Проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-10-14

Проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-10-14

Введение

Целью курсового проекта является проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-10-14.

Котельный агрегат включает топочное устройство, трубную систему с барабанами, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, а также каркас с лестницами и помостами для обслуживания, обмуровку, газоходы и арматуру.

У котлов КЕ-10-14 диаметр нижнего и верхнего барабанов составляет 1000 мм. Межцентровое расстояние установки барабанов - 2750 мм. На задних днищах верхних и нижних барабанов, а также на переднем днище верхнего барабана размещены лазы для внутреннего осмотра котла.

Для котлов КЕ-10-14 применяется одноступенчатая схема испарения. Пароперегреватели устанавливаются в начале конвективного пучка. Насыщенный пар направляется в первую часть коллектора из верхнего барабана по пароперепускным трубам. Выход перегретого пара осуществляется из второй части верхнего коллектора.

У котла КЕ-10-14топочная камера разделена кирпичной стенкой на собственно топку и камеру догорания, что позволяет повысить КПД котла за счёт снижения химического и механического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла асимметричные.

Котёл комплектуется необходимым количеством арматуры и контрольно-измерительными приборами.

Исходные данные по проекту:

.        Пароперегреватель типа КЕ-10-14

.        Паропроизводительность агрегата, D - 10 т/ч

.        Непрерывная продувка в процентах от паропроизводительности агрегата, ρ - 75%

.        Давление пара у главной паровой задвижки, р_п - 14 МПа

.        Температура перегретого пара, t _п.п. - 220 ⁰С

.        Температура питательной воды перед экономайзером, t _п.в. - 65 ⁰С

.        Температура уходящих газов, ϑ_у.г. - 180 ⁰С

.        Значение продувки p- 3%

.        Вид топлива - природный газ

.        Температура воздуха на входе в воздухоподогреватель, tʹ _в.п. - 25 ⁰С

.        Температура воздуха на выходе из воздухоподогревателя, tʺ_в.п. - 120 ⁰С

Схема парогенератора типа КЕ-10-14

1.Тепловой расчет парогенератора КЕ-10-14

.1 Расчет горения топливной смеси

Выполняем расчет горения топливной смеси.

котлоагрегат водяной экономайзер

В качестве компонентов топлива взяты - природный газ Щебелинка- Днепропетровск

Таблица 1

Теплоту сгорания газообразного топлива определяем по следующему выражению:

= 0,127 * CO + 0,108 * H₂ + 0,234 * H₂ S +0,358 * CH₄ + 0,636 * C₂H₆ + + 0,913 * C₃H₈+ 1,185 * C₄H₁₀ + 0,595 * C₂H₄ + 0,877 * C₃H₆ + 0,156 * C₄H₈ + + 1,462 * C₅H₁₂

= 0,358*92,8+0,636*3,9+0,913*1+1,185*0,4+1,462*0,3= 37528 кДж/м³

котлоагрегат водяной экономайзер

Коэффициентом избытка воздуха для природного газа α _ᴤ =1,1

Объем воздуха необходимый для горения смеси:

V = α_mв *  = 1,1*9,7 = 10,67 м³/кг

Теоретические объемы продуктов сгорания при α =1:

а) для природного газа:

_ᴤ = 0,01* (СО₂ + СО + H₂ S +  m * C_m H_n) = = 0.01*(0.1+1*92.8+2*3.9+3*1+4*0.4+5*0.3) =1.056 м³/ м³;

 _ᴤ = 0,79*  + 0,01 * N₂ = 0,79 *9,7+0,01*1,5 = 7,678 м³/ м³;

 _ᴤ = 0,1* (H₂ S + H₂ +  0,5*n*C_mH_n + 0.124* d_ᴤ ) + 0.016*

 _ᴤ = 0,1* (2*92.8+3*3.9+4+5*0.4+6*0.3+1.24)+0.0161*9.7 = 2.223 м³/ м³;

б) Объемы продуктов сгорания газообразного топлива α_ᴤ =1,1

 _ᴤ =  _ᴤ + (α_ᴤ - 1) * 7,678+ (1,1-1) * 9,7 = 8,648 м³/ м³;

 _ᴤ =  _ᴤ + 0,0161 * (α_ᴤ - 1) *  = 2,223+ 0,01261*(1,1-1)*9,7 = 2,238 м³/ м³;

 =_ᴤ +  _ᴤ + _ᴤ = 1,056 + 8,648 + 2,238 = 11,9 м³/ м³

Объемные доли трехатомных газов, равные парциальным давлениям газов при общем давлении 0,1 МПа, подсчитаем по формулам:

= /  = 1,056/11,9 = 0,08,

= /  = 2,238/11,9 = 0,18,

 = + = 0,08 + 0,18 = 0,26.

Энтальпия теоретически необходимого объема воздуха:

 =  * (ct)_в = 9,7 * 39 = 378 кДЖ/м³

2.Основные характеристики парогенератора

)        Паропроизводительность агрегата, D - 10 т/ч

)        Давление пара у главной паровой задвижки, р_п - 14 МПа

)        Температура перегретого пара, t _п.п. - 220 ⁰С

)        Температура уходящих газов, ϑ_у.г. - 180 ⁰С

Таблица. Присосы воздуха по газоходам ∆ α и расчетные коэффициенты избытка воздуха в газоходах αʺ

Характеристика продуктов сгорания в газоходах парогенератора (м³/кг, = 1,06 м³/кг, = 7,678 м³/кг, = 2,224 м³/кг)

Таблица

3.Расчет теплового баланса парогенератора и расход топлива

.        Располагаемая теплота топлива

=  +  +  = 37528 + 0 + 0 = 37528 кДж/кг

2.       Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q₃ = 0,5 %

.        Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄ = 0 %

.        Температура уходящих газов ϑ_у.г. =180 ⁰С

.        Энтальпия уходящих газов I_ух = 2802 кДж/кг

.        Температура воздуха в котельной t _х.в. =25 ⁰С

.        Энтальпия воздуха в котельной I_х.в. = 331 кДж/кг

.        Потеря теплоты с уходящими газами q₂ = =  = 6,35 %

.        Потеря теплоты от наружного охлаждения q₅ = 1,75 %

.        Сумма тепловых потерь Σ q = q₂ + q₃ + q₄+ q₅ = 6,35 + 0,5 + 0 + 1,75 = 8,6 %

.        КПД парогенератора η_пг =100 - Σ q = 100 - 8,6 = 91,4 %

.        Коэффициент сохранения теплоты φ = 1 -  = 1 -  = 0,98

.        Паропроизводительность агрегата D = 2,08 кг/с

.        Давление пара в барабане P_б = 1,5 МПа

.        Температура перегретого пара t _п.п. = 220 ⁰С

.        Температура питательной воды t _п.в. = 65 ⁰С

.        Удельная энтальпия перегретого пара = 2844 кДж/кг

.        Удельная энтальпия питательной воды = 273,25 кДж/кг

.        Значение продувки p=3 %

.        Полезно используемая теплота в агрегате  _пг = D * () + D *  * () = = 2,08 * ( 2844 - 273,25 ) + 2,08 *  * ( 844,7 - 273,25 ) = 5391 кВт

.        Определяем полный расход топлива В =  =  = 0,16 кг/с

.        Расчетный расход топлива

В_р = В *  = 0,16 *  = 0,16 кг/с

4.Расчет теплообмена в топке

.        Активный объем топочной камеры V_т = 22,6 м³

.        Определяем тепловое напряжение объема топки расчетное q_v =  =  = 265,7 кВт/м³

.        Тепловое напряжение объема топки допустимое q_v = 350 кВт/м³

.        Площадь ограждающих поверхностей F_ст = 40 м²

.        Площадь лучевоспринимающей поверхности топки и камеры догорания H_л = 30,3 м²

6.       Эффективная толщина излучающего слоя S_т = 3,6 = 3,6  = 2,034 м

7.       Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности Ψ_ср =  =  = 0,49

.        Высота топки Н_т = 2,7 м

.        Высота расположения горелок h_г = 1,0 м

10.     Коэффициент светимости пламя m= 0,2

11.     Относительное положение максимума температуры в топке Х_г =  =  = 0,37

.        Параметр, учитывающий распределения температур в топке М = 0,54 - 0,2 Х_г = 0,54-0,2*0,37 = 0,47

.        Коэффициент избытка воздуха в топке α_т = 1,15

.        Присос воздуха в топке ∆α_т = 0,05

.        Температура воздуха в котельной t _х.в. =25 ⁰С

.        Энтальпия холодного воздуха I_х.в. = 331 кДж/кг

17.     Температура горячего воздуха t _г.в. = 150 ⁰С

18.     Энтальпия горячего воздуха I_г.в. = 1945 кДж/кг

19.     Определяем количество теплоты вносимое в топку воздухом  _в = (α_т - ∆α_т )  + ∆α_т  = (1,15 - 0,05)* 1945 + 0,05*331 = =2156,05 кДж/кг

20.     Определяем полезное тепловыделение в топке агрегате  _т =  *  +  _в = 37528 *+ 2156,05 = 39496,41 кДж/ кг

.        Температура газов на выходе из топки ϑʺ_г = 1050 ⁰С

.        Энтальпия газов на выходе из топки Iʺ_т = 15826 кДж/кг

.        Теоретическая температура горения ϑ_а = 1740 ⁰С

.        Определяем среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания  =  =  = 34,3 кДж/(кг К)

25.     Объемная доля водяных паров = 0,18

.        Объемная доля трехатомных газов = 0,08

27.     Суммарная объемная доля трехатомных газов  = 0,26

28.     Суммарная поглощательная способность трехатомных газов ρ S_т = 0,1*0,26*2,034 = 0,053 м МПа

.        Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами κ _г= 6,5 1/(м МПа)

.        Коэффициент ослабления лучей несветящейся частью топочной среды κ _нс= κ _г = 6,5 * 0,26 = 1,69 1/(м МПа)

.        Суммарная оптическая толщина газового потока κрs = κ _нс ρ S_т = 1,69*0,1*2,034 = 0,34

.        Степень черноты несветящейся части факела а _г = 0,26

.        Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами κ _саж = 0,3* (2 - α_т) * (1,6) *  = 0,3* (2 - 1,15) * *(1,6) *  = 3,29 1/(м МПа)

.        Коэффициент ослабления лучей светящейся частью топочной среды κ _св= κ _нс+ κ _саж = 1,69 + 3,29 = 4,98 1/(м МПа)

.        Произведение κ ρ S = κ _св ρ S_т = 4,98*0,1*2,034 = 1,01

.        Степень черноты светящейся части факела а _св = 0,6

.        Степень черноты факела α _ф = m а _св + (1- m) а _г = 0,2*0,6+(1-0,2)*0,26 = = 0,328

.        Степень черноты топки а _т = =  = 0,50

.        Рассчитываем тепловую нагрузка стен топки q_F =  =  = 159,99 кДж/(м³ с)

.        Температура газов на выходе из топки ϑʺ_т = 1025 ⁰С

.        Энтальпия газов на выходе из топки Iʺ_т = 15872 кДж/кг

.        Средняя удельная тепловая нагрузка лучевоспринимающих поверхностей стенки  =  =  = 112 кВт/м²

5.Расчет пароперегревателя и конвективных поверхностей нагрева

1.       Диаметр труб d/d_вн = 51/45 мм

.        Площадь поверхности нагрева Н = 52 м²

.        Параметры пара на входе:

давление рʹ= р_σ = 1,5 МПа

температура tʹ = t _нас = 198 ⁰С

паросодержание х = 0,98

.        Удельная энтальпия кипящей воды ʹ= 844,7 кДж/кг

.        Удельная энтальпия сухого насыщенного пара ʺ= 2790,4 кДж/кг

.        Удельная энтальпия пара на входе в пароперегреватель ʹ_п= хʺ + (1-х)ʹ= 0,98*2790,4 + (1-0,98)*844,7 = 2751,5 кДж/кг

.        Параметры пара на выходе:

давление рʺ= 1,4 МПа

температура tʺ = 220 ⁰С

удельная энтальпия ʺ_п =2855 кДж/кг

.        Тепловосприятие пароохладителя ∆_по =60 кДж/кг

.        Определяем тепловосприятие пароперегревателя  = (ʺ_п +∆_по -ʹ_п ) = (2855+60 - 2751,5) = 2725,7 кДж/кг

.        Коэффициенты распределения тепловой нагрузки

по высоте η_в = 0,7

между стенами η_ст = 1,0

.        Рассчитываем удельное лучистое тепловосприятие выходного окна топки q_л = η_в η_ст = 0,7*0,87*112 = 48 кВт/м²

.        Угловой коэффициент фестона = 0,8

.        Площадь поперечного сечения газохода перед пароперегревателем Fʹ_г = аʹbʹ = 2,1 * 2,8 = 5,88 м²

.        Определяем лучистое тепловосприятие Q_л = (1 -_ф ) Fʹ_г =  *(1 - 0,8)* 5,88 = 302 кДж/кг

.        Определяем конвективное тепловосприятие пароперегревателя Q_к = Q - Q_л = 2725,7 - 302 = 2424кДж/кг

.        Энтальпия газов на входе в пароперегреватель Iʹ = 15872 кДж/кг

.        Температура газов на входе в пароперегреватель ϑʹ = 1025 ⁰С

.        Энтальпия газов на выходе из пароперегревателя Iʺ = Iʹ-  + ∆а  = 17474 -  + 0,05 *238 = 14801 кДж/кг

.        Температура газов на выходе из пароперегревателя ϑʺ = 970 ⁰С

.        Определяем среднюю температуру газов ϑ_ср = 0,5(ϑʹ+ ϑʺ)= 0,5*(1025+970) = 997,5 ⁰С

.        Средняя площадь живого сечения газоходов F_ср = 7,5 м²

.        Определяем среднюю скорость газов  =  =  = 1,28 м/с

.        Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к = а_н С_zС_sС_ф = 30*0,64*1,0*0,9 = 14 Вт/(м² К)

.        Средняя температура пара t_ср = 0,5(tʹ+tʺ) = 0.5*(198+220) = 209 ⁰С

.        Объем пара при средней температуре  = 0,147 м³/кг

.        Средняя скорость пара  =  =  = 9,49 м/с

.        Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару α₂ = С_dα_н = 0,85*250 = 210 Вт/(м² К)

.        Толщина излучающего слоя S = 0.9 ( - 1)d = 0.9 (  - 1)* 0.045 = 0,25 м

29.     Суммарная поглощательная способность трехатомных газов ρ S = 0,1*0,25*0.25 = 0.006 м МПа

30.     Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами κ _г= 20

.        Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока ρκ S = κ _г  S = 20*0,25*0,1*0,25 = 0,13

.        Степень черноты излучающей среды а = 0,14

.        Коэффициент загрязнения ε = 0,007 м² ∙ К/Вт

.        Определяем температуру загрязненной стенки трубы t_cт = t_cр + (ε + )  10³ = 209 + (0,007 + )  2125,7*10³ = 285,5 ⁰С

.        Коэффициент теплоотдачи излучением α_л = α_н α С_г= 140*0,12*1 = 16,8 Вт/(м² К)

.        Коэффициент теплоотдачи от газов к стенки α₁ = ξ (α_к + α_л ) = 0,9*(14 + 16,8) = 27 Вт/(м² К)

.        Коэффициент тепловой эффективности Ψ = 0,8

.        Коэффициент теплопередачи κ = Ψ = 0,8 *  = 19 Вт/(м² К)

.        Разности температур между газами и паром - наибольшая ∆t_б = ϑʹ - tʺ = 1025 - 220 = 805 ⁰С - наименьшая ∆t_м = ϑʺ - tʹ = 970 - 198 = 772 ⁰С

.        Температурный напор при противотоке ∆t_прт =  =  = 675 ⁰С

.        Площадь поверхности нагрева прямоточного участка Н_прм = 25 м²

.        Полная площадь поверхности нагрева Н = 42 м²

.        Параметр А = Н_прм / Н = 25/42 = 0,6

.        Определяем полный перепад температур газов τ₁ = ϑʹ - ϑʺ = 1025 -970 = 55 ⁰С

.        Определяем полный перепад температур пара τ₂ = tʺ - tʹ = 220 - 198 = 22 ⁰С

.        Параметр Р =  =  = 0,1

.        Параметр R =  =  = 2,5

.        Коэффициент перехода к сложной схеме Ψ = 0,9

.        Температурный перепад ∆t = Ψ ∆t_прт = 0,9 * 825 = 607 ⁰С

.        Определяем тепловосприятие по уравнению теплообмена  =  =  = 2630 кДж/кг

.        Расхождение расчетных тепловосприятий ∆=  =  * 100 = 4 %

6.Расчет второй ступени экономайзера

.        Площадь поверхности нагрева ступени Н = 35 м²

.        Площадь живого сечения для прохода газов F_г = 1,8 м²

.        Площадь живого сечения для прохода воды f = 0,017 м²

.        Температура газов на входе в ступень ϑʹ = 850 ⁰С

.        Энтальпия газов на входе в ступень Iʹ = 14711кДж/кг

.        Температура газов на выходе из ступени ϑʺ = 725 ⁰С

.        Энтальпия газов на входе в ступень Iʺ = 12066 кДж/кг

.        Рассчитаем тепловосприятие ступени (теплота, отданная газами)  =φ (Iʹ- Iʺ + ∆α) = 0,98*(17430 - 14711 + 0,04 *238) = 2611 кДж/кг

10.     Температура воды на выходе из ступени tʺ = 179 ⁰С

.        Удельная энтальпия воды на входе в ступень  = ʺ -  = 758 -  = 696 кДж/кг

12.     Температура воды на входе в ступень tʹ = 169 ⁰С

.        Определяем среднюю температуру воды t_ср = 0,5(t ʹ+ t ʺ)= 0,5*(167+176) = 174 ⁰С

.        Определяем скорость воды в трубах  =  =  = 0.65 м/с

.        Определяем среднюю температуру газов ϑ_ср = 0,5(ϑʹ+ ϑʺ)= 0,5*(850 + 725) = 787,5 ⁰С

.        Определяем среднюю скорость газов  =  =  = 7 м/с

.        Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к = а_н С_zС_sС_ф = 52*0,95*0,9*1.0 = 34 Вт/(м² К)

.        Определяем эффективная толщина излучающего слоя S = 0.9( = 0.9(  = 0.06 м

.        Суммарная поглощательная способность трехатомных газов ρS = 0,1*0,25*0,06 = 0,0015

.        Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами κ _г= 12

.        Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока κрs = κ _г ρ S_т = 12*0,25*0,1*0,06 = 0,1

.        Степень черноты газов а = 0,1

.        Определяем температуру загрязненной стенки трубы t_cт = t_cр + ∆t = 171,5 + 60 = 231 ⁰С

.        Коэффициент теплоотдачи излучением α_л = α_н α С_г= 95*0,1*0,98 = 9 Вт/(м² К)

.        Температура в объеме камеры перед ступенью ϑʹ = 855 ⁰С

.        Коэффициент А = 0,3

.        Глубина по ходу газов ступени ln = 0,75 м объема перед ступенью lоб = 0,95 м

.        Коэффициент теплоотдачи излучением с учетом излучения газового объема перед ступенью αʹ_л = α_л = 9* = 9,5 Вт/(м² К)

.        Коэффициент теплоотдачи от газов к стенки α₁ = ξ (α_к + αʹ_л ) = 0,9*(34 + 9,5) = 35 Вт/(м² К)

.        Коэффициент теплопередачи κ = Ψ α₁ = 0,8*35 = 24 Вт/(м² К)

.        Разность температур между средами - наибольшая ∆t_б = ϑʹ - tʺ = 850 - 179 = 701 ⁰С - наименьшая ∆t_м = ϑʺ - tʹ = 725 - 169 = 556 ⁰С

.        Отношение ∆t_б /∆t_м = 701 / 556 = 1,26  1,7

.        Температурный напор ∆t = 0,5(∆t_б +∆t_м) = 0,5(701 +556) = 618⁰С

.        Определяем тепловосприятие ступени по уравнению теплообмена  =  =  = 2750 кДж/кг

.        Расхождение расчетных тепловосприятий ∆=  =  * 100 = 4 %

7.Расчет первой ступени экономайзера

.        Температура газов на входе в ступень ϑʹ = 425 ⁰С

.        Энтальпия газов на входе в ступень Iʹ = 8235 кДж/кг

.        Температура газов на выходе из ступени ϑʺ = 310 ⁰С

.        Энтальпия газов на входе в ступень Iʺ = 5975 кДж/кг

.        Определяем тепловосприятие ступени (теплота, отданная газами)  =φ (Iʹ- Iʺ + ∆α) = 0,98*(8235 - 5975 + 0,04 *238) = 2224 кДж/кг

8.Расчет невязки теплового баланса парогенератора

1.       Расчетная температура горячего воздуха t_г.в. =370 ⁰С

.        Энтальпия горячего воздуха при расчетной температуре  = 4938 кДж/кг

.        Определяем количество теплоты вносимое в топку воздухом  = (α_т - ∆α_т )  + ∆α_т  = (1,15 - 0,05)* 4938 + 0,05*331 = =5748 кДж/кг

.        Определяем полезное тепловыделение в топке  _т =  *  +  _в = 37528 *+ 5748= 45088 кДж/ кг

.        Определяем лучистое тепловосприятие топки  = φ ( _г - Iʺ_т) = 0,98 (45088 - 15872) = 28632 кДж/кг

.        Расчетная невязка теплового баланса ∆ = η_пг - ( + _к + _пе + _эк ) (1 -  ) = 37528* 0,91 - (28632 + +  + 2224)*(1-  ) = 870 кДж/кг

.        Невязка  100% =  100 = 2 %

Литература

. Частухин В.И., «Тепловой расчет промышленных парогенераторов». Учебное пособие. - К.: Выща школа. Головное изд-во, 1989. - 223 с.

. Зах Р.Г., Котельные установки. М., «Энергия», 1968. - 352 с.

. Александров А., Григорьев Б. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Издательство МЭИ, 1999. - 168 с.

ено н