Расчет тепловой схемы котельной

Содержание

 

     Введение………………………………………………………………………….………………… ..3

          1 Исходные  данные………………………………………………………………………….….....4

2 Расчет тепловой схемы котельной………………………………………….………………....5

              2.1 Определение параметров воды  и пара..................................................................................5

  2.2 Расчет подогревателей сетевой  воды (бойлеров)…………………………………….......6

  2.3 Определение расхода пара  на подогрев сетевой воды и  технологические нужд……...7

              2.4 Определение общего расхода  свежего (острого) пара…………………………………..8

  2.5 Расчет редукционно-охладительной  установки……………………….………………...8

  2.6 Расчет сепаратора непрерывной  продувки……………….……………………….……...9

  2.7 Определение расхода химически  очищенной воды..……………….…………………..10

              2.8 Расчет водяного подогревателя  сырой воды…….………………………………………11

  2.9 Расчет парового подогревателя  сырой воды…………………………………………….12

  2.10 Расчет деаэратора…………………………………………….…………………….…….13

              2.11 Проверка точности первого  приближения……………………………………………..14

  2.12 Уточненный расчет РОУ  (II приближение).……………………………...…………….15

  2.13  Уточненный расчет тепловой  схемы (II приближение)………………………………15

  2.14 Проверка точности второго  приближения… ………………………………………….16

  2.15 Уточненный расчет РОУ  (III приближение).……………….………...…...…………...16

  2.16  Уточненный расчет тепловой  схемы (III приближение)……………………………...17

              2.14 Проверка точности третьего  приближения…………………………………………….18

              2.17 Определение полной нагрузки  на котельную. ………....................................................18

           3 Расчет  теплового баланса котельной……………………  …………………………………...19

           4 Определение  количества котлоагрегатов котельной………………………………………..22

           5 Расчет  объемов продуктов сгорания…………………………………………………………23

           6 Определение  энтальпий продуктов сгорания  и воздуха……………………..……………..25

           7 Расчет  теплового баланса котлоагрегата. …………………………………………...………27

           8 Расчет  годового расхода и экономии  топлива………………………………………………29

           9 Тепловой  и конструктивный расчет экономайзера  ……………………….………………..30

              9.1 Тепловой расчет экономайзера. …………………………………………………………30

              9.2 Конструктивный расчет экономайзера. …………………………………………………31

           Заключение……………………………………………..……………………………………….33

           Приложение  А. Библиографический список ………………….……………………………..34

           Приложение  Б. Тепловая схема котельной..…………………….……………………………35

           Приложение  С. Экономайзер……………..…………...………………………………………36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

    Промышленные предприятия  и жилищно-коммунальный сектор  потребляют огромное количество теплоты на технологические нужды, вентиляцию, отопление и горячее водоснабжение. Тепловая энергия в виде пара и горячей воды вырабатывается теплоэлектроцентралями, производственными и районными отопительными котельными.

 

     Перевод экономики  России на рыночные отношения  и постоянное повышение цен  на топливо требуют серьёзной перестройки  в проектировании и эксплуатации производственных и отопительных  котельных.

 

     Пути и перспективы  развития энергетики и теплоснабжения  определены «Энергетической программой»,  одной из первоочередных задач  которой является коренное совершенствование  энергохозяйства на базе экономии  энергоресурсов: это широкое внедрение  энергосберегающих технологий, использование  вторичных энергоресурсов, экономия  топлива и энергии на собственные нужды.

 

     Производственные и  отопительные котельные должны  обеспечить бесперебойное и качественное теплоснабжение предприятий и потребителей жилищно-коммунального сектора. Повышение надежности и экономичности теплоснабжения в значительной степени  зависит от качества работы котлоагрегатов и рационально спроектированной тепловой схемы котельной.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет тепловой схемы котельной

1.1. Исходные данные

Необходимо рассчитать тепловую схему  промышленно-отопительной котельной  установки с паровыми котлами.

1. Параметры острого (свежего) пара из котла: МПа, .
2. Расход острого пара для технологических нужд: кг/с.
3. Температура поступающей в котельную сырой воды: °С.
4. Давление редуцированного пара после РОУ: МПа.
5. Степень сухости вторичного пара, выходящего из расширителя-сепаратора непрерывной продувки (РНП): .
6. Потери от утечек пара в котельной в процентах от :  %.
7. Расход котловой воды на продувку в процентах от : %.
8. Потери воды в тепловой сети: %.
9. Расход тепла на подогрев  сетевой воды:  кДж/с (кВт).
10. Температура сетевой воды, выходящей из бойлера в теплосеть °С.
11. Температура сетевой воды из обратной линии тепловой сети:  °С.
12. Температура сырой воды перед ХВО и химочищенной воды: °С.
13. Температура конденсата на выходе из бойлера:  °С.
14. Температура конденсата после подогревателя сырой воды: °С.
15. Топливо для котлоагрегатов: мазут 100.
16. Низшая теплота сгорания используемого топлива: МДж/кг.
17. Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки: a_т = 1,25.
18. Температура газов перед экономайзером: t_ух1 = 280 °С.
19. Температура газов после экономайзера: t_ух2 = 150 °С.
20. Коэффициент теплопередачи в экономайзере: k_э = 0,0200 кВт/(м²×К).

1.2. Определение параметров  воды и пара

Для сухого пара и воды в состоянии  насыщения при заданном давлении МПа, используя программу

°С,

 кДж/кг,

 кДж/к

Аналогично для сухого пара и  воды в состоянии насыщения при  давлении МПа:

°С,

 кДж/кг,

 кДж/кг,          

Энтальпия острого (свежего) пара, выходящего из котлоагрегата (парового котла) во влажном насыщенном состоянии, равна:

 кДж/кг.

Энтальпия вторичного пара во влажном  насыщенном состоянии, выходящего из расширителя  непрерывной продувки (РНП) равна:

кДж/кг.

1.3. Расчет подогревателей  сетевой воды (бойлеров)

Расчетная схема сетевых подогревателей показана на рисунке 1. Расход сетевой  воды через сетевые подогреватели (паровые бойлеры Б) находится из заданного расхода тепла Q_б и уравнения их теплового баланса:

,

 кг/с.

Потери сетевой воды в теплосети, полностью восполняемые подпиточным насосом ППН, равны:

  кг/с.

ППН подает в тепловую сеть перед  сетевым насосом СН деаэрированную воду из деаэратора Д с энтальпией кДж/кг в количестве . Энтальпия "обратной" сетевой воды, поступающей из обратной линии теплосети в котельную при температуре °С, соответственно равна кДж/кг. Поэтому требуемое для подогрева сетевой воды в бойлерах количество теплоты уменьшится на величину:

 кДж/с.

Считая, что в бойлеры поступает  редуцированный пар после РОУ  в сухом насыщенном состоянии при давлении р₂ и с энтальпией h₂``, необходимый расход пара на подогрев сетевой воды определяется из уравнения

.

Откуда  кг/с

где h_кб = с_в×t_кб = 4,19×75 = 314,25 кДж/кг – энтальпия конденсата греющего редуцированного пара после бойлеров.

1.4. Определение  расхода пара на подогрев сетевой  воды и на технологические нужды

Расход теплоты на технологические  нужды Q_т определяется, исходя из заданного расхода пара D_т технологическим потребителям:

,

где - средневзвешенная  энтальпия возвращающегося обратно конденсата технологического пара с учетом энтальпии сырой воды, подаваемой в котельную для восполнения потерь конденсата у технологических потребителей:

,

где  h_св = с_в×t_св = 4,19×6= 25,14 кДж/кг – энтальпия добавочной сырой воды.

Соответственно средневзвешенная энтальпия обратного конденсата

 кДж/кг.

Расход тепла на технологические  нужды

 кДж/с =27,4МВт.

Необходимый общий расход D_o свежего пара на подогрев сетевой воды и на технологические нужды:

кг/с.

1.5. Определение  общего расхода свежего (острого)  пара

Дополнительный расход острого  пара на подогрев сырой воды перед химводоочисткой и на деаэрацию воды в деаэраторе обычно равен 3…11 % от .

Соответственно ориентировочный  суммарный расход свежего пара котельной  в первом приближении равен

 кг/с.

Данное количество пара должно вырабатываться всеми котлоагрегатами (паровыми котлами) котельной.

1.6. Расчет редукционно-охладительной  установки

 Тепловой расчет РОУ  ведется на основе уравнений  теплового баланса и массового  баланса.

Расход редуцированного пара с параметрами , ,   и расход охлаждающей воды определяем из уравнения теплового баланса РОУ

из уравнения материального  баланса РОУ

.

Решая совместно уравнения  получаю:

,

где  - расход  поступающего в РОУ острого пара с параметрами , , кг/с;

- энтальпия влажного острого  пара, кДж/кг;

- энтальпия охлаждающей воды,  поступающей в РОУ, кДж/кг:

Потери от утечек свежего пара внутри котельной

 кг/с.

 Расход острого пара, поступающего  в РОУ:

 кг/с.

Расход охлаждающей воды:

 кг/с.

Расход редуцированного пара:

 кг/с.

1.7. Расчет расширителя  - сепаратора непрерывной продувки

Расход продувочной воды из котлоагрегата определяется по заданному значению

в процентах от

 кг/с.

Количество пара, выделяющееся в  РНП из продувочной воды, определяется из уравнения теплового баланса

и массового баланса

Выражая расход вторичного пара D_р, получаем

 кг/с.

Расход продувочной воды удаляемой  из расширителя 

 кг/с.

1.8. Расчет расхода  химически очищенной воды

Общее количество дополнительной воды, которую необходимо добавлять в  схему из блока химводоочистки (ХВО) для восполнения потерь рабочей среды в котельной, равно сумме потерь воды и пара в котельной, у технологических потребителей и в тепловой сети.

1) Потери от утечек свежего  пара внутри котельной

 кг/с.

2) Потери с продувочной водой 

 кг/с.

3) Потери пара с выпаром из деаэратора могут быть определены только при расчете деаэратора. Предварительно примем кг/с.

4) Потери сетевой воды в теплосети 

 кг/с.

5) Потери конденсата пара у  технологических потребителей

 кг/с.

Общее количество необходимой в  схеме добавочной химически очищенной  воды равно

                                      

 кг/с.

Для определения требуемого расхода  сырой воды, поступающей в блок химводоочистки, необходимо учесть дополнительное количество воды на взрыхление катионита, его регенерацию, отмывку и прочие нужды водоподготовки.

Эту дополнительную воду обычно учитывают  коэффициентом  . Примем  .

Получаю, что необходимый расход сырой добавочной воды равен

 кг/с.

1.9  Расчет водяного подогрева  сырой воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная схема водяного подогревателя сырой воды (ВПСВ) показана на рисунке 4. Уравнение теплового баланса водяного подогревателя

_где

кДж/кг – энтальпия сбрасываемой в бак-барборотер продувочной воды.

Энтальпия сырой воды на выходе из подогревателя

 кДж/кг

_{Температура сырой воды на выходе из ВПСВ}

1.10. Расчет парового  подогревателя сырой воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная схема парового подогревателя сырой воды (ППСВ) показана на рисунке 5. Уравнение теплового баланса парового водоподогревателя

где h_хво = с_в×t_хво = 4,19×27 = 113,13 кДж/кг – энтальпия воды для ХВО;

h_кп = с_в×t_кп = 4,19×83 = 347,77 кДж/кг – энтальпия удаляемого из ППСВ конденсата греющего пара .

Необходимый расход редуцированного  пара в подогреватель сырой воды:

 

 кг/с.

1.11.Общие замечания о  расчете деаэратора

Произведем уточнение ранее  принятого расхода D_вып. Суммарный расход деаэрируемой воды и количество выпара равны

 кг/с;

 кг/с.

1.12. Расчет деаэратора

Для каждой тепловой схемы составляю  свои уравнения балансов деаэратора в соответствии с имеющимися входящими  и выходящими потоками. Для деаэратора в рассматриваемой тепловой схеме, согласно расчетной схеме деаэратора, указанной на рисунке 7, уравнения имеют вид:

 

 Из уравнения находим

Подставляя полученное значение в уравнение и решая его относительно , находим расход деаэрированной воды

    кг/с.

Соответственно расход греющего редуцированного  пара:

 кг/с.

1.13. Проверка точности  расчета первого приближения

Из уравнения массового баланса  для линии редуцированного пара определяем значение расхода пара на деаэрацию D_д

 кг/с.

При расчете деаэратора получено значение D_д = 2,1344 кг/с. Ошибка при расчете составляет 62,52 %. Допустимое расхождение 0,03 %. Следовательно, необходим уточненный расчет тепловой схемы во втором приближении.

 

1.14 Уточненный расчет  РОУ (II приближение)

 

Уточненный расход редуцированного  пара, исходя из вычисленного более  точного расхода пара на деаэрацию, равен

Уточненный расход охлаждающей  воды

Уточненный расход острого пара

 Суммарный расход острого  пара 

1.15 Уточненный расчет  тепловой схемы (II приближение)

 

Расширитель-сепаратор непрерывной  продувки

 кг/с;

 кг/с;

 кг/с.

Расход химочищенной воды

 кг/с;

кг/с.

 кг/с.

Водяной подогреватель сырой воды

кДж/кг.

Паровой подогреватель сырой воды

 кг/с.

Деаэратор:

 кг/с;

 кг/с.

    кг/с.

Соответственно, расход греющего редуцированного пара:

1.16 Проверка точности  второго приближения

Из уравнения массового баланса  для линии редуцированного пара определяем значение расхода пара на деаэрацию D_д

 кг/с.

При расчете деаэратора получено значение D_д = 2,1752 кг/с. Ошибка при расчете составляет 0,3 %. Допустимое расхождение 0,03 %. Следовательно, необходим уточненный расчет тепловой схемы в третьем приближении.

1.17 Уточненный расчет  РОУ (II приближение)

 

Уточненный расход редуцированного  пара, исходя из вычисленного более  точного расхода пара на деаэрацию, равен

Уточненный расход охлаждающей  воды

Уточненный расход острого пара

 Суммарный расход острого  пара 

1.18 Уточненный расчет  тепловой схемы (II приближение)

 

Расширитель-сепаратор непрерывной  продувки

 кг/с;

 кг/с;

 кг/с.

Расход химочищенной воды

 кг/с;

кг/с.

 кг/с.

Водяной подогреватель сырой воды

кДж/кг.

Паровой подогреватель сырой воды

 кг/с.

Деаэратор:

 кг/с;

 кг/с.

    кг/с.

Соответственно, расход греющего редуцированного пара:

1.19 Проверка точности  второго приближения

Из уравнения массового баланса  для линии редуцированного пара определяем значение расхода пара на деаэрацию D_д

 кг/с.

При расчете деаэратора получено значение D_д = 2,1752 кг/с. Ошибка при расчете составляет 0,006 %. Допустимое расхождение 0,03 %. Следовательно, необходим уточненный расчет тепловой схемы в третьем приближении.

1.20 Определение полной  нагрузки на котельную

Суммарная (полная) нагрузка  котельной (номинальная расчетная паропроизводительность всех котлов) по формуле баланса свежего пара

 кг/с.

В то же время полная нагрузка котельной  по балансу преобразуемой в свежий пар в паровых котлах деаэрированной воды равна

 кг/с.

За расчетное берется среднее  значение полной нагрузки

 кг/с.

Суммарный расчетный расход питательной  воды поступающей во все котлоагрегаты котельной

 кг/с,

кг/с.

Среднее значение: кг/с.

2. Расчет теплового баланса котельной

Тепловой баланс котельной установки  составляется для определения коэффициента полезного действий (КПД) тепловой схемы  и оценки относительных величин  различных потерь теплоты, что позволяет  оценить экономичность предложенной тепловой схемы и пути уменьшения тепловых потерь.

Поступление теплоты в котельную  происходит в котлоагрегаты в виде той части теплоты сгорания топлива, которая используется на парообразование  и нагрев продувочной воды Q_по, и в виде теплоты Q_св, поступающей в схему с сырой добавочной водой. Суммарное поступление теплоты в схему:

,

где  - теплота от сгорания топлива, кДж/с;

- теплота поступающей в схему  сырой воды, кДж/с.

Подставляя, получаем для котельной

 кВт.

Найдем величину полезно использованной теплоты. Количество теплоты Q_т, кДж/с, полезно использованной с острым паром на технологические нужды (производственная нагрузка) с учетом возврата части конденсата на котельную

 кВт.

Процент (доля) расхода теплоты  на производственные нужды:

%.

Количество теплоты Q_тс, кДж/с (кВт), полезно использованной в водяной тепловой сети (отопительная нагрузка) с учетом потерь сетевой воды, равно

кВт

где  кДж/кг – энтальпия "прямой" сетевой воды, подаваемой из бойлеров котельной в подающую линию тепловой сети.

Аналогично, процент (доля) расхода  теплоты на отопительные нужды

%.

Полезно использованная у потребителей доля суммарно поступившей в котельную  теплоты, т.е. КПД схемы равен

%.

Рассмотрим основные составляющие потерь теплоты в схеме.

1) Потери от утечек свежего  пара в котельной

 кВт;

%.

2) Потери теплоты в окружающую  среду в бойлерах котельной

 кВт;

%.

 

Вычисляю также и неосновные тепловые потери:

 

3) Потери теплоты с водой,  удаляемой из  блока химводоочистки

 кВт;

%.

4) Потери теплоты со сбрасываемой  в барботер продувочной водой  (после водяного подогревателя сырой воды)

 кВт;

%.

5) Потери теплоты в окружающую  среду в паровом подогревателе  сырой воды ППСВ

 кВт;

%.

6) Потери теплоты конденсата  выпара

 кВт;

%.

 

7) Потери теплоты в окружающую  среду в водяном подогревателе  сырой воды ВПСВ

 кВт;

%

 

Суммарные неосновные потери составляют

%.

Проверяем тепловой баланс расчета  схемы котельной установки:

%.

Незначительное расхождение вызвано  погрешностью расчетов которая укладывается в заданные рамки  ±0,1 %.

3. Определение количества котлоагрегатов котельной

 

Выбираем  котлы типа КЕ-10-23. Это котлы с  естественной циркуляцией (буква Е) паропроизводительностью 10 т/ч пара давлением 23 ат (23 кгс/см²) или приблизительно 2,3 МПа. Количество котлоагрегатов Z в котельной определяется по их суммарной паропроизводительности

                                                        (49)

В котельной  устанавливается шесть котлов КЕ-10-23, из которых шестой котел в расчетном режиме недогружен (резервный).

4. Расчет объемов продуктов сгорания

Примем, что  котлоагрегаты котельной работают на буром угле следующего состава

%;   %;    %;   %;

%;    %;     %;   %.

Теоретически  необходимое количество воздуха

                   (50)

м³/кг.

Объем трехатомных  газов

                                      (51)

м³/кг.

Объем азота

                                               (52)

м³/кг.

Теоретический объем водяных паров

                                  (53)

м³/кг.

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры дан в задании: . Величина присосов воздуха в газоходе экономайзера .

Далее расчет выполняется для двух вариантов: с экономайзером и без него. Коэффициент избытка воздуха  в уходящих газах

;  .

Действительный  объем водяных паров 

;                                    (54)

м³/кг;

м³/кг.

Действительный  объем продуктов сгорания

;                                       (55)

м³/кг;

м³/кг.

5. Определение энтальпий продуктов  сгорания и воздуха

 

Расчет  энтальпий произведем отдельно для  вариантов "С" и "Б".

 Вариант "С" – с установкой  экономайзера

Температура уходящих из котлоагрегата дымовых газов по заданию:

t_ух=t_ух2=150 °С. Используя таблицу 4, методом линейной интерполяции

кДж/м³.

Аналогично  для других газов и воздуха

 кДж/м³; 

 кДж/м³;

кДж/м³.

Энтальпии теоретических  объемов воздуха и продуктов  сгорания

,                                                          (56)

 кДж/кг;

                               (57)

 кДж/кг

Энтальпия действительных объемов продуктов сгорания при  температуре t_ух2

,                                                    (58)

 кДж/кг.

Вариант "Б" – без установки  экономайзера

В этом случае температура уходящих из котлоагрегата дымовых газов по заданию: t_ух = t_ух1 = 280 °С. Используя таблицу, методом линейной интерполяции

кДж/м³.

Аналогично для других газов  и воздуха

кДж/м³; 

кДж/м³;

кДж/м³.

Энтальпии теоретических  объемов воздуха и продуктов  сгорания

,                                                    (59)

кДж/кг;

                         (60)

кДж/кг.

Энтальпия действительных объемов продуктов сгорания при  температуре t_ух1

                                              (61)

кДж/кг.

6. Расчет теплового баланса котлоагрегата

 

Используемое  топливо (бурый уголь) имеет по заданию  низшую теплоту сгорания МДж/кг.  Принимаем, что .