БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.Б. Карницкий

Б.М. Руденков

В.А. Чиж

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

к курсовому проекту «Теплогенерирующие установки»

для студентов дневного и заочного отделений специальности

70.04.02 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна»

специализации 70.04.02.01 «Системы теплогазоснабжения и вентиляции»

Минск 2005 УДК 621.181.001.24 (675.8) ББК 31.38я7 К-24 Рецензенты:

зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника», кандидат технических наук, доцент В.А. Седнин, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника», кандидат технических наук, доцент Е.Г. Мигуцкий Карницкий Н.Б.

Теплогенерирующие установки: методическое пособие к курсовому проекту / Н.Б. Карницкий, Б.М. Руденков, В.А. Чиж. Мн.: БНТУ, 2005. - с.

ISBN Методическое пособие составлено применительно к курсовому проекту по теплогенерирующим установкам, выполняемому студентами специальности 70.04.02 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» всех форм обучения.

УДК 621.181.001.24 (675.8) ББК 31.38я К- ISBN © Карницкий Н.Б., Руденков Б.М., Чиж В.А.

© БНТУ, Учебное издание КАРНИЦКИЙ Николай Борисович РУДЕНКОВ Борис Максимович ЧИЖ Валентина Александровна

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

к курсовому проекту «Теплогенерирующие установки»

для студентов дневного и заочного отделений специальности 70.04.02 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна»

специализации 70.04.02.01 «Системы теплогазоснабжения и вентиляции»

Редактор Компьютерная верстка Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. пч. л.. Уч.-изд. л.. Тираж. Заказ.

Издатель и полиграфическое исполнение:

Белорусский национальный технический университет ЛИ №02330/0056957 от 01.04.2004.

220013, Минск, Проспект Независимости, 65.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБЪЕМЫ И ЭНТАЛЬПИИ ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ

СГОРАНИЯ

Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания 1.1.

Определение энтальпии воздуха и продуктов сгорания 1.2.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛА

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОПКИ

ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНЫХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА

РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

РАСЧЕТ ВОДЯНОГО ЭКОНОМАЙЗЕРА

КОНСТРУКТИВНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРУБЧАТОГО

ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ

РАСЧЕТ ГАЗОХОДОВ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ

РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ КОТЕЛЬНОЙ С ПАРОВЫМИ КОТЛАМИ

ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА КОТЕЛЬНОЙ

11.

РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

12.

РАБОТЫ КОТЕЛЬНОЙ

ЛИТЕРАТУРА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Курсовой проект выполняется по заданию, выдаваемому консультантом. В проекте производится выбор типа котла применительно к заданному виду топлива, расчёт материального баланса процесса горения и теплового баланса котла, осуществляется выбор и поверочный тепловой расчёт топочного устройства. Выбирается тип низкотемпературной поверхности нагрева и производится ее конструктивный тепловой расчёт. На основе теплового расчета котла осуществляется аэродинамический расчет теплогенерирующей установки с выбором тягодутьевых машин и дымовой трубы. Затем производится расчет принципиальной тепловой схемы котельной по заданным нагрузкам, который завершается выбором оборудования. Выбор вида водоподготовки и расчет ВПУ позволяют рассчитать число и тип ионообменных фильтров. Завершается курсовой проект разделом «Технико-экономические показатели работы котельной», в котором определяются себестоимость отпущенной теплоты и удельный расход условного топлива на ее производство.

Курсовой проект выполняется в объёме 30 – 40 страниц (формат А4), при этом расчётные данные сводятся по возможности в таблицы и графики для обеспечения максимальной компактности расчётно-пояснительной записки.

Расчёты выполняются с использованием ЭВМ. Графическая часть – продольный разрез и план котла с привязкой к нему низкотемпературной поверхности нагрева выполняется в масштабе 1:20, план и разрез котельной в масштабе 1:50, принципиальная тепловая схема котельной в безмасштабном исполнении.

Задания по курсовому проекту выдаются консультантом индивидуально каждому студенту.

Раздаточный материал (типовые чертежи котлов, водяных экономайзеров, воздухоподогревателей, котельных и тепловые схемы) студентам выдаёт консультант.

1. ОБЪЕМЫ И ЭНТАЛЬПИИ ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

1.1. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания Прежде чем приступить к выполнению данного раздела курсового проекта студент определяет элементарный состав топлива по табл. 1 (для твердого или жидкого топлив) и по табл. 2 в случае использования в качестве проектного топлива природного газа.

А) При сжигании твёрдых и жидких топлив Теоретическое количество сухого воздуха, необходимого для полного сгорания топлива (коэффициент избытка воздуха = I) определяется Теоретические объёмы продуктов сгорания, полученные при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха ( = 1) определяются по следующим формулам:

Объём трёхатомных газов VRO 2 = 0,01866 (Ср + 0,375 Sо к ), м3/кг;

Теоретический объём водяных паров При наличии парового дутья или парового распыливания мазута при расходе пара G в величину VН 2 О дополнительно включается член 1,24 G, где G = 0,05…0,1 кг пара/кг мазута.

Б) При сжигании газообразных топлив Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания топлива (коэффициент избытка воздуха = 1) определяется Vо = 0,0476 [ 0,5 СО + 0,5 Н2 + 1,5 Н2 S + (m + n /4) Сm Нn – О2 ], м3/м3. (1.5) Грамотеинский Г Кедровский СС Краснобродский Т Томусинский СС Карагандинский К Экибастузский СС Ленгерский Б Подмосковный Б Воркутинский Ж Бабаевский Б Кизеловский Г Челябинский Б Егоршинский ПА Волчанский Б Веселовский Б Ткибульский Г Ангренский Б Кокянгакский Д Кызылкиянский Б Малосернистый Высокосернистый Саратов-Москва 0, Ставрополь-Москва Ставрополь-Москва Ставрополь-Москва Гоголево-Полтава Угерско-Киев Брянск-Москва Шебелинка-Харьков Шебелинка-Москва Теоретические объёмы продуктов сгорания, полученные при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (= 1) определяются по следующим формулам:

Теоретический объём азота Объём трёхатомных газов Теоретический объём водяных паров VН2O == 0,01 ( Н2S + Н2 + n /2 Сm Нn + 0,124dГ.Т ) + 0,0161 V, м3/м3, (1.8) где dГ.Т - влагосодержание газообразного топлива, отнесённое к 1м 3 сухого воздуха, г /м3.

В формулах (1.4) и (1.8) влагосодержание воздуха принято равным 10 г на 1 кг сухого воздуха.

Рассчитанные значения V о, VN 2, VRО2, VН 2O - для топлив, приведено о о ных в табл. 1, 2, можно сравнить с соответствующими данными из табл. XIV, XV /I/.

Расчёт объёмов продуктов сгорания для всех видов топлив рекомендуется вести согласно табл. 3, составленной применительно к котлу с четырьмя газоходами (топка, первый и второй котельные пучки, водяной экономайзер).

Аналогично составляется данная таблица для котлов с иной структурой газоходов.

1.2. Определение энтальпии воздуха и продуктов сгорания Энтальпии дымовых газов на 1 кг (1 м 3) топлива подсчитываются по формуле где Н о - энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха =1 и темпераг туре газов, 0С; кДж/кг (кДж/м3);

Н о - энтальпия теоретически необходимого воздуха при нормальных условиях, кДж/кг (кДж/м3).

Рассчитанные значения Н о и Н о для твердых, жидких и газообразных топлив приведены в табл. 6.

IIКГ УХ

Средние значения коэффициента в газоходах, Объём водяных паров V н 2 о = V о о + 0,0161 (ср -1) V Объём дымовых газов Объёмная доля сухих трёхатомных газов Объёмная доля водяных паров Безразмерная концентрация золы в дымовых газах Примечания к табл. 3. 1) Значения величины присосов воздуха в газоходах определяются из табл. 4. 2) Для твёрдых топлив значение коэффициента избытка воздуха определяется из табл. 5. 3) При сжигаЗначения в последующих газоходах определяются следующим образом:

нии жидких и газообразных топлив значение " принимается равным 1,1.

Масса дымовых газов определяется по формуле Приведенные Ап и Wп определяются по формулам:

Топочные камеры газомазутных и пылеугольных котлов Газомазутные и пылеугольные с твёрдым шлакоудалением с металлической Газоходы конвективных поверхностей нагрева Первый котельный пучок котлов паропроизводительностью 1. Видимое теплонапряжение зер- ВрQнр 4. Доля золы топлива в уносе *ун * При наличии на котле устройств возврата уноса принимается меньшая величина.

Донецкий АС и Типа кузнецких Г Типа донец- Типа кузнецких Г,СС Типа иршаборо- Типа артемовского Типа веселовского Типа харанорского Типа подмосWП = 7,4 WП = 8,4 WП = 13, (I нитка) (II нитка) (III нитка) Примечание: Энтальпии воздуха и продуктов сгорания при температурах, не указанных в таблице, определяются интерполяцией.

К энтальпии дымовых газов следует добавлять энтальпию золы, подсчитываемую по формуле где (с )зл – энтальпия 1кг золы, найденная по табл. 7;

а ун – доля золы топлива, уносимой газами, принимается по табл.6, %.

При приведенной величине уноса золы из топки значением энтальпии золы можно пренебречь.

Значения энтальпий продуктов сгорания сводят в табл.8, форма которой составлена применительно к котлу с четырьмя газоходами (топка, I и II котельный пучки, водяной экономайзер).

При составлении Н- таблицы рекомендуется для каждого значения коэффициента избытка воздуха определять величину Н в пределах, немного превышающих реально возможные температуры в газоходах. Около величины Н целесообразно помещать величину Н - разность двух соседних по вертикали значений Н при одном значении а.

Для удобства проведения расчетов на миллиметровой бумаге строится Н- диаграмма.

Примечание: 1. *Для жидких и газообразных топлив отмеченные * графы 4 и 5 отсутствуют.

2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛА

На основании теплового баланса вычисляются КПД котла и необходимый расход топлива.

2.1. Располагаемое тепло на 1 кг твердого, жидкого или на 1м3 газообр разного топлива Q р определяется соответственно по формулам:

где Qнр и Qн - низшая теплота сгорания рабочей массы твердого, жидкого и, соответственно, сухой массы газообразного топлив, кДж/кг и кДж/м 3;

Qв.в н - тепло, внесенное поступающим в котельный агрегат воздухом, при подогреве последнего вне агрегата отборным паром, отработанным теплом и т.п. подсчитывается по формуле:

где ' - отношение количества воздуха на входе в котел (в воздухоподогреватель) к теоретически необходимому; ( Н хв )' и Н во – энтальпии теоретически нео обходимого количества воздуха на входе в котельный агрегат и холодного воздуха, которые определяются по Н- таблице, кДж/кг или кДж/м3.

При отсутствии специальных указаний температура воздуха поступающего в котел, принимается равной 30 °С.

Физическое тепло топлива hтл подсчитывается по формуле:

где стл - теплоемкость рабочего топлива, кДж/ (кг °С) или кДж/(м 3 °С );

tтл - температура топлива, °С.

Для мазута теплоемкость составляет Тепло, вносимое в агрегат паровым дутьем ("форсуночным" паром), Qф определяется по формуле где Gф и h – расход и энтальпия пара, идущего на распыливание топлива, кг/кг и кДж/кг.

Тепло, затраченное на разложение карбонатов при сжигании сланцев, Qк подсчитывается по формуле Учитывается при сжигании сланцев, причем коэффициент разложения карбонатов k принимается по п.4-11 / I /.

Обычно для котлов низкого давления при сжигании твердого топлива принимают при сжигании мазута при сжигании газообразного топлива 2.2. Потеря тепла с уходящими газами определяется где -энтальпия уходящих газов при соответствующем избытке воздуха ух и температуре ух определяется по Н- диаграмме, кДж/кг или кДж/м 3;

Н хв – энтальпия теоретически необходимого количества холодного воздуха, кДж/кг или кДж/м3, определяемая по формуле Но с хв t хв Vо, где схв – теплоемкость воздуха, кДж/кг С;

tхв – температура воздуха, оС;

Vо – теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания кг твердого или жидкого и 1 м 3 газообразного топлива при =1, определяемые в разделе 1 данного пособия.

Рекомендуемые температуры уходящих газов и горячего воздуха приведены в табл.9.

q4 - потеря от механической неполноты сгорания, %. При сжигании газообразного.и жидкого топлив q4 = 0. Значение q4 при слоевом сжигании твердых топлив принимается по табл. 5.

2.3. Потеря тепла от химической неполноты сгорания q3 при слоевом и камерном сжигании твердых топлив определяется по табл.5. При сжигании жидких и газообразных топлив в котлах низкого давления q3 принимается равной 0,5 %.

2.4. Потеря тепла от наружного охлаждения q5 для стационарных теплогенераторов определяется по табл.10 или по рис. 2.1.

При нагрузке, отличной от номинальной, q5 определяется где q5 - потеря тепла от наружного охлаждения при номинальной нагрузке (табл. 10 или рис. 2.1);

Dном, Dф – номинальная и фактическая нагрузка котла, кг/с(т/ч).

2.5. Потери с физическим теплом шлака q определяется где шл = 1-ун; ун находится по данным табл.6; с зл - энтальпия золы, кДж/кг, определяется в зависимости от температуры по табл. 7.

Температура золы (шлака) при твердом шлакоудалении принимается равной 600 °С.

Рекомендуемые температуры уходящих газов и горячего воздуха Потеря теплоты от наружного охлаждения парового котла Номинальная производи- Потеря теплоты, q5, % тельность котла, Рис. 2.1. Потери тепла от наружного охлаждения Некоторые конструктивные и расчетные характеристики паровых котлов приведены в табл. 11-15.

Поверхность нагрева экранов, м Диаметр экранных и кипятильных Диаметр труб пароперегревателя, Шаг труб боковых экранов, мм Шаг труб фронтовых и задних Живое сечение для прохода газов, в котельном пучке в пароперегревателе Размеры окон в перегородках, м вход в котельный пучок перегородка в середине газохода средняя высота выход из котельного пучка Давление пара на выходе из котла, Температура, С Площадь поверхности, м Поверхность нагрева, м радиационная Шаг труб, мм боковых экранов фронтового и заднего кипятильного пучка, продольный кипятильного пучка, поперечный Поверхность нагрева, м лучевоспринимающая Наружный диаметр и толщина труб, мм Шаг труб, мм конвективного пучка, продольный конвективного пучка, поперечный 2. Рабочее давление, МПа (кгсм2 ) 3. Температура воды, С 7. Поверхность нагрева, м топочной камеры конвективной части Примечание: Показатели для котлов типа КВ –ГМ, приведены через дробь, соответственно: числитель –при работе на газе, знаменатель – при работе на мазуте.

2.6. Коэффициент полезного действия котла (брутто) определяется 2.7. Коэффициент сохранения тепла находится по формуле 2.8. Тепло, полезно отданное в котле, определяется в общем случае из выражения:

Qк.а. Dne (hne hnв ) Dнп (hнп hпв ) Dпр (hкип hпв ), кВт, (2.11) где Dne - количество выработанного перегретого пара, кг/с;

hпе - энтальпия перегретого пара, кДж/кг, определяемая по Рпе и t пе согласно заданию;

hпв - энтальпия питательной воды, кДж/кг, определяемая по рпв и tпв;

Dнп - количество выработанного насыщенного пара, кг/с, отданного помимо пароперегревателя с энтальпией hнп;

hнп - энтальпия насыщенного пара, кДж/кг, определяемая по давлению в барабане котла;

Dпр - расход воды на продувку котла, кг/с, с энтальпией при ее кипении iкип, кДж/кг, определяемой по давлению в барабане котла Dпр = D, где П - процент продувки, %; D- производительность котла, кг/с; значение П определяется заданием на проектирование.

а) если по заданию пар перегретый, отсутствует вторая составляющая Qк.а. в формуле (2.11);

б) если по заданию пар насыщенный, отсутствует первая составляющая Qк.а..в формуле (2.11).

2.9. Расход топлива, подаваемого в топку, определяется по формуле в которой к.а. выражается в процентах.

2.10. Для подсчета суммарных объемов продуктов сгорания, воздуха и теплоты, отданной газами в поверхностях нагрева, вводится расчетный расход топлива, вычисляемый с учетом механической неполноты сгорания q4 по формуле При сжигании газообразного и жидкого топлив q4 = 0 и значение Вр=В (м3/с), (кг/с)

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОПКИ

В курсовом проекте студенты производят поверочный тепловой расчет топки, заключающийся в определении температуры газов на выходе из топки для существующей конструкции топки котла.

Температура газов на выходе из топки определяется по формуле Ниже приводятся зависимости и пояснения для определения величин, входящих в формулу (3.1).

Определение адиабатической температуры горения Т а Предварительно определяется полезное тепловыделение в топке для котлов низкого давления где Qв - теплота, вносимая в топку воздухом, кДж/кг, рассчитывается по формуле :

По известному значению Qт по построенной ранее Н - - диаграмме при принятом г находят а.

В итоге адиабатическая температура горения определится Определение средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания 1 кг топлива Vсср производится по формуле где T// - предварительно принятая температура газов на выходе из топки, оС, с учетом условий возможного шлакования последующих поверхностей нагрева при сжигании твердых топлив (зола должна быть в твердом, а не в расплавленном состоянии); Н Т - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, соответствующая T//, кДж/кг, определяемая по Н - диаграмме при принятом Т.

Определение ограждающей поверхности стен топочной Данная работа осуществляется по чертежам котла, которые студенту выдает консультант по курсовому проекту. При наличии камеры догорания ограждающая ее поверхность также включается в Fст.

Определение параметра М.

Параметр М определяется в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки.

При сжигании мазута и газа где Х Т ХГ Г - отношение высоты расположения осей горелок.

hГ (от пода топки) к общей высоте топки Нт (от пода топки до середины выходного окна из топки) в соответствии со схемой (рис. 3.1) При слоевом сжигании всех видов топлив Примечания:

для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) принимают ХТ=0;

при сжигании топлив в толстом слое на подвижном или неподвижном колосниковом полотне ХТ= 0,14.

Определение среднего коэффициента тепловой эффективности Расчет ведут по формуле рис.3.2.

Рис. 3.2. Угловые коэффициенты однорядного гладкотрубного экрана 1 – с учетом излучения обмуровки при е1,4d;

5 – без учета излучения обмуровки при е0,5d.

Коэффициент i, учитывающий снижение тепловосприятия вследствие загрязнения или закрытия изоляцией поверхности, принимается по табл.16.

Для неэкранированных участков стен топочной камеры (если имеется и камеры догорания) принимается 0.

Значения коэффициента i Открытые гладкотрубные Газообразное топливо 0, настенные экраны настенные экраны Открытые гладкотрубные Все топлива при слое- 0, покрытые угнеупорной массой мотным кирпичом Определение степени черноты топки aт.

Степень черноты экранированных слоевых топок определяется по формуле где - соотношение между площадью зеркала горения и полной поверхностью стен топки где R- площадь зеркала горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м2.

Входящая в формулу (3.9) эффективная степень черноты факела а ф определяется по формуле (3.11) где k - коэффициент ослабления лучей топочной средой рассчитывается по формуле Коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов определяется по формуле (3.13) или по рис. 3.3.

в которой Т" – температура газов на выходе из топки, К;

rп=rRO2 + rH2O –суммарная объемная доля трехатомных газов для топок, работающих без наддува.

Pn = P. rп = 0,1. rп. (P= 0,1 Па). Значения rRO2 и rH2O берутся из табл. 3.

Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами определяется по формуле где r – плотность дымовых газов, принимаемая равной 1,3 кг/м 3;

зл – безразмерная концентрация золы в дымовых газах, определяемая из табл.3;

dзл – средний диаметр золовых частиц, принимаемый для слоевых топок равным 20 мкм, для камерных 13…24 мкм.

kзл может определяться по рис. 3.4.

Эффективный коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами определяется по выражению где kкокс =1; 1 и 2 – безразмерные величины, учитывающие влияние концентрации коксовых частиц в факеле, зависят от рода топлива (1) и способа его сжигания (2). Для низкореакционных топлив (АШ, ПА, Т) 1= 1; для высокореакционных (КУ,БУ, торф, сланцы) 1 = 0,5.

При камерном сжигании топлив 2 =0,1; при слоевом 2=0,03.

Эффективная толщина излучающего слоя в топке вычисляется по формуле гдe VТ и FСТ -объем и поверхность стен топочной камеры ( м3 и м2).

Степень черноты экранированных камерных топок определяется по формуле При сжигании газообразного или жидкого топлив эффективная степень черноты факела определяется где aсв и ar -степень черноты, какой обладал бы факел при заполнении всей топки, соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами; величины aсв и ar определяются по формулам