заданном виде топлива,

- выявление необходимых реконструктивных мероприятий,

- выбор вспомогательного оборудования,

- получение исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности коррозии и др.

В курсовом проекте необходимо составить тепловой баланс котла, выполнить поверочный расчет топки.

Графическая часть курсового проекта состоит из поперечного разреза котла и тепловой схемы.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 - Исходные данные к курсовому проекту

Тип котла	ДЕ
Паропроизводительность D. т/ч	25
Температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя tпе, °С	195
Температура питательной воды tп-в, °С	110
Давление перегретого пара на выходе из пароперегревателя Р, МПа	1,37
Температура уходящих газов tух, °С	160
Температура воздуха в помещении (температура холодного воздуха) t хв, °С	Не дано
Доля непрерывной продувки котла , %	3%
Газопровод	Казил-Каган

 

Краткое описание котлоагрегата ДЕ-25

 

Газо-мазутный паровой котел серии ДЕ [3, 4] горизонтальной ориентации предназначен для выработки перегретого пара с температурой 195 °С (приложение 1).

Котел имеет номинальную паропроизводительность 25 т/ч при рабочем давлении 1,4, двухбарабанный (с коротким верхним барабаном), вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией. Барабаны имеют одинаковый диаметр 1000 мм.

Котел поставляется в собранном виде без натрубной изоляции.

Конвективная поверхность котла образована трубами, которые соединяют верхний и нижний барабаны.

Топочная камера котла отделяется от конвективного пучка газоплотной перегородкой, которая образована из труб, установленных вплотную и сваренных между собой (левый боковой экран). Потолок, правая боковая поверхность и под топочной камеры котла экранированы фасонными трубами, которые образуют единый экран (правый боковой экран). Концы труб боковых экранов завальцованы в верхний и нижний барабаны.

Трубы заднего экрана не имеют обсадных концов и присоединяются сваркой к верхнему и нижнему коллекторам. Коллекторы соединены с верхним и нижним барабанами и объединены необогреваемой рециркуляционной трубой.     

Фронтовой экран образован четырьмя трубами, непосредственно присоединёнными к верхнему и нижнему барабанам. Под топки закрыт огнеупорным кирпичом.

Продольных перегородок в котле нет. Переброс продуктов сгорания с фронта (после выхода из конвективного пучка) к экономайзеру, расположенному сзади котла, выполнен по газовому коробу, размещенному над топочной камерой.

Циркуляционная схема включает 4 экрана (фронтовой, задний и два боковых) и конвективный пучок. Боковые экраны и конвективный пучок, а также фронтовой экран присоединены непосредственно к верхнему и нижнему барабанам.

В котле применена двухступенчатая схема испарения. Во всех котлах общими опускными трубами первой ступени испарения являются последние по ходу газов трубы конвективного пучка. Вторая ступень испарения включает первые по ходу газов конвективные пучки и опускные необогреваемые трубы.

В водяном пространстве верхнего барабана размещены питательная труба и труба для ввода фосфатов. В паровом пространстве установлены сепарационные устройства.  

Периодическая продувка предусматривается из нижнего барабана, непрерывная продувка - из солевого отсека верхнего барабана (вторая ступень испарения). Нижние барабаны всех котлов снабжены устройствами для парового прогрева при растопке и штуцерами для спуска воды.

Пароперегреватель устанавливается после второго-третьего ряда труб конвективного пучка. Пароперегреватель котла выполнен вертикальным из двух рядов труб.

Газоплотное экранирование боковых стенок, потолка и пода топочной камеры позволило отказаться от тяжелой обмуровки и применить легкую натрубную изоляцию толщиной 100 мм, укладываемую на слой шамотобетона по сетке толщиной 25 мм.

 Для уменьшения присосов  в газовый тракт котла натрубная изоляция снаружи покрывается листовой металлической обшивкой, привариваемой к каркасу котла. Применение натрубной тепловой изоляции позволило улучшить динамические характеристики котлов, уменьшить потери теплоты в окружающую среду и потери теплоты при пусках и остановах котлов, связанные с прогревом больших масс обмуровочных материалов.

В табл.1 приведеныконструктивные характеристики котла.

 

Таблица 1 -  Конструктивные характеристики котла[5]

Наименование и единица измерения величин	Е-25-14
1. Паропроизводительность, т/ч	25
2. Рабочее давление, МПа	1,4
3. Диаметр экранных труб  и труб конвективного пучка, мм	51х2,5
4.Расположение труб :                                 -первого конвективного пучка	шахматное
- второго конвективного пучка	коридорное
5. Внутренний диаметр  барабанов, мм	1000
6. Толщина стенки барабанов, мм	13
7. Длина цилиндрической  части  барабана, мм	7500
8. Расстояние между осями  барабанов, мм	2750
9. Шаг труб топочных  экранов, мм	55
10. Ширина топочной камеры, мм	1790
11. Глубина топочной камеры, мм	6960
12. Средняя высота топочной  камеры, мм	2400
13. Шаг труб конвективного  пучка поперек оси барабана, мм	110/110
14.Шаг труб конвективного  пучка вдоль оси барабана, мм	180/100
15. Ширина выходного окна  топочной  камеры, мм	910
16.Высота выходного окна  топочной камеры, мм	1760
17. Ширина выходного окна  конвективного пучка, мм	970
18.Высота выходного окна  конвективного пучка, мм	1000

 

 

 

Выбор топочного устройства

 

Топочное устройство состоит из двух частей [10]:

- Горелочное устройство предназначено для непрерывного подвода топлива и воздуха для горения и тщательного их перемешивания.

- Топочная камера предназначено для окончательного перемешивания и сжигания топлива.

Для сжигания газообразного топлива применяются камерные топки. Газообразное топливо не требует предварительной подготовки. Газ подается через газовую горелку ГМ-10.

Обоснование выбранной температуры уходящих газов

 

На потери с уходящими газами Qу.г, сильно влияет температура уходящих газов tу.г. Ее можно уменьшить, установив в хвостовой части котла дополнительные поверхности нагрева (экономайзера, воздушного подогревателя), т.к. чем ниже tу.г а, значит, меньше разность температур ∆t уходящих газов и нагреваемой среды, тем большая требуется площадь поверхности нагрева для охлаждения продуктов сгорания.

Повышение tу.г приводит к увеличению потерь  Qу.г и, следовательно, к дополнительным затратам топлива на выработку одного и того же количества пара.

На рис. 1 показана область температур от t¢у..г до t²у..г, в которой суммарные затраты различаются незначительно. Это служит основанием для выбора в качестве наиболее целесообразной температуры t²у.г, при которой капитальные затраты будут ниже, чем при t¢у.г. Необходимая площадь поверхности нагрева будет меньше, теплообменник будет более компактным, что облегчает условия обслуживания и ремонта. При выборе в качестве более целесообразной температуры t²у..г уменьшается вероятность конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, что может вызвать коррозию поверхностей нагрева.

Рис. 1. Зависимость затрат от температуры уходящих газов

 

Выбор хвостовых поверхностей нагрева

 

Компоновка газового и воздушного тракта должна быть простой и способствовать повышению надёжности и экономичности работы котла [5]. В связи с этим даже в установках малой мощности хвостовые поверхности нагрева, которые снижают температуру уходящих газов, а значит и уменьшают потери.

В качестве хвостовых поверхностей нагрева применяются чугунные водяные экономайзеры ЭП2.

 

 

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

Горение топлива

 

Основным топливом является природный газ, газопровод Казли-Каган. Расчетные характеристики данного природного газа на сухую массу приведены в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1 – Расчетные характеристики газообразного топлива

Газопровод	Состав газа по объему, %												Низшая теплота сгора- ния , кДж/м3	Плот-ность при 00  и 101,3 кПа,  ρ, кг/м3
	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	CO	CO2	N2	О2	H2S	HS
Газли-Каган	95,4	2,6	0,3	0,2	0,2	-	-	0,2	1,1	-	-	-	36590	0,750

 

Рекомендуемое значение коэффициента избытка воздуха на выходе из топки для газовых котлов с паропроизводительностью меньше 45 кг/с

αт = 1,05¸ 1,1.

Примем αт = 1,07.

Котлы серии Е-25 имеют два конвективных пучка.

Присосы воздуха по газовому тракту взяты из таблицы XVII А Нормативного метода.

 

 

 

 

Таблица 2.2- Коэффициент избытка воздуха и присосы воздуха в газоходах котла [1]

Показатель	Условное обозначение	Величина
1. Коэффициент избытка  воздуха в топке	αт	1,07
2. Присосы:                     -в топку;	∆αт	0,1
- в первый конвективный                      пучок и пароперегреватель;	∆αк.п.l	0,05
-во второй конвективный пучок;	∆αк.п.ll	0,1
-в водяной экономайзер	∆αэ к.	0,1

 

Рассчитаем избытки воздуха, результаты сведем в табл. 2.3

Коэффициент избытка воздуха после топки:

      ;    

       

Средний коэффициент избытка воздуха в топке

      ;

            

Коэффициент избытка воздуха после  первого конвективного пучка

      ;

       ;

Средний коэффициент избытка воздуха в первом конвективного пучка

               

     

Коэффициент избытка воздуха после второго конвективного пучка

     

       ;

Средний коэффициент избытка воздуха во втором конвективном пучке

                

          

Коэффициент избытка воздуха после водяного экономайзера

      ;

       ;

Средний коэффициент избытка воздуха в водяном экономайзере

                     

           

 

Таблица 2.3 - Избытки воздуха и присосы по газоходам котла

Наименование газохода	α´´	∆α	αср
1. Топка	1,17	0,1	1,12
2. Первый конвективный  пучок и пароперегреватель	1,22	0,05	1,2
3. Второй конвективный  пучок	1,32	0,1	1,27
4. Экономайзер и газоходы  за котлом	1,44	0,12	1,38

 

Расчет объемов продуктов сгорания

 

Объемы воздуха и продуктов сгорания рассчитываются на 1 м3 газообразного топлива при нормальных условиях: 0 °С и 101,3 кПа.

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания заданного топлива принимаются при полном его сгорании (α= 1) из таблицы XIII Нормативного метода и сводим в таблицу 2.4.

 

Таблица 2.4. -Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания

Наименование величины	Условное обозначение	Величина, м3 /м3
1. Теоретический объем  воздуха		9,72
2. Теоретические объемы  продуктов сгорания:                            -трехатомных газов;		10,91     1,04
- азота;		7,69
-водяных паров		2,18

 

Объемы газов при полном сгорании топлива и α > 1 рассчитаем для каждого газохода, и результаты заносим в табл. 2.5. в которой принято:

- Коэффициент избытка воздуха  α= αср - по табл. 2.3;

- =   ,     - из табл. 2.4, м3/м3;

- - объем водяных паров при α> 1, м3 /кг;

- - объем дымовых газов при α> 1, м3/кг;

- r  - объемная доля водяных паров;

- r- объемная доля трехатомных газов;

- rп - объемная доля водяных паров и трехатомных газов;

- Gr - масса дымовых газов:

- – плотность сухого газа при нормальных условиях, кг/м3 - по табл. 2.1ю

- dг.тл. .=10 гр./м3 - влагосодержание газообразного топлива, отнесённое к 1м3 сухого газа .

 

Таблица 2.5 - Действительные объемы газов (м3/м3 ) и их объемные доли при α> 1

Величина	Поверхность нагрева
	топка	первый конвективный пучок	второй конвективный пучок	экономайзер
1. α= αср	1,12	1,2	1,27	1,38
2. Объем водяных паров, м3 /кг = +0,0161(α-1)	2,199	2,211	2,222	2,239
3. Объем дымовых газов, м3/кг =+++(α- 1)	12,095	12,885	13,576	14,663
4. Объемная доля водяных паров r=	0,181	0,171	0,163	0,153
5. Объемная доля трехатомных газов r=	0,086	0,081	0,077	0,071
6. Объемная доля водяных паров и трехатомных газов  rп.= r+ r	0,267	0,252	0,240	0,224
7. , кг/м3	14,977	15,992	16,880	18,278

 

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания считаются для каждого значения коэффициента избытка воздуха α в области, перекрывающей ожидаемый диапазон температур в газоходе.

Так как свойств газа Казли-Каган нет в справочных данных, то необходимо заполнить табл. 2.6. на основе XIII Приложения. В приложении энтальпии приведены в ккал/м3. Для перевода в систему СИ необходимо умножить на коэффициент 4,19.

Обозначения в табл. 2.6. следующие: Энтальпии 1 м3 углекислого газа - (сθ)СО2 ,  азота - (сθ)N2, водяных паров - (сθ)Н2О и воздуха - (сθ)В.

 

Табл. 2.6 – Энтальпии 1 м3 воздуха и продуктов сгорания

,	(сθ)СО2	(сθ)N2	(сθ)Н2О	(сθ)В
	кДж/м3
2000	4847,83	2966,52	3930,22	3067,08
1800	4307,32	2643,89	3460,94	2731,88
1600	3771	2325,45	3004,23	2405,06
1400	3243,06	2011,2	2560,09	2078,24
1200	2719,31	1696,95	2132,71	1755,61
1000	2203,94	1395,27	1726,28	1437,17
800	1705,33	1093,59	1336,61	1131,3
600	1223,48	804,48	967,89	830,458
400	772,636	527,102	626,824	542,186
200	357,826	260,199	304,613	266,484
100	170,114	129,89	150,84	132,404

 

Данные для расчёта энтальпий продуктов сгорания принимаются из табл. 2.4 и 2.6. Результаты расчёта сводятся в табл. 2.7.

Для примера покажем расчёт для топки при температуре среды 2000.

Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания газа при температуре t, °С:

Iо.В  =  (сθ)в, кДж/м3

Iо.В  =  кДж/м3

Энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха α = 1 и температуре газов = 2000, °С:

Iо.Г =   (сθ)СО2  +

Iо.Г = + =36422,16

Энтальпия действительного объема дымовых газов в топке на 1 м3 топлива при температуре  2000, °С :

IГ  = Iо.Г  + (α-1) Iо.В ,     кДж/м3

IГ  = 36422,16  + (1,12-1) =40000 кДж/м3

Изменение энтальпии газов:

∆IГ = IГi-1   -  IГi   ,    кДж/м3,

где IГi   - расчетное значение энтальпии при температуре 1800С, кДж/м3 ;

IГi-1   - предыдущее по отношению к расчетному значение энтальпии, кДж/м3 при температуре 2000С .

 

Таблица 2.7 - Энтальпии воздуха и продуктов сгорания при α >1

Поверхности нагрева	θ(t)  °С	Iо.Г	Iо.В		(α-1) Iо.В		IГ		∆ IГ
		кДж/м3
Топка, вход в первый конвективный пучок и пароперегреватель αт =1,12	2000	36422,16		3577,44		40000		-
	1800	32355,98	26553,87	3186,47		35542,44		4457,16
	1600	28353,77	23377,18	2805,26		31159,03		4383,41
	1400	24419,91	20200,49	2424,06		26843,97		4315,07
	1200	20526,94	17064,53	2047,74		22574,68		4269,29
	1000	16785,01	13969,29	1676,32		18461,33		4113,35
	800	13097,06	10996,24		1319,55		14416,61		4044,72
Первый конвективный пучок и пароперегреватель (вход во второй конвективный пучок) αк.п.1 =1,2	1000	16785,01	13969,29		2793,86		19578,87		-
	800	13097,06	10996,24		2199,247		15296,31		4282,57
	600	9568,87	8072,05		1614,41		11183,28		4113,03
	400	6223,43	5270,05		1054,01		7277,44		3905,84
	200	3037,13	2590,22		518,04		3555,17		3722,27
Второй конвективный пучок (вход в экономайзер) αк.п.ll =1,27	600	9568,87	8072,05		2179,45		11748,32		-
	400	6223,43	5270,048		1422,91		7646,35		4101,98
	200	3037,13	2590,224		699,36		3736,49		3909,86
Экономайзер αэк. =1,38	400	6223,42	5270,05		2002,62		8226,05		-
	200	3037,13	2590,22		984,29		4021,41		4204,64
	100	1504,60	1286,97		489,05		1993,65		2027,76

 

Показатель ∆IГ  снижается по мере уменьшения температуры газов θ, °С. , значит ошибок в расчете энтальпий нет.

Составление теплового баланса парогенератора

 

Составление теплового баланса парогенератора заключается в установлении равенства между поступившим в котел количеством теплоты, называемого располагаемым Qp, и суммой полезно использованного тепла Q1 и тепловых потерь Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 . На основании теплового баланса вычисляются КПД котла и необходимый расход топлива на котел [8].

Тепловой баланс составляется применительно к установившемуся тепловому состоянию котла на 1 кг или 1 м3 топлива при нормальных условиях - температуре 0 °С и давлении 101,3 кПа.

 Уравнение теплового баланса:

Qp + Qв.вн + Qф = Q1 + Q2 + Q3+Q4+ Q5 + Q6 ,   кДж/м3

где Ор - располагаемое тепло топлива, кДж/м 3; Qb.bh - тепло, внесенное в топку воздухом при его подогреве вне котла, кДж/м3; Q ф - тепло, внесенное в топку паровым дутьем («форсуночным» паром), кДж/м3; Q1 - полезно использованное тепло, кДж/м3 ; Q2 - потеря тепла с уходящими газами, кДж/м3 ; Q3 - потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива, кДж/м3 ; Q4 - потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива, кДж/м3 ; Q5 - потеря тепла от наружного охлаждения, кДж/м3 ; Q6- потеря с теплом шлака, кДж/м3 .

 

В условиях курсового проектирования при сжигании газообразного топлива в отсутствие внешнего подогрева воздуха и парового дутья величины Qb.bh , Q ф , Q4 и Q6 равны нулю, поэтому уравнение теплового баланса будет иметь вид:

Qp = Q1 + Q2 + Q3+ Q5,   кДж/м3

Располагаемое тепло 1м3 газообразного топлива

Qр = Qi d + iтл , кДж/м3

где Qi d - низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3 (табл. 2.1);

iтл - физическое тепло топлива, кДж/м3. Оно учитывается в том случае, если топливо предварительно подогревается посторонним источником тепла. В условиях курсового проектирования iтл = 0.

Тогда

Qр = Qi d =36590, кДж/м3.

Выразим потери тепла в процентах от располагаемого тепла топлива:

q2 = · 100%;   q3 = · 100%  и т. д.

Потеря тепла с уходящими газами в окружающую среду определяется как разность энтальпий продуктов сгорания на выходе из экономайзера и холодного воздуха:

 

где Iух = I´´эк - энтальпия уходящих газов, кДж/м3 .Определяется интерполяцией по данным табл. 2.7 по температуре уходящих газов θух=160°С,  

,     кДж/м3

3210,3 кДж/м3

αyx = α´´ эк. =1,44 - коэффициент избытка воздуха за экономайзером (табл. 2.3);

 IО.хв. - энтальпия холодного воздуха,