Расчёт топочной камеры парового котла

Введение

Отопительные и отопительно-производственные котельные занимают одно из ведущих  мест среди потребителей топливных  ресурсов, расходуя до 50 % добываемого  в стране, топлива. В перспективе, в связи с индустриализацией  сельского строительства, доля мелких и средних котельных в общем  теплоэнергетическом балансе страны также будет достаточно велика.

Техническая эксплуатация котельных  «малой энергетики» связана с  трудоемкими процессами и привлечением большого числа обслуживающего персонала, в том числе инженерно-технических  работников. К персоналу котельных  операторам (машинистам) котлов, теплотехникам, работникам хозяйства теплосети, техникам-лаборантам предъявляют высокие требования по овладению методами регулирования  технологических процессов и  знаниями в области топливоиспользования, автоматизации работы котлоагрегатов, техники безопасности, водоподготовки и т. п.

1 Классификация паровых котлов

В зависимости от характеристики соответствующего тракта и его оборудования вводится соответствующая классификация  паровых котлов. По виду сжигаемого топлива различают паровые котлы  для газообразного, жидкого и  твердого топлива. По особенностям газовоздушного тракта различают котлы с естественной тягой, с уравновешенной тягой и  с наддувом. Паровые котлы, в которых  движение воздуха и продуктов  сгорания обеспечивается напором, возникающим  под действием разности плотностей атмосферного воздуха и газа в дымовой трубе, называются котлами с естественной тягой.

 Если сопротивление газового  тракта (так же как и воздушного) преодолевается работой дутьевых  вентиляторов, то котлы работают  с наддувом. Котлы, в которых давление в топке и начале горизонтального газохода (перед поверхностью нагрева) поддерживается близким к атмосферному совместной работой дутьевых вентиляторов и дымососов, называют котлами с уравновешенной. В этих котлах воздушный тракт находится под давлением и его сопротивление преодолевается с помощью дутьевого вентилятора, а газовый тракт находится под разрежением (сопротивление этого тракта преодолевается дымососом). Работа газового тракта под разрежением позволяет уменьшить выбросы из газоходов в котельное помещение высокотемпературных газов и золы.

В настоящее время стремятся  все котлы, в том числе и  с уравновешенной тягой, изготовлять  в газоплотном исполнении. По виду водопарового (пароводяного) тракта различают  барабанные и прямоточные котлы. Во всех типах котлов по экономайзеру и пароперегревателю вода и пар  проходят однократно. Различие определяется принципом работы испарительных  поверхностей нагрева. В барабанных котлах пароводяная смесь в замкнутом  контуре, включающем барабан, коллекторы и испарительные поверхности  нагрева, проходит многократно, причем в котлах с принудительной циркуляцией  перед входом воды в трубы испарительных  поверхностей ставят дополнительный насос.

В прямоточных котлах рабочее тело по всем поверхностям нагрева проходит однократно под действием напора, развиваемого питательным насосом . По фазовому состоянию выводимого из котла (топки) шлака различают  котлы с твердым и жидким шлакоудалением. В котлах с твердым шлакоудалением (ТШУ) шлак из топки удаляется в  твердом состоянии, а в котлах с жидким шлакоудалением (ЖМУ) шлак удаляется в расплавленном состоянии. Паровые котлы характеризуются  основными параметрами: номинальной  паропроизводительностью, давлением, температурой пара (основного и промежуточного перегрева) и питательной воды.

Под номинальной паропроизводительностью  понимают наибольшую нагрузку (т/ч или  кг/с), которую стационарный котел  должен обеспечивать в длительной эксплуатации при сжигании основного топлива (или при подводе номинального количества теплоты) при номинальных  значениях температуры пара и  питательной воды (с учетом допускаемых  отклонений). Номинальными давлением  и температурой пара считают те, которые должны быть обеспечены непосредственно  перед паропроводом к потребителю  пара при номинальной производительности котла (для температуры — дополнительно  при номинальном давлении и температуре  питательной воды).

Номинальной температурой промежуточного перегрева пара называют температуру  пара непосредственно за промежуточным  пароперегревателем котла при номинальных  значениях давления пара, температуры  питательной воды, паропроизводительности, а также номинальных значениях  остальных параметров пара промежуточного перегрева с учетом допускаемых  отклонений. Номинальная температура  питательной воды — это температура, которую необходимо обеспечить перед  входом воды в экономайзер или  в другой относящийся к котлу  подогреватель питательной воды (при их отсутствии — перед входом в барабан котла) при номинальной  паропроизводительности.

 По параметрам рабочего тела  различают котлы низкого (менее  1 МПа), среднего (1 —10 МПа), высокого (10—  22,5 МПа) и сверхкритического давления (более 22,5 МПа). Наиболее характерные  особенности котла и основные  параметры вводятся в его обозначение.  В принятых по ГОСТ 3619—82 обозначениях  указывается тип котла, паропроизводительность (т/ч) и давление (МПа), температура перегрева и промежуточного перегрева пара, вид сжигаемого топлива и системы шлакоудаления для твердого топлива и некоторые другие особенности.

Буквенные обозначения  типа котла и вида сжигаемого топлива:

Е — с  естественной циркуляцией,

Пр — с  принудительной циркуляцией,

П — прямоточный,

Пп — прямоточный с промежуточным перегревом,

Еп — барабанный с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом,

Г — газообразное топливо,

М —мазут,

Б — бурые  угли,

К—каменные  угли,

Т, Ж —  соответственно с твердым и жидким шлакоудалением.

Например, котел барабанный с естественной циркуляцией производительностью 210 т/ч с давлением 13,8 МПа и температурой перегрева пара 565° С на каменном угле с твердым шлакоудалением обозначают: Е-210-13,8-565 КТ.

2.  Технологическая часть

2.1  Исходные  данные и выбор расчетных характеристик

Задание на выполнение типового расчета:

В соответствии с таблицей 1 [1]:

Произведем выбор оптимальных  для топлива коэффициентов избытка  воздуха в газовом потоке, коэффициента расхода горячего воздуха в горелки  топлива и температур газо–воздушного  тракта, которые приведены в таблице 2 [1]:

2.2  Расход  топлива на котел и объемные  расходы воздуха

и дымовых газов

При расчете КПД котла некоторые  тепловые потери сжигания топлива принимаются  как среднестатистические, потери теплоты  со шлаком определены для принятых к расчету топлив и также указаны  в таблице 3 [1]:

Потери с теплотой массы дымовых  газов на выходе из котла определяют с использованием приведенных характеристик:

                                                             (1)

где  a_yx – коэффициент избытка воздуха в газовом потоке;

_{С и  Ic} коэффициенты, зависящие от типа топлива и изменения теплоемкости газов (в зависимости от их влажности) (таблица 3 [1]);

K_q – коэффициент располагаемой теплоты;

ϑ_ух и t_х.в – температуры газо–воздушного тракта, ºС.

Потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной паропроизводительности котла определяется по номограмме рис 5-1 [1 стр. 21]

Сумма потерь при работе котла составит:

Расчетный КПД котла (в долях):

В результате полная тепловая мощность котла будет иметь значение:

Расход натурального топлива на котел:

Этому значению соответствует расход условного топлива:

Часовой расход натурального топлива  для выбора топливоподающего оборудования:

На основе приведенных характеристик  топлива теоретические объемы воздуха, необходимые для сжигания 1 м³ природного газа определяются по формулам:

                                                                                             (9)

                                                                                              ₍₁₀₎

Где и – удельные приведенные объемы воздуха и газов, м³/МДж (таблица 3 [1]).

2.3  Тепловые характеристики топочной камеры

Пренебрегая теплотой воздуха, поступающего в топочную камеру котла, принимаем:

, где  ,                                                       ₍₁₂₎

Энтальпия газов на выходе из топки, кДж/м³

_{Где rг=0                                                                                                              (13)}

Удельное тепловосприятие экранов  в топочной камере

                                                          ₍₁₄₎

                                                                                          ₍₁₅₎

                                                                                       ₍₁₆₎

В итоге определяют условную степень  радиационности котла:

3.  Технические рекомендации по устройству

и применению паровых котлов

3.1  Конструкции котлов

Общие положения

Конструкцией котла и его  основных частей должна обеспечиваться надежность, долговечность и безопасность эксплуатации на расчетных параметрах в течение расчетного ресурса  безопасной работы котла (элемента), принятого  в технических условиях (техническом  задании), а также возможность  технического освидетельствования, очистки, промывки, ремонта и эксплуатационного  контроля металла.

В конструкции и гидравлической схеме котла должна предусматриваться  надежное охлаждение стенок, элементов, находящихся под давлением, а  в расчетах на прочность учитываться  предельное значение температур стенок этих элементов.

Конструкцией котла должна обеспечиваться возможность равномерного прогрева его элементов при растопке и  нормальном режиме работы, а также  возможность свободного теплового  расширения отдельных элементов  котла.

Участки элементов котлов и трубопроводов  с повышенной температурой поверхности, с которыми возможно непосредственное соприкосновение обслуживающего персонала, должны покрываться тепловой изоляцией, обеспечивающей температуру наружной поверхности не более 45°С при температуре  окружающей среды не более 25°С.

Котлы и их элементы оборудуются  устройствами, обеспечивающими возможность  их продувки.

Конструкцией котла предусматривается  возможность удаления воздуха из всех элементов, находящихся под  давлением, в которых могут образоваться воздушные пробки при заполнении котла водой.

Вводы питательной, сетевой воды, подачи в котел химикатов оснащаются защитными устройствами, исключающими местное охлаждение стенок элементов  котла.

Конструкция котла может не иметь  защитных устройств, если это обосновано расчетами на прочность.

При устройстве газоходов необходимо исключить возможность взрывоопасного скопления газов, а также обеспечить необходимые условия для очистки  газоходов от отложений продуктов  сгорания.

Системы управления, сигнализации, защиты и контроля работы котла должны предусматривать  возможность автоматического поддержания  заданного теплового режима, регулирования  мощности в установленных пределах, а также автоматическое отключение котла в аварийных ситуациях.

Горелочные устройства, устанавливаемые  на котлах, должны соответствовать  требованиям Правил устройства и  безопасной эксплуатации паровых и  водогрейных котлов, утвержденных постановлением Госгортехнадзора России от 11.06.2003 № 88 и зарегистрированных Минюстом России 18.06.2003 № 4703.

Положение уровня воды

На паровом котле должны устанавливаться  указатели уровня воды прямого действия. Их количество, положение нижнего  и верхнего предельных уровней в  паровых котлах определяются проектом котла.

Нижний допустимый уровень воды в газотрубных котлах (жаротрубных) устанавливается не менее чем  на 100 мм выше верхней точки поверхности  нагрева котла.

Лазы, лючки, крышки и топочные дверцы

Лазы в барабанах котлов выполняются  круглой, эллиптической или овальной формы; диаметр круглого лаза принимается  не менее 400 мм, а размер осей эллиптического или овального лаза – не менее 300×400 мм.

Крышка лаза массой более 30 кг снабжается приспособлением для облегчения открывания и закрывания.

В коллекторах с внутренним диаметром  более 150 мм предусматриваются лючки  эллиптической или круглой формы  с наименьшим размеров в свету  не менее 80 мм для осмотра и чистки внутренней поверхности. Вместо указанных  лючков могут применяться приварные  штуцеры круглого сечения, заглушаемые  приварным донышком, отрезаемым при  осмотре (чистке). Количество и расположение штуцеров определяется проектом. Лючки  и штуцера допускается не предусматривать, если к коллекторам присоединены трубы наружным диаметром не менее 50 мм, расположенные так, что после  их отрезки возможен доступ для осмотра  внутреннего пространства коллектора.

В стенках топки и газоходов  предусматриваются лазы и гляделки, обеспечивающие возможность контроля за горением и состоянием поверхностей нагрева, обмуровки, а также за изоляцией  обогреваемых частей барабанов и  коллекторов.

Прямоугольные лазы размером не менее 400x450 мм, круглые диаметром не менее 450 мм должны обеспечивать возможность  проникновения внутрь котла для  осмотра поверхностей его элементов (за исключением жаротрубных и  газотрубных котлов).

Для осмотра и очистки топки  и наружных поверхностей секций чугунных котлов в газоходах предусматриваются  лючки, закрываемые дверцами, с наименьшим размером в свету не менее 80 мм. Число  лючков и их расположение указывается  в проекте котла.

В качестве лазов могут использоваться топочные дверцы и амбразуры горелочных устройств при условии, что их размеры будут не менее приведенных  в настоящем пункте.

Дверцы и крышки лазов, лючков и  гляделок выполняются прочными, плотными и исключающими самопроизвольное открывание.

На котлах с избыточным давлением  газов в топке в газоходах  лючки оснащаются устройствами, исключающими выбивание газов наружу при их открывании.

В газоходах за каждым котлом устанавливается  дымовая заслонка (шибер). В верхней  части заслонки котлов, работающих на газообразном и жидком топливе, выполняется  отверстие диаметром не менее 50 мм.

Предохранительные устройства топок и газоходов

Каждый котел с камерным сжиганием  пылевидного, жидкого, газообразного  топлива или с шахтной топкой для сжигания торфа, опилок, стружек  и других мелких производственных отходов  должен снабжаться взрывными предохранительными устройствами. Эти устройства устанавливаются  в стене топки и последнего газохода котла.

Взрывные предохранительные устройства размещаются так, чтобы исключить  опасность травмирования обслуживающего персонала. При невозможности установки  в местах, безопасных для персонала, взрывные клапаны должны оснащаться отводными коробами или ограждаться  отбойными щитами со стороны нахождения людей.

Конструкция, количество, размещение и размеры проходного сечения  взрывных предохранительных устройств  определяются проектом котла.

Взрывные предохранительные устройства могут не устанавливаться в топках и газоходах котлов, если это обосновано проектом. При этом выполняется расчет на прочность цельносварных топок (газоходов) от хлопка и аварийного разрежения.

Между котлом-утилизатором и технологическим  агрегатом устанавливается отключающее  устройство, обеспечивающее работу технологического агрегата без котла-утилизатора.

Отключающее устройство не устанавливается, если режим эксплуатации технологического агрегата позволяет остановить котел  для проведения технического освидетельствования  или ремонта котла.

Системы продувки, опорожнения и дренажа

Каждый котел должен оборудоваться  трубопроводами:

– подвода питательной или сетевой  воды;

– продувки котла и спуска воды при останове котла;

– удаление воздуха из котла при  заполнении его водой и растопке;

– продувки паропровода;

– отбора проб воды и пара;

– ввода в котловую воду корректирующих реагентов в период эксплуатации и моющих реагентов при химической очистке котла;

– отвода воды или пара при растопке и останове;

– разогрева барабанов при растопке.

Совмещение трубопроводов или  их отсутствие указывается в проекте  котла.

Количество и точки присоединения  к элементам котла продувочных, спускных, дренажных и воздушных  трубопроводов выбираются проектной  организацией котла таким образом, чтобы обеспечить удаление воды, конденсата и осадков из самых нижних, а  воздуха из верхних частей котла. В тех случаях, когда удаление рабочей среды не обеспечивается самотеком, следует предусматривать  принудительное ее удаление продувкой  паром, сжатым воздухом или другими  способами.

Продувочный трубопровод отводит  воду в емкость, которая работает без давления.

На всех участках паропровода, которые  отключаются запорными органами, устанавливаются дренажи, обеспечивающие отвод конденсата.

Конструктивные и компоновочные  решения систем продувок, опорожнения, дренажа, ввода реагента, принимаемые  в проекте котла по конкретному  оборудованию, должны обеспечивать надежную эксплуатацию котла на всех режимах, включая аварийные, а также надежную его консервацию при простоях.

3.2  Размещение  котлов и вспомогательного оборудования

Расстояние от фронта котлов или  выступающих частей топки до противоположной  стены котельной принимается  не менее 3 м. При этом для котлов, оборудованных газовыми горелками  и горелками для жидкого топлива, расстояние от выступающих частей горелок  до противоположной стены не менее 1 м, а для котлов, оборудованных  механизированными топками, расстояние от выступающих частей топок –  не менее 2 м.

Для котлов паропроизводительностью  не более 2,50 т/ч расстояние от фронта котлов или выступающих частей топок  до стены котельной может быть уменьшено до 2 м в следующих  случаях:

– если топка с ручной загрузкой  твердого топлива обслуживается  с фронта и имеет длину не более 1 м;

– при отсутствии необходимости  обслуживании топки с фронта;

– если котлы работают на газообразном или жидком топливе (при сохранении расстояния от горелочных устройств  до стены котельной не менее 1 м).

Расстояние между фронтом котлов и выступающими частями топок, расположенных  друг против друга, принимается:

– для котлов, оборудованных механизированными топками, не менее 4 м;

– для котлов, работающих на газообразном или жидком топливе, не менее 4 м, при  этом расстояние между горелочными  устройствами не менее 2 м;

– для котлов с ручной загрузкой  твердого топлива не менее 5 м.

Перед фронтом котлов допускается  устанавливать котельное вспомогательное  оборудование и щиты управления, а  также хранить запаси твердого топлива  не более чем для одной смены  работы котлов. При этом ширина свободных  проходов вдоль фронта котлов предусматривается  не менее 1,50 м, а установленное оборудование и топливо не мешает обслуживанию топок и котлов.

Ширина проходов между котлами, между котлом и стеной помещения  принимается не менее 1 м, ширина прохода  между отдельными выступающими частями  котлов, а также между этими  частями и выступающими частями  здания, лестницами, рабочими площадками и другими выступающими конструкциями – не менее 0,70 м.

При установке котлов, требующих  бокового обслуживания, ширина проходов между котлами или между котлом и стеной помещения принимается  не менее 1,50 м для котлов паропроизводительностью  до 4 т/ч и не менее 2 м для котлов паропроизводительностью 4 т/ч и  более.

При отсутствии необходимости бокового обслуживания котлов обязательно устройство хотя бы одного прохода между котлами  и между крайними котлами и  стеной котельной. Ширина этих проходов, а также ширина между котлами  и задней стеной помещения котельной  принимаются не менее 1 м.

Проходы в котельной имеют свободную  высоту не менее 2 м. При отсутствии необходимости обслуживания и перехода через барабан или сухопарник расстояние от них до нижних конструктивных частей покрытия котельной предусматривается  не менее 0,70 м.

Оборудование, не имеющее прямого  отношения к обслуживанию и ремонту  котлов или к технологии получения  пара и(или) горячей воды, не устанавливается  в одном помещении с котлами.

Размещение котлов и вспомогательного оборудования в блок–контейнерах и  транспортабельных установках осуществляется по проекту, выполненному специализированной проектной организацией.

3.3 Документация

В каждой котельной должны быть следующие документы:

• акты отвода земельных участков;
• геологические и гидрогеологические данные о территории с результатами испытания проб и анализа грунта;
• акты заложения фундамента;
• акты приема скрытых работ;
• акты об осадке зданий, сооружений и фундамента под котельной;
• акты испытания, устранения и обеспечения взрывобезопасности, пожаробезопасности, молниезащиту, противокоррозийную защиту сооружения;
• акты испытания внутренней и наружной системы водоснабжения, газоснабжения, теплоснабжения, отопления и вентиляции;
• акты индивидуального опробования испытания оборудования;
• акты государственных и рабочих приемочных комиссий;
• утвержденная проектная документация;
• технические паспорта зданий, сооружений, технических узлов;