Проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-10-14

Целью курсового проекта является проверочный тепловой расчет котлоагрегата типа КЕ-10−14.

Котельный агрегат включает топочное устройство, трубную систему с барабанами, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, а также каркас с лестницами и помостами для обслуживания, обмуровку, газоходы и арматуру.

У котлов КЕ-10−14 диаметр нижнего и верхнего барабанов составляет 1000 мм. Межцентровое расстояние установки барабанов — 2750 мм. На задних днищах верхних и нижних барабанов, а также на переднем днище верхнего барабана размещены лазы для внутреннего осмотра котла.

Для котлов КЕ-10−14 применяется одноступенчатая схема испарения. Пароперегреватели устанавливаются в начале конвективного пучка. Насыщенный пар направляется в первую часть коллектора из верхнего барабана по пароперепускным трубам. Выход перегретого пара осуществляется из второй части верхнего коллектора.

У котла КЕ-10−14топочная камера разделена кирпичной стенкой на собственно топку и камеру догорания, что позволяет повысить КПД котла за счёт снижения химического и механического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла асимметричные.

Котёл комплектуется необходимым количеством арматуры и контрольно-измерительными приборами.

Исходные данные по проекту:

1. Пароперегреватель типа КЕ-10−14

2. Паропроизводительность агрегата, D — 10 т/ч

3. Непрерывная продувка в процентах от паропроизводительности агрегата, с — 75%

4. Давление пара у главной паровой задвижки, р_п — 14 МПа

5. Температура перегретого пара, t _п.п. — 220 ⁰С

6. Температура питательной воды перед экономайзером, t _п.в. — 65 ⁰С

7. Температура уходящих газов, ?_у.г. — 180 ⁰С

8. Значение продувки p- 3%

9. Вид топлива — природный газ

10. Температура воздуха на входе в воздухоподогреватель, t? _в.п. — 25 ⁰С

11. Температура воздуха на выходе из воздухоподогревателя, t?_в.п. — 120 ⁰С Схема парогенератора типа КЕ-10−14

1.Тепловой расчет парогенератора КЕ-10−14

1.1 Расчет горения топливной смеси

Выполняем расчет горения топливной смеси.

котлоагрегат водяной экономайзер

В качестве компонентов топлива взяты — природный газ ЩебелинкаДнепропетровск Таблица 1

Теплоту сгорания газообразного топлива определяем по следующему выражению:

= 0,127 * CO + 0,108 * H₂ + 0,234 * H₂ S +0,358 * CH₄ + 0,636 * C₂H₆ + + 0,913 * C₃H₈+ 1,185 * C₄H₁₀ + 0,595 * C₂H₄ + 0,877 * C₃H₆ + 0,156 * C₄H₈ + + 1,462 * C₅H₁₂

= 0,358*92,8+0,636*3,9+0,913*1+1,185*0,4+1,462*0,3= 37 528 кДж/м³

котлоагрегат водяной экономайзер

Коэффициентом избытка воздуха для природного газа б _? =1,1

Объем воздуха необходимый для горения смеси:

V = б_mв * = 1,1*9,7 = 10,67 м³/кг Теоретические объемы продуктов сгорания при б =1:

а) для природного газа:

_? = 0,01* (СО₂ + СО + H₂ S + m * C_m H_n) = = 0.01*(0.1+1*92.8+2*3.9+3*1+4*0.4+5*0.3) =1.056 м³/ м³;

_? = 0,79* + 0,01 * N₂ = 0,79 *9,7+0,01*1,5 = 7,678 м³/ м³;

_? = 0,1* (H₂ S + H₂ + 0,5*n*C_mH_n + 0.124* d_?) + 0.016*

_? = 0,1* (2*92.8+3*3.9+4+5*0.4+6*0.3+1.24)+0.0161*9.7 = 2.223 м³/ м³;

б) Объемы продуктов сгорания газообразного топлива б_? =1,1

_? = _? + (б_? — 1) * 7,678+ (1,1−1) * 9,7 = 8,648 м³/ м³;

_? = _? + 0,0161 * (б_? — 1) * = 2,223+ 0,1 261*(1,1−1)*9,7 = 2,238 м³/ м³;

=_? + _? + _? = 1,056 + 8,648 + 2,238 = 11,9 м³/ м³

Объемные доли трехатомных газов, равные парциальным давлениям газов при общем давлении 0,1 МПа, подсчитаем по формулам:

= / = 1,056/11,9 = 0,08,

= / = 2,238/11,9 = 0,18,

= + = 0,08 + 0,18 = 0,26.

Энтальпия теоретически необходимого объема воздуха:

= * (ct)_в = 9,7 * 39 = 378 кДЖ/м³

2.Основные характеристики парогенератора

1) Паропроизводительность агрегата, D — 10 т/ч

2) Давление пара у главной паровой задвижки, р_п — 14 МПа

3) Температура перегретого пара, t _п.п. — 220 ⁰С

4) Температура питательной воды перед экономайзером, t _п.в. — 65 ⁰С

5) Температура уходящих газов, ?_у.г. — 180 ⁰С Таблица. Присосы воздуха по газоходам? б и расчетные коэффициенты избытка воздуха в газоходах б?

Характеристика продуктов сгорания в газоходах парогенератора (м³/кг, = 1,06 м³/кг, = 7,678 м³/кг, = 2,224 м³/кг) Таблица

3.Расчет теплового баланса парогенератора и расход топлива

1. Располагаемая теплота топлива

= + + = 37 528 + 0 + 0 = 37 528 кДж/кг

2. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q₃ = 0,5%

3. Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄ = 0%

4. Температура уходящих газов ?_у.г. =180 ⁰С

5. Энтальпия уходящих газов I_ух = 2802 кДж/кг

6. Температура воздуха в котельной t _х.в. =25 ⁰С

7. Энтальпия воздуха в котельной I_х.в. = 331 кДж/кг

8. Потеря теплоты с уходящими газами q₂ = = = 6,35%

9. Потеря теплоты от наружного охлаждения q₅ = 1,75%

10. Сумма тепловых потерь У q = q₂ + q₃ + q₄+ q₅ = 6,35 + 0,5 + 0 + 1,75 = 8,6%

11. КПД парогенератора з_пг =100 — У q = 100 — 8,6 = 91,4%

12. Коэффициент сохранения теплоты ц = 1 — = 1 — = 0,98

13. Паропроизводительность агрегата D = 2,08 кг/с

14. Давление пара в барабане P_б = 1,5 МПа

15. Температура перегретого пара t _п.п. = 220 ⁰С

16. Температура питательной воды t _п.в. = 65 ⁰С

17. Удельная энтальпия перегретого пара = 2844 кДж/кг

18. Удельная энтальпия питательной воды = 273,25 кДж/кг

19. Значение продувки p=3%

20. Полезно используемая теплота в агрегате _пг = D * () + D * * () = = 2,08 * (2844 — 273,25) + 2,08 * * (844,7 — 273,25) = 5391 кВт

21. Определяем полный расход топлива В = = = 0,16 кг/с

22. Расчетный расход топлива В_р = В * = 0,16 * = 0,16 кг/с

4.Расчет теплообмена в топке

1. Активный объем топочной камеры V_т = 22,6 м³

2. Определяем тепловое напряжение объема топки расчетное q_v = = = 265,7 кВт/м³

3. Тепловое напряжение объема топки допустимое q_v = 350 кВт/м³

4. Площадь ограждающих поверхностей F_ст = 40 м²

5. Площадь лучевоспринимающей поверхности топки и камеры догорания H_л = 30,3 м²

6. Эффективная толщина излучающего слоя S_т = 3,6 = 3,6 = 2,034 м

7. Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности Ш_ср = = = 0,49

8. Высота топки Н_т = 2,7 м

9. Высота расположения горелок h_г = 1,0 м

10. Коэффициент светимости пламя m= 0,2

11. Относительное положение максимума температуры в топке Х_г = = = 0,37

12. Параметр, учитывающий распределения температур в топке М = 0,54 — 0,2 Х_г = 0,54−0,2*0,37 = 0,47

13. Коэффициент избытка воздуха в топке б_т = 1,15

14. Присос воздуха в топке? б_т = 0,05

15. Температура воздуха в котельной t _х.в. =25 ⁰С

16. Энтальпия холодного воздуха I_х.в. = 331 кДж/кг

17. Температура горячего воздуха t _г. в. = 150 ⁰С

18. Энтальпия горячего воздуха I_г. в. = 1945 кДж/кг

19. Определяем количество теплоты вносимое в топку воздухом _в = (б_т — ?б_т) + ?б_т = (1,15 — 0,05)* 1945 + 0,05*331 = =2156,05 кДж/кг

20. Определяем полезное тепловыделение в топке агрегате _т = * + _в = 37 528 *+ 2156,05 = 39 496,41 кДж/ кг

21. Температура газов на выходе из топки ??_г = 1050 ⁰С

22. Энтальпия газов на выходе из топки I?_т = 15 826 кДж/кг

23. Теоретическая температура горения ?_а = 1740 ⁰С

24. Определяем среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания = = = 34,3 кДж/(кг К)

25. Объемная доля водяных паров = 0,18

26. Объемная доля трехатомных газов = 0,08

27. Суммарная объемная доля трехатомных газов = 0,26

28. Суммарная поглощательная способность трехатомных газов с S_т = 0,1*0,26*2,034 = 0,053 м МПа

29. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами к _г= 6,5 1/(м МПа)

30. Коэффициент ослабления лучей несветящейся частью топочной среды к _нс= к _г = 6,5 * 0,26 = 1,69 1/(м МПа)

31. Суммарная оптическая толщина газового потока крs = к _нс с S_т = 1,69*0,1*2,034 = 0,34

32. Степень черноты несветящейся части факела, а _г = 0,26

33. Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами к _саж = 0,3* (2 — б_т) * (1,6) * = 0,3* (2 — 1,15) * *(1,6) * = 3,29 1/(м МПа)

34. Коэффициент ослабления лучей светящейся частью топочной среды к _св= к _нс+ к _саж = 1,69 + 3,29 = 4,98 1/(м МПа)

35. Произведение к с S = к _св с S_т = 4,98*0,1*2,034 = 1,01

36. Степень черноты светящейся части факела, а _св = 0,6

37. Степень черноты факела б _ф = m, а _св + (1- m) а _г = 0,2*0,6+(1−0,2)*0,26 = = 0,328

38. Степень черноты топки, а _т = = = 0,50

39. Рассчитываем тепловую нагрузка стен топки q_F = = = 159,99 кДж/(м³ с)

40. Температура газов на выходе из топки ??_т = 1025 ⁰С

41. Энтальпия газов на выходе из топки I?_т = 15 872 кДж/кг

42. Общее тепловосприятие топки = ц (_т — I?_т) = 0,98 (- 15 872) = 23 152 кДж/кг

43. Средняя удельная тепловая нагрузка лучевоспринимающих поверхностей стенки = = = 112 кВт/м²

5.Расчет пароперегревателя и конвективных поверхностей нагрева

1. Диаметр труб d/d_вн = 51/45 мм

2. Площадь поверхности нагрева Н = 52 м²

3. Параметры пара на входе:

— давление р?= р_у = 1,5 МПа

— температура t? = t _нас = 198 ⁰С

— паросодержание х = 0,98

4. Удельная энтальпия кипящей воды ?= 844,7 кДж/кг

5. Удельная энтальпия сухого насыщенного пара ?= 2790,4 кДж/кг

6. Удельная энтальпия пара на входе в пароперегреватель ?_п= х? + (1-х)?= 0,98*2790,4 + (1−0,98)*844,7 = 2751,5 кДж/кг

7. Параметры пара на выходе:

— давление р?= 1,4 МПа

— температура t? = 220 ⁰С

— удельная энтальпия ?_п =2855 кДж/кг

8. Тепловосприятие пароохладителя ?_по =60 кДж/кг

9. Определяем тепловосприятие пароперегревателя = (?_п +?_по -?_п) = (2855+60 — 2751,5) = 2725,7 кДж/кг

10. Коэффициенты распределения тепловой нагрузки

— по высоте з_в = 0,7

— между стенами з_ст = 1,0

11. Рассчитываем удельное лучистое тепловосприятие выходного окна топки q_л = з_в з_ст = 0,7*0,87*112 = 48 кВт/м²

12. Угловой коэффициент фестона = 0,8

13. Площадь поперечного сечения газохода перед пароперегревателем F?_г = а? b? = 2,1 * 2,8 = 5,88 м²

14. Определяем лучистое тепловосприятие Q_л = (1 —_ф) F?_г = *(1 — 0,8)* 5,88 = 302 кДж/кг

15. Определяем конвективное тепловосприятие пароперегревателя Q_к = Q — Q_л = 2725,7 — 302 = 2424кДж/кг

16. Энтальпия газов на входе в пароперегреватель I? = 15 872 кДж/кг

17. Температура газов на входе в пароперегреватель ?? = 1025 ⁰С

18. Энтальпия газов на выходе из пароперегревателя I? = I?- + ?а = 17 474 — + 0,05 *238 = 14 801 кДж/кг

19. Температура газов на выходе из пароперегревателя ?? = 970 ⁰С

20. Определяем среднюю температуру газов ?_ср = 0,5(??+ ??)= 0,5*(1025+970) = 997,5 ⁰С

21. Средняя площадь живого сечения газоходов F_ср = 7,5 м²

22. Определяем среднюю скорость газов = = = 1,28 м/с

23. Коэффициент теплоотдачи конвекцией б_к = а_н С_zС_sС_ф = 30*0,64*1,0*0,9 = 14 Вт/(м² К)

24. Средняя температура пара t_ср = 0,5(t?+t?) = 0.5*(198+220) = 209 ⁰С

25. Объем пара при средней температуре = 0,147 м³/кг

26. Средняя скорость пара = = = 9,49 м/с

27. Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару б₂ = С_dб_н = 0,85*250 = 210 Вт/(м² К)

28. Толщина излучающего слоя S = 0.9 (- 1) d = 0.9 (- 1)* 0.045 = 0,25 м

29. Суммарная поглощательная способность трехатомных газов с S = 0,1*0,25*0.25 = 0.006 м МПа

30. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами к _г= 20

31. Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока ск S = к _г S = 20*0,25*0,1*0,25 = 0,13

32. Степень черноты излучающей среды, а = 0,14

33. Коэффициент загрязнения е = 0,007 м² • К/Вт

34. Определяем температуру загрязненной стенки трубы t_cт = t_cр + (е +) 10³ = 209 + (0,007 +) 2125,7*10³ = 285,5 ⁰С

35. Коэффициент теплоотдачи излучением б_л = б_н б С_г= 140*0,12*1 = 16,8 Вт/(м² К)

36. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенки б₁ = о (б_к + б_л) = 0,9*(14 + 16,8) = 27 Вт/(м² К)

37. Коэффициент тепловой эффективности Ш = 0,8

38. Коэффициент теплопередачи к = Ш = 0,8 * = 19 Вт/(м² К)

39. Разности температур между газами и паром — наибольшая? t_б = ?? — t? = 1025 — 220 = 805 ⁰С — наименьшая? t_м = ?? — t? = 970 — 198 = 772 ⁰С

40. Температурный напор при противотоке? t_прт = = = 675 ⁰С

41. Площадь поверхности нагрева прямоточного участка Н_прм = 25 м²

42. Полная площадь поверхности нагрева Н = 42 м²

43. Параметр, А = Н_прм / Н = 25/42 = 0,6

44. Определяем полный перепад температур газов ф₁ = ?? — ?? = 1025 -970 = 55 ⁰С

45. Определяем полный перепад температур пара ф₂ = t? — t? = 220 — 198 = 22 ⁰С

46. Параметр Р = = = 0,1

47. Параметр R = = = 2,5

48. Коэффициент перехода к сложной схеме Ш = 0,9

49. Температурный перепад? t = Ш? t_прт = 0,9 * 825 = 607 ⁰С

50. Определяем тепловосприятие по уравнению теплообмена = = = 2630 кДж/кг

51. Расхождение расчетных тепловосприятий ?= = * 100 = 4%

6.Расчет второй ступени экономайзера

1. Площадь поверхности нагрева ступени Н = 35 м²

2. Площадь живого сечения для прохода газов F_г = 1,8 м²

3. Площадь живого сечения для прохода воды f = 0,017 м²

4. Температура газов на входе в ступень ?? = 850 ⁰С

5. Энтальпия газов на входе в ступень I? = 14 711кДж/кг

6. Температура газов на выходе из ступени ?? = 725 ⁰С

7. Энтальпия газов на входе в ступень I? = 12 066 кДж/кг

8. Рассчитаем тепловосприятие ступени (теплота, отданная газами) =ц (I?- I? + ?б) = 0,98*(17 430 — 14 711 + 0,04 *238) = 2611 кДж/кг

9. Рассчитаем удельную энтальпиюя воды на выходе из ступени ?= _п + ?_по — (+ +) = 2855 + 60 — (23 152 + 2424 + 2725,7) = = 758 кДж/кг

10. Температура воды на выходе из ступени t? = 179 ⁰С

11. Удельная энтальпия воды на входе в ступень =? — = 758 — = 696 кДж/кг

12. Температура воды на входе в ступень t? = 169 ⁰С

13. Определяем среднюю температуру воды t_ср = 0,5(t ?+ t ?)= 0,5*(167+176) = 174 ⁰С

14. Определяем скорость воды в трубах = = = 0.65 м/с

15. Определяем среднюю температуру газов ?_ср = 0,5(??+ ??)= 0,5*(850 + 725) = 787,5 ⁰С

16. Определяем среднюю скорость газов = = = 7 м/с

17. Коэффициент теплоотдачи конвекцией б_к = а_н С_zС_sС_ф = 52*0,95*0,9*1.0 = 34 Вт/(м² К)

18. Определяем эффективная толщина излучающего слоя S = 0.9(= 0.9(= 0.06 м

19. Суммарная поглощательная способность трехатомных газов сS = 0,1*0,25*0,06 = 0,0015

20. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами к _г= 12

21. Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока крs = к _г с S_т = 12*0,25*0,1*0,06 = 0,1

22. Степень черноты газов, а = 0,1

23. Определяем температуру загрязненной стенки трубы t_cт = t_cр + ?t = 171,5 + 60 = 231 ⁰С

24. Коэффициент теплоотдачи излучением б_л = б_н б С_г= 95*0,1*0,98 = 9 Вт/(м² К)

25. Температура в объеме камеры перед ступенью ?? = 855 ⁰С

26. Коэффициент, А = 0,3

27. Глубина по ходу газов ступени ln = 0,75 м объема перед ступенью lоб = 0,95 м

28. Коэффициент теплоотдачи излучением с учетом излучения газового объема перед ступенью б?_л = б_л = 9* = 9,5 Вт/(м² К)

29. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенки б₁ = о (б_к + б?_л) = 0,9*(34 + 9,5) = 35 Вт/(м² К)

30. Коэффициент теплопередачи к = Ш б₁ = 0,8*35 = 24 Вт/(м² К)

31. Разность температур между средами — наибольшая? t_б = ?? — t? = 850 — 179 = 701 ⁰С — наименьшая? t_м = ?? — t? = 725 — 169 = 556 ⁰С

32. Отношение? t_б /?t_м = 701 / 556 = 1,26 1,7

33. Температурный напор? t = 0,5(?t_б +?t_м) = 0,5(701 +556) = 618⁰С

34. Определяем тепловосприятие ступени по уравнению теплообмена = = = 2750 кДж/кг

35. Расхождение расчетных тепловосприятий ?= = * 100 = 4%

7.Расчет первой ступени экономайзера

1. Температура газов на входе в ступень ?? = 425 ⁰С

2. Энтальпия газов на входе в ступень I? = 8235 кДж/кг

3. Температура газов на выходе из ступени ?? = 310 ⁰С

4. Энтальпия газов на входе в ступень I? = 5975 кДж/кг

5. Определяем тепловосприятие ступени (теплота, отданная газами) =ц (I?- I? + ?б) = 0,98*(8235 — 5975 + 0,04 *238) = 2224 кДж/кг

8.Расчет невязки теплового баланса парогенератора

1. Расчетная температура горячего воздуха t_г. в. =370 ⁰С

2. Энтальпия горячего воздуха при расчетной температуре = 4938 кДж/кг

3. Определяем количество теплоты вносимое в топку воздухом = (б_т — ?б_т) + ?б_т = (1,15 — 0,05)* 4938 + 0,05*331 = =5748 кДж/кг

4. Определяем полезное тепловыделение в топке _т = * + _в = 37 528 *+ 5748= 45 088 кДж/ кг

5. Определяем лучистое тепловосприятие топки = ц (_г — I?_т) = 0,98 (45 088 — 15 872) = 28 632 кДж/кг

6. Расчетная невязка теплового баланса? = з_пг — (+ _к + _пе + _эк) (1 —) = 37 528* 0,91 — (28 632 + + + 2224)*(1-) = 870 кДж/кг

7. Невязка 100% = 100 = 2%

1. Частухин В. И., «Тепловой расчет промышленных парогенераторов». Учебное пособие. — К.: Выща школа. Головное изд-во, 1989. — 223 с.

2. Зах Р. Г., Котельные установки. М., «Энергия», 1968. — 352 с.

3. Александров А., Григорьев Б. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Издательство МЭИ, 1999. — 168 с.

ено н