Тепловой расчёт котельного агрегата

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по курсу

«Котельные  установки и парогенераторы»

на тему:

«Тепловой расчёт котельного агрегата»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                           Выполнила:

                                                                                           ст. гр. ТЭ-09-1

                                                                                           Мякотина Е. Ю.

                                                                                           Поверила:

                                                                                           Шацких Ю.В.

 

 

 

 

 

 

 

Липецк 2012

 

Содержание:

1. Задание…………………..………………………………………………….3
2. Аннотация……………..……………………………………………………4
3. Описание котельной установки…………………………………………...5
4. Расчёт горения топлива………..…………………………………………..6

4.1.    Определение  состава и теплоты сгорания  топлива…………………........6

4.2.   Определение присосов  воздуха и коэффициентов избытка  воздуха по                  отдельным газоходам……………………………………………………………..7

4.3.    Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания……………………...… 7

4.4.    Расчет энтальпий  воздуха и продуктов сгорания……………………… 9

4.5.    Определение  КПД котлоагрегата и расхода топлива…………………. 11

5. Расчёт топочной камеры……………………………………………….....13

5.1.    Основные  конструктивные размеры топочной камеры………………...13

5.2.    Определение геометрических  характеристик топки   ………………….15

5.3.    Расчет теплообмена  в топке……………………………………...............16

6. Распределение тепловосприятия по ступеням пароперегревателя……19
7. Расчет  ширмы…………………………………………………………….21
8. Расчёт фестона……………………………………………………...……. 27
9. Расчёт конвективного пароперегревателя………………………….…32
1. Тепловой расчет II ступени КПП……………………………… ………..33
2. Тепловой расчет I ступени КПП………………………...……………….38
10. Тепловой баланс котла……….……………………………………..…....43
11. Расчёт водяного экономайзера (2 ступ.)…………………………….......46
12. Расчёт воздухоподогревателя(2 ступ.)…………………………………..50
13. Расчет водяного экономайзера (1 ступ.)………………………………...55
14. Расчет воздухоподогревателя(1 ступ.)…………………………...….......59
15. Сводная таблица теплового расчета...............…………………….……..63
16. Список используемой литературы…………………………..…………..67

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Аннотация

Данная пояснительная  записка к курсовому проекту  представляет собой расчёт котельного агрегата, прототипом которого является котел типа Е-220/100 (модель ТП-13/Б) вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией, паропроизводительностью 220 т/ч. Сжигаемое топливо – Мугунское Б3.

Пояснительная записка содержит  67 страниц, 9 иллюстраций и 11 таблиц.

Графическая часть продольный и поперечный разрезы котла, всего  листов формата А1 – 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Описание  котельного агрегата

Е-220/100 (ТП-13/Б) – котел  однобарабанный, вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией, выполнен по П-образной схеме.

Топочная камера –  призматическая, с уравновешенной тягой, в сечении представляет прямоугольник  с размерами в свету 9852*7160 мм. Стены  топочной камеры экранированы трубами  диаметром 60*5 мм, расположенными с шагом 64 мм (Сталь 20).

В верхней части топки  трубами заднего экрана образован  аэродинамический выступ, позволяющий  оттеснить газы для обогрева угловых  и фронтальных экранных труб (в  верхней части).

На боковых стенах топки расположены встречно, в один ряд, шесть комбинированных газовых горелок (по три с каждой стороны).

Барабан – сварной  конструкции, внутренний диаметр 1600 мм с толщиной стенки 100 мм (сталь 22К). От него по опускным трубам через нижние распределительные коллекторы и  подъемные трубы идут 4 циркуляционных контура.

На выходе из топки  трубы заднего экрана через промежуточный  коллектор переходят в однорядный фестон. Перед фестоном в топке  расположен ширмовый пароперегреватель.

Схема испарения –  двухступенчатая. Обе ступени включены непосредственно в барабан котла.

Пароперегреватель –  радиационно-конвективного типа. Радиационная часть состоит из расположенных  над топкой потолочных труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 3,5 мм (сталь 20) и ширм, выполненных из труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 4 мм (сталь 12Х1МФ). Конвективная часть двухступенчатая: первая ступень по ходу газов выполнена из труб диаметром 42 мм с толщиной стенки 4,5 мм, вторая – из труб диаметром 38 мм с толщиной стенки 4 мм (сталь 12Х1МФ).

Регулирование температуры перегретого пара осуществляется впрыском «собственного» конденсата.

Конвективная шахта, за  исключением верхнего экономайзера, выполнена в виде двух колонок (по глубине котла).

Экономайзер – двухступенчатый, расположен параллельно фронту котла, кипящего типа. Изготовлен из труб 32*3,5 мм (Сталь 20)  и установлен в рассечку с воздухоподогревателем.

Воздухоподогреватель  – трубчатый, по воздуху шестиходовой и двухпоточный.

Обмуровка – двух типов: щитовая накаркасная или натрубная.

Котел снабжен необходимой арматурой, устройствами для отбора проб пара и воды, КИП. Процессы питания котла, регулирование перегретого пара и горения автоматизированы.

 

4. Расчет горения  топлива

4.1. Определение  состава и теплоты сгорания  топлива

 

Справочный состав топлива на рабочую массу (2, табл.1, стр. 162):

Таблица 1

Wр, %	Aр, %	Sр, %	Cр, %	Hр, %	Nр, %	Oр, %	,кДж/кг
22,0	15,6	0,9	46,0	3,6	0,9	11,0	17291,484

 

Пересчитаем состав топлива и низшую теплоту сгорания , принятые по справочным данным,  для новых значений влажности и зольности  (W^P=24%, A^P=14%):

 кДж/кг.

 

Пересчитанный состав:

Таблица 2

Wp, %	Ap, %	Sp, %	Cp, %	Hp, %	Np, %	Op, %	, кДж/кг
24,0	14,0	0,894	45,705	3,577	0,894	10,929	17128,357

 

- приведенная влажность  топлива, %·кг/МДж:

- приведенная зольность  топлива, %·кг/МДж:

 

- приведенная сернистость  топлива, %·кг/МДж:

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Определение  присосов воздуха и коэффициентов  избытка воздуха по отдельным газоходам

 

Таблица 3

Поверхность нагрева	Обозначение	Присос
Топочная камера		0,1
Фестон, ширмовый пароперегреватель		0
Пароперегреватель (на каждую ступень)		0,03
Водяной экономайзер (на  каждую ступень)		0,02
Воздухоподогреватель трубчатый (на каждую ступень)		0,03

 

Коэффициент избытка воздуха на выходе из последней ступени:

=1,2+0,03+0,03+0,02+0,03+0,02+0,03=1,36

 

4.3. Расчет объёмов  воздуха и продуктов сгорания

 

 

Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания (при α = 1)

производим, исходя из состава  рабочей массы.

Теоретический объем  воздуха:

,                                                               

Теоретические объемы продуктов  сгорания:

     

                      

                                                                 

 

Для расчета действительных объемов продуктов горения по газоходам агрегата выбираем коэффициент  избытка воздуха в топке α_т  и присосы воздуха в отдельных поверхностях нагрева ∆α. Расчет объемов продуктов сгорания в поверхностях нагрева сводим в таблицу № 4.

 

 

Таблица 4. Объемы продуктов  сгорания, объемные доли трехатомных  газов.

 

Величина и расчетная  формула	Топочная камера, ширма, фестон	КПП 2	КПП 1	Экономайзер 2	В/П 2	Экономайзер1	В/П 1
Коэффициент избытка  воздуха за поверхностью нагрева  α"= αт+ΣΔαi	1,2	1,23	1,26	1,28	1,31	1,33	1,36
Средний коэффициент  избытка воздуха в поверхности  нагрева αср	1,15	1,215	1,245	1,27	1,295	1,32	1,345
Объем водяных паров, м3/кг	0,781	0,786	0,788	0,790	0,792	0,794	0,796
Полный объем газов, м3/кг	6,044	6,353	6,495	6,614	6,733	6,852	6,970
Объемная доля водяных  паров	0,129	0,124	0,121	0,119	0,118	0,116	0,114
Объемная доля трехатомных газов	0,142	0,135	0,132	0,130	0,128	0,125	0,123
Доля трехатомных газов  и водяных паров	0,271	0,259	0,254	0,249	0,245	0,241	0,237
Концентрация золовых  частиц,г/ м3	22,006	20,936	20,476	20,109	19,754	19,411	19,080

 

4.4. Расчет энтальпий  воздуха и продуктов сгорания

Определяем энтальпию  теоретического объема продуктов сгорания:

,

где - энтальпии 1 м³ трехатомных газов, водяных паров и теоретического объема азота,

Результаты вычислений приведены  в таблице 5.

Энтальпия продуктов сгорания в  газоходе с учетом присосов:

где - энтальпия теоретически необходимого количества воздуха,

,

- энтальпия золы,

 

Результаты вычислений приведены в таблице 6.

 

Таблица № 5. Энтальпии теоретических  объемов воздуха и продуктов сгорания, кДж/кг

 

Температура, С	Vo=4,677 м3/кг	VRO2=0,859 м3/кг	VоH2O=0,77м3/кг	VоN2=3,702 м3/кг	H0г
	H0в	HRO2	H0H2O	H0N2
100	622,0316911	146,0495623	116,2604922	481,2507118	743,5607663
200	1248,740312	308,4223109	234,8307956	966,2033522	1509,456459
300	1889,479723	481,9635555	357,2507841	1454,857921	2294,072261
400	2539,572994	664,9550658	483,5204578	1954,618276	3103,093799
500	3208,373985	858,255957	613,6398166	2465,484416	3937,38019
600	3891,205767	1053,275078	746,8389236	2983,754413	4783,868415
700	4592,745268	1259,462696	886,1975269	3513,130196	5658,790419
800	5289,607839	1468,227658	1031,715626	4057,313694	6557,256978
900	6009,85506	1681,288196	1177,233726	4616,304905	7474,826827
1000	6734,779212	1897,785194	1331,99107	5175,296116	8405,072381
1100	7483,088013	2117,718653	1487,518351	5737,989256	9343,22626
1200	8231,396814	2341,947687	1646,12538	6296,980468	10285,05353
1300	8975,028685	2565,317605	1810,891906	6870,779393	11246,9889
1400	9742,045207	2792,983099	1975,658431	7463,087962	12231,72949
1500	10509,06173	3019,789478	2147,35439	8036,886887	13204,03076
1600	11276,07825	3247,454973	2318,280411	8629,195456	14194,93084
1700	12038,41784	3478,556927	2493,056118	9217,802096	15189,41514
1800	12805,43436	3708,799766	2670,911573	9810,110664	16189,822
1900	13591,1586	3939,901721	2848,767028	10417,22695	17205,8957
2000	14376,88284	4174,440135	3032,78198	11005,83359	18213,0557
2100	15162,60709	4408,97855	3214,48712	11612,94987	19236,41554
2200	15948,33133	4643,516965	3398,502071	12220,06615	20262,08519

 

 

 

 

 

Таблица № 6. Энтальпии продуктов сгорания, кДж/кг

 

 

 

4.5. Определение  КПД котлоагрегата и расхода  топлива

1. Располагаемая теплота  топлива:

- физическое тепло топлива, находится по формуле, кДж/кг:

 где  - температура топлива, °C; - удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг∙К);

Для твердых топлив в расчетах принимается: °C и теплоемкость топлива, кДж/(кг∙К):

 

Таким образом,

2. Коэффициент полезного действия  парового котла определяется  из обратного баланса:

         

где   - потери от химической неполноты сгорания, =0% (1);

- потери от механической неполноты горения, =0,5% (1);

   - потери от наружного охлаждения, (1);

        - потери тепла с уходящими газами:

        

где - энтальпия уходящих газов при температуре , определяется по таблице 6,

- энтальпия холодного воздуха при температуре : 

        

Тогда потери тепла с  уходящими газами:

         .

- потери с теплом шлака:

где = - энтальпия золы, кДж/кг (температура шлака при твердом шлакоудалении принимается равной 600 °С),

Коэффициент полезного  действия котла:

        .

3. Коэффициент сохранения теплоты:

       .

4. Расход топлива подаваемого  в топку:

      ,

где - паропроизводительность котла, ;

- расход продувочной воды, ;

- энтальпия перегретого пара  при температуре  и давлении ;

- энтальпия питательной воды  при температуре и давлении МПа;

- энтальпия насыщенной воды  при давлении в барабане  МПа.

При величине продувки менее 2% расход тепла на подогрев воды не учитывается, тогда:

  .              

5. Расчетный расход  топлива:

     .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет топочной  камеры

 

5.1. Основные  конструктивные размеры топочной  камеры

Задача теплового расчета  топочной камеры заключается в определении ее тепловосприятия, размеров необходимой лучевоспринимающей поверхности экранов и объема топки, обеспечивающих снижение температуры продуктов сгорания до заданного значения.

                        

Рис. 1.  Топочная камера

 

b – ширина топочной камеры; h_пр, h_x.в. – высота призматической части топки и холодной воронки; h_ш, h_г.о. – высоты ширм и газового окна в плоскости заднего экрана; с_ш – глубина ширм (по ходу газов).

 

 

 

Геометрические характеристики топочной камеры:

 

а=9,852 м

b=7,160 м

b’=1,337 м

b”=4,244 м

b’”=5,832 м

b””=2,187 м

b_ср.=4,253

h_Т=17,861 м

h_х.в.=4,158 м

h_ш=7,533 м

h_пр=9,599 м

h_пр2=1,458 м

h_пр3=0,972 м

h_г.о=6,804 м

h_гор.=3,645 м

l_с.к=2,43 м

l₂=2,066 м

l₃=1,337 м

=55^о

1. Объем  холодной воронки:

.

2. Объем верхней части топки:

.

3. Объем  призматической части топки:

.

.

.

4. Объем топочной камеры:

.

5. Тепловое напряжение топочного  объема, [3]:

  .

Допустимое тепловое напряжение топочного  объема q_v= 185 кВт/м³ больше теплового напряжения для данного топочного объема, следовательно, расчет топки ведется поверочным способом.

 

 

 

 

5.2. Определение геометрических  характеристик топки

1. Разбиваем стены  топочной камеры на отдельные  участки, в которых угловой  коэффициент и коэффициент загрязнения  неизменен:

.

.

Площадь стен занятая экранами:

.

2. Неэкранированная часть:

.

, т.к. площадь меньше 1 м² . (1)

.

3.Полная площадь поверхности  стен:

.

5. Угловой коэффициент:

для экранных труб: (1, рис. 4.4)

для потолочных труб: (1, рис. 4.4)

для ширм: (1, рис. 4.4)

6. Площадь лучевоспринимающей поверхности:

7. Степень экранирования топки:

.

 

 

 

5.3. Расчет теплообмена  в топке

1. Принимаем температуру  газов на выходе из топки  .

2. Энтальпия уходящих газов  .

3. Полезное тепловыделение  в топке:

,

где - теплота воздуха;

,

где - энтальпия подогретого до в воздухоподогревателе воздуха;

;

.

4.  Коэффициент тепловой эффективности экранов:

,

где - коэффициент загрязнения, .  (1, стр. 43)

Для выходного окна топки, отделяющего  топку от расположенной за ним  поверхности нагрева:

,  (1, стр. 43)

где - коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и поверхностью нагрева.

.

.

.

Средний коэффициент  тепловой эффективности:

5. Эффективная толщина  излучающего слоя:

.

6. Коэффициент ослабления  лучей:

       

где - суммарная доля трехатомных газов, ;

- коэффициент поглощения лучей  трехатомными газами,

- коэффициент поглощения лучей  частицами летучей золы,

- коэффициент поглощения лучей частицами кокса. 

 

 

 

7. Рассчитываем критерий Бугера:

,

.

8. Эффективное значение  критерия Бугера:

.

9. Параметр  , определяемый в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки:

,

где - относительное положение максимума температуры.

где , - высота расположения горелок и общая высота топки соответственно.

, (1, стр. 47)

Параметр забалластирования  топочных газов:

.

10. Средняя суммарная  теплоемкость продуктов сгорания:

, 

где - адиабатная температура горения, К, определяемая по таблице 6 по значению , равному энтальпии продуктов сгорания;

- температура на выходе из топки, принятая по предварительной оценке;

- энтальпия уходящих газов  на выходе из топки;

- полезное тепловыделение в  топке.

.

11. Действительная температура  на выходе из топки:

Полученная температура  отличается от принятой ранее менее, чем на . Таким образом действительная температура продуктов сгорания на выходе из топки .

  12. Удельное тепловосприятие топки:

.

13. Среднее тепловое  напряжение поверхности нагрева:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{6. Распределение тепловосприятия  по ступеням пароперегревателя}

 

     _{Прежде чем приступать  к расчету поверхностей нагрева, необходимо распределить тепловосприятие между ними. Это необходимо для предварительной оценки параметров на границах поверхностей.}

     _{Распределение тепловосприятия  проводится для  известной компоновки  котельного агрегата  и конструкции  его узлов.}

 

Таблица 7. Гидравлические сопротивления и приращение энтальпии  рабочей среды по поверхностям нагрева  котла

Ступень пароперегревателя	Сопротивление		Приращение энтальпии
	МПа	%	кДж/кг	%
Первая ступень по ходу пара конвективного  пароперегревателя	0,1	20	262,429	32
Ширмы	0,225	45	352,721	43
Вторая ступень по ходу пара конвективного  пароперегревателя	0,175	35	205,05	25

 

Таблица 8. Распределение  тепловосприятия по ступеням пароперегревателя

 

Параметр	Ширмы	Пароперегреватель
		1 ступень	2 ступень
Давление, МПа
Вход	10,5	10,275	10,175
Выход	10,275	10,175	10
Температура, С
Вход	314,6	380,21	461,382
Выход	392,318	468,834	540
Энтальпия, кДж/кг
Вход	2715,2	3027,921	3270,35
Выход	3067,921	3290,35	3475,4
Расход среды, кг/с
	58,871	60,248	61,1

 

     _{Пароохладители установлены после ширмового пароперегревателя и после первой ступени конвективного пароперегревателя.}

_{Расход  охлаждающей среды, кг/с, определим как:}

 

 

 

Для впрыска используется собственный  конденсат, определяется при

и

Суммарное снижение энтальпии перегретого  пара в пароохладителях:

, причем

.

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Расчет ширмового пароперегревателя

 

                         

Рис. 2. Схема ширмового  пароперегревателя

 

Таблица 9. Конструктивные размеры ширмового пароперегревателя

 

Показатели	Обозначение	Ед. изм.	Значение
Диаметр труб наружный	d	м	0,032
Диаметр труб внутренний	dвн	м	0,024
Количество ширм	z1	шт	16
Количество труб в ленте ширмы	n	шт	9
Количество ходов по пару	zxп	шт	1
Количество ходов ленты ширмы	zx	шт	2
Количество параллельно включенных труб	z	шт	144
Угловой коэффициент ширм	xш	-	1
Высота ширм	hш	м	7,533
Высота бокового экрана в обл. ширмы	hб		7,533
Шаг между ширмами	s1	м	0,58
Продольный шаг между трубами  в ширме	s2	м	0,035
Относительный шаг труб		-
- поперечный	σ1	-	18,125
-  продольный	σ2	-	1,094
Диаметр труб боковых стен в обл. ширмы	dбок	м	0,06
Диаметр труб потолка в области  ширмы	dпот	м	0,032
Угловой коэффициент боковых стен	xбок		0,99
Угловой коэффициент потолка	xпот		0,98