Тепловой расчет топочной камеры парового котла Е-290-11,2-520М

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

 ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Факультет –  Теплоэнергетический

Специальность – котло и реакторостроение

Кафедра – парогенераторостроения и парогенераторных установок 
 

ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЕТ ТОПОЧНОЙ КАМЕРЫ

ПАРОВОГО  КОТЛА Е-290-11,2-520М

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Технология сжигания органических топлив»

ФЮРА.311233.001 ПЗ 
 

Студент гр.6472                               _____________                       М.А.Петунина

                                                           (Подпись)                                                      

                                                       ____________              

         (Дата) 

Руководитель                                    ____________                    Н.В. Старшинова

ассистент кафедры  ПГС и ПГУ          (Подпись)          

                                                            ____________

         (Дата) 
 
 

ТОМСК – 2010

                                            

       Реферат

       Курсовая  работа 48 с., 7 рисунков, 6 источников, 4 приложения.

       Ключевые слова: топочная камера, тепловой баланс котла, горелочные устройства, энтальпии воздуха и продуктов сгорания, температура, горение, излучение, теплообмен, труба, пароперегреватель, газ.

       Объектом  исследования  является топочная камера котельного агрегата Е-290-11.2-520М.

       Цель  работы - состоит в выборе рациональной компоновки и определении размеров некоторых поверхностей нагрева котла, в определении температур и тепловосприятий рабочего тела и газовой среды в поверхностях нагрева котла, обеспечивающих номинальную паропроизводительность котла при заданных номинальных параметрах пара, надёжность и экономичность его работы.

       В результате исследования были сконструированы  некоторые поверхности нагрева котла, компоновка горелочных устройств, составлен тепловой баланс котла и определен расход топлива, был произведен тепловой расчет топочной камеры.

       Достигнутые технико-эксплуатационные показатели: высокий КПД при небольшом расходе топлива.

       Топочные  камеры входят в состав котельный  установок, которые широко применяются для получения энергии, необходимой в различных производственных целях.

       Курсовая работа выполнена в  текстовом редакторе Microsoft Word 7.0. 
 
 
 
 

   Содержание

С.

       Введение           5

  1. Расчетные характеристики топлива      6
  2. Особенности сжигания мазута. Схема мазутного хозяйства

          и её описание                                                                                          7

  1. Составление тепловой схемы котла             12
  2. Расчет объемов воздуха продуктов сгорания            15
  3. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания           20
  4. Тепловой баланс котла               20
  5. Определение расхода топлива              23
  6. Выбор и компоновка горелочных устройств            25
  7. Выбор основных конструктивных характеристик топки          30
  8. Тепловой расчет топочной камеры             36

       Заключение                 43

       Список  используемой литературы              44

       Приложение  А. Объемы воздуха и продуктов сгорания для             45

       отдельных газоходов            

       Приложение  Б. Энтальпии воздуха и продуктов сгорания для            46                                   

       отдельных газоходов            

       Приложение  В. График энтальпий                                                          47

       Приложение  Г. Эскиз топки               58 
 
 
 
 
 

Введение 

       При выполнении расчёта топочной камеры, паропроизводительность котельного агрегата, параметры пара и питательной  воды являются заданными. Поэтому цель расчёта состоит в выборе рациональной компоновки и определении размеров всех поверхностей нагрева котла (конструктивный расчёт), в определении температур и тепловосприятий рабочего тела и газовой среды в поверхностях нагрева котла (проверочный расчёт).

             Задача конструктивного теплового  расчета котла заключается в  выборе компоновки поверхностей  нагрева в газоходах котла,  определение размеров радиационной  и конвективной поверхностей  нагрева, обеспечивающих номинальную паропроизводительность котла при заданных номинальных параметрах пара, надёжность и экономичность его работы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  1. Расчетные характеристики топлива

    Паровым котлом называется устройство для выработки  пара с давлением выше атмосферного за счет теплоты сжигаемого топлива.

    В данном курсовом проекте в качестве сжигаемого органического  топлива  используется мазут.

    1. Сжигаемое топливо -  Мазут 40,  низкосернистый, №1 [1, таблица

    III].

    1. Средний (табличный) состав топлива для рабочего состояния

       ;

       ;

       ;

       ;

       ;

       ;

       ;

    1. Низшая теплота сгорания .
    2. Значения влажности и зольности по заданию
 
       
    1. Коэффициент пересчета состава топлива на массу с заданной влажностью и  зольностью
 
 
       
    1. Расчетный состав рабочей массы топлива
 
 
 
 
 
       
    1. Проверка  правильности перерасчета состава  топлива:
 

      .

    1. Низшая теплота сгорания для рабочего состояния топлива при заданных влажности и зольности
 
 
 
 
  1. Особенности сжигания мазута. Схема мазутного  хозяйства и её описание

       В котлах крупных тепловых станций  и отопительных котельных, работающих на жидком топливе, как правило, применяют мазут.

       Физические  свойства мазута характеризуются следующими показателями: относительной плотностью, вязкостью условной, и динамической, температурами вспышки  и застывания.

       Относительная плотность — отношение плотности мазута при температуре 20 °С к плотности дистиллированной воды при температуре 4 °С.

       Условная  вязкость — отношение времени, необходимого для непрерывного истечения 200 см3 мазута при определенной температуре, ко времени истечения этого же объема дистиллированной воды при температуре 20°С.

       Температура вспышки — температура, при которой мазут, будучи нагрет в строго определенных условиях, выделяет достаточное количество паров для того, чтобы смесь этих паров с окружающим воздухом могла вспыхнуть при поднесении к ней пламени.

       Температура застывания — такая температура мазута, при которой он застывает настолько, что при наклоне пробирки с топливом на 45° к горизонту его уровень остается неподвижным в течение 1 мин.

       Мазут, применяемый для получения тепловой энергии при сжигании в топках котлов (табл. 5.2), делится на флотский марок Ф5 и Ф12 (легкие виды топлива) и топочный марок М40 (мало- и среднесернистый  — средний вид топлива), М100 и  М200 (мало-, средне-, высокосернистый  — тяжелый вид топлива).

       Топочный мазут по содержанию в нем серы делится на три группы: малосернистые (S<0,5%), сернистые (S = 0,5...2%) и высокосернистые (S> 2 %).

       Зольность мазутов Ар не превышает 0,1 %. В минеральной части мазута содержится Fe203 (оксид железа) 3... 10 % и V205 (пентаоксид ванадия) 0...29%. Содержание воды в мазуте колеблется в весьма широких пределах (0,5...3 % и выше), что связано с технологией его разогрева в процессе доставки и приемки у потребителя.

       Низшая  теплота сгорания мазута в зависимости  от его влажности составляет 39...42 МДж/кг.

       В топочных устройствах мазут сжигается  в распыленном состоянии — в виде капель в потоке воздуха. Горение распыленного топлива зависит от качества распыления, от среднего диаметра капель, скорости воспламенения, коэффициента избытка воздуха. Механизм горения распыленного топлива осуществляется путем умножения очагов самовоспламенения множества капель, при этом процессу горения каждой капли предшествуют стадии ее нагревания и испарения. В итоге горение каждой отдельной капли, поступившей в топочное устройство, происходит в паровой фазе, которая появляется и увеличивается по мере испарения с поверхности нагретой капли паров горючего. В результате вокруг каждой капли образуется сферическая зона, насыщенная парами горючей жидкости. При наличии окислителя и достижении температуры воспламенения происходит загорание паров жидкости на внешней части сферической поверхности в тонком слое, называемым фронтом горения. Выделяющаяся при этом теплота способствует еще более интенсивному испарению капли. Таким образом, скорость сгорания мазута, определяемая скоростью его испарения с поверхности капли, многократно увеличивается при распылении жидкого топлива не мелкие капли.

       Поэтому важнейшим этапом подготовки жидкого  топлива к сжиганию является распыление его на мельчайшие частицы. Например, из капли диаметром 1 мм дроблением может быть получено 106 капель диаметром 10 мкм. Площадь поверхности испарения при этом увеличивается в 100 раз.

       При распылении мазута получают капли разных размеров — от нескольких десятков до сотен микрометров. Наиболее мелкие капли испаряются и воспламеняются первыми, способствуя испарению и воспламенению более крупных.

       При сжигании мазута для испарения его  наиболее тяжелых фракций требуется  прогрев капель до температур порядка 400 °С и даже выше. При этом происходит термическое разложение топлива с образованием газообразной и твердой фаз (сажа, кокс), которые сгорают так же, как и частицы твердого топлива. Раскаленные частицы сажи и кокса в пламени определяют высокую светимость факела.

       Таким образом, процесс сжигания мазута состоит  из следующих последовательных стадий:

  • распыление топлива и образование горючей смеси;
  • воспламенение и горение горючей смеси.

       Эффективность сжигания мазута в значительной степени  зависит от первых подготовительных этапов, определяемых работой топливосжигающих устройств — мазутных форсунок.

       Схема мазутного хозяйства.

       Мазут может быть основным топливом, резервным (например, в зимнее время), аварийным, растопочным, когда основным является сжигаемое в пылевидном состоянии твердое топливо.

       Мазут к потребителю доставляется железнодорожным  транспортом, нефтеналивными судами, по трубопроводам (если нефтеперерабатывающие заводы находятся на небольших расстояниях). Мазутное хозяйство при доставке мазута железнодорожным транспортом состоит из следующих сооружений и устройств: сливной эстакады с промежуточной емкостью, мазутохранилища, мазутонасосной станции, системы мазутопроводов между емкостями мазута, мазутонасосной и котельными установками, устройствами для подогрева мазута, установок для приема, хранения и ввода в мазут жидких присадок.

       Схема мазутного хозяйства с наземным мазутохранилищем приведена на рис. 2.1. Из железнодорожных цистерн 1, располагающихся при сливе на эстакаде 2, мазут по переносному сливному лотку 3 поступает в сливной желоб 4 и затем по отводящей трубе 5 — в приемную емкость 6. Из нее мазут по мазутопроводам подается в фильтр 10 грубой очистки и насосами 9 через фильтры 8 тонкой очистки закачивается в емкость мазутохранилища 7. Из емкости мазутохранилища через фильтры 11 тонкой очистки и подогреватели 13 насосами 12 мазут подается в горелки 14 котельных агрегатов. Часть разогретого мазута направляется по линии 15 рециркуляции в мазутохранилище для разогрева находящегося там мазута. Рециркуляция мазута предназначена для предупреждения застывания мазута в трубопроводах при уменьшении или прекращении его потребления.

       При сливе из железнодорожной цистерны мазут самотеком движется по открытым лоткам (желобам) в приемные баки. По дну лотков проложены паропроводы. Слив мазута из цистерн происходит через нижний сливной прибор в межрельсовые желоба. Мазут из приемных резервуаров перекачивается погружными нефтяными насосами в основные резервуары для хранения. Подогрев мазута в приемных и основных резервуарах до 70 °С проводится обычно трубчатыми подогревателями поверхностного типа, обогреваемыми паром. В водогрейных котельных пар отсутствует, поэтому подогрев мазута осуществляется горячей водой с температурой до 150 °С.

       Для уменьшения опасности донных отложений  и загрязнения поверхностей нагрева при длительном хранении к мазуту добавляют жидкие присадки типа ВНИИНП-102 и ВНИИНП-103.

       

              

       Рис. 2.1 — Схема мазутного хозяйства  с наземным мазутохранилищем:

       1—  железнодорожная цистерна; 2 — эстакада; 3 — переносный сливной лоток; 4— сливной желоб; 5— отводящая труба; 6— приемная емкость; 7— мазутохранилище; 8, 11 — фильтры тонкой очистки; 9, 12 — насосы; 10 — фильтр грубой очистки; 13 — подогреватель; 14 — горелки котлов; 15 — линия рециркуляции 
 
 
 

  1. Составление тепловой схемы котла

       Одним из самых ответственных актов  конструирования является выбор температуры продуктов сгорания на выходе из топки (на входе в последующие ширмовые и конвективные поверхности нагрева). По существу, конструктор задает здесь соотношение между радиационным и конвективным теплообменом в агрегате. Поскольку радиационный теплообмен эффективен в области высоких температур, экономически выгодной является высокая температура за топкой (порядка 1200-1250°С), однако эта температура почти всегда ограничивается соображениями бесшлаковочной эксплуатации последующих ширмовых и конвективных поверхностей нагрева. Указанный уровень температур возможен лишь при сжигании природного газа, мазута и некоторых твердых топлив с очень высокой температурой начала деформации золы.

             Температура газов на выходе  из топки определяется рекомендациями по условиям надежности работы конвективных поверхностей нагрева.

             Температура уходящих газов оказывает  решающее влияние на экономичность  работы парового котла, так  как потеря теплоты с уходящими  газами является наибольшей в  сравнении с суммой других  потерь. Снижение температуры уходящих  газов приводит к повышению  КПД котла. Однако глубокое  охлаждение газов требует увеличения  размеров конвективных поверхностей нагрева и во многих случаях приводит к усилению низкотемпературной коррозии.

              Существенное влияние на выбор  температуры уходящих газов оказывает  также температура питательной  воды.

    1. Температура газов на выходе из топки (принимается)

. 

       
    1.  Температура уходящих дымовых газов 

       Величина  температуры уходящих дымовых газов  оказывает решающее влияние на КПД котла, однако глубокое охлаждение газов требует увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева, а при сжигании сернистых топлив сопряжено еще с опасностью низкотемпературной коррозии.

            Температура уходящих дымовых  газов выбирается на основании  технико–экономических расчетов  по условию эффективного использования  тепла топлива, расхода металла  на хвостовые поверхности нагрева  и с учетом низкотемпературной коррозии [2, с.23].

       По  таблице 3.3 [2, c. 26] для данного случая при и температуре питательной воды  (по заданию), температура уходящих газов принята равной

    1. Температура горячего воздуха

             Температура подогрева воздуха  в воздухоподогревателе определяется свойствами топлива, организацией его сжигания, особенностями выбранной системы пылеприготовления.

             Для курсового проекта с целью  упрощения расчетов для барабанных котлов средней и большой мощности на докритических параметрах пара можно принять при конструкторском расчете следующую последовательность расположения элементов котла по ходу дымовых газов: топочная камера, ширмовый пароперегреватель, две ступени конвективного пароперегревателя в горизонтальном газоходе, водяной экономайзер и воздухоподогреватель в опускной конвективной шахте. Компоновка низкотемпературных элементов в конвективной шахте, при условии отсутствия элементов промежуточного пароперегревателя, определяется требуемой по условиям эффективного горения топлива и его подготовки к сжиганию температурой горячего воздуха.

            По таблице 3.3[2, c. 27], в соответствии с рекомендациями, для данного вида топлива принята температура горячего воздуха

                                                       .

             Следуя данным рекомендациям  согласно  [2, с.13] видно, что в  настоящем проекте следует взять П-образную компоновку котла (рисунок 3.1) со следующей последовательностью расположения элементов котла по ходу дымовых газов: топочная камера, ширмовый пароперегреватель, две ступени конвективного пароперегревателя в горизонтальном газоходе, водяной экономайзер и воздухоподогреватель в опускной конвективной шахте.

            П-образная компоновка позволяет  логично увязать топку и конвективные поверхности нагрева, обойтись умеренной высотой котла, простыми средствами организовать каркас, разместить тягодутьевые машины на нулевой отметке. 
 

       

       Рисунок 3.1- Одноступенчатая компоновка поверхностей нагрева

              Узлы котлов с такой компоновкой  поверхностей нагрева наиболее  отработаны конструктивно и технологически, проверены в длительной эксплуатации, что позволяет создавать котлы высокой надежности.  
 

  1. Объемы  воздуха и продуктов сгорания

       4.1 Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания жидкого топлива 
 

    1. Теоретический объем азота

8,637

    4.3 Объем трехатомных газов 

    4.4 Теоретический объем водяных паров 
     

где - расход пара при наличии парового дутья или парового распыливания мазута, кг/кг. Gф=0,3 кг/кг (принимается).

    4.5 Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки

       Принимается в зависимости от топочного устройства и рода сжигаемого топлива. В нашем случае .

    4.6 Присосы воздуха по принятой компоновке поверхностей нагрева по отдельным газоходам (Δα)

       Принимаются в зависимости от принятой компоновки поверхностей нагрева и являются табличными данными из таблицы XVII [1].

      1. Присосы в газоход ширмового пароперегревателя
 
      1. Присосы воздуха  в газоход конвективного пароперегревателя
 
 

     где n – число ступеней.

      1. Присосы воздуха в газоход водяного экономайзера
 
      1. Присосы воздуха  в газоход воздухоподогревателя
 

          Рисунок 4.1- Одноступенчатая компоновка низкотемпературных поверхностей нагрева.

    1. Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева,
    2. (Определяется прибавлением к соответствующей суммы присосов воздуха в газоходах от топки до данной поверхности включительно, т.е. , где i – поверхность нагрева по ходу дымовых газов).
    3. Избыток воздуха за ширмовым пароперегревателем
 
    1. Избыток воздуха за конвективным пароперегревателем II ступени
 
    1. Избыток воздуха за конвективным пароперегревателем I ступени
 
    1. Избыток воздуха за водяным экономайзером
 
    1. Избыток воздуха за воздухоподогревателем
 
    1.  Средний коэффициент избытка воздуха в газоходе каждой поверхности нагрева
      1. В газоходе ширмового пароперегревателя
 
      1. В газоходе конвективного пароперегревателя (II ступень)
 
      1. В газоходе конвективного пароперегревателя (I ступень)
 
      1. В газоходе водяного экономайзера
 
      1. В газоходе воздухоподогревателя
 
    1.  Объем водяных паров в дымовых при избытках воздуха
 
 
    1. Объем дымовых  газов, образующихся при избытке  воздуха
 
 
    1. Объемная  доля сухих трехатомных газов
 
    1. Объемная  доля водяных паров
 
    1. Суммарная объемная доля трехатомных газов
 
    1. Доля золы топлива, уносимой дымовыми газами из топки 

    Выбирается в соответствии с рекомендациями по используемому виду топлива и типа шлакоудаления. Для данного случая рекомендуется .

    1. Масса дымовых газов при сжигании жидкого топлива
 
    1. Безразмерная  концентрация золы в дымовых газах
 
       
    1. Средние объемные характеристики продуктов  сгорания представлены в приложении А.
    2. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания
    3. Значения удельных энтальпий принимаются из таблицы 6.4 [1]
    4. Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха