Методическое пособие по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Филиал Российского государственного университета нефти

и газа И.М.Губкина в г. Оренбурге

Методическое пособие по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»
Расчет тепловой схемы котельной

Соколов В.Ю., к.т.н., доцент

Сологуб И.В.

Оренбург 2010г.

Содержание

Данный проект преследует цели углубленной проработки студентами основных типов тепловых схем котельной, подробного расчета заданного варианта тепловой схемы и отдельных её элементов, составление теплового баланса котлоагрегата на его основе, определение стоимости годового расхода топлива для различных вариантов компоновки котлоагрегатов.

Тепловая схема во многом определяет экономичность работы котельной. Подробный расчёт тепловой схемы с составлением его теплового баланса позволяет определить экономические показатели котельной, расхода пара и воды, по которым производится выбор основного и вспомогательного оборудования.

Составление теплового баланса котлоагрегата позволяет оценить его экономичность для вариантов с использованием водяного экономайзера и без него.

Приведённая методика расчётов тепловой схемы и составление теплового баланса парогенератора максимально упрощена с целью уменьшения объёма необходимых расчетов. Определение параметров воды и пара в состояние насыщения производится по таблице 1 приложения A.

Начальная буква

фамилии студентаА,Б,ВГ,Д,ЕЖ,З,ИК,Л,МН,О,ПР,С,ТУ,Ф,ХЦ,Ч,ШЩ,ЭЮ,ЯНомер тепловой схемы12345678910

1. Методические указания по выполнению курсового проекта

1.1 Задача курсового проекта.

Задачей курсового проекта является углубление знаний, полученных в процессе изучения курса «Технической термодинамики и теплотехники». При выполнении курсового проекта студенты практически знакомятся с итерационным методом расчёта тепловой схемы котельной (метод последовательных приближений).

1.2 Задания на курсовой проект.

Задания на курсовой проект имеют десять вариантов исходных данных для расчета и десять различных тепловых схем (всего 100 вариантов). Тепловая схема выбирается согласно первой буквы фамилии студента, а исходные данные - по последней цифре шифра.

1.3 Курсовой проект содержит следующие разделы:

1. Подробный расчёт принципиально тепловой схемы котельной.

2. Выбор типоразмера и определение количества котлоагрегатов.

3.Тепловой баланс котельного агрегата.

4. Определение количества котлоагрегатов, устанавливаемых в котельной.

5. Расчет теоретических и действительных объемов продуктов сгорания.

6. Определение энтальпий продуктов сгорания и воздуха.

7. Тепловой баланс котельного агрегата.

8. Определение годового расхода топлива в одном котельном агрегате.

9. Тепловой и конструкционный расчет экономайзера.

10. Графическая часть.

1.4 Общие методические указания.

До начала расчётов принципиальной тепловой схемы котельной студенту необходимо внимательно ознакомится с заданием и подобрать все необходимые материалы.

Следует изучить все узлы тепловой схемы, познакомиться с конструкцией редукционно-охладительной установки, деаэратора, подогревателей и т.д.

Следует помнить, что в тепловых схемах приняты деаэраторы атмосферного типа. Вода должна поступать в химводоочистку с температурой 15-25 °С.

Для упрощения тепловых расчётов можно пренебречь потерями воды, проходящей через подогреватели, а также потерями тепла в деаэраторе.

При расчёте каждого узла тепловой схемы необходимо составить принципиальную тепловую схему с указанием всех параметров

1.5 Перечень обозначений к расчёту тепловой схемы.

µ § - давление пара на выходе из котлоагрегата, MПa;

µ § - давление пара после РОУ, МПа;

µ § - давление в атмосферном деаэраторе, МПа;

µ § - давление в расширителе непрерывной продувки (принимаем равным µ §), МПа;

µ § - температура пара на выходе из котлоагрегата, °С;

µ § - температура пара после РОУ, °С;

µ § - температура горячей воды на выходе из сетевых подогревателей, °С;

µ § - температура воды в обратной линии теплосети, °С;

µ § - температуры конденсата, °С;

µ § ЁC температура воды в деаэраторе, °С;

µ § - температура продуктов горения перед экономайзером, °С;

µ § - температура продуктов горения за экономайзером, °С;

µ § - среднее значение температуры газа в измерительном сечении, оС;

µ § - температура питательной воды перед экономайзером, °С;

µ § - температура питательной воды на выходе из экономайзера, °С;

µ § - температурный напор в экономайзере, °С.

µ § - разность температур теплообменивающихся сред на том конце поверхности, где она наибольшая, °С;

µ § - разность температур теплообменивающихся сред на том конце поверхности, где она наименьшая, °С.

µ § - температура конденсата на выходе из бойлера, °С;

µ § - температура сырой воды, °С;

µ § - температура воды перед и после химводоочистки, °С;

µ § - температура смеси на выходе из конденсатного бака, °С;

µ § - температура холодного воздуха, подаваемого в топку, °С (µ §);

µ § - температура конденсата после i-го подогревателя, °С;

µ § - энтальпия сухого насыщенного пара на выходе из котлоагрегата, кДж/кг;

µ § - энтальпия влажного пара после выхода из котлоагрегата, кДж/кг;

µ § - энтальпия кипящей воды в котлоагрегате при давлении µ §, кДж/кг;

µ § - энтальпия влажного пара после РОУ при давлении µ §,кДж/кг;

µ § - энтальпия влажного пара в расширителе непрерывной продувки, кДж/кг;

µ §- энтальпия кипящей воды в расширителе непрерывной продувки (при давленииµ §), кДж/кг;

µ § - энтальпия питательной воды перед экономайзером, кДж/кг;

µ § - энтальпия питательной воды на выходе из экономайзера, кДж/кг;

µ § - энтальпия сырой воды, кДж/кг;

µ § ЁC энтальпия воды перед и после химводоочистки, кДж/кг;

µ § - средневзвешенная энтальпия конденсата от технологических потребителей, кДж/кг;

µ §, µ § - энтальпия конденсата от первого, второго технологического потребителя, кДж/кг;

µ § - энтальпия увлажняющей воды, поступающей в РОУ, кДж/кг;

µ § - энтальпия продувочной воды (равна энтальпии кипящей воды в барабане,µ §, при давлении µ §), кДж/кг;

µ §, µ § - начальная и конечная энтальпии нагреваемой воды в подогревателе сырой воды, кДж/кг;

µ § - энтальпия конденсата после подогревателя сетевой воды (бойлера), кДж/кг;

µ § - энтальпия конденсата на выходе из подогревателя сырой воды, кДж/кг;

µ § - энтальпия воды в деаэраторе, кДж/кг;

µ § - энтальпия горячей воды на выходе из сетевых подогревателей, кДж/кг;

µ § - энтальпия воды в обратной линии теплосети, кДж/кг;

µ § - энтальпия питательной воды, кДж/кг;

µ § - приращение энтальпии рабочего тела в котлоагрегате;

µ § - количество тепла, затраченное в водяном экономайзере на парообразование, кДж/кг;

µ § - теплота парообразования при давлении µ §, кДж/кг;

µ § - степень сухости пара на выходе из котлоагрегата;

µ § - степень сухости пара на выходе из расширителя непрерывной продувки;

µ § - коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом и трубопроводами в окружающею среду (µ §).

µ § - расход воды через сетевой подогреватель (бойлер), кг/с;

µ § - расход увлажняющей воды, поступающей в РОУ, кг/с;

µ § - потери конденсата от технологических потребителей, кг/с;

µ § - расход котловой воды на непрерывную продувку, кг/с;

µ § - расход воды из расширителя непрерывной продувки, кг/с;

µ § - расход воды на подпитку тепловой сети, кг/с;

µ § - расход воды через химводоочистку, кг/с;

µ § - расход сырой воды на химводоочистку, кг/с;

µ § - суммарный расход деаэрируемой воды, кг/с;

µ § - расход деаэрированной воды на выходе из деаэратора, кг/с;

µ § - возврат конденсата после сетевого подогревателя (бойлера), кг/с;

µ § - возврата конденсата после подогревателя сырой воды, кг/с;

µ § - расход воды на питание котельных агрегатов, кг/с;

µ § - количество воды, проходящей через экономайзер котлоагрегата, кг/с;

µ § - расход тепла на технологические нужды, кДж/с;

µ § - суммарное поступление теплоты, кВт;

µ § - расход теплоты в теплосеть с учетом потерь воды в теплосети, кВт;

µ § - годовой расход теплоты, ГДж/год;

µ § - тепловосприятие экономайзера, кДж/кг;

µ § - расход тепла на подогрев сетевой воды, кДж/с;

µ § - расход пара на технологические нужды, кг/с;

µ § - общий расход свежего пара, кг/с;

µ § - расход острого пара, поступающего в РОУ, кг/с;

µ § - количество редуцированного пара, кг/с;

µ § - расход пара на деаэрацию, кг/с;

µ § - количество пара, выделяющегося в расширителе из продувочной воды, кг/с;

µ § - потери пара внутри котельной, кг/с;

µ § - количество выпара из деаэратора, кг/с;

µ § - расход пара в подогревателе сетевой воды (бойлере), кг/с;

µ § - расход редуцированного пара в подогревателе сырой воды, кг/с;

µ § - общий расход свежего пара, кг/с.

µ § - паропроизводительность котельной, кг/с;

µ § - номинальная паропроизводительность котлоагрегата, кг/с;

µ § - годовой расход пара, вырабатываемый одним котельным агрегатом, кг/с;

µ § - расход котловой воды на непрерывную продувку в процентах от µ §;

µ § - потери пара в котельной в процентах от µ §;

µ § - потери воды в тепловой сети в процентах от µ §;

µ §, µ § - возврат конденсата от потребителя в процентах от µ §;

µ § - возврат конденсата от потребителей, кг/с;

µ § - процент расхода теплоты на технологические нужды, %;

µ § - процент расхода теплоты в тепловой сети, %;

µ § - суммарные потери теплоты, %;

µ § - химическая неполнота сгорания топлива, %;

µ § - механическая неполнота сгорания топлива, %;

µ § - потери тепла котлоагрегатом в окружающую среду, %;

µ § - физическое тепло шлаков, %;

µ § - полезно расходуемый процент теплоты (КПД схемы), %;

µ § - коэффициент полезного действия котлоагрегата (брутто), %;

µ § - энтальпия теоретических объемов воздуха, отнесенная к 1 кг топлива, кДж/кг;

µ § - энтальпия теоретических объемов продуктов сгорания, отнесенная к 1 кг топлива, кДж/кг;

µ § - энтальпия теоретического объема (холодного) воздуха, подаваемого в топку. В курсовом проекте условно температуру холодного воздуха принять равной µ §;

µ § - энтальпия уходящих газов, кДж/кг или кДж/м3;

µ § - теоретически необходимый объем воздуха для полного сгорания 1 кг топлива при условии безостаточного использования кислорода, м3/кг;

µ § - объем трехатомных газов, м3/кг;

µ § - объем азота, м3/кг;

µ § - объем водяных паров, м3/кг;

µ § - объем продуктов сгорания, м3/кг;

µ § - коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры;

µ § - величина присосов воздуха в газоходе экономайзера;

µ § - коэффициент избытка воздуха уходящих газов с установкой экономайзера;

µ § - коэффициент избытка воздуха уходящих газов без установки экономайзера;
µ § - расход топлива, подаваемого в топку, кг/с;

µ § - расход топлива полностью сгоревшего в топке топлива с установкой экономайзера, кг/с;

µ § - расход топлива полностью сгоревшего в топке топлива без установки экономайзера, кг/с;

µ § - годовой расход топлива, кг/год;

µ § - поверхность нагрева экономайзера, м2;

µ § - коэффициент сохранения тепла;

µ § - коэффициент теплопередачи в экономайзере, кВт/м2К;

µ § - площадь сечения для прохода газов, м2;

µ § - количество петель в одном змеевике экономайзера;

µ § - длина одной петли, м;

µ § - количество змеевиков, установленных в газоходе, шт.

µ § - расчетная высота экономайзера, мм;

µ § - количество труб в горизонтальном ряду, шт;

µ § - общее количество параллельно включенных труб по воде, шт;

µ § - скорость дымовых газов, м/с;

µ § - скорость движения воды в трубах экономайзера, м/с;

µ § - внутренний диаметр трубы, мм;

µ § - наружный диаметр трубы, мм;

1.6 Условные обозначения принятые в схемах.
пар

деаэрированная вода

сырая вода

химически очищенная вода

конденсат

продувочная вода

вторичный пар

2 Порядок расчета тепловой схемы котельной.

2.1 Исходные данные.

№/№НаименованиеЕд.

изм.Исходные данные1Пар для технологических нужд производства:

- давление пара на выходе из котлоагрегата,µ §;

- сухость пара на выходе из котлоагрегата,µ §;

- расход пара на технологические нужды, µ §

МПа
-
кг/с

1,39
0,99

5,652Температура сырой воды, воды, µ §єС73Давление пара после РОУ, µ §МПа0,1194Сухость пара на выходе из расширителя непрерывной продувки, µ §-0,985Потери пара в котельной в процентах от µ §, µ §%5,56Расход котловой воды на непрерывную продувку в процентах от µ §, µ §%4,57Расход тепла на подогрев сетевой воды, µ §кДж/с14,44Ч1038Температура горячей воды на выходе из сетевых подогревателей, µ §єC879Температура воды в обратной линии теплосети, µ §єС4810Температура воды перед и после ХВО, µ §єС2911Температура конденсата на выходе из бойлера, µ §єС7512Возврат конденсата от потребителя, µ §--13Потери воды в тепловой сети, µ §%1,514Температура воды, сбрасываемой из барботера, µ §єС4015Температура конденсата после пароводяного подогревателя сырой воды, µ §єС85

µ §
Рисунок 1 - Схема котельной

На расчетной схеме обозначим движение потоков и необходимые параметры.

µ §

2.2 Определение параметров воды и пара.

При давлении µ § МПа в состоянии насыщения имеем (Приложение А, таблица 1):

µ § єС,

µ § кДж/кг,

µ § кДж/кг.

При давлении µ § МПа имеем (Приложение А, таблица 1):

µ § єС,

µ § кДж/кг,

µ § кДж/кг.

где µ § - давление пара на выходе из котлоагрегата, MПa;

µ § - температура пара на выходе из котлоагрегата, °С;

µ § - энтальпия сухого насыщенного пара на выходе из котлоагрегата, кДж/кг;

µ § - энтальпия кипящей воды в котлоагрегате, кДж/кг;

µ § - теплота парообразования при давлении µ §, кДж/кг;

µ § - давление пара после РОУ, МПа;

µ § - температура пара после РОУ, °С;

µ § - энтальпия влажного пара после РОУ при давлении µ §,кДж/кг;

µ §- энтальпия кипящей воды в расширителе непрерывной продувки (при давленииµ §), кДж/кг;

µ § - теплота парообразования при давлении µ §, кДж/кг;

Энтальпия воды при температуре ниже 100 єС может быть с достаточной точностью определена без использования таблиц по формуле:
µ § ,

где µ § кДж/кг°С.

В дальнейшем определение энтальпии воды (конденсата) особо оговариваться не будет.

2.3 Общие замечания о расчете водоподогревательных установок.

Водоподогреватели применяются в котельных и на ТЭЦ для подогрева питательной воды, сетевой воды, для охлаждения продувочной воды котлоагрегатов и других целей.

В поверхностных водонагревателях теплопередача осуществляется через поверхность металлической стенки, в смесительных ЁC путем непосредственного соприкосновения и перемешивания обоих теплоносителей. В настоящее время широкое распространение имеют поверхностные водонагреватели, позволяющие изолировать теплоносители друг от друга и тем самым обеспечить наибольшую надежность и простоту эксплуатации. Кроме того, поверхностные водонагреватели позволяют сохранить в чистоте конденсат греющего пара.

Смесительный подогрев применяется лишь в деаэраторах, в мелких установках горячего водоснабжения и в некоторых системах промышленного отопления.

Все поверхностные водоподогреватели, независимо от их назначения, подразделяются по греющему теплоносителю на пароводяные и водоводяные. В курсовом проекте рассмотрены схемы с применением пароводяных водоподогревателей.

Схема водоподогревательной установки представлена на рисунке 1.

В курсовой работе ставится задача: определить расход или температуру теплоносителей из уравнения теплового баланса.

Для пароводяных подогревателей:
µ § , (1)
где µ § - расход нагреваемой воды, кг/с;

µ § - теплоемкость нагреваемой воды, кДж/кгєС;

µ § , µ § - начальная и конечная температура нагреваемой воды, єС;

µ § - расход греющего пара, кг/с;

µ § - энтальпия пара, кДж/кг;

µ § - энтальпия конденсата, кДж/кг;

µ § - коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом и трубопроводами в окружающею среду (µ §).
µ §

Рисунок 2 - Схема водоподогревательной установки

2.4 Расчет подогревателей сетевой воды.

Определим расход воды через сетевой подогреватель (бойлер) из уравнения теплового баланса, согласно предложенной расчетной схеме на рисунке 2:

µ § , (2)
µ § ,
µ § кг/с.
Потери воды в тепловой сети заданы в процентах от µ §:
µ § ,
µ § кг/с.
где µ §- энтальпия кипящей воды в расширителе непрерывной продувки (при давленииµ §), кДж/кг;
Подпиточный насос подает в тепловую сеть воду из деаэратора с энтальпией µ § (принимаем равной энтальпия кипящей воды в расширителе непрерывной продувки,µ §), кДж/кг в количестве µ §, кг/с. Поэтому расход тепла на подогрев сетевой воды в бойлерах уменьшится на величину:
µ § , (3)
где µ §соответствует температуре кипящей воды в расширителе непрерывной продувки (438,31/4,19 =104,6), µ § °С; µ § соответствует температуре воды в обратной линии теплосети, µ § °С, µ § кДж/кг;
µ § кДж/кг.
Расход пара на подогрев сетевой воды определяется из уравнения:
µ § ,
Откуда:

µ § ,
По заданию известно µ § °С, а µ § кДж/кг.

µ § кг/с.
где µ § - расход тепла на подогрев сетевой воды, кДж/с;

µ § - расход воды через сетевой подогреватель (бойлер), кг/с;

µ § - температура горячей воды на выходе из сетевого подогревателя (бойлера), °С;

µ § - температура воды в обратной линии теплосети, °С;

µ § - потери воды в теплосети, кг/с;

µ § - потери воды в теплосети в процентах отµ §;

µ § - энтальпия воды из деаэратора (принимаем равной энтальпия кипящей воды в расширителе непрерывной продувки,µ §), кДж/кг;

µ § - энтальпия воды в обратной линии теплосети, кДж/кг;

µ § - расход пара в подогревателе сетевой воды (бойлере), кг/с;

µ § - энтальпия конденсата после подогревателя сетевой воды (бойлера), кДж/кг.

2.5 Определение расхода пара на подогрев сетевой воды и на технологические нужды.

Расход тепла на технологические нужды составит:

µ § , (4)
При движении пара из котлоагрегата к потребителям и к РОУ происходит потеря энергии сухого насыщенного пара, поэтому для расчета его энергетической эффективности необходимо произвести у каждого из потребителей (технологические нужды, РОУ) следующим образом:
µ § , (5)
В дальнейших расчетах значение энтальпии пара после котлоагрегата необходимо принимать как энтальпию влажного пара - µ §.
где µ § - средневзвешенная энтальпия конденсата от технологических потребителей:
µ § , (6)

В случае отсутствия возврата конденсата от технологических потребителей µ §.

µ § кДж/кг,
µ § кДж/с.
Суммарный расход на подогрев сетевой воды и на технологические нужды составит:
µ § , (7)

µ § кДж/с.

Расход пара на подогрев сетевой воды и на технологические нужды составит:
µ § , (8)
µ § кг/с.
При отсутствии сетевых подогревателей µ §.
где µ § - энтальпия влажного пара после выхода из котлоагрегата, кДж/кг;

µ § - расход тепла на технологические нужды, кДж/с;

µ § - расход пара на технологические нужды, кг/с;

µ § - средневзвешенная энтальпия конденсата от технологических потребителей, кДж/кг;

µ §, µ §- энтальпия конденсата от первого, второго технологических потребителей, кДж/кг;

µ §, µ § - возврат конденсата от потребителей в процентах от µ §;

µ § - энтальпия сырой воды, кДж/кг;

µ § - суммарный расход на подогрев сетевой воды и на технологические нужды, кДж/с;

µ §- энтальпия кипящей воды в расширителе непрерывной продувки (при давленииµ §), кДж/кг;

µ § - расход пара на подогрев сетевой воды и на технологические нужды, кг/с.

2.6 Ориентировочное определение общего расхода свежего пара.

Расход пара на деаэрацию воды (µ §) и расход пара на подогрев сырой воды перед химводоочисткой (µ § ) приблизительно составляет 3 - 11% от µ §.

В данном примере расход пара на вышеуказанные нужды принимаем 3% от µ §:
µ §, (9)
µ § кг/с.
Общий расход свежего пара:
µ § , (10)
µ § кг/с.
где µ § - расход пара на деаэрацию и на подогрев сырой воды перед химводоочисткой, кг/с;

µ § - общий расход свежего пара, кг/с;

2.7 Расчет редукционно-охладительной установки (РОУ), редукционной установки (РУ).

Редукционно-охладительные установки (РОУ) предназначены для снижения давления и температуры пара до параметров, необходимых потребителю.

Редукционно-охладительные установки работают следующим образом: по паропроводу острый пар через запорную задвижку (поз.1) поступает к регулирующему клапану (поз.2), в котором осуществляется первая ступень снижения давления (дросселирования) пара.

При больших перепадах давлений, с целью уменьшения шума во время работы, установки снабжаются дополнительными ступенями дросселирования. В зависимости от величины давления острого и редуцированного пара в качестве дополнительных ступеней дросселирования устанавливаются один или несколько узлов шумоглушителей рисунок 4 с дроссельной (поз.3) и дроссельно-охладительной решетками.

Шумоглушители не являются необходимым элементом РОУ и применяются только при значительном (околозвуковом и сверхзвуковом) перепаде давления.

Снижение температуры острого пара производится впрыском охлаждающей воды в поток пара через специальную трубку в дросcельно-охладительной решетке узла шумоглушителя или через сопло в охладитель пара рисунок 3 (поз.3).

Охлаждающая вода, испаряясь за счет тепла, отбираемого от пара, охлаждает его до заданной температуры. В зависимости от соотношения расходов острого пара и впрыскиваемой охлаждающей воды, а также их первоначальной температуры обеспечивается необходимая температура охлажденного пара на выходе из охладителя. В зависимости от рабочих параметров охладители пара отличаются размерами и числом форсунок (сопел).

Заданные значения давления и температуры редуцированного пара поддерживаются автоматически электронными регуляторами путем воздействия на регулирующие клапаны паровой (поз.2) и водяной (поз.8).

Кроме того, для регулирования температуры пара предусмотрен вентиль игольчатый с ручным приводом (поз.6).

Для полного перекрытия (открытия) потока охлаждающей воды для РОУ предусмотрен вентиль запорный (поз.7).

В целях предупреждения повышения давления сверх заданного каждая установка снабжается импульсно-предохранительным устройством, состоящим из предохранительного (поз.4) и импульсного (поз.5) клапанов.

Количество импульсно-предохранительных устройств зависит от производительности установки и параметров пара.

В связи с тем, что предохранительные клапаны рассчитаны на минимальное давление 0,25 МПа (2,5 кгс/см2), в установках с номинальным давлением редуцированного пара 0,12 МПа (1,2 кгс/см2) возможно повышение давления до 0,25 МПа (2,5 кгс/см2), что необходимо учитывать при проектировании трубопроводов после РОУ.

В соответствии с назначением в редукционных установках пар проходит расчетное количество ступеней дросселирования: клапан регулирующий и узлы шумоглушителей до получения требуемых параметров давления пара с незначительным снижением температуры (за счет дросселирования). Редукционные установки (РУ) предназначаются только для снижения давления пара.

следующая страница>