Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата

котельный агрегат горение тепловой эксергетический

Рациональное использование топливно–энергетических ресурсов – важнейшая народнохозяйственная задача, значимость которой всё возрастает.

Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов может быть достигнута при более широком вовлечении в топливно-энергетический баланс страны вторичных энергоресурсов (ВЭР), имеющихся практически во всех отраслях промышленности, где применяются тепло-технологические процессы, в первую очередь высокотемпературные. Коэффициент полезного теплоиспользования для многих тепло-технологических процессов не превышает 15 – 35 %.

Под вторичными энергоресурсами подразумевают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках, процессах), который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергосбережения других агрегатов (процессов). Под энергетическим потенциалом понимается наличие в указанных продуктах определённого запаса энергии.

По направлению возможного использования ВЭР различают:

Теплотехническое – использование и потребление непосредственно получаемых в качестве ВЭР пара и горячей воды или при выработке их за счёт утилизации горючих и тепловых ВЭР в утилизационных котельных.

Электроэнергетическое – при генерировании электроэнергии в утилизационных установках за счёт ВЭР.

Комбинированное – с выработкой в утилизационных теплоэлектроцентралях, теплоты и электроэнергии по теплофикационному графику.

ВЭР можно использовать в качестве топлива либо непосредственно, либо за счёт выработки теплоты, электроэнергии, холода и механической работы в утилизационных установках.

Использование горючих (топливных) ВЭР особых затруднений не вызывает, и они используются на промышленных предприятиях с достаточной полнотой (90 – 95%) и эффективностью. Использование тепловых ВЭР ещё недостаточно и составляет в среднем 30 – 40%. Основное значение в структуре тепловых ВЭР имеет физическая теплота отходящих газов тепло-технологических установок, доля которой в общем балансе возможного использования тепловых ВЭР составляет около 75%.

Основным оборудованием для использования тепловых ВЭР, а также избыточного давления являются: котлы-утилизаторы (КУ), системы испарительного охлаждения (СИО), охладители конвертерных газов (ОКГ), сталеплавильного производства, установки сухого тушения кокса (УСТК), газовые утилизационные бескомпрессорные турбины (ГУБТ), адсорбционные холодильные машины.

Котлы-утилизаторы применяют для внешней энергетической утилизации тепловых отходов различных тепло-технологических установок, не используемых или частично используемых для регенерации в технологическом процессе.

Внешнее технологическое и энергетическое использование теплоты отходящих газов производственных тепло-технологических установок является по существу использованием вторичных энергоресурсов, приводящим к повышению суммарного коэффициента использования располагаемой теплоты.

В последние годы созданы и ведутся разработки новых типов котлов-утилизаторов и энерготехнологических агрегатов, что непосредственно связано с поставленной задачей существенного увеличения промышленного производства при значительной экономии энергоресурсов.

Перспективы применения КУ и ЭТА не исчерпываются экономией топлива и их технико-экономической эффективностью. Их значимость и необходимость более широкого внедрения определяются большой ролью в уменьшении загрязнения окружающей среды.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Предприятия или установки, предназначенные для производства электрической энергии, называются электростанциями. Электроэнергию на них получают путём преобразования других видов энергии. Источниками энергии могут быть движущаяся вода, топливо, атом и др. Современная электростанция – это сложное предприятие, включающее большое количество различных видов оборудования и строительных конструкций. Основным теплосиловым оборудованием ТЭС являются котельная и паротурбинная установки.

Последние исследования показали экономическую целесообразность сохранения значительной доли участия крупных отопительных котельных установок в покрытии общего потребления тепловой энергии.

Котельными установками называют устройства, предназначенные для получения водяного пара или нагревания воды. В зависимости от вида вырабатываемого рабочего тела котельной установки подразделяют на паровые и водогрейные. Паровая котельная установка служит для получения водяного пара заданных параметров, водогрейная – для нагревания воды до определенной температуры.

Наряду с крупными производственными, производственно-отопительными котельными мощностью в сотни тонн пара в час или сотни МВт тепловой нагрузки установлены большое количество котельных агрегатами до 1 мвт и работающих почти на всех видах топлива. Однако как раз с топливом и существует самая большая проблема. За жидкое и газообразное топливо, которое поставляется на Украину в основном из России у потребителей часто не хватает средств расплатиться. Поэтому и необходимо использовать местные ресурсы.

По назначению котельные установки делят на энергетические, производственные (промышленные), отопительно-производственные. В энергетических котельных установках вырабатывается пар высокого (Р³9МПа) и среднего (Р³3,5МПа) давлений, который в основном используют для привода паровых турбин. Производственные котельные установки предназначены для получения водяного пара или горячей воды, которые используют для различных технологических нужд. В отопительных котельных установках вырабатывают водяной пар низкого давления или нагревают воду только для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий и сооружений.

Все крупные современные заводы, в том числе и предприятия, изготавливающие строительные материалы и изделия, оборудуют, как правило, отопительно-производственными котельными установками для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, осуществления технологических процессов производства. В частности, в промышленности строительных материалов водяной пар необходим для тепловлажностной обработки бетонных, железобетонных, теплоизоляционных и других изделий в автоклавах и пропарочных камерах, для подогрева заполнителей бетона в пароувлажнительных установках и т.п.

Основными элементами современной котельной установки являются топка, котёл, пароперегреватель, экономайзер, воздухоперегреватель, в целом называемые котлоагрегатом, а также тягодутьевые и питательные устройства, оборудование топливоподачи и золоудаления. Рабочими телами, участвующими в процессах тепловых преобразований, служат топливо, воздух и вода.

Топливо, сгорая в топке, т.е. вступая в химическую реакцию с кислородом воздуха, образует горячие газы, которые далее при помощи тяговых устройств движутся по газоходам котлоагрегата, затем охлаждаются и выбрасываются в окружающую среду.

Минеральные примеси, находящиеся в топливе, при его сжигании образуют золу в виде сыпучей массы или сплавленных кусков, называемых шлаком (зольность топлива определяется в лаборатории путём прокаливания навески мелкораздробленного топлива весом 1-2 г в фарфоровых тиглях). Для исключения загрязнений поверхностей нагрева, расположенных за топкой, важно охладить в топке газы до температуры ниже значения температуры затвердевания золы, наступающего после прохождения ею области высоких температур обычно величина этой температуры ниже t₂ на 50-100⁰С. при горении топлива в топке в зоне температур происходит частичное или полное расплавление золы. Некоторая часть ее образует летучую золу, которая уходит с топочными газами из топки. Оставшаяся зола частично разлагается, превращается в сплавленную или спекающуюся массу, называемую шлаком, которую затем в жидком или гранулированном состояние удаляется из нижней части топки.

Рис. 1. Простейшая схема топочного устройства

Если горючие элементы, находящиеся в топливе, сгорают полностью, т.е. после реакции горения углерода получается СО₂, водорода – Н₂О, и серы SО₂, то отходящие из топки газы в своём составе не будут иметь горючих элементов. Однако при неумелом конструировании топки или при неправильном её обслуживании в результате реакции горения получаются и горючие газообразные вещества. Это указывает на то, что не вся химическая энергия топлива преобразовалась в тепло и выделилась в процессе сжигания; часть её осталась в отходящих газах. Следовательно, в дымовую трубу попадут не только газы полного сгорания, но и такие, которые ещё могли бы сгореть и выделить тепло.

В зависимости от расположения топочных устройств вне котла или внутри него, топки подразделяют на внешние и внутренние. Котлы с внешними топками, к каковым относятся водотрубные котлы, более универсальны, хорошо комбинируются с топками для низкосортных местных топлив, высокосортных углей, мазута и газа.

В барабане парового котла пар получается насыщенным, и в случае надобности он перегревается путём пропуска по особым змеевикам, располагаемым в большинстве случаев за первым газоходом котла. Полученные в топке газы, пройдя котёл и перегреватель, обычно имеют высокую температуру (около 300-450°С), а потому их невыгодно выбрасывать в дымовую трубу. Для повышения экономичности установки за котлом устанавливают дополнительные поверхности нагрева: экономайзер, подогревающий воду, идущую на питание котла, и воздухоподогреватель, снабжающий топку горячим воздухом. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом, в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю.

Водяные экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды до поступления ее в испарительную часть котельного агрегата.

В зависимости от применяемого материала экономайзеры делятся на чугунные и стальные, по типу поверхности – на ребристые и гладкотрубные, по степени подогрева воды - на некипящие и кипящие.

Топливо механическими приспособлениями подаётся в верхнюю часть котельного здания, где напротив каждого котла располагаются бункеры. Из бункера топливо, под действием силы тяжести, по рукаву опускается в топку.

По определению, топливом называется горючие вещества, служащие источником получения тепла. Топливо подразделяется на естественное и искусственное. Топливо может быть жидким, твёрдым и газообразным. В качестве жидкого топлива в котельных установках в основном используется мазут – остаток от переработки нефти и в некоторых случаях других природных ископаемых.

Для нормальной работы котельного агрегата необходимы непрерывная подача воздуха для горения топлива и непрерывное удаление продуктов сгорания. Объём воздуха, расходуемого в котельной установке, находят по количеству сжигаемого в час топлива, теоретическому объёму воздуха, требующегося для сжигания 1 кг топлива, и по избытку воздуха топке. На покрытие неизбежных утечек воздуха через неплотности воздуховодов набавляют 10%.

1-паровой котёл; 2-пароперегреватель; 3-экономайзер; 4-воздухоперегреватель; 5-топка (цепная решётка); 6-поступление топлива; 7-механическое шлакозолоудаление

Рис. 2. Общий вид котлоагрегата в разрезе

Воздух, требуемый для горения, нагнетается в топку вентиляторами. При наличии воздухоподогревателя дутьевой вентилятор располагают таким образом, чтобы нагнетаемый им воздух сначала проходил через воздухоподогреватель и затем, нагретый попадал в топку. Горение топлива происходит на решётке и в топочном пространстве, в результате чего образуются горячие газы. Газы под воздействием дымовой трубы и дымососа проходят по газоходам парового котла, пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя. Охлаждённые газы, предварительно пройдя через золоуловитель, удаляются в дымовую трубу. Шлак удаляется непосредственно из топки.

В современных котельных установках широко распространена система с разрежением по газоходам. К недостаткам этой схемы следует отнести наличие присосов воздуха в газоходы через неплотности в ограждениях и работу дымососов на запыленных газах. Достоинство такой схемы – отсутствие выбивания и утечек дымовых газов в помещении котельных, т.к. воздух в топку нагнетает вентилятор, а дымовые газы удаляет дымосос. В последнее время в мощных энергетических котельных установках широко применяется схема с наддувом. Топка и весь газовый тракт находятся под давлением 3-5 кПа. Давление создается мощными вентиляторами, дымосос отсутствует. Основной недостаток этой схемы – трудности, связанные с обеспечением надлежащей герметичности топки и газоходов котельного агрегата.

Конденсат водяного пара, направляемого из котельной для использования в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и производственных устройств, в своей большей части возвращается обратно в котельную. Конденсат по существу является дистиллированной водой, почти не имеющей накипеобразователей, но в нём могут быть растворены кислород воздуха и углекислота, вредно влияющие на работу котельной установки.

Поэтому конденсат, направляясь в питательный бак, предварительно проходит через деаератор. При эксплуатации систем теплоснабжения всегда надо стремиться собрать возможно большее количество обратного конденсата, однако приходится считаться с частичными потерями, так как часть производственной аппаратуры расходуя пар не возвращает его конденсат. Кроме того конденсат теряется из-за неплотности сетей. Для пополнения питательной воды котлоагрегата используется вода из водопровода. Она содержит в себе соли, которые отлагаются в котле в виде накипи, что затрудняет теплопередачу, а в трубах, находящихся в топочном пространстве, вызывает перегрев стенки. Чтобы этого не было происходит умягчение воды.

Устройства, в которых непосредственно вырабатывается пар и нагревается вода, называют паровыми или водогрейными котлами. Если котлы в отопительных котельных вырабатывают пар давлением Р£0,17МПа или горячую воду температурой не выше 388К, то они относятся к категории котлов низкого давления. Изготовляют эти котлы из чугуна или стали. Положительное качество чугунных котлов - устойчивость их стенок против коррозии; их недостаток – хрупкость металла, из-за которой они могут работать лишь при низких давлениях.

В производственных и энергетических котельных по давлению получаемого пара котельные агрегаты разделяются на следующие: низкого давления (Р=0,8-1,6МПа), среднего (Р=2,4-4МПа), высокого (Р=10-14МПа) и сверхвысокого давления (Р=25-31МПа). Паровые котельные агрегаты стандартизированы по параметрам вырабатываемого пара (Р и Т) и мощности.

Котельные агрегаты производительностью 0,01-5,5 кг/с относятся к котлам малой мощности, производительностью до 30 кг/с – к котлам средней мощности и более 30 кг/с (до 500-1000 кг/с) – к котлам большой мощности.

Кроме указанного котлы подразделяются ещё по характеру перемещения в них теплоносителя. Паровые котлы различают с естественной циркуляцией пароводяного потока, принудительной многократной циркуляцией пароводяного потока, с однократным перемещением пароводяного потока (прямоточные). Водогрейные котлы любых конструкций выполняются только как прямоточные.

Если котлы, работающие при повышенном и высоком давлении изготавливаются только из стали, причём её качество повышается в зависимости от величины давления и температуры перегрева, то котлы, работающие при низких давлениях, могут быть изготовлены и из чугуна.

Принцип принудительного движения воды и пароводяной смеси нашёл своё логическое завершение в прямоточных котлах. Такое название эти котлы получили потому, что в них вода, подаваемая питательным насосом в один конец длинного непрерывного змеевика, проходит последовательно («прямым током») все его участки и выходит из другого конца змеевика в виде перегретого пара заданной температуры и давления.

В котлах с естественной циркуляцией имеет место принудительное движение однофазной жидкости (пара, воды) в двух элементах котлоагрегата: в пароперегревателе (под влиянием давления пара в барабане котла) и в не кипящем экономайзере (под влиянием действия питательного насоса). Движение воды и пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева происходит под влиянием разности их удельных весов.

Эксплуатация котлов должна обеспечивать надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров и безопасные условия труда персонала. Для выполнения этих требований эксплуатация должна вестись в точном соответствии с законоположениями, правилами, нормами и руководящими указаниями, в частности, в соответствии с “Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов «Госгортехнадзора», «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей», «Правилами технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей» и др.

На основе указанных материалов для каждой котельной установки должны быть составлены должностные и технологические инструкции по обслуживанию оборудования, ремонту, технике безопасности, предупреждению и ликвидации аварий и т.п. Должны быть составлены технические паспорта на оборудование, исполнительные, оперативные и технологические схемы трубопроводов различного назначения. Знание инструкций, режимных карт работы котла и указанных материалов является обязательным для персонала. Знания обслуживающего персонала должны систематически проверяться.

2. PАСЧЕТ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

Исходные данные:Р_п.п=14 МПа, t_п.п=400 ⁰С, t_п.в.=110 ⁰С, t_ух=190 ⁰С, Р_к.у=1,4МПа, a_т =1,05, t_воз=200 ⁰С, t₀ =0 ⁰С, величина непрерывной продувки П=3%, теплота сгорания сухого газа Q=16,422 МДж/м³. Вид топлива: коксовый газ D=45 т/ч, присос воздуха Da=0,3

2.1 Расчет процесса горения топлива

2.1.1 Для обеспечения полного горения топлива практически в котельный агрегат подаётся воздух с избытком по сравнению с теоретическим. Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха за установкой.

2.1.2

a_ух=a_m+Da ,                   (1)

a_ух=1,2+0,2=1,4

2.1.3 Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 нм газообразного топлива, м³/м³,

V⁰=0,0467×(0,5×(CO+H₂)+S )                  (2)

V⁰=0,0476×(0,5× 0,1+((1+4/4)×93+(2+2/4)×3+(2+4/4) × 2+(3+6/4) 0,4+(3+8/4) × 0,2))=94,49.

2.1.4 Объём трёхатомных газов, м³/м³,

=0,01×(CO+S mC_mH_n+H₂S+CO₂)                                  (3)

=0,01×(0,1+1× 93+2×3+2× 2+3× 0,4+3× 0,2)

=0,01×104,9=1,049

2.1.5 Теоретический объём азота, м³/м³,

=0,79×V⁰+                              (4)

=0,79×94,49+1,3/100

=74,66.

2.1.6 Объём избытка воздуха, м³/м³,

DV_воз=(a_ух-1)×V⁰                                                                                                     (5)

DV_воз=0,4×94,49=37,796

2.1.7 Объём водяных паров, м³/м³,

V_H2O=0,01×(H₂+S +H₂S)+0,016×a_m×V⁰                          (6)

V_H2O=0,01(186+3+4+1,2+0,8)+0,016×1,2×94,49

V_H2O=0,01(195)+1,8142=3,76

2.1.7 Объём продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м³ (при нормальных условиях) топлива, м³/м³,

V_Г=+ + V_H2O+DV_воз                                                      (7)

V_Г=1,049+74,66+3,76+37,796=117,265.

2.1.8 Плотность топочного газа при нормальных условиях, кг/м³,

r_m=0,01×(1,96×CO₂+0,52×H₂S+1,25×N₂+1,43×O₂+1,25×CO+0,089×H₂+S(0,536×m+0,046×n)C_mH_n+0,803×H₂O)                                                                                                                   (8)

r_m= 0,01×(1,625+0,125+(66,96+3,492+2,512+0,7536+0,3952))=

0,01×(75,86)=0,7586.

2.1.9 Масса дымовых газов при сжигании газообразного топлива, кг/м³,

G_Г=r_m+1,306×a_ух×V⁰                                                                                                         (9)

G_Г=0,7586+1,306×1,4×94,49=173,52

2.1.10 Определяем теоретическую температуру горения, для чего вычислим энтальпию продуктов сгорания при произвольных температурах (например 1400 и 2000 ⁰С) по формуле

                      (10)

где С '- средние объёмные изобарные теплоёмкости углекислого газа, азота, водяных паров и воздуха соответственно, определяются по таблице П 1.3.

(1,049×2,3136+74,66×1,4407+3,76×1,828+37,796×1,4528)×1400=240481 кДж

(1,049×2,4221+74,66×1,4888+3,76×1,9628+37,796×1,501)×2000=355612 кДж

По рассчитанным значениям при 1400 ⁰С и при 2000 ⁰С строят в масштабе зависимость энтальпии продуктов сгорания от температуры h_nc=f(t).

2.1.11 Энтальпию продуктов сгорания (кДж/м³) при теоретической температуре определяем из уравнения теплового баланса топки

                                                                     (11)

где h_т- физическое тепло топлива, ввиду его малости можно принять равным 0, h_воз – физическое тепло воздуха;

h_воз=a_m×C¹_воз×t_воз,                                                                       (12)

h_воз=1,2×1,3071×200=313,7 кДж/м³

h^m_nc=35500+313,7=35813,7 кДж/м³

здесь t_воз – температура воздуха, выбирается согласно задания(200⁰С); С'_воз – средняя изобарная объёмная теплоёмкость воздуха при температуре воздуха при t_воз =200⁰С. Зная h_пс^т, по ht – диаграмме определяем теоретическую температуру горения. Она составила 1748,6⁰C

2.1.12 Энтальпию уходящих газов (кДж/м³) определяем:

2.1.12.1 С воздухоподогревателем:

        (13)

,

,

,

,

где С´ –средние изобарные объёмные теплоёмкости газов.

h_ух= (0,3647×2,3827+3,2×1,47+0,7647×1,91+0,35×1,395×1,4826)×190=1474,3

2.1.12.2 Без воздухоподогревателя

         (14)

Для этого случая определяем приближённое значение температуры уходящих газов t '_ух без воздухоподогревателя из уравнения теплового баланса последнего:

1,293×С_Г×V_Г (t¢_ух – t_ух)=a_m×V⁰×C_воз(t_воз – t₀)×1,293,                            (15)

где С_r – средняя изобарная массовая теплоёмкость газов, принимаем С_r=1,16 кДж/(кг ·⁰С); С_воз- средняя изобарная массовая теплоёмкость воздуха, принимаем С_воз=1,02 кДж/(кг ·⁰С), откуда

                                                             (16)

,

,

,

.

h¢_ух=(0,3647×1,8747+3,2×1,3126+0,7647×1,5465+0,488×1,3193)×318=2133,9

2.2 Тепловой баланс котельного агрегата

Тепловой баланс котла, как и любого теплотехнического агрегата, характеризуется равенством между количествами подведённой (располагаемой) и расходуемой теплоты: Q_прих=Q_расх. Обычно тепловой баланс составляют за единицу количества сжигаемого топлива: 1 кг твёрдого или жидкого, либо 1 м³ газообразного топлива, взятого при нормальных условиях. С учётом этого и принебрегая физической теплотой топлива и холодного воздуха, можно считать, что Q_прих=Q_н^р (Q_н^р-низшая теплота сгорания единицы топлива в рабочем состоянии).

Тепловой баланс котельного агрегата рассчитывается по уравнению согласно схеме приложение 1.

Q^Р_Н = Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅                                                                                               (17)

то же в %:

100%=q₁+q₂+q₃+q₄+q₅+q₆                                                       (18)

где q₁ –полезно использованная в котельном агрегате теплота; q₂ – потери теплоты с уходящими газами; q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания (см. табл. П 1.4); q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания, принимаем равными нулю; q₅ = потери теплоты от наружного охлаждения (см. табл. П 1.5); q₆ – потери с физическим теплом шлака, принимаем равным нулю.

2.2.1 Потери теплоты с уходящими газами определяем для случаев:

2.2.1.1 С воздухоподогревателем

                                                              (19)

2.2.1.2 Без воздухоподогревателя

                                                              (20)

где h₀= 0 при t₀= 0 ⁰С.

2.2.2 К.п.д. брутто котельного агрегата, %

2.2.3  С воздухоподогревателем

h_К.А.=q₁=100 - (q₂+q₃+q₄+q₅+q₆),                                            (21)

h_К.А.=q₁=100 - (8,9+0,75+0+0,9+0)=89,45%,

2.2.4 Без воздухоподогревателя

h¹_К.А.=q₁=100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)                                              (22)

h¢_К.А.=q₁=100 - (13+0,75+0+0,9+0)=85,35%,

2.2.5 Часовой расход натурального тепла, м³/ч:

2.2.6 С воздухоподогревателем

                                (23)

где h_п.п – энтальпия перегретого пара, при t_п.п (таблдица 14. Рабинович); h_п.в - энтальпия питательной воды при t_п. (таблдица 14. Рабинович); h'- энтальпия воды.

h_пп = 3000 при P_пп = 14МПа и t_пп = 400⁰С,

 при t_пв = 110⁰Си P_пп =14МПа

 t_H=336,63⁰C

При Р = 14МПа и t_н = 336,63⁰С h¹ = 1570.8

 м³/ч.

2.2.7 Без воздухоподогревателя

                                            (24)

м³/ч.

3 УПРОЩЕННЫЙ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

3.1 Эксергия топлива может быть принята равной теплоте сгорания топлива

                                                                              (25)

ex_m=16,422 MДж/м³.

3.2 Эксергия тепла продуктов сгорания, кДж/м³

                                                                 (26)

где Т₀ – температура окружающего воздуха, К, Т_теор – теоретическая температура горения, кДж/м³

3.3 Потери при адиабатном горении,

dex_гор=ex_m-ex_г;                                        (27)

dex_гор=16422 –14203,3 =2218,7 кДж/м³;

или в %:

                                                                   (28)

3.4 Определяем уменьшение эксергии продуктов сгорания за счет теплообмена в нагревательно-испарительной части:

, (29)

где С_Г –средняя изобарная массовая теплоёмкость газов,

С_Г = 1,16 кДж/кг·⁰С,

3.5 Приращение эксергии в процессе превращения воды в перегретый пар, кДж/м³

                                         (30)

где S_п.п – удельная энтальпия перегретого пара, S_п.п =5,942, S_п.в- энтальпия питательной воды, S_п.в=1,40495:

,

 Дж/(кг×К)

3.6 Потери эксергии от теплообмена по водопаровому тракту, кДж/м³

                                                              (31)

или в %:

                                                         (32)

3.7 Уменьшение эксергии продуктов сгорания за счёт теплообмена в воздухоподогревателе, кДж/м³

                     (33)

3.8 Увеличение эксергии в воздухоподогревателе, кДж/м³

,       (34)

где С_воз=1,02 кДж/кг·⁰С

3.9 Потеря эксергии за счет теплообмена в воздухоподогревателе, кДж/м³

dex_воз­=                                                             (35)

dex_воз­=526,7 – 273,67 = 253,03 кДж/м³

или в %

                                                   (36)

.

3.10 Эксергетический баланс котельного агрегата.

ex_m=_Dex_п.п.+dex_гор+dex_п+dex_воз+ex_yx,                                       (37)

ex_yx=ex_m-(_Dex_п.п.+dex_гор+dex_п+dex_воз),                                      (38)

ex_yx=16422 - ( 7480+2218,7+1919,18+253,03)=4551,09 кДж/м³

или в %

,

.

3.11 Эксергетический КПД котельного агрегата оценим через средне-термодинамическую температуру, при теплоподводе, К

 ,                                                                     (39)

3.12 Эксергетический КПД, %

3.12.1 С воздухоподогревателем

                                                          (40)

3.12.2 Без воздухоподогревателя

                                                         (41)

3.13 Строим диаграмму потоков эксергии в масштабе.

4 РАСЧЕТ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

4.1 Объём продуктов сгорания, м³/ч

                                                                               (42)

Выбираем котёл утилизатор типа Г-420

4.2 Определяем среднюю температуру продуктов сгорания в котле утилизаторе, ⁰С:

,                                                                          (43)

.

4.3 Выписываем теплофизические свойства продуктов сгорания при t^Г_ср=254 ⁰С из табл. П.1.2

λ_Г – коэффициент теплопроводности, λ_Г=4,47×10^-2 В/м·⁰С;

υ_Г – коэффициент кинематической вязкости, υ_Г=39,82×10^-6 м/с;

С_Г – средняя объёмная теплоёмкость дымовых газов, С_Г=1,11 кДж/кг·К;

Р_Г – критерий Прандтля, Р_Г=0,659

4.4 Выбираем скорость движения продуктов сгорания по дымовым трубам

W=17 м/с,

4.5 Определяем необходимую площадь поперечного сечения дымовых труб, м²:

                                                                     (44)

4.6 Количество дымовых труб

                                                                            (45)

где d_вн=0,028

Полученное количество дымогарных труб сравниваем с количеством, имеющимся в технологической характеристике котла-утилизатора n=506 < n' = 1032 - условие выполняется.

4.7 Коэффициент теплоотдачи конвекций от продуктов сгорания к стенкам дымогарных труб при продольном движении газов трубах, Вт/(м³·К)

                             (46)

где С_t и С_е поправочные коэффициенты, С_t=1,06 при охлаждении газов, С_е=1.

.

4.8 Коэффициент теплопередачи от газов к воде через дымогарные трубы, Вт/(м³·К):

                                                                    (47)

4.9 Теплота переданная продуктами сгорания испаряемой воде в котле-утилизаторе, кВт:

                                                    (48)

4.10 Величина температурного напора, ⁰С

                                                                   (49)

где Δt_б – разность температур сред на том конце поверхности нагрева, где она наибольшая, Δt_б=318-195,04=122,96⁰С.

Δt_м-разность температур сред на другом конце поверхности нагрева, где она наименьшая, Δt_м=190-110=80⁰С.

.                                                   (50)

4.11 Определяем поверхность нагрева котла-утилизатора, м²

                                                                       (51)

Полученное значение поверхности нагрева сравниваем со значением, имеющимся в технологической характеристике котла-утилизатора F_к.ут=498,3 < F_к.ут ' = 1030 - условие выполняется.

4.12 Длина дымогарных труб, м:

                                                                           (52)

где d_ср – средний диаметр дымогарных туб(((0,05+0,044)/2)=0,047м),

Полученное значение длины дымогарных труб сравниваем со значением, имеющимся в технологической характеристике котла утилизатора l=6,665 < l ' = 7,3 - условие выполняется.

4.13 Паропроизводительность котла-утилизатора