Расчет котлоагрегата ДКВР 10-23

Введение

 

Котлы ДКВР - двухбарабанные, вертикально-водотрубные с экранированной топочной камерой и развитым конвективным пучком из гнутых труб. Топочная камера котлов производительностью до 10 т/ч включительно разделена кирпичной стенкой на собственно топку и камеру догорания, которая позволяет повысить КПД котла за счет снижения химического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла асимметричные. Установкой одной шамотной перегородки, отделяющей камеру догорания от пучка и одной чугунной перегородки, образующей два газохода, в пучках создается горизонтальный разворот газов при поперечном омывании труб. Котлы типа ДКВР применяются при работе как на жидком, газообразном, так и на различных видах твердого топлива. Вид используемых топочных устройств вносит определенные коррективы в компоновочные решения.

   Конструктивная схема котлов типа ДКВР паропроизводительностью 2,5, 4, 6,5 и 10 т/ч одинакова независимо от используемого топлива и применяемого топочного устройства (рисунок 1).

1- топочная  камера, 2-кипятильный пучок, 3- кирпичная  стенка, 4- камера догорания, 5-шамотная  перегородка, 6- чугунная перегородка, 7-кипятильные трубы, 8- линии поступления  питательной воды, 9- котельный пучок, 10- опускные трубы, 11- сепаратор влаги, 12- опорная рама, 13- паровые обдувочные  аппараты, 14- устройство для возврата  из газоходов на горящий слой  недогоревшего угля, 15- питательные  трубы, 16- предохранительный клапан, 17- труба для периодической продувки  котла.

 

Перед котельным  пучком котлов производительностью  до 10 т/ч расположена топочная камера, которая для уменьшения потерь с  уносом и химическим недожогом делится кирпичной шамотной перегородкой на две части: собственно топку и камеру догорания. Между первым и вторым рядами труб котельного пучка устанавливается шамотная перегородка, отделяющая кипятильный пучок от камеры догорания. Таким образом, первый ряд труб котельного пучка – задний экран камеры догорания. Внутри котельного пучка чугунная перегородка делит его на первый и второй газоходы. Выход газов из камеры догорания и из котла асимметричен. Вода в трубы фронтовых экранов котлов производительностью до 10 т/ч поступает одновременно из верхнего и нижнего барабанов. В котлах с короткими верхними барабанами применено двухступенчатое испарение и установлены выносные циклоны.

В котлах без пароперегревателей при отсутствии особых требований к качеству пара и содержании котловой воды до 3000мг/л, а также в котлах с пароперегревателем при солесодержании котловой воды до 1500мг/л применяется сепарационное  устройство, состоящее из жалюзи и  дырчатых листов.

На котлах паропроизводительностью 6,5 и 10 т/ч с одноступенчатым испарением, работающих с давлением 1,3 и 2,3 МПа, лазовые затворы устанавливаются также и на передних днищах верхних барабанов. По нижней образующей верхних барабанов всех котлов устанавливаются две легкоплавкие пробки, предназначенные для предупреждении перегрева стенок барабана под давлением. Сплав металла, которым заливают пробки, начинает плавиться при упуске воды из барабана и повышении температур его стенки до 280—320°С. Шум пароводяной смеси, выходящей через образующееся в пробке отверстие при расплавлении сплава, является сигналом персоналу для принятия экстренных мер к остановке котла. Ввод питательной воды выполнен в верхний барабан, в водяном пространстве которого, она распределяется по питательной трубе. Для непрерывной продувки на верхнем барабане устанавливается штуцер, на котором смонтирована регулирующая и запорная арматура. В нижнем барабане устанавливаются перфорированная труба для периодической продувки и трубы для прогрева котла паром при растопке.

В котлах паропроизводительностью 10 т/ч камеры фронтового и заднего экранов  крепятся кронштейнами к обвязочному  каркасу, камеры боковых экранов  крепятся к специальным опорам. Во всех котлах верхние барабаны не имеют  специальных опор, нагрузка от них  через трубы конвективного пучка  и экранов воспринимается опорами  нижнею барабана и коллекторов.

Котлы типа ДКВР не имеют силового каркаса, в  них применяется обвязочный каркас, который в котлах с облегчённой  обмуровкой используется для крепления  обшивки.

В блочно – транспортабельных котлах паропроизводительностью 10 т/ч на давление 1,3, 2,3, 3,9 МПа с  короткими верхними барабанами применимо  двухступенчатое испарение с  установкой во второй ступени выносных циклов. Применение циклов позволяет уменьшить процент продувки и улучшить качество пара при работе на питательной воде с повышенным солесодержанием. В конвективный пучок вода поступает из верхнего барабана через обогреваемые трубы последних рядов труб самого пучка и через нижний барабан. Вода из выносных циклов поступает в нижние коллекторы экранов, а пар – в верхний барабан, где очищается вместе с паром первой ступени испарения, проходя через жалюзи и (дырчатый) перфорированный лист. Устойчивость работы циркуляционных контуров боковых экранов обеспечивается применением рециркуляционных труб диаметром 51мм. Для всей серии котлов экраны и котельные пучки выполняются из стальных бесшовных труб диаметром 51 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Ширина конвективного пучка котлов производительностью 6,5 и 10 т/ч — 2810 мм

 

Техническая характеристика котла ДКВР 10-23 приведена в таблице 1.1

 

Таблица 1.1

 

Величина

Значение

Паропроизводительность, т /ч

10

Рабочее давление,  кг /см2, (МПа)

23

Объем топки, м3

20,4

Диаметр экранных труб, мм

51х2,5

Шаг труб боковых экранов, мм

80

Диаметр труб конвективных пучков, мм

51х2,5

Поперечный шаг труб, мм

110

Продольный шаг труб, мм

100

Шаг труб экранов, мм

130

Площадь живого сечения для прохода  продуктов сгорания

1,28


 

 

 

 

2 Расчет топлива

 

Вид топлива –твердое, марка – Экибастузский СС

      Характеристика топлива:

 

WP = 7,0%,

АP = 38,1%,

Spo+k= 0,8%,

СP= 43,4%,

HP = 2,9%,

NP = 0,8%,

OP = 7,0%,

 

Низшая теплота сгорания Qнр = 16760кДж/кг.

 

2.1 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

 

При тепловом расчете паровых и водогрейных  котлов определяются теоретические  и действительные объемы воздуха  и продуктов сгорания.

Теоретическое количество сухого воздухаVo, необходимого для полного сгорания топлива, м³/кг, определяется по формуле:

 

                      Vo=0,0889(СP+0.375Spo+k) +0.265 HP –0.0333 OP,                  (2.1)

 

Vo= 0.0889 (43,4 + 0.375· 0,8) + 0,265·2,9– 0,0333·7,0= 4,419м³/кг.

 

Теоретические объёмы продуктов сгорания, полученные при полном сгорании топлива с  теоретически необходимым количеством  воздуха определяются по следующим формулам:

-объем  азота , м3/кг:

= 0,79 Vо + 0,8 ,                                          (2.2)

 

= 0,79 · 4,42 + 0,8
= 3,497, м3/кг;

 

             -объём трёхатомных газов , м3/кг:

 

                     = 0,01866 (Ср  + 0,375 ) ,                                   (2.3)

 

           = 0,01866 (43,4 + 0,375· 0,8) = 0,815, м3/кг;

             - объем водяных паров ,м3/кг:

 

= 0,111 Нр + 0,0124 Wр,                                        (2.4)

 

= 0,111· 2,9 + 0,0124 · 7,0 + 0,0161· 4,42 = 0,48, м3/кг;

 

Действительный суммарный объем газов: VoГ,м3/кг:

 

VoГ =VoN2 +VoRO2+ VoH2O,    (2.5)

 

                                    VoГ=0.815+3.497+0.48 =4.792 ,м³/кг

 

Результаты расчета приведены в таблице 2.1

  

Таблица 2.1

Объемы продуктов сгорания

 

Наименование величины и расчетная  формула

Размерность

V0=4.419м3/кг;        V0N2=3.497м3/кг;

VRO2=0.815 м3/кг;     V0H2O=0.48 м3/кг;

АP=38.1 м3/кг.

Топка

Конвективные

пучки

Водяной

Экономайзер

1

2

Коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева, a”

  

1,3

1,35

1,45

1,4

Средний коэффициент избытка воздуха  в поверхности нагрева, aср

  

1,3

1,325

1,387

1,425

Объем водяных паров VH2O=V0H2O+0,0161 (aср–1) V0

м3/м3

0.657

0.504

0.512

0.876

Объем дымовых газов          

Vг= VRO2 + V0N2 +(αср-1)V0 + VH2O+  +0,0161 (aср–1) V0

м3/м3

6.117

6.338

6.780

6.559

Объемные доли трехатомных газов rRO2= VRO2  / Vг

  

0.13

0,12

0,12

0,12

Объемные доли водяных паров rH2O= VH2O / Vг

  

0,078

0,075

0,070

0,073

Суммарная объемная доля    rп = rRO2+ rH2O

  

0,21

0,20

0,19

0,19


2.2 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

 

Количество  теплоты, содержащееся в воздухе  или продуктах сгорания, называют теплосодержанием (энтальпией) воздуха  или продуктов сгорания. При выполнении расчетов принято энтальпию воздуха  и продуктов сгорания относить к 1 кг сжигаемого твердого и жидкого  топлива и к 1м3 (при нормальных условиях) газообразного топлива.

Расчет энтальпий продуктов сгорания приведен в таблице 2.2

 

Таблица 2.2

Энтальпия продуктов  сгорания

 

Поверхность нагрева

Температура после поверхности нагрева  С0

Iв0 ,кДж/м3

Iг0 ,кДж/м3

Iизб. кДж/м3

I, кДж/м3

 

, кДж/ м3

Верх топочной камеры, фестон

aт =1,3

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

13584.006

12841.614

12099.222

11374.506

10654.209

9929.493

9204.777

8480.061

7777.44

7070.4

6363.36

5678.415

5011.146

16247.386

15354.148

14450.525

13561.705

12677.487

11795.432

10931.197

10052.982

9196.327

8356.658

7519.541

6689.634

5928.562

4075.201

3852.484

3629.766

3412.351

3196.262

2978.847

2761.433

2544.018

2333.232

2121.12

1909.008

1703.524

1503.343

21234.701

20073.14

18841.603

17721.326

16552.79

15411.083

14265.537

13089.765

11964.925

10873.461

9783.773

8708.672

7709.008

 

912,114

866,508

791,312

717,27

679,041

636,804

572,907

492,765

435,366

395,656

355,224

315,514

277,103

 

I конвективный пучок

aпе = 1.35

 

 

 

 

 

1000

900

800

700

600

500

6363.36

5678.415

5011.146

4339.458

3676.608

3031.434

7519.541

6689.634

5928.562

5065.923

4231.678

3514.868

2227.176

1987.445

1753.901

1518.810

1286.812

1061.001

10101.941

8992.593

7959.566

6824.039

5720.866

4741.387

 

355,224

315,514

277,103

239,306

202,376

165,518

II конвективный пучок a к =1,45

700

600

500

400

300

200

4339.458

3676.608

3031.434

2399.517

1785.276

1179.873

5065.923

4231.678

3514.868

2772.579

2048.649

1463.095

1952.756

1654.473

1364.145

1079.782

803.374

503.942

7257.985

6088.527

5044.531

4091.667

3054.399

2132.555

239,306

202,376

165,518

239,306

202,376

165,518

Водяной Экономайзер

aэк =1,4

400

300

200

2399.517

1785.276

1179.873

2772.579

2048.649

1463.095

959.806

714.110

471.949

3862.345

2857.954

1996.089

129,96

95,195

61,045


Продолжение таблицы 2.2

 

Воздухоподогреватель

aвп =1,46

 

200

100

 

1179.873

587.727

1463.095

664.825

542.741

270.354

2066.881

964.347

 

61,045

29,168


 

Расчет  энтальпий продуктов сгорания производится при действительных коэффициентах  избытка воздуха после каждой поверхности нагрева (значения коэффициента избытка воздуха после поверхности нагрева берутся из таблицы 2.1). Расчет следует производить для всего возможного диапазона температур после поверхностей нагрева, так как температуры эти неизвестны. В дальнейших расчетах при пользовании значениями энтальпии допускается линейная интерполяция в интервале температур 100 К. Поэтому при расчетах энтальпии интервал температур не должен быть более 100 К.

Чтобы определить энтальпии воздуха и продуктов  сгорания, необходимо:

  1. Вычислить энтальпию теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур для жидкого топлива;
  2. Определить энтальпию теоретического объема продуктов сгорания для всего выбранного диапазона температур;
  3. Определить энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур;
  4. Определить энтальпию продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха α > 1.

 

Таблица 2.3

Присосы воздуха в газоходах котлов при  номинальной нагрузке

 

 

Г  а  з  о  х  о  д  ы

 

Величина присоса

Топочные камеры газомазутных и пылеугольных котлов

Газомазутные и пылеугольные с  твёрдым шлакоудалением с металлической  обшивкой

То же без металлической обшивки

0,05       

 

0,08

Топочные камеры слоевых топок

Механические и полумеханические

0,1


 

 

 

 

 

 

 

Продолжение таблицы 2.3

 

Газоходы конвективных поверхностей нагрева

Первый котельный пучок  котлов паропроизводительностьюD< 50 т/ч

Второй котельный пучок  котлов паропроизводительностьюD< 50 т/ч

Первичный пароперегреватель

Экономайзер чугунный с обшивкой котлов паропроизводительностьюD< 50 т/ч

Экономайзер чугунный без обшивки  котлов паропроизводительностьюD< 50 т/ч

Воздухоподогреватель трубчатый  котлов паропроизводительностьюD< 50 т/ч

0,05

0,1

0,03

 

0,1

 

0,2

 

0,06


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет теплового баланса котла

 

         При работе парового или водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают . Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, должно существовать равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды.

 

,                                                 (3.1)

 

= 16760 кДж/кг.

Где низшая теплота сгорания рабочей массы жидкого топлива , кДж/кг.

Потеря тепла с уходящими газами , %, определяется по формуле:

 

,

                    (3.2)

.

 

 

Где энтальпия уходящих газов , определяется по таблице 2.2 при соответствующих значениях и выбранной температуре уходящих газов, кДж/кг или кДж/м3;

   Энтальпия теоретически необходимого количества холодного воздуха , определяется при tв= 30°С по формуле (3.6),кДж/кг  или  кДж/м3;

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах , берется из таблицы 2.1 в сечении газохода после последней поверхности нагрева.

 

Энтальпия теоретически необходимого объема холодного  воздуха , при температуре 30°С; кДж/кг  или  кДж/м3, определяется по формуле:

 

,                                           (3.3)

 

кДж/кг.

 

Потеря  от механической неполноты сгорания ,%. При слоевом сжигании твердых топлив принимается по таблице 1.6

= 6 %.

Потеря тепла от химической неполноты сгорания , %. При слоевом и камерном сжигании твердых топлив определяется по таблице 1.6.

=1%.

 

Потеря тепла от наружного охлаждения ,%,определяется по формуле:

 

,                                                   (3.4)

 

=
%.

 

Где потеря тепла от наружного охлаждения при номинальной нагрузке (рисунок 3.1 или по таблице 3.1);

Номинальная и фактическая нагрузка котла Dном, Dф, кг/с(т/ч).

 

Потери  с физическим теплом шлака  %, определяется по формуле:

 

                                  ,                                           (3.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Расчет КПД и расхода топлива

 

Коэффициентом полезного действия (КПД) парового или водогрейного котла  называют отношение полезной теплоты  к располагаемой теплоте. На собственные  нужды расходуется пар для  привода питательных насосов, на обдувку поверхностей нагрева и т. д., а электрическая энергия – для привода дымососа, вентилятора, питателей топлива, мельниц системы пылеприготовления и т. д. Под расходом на собственные нужды понимают расход всех видов энергии, затраченной на производство пара или горячей воды. Если КПД агрегата определяется по выработанной теплоте, то его называют брутто, а если по отпущенной теплоте – нетто.

Коэффициент полезного действия парового котла (брутто) определяется по уравнению обратного баланса, (%):

 

                         (3.6)

 

.

      Полезная мощность парового котла , кВт, определяется по формуле:

 

                      

= Dн.п  (iн.п - iп.в) + 0,01 p(iкип - iп.в),                      (3.7)

 

        = 2,7(2777,0-104,76)+0,01*2(762,6-104,76)= 7228,198 кВт.

 

Где расход выработанного насыщенного пара Dн.п , кг/с;

I п.в, Iн.п, Iкип - энтальпия перегретого пара, питательной воды на входе в индивидуальный водяной экономайзер, насыщенного пара и кипящей воды в барабане котла, кДж/кг;

Непрерывная продувка парового котла P , %, учитывается только при

Р ≥ 2 %.

 

Расход  топлива , подаваемого в топку, кг/с, определяется по формуле:

 

                                              (3.8)

 

 

кг/с.

Расчетный расход топлива вносится во все последующие  формулы, по которым подсчитывается суммарный объем продуктов сгорания и количество теплоты.

Коэффициент сохранения тепла , для последующих расчетов, определяется  по формуле:

 

,                                        (3.9)

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет топочной камеры

 

Температура газов на выходе из топки, ,0С, определяется по формуле:

 

,                         (4.1)

 

 

Полезное тепловыделение в топке для котлов низкого давления , кДж/кг, определяется по формуле:

 

,                     (4.2)

 

Где теплота , вносимая  в топку  воздухом, кДж/кг рассчитывается по формуле:

                                           

,                                 (4.3)

 

, кДж/кг.

 

 

кДж/кг.

 

 

Адиабатическая температура горения , К, определяется по формуле:

 

,  (4.4)

 

К.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива ,кДж/кг×К, производится по формуле:

 

,                                              (4.5)

 

Где теоритическая (адиабатная) температура горения ,К, определяемая по таблице 2.2 по значению , равному энтальпии продуктов сгорания Ia;

Температура газов на выходе  из топки , оС, принятая по предварительной оценке;

Энтальпия продуктов сгорания , определяемая по таблице 2.2 при принятой на выходе из топки температуре;

- полезное тепловыделение в  топке.

 

кДж/кг×К.

 

Определение параметра М. 

 

Параметр М  определяется в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки.

При слоевом сжигании всех видов  топлив:

 

М = 0,59 – 0,2 ,    (4.6)

 

М = 0,59 – 0,5·0,14=0,49.

 

Где отношение высоты расположения осей горелок , для камерных топок принимается не более 0,5 .

 

 

Определение среднего коэффициента тепловой эффективности  экранов  .  Расчет ведут по формуле:

    (4.8)

.

где , в котором   угловой коэффициент, определяемый по рисунку 4.2[5].

 

.

 

= 7780С.

 

 

1 – с учетом  излучения обмуровки при е≥1,4d;

2 – то же при е=0,8d;

3 – то же при е=0,5d;

4 – то же при е=0;

5 – без учета излучения обмуровки  при е≥0,5d.

 

Рисунок 4.2 Угловые коэффициенты однорядного гладкотрубного экрана

Коэффициент , учитывающий снижение тепловосприятия вследствие загрязнения или закрытия изоляцией поверхности, принимается по таблице 4.1.

 

Таблица 4.1

Значения  коэффициента

 

Тип экрана

Топливо

Открытые гладкотрубные настенные  экраны

Газообразное топливо

0,65

Открытые гладкотрубные настенные  экраны

Мазут

0,55

Открытые гладкотрубные настенные  экраны

Все топлива при слоевом сжигании

0,60

Ошипованные экраны, покрытые угнеупорной  массой

Все топлива

0,20

Экраны, закрытые шамотным кирпичом

Все топлива

0,10


 

Степень черноты  для камерных топок  , при сжигании жидкого топлива и газа определяется по формуле:

 

,      (4.9)

 

.

 

 

Входящая  в формулу (4.9) эффективная степень  черноты факела аф определяется по формуле (4.10) . Для жидкого и газообразного топлива, определяется по формуле:

 

,    (4.10)

 

.

 

 

 

Эффективная толщина излучающего слоя S, (м), рассчитывают по формуле:

 

S=3,6 ,                                        (4.11)

 

Где объем топочной камеры , м3;

Поверхность стен топочной камеры , м2

 

S=3,6*

м.

 

 

При сжигании твердого топлива ослабления лучей трехатомными газами ( ), и сажистыми частицами ( ).

Коэффициент ослабления лучей ,м×МПа . Определяется по формуле:

 

++,                                        (4.12)

 

Где суммарная объемная доля трехатомных газов , берется из таблицы 2.1;

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами , м·МПа ;

Расчет котлоагрегата ДКВР 10-23