Расчет парового котла ДЕ-6,5-14

Введение

Проверочный расчет выполняют для существующих параметров. По имеющимся конструктивным характеристикам при заданной загрузке и топливе определяют температуры воды, пара, воздуха и продуктов сгорания на границах между поверхностями нагрева, КПД агрегата, расхода топлива. В результате поверочного расчета получают исходные данные, необходимые для выбора вспомогательного оборудования и выполнения гидравлических, аэродинамических и прочностных расчетов.

При разработке проекта реконструкции парогенератора, например, в связи с увеличением его производительности, изменением параметров пара или с перевозом на другое топливо, может требоваться изменение целого ряда элементов, которые необходимо изменить, выполняют так, чтобы по возможности сохранялись основные узлы и детали типового парогенератора.

Расчет выполняется методом последовательного проведения расчетных операций с пояснением производимых действий. Расчетные формулы сначала записываются в общем виде, затем подставляются числовые значения всех входящих в них величин, после чего производится окончательный результат.

1 Технологический раздел 1.1 Краткое описание конструкции котла.

Котлы типа Е (ДЕ) предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара при работе на газе и мазуте. Изготовитель: Бийский котельный завод.

Котел Е (ДЕ)-6,5-14-225ГМ имеет два барабана одинаковой длины диаметром около 1000 мм и выполнены по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры. Топочная камера расположена справа от конвективного пучка по всей длине котла в виде вытянутой пространственной трапеции. 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. Межцентровое расстояние установки барабанов 2750 мм. Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах барабанов имеются лазы. Конвективный пучок образован коридорно расположенными вертикальными трубами диаметром 51x2,5 мм, присоединяемыми к верхнему и нижнему барабанам.

В конвективном пучке котла для поддержания необходимого уровня скоростей газов устанавливаются ступенчатые стальные перегородки.

Конвективный пучок от топки отделен газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для выхода газов в конвективный газоход. Газоплотная перегородка выполняется из труб, установленных с шагом 55 мм. Вертикальная часть перегородки уплотняется вваренными между трубами металлическими проставками.

Поперечное сечение топочной камеры для всех котлов одинаково. Средняя высота составляет 2400 мм, ширина – 1790 мм.

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, которые устанавливаются в отверстиях, расположенных в сварных швах или околошовной зоне, привариваются к барабанам электросваркой.

Трубы правого бокового экрана ввальцованы одним концом в верхний барабан, а другим – в нижний, образуя таким образом потолочный и подовый экраны. Под топки закрыт слоем огнеупорного кирпича. Задний экран имеет два коллектора (диаметром 159x6 мм) – верхний и нижний, которые связаны между собой трубами заднего экрана на сварке и необогреваемой рециркуляционной трубой (диаметром 76x3,5 мм). Сами коллекторы одним концом присоединяются к верхнему и нижнему барабанам на сварке. Фронтовой экран образован четырьмя трубами, развальцованными в барабанах. В середине фронтового экрана размещена амбразура горелки типа ГМ. Температура дутьевого воздуха перед горелкой не менее 10 °С.

Выступающие в топку части барабанов защищены от излучения фасонным шамотным кирпичом или шамотно-бетонной обмазкой.

Обмуровка натрубная снаружи обшита металлическим листом для уменьшения присосов воздуха. Обдувочные устройства расположены с левой стороны на боковой стенке котла. Обдувочный аппарат имеет трубу с соплами, которую необходимо вращать при проведении обдувки. Вращение обдувочной трубы производится вручную при помощи маховика и цепи. Для обдувки используется насыщенный или перегретый пар при давлении не менее 7 кгс/см².

Выход дымовых газов из котла осуществляется через окно, расположенное на задней стенке котла в экономайзер.

На фронте топочной камеры котлов имеется лаз в топку, расположенный ниже топочного устройства, и три лючка-гляделки – два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры.

Взрывной клапан на котле располагается на фронте топочной камеры над горелочным устройством.

Котел выполнен с одноступенчатой схемой испарения. Опускным звеном циркуляционных контуров котла являются последние по ходу газов наименее обогреваемые ряды труб конвективного пучка.

На котле предусмотрена непрерывная продувка из нижнего барабана и периодическая из нижнего коллектора заднего экрана.

В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательные трубы и направляющие щиты, в паровом объеме – сепарационные устройства. В нижнем барабане размещаются 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 шиты и козырьки, обеспечивающие выдачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. Отбойные щиты, направляющие козырьки, жалюзийные сепараторы и дырчатые листы выполняются съемными для возможности полного контроля и ремонта вальцовочных соединений труб с барабаном. Температура питательной воды должна быть не менее 100 °С. Котлы изготавливаются в виде единого блока, смонтированного на опорной раме, на которую передается масса элементов котла, котловой воды, каркаса, обмуровки. Нижний барабан имеет две опоры: передняя неподвижная, а задняя – подвижная, и на ней установлен репер. На верхнем барабане котла установлены два пружинных предохранительных клапана, а также котловой манометр и водоуказательные приборы.

Котел имеет четыре циркуляционных контура: 1-й – контур конвективного пучка; 2-й – правого бокового экрана; 3-й – заднего экрана; 4-й – фронтового экрана.

Основные характеристики котла Е (ДЕ)-6,5-14-225ГМ

Паропроизводительность:	6,5 т/ч
Рабочее давление (избыточное):	13 кгс/см2
Толщина стенки барабана:	13 мм
Тип горелки:	ГМ-4,5
Расчетный расход топлива:	442 – 488 м3/ч

2 Тепловой расчет парового котла 2.1 Характеристика топлива

Топливом для проектируемого котла является попутный газ, газопровода «Кумертау – Ишимбай – Магнитогорск». Расчетные характеристики газа на сухую массу принимаются по таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные характеристики газообразного топлива

Газопровод	Состав газа по объему, %												Низшая теплота сгорания, , кДж/м3	Плотность ρ при 0°С и 101,3 кПа, кг/м3
	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	С6Н14	СО	СО2	N2	O2	H2S	H2
Кумертау – Ишимбай - Магнитогорск	81,7	5,3	2,9	0,9	0,3	-	-	-	8,8	0,1	-	-	36 800	0,858

2.2 Расчет и составление таблиц объемов воздуха и продуктов сгорания

Все котлы типа Е, кроме котла Е-25 имеют один конвективный пучок.

Присосы воздуха по газовому тракту принимаем по таблице 2.

Таблица 2 – Коэффициент избытка воздуха и присосы в газоходах котла.

Показатель	Условное обозначение	Величина
1. Коэффициент избытка воздуха в топке	αТ	1,05
2. Присосы
в топку	Δ αТ	0,07
в конвективный пучок	Δ αК.Π.	0,05
в экономайзер и газоходы за котлом	Δ αЭК	0,10

Присосы в газоходах за котлом оцениваем по ориентировочной длине газохода – 5 м.

Таблица 3 – Избытки воздуха и присосы по газоходам

Наименование газохода	α''	Δα	αср
1. Топка	1,12	0,07	1,085
2. Конвективный пучок	1,17	0,05	1,145
3. Экономайзер и газоходы за котлом	1,27	0,10	1,22

Объемы воздуха и продуктов сгорания рассчитываются на 1 м³ газообразного топлива при нормальных условиях (0°С и 101,3 кПа).

Теоретически объемы воздуха и продуктов сгорания топлива при полном его сгорании (α = 1) принимаются по таблице 4.

Таблица 4 – Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания

Наименование величины	Условное обозначение	Величина, м3/м3
1. Теоретический объем воздуха		9,74
2. Теоретические объемы сгорания:
трехатомных газов		1,06
азота		7,79
водных паров		2,13

Объемы газов при полном сгорании топлива и α > 1 определяются для каждого газохода по формулам приведенным в таблице 5.

Таблица 5 – Действительные объемы газов и их объемные доли при α > 1.

Величина	Поверхность нагрева
	топка	конвективный пучок	экономайзер
1. α = αср	1,12	1,17	1,27
2.	2,14881768	2,15665838	2,17234
3.	12,1488	12,6358	13,6098
4.	0,175325958	0,16856867	0,1565
5.	0,087251416	0,083888634	0,07789
6.	0,262577374	0,252457304	0,23439
7.Gr, кг/м3	15,2278928	15,8639148	17,136

Коэффициент избытка воздуха a = a^ср принимаются по таблице 3;

, ,  берутся из таблицы 4;

 – объем водяных паров при a > 1;

 – объем дымовых газов при a > 1;

 – объемная доля водяных паров;

– объемная доля трехатомных газов;

 – объемная доля водяных паров и трехатомных газов;

G_r – масса дымовых газов.

 (2.2-1)

где  =  - плотность сухого газа при нормальных условиях, принимается по таблице 1;  = 10 г/м³ – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа.
2.3 Расчет и составление таблиц энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Построение I - ν диаграммы

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания считаются для каждого значения коэффициента избытка воздуха α в области, перекрывающей ожидаемый диапазон температур в газоходе.

Таблица 6 – Энтальпии 1 м³ воздуха и продуктов сгорания.

t, °С	(сt) СО2	(сt) N2	(сt) H2O	(сt) в
	кДж/м3
2000	4844	2965	3926	3066
1800	4305	2644	3458	2732
1600	3769	2324	3002	2403
1400	3239	2009	2559	2076
1200	2717	1705	2132	1754
1000	2213	1398	1723	1438
800	1712	1098	1334	1129
600	1231	808	969	830
400	776	529	626	542
200	360,0	261,0	304,0	267,0
100	171,7	130,1	150,5	132,7

Таблица 7 – Энтальпии воздуха и продуктов сгорания при α > 1.

Поверхность нагрева	t°С	I0.r	I0.в	(α – 1) I0.в	Ir	ΔIr
		кДж/м3
Топка, вход в конвективный пучок и пароперегреватель αТ = 1,12	2000	36594,4	29862,8	3583,5408	33010,83	3678,39
	1800	32525,6	26609,7	3193,1616	29332,44	3647,7
	1600	28493,4	23405,2	2808,6264	25684,73	3577,04
	1400	24534,1	20220,2	2426,4288	22107,69	3454,64
	1200	20703,1	17084	2050,0752	18653,05	3427,6
	1000	16906,2	14006,1	1680,7344	15225,46	3335,47
	800	13209,6	10996,5	1319,5752	11889,98
Конвективный пучок и пароперегреватель αК.П = 1,19	1000	16906,2	14006,1	2381,0404	14525,15	3184,99
	800	13209,6	10996,5	1869,3982	11340,16	3051,33
	600	9663,15	8084,2	1374,314	8288,836	2909,43
	400	6276,85	5279,08	897,4436	5379,406	2759,2
	200	3062,31	2600,58	442,0986	2620,211
Экономайзер αЭК = 1,24	400	6276,85	5279,08	1266,9792	5009,871	2571,7
	200	3062,31	2600,58	624,1392	2438,171	1232,32
	100	1516,05	1292,5	310,19952	1205,846

Данные для расчета энтальпий принимаются по таблицам 4 и 6. Энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха a = 1 и температуре газов t, °С, рассчитывается по формуле:

 (2.3-1)

Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания газа при температуре t, °С, определяется по формуле:

 (2.3-2)

Энтальпия действительного объема дымовых газов на 1 м³ топлива при температуре t, °С:

 (2.3-3)

Изменение энтальпии газов:

 (2.3-4)

где  - расчетное значение энтальпии;  - предыдущее по отношению к расчетному значение энтальпии. Показатель  снижается по мере уменьшения температуры газов t, °С. Нарушение этой закономерности указывает на наличие ошибок в расчете энтальпий. В нашем случае это условие соблюдается. Построим I - ν диаграмму по данным таблицы 7.

Рисунок 1 – I - ν диаграмма

2.4 Расчет теплового баланса котла. Определение расхода топлива 2.4.1 Тепловой баланс котла

Составление теплового баланса котла заключается в установлении равенства между поступившим в котел количеством тепла, называемого располагаемым теплом Q_P, и суммой полезно использованного тепла Q₁ и тепловых потерь Q₂, Q₃, Q₄. На основании теплового баланса вычисляют КПД и необходимый расход топлива.

Тепловой баланс составляется применительно к установившемуся тепловому состоянию котла на 1 кг (1 м³) топлива при температуре 0°С и давлении 101,3 кПа.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид:

Q_P + Q_в.вн = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆, кДж/м³, (2.4.1-1)

где Q_P – располагаемое тепло топлива; Q_в.вн – тепло, внесенное в топку воздухом при его подогреве вне котла; Q_ф – тепло, внесенное в топку паровым дутьем («форсуночным» паром); Q₁ – полезно использованное тепло; Q₂ – потеря тепла с уходящими газами; Q₃ – потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива;– потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива; Q₅ – потеря тепла от наружного охлаждения; Q₆ – потеря с теплом шлака.

При сжигании газообразного топлива в отсутствие внешнего подогрева воздуха и парового дутья величины Q_в.вн, Q_ф, Q₄, Q₆ равны 0, поэтому уравнение теплового баланса будет выглядеть так:

Q_P = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₅, кДж/м³. (2.4.1-2)

Располагаемое тепло 1 м³ газообразного топлива:

Q_P = Q^d_i + i_тл, кДж/м³, (2.4.1-3)

где Q^d_i – низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м³ (см. табл. 1); i_тл – физическое тепло топлива, кДж/м³. Учитывается в том случае, когда топливо подогревается посторонним источником тепла. В нашем случае этого не происходит, поэтому Q_P = Q^d_i, кДж/м³, (2.4.1-4)

Q_P = 36 800 кДж/м³. (2.4.1-5)