Расчет теплового баланса парового котла

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)                (37)

где    Та – теоретическая (адиабатная) температура горения, К; определяем по таблице 4 по значению Qт, равному энтальпии продуктов сгорания На; Та=2254, К.

Т″т –температура (абсолютная) на выходе из топки, К;

H″т – энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3; определяем по таблице 4 при принятой на выходе из топки температуре;

Qт – полезное тепловыделение в топке, кДж/м3.

Vср

Определяю действительную температуру υ″т, 0С, на выходе из топки

υ″т =           (38)

Полученная температура на выходе из топки υ″т = 10330С сравнивается с температурой, принятой ранее, 10350С. Расхождение между  полученной температурой υ″т, 0С, и ранее принятой на выходе из топки не превышает ±1000С, расчет считается оконченным.

Определяем удельную нагрузку топочного объема qV, кВт/м3

qV= ВрQрн/Vт.                                   (39)

qV=0,123*38380/11,2=421

6 Расчет конвективных пучков

При расчете конвективных поверхностей нагрева используем уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняем для 1 м3 сжигаемого газа при нормальных условиях.

Расчёт первого конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2].

Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода υ″ = 4000С и υ″ = 3000С. Далее весь расчет ведем для двух предварительно принятых температур.

Определяем теплоту Qб ,кДж/м3, отданную продуктами сгорания

Qб = φ (H′– H″+ Δαк * H0прс)         (40)

где    H′ – энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, кДж/м3;

H″ – энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, кДж/м3;

Δαк – присос воздуха в поверхность нагрева;

H0прс – энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 300С, кДж/м3;

φ – коэффициент сохранения теплоты.

Q400б = 0,975 (20239–7522+0,05*399,2) =12418

Q300б = 0,975 (20239–5574+0,05*399,2) =14317

Определяем расчётную температуру потока υ, 0С, продуктов сгорания в конвективной поверхности

                                   (41)

где    υ′ – температура продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева, 0С;

υ″ – температура продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева 0С.

υ 400=(1033+ 400) / 2=716,5

υ300=(1033+ 300) / 2=666,5

Определяем температурный напор ∆t, 0С

∆t = υ – tк                                        (42)

где tк – температура охлаждающей среды, для парового котла принимаем равной температуре кипения воды при давлении в котле, 0С.

∆t 400 = 716,5 – 194,1 = 522,4

∆t 300 = 666,5 – 194,1 = 472,4

Рассчитываем среднюю скорость ωг, м/с, продуктов сгорания в поверхности нагрева

             (43)

где Вр – расчетный расход топлива, м3/с;

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2;

Vг – объем продуктов сгорания на 1 м3 газообразного топлива, м3/м3;

υ – средняя расчетная температура продуктов сгорания, 0С.  

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией αк, Вт/(м2·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева; при поперечном омывании коридорных пучков

αк = αн сzсsсф                              (44)

где αн – коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме рис.6.1 [2] при поперечном омывании коридорных пучков, Вт/(м2·К); αн400=95, αн300= 91;

сz – поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания; сz400=1, сz300=1;

сs – поправка на компоновку пучка; сs400=1, сs300=1;

сф – коэффициент, учитывающий влияние измерения физических параметров потока; сф400=1,09, сф300=1,11.

α500к=95*1*1*1,09=103,5

α400к=91*1*1*1,11=101

Вычисляем степень черноты газового потока. При этом вычисляем суммарную оптическую толщину

kрs = ( kг rп) ps                                (45)

где kг – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами;

р – давление в газоходе, МПа; для котлов без наддува принимаем равным 0,1.

Определяем толщину излучающего слоя s,м, для гладкотрубных пучков

s =                (46)

s =

kрs 400 =34,69*0,253* 0,1*0,177=0,155

kрs 300 =35,59*0,253*0,1*0,177=0,159

Определяем коэффициент теплоотдачи αл, Вт/(м2·К), учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева для незапыленного потока при сжигании газообразного топлива

αл =αн а сг                                  (47)

где αн – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К), определяем по номограмме на рис.6.4 [2];

а – степень черноты;

сг – коэффициент, определяем по рис.6.4 [2].

Для определения αн и коэффициент сг определяем температуру tз, 0С, загрязненной стенки

tз = t + ∆t                                          (48)

где t – средняя температура окружающей среды, 0С; для паровых котлов принимаем равной температуре насыщения при давлении в котле;

∆t – при сжигании газообразного топлива принимаем равной 250С.

tз = 194,1 + 25 = 219,1

α400н =45; α300н =33

а400 = 0,14; а300 = 0,15

сг400 = 0,98; сг300 = 0,93

αл400 =45*0,14*0,98 = 6,4

αл 300 =33*0,15*0,93 = 4,7

Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи α1, Вт/(м2·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева

α1 = ξ (αк+ αл)                                   (49)

где    ξ – коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимаем равным 1.

α1400 =1(103,5+6,4)=109,9

α1300 =1(101+4,7)=105,7

Вычисляем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2·К)

К = α1 ψ                                            (50)

где    ψ – коэффициент тепловой эффективности, определяемый из табл.6.2 [2]; принимаем равным 0,85.

К400 = 0,85*109,9 = 93,5

К300 = 0,85*105,7 = 89,8

Определяем количество теплоты Qт, кДж/м3, воспринятое поверхностью нагрева

             (51)

где    Δt – температурный напор, 0С, определяемый для испарительной конвективной поверхности нагрева

               (52)

По принятым двум значениям температуры υ′ и υ″ полученным двум значениям Qб и Qт производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Температура υ″ на выходе из первого конвективного пучка равна 3700С.

Расчет второго конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2] аналогично первому конвективному пучку.

Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода υ″ =3000С и υ″ =2000С. Далее весь расчет ведем для двух принятых температур.

Определяем теплоту Qб ,кДж/м3, отданную продуктами сгорания по формуле

Qб = φ (H′– H″+ Δαк * H0прс)

Q300б = 0,975 (7422–3945+0,1*399,2) =3897

Q200б = 0,975 (7422–5980+0,1*399,2) =1912

Определяем расчётную температуру потока υ, 0С, продуктов сгорания в конвективной поверхности по формуле

υ 300=(370+ 300) / 2=335

υ 200=(370+200) / 2=285

Определяем температурный напор ∆t, 0С, по формуле (42)

∆t = υ – tк

∆t 300 = 335 – 194,1 = 140,9

∆t 200 = 285 – 194,1 = 90,9

Рассчитываем среднюю скорость ωг, м/с, продуктов сгорания в поверхности нагрева по формуле

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией αк, Вт/(м2·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева; при поперечном омывании коридорных пучков по формуле

αк = αн сzсsсф

αн300=73, αн200= 68

сz300=1, сz200=1

сs300=1, сs200=1

сф300=1,11, сф200=1,15

α300к=73*1*1*1,11=81

α300к=68*1*1*1,15=78,2

Вычисляем степень черноты газового потока. При этом вычисляем суммарную оптическую толщину по формуле

kрs = ( kг rп) ps

Определяем толщину излучающего слоя s, м, для гладкотрубных пучков по формуле

s = 

s =

kрs 300 =40,6*0,236* 0,1*0,177=0,17

kрs 200 =42,5*0,236*0,1*0,177=0,18

Определяем коэффициент теплоотдачи αл, Вт/(м2·К), учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева для

незапыленного потока при сжигании газообразного топлива по формуле (47)

αл =αн а сг

Для определения αн и коэффициент сг определяем температуру tз, 0С, загрязненной стенки по формуле

tз = t + ∆t

tз = 194,1 + 25 = 219,1

α300н =33; α200н =26

а300 = 0,14; а200 = 0,15

сг300 = 0,94; сг200 = 0,9

αл400 =67*0, 14*0,94 = 4,5

αл 200 =59*0,15*0,9 =3,6

Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи α1, Вт/(м2·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева по формуле

α1 = ξ (αк+ αл)

α1300 =1(81+4,5)=85,5

α1200 =1(78,2+3,6)=81,7

Вычисляем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2·К), по формуле

К = α1 ψ

К300 = 0,85*85,5 = 72,7

К300 = 0,85*81,7 = 69,5

Определяем количество теплоты Qт, кДж/м3, воспринятое поверхностью нагрева по формуле

где    Δt – температурный напор, 0С, определяемый для испарительной конвективной поверхности нагрева, определяемый по формуле

По принятым двум значениям температуры υ′ и υ″ полученным двум значениям Qб и Qт производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Температура υ″ на выходе из второго конвективного пучка равна 274.

7 Расчет экономайзера

Расчёт водяного экономайзера производим по формулам в соответствии с источником [2] .

Определяем теплоту отданную продуктами сгорания Qб, кДж/м3 при приятой температуре уходящих газов

Qб = φ (H′ – H″+ Δα эк * H0прс)            (53)

где    H′ – энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, кДж/м3

H″ – энтальпия уходящих газов, кДж/м3;

Δαэк – присос воздуха в экономайзер;

H0прс – энтальпия теоретического количества воздуха, Дж/м3;

φ – коэффициент сохранения теплоты.

Qб =0,975 (5450–3150+0,1*399,2) =2339,9

Приравнивая теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере, определяем энтальпию воды h″эк, кДж/кг, после водяного экономайзера

             (54)

где    h′эк – энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг;

D – паропроизводительность котла, кг/с;

Dпр – расход продувочной воды, кг/с.

По энтальпии воды после экономайзера определяем температуру воды после экономайзера t″эк, 0С.

t″эк = h″эк/с                                (55)

t″эк = 575,2/4,19 = 137,3

В зависимости от направления движения воды и продуктов сгорания определяем температурный напор Δt, 0С

Copyright © 2012 г.
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна.