Тепловая энергия

    Введение 

    Тепловая  энергия является одним из основных видов энергии, необходимых для  обеспечения жизнедеятельности  человека. Тепловую энергию в основном используют для получения электрической  энергии, для технологических нужд предприятий различного назначения.

    По  своему агрегатному состоянию все  виды органического топлива разделяют  на твердое, жидкое и газообразное. Основной вид газообразного топлива  – природный газ, доля потребления  которого в общей структуре потребления  топлива котельными установками  достигает в настоящее время 55 % и имеет тенденцию к сохранению этого значения на достаточно длительную перспективу. Поэтому эффективное использование этого важнейшего источника теплоты в теплогенерирующих установках является важной составной частью крупнейшей народнохозяйственной задачи по экономии топливно-энергетических ресурсов.

    Природный газ, являясь универсальным и  экономичным видом топлива, способствует повышению производительности труда, улучшению производственного комфорта, созданию нового высокоэффективного оборудования и технологических процессов, снижению удельных расходов топлива. Квалифицированное сжигание газа защищает от загрязнения промышленных объектов и населенных пунктов. Снижение удельных расходов газа на единицу конечной продукции достигается применением новых технологических процессов и более экономичного оборудования.

    Газифицированные  котельные агрегаты, использующие современные  конструкции газогорелочных устройств, наиболее рационально сжигающих  газ, автоматизация процессов горения  способствует обеспечению энергосбережения.      

    Целью проекта является: Спроектировать газоснабжение котельной с четырьмя котлами ДКВР 6,5–13 в городе Челябинск. Для этого необходимо определить расход топлива и выполнить гидравлический расчет газопроводов.  

    1 Общая часть 

    1.1 Технологическая схема производства пара 

    Отпуск  пара технологическим потребителям производится от котельных, называемых производственными. Эти котельные  обычно вырабатывают насыщенный пар  с давлением до 1,4 МПа. Пар используется технологическими потребителями и в небольшом количестве – на приготовление горячей воды, направляемой в систему теплоснабжения. Приготовление воды производится в сетевых подогревателях, устанавливаемых в котельных.

    Насос сырой воды подает воду в охладитель продувочной воды, где она нагревается за счет теплоты продувочной воды. Затем сырая вода подогревается до 30 – 40˚С в пароводяном подогревателе сырой воды и направляется в химводоочистку. Химически очищенная вода направляется в охладитель деаэрированной воды. Дальнейший подогрев химически очищенной воды осуществляется в пароводяном подогревателе паром. Перед поступлением в головку деаэратора часть химически очищенной воды проходит через охладитель выпара деаэратора.

    Подогрев  сетевой воды производится паром  в последовательно включенных двух сетевых подогревателях. Конденсат от всех подогревателей направляется в головку деаэратора, в которую также поступает конденсат, возвращаемый внешними потребителями пара.

    Деаэратор предназначен для противокоррозионной  обработки воды, используемой для питания паровых котлов, а также для подпитки теплосети.

    Подогрев  воды в атмосферном деаэраторе производится паром от котлов и паром из расширителя  непрерывной продувки. Деаэрированная вода с температурой около 104˚С питательным  насосом подается в паровые котлы.  
 

    Подпиточная вода для системы теплоснабжения забирается из того же деаэратора, охлаждаясь в охладителе деаэрированной воды до 70˚С перед поступлением к подпиточному насосу. Использование общего деаэратора для приготовления питательной и подпиточной воды возможно только для закрытых систем теплоснабжения ввиду малого расхода подпиточной воды в них.

    Для технологических потребителей, использующих пар более низкого давления по сравнению с вырабатываемым котлоагрегатами, и для подогревателей собственных нужд в тепловых схемах котельных предусматривается редукционная установка для снижения давления пара (РУ) или редукционно–охладительная установка для снижения давления и температуры пара (РОУ). 

    Паровой котел типа ДКВР 6,5-13 служат для выработки тепловой энергии в виде пара, путём сжигания топлива.

    Питательная вода подается в котел типа ДКВР-6,5-13 по двум перфорированным (с боковыми отверстиями) трубам под уровень  воды в верхний барабан. По опускным трубам вода из барабана поступает в коллектор, а по экранным трубам пароводяная смесь поднимается в верхний барабан, образуя таким образом два контура естественной циркуляции.

    Третий  контур циркуляции образуют верхний  и нижний барабаны котла и кипятильный пучок. Опускными трубами этого контура естественной циркуляции являются трубы наименее обогреваемых последних рядов по ходу газов кипятильного пучка.

    Вода  по опускным трубам поступает из верхнего барабана в нижний, а пароводяная  смесь по остальным трубам котельного пучка, имеющим повышенную тепловую нагрузку, поднимается в верхний барабан. В верхнем барабане котла происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. 
 
 

    Конвективные  поверхности нагрева, то есть кипятильные  трубки, которые соединяют верхний  и нижний барабан и тем самым  образуют замкнутый циркуляционный контур, по которому циркулирует вода, под действием разности плотностей.

    Водяной экономайзер ВЭК служит для предварительного подогрева питательной воды, поступающей  в котёл отходящими дымовыми газами, образованными при сжигании топлива. ВЭК бывают чугунные и стальные, ребристые и гладкие, кипящие и не кипящие, индивидуальные и групповые.         

    Устройство, где происходит процесс горения  топлива, называется топочным устройством, то есть топка служит для сжигания топлива и последующего подогрева циркулирующей воды в кипятильных трубках. Конструкция топки должна обеспечивать удобную подачу топлива и воздуха, высокую производительность и экономичность сжигания топлива. Топка расположена в передней части котла. На стенках топки размещают экранные поверхности из труб.

    Горелкой  называется устройство, служащее для  подачи топлива в топку и последующего его полного сжигания, с целью  получения тепловой энергии. Котел  ДКВР 6,5-13 оборудован двумя газомазутными  горелками, предназначенными для работы, как на газе, так и на другом виде топлива.

    Периодическая продувка служит для удаления шлама  из нижнего барабана, который образовался  в результате циркуляционной работы питательной воды. Непрерывная продувка служит для поддержания солесодержания котловой воды на уровне необходимом для получения чистого пара.

    Сепарационное устройство служит для получения сухого насыщенного пара. Питательные устройства котлов состоят из питательных насосов, баков, и трубопроводов. Питание котла может быть групповым с общим для питания котлов трубопроводом или индивидуальным только для одного котла. Для подачи воды в котел используют центробежные насосы с электроприводом. 
 

    1.2 Газооборудование  котельной 

    Продувочные трубопроводы предназначены для  освобождения газопровода от воздуха при пуске газа в газопроводы и агрегаты, и вытеснение газа воздухом при консервации газопроводов, выводе в ремонт и длительном перерыве подачи газа, т. е. для удаления газовоздушной смеси.                

    Продувочные газопроводы должны иметь отключающие устройства и штуцера для отбора проб. Диаметр продувочного газопровода должен определяться расчетом с учетом обеспечения пятнадцатикратного обмена объема продуваемого участка в течение одного часа, но не менее 20 мм. Объединение продувочных газопроводов с трубопроводами безопасности, а также продувочных газопроводов от участков, разделенных заглушками или регулирующими клапанами, не допускается. Не желательно объединение газопроводов одного назначения, но с разным давлением газа. Продувать газопроводы через трубопроводы безопасности или через газогорелочное устройство не допускается. Продувочные свечи должны иметь минимальное количество поворотов. Они выводятся выше карниза крыши здания, не менее чем на один метр, в местах исключающих возможность попадания продувочных газов в расположенные рядом здания и помещения. Для предотвращения попадания атмосферных осадков концы продувочных свечей загибают либо устраивают над ними защитные зонты. При расположении выводов продувочных трубопроводов вне зоны молниезащиты их следует заземлять.          

    Трубопроводы  безопасности снижают вероятность утечки газа в топку и газоходы котла. Для этого на газопроводе агрегата перед горелками предусмотрено дополнительное контрольное запорное устройство.

      Трубопроводы безопасности предусматривают и врезают между двумя устройствами.  
 
 

    При продувке газового коллектора к котлу  и закрытых запорных устройствах  перед горелкой, просочившийся через  одно запорное устройство, газ  будет  удаляться в атмосферу через  трубопровод безопасности, кран которого должен быть открыт, поэтому в топке не образуется газовоздушная смесь, которая может взорваться при розжиге. На неработающем агрегате, котле при включенных горелках все запорные устройства, кроме кранов на трубопроводе безопасности, должны быть закрыты. И тогда проникающий через возможные неплотности арматуры газ будет удаляться по трубопроводу безопасности в атмосферу. Трубопроводы безопасности устанавливаются выше конька крыши на 1,2 – 1,5м, в местах где исключается возможность попадания сбросных газов в расположенные рядом здания. Концы свечей безопасности загибают или устраивают над ними защитные зонты. Диаметр трубопровода безопасности должен быть не менее 20 мм, объединение продувочных свечей с трубопроводами безопасности не допускается. Продувать газопроводы через трубопроводы безопасности не допускается. При расположении выводов свечей безопасности вне зоны молниезащиты их следует заземлять. Трубопроводы безопасности должны иметь минимальное количество поворотов.

    Общее отключающее устройство, предназначено для отключения всех котлов при плановом и аварийном отключении котельной. И отключающие устройства на ответвлениях, к котлу предназначены для отключения отдельных котлов.

    Предохранительно  – запорный клапан (ПЗК) предназначен для автоматического прекращения подачи газа к потребителям в случае повышения или понижения его давления относительно заданных пределов.

    Газовое запальное устройство предназначено  для розжига основных горелок  и в ряде случаев для контроля наличии пламени.

    Газовой горелкой называется устройство предназначенное  для подачи топлива к месту  сжигания, смешения его с воздухом и обеспечения устойчивого горения.    
 

    1.3 Вентиляция котельной  

    Вентиляцией называется организационный и регулируемый воздухообмен, обеспечивающий удаление из помещения загрязненного воздуха и подачу на место удаленного свежего чистого воздуха. Различают два основных вида вентиляции: естественную вентиляцию (аэрация) и механическую вентиляцию. Основное различие между ними заключается в способе осуществления воздухообмена в помещении.

    При естественной вентиляции (аэрации) воздухообмен в здании происходит в результате разности плотностей воздуха снаружи и внутри здания и воздействия ветра.

    Температура воздуха внутри производственного помещения вследствие выделения тепла оборудованием, нагретым металлом, людьми, обычно бывает выше температуры наружного воздуха. Следовательно, плотность воздуха внутри цеха меньше плотности атмосферного воздуха. Атмосферный воздух входит через открытые окна и двери внутри помещения в нижней части здания и вытесняет наружу более легкий теплый воздух из верхней части здания через окна и фонари.

    При обдувании здания ветром с наветренной  стороны образуется повышенное давление воздуха, а на заветренной стороне здания – разрежение.

    При одновременном и совместном действии ветра и разности температур путем  регулировки степени открытия створок  в различных частях здания можно  осуществить воздухообмен большой  кратности (15 – 20-кратный в час  зимой и кратностью до 50 летом.)

    Воздух, проходя через все помещение, создает в нем общий воздухообмен. Такой воздухообмен, при котором  вентилируется все помещение, называется общеобменной или общей вентиляцией, а организованный и управляемый  воздухообмен с использованием естественных природных сил (давления ветра и теплового напора) – аэрацией. 

    При механической вентиляции воздухообмен достигается за счет разности давления, создаваемой вентилятором. Механическая вентиляция применяется в случаях, когда тепловыделения в цехе недостаточны для круглогодичного использования аэрации, а так же если количество или токсичность выделяющихся в воздухе помещения вредных веществ требует поддержания постоянного воздухообмена независимо от внешних метеорологических условий.

    При механической вентиляции воздух почти всегда подвергается предварительной обработке. В зимнее время приточный воздух подогревается, в летнее – охлаждается. В необходимых случаях воздух увлажняется или осушается. Если удаляемый механической вентиляцией воздух запылен или содержит в большем количестве вредные газы и пары, он подвергается очистке.

    Вентиляция, подающая воздух на строго определенные места, в определенных объемах, определенной температуры или с определенными  скоростями носит название местной  приточной, а вентиляция, отсасывающая загрязненный воздух непосредственно от места, где присутствуют вредные выделения, называется местной вытяжной вентиляцией.

    Механическая  вентиляция может быть устроена таким  образом, что в вентилируемом  помещении поддерживаются постоянные, заранее заданные условия температуры, влажности, чистоты воздуха и др. независимо от наружных условий и колебаний режима технологического процесса. Такая вентиляция называется кондиционированием воздуха.

    Приточно-вытяжная вентиляция котельных и цехов с газопотребляющими установками должна обеспечивать в течение часа трехкратный обмен воздуха в помещении. Приток воздуха должен подаваться через жалюзийные решетки с учетом инфильтрации. Во время работы котлов расход воздуха на горение может быть больше, чем трехкратный рабочий объем помещения.

    В этом случае сечение жалюзийных решеток  для притока воздуха рассчитывают на большую величину.  

    Следует иметь в виду, что котлы средней  или большей мощности для сжигания газа потребляют тысячи кубометра воздуха  в час, и в помещениях котельных возникают мощные потоки воздуха. В связи с этим необходимо правильно организовывать направление воздушных потоков, чтобы на пути их не находился обслуживающий персонал. В противном случае в зимнее время работать невозможно.

    Отдельно стоящие котельные, оборудуют естественной приточно-вытяжной вентиляцией. Естественная вытяжная вентиляция осуществляется через вытяжные шахты с дефлекторами, предохраняющими шахты от осадков. Размещаются шахты за котлами. Приток воздуха при естественной приточной вентиляции поступает через жалюзийные решетки, расположенные сзади котлов.

    Расчет  вытяжной вентиляции. 

    Сначала определяется количество отсасываемого  воздуха:  

                                               L_выт=3V_p=3(V_внут - V_обор), м³                                [ 1 ] 

где  L_выт – количество отсасываемого воздуха, м³/ч;

    V_p – рабочий объем котельной, м³;

    V_внут – объем помещения котельной по внутреннему обмеру, м³;

    V_обор – объем, занимаемый оборудованием в котельной, м³. 

    L_выт=3×(2592 - 200)=7170 м³ 
 
 
 
 

    Площадь вытяжного отверстия рассчитывается по формуле: 

                                              F_выт = L_выт/W_выт×3600, м²                                           [ 1 ]     

где F_выт – площадь вытяжного отверстия, м²;

    W_выт – скорость воздуха в вытяжной шахте, принимают равной 1 – 1,8 м/с. 

    F_выт = 7170/1×3600 = 1,99 м² 

    Принимается к установке дефлектор Т23, площадью F-0,5 м²  

    Расчет  приточной вентиляции. 

                                               F_прит = L_прит/W_прит×3600 м²                                [ 1 ] 

    где F_прит – площадь приточных отверстий, м², определяется из условия только трехкратного воздухообмена (когда не работают котлы) или условия подачи воздуха на горение с учетом подсосов;

    L_прит – количества воздуха, м³, определяемое отдельно для двух вышеуказанных случаев;

    W_прит – скорость воздуха в приточном отверстии, м/с; для естественного трехкратного воздухообмена W_прит=1 м/с; 

    F_прит =4305/1×3600=1,19 м² 

    Принимается к установке решетки подвижные жалюзийные, размером 500×500 мм, площадью F-0,16 м², в количестве восьми штук.    
 

    1.4 Газорегуляторная установка 

    Газорегуляторная  установка (ГРУ) предназначена для  снижения входного давления газа до заданного  выходного (рабочего) и поддержания  его постоянным независимо от изменения входного давления и потребления газа. Колебания давления газа на выходе из ГРУ допускается в пределах 10% рабочего давления. Кроме того, в ГРУ осуществляются: очистка газа от механических примесей, контроль входного и выходного давления и температуры газа, предохранение от повышения или понижения давления газа ГРУ, учет расхода газа.

    В зависимости от давления газа на вводе  различают ГРУ:

    - высокого давления первой категории от 0,6 до 1,2 МПа

    - высокого давления второй категории от 0,3 до 0,6 МПа.

    Газорегуляторные  установки размещаются в газифицированных зданиях непосредственно в помещении  котельной, где находится котельные  агрегаты, имеющих не менее чем  трехкратный воздухообмен в час. Подача газа от ГРУ к потребителям других отдельно стоящих зданиях не допускается.

    На  основной линии газовое оборудование располагается в следующей последовательности:

    - запорное устройство на входе (задвижка) для отключения основной линии;    

    - продувочный газопровод;

    - фильтр для очистки газа от механических примесей;

    - предохранительно-запорный клапан, автоматически отключающий подачу газа при повышении или понижении давления газа а рабочей линии за установленные пределы;

    - регулятор давления газа, который снижает давление газа и автоматически поддерживает его на заданном уровне независимо от расхода газа потребителями; запорное устройство на выходе.  

    Предохранительно-сбросной клапан (ПСК), который служит для  сброса газа через сбросную свечу  в атмосферу при повышении  давления на выходном газопроводе выше  установленного предела.

    Схема размещения и действия оборудования газорегуляторной установки не зависит  от начального и конечного давления газа и заключается в следующем: газ из сети высокого или среднего давления, проходя через фильтр, очищается от механических примесей, затем проходит предохранительно – запорный клапан (ПЗК), который устанавливается перед регулятором и закрывает проход газу к газопотребляющим установкам при повышении и понижении давления сверхзаданных параметров. Регулятор давления предназначен для снижения давления и поддержание этого давления постоянным независимо от количества протекающего газа. На выходном газопроводе устанавливается предохранительно – сбросной клапан (ПСК), который при повышении давления сверхзаданного предела сбрасывает излишки газа в атмосферу. ГРУ имеет обводной газопровод (байпас). По байпасу газ подается при выключении основного оборудования, при этом регулирование давления производится вручную при помощи запорных устройств на байпасе. ГРУ имеет также продувочные трубопроводы и импульсные трубки, а также необходимые контрольно – измерительные приборы (манометры, показывающие и регистрирующие, термометр и счетчики (расходомеры)).

    1.5 Предохранительные устройства на газоходах и газопроводах 

    Предохранительно запорный клапан типа ПКН предназначен для прекращения подачи газа к потребителям при повышении или понижении давления газа сверх заданных пределов. Однако в связи с недостатком необходимого ассортимента электромагнитных клапанов, предназначенных для газовых сред, ПКН широко используют в качестве запорных (отсечных) устройств, срабатывающих при изменении не только давлении газа, но и других контролируемых параметров по сигналам соответствующих датчиков. Для этого предохранительный клапан низкого давления комплектуют дополнительным электромагнитом, который устанавливают на специальном кронштейне.

    При наличии напряжения на клеммах электромагнита якорь его опускается в крайнее  нижнее положение и через шток, преодолевая сопротивление пружины, опускает вниз скобу. В этом положении скоба находится в зацеплении со штифтом молоточка.

    При прекращении подачи тока скоба под  действием пружины поднимается  вверх и выходит из зацепления со штифтом молоточка. Молоточек  падает, ударяет по плечу анкерного  рычага ПКН и освобождает удерживаемый защелками клапан, который прекращает подачу газа.

    Помещения цехов и котельных, в которых  расположены агрегаты, работающие на газовом топливе, не относится к  взрывоопасным помещениям. Однако при  авариях, а также несоблюдении Правил безопасности и эксплуатационных инструкций в них могут образоваться взрывоопасные концентрации газа, а искрение электроприборов или внесение открытого огня могут вызвать взрыв газовоздушной смеси, разрушение оборудования и строительных конструкций. 
 
 

    Взрывные клапана на промышленных тепловых агрегатах (печи, сушила и т.д.) устанавливают в топках и на дымоходах от агрегатов, в зависимости от их конструкции по решению проектной организации из расчета не менее 0,05м² площади клапанов на 1м³ внутреннего объема топки и дымохода. Площадь первого взрывного клапана должна быть не менее 0,05м². на промышленных печах с отводом продуктов горения под зонт или непосредственно в помещение установка взрывных клапанов необязательна.

    Для котлов производительностью менее 10 т/ч количество взрывных клапанов, их размеры и расположение определяет проектная организация. Общую суммарную площадь клапанов в этом случае обычно принимают не менее 0,025м² на каждый кубометр объема топки и газоходов, а площадь 1 клапана – не менее 0,15-0,18м². В котлах производительностью от 10 до 60 т/ч в верхней части топки или в верхней части обмуровки котла над топкой устанавливают взрывные клапаны общей площадью не менее 0,2м². На последнем газоходе котла, экономайзере и золоуловителе устанавливают не менее двух клапанов с минимальной общей площадью 0,4м².

    Взрывные  клапаны разрешается не устанавливать  в обмуровке одноходового по уходящим газам котла (водогрейные котлы  башенного типа, вертикально-цилиндрические и др.), если труба расположена  непосредственно над котлом, а также на котлах производительностью более 60 т/ч, на котлах, работающих с наддувом, и в газоходах перед дымососам. Во всех других случаях клапаны следует устанавливать в обмуровке топки, последнего газохода котла, экономайзера и золоуловителя.

    3 Охрана труда 

    3.1 Техника безопасности при обслуживании газового оборудования и газопроводов 

    Техническое обслуживание, ремонт газопроводов и  газового оборудования относятся к  разряду газоопасных работ. К  данным работам допускаются лица, достигшие 18-летнего возраста, прошедшие медицинское освидетельствование в установленном порядке и не имеющие противопоказаний к выполнению данного вида работ, обученные технологии проведения газоопасных работ, правилам использования средствами индивидуальной защиты, способам оказания первой (доврачебной) помощи, прошедшие проверку знаний в установленном порядке, имеющие удостоверение на право выполнения газоопасных работ.  

    Перед допуском к самостоятельному выполнению газоопасных работ (после проверки знаний) каждый должен пройти стажировку под наблюдением опытного работника в течении первых десяти рабочих смен. Стажировка и допуск самостоятельному выполнению работ оформляется приказом по цеху. Периодическая проверка знаний должна проводиться не реже одного раза в 12 месяцев. Лица, не прошедшие периодическую проверку знаний, должны отстраняться от самостоятельной работы.

    К цеховому газовому хозяйству относятся: 

    - внутрицеховые газопроводы; 

    - газорегуляторные установки (ГРУ);

    - газопроводы и газовое оборудование газоиспользующих установок;

    - газогорелочные устройства.

    Природный газ не имеет собственного запаха, для того чтобы своевременно обнаружить утечку газа, природный газ подвергают одоризации, т.е. приданию ему резкий специфический запах. 

    Обслуживающий персонал должен хорошо знать схему  газопроводов, места установки газового оборудования, устройства, схему подключения  контрольно-измерительных приборов, находящихся в ведении цеховой  газовой службы.