Расчет теплового баланса парового котла

Положительные результаты работы топливно-энергетического комплекса являются основой эффективности экономики любой страны. Причём эти результаты во многом зависят от работы, проводимой в области энергосбережения. В нашей стране задачей повышения эффективности работы энергетической отрасли народного хозяйства придаётся большое значение.

На примере работы минских тепловых электростанций приводим примеры топливоиспользования и системы оценки работы ТЭЦ.

Приоритетными направлениями повышения эффективности работы энергетической отрасли являются:

- увеличение комбинированной выработки энергии на теплоэлектростанциях;

- внедрение во всех сферах новых, более совершенных энергосберегающих мероприятий и технологий;

-  повышение эффективности использования топлива, в первую очередь газа;

- использование местных видов энергоресурсов;

- увеличение использования возобновляемых энергоресурсов.

Получение электрической и тепловой энергии напрямую обусловлено сжиганием органического топлива, а эффективность работы энергетической отрасли неразрывно связана с показателями топливо использования. Чем они лучше, тем ниже себестоимость электроэнергии и тепла, а рентабельность топливно-энергетического комплекса, соответственно, выше. В совокупности это позволяет не только поддерживать основные средства производства в подлежащем техническом состоянии, но и осуществить модернизацию объектов, а также на системном уровне выполнять мероприятия по энергосбережению.

Как известно, основными показателями, которые характеризуют эффективность использования топлива, является удельный расход условного топлива на производство единицы электроэнергии и тепла. Существенное влияние оказывают на них следующие факторы:

- реально сложившееся фактическое потребление электроэнергии и тепла разными группами потребителей, то есть структура энергопотребления;

- техническое состояние оборудования, особенно отработавшего свой ресурс;

- возможности и технические характеристики схем передачи, и распределение энергии, то есть внутренние потери;

- оптимальный выбор состава работающего оборудования и распределение нагрузок.

Ряд перечислений можно расширить, но ясно одно: показатели эффективности топливоиспользования могут носить как объективный, так и субъективный характер.

Оптимальное распределение нагрузок работающего оборудования - задача весьма сложная, требует применения методов математического динамического программирования и решается только при помощи вычислительной техники.

На Минской ТЭЦ-3 удельный расход условного топлива на производство электроэнергии удалось снизить с 208,3 г условного топлива на один киловатт-час до 187,2.

На многих электростанциях такие внешние фактора, как снижение теплофикационной выработки, загрузка оборудования ТЭЦ в конденсационном режиме не позволяют достигать существенного улучшения показателей топливо использования.

1 Принципиальное устройство котла

Паровой котел ДЕ-6,5-14ГМ предназначен для выработки насыщенного пара, используемого для технологических нужд предприятий, на теплоснабжение систем отопления, вентиляции и систем горячего водоснабжения.

Котел двухбарабанный водотрубный выполнен по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

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.

Внутренний диаметр верхнего и нижнего барабанов равен 1000мм. Длина цилиндрической части барабана увеличивается с повышением паропроизводительности котлов. Барабаны изготавливаются из стали 16ГС ГОСТ 5520—79, и имеют толщину стенки 13 мм. Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах барабанов имеются лазы. Конвективный пучок образован коридорно-расположенными вертикальными трубами диаметром 51х2,5мм, присоединенными к верхнему и нижнему барабанам. Длина конвективного пучка по всей длине цилиндрической части барабана. Ширина конвективного пучка составляет 890мм. Шаг труб конвективного пучка вдоль барабанов 90мм. Поперечный – 110мм. В конвективном пучке котла для поддержания необходимого уровня скоростей газов устанавливается продольная ступенчатая стальная перегородка. Конвективный пучок от топочной камеры отделен газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для входа газов в пучок. Трубы газоплотной перегородки, правого бокового экрана образуют под и потолок топочной камеры, и трубы экранирования фронтовой стенки вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны.

Средняя высота топочной камеры составляет 2400мм, ширина–1790мм. Глубина топочной камеры увеличивается с повышением паропроизводительности. Трубы правого топочного экрана диаметр 51х2,5мм устанавливаются с продольным шагом 55мм; на вводе в барабаны трубы разводятся в два ряда отверстий. Экранирование фронтовой стенки выполняется из труб диаметром 51х2,5мм. 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 привариваются к барабанам электросваркой.

Опускным звеном циркуляционного контура являются последние по ходу газов наименее обогреваемые ряды труб конвективного пучка. В нижнем барабане размещается 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 щиты и козырьки, обеспечивающие выдачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. На котле ДЕ-6,5-14ГМ предусмотрена непрерывная продувка из нижнего барабана и периодическая из нижнего коллектора заднего экрана. На котле выход дымовых газов осуществляется через окно, расположенное на задней стенке котла.

Котел оборудован стационарным обдувочным аппаратом для очистки наружной поверхности труб конвективного пучка от отложений. Обдувочный аппарат имеет трубу с соплами, которую необходимо вращать при проведении обдувки. Наружная часть обдувочного аппарата крепится к обшивке левой конвективной стенки котла, а конец обдувочной трубы поддерживается при помощи втулки, приваренной к трубе пучка. Вращение обдувочной трубы производится вручную при помощи маховика и цепи. Для обдувки используется пар давлением не менее 0,7МПа. Для удаления отложений из конвективного пучка устанавливаются лючки на левой стенке котла.

У всех котлов на фронте топочной камеры имеется лаз в топку, расположенный ниже горелочного устройства, и три лючка-гляделки: два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры. На котле ДЕ-6,5-14ГМ взрывной клапан расположен на фронте топочной камеры над горелочным устройством. Обмуровка фронтовой стенки выполняется из огнеупорного шамотного кирпича и изоляционных плит. Нагрузку от элементов котла воспринимает опорная рама. Для установки нижнего барабана в конструкции опорной рамы предусмотрены поперечные балки. Нижний барабан на фронте котла закрепляется неподвижно посредством приварки барабана к подушке поперечной балки опорной рамы и неподвижными опорами. Каркас и обшивка со стороны фронта котла крепятся к нижнему барабану неподвижно. Тепловое расширение барабана предусмотрено в сторону заднего днища. На заднем днище нижнего барабана устанавливается репер для контроля за перемещением барабана.

Для сжигания топочного мазута и природного газа устанавливаются газомазутные горелки ГМ-4,5.

Котел ДЕ комплектуется двумя пружинными предохранительными клапанами, один из которых является контрольным. На котле ДЕ-6,5-14ГМ оба клапана установлены на верхнем барабане котла, один из них контрольный, срабатывающий при повышении давления более чем на 10%.

На всех элементах и трубопроводах котельного агрегата и его вспомогательных устройствах, заполняемых устройствах, заполняемых рабочим телом и находящихся под давлением, устанавливается соответствующая арматура. К арматуре относят устройства и приборы для управления работой элементов и частей котельных установки, находящейся под давлением, для включения, регулирования и отключения трубопроводов воды, пара или предохраняющие от превышения давления, а также контрольные приборы котлоагрегата (водоуказательные стекла для наблюдения за уровнем воды в барабане).

На ДЕ 6,5-14 устанавливается арматура: главная паровая задвижка; вентиль воздушник; вентиль отбора пара на собственные нужды; задвижки на питательных трубопроводах; два предохранительных клапана- пружинные; два водомерных стекла; манометр; вентили для непрерывной продувки; вентили для периодической продувке.

Для контроля уровня воды в паровом котле применяют водоуказательные приборы. Паровой котел ДЕ должен иметь не менее двух водоуказателей. Чаще всего используют водоуказатель с плоскими стеклами «клингер», вставленными на прокладке в рамку. Плоские стекла имеют сложное устройство, но удобны и безопасны в работе. Они лопаются редко, оставаясь при этом в металлической рамке и не разлетаясь на куски, вследствие чего для этих стекал, не нужны ограждения. На внутренней сторон стекла имеются продольные риски, благодаря которым вода в стекле кажется темной, а пар – светлым, т.е. создается отчетливая граница между темной полосой пара над ней.

Котел ДЕ должен быть снабжен двумя независимыми предохранительными клапанами, которые устраивают так, чтобы давление пара в котле не могло превышать допускаемое рабочее. Предохранительные клапаны выпускают излишний пар при через в мерном повышении давлении, т.е. когда стрелка манометра переходит за красную черту.

Парозапорные устройства (вентили, задвижки), предназначенные для отключения котла от потребителя воды или пара. В зависимости от параметров протекающей среды и размеров вентили могут соединяться с трубопроводами на фланцах, резьбе или с помощью сварки. Вентили имеют плоский или игольчатый клапан. Вентили с плоским клапаном используют в качестве запорных устройств, а игольчатым клапаном – для дросселирования.

В гарнитуру котельного агрегата входят дверца, лазы, гляделки, взрывные клапаны, шиберы или поворотные заслонки.

Для наблюдения за процессом горения топлива и конвективных газоходов в обмуровке котлоагрегата выполняют гляделки. Взрывные клапаны предохраняют обмуровку от разрушения при случайных хлопках в газоходах котла. С помощью чугунных дымовых шиберов или поворотных заслонок регулируют тягу и перекрывают боров.

2 Расчет процесса горения

Расчет процесса горения выполняем по формулам в соответствии с источником (2).

Из таблицы характеристик топлив (источн.1) выбираем расчетные характеристики природного газа газопровода Кумертау-Ишимбай-Магнитогорск, %: СН₄=85,9; С₂Н₆=6,1; С₃Н₈=1,5; С₄Н₁₀=0,8; С₅Н₁₂=0,6; N₂=5,0; СО₂=0,1; Q^р_н = 38380,4 МДж/м³.

Определяем теоретический объем воздуха V⁰, м³/м³, необходимого для полного сгорания при сжигании газа

V⁰=0,0476 (0,5 СО+0,5Н₂+1,5Н₂S+∑(m+n/4)С_mН_n-О₂),             (1)

где m – число атомов углерода;

n – число атомов водорода.

V⁰=0,0476((1+4/4)85,9+(2+6/4)6,1+(3+8/4)1,5+(4+10/4)0,8+(5+12/4)0,6)=10,03.

Определяем теоретический объем азота V⁰_N2, м³/м³, в продуктах сгорания при сжигании газа

V⁰_N2=0,79 V⁰ +N^р / 100.            (2)

V⁰_N2=0,79 * 10,03+5,0 / 100=7,97.

Определяем объём трехатомных газов V_RO2, м³/м³, в продуктах сгорания при сжигании газа

V_RO2=0,01(СО₂+СО+Н₂S+∑ m С_mН_n).                                                  (3)

V_RO2=0,01(0,1+(1*85,9+2*6,1+3*1,5+4*0,8+5*0,6)=1,09.

Определяем теоретический объём водяных паров V⁰_H2O, м³/м³, в продуктах сгорания при сжигании газа

V⁰_H2O=0,01(Н₂S+Н₂+∑ n/2 С_mН_n+0,124d_г.тл)+0,0161 V⁰.                      (4)

V⁰_H2O=0,01(4/2*85,9+6/2*6,1+8/2*1,5+10/2*0,8+12/2*0,6+0,124*10)+0,0161*10,03=2,2.

Определяем средний коэффициент избытка воздухаa_ср, для каждой поверхности нагрев

                                 (5)

где    a^′ и a^″ – коэффициент избытка воздуха перед и после газохода;

a^′_T– коэффициент избытка воздуха на входе в топку; принимаем равным 1,05(источник 3).

a″ = a′+ Da,                          (6)

где    Da – присос воздуха в поверхность нагрева.

Определяем избыточное количество воздуха V^в_изб, м³/м³, для каждого газохода

V^в_изб = V⁰ (a_ср –1).                      (7)

Определяем действительный объём водяных паров V_H2O, м³/м³, для газа

V_H2O=V⁰_H2O + 0,0161 (a_ср–1) V⁰.     (8)

Определяем действительный суммарный объём продуктов сгорания V_г, м³/м³, для газа

V_г= V_RO2 + V⁰_N2 +V^в_изб + V_H2O.           (9)

Определяем объемные доли трехатомных газов r_RO2 и водяных паров r_H2O, а также суммарную объемную долю r_п

r_RO2= V_RO2 / V_г.             (10)

r_H2O= V_H2O / V_г.                      (11)

r_п = r_RO2+ r_H2O.                                                                                       (12)

Результаты расчета действительных объемов продуктов сгорания по газоходам котлоагрегата сводим в таблицу 1.

Таблица 1

– объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов.