Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет - УПИ

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ

Методическое руководство к курсовой работе по дисциплинам

«Вторичные энергоресурсы», «Энергосбережение

в энергетике и теплотехнологиях»

для студентов всех форм обучения cпециальностей:

1007 – Промышленная теплоэнергетика;

1016 – Энергообеспечение предприятий Екатеринбург 2001 2 УДК 662.767: 697.3 (031) Составители В.А. Мунц, Е.Ю Павлюк Научный редактор проф., д-р техн. наук А.М. Дубинин ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ: Методическое руководство к курсовой работе по дисциплинам «Вторичные энергоресурсы», «Энергосбережение в энергетике и теплотехнологиях» / В.А. Мунц, Е.Ю. Павлюк. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 30 с.

Изложены основные аспекты поверочного расчета котловутилизаторов, приведены основные их характеристики и конструкции. Приведен пример расчета котла-утилизатора.

Библиогр.: 5 назв. Рис. 9. Табл. 8.

Подготовлено кафедрой «Промышленная теплоэнергетика».

Уральский государственный технический университет - УПИ,

1. ЗАДАЧИ И ОБЪЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Цель выполнения курсовой работы закрепить и углубить полученные знания при практическом решении конкретной инженерной задачи; научиться пользоваться специальной литературой и другими техническими материалами; расширить круг знаний, изучая стандарты, справочники, документацию по типовым проектам; развивать творческую инициативу при самостоятельном решении инженерных задач.

Расчетно-пояснительная записка должна содержать описание котлаутилизатора и тепловой расчет котла.

Графическая часть проекта содержит 1 лист формата А4, включающий в себя разрез котла-утилизатора.

Оформить пояснительную записку и графическую часть в соответствии со стандартом СТП УПИ 1-85.

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Исходными данными для расчета котла-утилизатора являются:

тип котла-утилизатора;

расход газов через котел-утилизатор - G0, м3/с;

температура газов перед котлом-утилизатором - tг, °С;

требуемое давление перегретого пара - Рпп, Па;

температура перегретого пара - tпп, °С;

температура питательной воды на входе в котел - tпв, °С;

состав газа, %.

Каждому студенту выдаются чертежи (продольные и поперечные разрезы) котла-утилизатора, рекомендуются справочные материалы и техническая литература. Все дополнительные данные, необходимые для выполнения курсовой работы, студент выбирает самостоятельно, пользуясь при этом чертежами, учебной и справочной технической литературой.

Все расчеты выполняются в соответствии и на основе действующих нормативных методов теплового расчета котельных агрегатов [1]. Описание и основные характеристики котлов-утилизаторов даны в литературе [2,3,4].

3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ

Основным производителем котлов-утилизаторов является Белгородский котельный завод, разработавший совместно с НПО ЦКТИ более конструкций различных типов котлов-утилизаторов.

Среди различных типов котлов-утилизаторов в отдельную группу выделены газотрубные котлы. Маркировка газотрубных котлов: Г - горизонтальный, В – вертикальный, Б – с выносным барабаном–сепаратором, И – с предвключенной испарительной поверхностью, П – с пароперегревателем, Э – с экономайзером. Котлы Г-150, Г-420, Г-950 предназначены для охлаждения технологических газов с целью конденсации паров серы и получения насыщенного пара в процессе обезвреживания сероводородных газов. Котлы Г-250, Г-345, Г-250П, Г-345П, Г550П, Г-145Б, Г-1030Б, Г-330БИ, Г-445БИ, Г-660БИ предназначены для выработки насыщенного пара за счет использования тепла технологических и отходящих газов в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности. Вертикальные котлы В-90Б и Г-460Б предназначены для охлаждения конвертированных газов и производства насыщенного пара. Котлы Г-400ПЭ и Г-420БПЭ предназначены для получения перегретого пара за счет использования тепла отходящих газов из газовой турбины и тепла нитрозных газов в схеме получения слабой азотной кислоты.

Энерготехнологические котлы КС-200 ВТКУ-М и КС-450 ВТКУ-М устанавливаются за печами обжига серного колчедана в кипящем слое производительностью 200 и 450 т/сут. Ранее для этих целей выпускали котлы марок УККС (водотрубные) и ГТКУ (газотрубные).

Котлы–утилизаторы серии КУ предназначены для выработки перегретого пара на основе использования физического тепла газов, выходящих из мартеновских, нагревательных и других технологических печей. Центральный пароперегреватель ЦП-60-С предназначен для перегрева насыщенного пара, вырабатываемого котлами-утилизаторами. В качестве топлива применяется доменный газ с теплотой сгорания не менее 1000 ккал/м 3. Энерготехнологический котел СЭТА-Ц-100-2М предназначен для установки в технологической линии получения серной кислоты. Сжигание серы осуществляется в циклонном предтопке с коэффициентом избытка воздуха =2. Котел энерготехнологический ПКС-Ц-10/40 предназначен для сжигания сероводорода и охлаждения продуктов сгорания. Котлы –утилизаторы КСТК-35/40-100 и КСТ-80 предназначены для охлаждения газов, поступающих в них из камеры сухого тушения кокса и выработки перегретого пара. Охладители конверторных газов (ОКГ) предназначены для дожигания и охлаждения газов, выходящих из сталеплавильных конверторов. Характеристики некоторых типов котлов-утилизаторов приведены в табл. 1, 2, 3, 4.

Основными элементами котла-утилизатора являются барабан, испарительная поверхность нагрева, пароперегреватель и водяной экономайзер.

В отдельных случаях могут отсутствовать пароперегреватель или водяной экономайзер, или оба вместе. Принципиальная расчетная схема котлаутилизатора дана на рис. 1. При начальной температуре газов ниже 800°С пароперегреватель, как правило, располагается первым по ходу газов. Приведенный ниже порядок теплового расчета котла-утилизатора как раз и рассматривает этот чаще всего встречающийся на практике случай.

Для реальных условий эксплуатации необходимо уметь оценивать производительность имеющегося оборудования при различных расходах и Рис.1. Схема котла-утилизатора:

Б - барабан; ВЭ - водяной экономайзер; И - испаритель; ПП - пароперегреватель; ЦН - циркуляционный насос; 1, 2, 3, 4, 5, 6 - коллекторы экономайзера, испарителя и пароперегревателя соответственно параметрах отходящих газов. Целью расчета является определение количества теплоты, воспринимаемой имеющимися поверхностями нагрева и паропроизводительности котла-утилизатора при заданных параметрах.

4. РАСЧЕТ ЭНТАЛЬПИИ ГАЗОВ И ПАРАМЕТРОВ ПАРА И ВОДЫ

Примерный состав газов за различными технологическими агрегатами приведен в табл. 5. Объемная теплоемкость газов при входе в котелутилизатор подсчитывается как теплоемкость смеси газов по формуле где сp,i - объемные теплоемкости компонентов смеси при постоянном давлении при t, кДж/(м3К); ri - объемные доли компонентов смеси. Объемная теплоемкость газов на выходе из котла рассчитывается по формуле (1) по принятой температуре t. Теплоемкость газов при t и t берут из табл. 6.

Основные технические характеристики котлов-утилизаторов котла Г- БПЭ котла ВТКУ-М ВТКУ-М 8/ 4/ ГТКУ ГТКУ Использование теплоты отходящих КУ-80- 35/40-100 утилизатор Основные технические характеристики котлов-утилизаторов котла 10/ Основные конструктивные размеры элементов Типоразмер Диаметр и Количество, Суммар- Суммарное Длина, мм котла Расчетно-конструктивная характеристика конвективных, змеевиковых Типораз- Испарительные пакеты, м2 Паропе- ЭкоХарактеристика ва, F, м змеевиков, z Площадь живого се- КУ40-1 4,315 3,17 3,17 2,885 3,17 3, продуктов сгорания, КУ-80-3 8,63 6,34 6,34 5,77 6,34 6, Площадь живого КУ40-1 0,0096 0,0202 0,0202 - 0,0101 - 0, сечения для пара и КУ-60-2 0,0148 0,0318 0,0318 - 0,0159 0, по ходу газов котлов КУ слоя, м * при давлении 4,5 МПа, ** при давлении 1,8 МПа Состав газов за различными технологическими агрегатами среднего состава га серного колчедана конвертированных газов в производстве аммиака Энтальпия газов на входе в котел-утилизатор, кДж/м3:

Энтальпия газов на выходе из котла-утилизатора, кДж/м :

По вычисленным значениям I'г и I''г строят график зависимости изменения энтальпии газов в газоходах котла. Зависимость Iг от изменения tг – практически линейная. При дальнейшем расчете, определив из уравнения теплового баланса энтальпию газов в том или ином газоходе, по I-t диаграмме определяют температуру газов.

Энтальпию перегретого пара iпп при заданных значениях температуры tпп и давления Рпп перегретого пара, температуру пара в барабане ts и его энтальпию i (при условии, что степень сухости пара, выходящего из барабана, х=I) определяют по i-S диаграмме (рис. 6) или по таблицам сухого насыщенного и перегретого пара [1]. При этом давление пара в барабане определяют как сумму давления перегретого пара и гидравлического сопротивления пароперегревателя Р0,1Рпп:

Энтальпия кипящей воды i определяется по табл. 7 для сухого насыщенного пара и воды на линии насыщения, а также в [1]. Энтальпия питательной воды с достаточной для практических расчетов точностью может быть рассчитана (при давлениях до 15 МПа) по выражению, кДж/кг:

Удельные объемы и энтальпии сухого насыщенного пара и воды T, C 151,1 179,0 197,4 211,4 222,9 232,8 241,4 249,2 256, v, м /кг 0,382 9,198 0,134 0,101 0,081 0,068 0,058 0,051 0, i, кДж/кг 637,3 759,2 839,7 904,6 957,8 1004 1045 i, кДж/кг 2749 2778 2792 2799 2803 2804 2804

5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Основными уравнениями для проведения теплового расчета котлаутилизатора являются уравнения теплового баланса и уравнение теплопередачи [1]:

где Qг - теплота, отданная дымовыми газами, кВт; Qт - теплота, воспринятая рассчитываемой поверхностью нагрева, или тепловосприятие котлаутилизатора, кВт; - коэффициент сохранения тепла, учитывающий его потери в окружающую среду (принимается =0,98); Dпп - паропроизводительность котла-утилизатора, кг/с; iпп - энтальпия перегретого или насыщенного пара на выходе из котла, кДж/кг ; iпв - энтальпия питательной воды, кДж/кг;

Go - объемный расход газов при нормальных условиях, м3/ч; k- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); Dпр - расход воды на продувку котла; кг/с:

Dпр Dпп 1, где 1 - величина непрерывной продувки котла, % (принимаемая не более 5%); F - расчетная поверхность нагрева, м2; t - температурный напор, °С.

Расчет ведется методом последовательных приближений [1]. Задавшись в первом приближении температурой газов на выходе из котла, из уравнения теплового баланса определяют количество теплоты, отданное дымовыми газами Qг. Приравнивая правые части уравнений теплового баланса (6), (7) находят паропроизводительность котла-утилизатора Dпп.

6. РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

Расчет котла-утилизатора, имеющего пароперегреватель, начинается с расчета последнего, затем следует расчет испарительной поверхности. Теплота, идущая на перегрев пара, кВт, С учетом затрат теплоты на подогрев пара в пароперегревателе рассчитывают энтальпию газов за ним и по i-S диаграмме определяют температуру газов за пароперегревателем.

Температурный напор определяется как среднелогарифмическая разность температур по формуле где t б - разность температур сред в том конце поверхности нагрева, где она больше, °С; t м - разность температур в другом конце поверхности, °С.

Когда t б / t м 1,7, температурный напор можно с достаточной степенью точности определять как среднеарифметическую разность температур, °С:

Средняя температура потока дымовых газов определяется как полусумма температур газов на входе в поверхность нагрева t г и выходе из нее:

Скорость движения дымовых газов определяется по формуле где G0 - объем дымовых газов при нормальных условиях на входе в котел, м3/ч; fг - живое сечение для прохода дымовых газов, м2 (принимается по конструктивной характеристике). При течении в круглой трубе ее эквивалентный диаметр dэ равен внутреннему. При течении в трубе некруглого сечения, в кольцевом канале и при продольном омывании пучков где U - полный омываемый периметр, м. Для газохода прямоугольного сечения, заполненного трубами конвективных пучков, где a и b - поперечные размеры газохода в свету, м; z - количество труб в газоходе; d - наружный диаметр труб, м. Средняя температура пара определяется как полусумма температур насыщенного и перегретого пара:

Средняя скорость перегретого пара находится по формуле где vпп - удельный объем перегретого пара при средней его температуре tср, м3/кг (определяется по табл. 7 либо по i-S диаграмме (рис. 6)); fп - живое сечение для прохода пара, м 2 (определяется по конструктивным характеристикам).

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле где 1 и 2 - коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке и от стенки к обогреваемой среде соответственно, Вт/(м 2·К); -коэффициент тепловой эффективности. Коэффициент теплоотдачи конвекцией 1 определяется по номограммам 12, 13 или 14 из [1] или по рис. 2,3,4 в зависимости от типа пучка (коридорный или шахматный) и характера омывания его газами (продольное или поперечное). Для газотрубных котлов-утилизаторов характерны высокие скорости движения газов и, как правило, диапазона диаграммы (рис.4) по скоростям недостаточно для определения коэффициента теплоотдачи. В этом случае коэффициент теплоотдачи от газа к стенке необходимо рассчитывать по формуле где - теплопроводность газов, Вт/(мК); - вязкость газов, м2/с; Pr – критерий Прандтля; Сt – поправка, учитывающая влияние температуры; С d – поправка на форму канала; С l – поправка на относительную длину. Данные поправки могут быть приняты по рис.4а. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к обогреваемой среде 2 определяется по номограмме 15 [1] либо по рис.5 по средним значениям давления, температуры, скорости пара и внутреннему диаметру труб. Теплоотдачу излучением л не учитывают ввиду обычно невысокой температуры газов на входе в котел и небольшой толщины излучающего слоя. Коэффициент тепловой эффективности принимают равным = 0,61.

Тепловосприятие пароперегревателя определяется из уравнения теплопередачи (8). Если полученное из уравнения теплообмена значение тепловосприятия Qт отличается от определенного по уравнению теплового баланса Qпп не более чем на 2%, расчет поверхности не уточняется. Окончательными считаются температура и тепловосприятие, вошедшие в уравнение теплового баланса. При расхождении более чем на 2% принимают новое значение конечной температуры и расчет повторяют. Для второго приближения целесообразно принимать температуру, отличающуюся от принятой при первом приближении не более чем на 50°С. В этом случае следует пересчитать только температурный напор и заново решить уравнение теплового баланса и теплопередачи.

7. РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЯ И ЭКОНОМАЙЗЕРА

Расчет испарителя. Из расчета пароперегревателя известны температура t и энтальпия I дымовых газов на входе в испаритель. Температура газов на выходе из испарителя t принимается и последующим расчетом уточняпп ется. Количество теплоты, отданное газами пароводяной смеси в испарительной части, кВт, где Qи - количество теплоты, отданное газами пароводяной смеси. Средний температурный напор, средняя температура и скорости газов в газоходе определяются с использованием формул (11)-(16). Коэффициент теплопередачи от газов к стенке, Вт/(м2·К):

где 1 определяется по тем же номограммам, что и для пароперегревателя.

Коэффициент использования берут в пределах 0,650,8. Тепловосприятие испарительной части рассчитывают по формуле (8). В случае несовпадения тепловосприятия с рассчитанным значением Qп более чем на 2% принимают новое значение температуры на выходе из поверхностей и повторяют расчет.

Расчет экономайзера. Количество теплоты, переданное воде в водяном экономайзере, кВт:

Температура воды t, выходящей из экономайзера, зависит от конв.э струкции последнего. В экономайзере кипящего типа она равна температуре кипения при давлении в барабане, в экономайзере некипящего типа вода на выходе из экономайзера должна иметь температуру на 25-30°С ниже температуры кипения. Исходя из выбранной температуры t, определяют энтальв.э пию i. Энтальпия газов на входе в экономайзер равна энтальпии газов на выходе из испарительной части.

Средний температурный напор, средняя температура газов в газоходе, скорость газов в поперечном сечении газохода водяного экономайзера определяются по формулам (11)-(16), коэффициент теплопередачи определяются по формуле (22), а тепловосприятие - по формуле (8).

8. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ

РАЗЛИЧНОГО ТИПА

Тепловой расчет газотрубных котлов, не имеющих ни пароперегревателя, ни экономайзерных поверхностей, сводится только к расчету испарительной части.

Несколько сложнее расчет котлов ВТКУ, УККС и ГТКУ. Часть поверхностей этих котлов (чаще всего испарительная или пароперегреватель) размещены в объеме кипящего слоя, а теплоту дымовых газов утилизируют поверхности, расположенные в самом котле. Расчет этих котлов начинают с составления теплового баланса, в котором учитывают дополнительное количество теплоты, подведенное к рабочему телу в кипящем слое:

где Qк.с - теплота, подведенная к рабочему телу в объеме кипящего слоя, рассчитывается по формуле (8), в которой коэффициент теплопередачи в кипящем слое для современных котлов может быть принят равным kк.с=200 Вт/(м2·К). Температурный напор при этом определяется по формуле (11), где при известной температуре кипящего слоя где t и t - температура теплоносителя на входе и выходе из поверхности, размещенной в кипящем слое. Например, часть испарительной поверхности котла УККС 8/40 расположена в объеме кипящего слоя, а экономайзер у этого котла отсутствует. В этом случае t - это температура питательной воды, а t это температура кипения ts при давлении в барабане.

Из уравнения (24) определяется расход вырабатываемого пара Dпп, а в дальнейшем расчет ведется по обычной схеме. При расчетах котлов установок сухого тушения кокса, имеющих пароперегреватель, испарительную и экономайзерные поверхности, последовательно рассчитывается тепловосприятие пароперегревателя, испарителя и экономайзера.

9. ПРИМЕР РАСЧЕТА КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Провести тепловой и конструктивный расчет котла-утилизатора КСТ -80 при следующих исходных данных: расход газов через котелутилизатор G0=6500 м3/ч; давление пара Рпп=4 МПа; температура пара tпп=430°С; температура газов перед котлом t - 750°С; температура питательной воды tпв=100°С. Газы имеют следующий состав: С0 2=7%, СО=16%, N2=60%, H2=12%, SO2=1%, H2O=4%.

Расчет приведен ниже в табл. 8, где в колонке "Параметр" указывается величина, подлежащая определению, в колонке "Формула или рекомендация" - сквозные номера пунктов, таблиц, рисунков, формул из методических указаний к курсовой работе.

Теплоемкость газов сp = сp,i ·ri турой газов на выходе из котла Теплоемкость газов сp = сp,i ·ri Производится по- I=f(t) Энтальпия перегре- По i-S диаграмме 3290 кДж/кг Температура пара в ts по i-S диаграм- 255 С 10 Энтальпия пара в i по i-S диаграм- 2840 кДж/кг 11 Энтальпия кипящей i по i-S диаграм- 1117 кДж/кг 12 Энтальпия пита- iпв = 4,19tпв 4,19100=419 кДж/кг

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Коэффициент сохра-, принимаем зна- 0, Теплота, воды из барабана

РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

Теплота, идущая на Qпп = Dпп(iпп- i) 5,0(3290-2840)=2250 кВт перегрев пара Энтальпия газов за I I Qпп / G o 1081,5-[2250/(0,9818,050]= Температура газов t, по i-s диаграм- 680 C за пароперегревате- ме Большая разность температур температур Температурный Средняя температу- t г ( t t ) / 2 (750+680)/2=715C ра дымовых газов Живое сечение для По конструктивным 9,13 м прохода газов характеристикам, fг Скорость движения Средняя температу- t ср ( t s t пп ) / 2 (255+430)/2=342,5 С Живое сечение для По конструктивным 3,14(0,026)250/4=0,0265 м прохода пара характеристикам перегретого пара Коэффициент теплоотдачи от грею- 13 [1] (рис.3) щей среды к стенке Коэффициент теп- Принимаем значе- 0, ловой эффективно- ние Коэффициент тепk Площадь поверхно- Fпп сти пароперегревателя Невязка тепловос- Qпп Q т

РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЯ

Температура газов Принимаем значе- 330C Энтальпия газов за По Iг-tг диаграмме испарителем Количество тепло- Q и G o I I J 18,050,98(954-450)= пароводяной смеси Средний темпераt б Живое сечение для По конструктивным 3,253,73-603,250,025= прохода газов характеристикам =7,2475 м Коэффициент Коэффициент ис- Принимаем 0,677,3=46,38 Вт/ (м2·К) пользования

РАСЧЕТ ЭКОНОМАЙЗЕРА

ному экономайзеру водяной смеси на выходе из экономайзера Живое сечение для Скорость движения G o t ср 273 [18.05(260+273)]/ Средний темпераt б пользования водяного экономайзера

РАСЧЕТ ЗАКОНЧЕН

Рис.2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией для ширм и коридорных гладкотрубных пучков при поперечном омывании k н C z Cs Cф Рис.2а. Поправочный коэффициент для расчета коэффициента теплоотдачи к рис. Рис. 3а. Поправочный коэффициент для расчета коэффициента теплоотдачи к рис. Рис. 3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией для шахматных гладкотрубных Рис. 4. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании Рис.4а. Поправочные коэффициенты для расчета коэффициента теплоотдачи Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под общ. ред. Н.В. Кузнецова М. : Энергия, 1973. 296 с.

Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / А.П. Воинов, В.А. Зайцев, Л.И. Куперман, Л.Н. Сидельковский. М.: Энергоатомиздат, 1989. 272 с.

Воинов А.П., Куперман Л.И., Сушон С.П. Паровые котлы на отходящих газах. Киев: Вища школа, 1983. 176 с.

Котлы-утилизаторы и котлы энерготехнологические (отраслевой каталог) / НИИИНФОРМЭНЕРГОМАШ. М., 1985. 84 с.

Газотрубные котлы-утилизаторы и энерготехнологические котлы / НИИЭкономики. М., 1986. 41 с.

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ

Составители Мунц Владимир Александрович Редактор И.В. Коршунова Бумага типографская Офсетная печать Усл.печ. л. 1, Редакционно-издательский отдел УГТУ-УПИ