Расчет теплового баланса парового котла

Введение

Положительные результаты работы топливно-энергетического комплекса являются основой эффективности экономики любой страны. Причём эти результаты во многом зависят от работы, проводимой в области энергосбережения. В нашей стране задачей повышения эффективности работы энергетической отрасли народного хозяйства придаётся большое значение.

На примере работы минских тепловых электростанций приводим примеры топливоиспользования и системы оценки работы ТЭЦ.

Приоритетными направлениями повышения эффективности работы энергетической отрасли являются:

- увеличение комбинированной выработки энергии на теплоэлектростанциях;

внедрение во всех сферах новых, более совершенных энергосберегающих мероприятий и технологий;

повышение эффективности использования топлива, в первую очередь газа;

использование местных видов энергоресурсов;

увеличение использования возобновляемых энергоресурсов.

Получение электрической и тепловой энергии напрямую обусловлено сжиганием органического топлива, а эффективность работы энергетической отрасли неразрывно связана с показателями топливо использования. Чем они лучше, тем ниже себестоимость электроэнергии и тепла, а рентабельность топливно-энергетического комплекса, соответственно, выше. В совокупности это позволяет не только поддерживать основные средства производства в подлежащем техническом состоянии, но и осуществить модернизацию объектов, а также на системном уровне выполнять мероприятия по энергосбережению.

Как известно, основными показателями, которые характеризуют эффективность использования топлива, является удельный расход условного топлива на производство единицы электроэнергии и тепла. Существенное влияние оказывают на них следующие факторы:

реально сложившееся фактическое потребление электроэнергии и тепла разными группами потребителей, то есть структура энергопотребления;

техническое состояние оборудования, особенно отработавшего свой ресурс;

возможности и технические характеристики схем передачи, и распределение энергии, то есть внутренние потери;

оптимальный выбор состава работающего оборудования и распределение нагрузок.

Ряд перечислений можно расширить, но ясно одно: показатели эффективности топливоиспользования могут носить как объективный, так и субъективный характер.

Оптимальное распределение нагрузок работающего оборудования - задача весьма сложная, требует применения методов математического динамического программирования и решается только при помощи вычислительной техники.

На Минской ТЭЦ-3 удельный расход условного топлива на производство электроэнергии удалось снизить с 208,3 г условного топлива на один киловатт-час до 187,2.

На многих электростанциях такие внешние фактора, как снижение теплофикационной выработки, загрузка оборудования ТЭЦ в конденсационном режиме не позволяют достигать существенного улучшения показателей топливо использования.

1 Принципиальное устройство котла

Паровой котел ДЕ-6,5-14ГМ предназначен для выработки насыщенного пара, используемого для технологических нужд предприятий, на теплоснабжение систем отопления, вентиляции и систем горячего водоснабжения.

Котел двухбарабанный водотрубный выполнен по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

Основными составными частями котла являются верхний и нижний барабаны, конвективный пучок и образующие топочную камеру левый топочный экран (газоплотная перегородка), правый топочный экран, трубы экранирования фронтовой стенки топки и задний экран.

Внутренний диаметр верхнего и нижнего барабанов равен 1000мм. Длина цилиндрической части барабана увеличивается с повышением паропроизводительности котлов. Барабаны изготавливаются из стали 16ГС ГОСТ 5520—79, и имеют толщину стенки 13 мм. Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах барабанов имеются лазы. Конвективный пучок образован коридорно-расположенными вертикальными трубами диаметром 51х2,5мм, присоединенными к верхнему и нижнему барабанам. Длина конвективного пучка по всей длине цилиндрической части барабана. Ширина конвективного пучка составляет 890мм. Шаг труб конвективного пучка вдоль барабанов 90мм. Поперечный – 110мм. В конвективном пучке котла для поддержания необходимого уровня скоростей газов устанавливается продольная ступенчатая стальная перегородка. Конвективный пучок от топочной камеры отделен газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для входа газов в пучок. Трубы газоплотной перегородки, правого бокового экрана образуют под и потолок топочной камеры, и трубы экранирования фронтовой стенки вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны.

Средняя высота топочной камеры составляет 2400мм, ширина–1790мм. Глубина топочной камеры увеличивается с повышением паропроизводительности. Трубы правого топочного экрана диаметр 51х2,5мм устанавливаются с продольным шагом 55мм; на вводе в барабаны трубы разводятся в два ряда отверстий. Экранирование фронтовой стенки выполняется из труб диаметром 51х2,5мм. Основная часть труб конвективного пучка и правого топочного экрана, а также трубы экранирования фронтовой стенки топки присоединяются к барабанам вальцовкой. Трубы газоплотной перегородки, а также часть труб правого топочного экрана и наружного ряда конвективного пучка привариваются к барабанам электросваркой.

Опускным звеном циркуляционного контура являются последние по ходу газов наименее обогреваемые ряды труб конвективного пучка. В нижнем барабане размещается устройство для парового прогрева воды в барабане при растопке и патрубки для спуска воды. В качестве первичных сепарационных устройств используются установленные в верхнем барабане направляющие щиты и козырьки, обеспечивающие выдачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. На котле ДЕ-6,5-14ГМ предусмотрена непрерывная продувка из нижнего барабана и периодическая из нижнего коллектора заднего экрана. На котле выход дымовых газов осуществляется через окно, расположенное на задней стенке котла.

Котел оборудован стационарным обдувочным аппаратом для очистки наружной поверхности труб конвективного пучка от отложений. Обдувочный аппарат имеет трубу с соплами, которую необходимо вращать при проведении обдувки. Наружная часть обдувочного аппарата крепится к обшивке левой конвективной стенки котла, а конец обдувочной трубы поддерживается при помощи втулки, приваренной к трубе пучка. Вращение обдувочной трубы производится вручную при помощи маховика и цепи. Для обдувки используется пар давлением не менее 0,7МПа. Для удаления отложений из конвективного пучка устанавливаются лючки на левой стенке котла.

У всех котлов на фронте топочной камеры имеется лаз в топку, расположенный ниже горелочного устройства, и три лючка-гляделки: два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры. На котле ДЕ-6,5-14ГМ взрывной клапан расположен на фронте топочной камеры над горелочным устройством. Обмуровка фронтовой стенки выполняется из огнеупорного шамотного кирпича и изоляционных плит. Нагрузку от элементов котла воспринимает опорная рама. Для установки нижнего барабана в конструкции опорной рамы предусмотрены поперечные балки. Нижний барабан на фронте котла закрепляется неподвижно посредством приварки барабана к подушке поперечной балки опорной рамы и неподвижными опорами. Каркас и обшивка со стороны фронта котла крепятся к нижнему барабану неподвижно. Тепловое расширение барабана предусмотрено в сторону заднего днища. На заднем днище нижнего барабана устанавливается репер для контроля за перемещением барабана.

Для сжигания топочного мазута и природного газа устанавливаются газомазутные горелки ГМ-4,5.

Котел ДЕ комплектуется двумя пружинными предохранительными клапанами, один из которых является контрольным. На котле ДЕ-6,5-14ГМ оба клапана установлены на верхнем барабане котла, один из них контрольный, срабатывающий при повышении давления более чем на 10%.

На всех элементах и трубопроводах котельного агрегата и его вспомогательных устройствах, заполняемых устройствах, заполняемых рабочим телом и находящихся под давлением, устанавливается соответствующая арматура. К арматуре относят устройства и приборы для управления работой элементов и частей котельных установки, находящейся под давлением, для включения, регулирования и отключения трубопроводов воды, пара или предохраняющие от превышения давления, а также контрольные приборы котлоагрегата (водоуказательные стекла для наблюдения за уровнем воды в барабане).

На ДЕ 6,5-14 устанавливается арматура: главная паровая задвижка; вентиль воздушник; вентиль отбора пара на собственные нужды; задвижки на питательных трубопроводах; два предохранительных клапана- пружинные; два водомерных стекла; манометр; вентили для непрерывной продувки; вентили для периодической продувке.

Для контроля уровня воды в паровом котле применяют водоуказательные приборы. Паровой котел ДЕ должен иметь не менее двух водоуказателей. Чаще всего используют водоуказатель с плоскими стеклами «клингер», вставленными на прокладке в рамку. Плоские стекла имеют сложное устройство, но удобны и безопасны в работе. Они лопаются редко, оставаясь при этом в металлической рамке и не разлетаясь на куски, вследствие чего для этих стекал, не нужны ограждения. На внутренней сторон стекла имеются продольные риски, благодаря которым вода в стекле кажется темной, а пар – светлым, т.е. создается отчетливая граница между темной полосой пара над ней.

Котел ДЕ должен быть снабжен двумя независимыми предохранительными клапанами, которые устраивают так, чтобы давление пара в котле не могло превышать допускаемое рабочее. Предохранительные клапаны выпускают излишний пар при через в мерном повышении давлении, т.е. когда стрелка манометра переходит за красную черту.

Парозапорные устройства (вентили, задвижки), предназначенные для отключения котла от потребителя воды или пара. В зависимости от параметров протекающей среды и размеров вентили могут соединяться с трубопроводами на фланцах, резьбе или с помощью сварки. Вентили имеют плоский или игольчатый клапан. Вентили с плоским клапаном используют в качестве запорных устройств, а игольчатым клапаном – для дросселирования.

В гарнитуру котельного агрегата входят дверца, лазы, гляделки, взрывные клапаны, шиберы или поворотные заслонки.

Для наблюдения за процессом горения топлива и конвективных газоходов в обмуровке котлоагрегата выполняют гляделки. Взрывные клапаны предохраняют обмуровку от разрушения при случайных хлопках в газоходах котла. С помощью чугунных дымовых шиберов или поворотных заслонок регулируют тягу и перекрывают боров.

2 Расчет процесса горения

Расчет процесса горения выполняем по формулам в соответствии с источником [2].

Из таблицы характеристик топлив [источн.1] выбираем расчетные характеристики природного газа газопровода Кумертау-Ишимбай-Магнитогорск, %: СН4=85,9; С2Н6=6,1; С3Н8=1,5; С4Н10=0,8; С5Н12=0,6; N2=5,0; СО2=0,1; Qрн = 38380,4 МДж/м3.

Определяем теоретический объем воздуха V0, м3/м3, необходимого для полного сгорания при сжигании газа

V0=0,0476 [0,5 СО+0,5Н2+1,5Н2S+∑(m+n/4)СmНn-О2], (1)

где m – число атомов углерода;

n – число атомов водорода.

V0=0,0476[(1+4/4)85,9+(2+6/4)6,1+(3+8/4)1,5+(4+10/4)0,8+(5+12/4)0,6]=10,03.

Определяем теоретический объем азота V0N2, м3/м3, в продуктах сгорания при сжигании газа

V0N2=0,79 V0 +Nр / 100. (2)

V0N2=0,79 * 10,03+5,0 / 100 =7,97.

Определяем объём трехатомных газов VRO2, м3/м3, в продуктах сгорания при сжигании газа

VRO2=0,01(СО2+СО+Н2S+∑ m СmНn). (3)

VRO2=0,01(0,1+(1*85,9+2*6,1+3*1,5+4*0,8+5*0,6)=1,09.

Определяем теоретический объём водяных паров V0H2O, м3/м3, в продуктах сгорания при сжигании газа

V0H2O=0,01(Н2S+Н2+∑ n/2 СmНn+0,124dг.тл)+0,0161 V0. (4)

V0H2O=0,01(4/2*85,9+6/2*6,1+8/2*1,5+10/2*0,8+12/2*0,6+0,124*10)+0,0161*10,03=2,2.

Определяем средний коэффициент избытка воздуха aср, для каждой поверхности нагрев

(5)

где a′ и a″ – коэффициент избытка воздуха перед и после газохода;

a′T – коэффициент избытка воздуха на входе в топку; принимаем равным 1,05[источник 3].

a″ = a′+ Da, (6)

где Da – присос воздуха в поверхность нагрева.

Определяем избыточное количество воздуха Vвизб, м3/м3, для каждого газохода

Vвизб = V0 (aср –1). (7)

Определяем действительный объём водяных паров VH2O, м3/м3, для газа

VH2O=V0H2O + 0,0161 (aср–1) V0. (8)

Определяем действительный суммарный объём продуктов сгорания Vг, м3/м3, для газа

Vг= VRO2 + V0N2 +Vвизб + VH2O. (9)

Определяем объемные доли трехатомных газов rRO2 и водяных паров rH2O, а также суммарную объемную долю rп

rRO2= VRO2 / Vг. (10)

rH2O= VH2O / Vг. (11)

rп = rRO2+ rH2O. (12)

Результаты расчета действительных объемов продуктов сгорания по газоходам котлоагрегата сводим в таблицу 1.

Таблица 1

– объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов.

3 Построение Н, Т-диаграммы

Расчёт энтальпий воздуха и продуктов сгорания производим при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева. Расчёт производим для всего возможного диапазона температур от 100 до 22000C.

Определение энтальпий воздуха и продуктов сгорания производим в последовательности, изложенной в источнике [2].

Определяем энтальпию теоретического объёма воздуха H0в, кДж/м3, для всего выбранного диапазона температур

H0в= V0 *(сJ)в, (13)

где (сJ)в – энтальпия 1м3 воздуха, кДж/м3[опред. По табл. 3.4 ист. 2].

V0 – теоретический объём воздуха, необходимого для горения, м3/м3 [опред. По табл. 3.3 ист. 2].

Значение теоретического объема воздуха для всего диапазона температур сводим в таблицу 2.

Определяем энтальпию теоретического объёма продуктов сгорания H0г, кДж/м3, для всего выбранного диапазона температур

H0г = VRO2 (сJ)RO2 + V0N2 (сJ)N2+ V0H2O(сJ)H2O, (14)

где (сJ)RO2, (сJ)N2, (сJ)H2O – энтальпии 1м3 трёхатомных газов, теоретического объёма азота, теоретического объёма водяных паров, кДж/ м3;

VRO2, V0N2, V0H2O – объёмы трёхатомных газов, теоретические объёмы азота и водяного пара, м3/м3 [ табл. 3.4].

Значение и определение энтальпии теоретического объема продуктов сгорания для всего диапазона температур сведены в таблицу3.

Определяем энтальпию избыточного количества воздуха Hвизб, кДж/м3, для всего выбранного диапазона температур

Hвизб=(α–1) H0в. (15)

Определяем энтальпию продуктов сгорания H, кДж/м3, при коэффициенте избытка воздуха α >1

H= H0г+ Hвизб. (16)

Значение и определение продуктов сгорания для всего диапазона температур сводятся в таблицу 4.

Таблица 2 – теплосодержание воздуха.

По результатам расчетов выполняем построение графика зависимости энтальпий продуктов сгорания Н от температуры Т.

4 Тепловой баланс котла

Расчет теплового баланса котельного агрегата выполняем по формулам в соответствии с источником [2].

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты.

Определяем потерю теплоты с уходящими газами q2, %

(17)

где Hух – энтальпия уходящих газов, кДж/м3;

H0х.в – энтальпия теоретического объёма холодного воздуха, определяем при tв = 300С, кДж/м3;

aух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах в сечении газохода после последней поверхности нагрева;

q4 – потеря теплоты от механической неполноты горения, %; для природного газа q4 =0;

Qрр – располагаемая теплота топлива, кДж/м3.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха H0хв, кДж/м3, при температуре 300С

H0хв =39,8 V0 (18)

H0хв= 39,8 * 10,03 = 399,2

Определяем располагаемую теплоту Qрр, кДж/м3, для газообразного топлива

Qрр = Qсн (19)

где Qсн – низшая теплота сгорания сухой массы газа, кДж/м3

Qрр=38380

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q3, %, обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов СО, Н2, СН4. По таблице 4.4 [2] q3=0,5.

Потеря теплоты от механической неполноты горения топлива q4, %, наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц. Для газа q4 = 0 %.

Потеря теплоты от наружного охлаждения q5, %, обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру и для парового котла определяется по формуле

q5= q5ном ( Dном / D) (20)

где q5ном – потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового котла, %; принимаем по таблице 4.5 [2] q5ном =2,3;

Dном – номинальная нагрузка парового котла, т/ч;

D – расчетная нагрузка парового котла, т/ч.

q5=2,3* 6,5/6,5 =2,3

Определяем КПД брутто ηбр, %, парового котла из уравнения обратного теплового баланса

ηбр=100-(q2+q3+q4+q5+q6). (21)

При сжигании газообразного топлива уравнение примет вид

ηбр =100–(q2+ q3 +q5)

ηбр =100–(6,2+0,5+2,3)=91,0

Определяем полезную мощность Qпг, кВт, парового котла

Qпг =Dн.п (hн.п – hп.в )+ 0,01рDн.п (hкип – hп.в) (22)

где Dн.п – расход выработанного насыщенного пара 1,8, кг/с;

hн.п – энтальпия насыщенного пара определяется из ист.4, 2789 кДж/кг;

hп.в – энтальпия питательной воды ист.4, 820 кДж/кг;

р – непрерывная продувка парового котла, 2,5 %;

hкип – энтальпия кипящей воды в барабане котла, 826 кДж/кг.

Qпг =1,8 (2789 – 419) + 0,01*2,5*1,8 (826– 419)=4284,3

Определяем расход топлива Впг, м3/с, подаваемого в топку парового котла из уравнения прямого теплового баланса

Впг = (Qпг / (Qрр * ηбр))100 (23)

Впг = (4284,3/ (38380 * 91,0)) 100 =0,123

Определяем расчётный расход топлива Вр, м3/с

Вр =Впг= 0,123

Определяем коэффициент сохранения теплоты φ

(24)

φ = 1-2,3/(91,0 +2,3) = 0,975

5 Расчет топочной камеры

Расчёт топки производим по формулам в соответствии с источником [2] в следующей последовательности.

Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры 10350С. Для принятой температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 2 – Энтальпии продуктов сгорания Н = ƒ (J), кДж/м3.

Подсчитываем полезное тепловыделение в топке Qт, кДж/м3

(25)

где Qв – теплота вносимая в топку с воздухом, кДж/м3

Qт =38380 (100-0,5)/100+419,6=38607,6

Для паровых котлов, не имеющих воздухоподогревателя, теплоту Qв, кДж/м3, определяем

Qв =α˝т * H0х.в. (26)

Qв =1,05*399,2=419,16

Определяю коэффициент ψ тепловой эффективности экранов

ψ = χ * ξ, (27)

где χ – угловой коэффициент, т.е. отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение χ определяется из рисунка 5.3 [2] ; χ=0,97;

ξ – коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1 [2]: ξ=0,67.

ψ = 0, 97*0, 67=0, 65

Определяем эффективную толщину S, м, излучающего слоя

S=3,6Vт/Fст (28)

где Vт – объем топочной камеры, м3;

Fст – поверхность стен топочной камеры, м2.

S=3, 6*11, 2/29, 97=1, 35

Определяем коэффициент k, (м·МПа)–1 , ослабления лучей. При сжигании газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами kг и сажистыми частицами kс

k = kг rп + kс (29)

где kг – коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, (м·МПа)–1;

rп – суммарная объёмная доля трёхатомных газов; принимаю по таблице 1;

kс –коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, (м·МПа)–1.

Коэффициент kг, (м·МПа)–1 , ослабления лучей трехатомными газами определяю по формуле

(30)

где рп = rп р – парциальное давление трёхатомных газов, МПа;

р – давление в топочной камере котлоагрегата, для агрегатов, работающих без наддува принимаю р = 0,1 МПа;

T˝т – абсолютная температура на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).

Коэффициент kс , (м·МПа)–1, ослабления лучей сажистыми частицами

kс (31)

где Ср, Нр–содержание углерода и водорода в рабочей массе жидкого топлива, %.

При сжигании природного газа

(32)

где СmНn – процентное содержание входящих в состав природного газа углеводородных соединений, %

k=8,75*0,257+1,147=3,43

Определяем степень черноты факела аф.

Для газообразного топлива степень черноты аф факела

аф =mасв +(1– m) аг (33)

где m –коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела; принимаю по таблице 5.2 [2] m=0,12 при qV=421 кВт/м3;

асв – степень черноты светящейся части факела;

аг – степень черноты несветящихся трёхатомных газов.

Значения асв и аг определяю по формулам

асв=1 – е-( kг rп + kс) р s (34)

аг=1 – е –kг rп р s (35)

асв=1 – е-(3,43*0,1*1,35)=0,37

аг=1 – е –8,75*0,257*0,1*1,35=0,259

аф =0,12*0,37+(1-0,12)*0,257=0,274.

Определяем степень черноты топки ат для камерной топки при сжигании газа

(36)

ат=0,274/(0,274+(1-0,274)*0,65)=0,36

Параметр М зависит от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки. Для полуоткрытых топок при сжигании газа М=0,48 [источник 2, стр. 67].

Определяем среднюю суммарную теплоёмкость Vс.ср, кДж/м3·К, продуктов сгорания на 1 м3 газа при нормальных условиях

Vс.ср=(Qт – H″т) / (Та –Т″т)