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

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.

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

Таблица 3 – Избытки воздуха и присосы по газоходам

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

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.

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.

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

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)

2.4.2 Тепловые потери и КПД котла

Потери тепла обычно выражаются в % от располагаемого тепла топлива:

и т.д. (2.4.2-1)

Потеря тепла с уходящими газами в атмосферу определяется как разность энтальпий продуктов сгорания на выходе из последней поверхности нагрева (экономайзера) и холодного воздуха:

, (2.4.2-2)

где I_ух = I^Н _ЭК – энтальпия уходящих газов. Определяется интерполяцией по данным таблицы 7 по заданной температуре уходящих газов t_ух

, кДж/м³ . (2.4.2-3)

α_ух = α^Н _ЭК – коэффициент избытка воздуха за экономайзером (см. табл.3);

I_0.х.в. – энтальпия холодного воздуха,

I_0.х.в = (ct)_в *V^H ₀ = 39,8*V^H ₀ , кДж/м³ , (2.4.2-4)

где (ct)_в = 39,8 кДж/м³ – энтальпия 1 м³ холодного воздуха при t_х.в. = 30°С; V^H ₀ – теоретический объем воздуха, м³ /м³ (см. табл. 4) = 9,74 м³ /м³ .

I_0.х.в = (ct)_в *V^H ₀ = 39,8*9,74 = 387,652 кДж/м³ , (2.4.2-5)

По таблице параметров паровых котлов t_ух = 162°С,

,(2.4.2-6)

(2.4.2-7)

Потеря тепла от химической неполноты сгорания q₃ , %, обусловлена суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения, остающихся в дымовых газах (СО, Н₂ , СН₄ и др.). Для проектируемого котла принимаем

q₃ = 0,5%.

Потеря тепла от наружного охлаждения q₅ , %, принимается по таблице 8 в зависимости от паропроизводительности котла D, кг/с,

кг/с, (2.4.2-8)

где D, т/ч – из исходных данных = 6,73 т/ч.

Таблица 8 – Потери теплоты от наружного охлаждения парового котла с хвостовыми поверхностями

Находим приблизительное значение q₅ , %, для номинальной паропроизводительности 6,73 т/ч.

(2.4.2-9)

Суммарная потеря теплоты в котле:

Σq = q₂ + q₃ + q₅ = 4,62 + 0,5 + 1,93 = 7,05 % (2.4.2-10)

Коэффициент полезного действия котла (брутто):

η_К = 100 – Σq = 100 – 7,05 = 92,95 %. (2.4.2-11)

2.4.3 Полезная мощность котла и расход топлива

Полное количество теплоты, полезно использованной в котле:

, кВт, (2.4.3-1)

где = - количество выработанного насыщенного пара = 1,87 кг/с,

- энтальпия насыщенного пара, кДж/кг; определяется по давлению и температуре насыщенного пара (Р_НП = 14,0 кгс/см² (1,4 МПа); t_НП = 195,1 °С):

кДж/кг.

- энтальпия питательной воды, кДж/кг,

, кДж/кг, (2.4.3-2)

где с_П.В. @ 4,19 кДж/(кг*°С) – теплоемкость воды;

t_П.В. – температура питательной воды = 83°С;

кДж/кг; (2.4.3-3)

- энтальпия кипящей воды, кДж/кг, определяется по таблице 9 по давлению насыщенного пара Р_НП = 14,0 кгс/см² (1,4 МПа):

кДж/кг, (2.4.3-4)

- расход воды на продувку котла, кг/с:

, кг/с; (2.4.3-5)

где a_ПР – доля непрерывной продувки = 4 %;

D – паропроизводительность котла = 1,87 кг/с.

кг/с (2.4.3-6)

кВт (2.4.3-7)

Расход топлива, подаваемого в топку котла:

, м³ /с, (2.4.3-8)

где Q_K – полезно использованная теплота в котле, кВт;

Q_Р – располагаемое тепло 1м³ газообразного топлива, кДж;

h_К – коэффициент полезного действия котла, %.

м³ /с. (2.4.3-9)

Таблица 10 – Расчет теплового баланса.

2.5 Расчет топки (поверочный)

2.5.1 Геометрические характеристики топки

Расчет площади поверхностей, ограждающих объем топочной камеры.

Границами объема топочной камеры являются осевые плоскости экранных труб или обращенные в топку поверхности защитного огнеупорного слоя, а в местах, не защищенных экранами, - стены топочной камеры и поверхность барабана, обращенная в топку. В выходном сечении топки и камеры догорания объем топочной камеры ограничивается плоскостью, проходящей через ось левого бокового экрана. Поскольку поверхности, ограждающие объем топочной камеры, имеют сложную конфигурацию, для определения их площади поверхности разбивают на отдельные участки, площади которых затем суммируются. Площадь поверхностей, ограждающих объем топочной камеры, определяются по чертежам котла.

Рисунок 2 – К определению границ расчетного объема топочной камеры котла.

Площадь потолка, правой боковой стенки и пода топки:

, м² , (2.5.1-1)

где - длины прямых участков потолка, боковой стенки и пола; а – глубина топки = 2695 мм.

, м² , (2.5.1-2)

Площадь левой боковой стенки:

, м² . (2.5.1-3)

Площадь фронтовой и задней стенки:

, м² . (2.5.1-4)

Общая площадь ограждающих поверхностей:

, м² . (2.5.1-5)

Расчет лучевоспринимающей поверхности топочных экранов и выходного экрана топки

Таблица 11 – Геометрические характеристики топочных экранов

Где - относительный шаг экранных труб, - относительное расстояние от оси трубы до обмуровки, b_э – расчетная ширина экрана - расстояние между осями крайних труб экрана, принимается по чертежам.

z – число труб экрана, принимается по чертежам или рассчитывается по формуле:

, шт., количество труб округляется до целого числа. (2.5.1-6)

- средняя освещенная длина трубы экрана, определяется по чертежу.

Замер длины трубы экрана производится в объеме топочной камеры от места вальцовки трубы в верхний барабан или коллектор до места вальцовки трубы в нижний барабан.

Площадь стены занятой экраном:

F_пл = b_э *l_э *10^-6 , м² (2.5.1-7)

Лучевоспринимающая поверхность экранов:

Н_э = F_пл * х, м² (2.5.1-8)

Таблица 12 – Геометрические характеристики топочной камеры

Площадь стен топки F_СТ принимается по формуле 2.5.1-5.

Лучевоспринимающая поверхность топочной камеры вычисляется суммированием лучевоспринимающей поверхности экранов по таблице 11.

Высота расположения горелок и высота топочной камеры замеряется по чертежам.

Относительная высота горелки:

. (2.5.1-9)

Активный объем топочной камеры:

(2.5.1-10)

Степень экранирования топочной камеры:

(2.5.1-11)

Эффективная толщина излучающего слоя в топке:

(2.5.1-12)

2.5.2 Расчет теплообмена в топочной камере

Целью поверочного расчета является определение тепловосприятия и параметров дымовых газов на выходе из топки. Расчеты ведутся методом приближения. Для этого предварительно задаются температурой газов на выходе из топки, производят расчет ряда величин, по которым находят температуру на выходе из топки. Если найденная температура отличается от принятой более чем на ± 100°С, то задаются новой температурой и повторяют расчет.

Радиационные свойства продуктов сгорания

Основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности (критерий Бугера) Bu = kps, где k – коэффициент поглощения топочной среды, p – давление в топочной камере, s – эффективная толщина излучающего слоя. Коэффициент k рассчитывается по температуре и составу газов на выходе из топки. При его определение учитывается излучение трехатомных газов.задаемся в первом приближении температурой продуктов сгорания на выходе из топки 1100°С.

Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки:

, кДж/м³ , (2.5.2-1)

где все минимальные и максимальные величины принимаются по таблице 7.

, кДж/м³ . (2.5.2-2)

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

, 1/(м*МПа) (2.5.2-3)

где k⁰ _г – коэффициент, определяемый по номограмме(1). Для определения данного коэффициента потребуются следующие величины:

р = 0,1 МПа – давление в топочной камере;

- таблица 5, для топки = 0,175325958;

- таблица 5, для топки = 0,262577374;

р_n = р* =0,0262577374 МПа;

s – по таблице 12 = 1,39 м;

р_n s = 0,0365 м*МПа;

10 р_n s = 0,365 м*МПа;

= 1100°С.

k⁰ _г = 8,4.

Коэффициент поглощения лучей частицами сажи:

, 1/(м*МПа) (2.5.2-4)

где a_Т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки, по таблице 2;

m,n – количество атомов углерода и водорода в соединении соответственно;

C_m H_n – содержание углерода и водорода в сухой массе топлива по таблице 1;

Т^’’ _Т.З = v^’’ _Т.З + 273 – температура газов на выходе из топки, где v^’’ _Т.З = 1100°С.

, 1/(м*МПа) (2.5.2-5)

Коэффициент поглощения топочной среды:

k = k_r + mk_c , 1/(м*МПа) (2.5.2-6)

где k_r – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания по формуле 2.5.15;1; m – коэффициент относительного заполнения топочной камеры светящимся пламенем, для газа = 0,1; k_c – коэффициент поглощения лучей частицами сажи по формуле 2.5.16;1.

k = 2,2056 + 0,1*1,4727 = 2,3529 1/(м*МПа) (2.5.2-7)

Критерий поглощательной способности (критерий Бугера):

Bu = kps = 2,3529*0,1*1,39 = 0,327 (2.5.2-8)

Эффективное значение критерия Бугера:

(2.5.2-9)

Расчет суммарного теплообмена в топке

Полезное тепловыделение в топке

Полезное тепловыделение в топке Q_Т зависит от располагаемого тепла топлива Q_Р , потерь тепла q₃ и тепла, вносимого в топку воздухом. Проектируемый котел не имеет воздухоподогревателя, поэтому в топку вносится тепло с холодным воздухом:

, кДж/м³ , (2.5.2-10)

где a_Т – коэффициент избытка воздуха в топке (см. таблица 2) = 1,05,

I_0х.в. – энтальпия холодного воздуха = (ct)_в *V^H ₀ = 387,652 кДж/м³ .

кДж/м³ . (2.5.2-11)

Полезное тепловыделение в топке:

, кДж/м³ , (2.5.2-12)

кДж/м³ (2.5.2-13)

Расчет температуры газов на выходе из топки

Температура газов на выходе из топки зависит от адиабатической температуры горения топлива , критерия Бугера Bu, теплового напряжения стен топочной камеры q_ст , коэффициента тепловой эффективности экранов y, уровня расположения горелок х_Г и других величин.

Адиабатическая температура горения топлива находится по таблице 7 по полезному тепловыделению в топке, приравненному к энтальпии продуктов сгорания в начале топки.

,°С, (2.5.2-14)

, К. (2.5.2-15)

°С, (2.5.2-16)

К. (2.5.2-17)

Коэффициент сохранения тепла:

(2.5.2-18)

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м³ топлива:

, кДж/(м³ *К) (2.5.2-19)

кДж/(м³ *К) (2.5.2-20)

Для расчета среднего коэффициента тепловой эффективности экранов y_СР , заполняем таблицу:

Таблица 13 – Коэффициент тепловой эффективности экранов

содержание   ..  91  92  93   ..