Курсовая работа "ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА"

Курсовая работа "ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА"
Автор: drug \| Категория: Прочее \| Просмотров: \| Комментирии: 0 \| 04-01-2013 18:46

Техническая термодинамика и теплотехника

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА
Пояснительная записка
к курсовой работе на 56 листах
ХТП – 240403.65 - 03.00.046 ПЗ

Салават 2011
Целью данной курсовой работы является тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата по заданным параметрам. В литературном обзоре рассмотрены котельные установки и паровые котлы, а также пути их совершенствования. В курсовой работе проведен расчет котельного агрегата и газотрубного котла-утилизатора, составлен упрощенный эксергетический баланс котельного агрегата, рассмотрено описание работы котельной установки, котла-утилизатора и вспомогательного оборудования. Разработана необходимая документация.
56 стр., 10 табл., 4 рис., 13 ист. лит.

Содержание С.

Введение 4
1. Литературный обзор 6
2. Принципиальная схема котельной установки 24
3. Расчет котельного агрегата 27
4. Упрощенный эксергетический баланс котельного агрегата 35
5. Расчет газотрубного котла-утилизатора 40
6. Описание работы котла-утилизатора и вспомогательного
оборудования 47
Заключение 54
Список использованных источников 55
Приложение 56

Введение

XXI столетие - век научных открытий, бурного развития промышленности и, как следствие, огромных объемов выработки и потребления энергоресурсов. Человеку все больше приходится задумываться о том, как правильней и экономичней использовать природные богатства, которые, увы, не безграничны. Тем более, что затраты на энергоносители и ресурсопотребление в промышленной сфере постоянно растут. Эта тенденция характерна сегодня для всех промышленно-развитых стран, в том числе и для России, где особенно проявилась за последние годы. Отчасти это связано с тем, что возведенные промышленные комплексы изнашиваются и устаревают и становятся все менее энергоэффективными.
Современное химическое производство представляет собой совокупность технологических и тепловых процессов и соответствующего технологического теплоэнергетического оборудования. Энергетика в химической промышленности непосредственно участвует в процессе производства продукции, и без нормального энергоснабжения деятельность производственных звеньев или даже предприятия в целом невозможна.
В современном мире трудно представить себе жизнь без использования топлива, причем не в первобытном смысле – путем сжигания и только, а с максимальным использованием его теплового потенциала. Имеется ввиду использование теплоты сгорания топлива для ведения технологических процессов а также в энергетических установках непосредственно или путем передачи ее с помощью промежуточного теплоносителя. Самые распространенные теплоносители – водяной пар и вода.
Котлами называют устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива или подводимой от посторонних источников (обычно с горючими газами). Котлы, использующие (т. е. утилизирующие) теплоту отходящих из печей газов или других основных и побочных продуктов различных технологических процессов, называют котлами-утилизаторами. Комплекс устройств, включающий в себя собственно котел и вспомогательное оборудование, называют котельной установкой. Котельные установки, снабжающие паром турбины тепловых электрических станций, называют энергетическими. Для снабжения паром производственных потребителей создают специальные производственные и отопительные котельные установки.
В качестве источников теплоты для котельных установок используются природные и искусственные топлива, отходящие газы промышленных печей и других устройств, солнечная энергия, энергия деления тяжелых элементов (урана, плутония).
В данной работе на примере котельного агрегата рассматриваются методы расчета процесса сжигания и расхода топлива, к.п.д., теплового и энергетического балансов. Экономия топлива при его сжигании является одной из важнейших задач в решении топливно-энергетической проблемы. Вопросы экономии топлива и рационального использования тепла решаются в курсовой работе применением в схеме котельной установки экономайзера, воздухонагревателя, котла-утилизатора.

1 Литературный обзор

1.1 Общие сведения
Паровым или водогрейным котлом называется устройство, предназначенное для выработки соответственно пара или горячей воды за счет тепла, выделяемого при сжигании в нем топлива. Элементами котла являются: топка, где сжигается топливо; поверхности нагрева, через которые происходит теплообмен между уходящими газами и нагреваемой средой; газоходы, по которым в котле перемещаются уходящие газы; пароперегреватель, каркас, обмуровка, арматура и трубопроводы.
В котельных установках осуществляется преобразование химической энергии топлива в тепловую. Тепловая энергия из котельной передается потребителям с помощью теплоносителей. Теплоносителями являются горячая вода и водяной пар.
Котельной установкой называется совокупность устройств, предназначенных для получения пара или горячей воды. На рисунке 1 показана схема котельной установки для получения пара. В топке 1 сжигается топливо. Полученные при этом продукты сгорания, имеющие высокую температуру, омывают поверхности нагрева парогенератора. Вода в парогенераторе нагревается, закипает и превращается в насыщенный пар, который проходит пароперегреватель 3 и нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при давлении в парогенераторе. Продукты сгорания топлива после газохода, в котором расположен пароперегреватель, поступают в газоход экономайзера 4 и воздухоподогревателя 5. Экономайзер и воздухоподогреватель имеют трубчатые поверхности нагрева, предназначенные для охлаждения продуктов сгорания. Через трубы экономайзера прокачивается питательная вода, которая затем подается в барабан 2. Воздух перед поступлением в топку проходит воздухоподогреватель. Топка, собственно парогенератор, пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель являются основными элементами котельной установки.

Рисунок 1 – Схема котельной установки для получения пара

Кроме основного оборудования в комплекс устройства котельной установки входит вспомогательное: дымосос 8 и дымовые трубы для удаления продуктов сгорания; дутьевой вентилятор 6 для нагнетания воздуха в топку; питательные насосы для питания котла водой, топливоподающие устройства, устройства газоочистки 7 и золоудаления 9, трубопроводы различного назначения и др. Необходимость в том или ином элементе оборудования зависит от назначения и мощности котельной установки, а также от вида топлива и способа сжигания.
Вспомогательное оборудование предназначено для подготовки и подачи топлива и воды в котельный агрегат, удаление золы, шлака и дымовых газов и подачи воздуха для горения топлива (тягодутьевая установка), а также для контроля и автоматического регулирования режима работы агрегата. Источником тепловой энергии в котлоагрегате служит органическое топливо.
Для сбора пара в чугунных котлах, работающих в паровом режиме, служат паросборники, располагаемые над котлом; в жаротрубных и вертикально-цилиндрических котлах пар собирается в верхней части котла, в горизонтально-водотрубных и вертикально-водотрубных котлах – в верхних барабанах.
Поверхность воды в паровом котле называется зеркалом испарения, а пространство над водой – паровым пространством. Ниже зеркала испарения располагают устройства для подачи воды в котел, а в паровом пространстве – устройства для сепарации пара, т.е. для улавливания капель воды, содержащихся в выходящем из котла паре.
Нагрев воды в котельных, где установлены только паровые котлы, производят в водоподогревателях (часто называемых бойлерами) за счет тепла пара, поступающего из котла. Котлы, в которых водоподогреватель размещен в паровом пространстве или включен в схему естественной циркуляции воды в котле, называют котлами-бойлерами.
По назначению котельные установки могут быть энергетическими, промышленными, отопительными и смешанными. Энергетические котельные установки оборудованы крупными парогенераторами среднего и высокого давления и предназначены для снабжения паром турбин на электростанциях и паровоздуходувных станциях. Энергетические котельные, как правило, являются одним из основных звеньев технологической схемы производства электрической энергии. Промышленные котельные сооружаются в промышленных районах, городах или на отдельных предприятиях. Они оборудованы парогенераторами низкого (иногда среднего) давления и предназначены для снабжения паром силовых и тепловых потребителей. При этом основными статьями расхода пара являются производственно-технологические нужды.
В отопительных котельных, предназначенных для теплоснабжения жилых районов, устанавливаются парогенераторы или водогрейные котлы, которые покрывают расходы тепла на отопление, вентиляцию и горючее водоснабжение.
В смешанных котельных могут устанавливаться и парогенераторы (для покрытия технологической нагрузки района) и водогрейные котлы (для покрытия расходов тепла на отопление вентиляции и горячее водоснабжение). В этих случаях предусмотрено взаимное резервирование (возможность покрытия части коммунально-бытовых нагрузок через пароводяные теплообменники).
Выпускаемые с 1969 г. паровые стационарные котлы в соответствии со схемой циркуляции имеют следующие маркировки Е – с естественной циркуляцией с перегревом и без перегрева пара; Eп – с естественной циркуляцией с перегревом и промежуточным перегревом пара; Пр – с принудительной циркуляцией без перегрева; Пп – прямоточные с перегревом и промежуточным перегревом пара. К обозначению типа котла добавляют паропроизводительность, т/ч, и давление пара, кг.с/ см2. В обозначении котлов, имеющих пароперегреватель, - три цифры, последняя из которых указывает температуру перегретого пара (например, ДКВР – 10-13-250). Буквой Г обозначается топка для сжигания газа, М – мазута, а в некоторых котлах Ж – жидкое, С – слоевое сжигание твердого топлива, К – комбинированное сжигание (твердого топлива, газа и мазута).
Рабочий процесс в паровом котельном агрегате состоит из следующих основных стадий: 1) горение топлива; 2) теплопередачи от горячих дымовых газов к воде или к пару; 3) парообразование (нагрев воды до кипения и ее испарение) и перегрев насыщенного пара.
В водогрейном котельном агрегате рабочий процесс включает лишь две первые стадии.
Одной из основных задач, возникающей при эксплуатации котельного агрегата, является обеспечение равенства между производимой и потребляемой энергией. В свою очередь процессы парообразования и передачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в потоках рабочего тела и теплоносителя.
Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.
Воздух на горение подается вентилятором. Предварительный подогрев воздуха (до топки) осуществляется в рекуперативном воздухоподогревателе за счет теплоты дымовых газов.
Вода, прошедшая предварительно химическую и термическую обработку, питательным насосом нагнетается через экономайзер, где происходит ее подогрев, барабан котла. В барабане питательная вода смешивается с водой, находящейся в контуре котла. По опускным трубам котловая вода поступает в нижние камеры (коллекторы) и направляются в экранные испарительные трубы, где за счет теплоты горения топлива подогревается до температуры кипения и превращается в пар. Образующийся пар вместе с кипящей водой (пароводяная смесь) направляется в барабан котла, где происходит сепарация (отделение воды от пара).
Движение воды в опускных экранных трубах происходит вследствие разности плотностей воды (в не обогреваемых трубах) и пароводяной смеси (в обогреваемых трубах). Пар по пароотводящим трубам направляется в пароперегреватель и из коллектора поступает к потребителю.
Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду, герметизации конструкций и создания безопасных условий работы и обслуживания топку и газоходы котельного агрегата изолируют огнеупорными и теплоизоляционными материалами, которые называются обмуровкой.
1.2 Элементы котлоагрегата
1.2.1 Топки
Назначение топок – сжигание в них топлива и передача части полученного при этом тепла нагреваемой воде или пароводяной смеси поверхности нагрева, обращенной в топку. Из топки горячие уходящие газы поступают в газоходы, где происходит дальнейший теплообмен между газами и нагреваемой средой.
По конструктивным особенностям топки делят на слоевые, предназначенная для сжигания твердого топлива, и камерные – для сжигания пылевидного (мелкораздробленного) твердого, а также жидкого и газового топлива. В слоевых топках топливо сжигают на колосниковой решетке. Пространство под колосниковой решеткой называется поддувалом. В зависимости от условий обслуживания эти топки разделяют на ручные, полумеханические и полностью механизированные. Полумеханические и механизированные топки характеризуются большим разнообразием форм и размеров топочных объемов, конструкций колосниковых решеток и устройств загрузки топлива. По расположению колосников относительно поверхностей нагрева различают внутренние и внешние топки. Внутренними называют топки, как правило, небольших размеров, окруженные со всех сторон поверхностями нагрева (например, топки жаротрубных котлов). Внешние (или нижние) топки расположены под котлами, ниже поверхностей нагрева, обращенных в топку. Такие топки устанавливают в горизонтально-водотрубных и некоторых вертикально-водотрубных котлах.
Если необходимо сжигать низкосортное топливо (древесную щепу, опилки или торф) в непригодных для этого топках небольших размеров, устраивают выносные топки, которые представляют собой как бы пристройку к котлу и не имеют поверхностей нагрева. При переводе котлов на газовое топливо необходимость в выносных топках, как правило, отпадает.
Размеры и устройство топок, а также расположение механизмов подачи твердого топлива в тех случаях, когда оно является резервным, в значительной мере определяют выбор типа и места расположения горелок, а также конструктивные изменения в топках, необходимые при переводе котлов с твердого на газовое топливо.
В камерных топках отсутствуют колосниковые решетки. Топочный объем представляет собой камеру, часто имеющую форму параллелепипеда, в нижней зоне которой расположены газогорелочные устройства.
1.2.2 Поверхности нагрева
Металлические поверхности котла (секции чугунных котлов, трубы и барабаны стальных котлов), пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогревателя, которые с одной стороны омываются горячими газами, а с другой – водой, паром или воздухом, называются поверхностями нагрева. Экономайзеры и воздухоподогреватели часто называют хвостовыми поверхностями, так как они расположены последними по ходу газов.
Измеряют площадь поверхности нагрева в квадратных метрах. Для чугунных котлов применяют также и другой показатель – квадратный метр условной поверхности нагрева (м2 УПН): поверхность, которая при сжигании сортированного антрацита в топке с ручным обслуживанием и тепловым напряжением зеркала горения 500 Мкал/(м2ч) дает 10 Мкал/ч при КПД котла 70%.
Поверхности нагрева, расположенные в топке, вдоль ее стенок, в виде рядов труб, называются экранными поверхностями или, в зависимости от их расположения в топке, фронтовыми, боковыми или задними экранами. Двухсветными экранами (например, в котлах ТВГ) называются ряды труб, расположенные в топочном пространстве и обогреваемые газами с двух сторон.
Трубы поверхности нагрева в зависимости от конструкции котла вваривают или ввальцовывают в коллекторы и барабаны. За топкой котлы обычно разделяют шамотными или чугунными перегородками на газоходы, а расположенные в этих газоходах трубы поверхностей нагрева образуют котельные пучки.
1.2.3 Пароперегреватели
При подачи пара на значительные расстояния от котельной, а также при его использовании для производственных целей желательно, чтобы котельные вырабатывали перегретый пар. Температура перегретого пара выше температуры насыщенного пара, получаемого в паровом пространстве котла. Для получения перегретого пара в паровых котлах предусматривают пароперегреватели.
Пароперегреватели представляют собой группы стальных группы, изготавливаемых из труб диаметром 28-42 мм. Располагают пароперегреватель чаще всего вертикально за первыми рядами кипятильных труб. Для регулирования температуры пара применяют пароохладители, т.е. теплообменные аппараты, по трубам которых пропускают воду, идущую на подпитку котла, а между трубами – охлаждаемый пар. Температуру перегретого пара регулируют изменением количества воды, проходящей через пароохладитель.
1.2.4 Каркасы и обмуровка котлов
Для поддержания всех элементов и деталей котлоагрегата, обмуровки, площадок для обслуживания крупных котлов устраивают каркас, представляющий собой металлическую конструкцию из колонн, балок и связей. Колонны каркаса опирают на фундаменты и крепят с помощью опорных болтов. Каркас должен быть прочным, чтобы воспринять нагрузку металла котла, обмуровки, воды, и жестким, чтобы обеспечить устойчивость всей системы. Все части каркаса располагают вне обмуровки; температура их не должна превышать 70 0С. Части, находящиеся в зоне высоких температур, предохраняют от перегрева листовым асбестом или огнеупорной массой (торкретом).
Обмуровка – внешнее защитное ограждение котла и его элементов. Различают массивную обмуровку, изготовляемую из кирпича, и облегченную – из теплоизоляционных материалов. Массивная обмуровка состоит из двух слоёв: внутреннего (со стороны горячих газов), выкладываемого из огнеупорного кирпича (футеровка), и внешнего – из красного кирпича. В котлах современных конструкций применяют облегченную накаркасную, щитовую и натрубную обмуровку. Накаркасная обмуровка состоит из слоя шамотного кирпича, слоя легковесного теплоизолирующего кирпича или плит и наружной металлической обивки. Щитовую обмуровку выполняют из многослойных прямоугольных щитов, причем слой, обращенный в сторону горячих газов, делают из огнеупорного бетона. Натрубную обмуровку изготавливают на месте. Она состоит из слоя шамотной массы, слоя легкого теплоизоляционного материала, теплоизоляционной плиты и наружной газонепроницаемой обмазки.
Температура наружной поверхности обмуровки не должна превышать 55 0С, а в местах, часто посещаемых персоналом, - 45 0С.
1.3 Экономайзеры и пароперегреватели
1.3.1 Экономайзеры
Назначение экономайзеров – нагрев воды, идущей на подпитку котлов, или воды, поступающей в систему теплоснабжения, за счет тепла уходящих газов. Различают экономайзеры групповые, если они установлены на группу котлов или на все котлы котельной, и индивидуальные, если они установлены у каждого котла, т.е. входят в состав котлоагрегата. Более предпочтительны индивидуальные экономайзеры, работа которых в большей мере соответствует режиму работы котлоагрегата. Экономайзеры бывают чугунные и стальные. Чугунные экономайзеры применяют при давлениях воды, не превышающих 23 кгс/см2. Их собирают из ребристых чугунных труб длиной 1,5; 2; 2,5; и 3 м, соединяемых чугунными коленами (калачами). Стальные экономайзеры изготавливают в виде змеевиков из труб диаметром 28-38 мм. Устанавливают экономайзеры таким образом, чтобы движение уходящих газов было перпендикулярным относительно труб экономайзера. Змеевики стальных экономайзеров типовых конструкций изготавливают длиной 1820 мм. Отдельные пакеты змеевиков не должны иметь более 25 рядов и высоту более 1,5 м. Между пакетами предусмотрены разрывы 550-600 мм для размещения обдувочных устройств.
По принципу работы различают экономайзеры «кипящего» и «некипящего» типа. Экономайзеры «кипящего» типа соединены с котлом без запорных устройств, и в них допускается образование пара. В экономайзерах «некипящего» типа образование пар не допустимо. «Кипящими» могут быть только стальные экономайзеры; в них допускается вскипание и испарении до 25 % от общего количества питательной воды.
Групповые чугунные экономайзеры должны быть отключаемыми по воде и газу, т.е. должны иметь обводную линию питания котла и обводной газоход. Для индивидуальных чугунных экономайзеров наличие обводного газохода не обязательно, если имеется сгонная линия или другое устройство, позволяющее пропускать воду через экономайзер помимо котла.
Продукты газового топлива содержат большое количество водяных паров. При снижении температуры уходящих газов по пути их отвода ниже температуры точки росы образуется конденсат, вызывающий коррозию хвостовых поверхностей нагрева. Поэтому температура воды на входе в экономайзер любого типа должна быть не менее чем на 10 0С выше температуры точки росы уходящих газов в этом месте. Температура воды на выходе из чугунного экономайзера должна быть на 20 0С ниже температуры насыщенного пара в котле, чтобы избежать парообразования и гидравлических ударов в экономайзере.
Поэтому в котельных начали применять водяные экономайзеры (рисунок 2) контактного принципа действия, где нагрев воды происходит при непосредственном соприкосновении ее с уходящими газами. В этом случае кон-
денсируется часть водяных паров, содержащихся в уходящих газах и выделяющееся при этом тепло также идет на нагрев воды.

1 – коллектор; 2 – трубы змеевиков; 3 – стойки; 4 – опорная воздухоохлаждаемая балка
Рисунок 2 – Секция водяного экономайзера и его крепление

Водяные экономайзеры, предназначенные для подогрева питательной воды, обычно выполняют из стальных труб диаметром 28-38 мм, согнутых в вертикальные змеевики и скомпонованных в пакеты.
1.3.2 Воздухоподогреватели
Их обычно устанавливают за водяными экономайзерами в конце газового тракта. Воздухоподогреватели имеют большую поверхность нагрева, чем водяные экономайзеры, т.к. работают в условиях более низкой разности температур греющей и нагреваемой среды, а тепло от газов к воздуху передается хуже, чем от газов к воде.
В отопительно-производственных котельных устанавливают воздухоподогреватели, изготовленные из стальных труб диаметром 41 и 51 мм. Трубы вваривают или ввальцовывают в стальные трубные доски в шахматном порядке, образуя секцию или «куб». Уходящие газы проходят сверху вниз внутри труб, а нагреваемый воздух - по горизонтальным газоходам поперек труб. Воздухоподогреватель может состоять из одного или нескольких «кубов».

Рисунок 3 – Устройство регенеративного воздухоподогревателя
1 – ротор; 2 – неподвижный корпус; 3 – набивка; 4 – короба подвода и отвода воздуха и газа; 5 – секторные плиты, разделяющие газовый и воздушный потоки; 6 – механизм привода (редуктор, шестерня); 7 – сплошные перегородки ротора, препятствующие перемещению воздуха и продуктов сгорания

По принципу действия воздухоподогреватели разделяются на рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные – это, как правило, стальные трубчатые воздухоподогреватели (диаметр трубок 30-40 мм). Регенеративный воздухоподогреватель (рисунок 3) представляет собой медленно вращающийся (3-5 об/мин) барабан (ротор) с набивкой (насадкой) из гофрированных тонких стальных листов, заключенный в неподвижный корпус.
Регенеративный воздухоподогреватель отличается компактностью (до 250 м2 поверхности нагрева в 1 м3 набивки); он широко распространен на мощных энергетических котлоагрегатах.
1.4 Циркуляция воды в котлах
Одним из условий нормальной передачи тепла в котле является непрерывное движение воды и пароводяной смеси. Такое движение называется циркуляцией, а пути движения воды и пароводяной смеси – циркуляционными контурами. Циркуляция воды называется естественной, если она происходит за счет разности плотности воды на отдельных участках циркуляционного контура, и искусственной, осуществляемой с помощью предназначенных для этого насосов.
Водогрейные котлы, к которым присоединены небольшие системы отопления, могут работать при естественной циркуляции. В опускных (обратных) стояках системы, по которым движется охлажденная в нагревательных приборах вода, плотность ее больше, чем в падающем стояке, где вода имеет более высокую температуру и соответственно меньшую плотность. Эта разность плотностей воды и создает естественный напор в системе, вызывающий циркуляцию воды через котел.
Естественный напор в системах отопления невелик и, кроме того, меняется в зависимости от изменения температуры воды. Поэтому в отопительных котельных постоянное и равномерное перемещение воды обеспечивается, как правило, циркуляционным насосом. Естественная циркуляция в паровом котле обусловлена перемещением в сообщающихся сосудах воды за счет разности ее плотности. В наиболее простых по конструкции жаротрубных котлах, работающих в паровом режиме, где вода и пар находятся в одной емкости, внутренняя циркуляция воды происходит благодаря различной плотности пароводяных слоев вблизи поверхностей нагрева и воды более холодных зон в котле. Чтобы усилить это внутреннее перемещение воды, одножаротрубные котлы часто имеют смещенную относительно оси барабана жаровую трубу.
В общем случае циркуляционный контур включает (рисунок 4): верхний барабан (паросборник), из которого идет отбор пара; отпускные трубы, по которым вода поступает из барабана в нижний коллектор; подъемные трубы, по которым под действием циркуляционного напора пароводяная смесь поднимается в барабан. Питательная вода поступает в верхний барабан, но обязательно ниже зеркала испарения.
Парообразование происходит в подъемных трубах, которые подвергаются наиболее сильному воздействию горячих газов. Опускные трубы, наоборот, располагают в последних газоходах, где температура уходящих газов наиболее низкая, выносят за пределы обмуровки или защищают от нагрева тепловой изоляции.
Для надежной циркуляции и безопасной работы паровых котлов необходимо, чтобы во все подъемные трубы контура поступало достаточное количество воды, и было подведено соответствующее количество тепла. Это особенно важно для многобарабанных котлов со сложным контуром циркуляции, в которых имеется несколько опускных труб и несколько групп подъемных труб.
При недостаточном поступлении воды или слабом обогреве отдельных труб, например при зашлаковании их нижних частей, эти трубы могут оказаться частично заполненными пароводяной смесью, и в них образуется свободный уровень. На участке выше свободного уровня может произойти пережег трубы.
В подъемных, или кипятильных, трубах, имеющих малый уклон, может происходить расслоение пароводяной смеси, при этом в верхней части по сечению трубы будет собираться пар, а в нижней части – вода. Опасность расслоения заключается в перегреве верхних частей, т.к. пар плохо воспринимает тепло горячих газов, и осаждении в нижней части, при малых скоростях воды, шлама, который также ухудшает условия теплопередачи. Такие трубы подлежат более частой очистке от шлама и накипи.

1 – верхний барабан; 2 – подъемные трубы; 3 – свободный уровень; 4 – нижний коллектор; 5 – продувочная линия; 6 – опускная труба; 7 – питательная линия; 8 – зеркало испарения; 9 – паропровод.
Рисунок 4 – Схема естественной циркуляции в паровом котле

В крупных котлах с высоким давлением пара в барабане применяют искусственную (принудительную) циркуляцию с помощью специальных насосов. Вызвано это тем, что с ростом давления уменьшается разница между плотностями пар и воды, что приводит к падению движущего напора циркуляции. Котлы бывают с многократной принудительной циркуляцией и прямоточные. При искусственной циркуляции увеличивается скорость движения пароводяной смеси, все обогреваемые поверхности, в качестве которых используют и змеевики из труб малого диаметра работают более равномерно.
Количество проходящей через циркуляционный контур воды по массе всегда больше количества образовавшегося в этом контуре пара. Отношение количества воды, циркулирующей в единицу времени через контур, к количеству образовавшегося за это же время пара называется кратностью циркуляции. Например, если за 1 час образуется 3 т пара, а в контуре циркулирует 75 т воды, то кратность циркуляции составляет 75/3=25. В прямоточных паровых котлах отсутствуют барабаны, коллекторы, опускные трубы. Вода от места ее поступления в котел и до места выхода перегретого пара проходит ”прямым током”, при этом количество образовавшегося пара точно соответствует количеству подаваемой воды, т.е. кратность циркуляции равна 1. Особенностями таких котлов являются необходимость питания их абсолютно чистой водой, полностью освобожденной от химических примесей, а также регулирования режима работы.
1.5 Обоснование необходимости контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров
Регулирование питания котельных агрегатов и регулирование давления в барабане котла главным образом сводится к поддержанию материального баланса между отводом пара и подачей воды. Параметром, характеризующим баланс, является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. При повышении давления, снижение уровня ниже допустимых пределов, может привести к нарушению циркуляции в экранных трубах, в результате чего произойдет повышение температуры стенок обогреваемых труб и их пережег. Повышение уровня также ведет к аварийным последствиям, так как возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя.
Система автоматического регулирования разряжения в топке котла сделана для поддержания топки под наддувом, то есть чтобы поддерживать постоянство разряжения (примерно 4 мм.вод.ст.). При отсутствии разряжения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.
Сигнализация параметров и защиты, действующие на остановку котла, физически необходимы, так как оператор или машинист котла не в силах уследить за всеми параметрами функционирующего котла. Вследствие этого может возникнуть аварийная ситуация. Например, при спуске воды из барабана, уровень воды в нем понижается, вследствие этого может быть нарушена циркуляция и вызван пережег труб донных экранов. Сработавшая без промедления защита, предотвратит выход из строя парогенератора. При уменьшении нагрузки парогенератора, интенсивность горения в топке снижается. Горение становится неустойчивым и может прекратиться. В связи с этим предусматривается защита по погашению факела.
Надежность защиты в значительной мере определяется количеством, схемой включения и надежностью используемых в ней приборов. По своему действию защиты подразделяются на действующие на остановку парогенератора; снижение нагрузки парогенератора; выполняющие локальные операции.
1.6 Совершенствование паровых двигателей и котельных установок.
Поршневая паровая машина выступает в рассматриваемый период и в прежней своей роли как двигатель, непосредственно приводящий в
действие рабочие машины посредством механической передачи, и в новой роли первичного двигателя, приводящего в действие электро¬генератор (динамо-машину), энергия которого передавалась мо¬тору. В наиболее развитых странах это новое применение паро¬вых машин становится решающим.
Однако и сам паровой двигатель, и обслуживающая его ко¬тельная установка оказалась теперь не в состоянии полностью удовлетворить предъявляемые к ним требования.
Для увеличения выработки электроэнергии и выполнения новых задач, поставленных промышленностью, требовалось увеличение мощности первичных двигателей, приводивших в действие электро¬генераторы. Машиностроители добились повышения КПД и увеличе¬ния мощности паровых машин.
Компаунд-машины двойного и тройного расширения достигали теперь мощности от 6 до 8 тыс. л. с. Строились паровые машины с числом оборотов от 200 до 600 в минуту, предназначенные спе¬циально для электростанций. Все большее распространение полу¬чало применение перегретого пара. В конце XIX в. немецкий ин¬женер В. Шмидт изобрел новый паровой котел с пароперегревате¬лем (температура перегрева пара в этом котле достигала 350°) и соответствующую паровую машину.
В 1908 г. инженер Штумпф в Германии сконструировал прямо¬точную паровую машину.
Большие успехи отмечались и в области котлостроения. Производительность паровых котлов была значительно увеличена, повышено рабочее давление пара. Особенно удачными оказались конструкции секционных водотрубных котлов, сконструированный фирмой «Бабкок и Вилькокс» в Англии, Стирлингом в США и Гарбе в Германии. Большой вклад в создание котлов внес В. Г. Шухова, разработав надежный котел малой металлоемкости и обладающий хорошей транспортабельностью. Котел конструкции Шухова собирался на месте из отдельных секций. Поверхность нагрева наиболее крупных котлов этого времени достигала 1—2 тыс. м2
Однако силовые установки с поршневыми паровыми машинам имели значительные недостатки: оставались относительно тихоходными, тогда как промышленность и транспорт ощущали растущую потребность в быстроходных двигателях. На изготовление поршневых машин расходовалось много металла, а неоднократные попытки снижения их веса не давали должного эффекта, хотя это представлялось особенно важным для зарождавшихся автомобильного транспорта и авиации.
Не удавалось преодолеть и громоздкость двигателей. Так, при сооружении в 1898 г. в Нью-Йорке электростанции мощностью 30 тыс. кВт пришлось установить 12 паровых машин и 87 котлов, для чего потребовалось здание в несколько этажей. Это обусловило разработку новых типов первичных двигателей, более быстроходных, компактных и экономичных.
1.6.1 Новые тепловые двигатели. Паровые турбины.
В рассматриваемый период впервые были созданы и получили применение паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания, которым суждено было сыграть в дальнейшем огромную роль в промыш¬ленности, в транспорте, в сельском хозяйстве, в военном деле.
Активная паровая турбина была изобретена шведским инжене¬ром К. П. Густавом де Лавалем в 1883—1889 гг.
В 1884—1885 гг. англичанин Ч. О. Парсонс (1854—1931) изобрел реактивную многоступенчатую паровую турбину. Дальнейшая I работа по усовершенствованию этой турбины привела Парсонса к созданию в 1894 г. нового образца реактивной турбины, которая и стала основным типом паровых турбин того времени.
Паровые турбины при производстве электроэнергии объединя¬ли на одном валу с электрогенератором. Так был соз¬дан турбогенератор, испытание которого было проведено в 1890 г. на Эльберфельдской электростанции в Германии.
Паровые турбины продолжали совершенствоваться и дальше (системы О. Рато —1899 г., Ч. Кертиса — нач. XX в. и др.).
С начала XX в. возникает систематическое фабричное про¬изводство паровых турбин в Германии, Швейцарии, Чехосло¬вакии, входившей тогда в состав Австро-Венгрии, США и Фран¬ции.
В России собственное производство паровых турбин и турбо-генераторов было налажено слабо. Использовали в основном им¬портное оборудование. Первый отечественный турбогенератор сис¬темы французского инженера О. Рато (1899) был построен лишь в 1907 г. К началу первой мировой войны турбина мощностью 1 тыс. л. с. в России считалась очень крупной, тогда как за грани¬цей строились паровые турбины на 40-50 тыс.л. с.
Использование турбогенераторов дало возможность увеличить мощность электростанций, поднять напряжение, увеличить даль¬ность передачи электроэнергии.

2 Принципиальная схема котельной установки

Котельные установки могут быть либо основным элементом тепловой электростанции, либо выполнять самостоятельные функции. Например, отопительные котельные установки служат для обеспечения отопления и горячего водоснабжения, промышленные – для технологического тепло- и пароснабжения и т.д. В зависимости от назначения котельная установка состоит из парового или водогрейного котла и соответствующего вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу.
Паровой (водогрейный) котел – это устройство, в котором для получения пара (горячей воды) требуемых параметров используют теплоту, выделяющуюся при сгорании органического топлива или отходящих газов.
Для удобства схему котельной установки рассматривают в виде отдельных трактов соответствующего назначения: топливного, газового, пароводяного и золошлакоудаляющего. На рис.1 представлена технологическая схема котельной установки барабанного котла высокого давления со сжиганием твердого топлива в пылевидном состоянии.
Основными элементами парового котла являются поверхности нагрева – теплообменные поверхности, предназначенные для передачи теплоты от теплоносителя к рабочему телу (вода, пароводяная смесь, пар или воздух).
Совокупность последовательно расположенных по ходу рабочего тела поверхностей нагрева соединяющих их трубопроводов составляет пароводяной тракт парового котла. В основной пароводяной тракт входят: экономайзер, барабан, отводящие трубы, опускные трубы, распределительный коллектор, трубы топочных экранов, потолочный и конвективный пароперегреватели.
Топливный тракт котла представляет собой совокупность оборудования для транспорта и подготовки его для сжигания. Воздушный тракт работает под избыточным давлением, развиваемым дутьем вентилятора. Подогрев воздуха в воздухоподогревателе позволяет обеспечить сушку топлива и повысить интенсивность и экономичность горения топлива.
По виду сжигаемого топлива различают паровые котлы для газообразного, жидкого и твердого топлива. По особенностям газовоздушного тракта различают котлы с естественной, уравновешенной тягой и с наддувом. По виду пароводяного тракта различают барабанные и прямоточные котлы. На рис.2 представлены схемы пароводяных трактов паровых котлов. В настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС) и теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) наибольшее применение нашли барабанные котлы, в которых зафиксирована граница раздела между паром и водой.

Рис. 2. Схемы пароводяного тракта паровых котлов:
а) барабанного с естественной циркуляцией, б) барабанного с принудительной циркуляцией, в) прямоточного; 1 – питательный насос, 2 – экономайзер, 3 – барабан, 4 – опускные трубы, 5 – коллектор, 6 – подъемные трубы испарительной поверхности нагрева, 7 – пароперегреватель, 8 – циркуляционный насос.

Паровые котлы характеризуются основными параметрами: номинальной производительностью, давлением, температурой пара (основного и промежуточного перегрева) и питательной воды. По параметрам рабочего тела различают котлы низкого (менее 1 МПа), среднего (1-10 МПа), высокого (10-22,5МПа) и сверхкритического давления (более 22,5 МПа). Наиболее характерные особенности и основные параметры вводятся в его обозначения. В принятых по ГОСТ 3619-82 обозначениях указывается тип котла, паропроизводительность (т/ч) и давление (МПа), температура перегрева, вид сжигаемого топлива и некоторые другие особенности.

3 Расчет котельного агрегата [12]
Расчет процесса горения топлива

Исходные данные:
Рп.п., МПа tп.п.,
oC t п.в.,
oC t ух,
oC P к.у., МПа αm Паропроизводительность D, т/ч Присос воздуха 
10,0 500 90 145 1,1 1,15 40 0,30

Таблица 1 – Характеристика Саратовского природного газа
Состав газов, % по объему Теплота сгорания сухого газа, МДж/м3
СО СН4 С2Н2 С2Н4 С3Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н11 N2
0,2 90,0 2,0 2,0 1,2 0,7 0,4 0,2 3,3 35,8

Таблица 2 – Средние изобарные объемные теплоемкости газов

t,0C Свозд.,
кДж/(м30С) Сазот.,
кДж/(м30С) Суг.газ,
кДж/(м30С) Свод.пар.,
кДж/(м30С)
1400 1,45 1,44 2,31 1,82
2000 1,501 1,48 2,42 1,96
200 1,307 1,303 1,73 1,52
145 1,3034 1,3019 1,7170 1,5129

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

ayx=am+Da; (1)
ayx= 1,15+0,3=1,45.
Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1м3 газообразного топлива

(2)

Объем трехатомных газов

(3)

Теоретический объем азота
(4)
м3/м3.
Объем избытка воздуха
(5)
м3/м3.
Объем водяных паров
; (6)

Объем продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м3 (при нормальных условиях) топлива
(7)

Vг=1,065+7,710+2,134+4,373=15,282 м3/м3.

Плотность топочного газа при нормальных условиях

(8)

Масса дымовых газов при сжигании газообразного топлива
Gг=rm+1,306×ayx×V0; (9)

Gг=0,793 +1,306×1,45×9,718= 19,195кг/м3.
Определяем теоретическою температуру горения топлива для этого находим энтальпию продуктов сгорания при температурах 14000С и 20000С по формуле
; (10)
где С- средние объемные изобарные теплоемкости компонентов уходящих
газов. [1]
(1,065×2,3136+7,710×1,4407+2,134×1,828+
4,373×1,4528)×1400=33350,249 кДж,
(1,065×2,4221+7,710×1,4888+2,134×1,9628+
+4,373×1,5010)×2000=49619,823 кДж.

По полученным значениям строим график зависимости энтальпии от температуры hп.с=f(t) (рисунок 2).

Рисунок 1 – Диаграмма h-t продуктов сгорания
Энтальпию продуктов сгорания определяем из теплового баланса топки
, (11)

где hm – физическое тепло топлива, ввиду его малости принимаем hm=0 [1]
hвоз – физическое тепло воздуха
hвоз=am×C'воз×tвоз×V0; (12)

hвоз=1,15×1,3071×200×9,718=2921,55кДж/м3,
отсюда
hmп.с=35800+2921,55=38721,55кДж/м3.
Зная hnc=38721,55кДж/м3 оп¬ре¬де¬ля¬ем по диа¬грам¬ме (рисунок 1) тео¬ре¬ти-че¬скую тем¬пе¬ра¬ту¬ру го¬ре¬ния, tтеор=1601,05 0C.

Определяем энтальпию уходящих газов
С воздухоподогревателем
; (13)

hyx =(1,065 ×1,7170+7,710×1,3019+2,134×1,5129+(1,45-1)
4,373× 1,3034) ×145 = =2560,602 кДж/м3.

Без воздухоподогревателя
(13/)
где t´yx – температура уходящих газов без воздухоподогревателя
; (14)

отсюда

h´yx=(1,065×1,8451+7,710×1,3084+2,134×1,5364+
+(1,15-1)×4,373×1,3141)×273,71=4833,467 кДж/м3.
Тепловой баланс котельного агрегата [1]
Тепловой баланс котельного агрегата рассчитывается по уравнению

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5; (15)
аналогично в процентах
100%=q1+q2+q3+q4+q5+q6, (16)

где q1 – по¬лез¬но ис¬поль¬зо¬ван¬ная те¬п¬ло¬та;
q2 – по¬те¬ри с ухо¬дя¬щи¬ми га¬за¬ми;
q3 – по¬те¬ри те¬п¬ло¬ты от хи¬ми¬че¬ской не пол¬но¬ты сго¬ра¬ния при¬ни¬ма-ем
q3=1,75;
q4 – по¬те¬ри те¬п¬ло¬ты от ме¬ха¬ни¬че¬ской не¬пол¬но¬ты сго¬ра¬ния, принима¬ем
рав¬ным ну¬лю;
q5 – по¬те¬ри те¬п¬ло¬ты от на¬руж¬но¬го ох¬ла¬ж¬де¬ния, для па¬ро¬про¬из¬во-ди¬-
тель¬но¬сти D=40 т/ч при¬ни¬ма¬ем зна¬че¬ние рав¬ное 1,0;
q6 – по¬те¬ри с фи¬зи¬че¬ским те¬п¬лом шла¬ка, при¬ни¬ма¬ем рав¬ным ну¬лю. [1]
Потери теплоты с уходящими газами определяем для случаев
С воздухоподогревателем
; (17)

Без воздухоподогревателя
, (17/)
где h0=0 при t0=00C. [1]

К.П.Д. брутто котельного агрегата
С воздухоподогревателем
К.А.=q1=100-(q2+q3+q4+q5+q6); (18)

К.А.=100-(7,153+1,75+1)=90,1%.

Рисунок 2 - Тепловой баланс котельного агрегата

Без воздухоподогревателя
1К.А.=q1=100-(q2+q3+q4+q5+q6); (18/)

1К.А.=100-(13,501+1,75+1)=83,75 %.

Часовой расход натурального тепла
С воздухоподогревателем
, (19)
где hпп – эн¬таль¬пия пе¬ре¬гре¬то¬го пара, оп¬ре¬де¬ля¬ется при tпп и Pпп, hпп=1407,7
кДж/кг;
hпв – эн¬таль¬пия пи¬та¬тель¬ной во¬ды при tпв и Pпп, hпв=390,7 кДж/кг;
h/– эн¬таль¬пия во¬ды в ко¬тель¬ном аг¬ре¬га¬те при¬ни¬ма¬ем рав¬ной эн¬таль¬пии
пи¬та¬тель¬ной во¬ды при тем¬пе¬ра¬ту¬ре на¬сы¬ще¬ния tн и Pпп, =2725
кДж/кг. [2]

Без воздухоподогревателя

; (19/)

По полученным данным строим тепловой баланс котельного агрегата (рисунок 1, приложения).

4 Упрощенный эксергетический баланс котельного агрегата
Эксергию топлива принимаем равной его теплоте сгорания [1]

; (20)

exm=35800 кДж/м3.

Эксергия тепла продуктов сгорания определяется по зависимости
; (21)
где Т0 - температура окружающего воздуха, Т0=273 К;
Ттеор- теоретическая температура горения, Ттеор=1874,05 К.

Потери при адиабатном горении (без учета потерь эксергии за счет теплообмена топки с окружающей средой)
dexгор=exm-exг; (22)

dexгор=35800-30584,87=5215,13 кДж/м3,
или в процентах
(23)

Определяем уменьшение эксергии продуктов сгорания за счет теплообмена в нагревательно - испарительной части
, (24)
где Сг - средняя изобарная массовая теплоемкость газов,
Сг=1,16 кДж/(кг0С)
Т´ух - температура уходящих газов без воздухоподогревателя,
Т´ух=546,91К

Приращение эксергии в процессе превращения воды в перегретый пар

(25)

где Sп.п.,Sп.в – удельная энтропия перегретого пара и питательной воды
соответственно, определяется по таблицам термодинами-
ческих свойств воды и водяного пара, Sп.п=6,596 кДж/(кгК),
Sп.в=1,183 кДж/(кгК). [2]

Потеря эксергии от теплообмена по водопаровому тракту

; (26)

или в процентах
(27)

Умень¬ше¬ние эк¬сер¬гии про¬дук¬тов за счет те¬п¬ло¬об¬ме¬на в воз¬ду¬хо¬по¬дог¬ре-вателе
; (28)

Увеличение эксергии воздуха в воздухоподогревателе
; (29)

.
Потеря эксергии за счет теплообмена в воздухоподогревателе

dexвоз¬=ex”Г-exвоз; (30)

dexвоз¬=1270,363-736,228=534,135 кДж/м3,
или в процентах
; (31)

Составим эксергетический баланс котельного агрегата и определяем эксергию уходящих газов,
exm=exп.п.+dexгор+dexп+dexвоз+exyx, (32)
отсюда
exyx=exm-(exп.п.+dexгор+dexп+dexвоз); (33)
exyx=35800-(14421,972+5215,13+8292,732+534,135)=7336,035 кДж/м3.
или в процентах
;

Эк¬сер¬ге¬ти¬че¬ский К.П.Д. ко¬тель¬но¬го аг¬ре¬га¬та оце¬ним че¬рез сред¬нетер¬мо-ди¬на¬ми¬че¬скую тем¬пе¬ра¬ту¬ру при те¬п¬ло¬про¬во¬де
; (34)

Эксергетический к.п.д. котельного агрегата
С воздухоподогревателем
; (35)

Без воздухоподогревателя
; (36)

Строим диаграмму потоков эксергии в масштабе (рисунок 3, приложения).

Рисунок 1 – Эксергетическая диаграмма Грассмана для процесса

5 Расчёт газотрубного котла-утилизатора

Выбор типа котла. Газы пред котлом-утилизатором имеют невысокую температуру , а абсолютное давление насыщенного пара составляет всего 0,55…1,4 МПа. Этим условиям наиболее удовлетворяет газотрубный котёл-утилизатор с большим водяным объёмом. Такой тип котла отличается простотой обслуживания и большой надёжностью.

Объём продуктов сгорания принимаем согласно расчёту и по расходу газов через котёл-утилизатор
(43)

Выбираем котёл-утилизатор Г-420.

Определяем среднюю температуру продуктов сгорания в котле-утилизаторе

(44)

Вычислим теплофизические свойства продуктов сгорания при по табличным данным интерполяцией
коэффициент теплопроводности,

коэффициент кинематической вязкости,

средняя объёмная теплоёмкость дымовых газов,

критерий Прандтля,

Выбираем скорость движения продуктов сгорания по дымовым трубам
W=30 м/с.
Определяем необходимую площадь поперечного сечения дымовых труб
(45)

Принимаем диаметр дымогарных труб котла-утилизатора , тогда количество дымогарных труб определяется
(46)
.
Полученное количество сравниваем с величиной, имеющейся в технической характеристике
920< 1044,
что удовлетворяет условию .

Коэффициент теплоотдачи конвекций от продуктов сгорания к стенкам дымогарных труб при продольном движении газа в трубах
(47)
где и поправочные коэффициенты ( ; ).

Коэффициент теплопередачи от газов к воде через дымогарные трубы
(48)
где коэффициент загрязнения поверхности нагрева (опытная величина ).

Теплота, переданная продуктами сгорания испаряемой водой в котле-утилизаторе
(49)

Величина температурного напора (° С) определяется по зависимости
(50)
где разность температур сред на том конце поверхности нагрева, где она наибольшая, ° С;
разность температур сред на другом конце поверхности нагрева, где она наименьшая, ° С.
Определяем

Вычисляем температурный напор

Рисунок 1 – Схема относительного движения сред и изменения их температур вдоль поверхности нагрева

Принимая потери тепла котлом-утилизатором в окружающую среду равной 10%, определяем поверхность нагрева котла-утилизатора
(51)

Длина дымогарных труб (м) вычисляется по зависимости
; (52)

Паропроизводительность котла-утилизатора определяется из уравнения теплового баланса
, (53)
где удельная энтальпия сухого насыщенного пара при температуре насыщения и Р , определяем

удельная энтальпия питательной воды, определяем

Следовательно
(54)

Известно, что эксергетический к.п.д. проточного теплообменника (теплогенератора) равен отношению изменения эксергии нагревающего (горячего) тела. Тогда при отсутствии тепловых потерь в котле-утилизаторе эксергетический к.п.д. выразится следующим образом

(55)

где S’’ – удельная энтропия сухого насыщенного пара при температуре насыщения и Р , определяем
S``=6,554кДж/(кг К);

Потери эксергии за счёт теплообмена в котле-утилизаторе
(56)

(57)

Или в %
(58)

Эксергетический баланс котельного агрегата, работающего без воздухоподогревателя, но с котлом-утилизатором, имеет следующий вид
(59)
(60)

Или в %
(61)

Эксергетический к.п.д. котельного агрегата с котлом-утилизатором
(62)

По результатам расчётов проводим анализ влияния энергосберегающего оборудования на эффективность и энергетическое совершенство котельной установки:
Эксергетический к.п.д. котельного агрегата с воздухоподогревателем равен %, а без воздухоподогревателя %. Эксергетический к.п.д. котельного агрегата с котлом-утилизатором
Энергосберегающее оборудование (котёл-утилизатор) на энергетическое совершенство котельного агрегата влияет незначительно, установка данного котла нецелесообразно.

6 Описание работы котла-утилизатора и вспомогательного оборудования
6.1 Ко¬тел-ути¬ли¬за¬тор Г-420 [10]
Го¬ри¬зон¬таль¬ный га¬зо¬труб¬ный ко¬тел-ути¬ли¬за¬тор Г-420 ис¬поль¬зу¬ют для ох¬ла¬ж¬де¬ния тех¬но¬ло¬ги¬че¬ских га¬зов с це¬лью кон¬ден¬са¬ции па¬ров се¬ры и вы¬ра-бот¬ки на¬сы¬щен¬но¬го па¬ра в про¬цес¬се обез¬вре¬жи¬ва¬ния от¬брос¬ных се¬ро¬во¬до¬род-ных га¬зов. Ис¬па¬ряю¬щие по¬верх¬но¬сти в этом кот¬ле рас¬по¬ло¬же¬ны в ба¬ра¬ба¬не 3 и по хо¬ду га¬зов раз¬де¬ле¬ны на две от¬дель¬ные рав¬ные сту¬пе¬ни. Вход¬ная га¬зо¬вая ка¬ме¬ра 1 и вы¬ход¬ная ка¬ме¬ра 6 снаб¬же¬ны раз¬де¬ли¬тель¬ны¬ми пе¬ре¬го¬род¬ка¬ми 2,5 и шту¬це¬ра¬ми с па¬ро¬вым обог¬ре¬вом для от¬во¬да жид¬кой се¬ры. Се¬по¬ра¬ци¬он¬ное уст¬рой¬ст¬во рас¬по¬ло¬же¬но внут¬ри па¬ро¬во¬го объ¬е¬ма ба¬ра¬ба¬на 3 и вы¬пол¬не¬но в ви¬де па¬ро¬при¬ем¬но¬го цель¬но¬го ко¬ро¬ба и дыр¬ча¬тых лис¬тов. В ра¬диа¬ци¬он¬ную ка-ме¬ру сни¬зу вхо¬дят га¬зы, ко¬то¬рые сна¬ча¬ла ох¬ла¬ж¬да¬ют¬ся в ней. Боль¬шой объ¬ем этой ка¬ме¬ры по¬зво¬ля¬ет иметь по¬вы¬шен¬ную тем¬пе¬ра¬ту¬ру из¬лу¬чаю¬ще¬го слоя и по¬вы¬шен¬ную сте¬пень чер¬но¬ты га¬за. Пер¬вич¬ное ох¬ла¬ж¬де¬ние га¬зов не¬об¬хо¬ди¬мо для за¬твер¬де¬ва¬ния уно¬си¬мых из пе¬чи рас¬плав¬лен¬ных час¬тиц шла¬ка или тех¬но-ло¬ги¬че¬ско¬го про¬дук¬та до при¬ли¬па¬ния их к хо¬ло¬диль¬ным змее¬ви¬кам и за¬твер¬де-ва¬ния на них.
6.2 Воздухоподогреватель [10]
Воздухоподогреватель выполнен из тонкостенных труб ( =1,5 мм), герметически заделанных в отверстия трубных досок с помощью приварки, взрывом или иным способом. Нижняя трубная доска является опорной, устанавливаемой на горизонтальные балки, соеди¬ненные с вертикальными колоннами каркаса котла.
По трубам движутся продукты сгорания, а в межтрубном пространстве в поперечном направлении проходит воздух. Воздух может совершать несколько перекрестных ходов, для чего устанавливаются промежуточные трубные доски. Снару¬жи от окружающей среды воздухоподогреватель огражден перепускными коробами и металлическими стенками. При работе котла трубы вследствие нагрева удлиняются вверх, перемещая промежуточные и верхнюю трубные доски. Также удлиняются металлические перепускные короба и ограждения. Для обеспечения свободного перемещения трубной системы при сохранении плотности между газоходами и внешней сре¬дой, а также между воздушной и газовой средами предусмат¬ривается установка компенсаторов и , которые выполняют, например, в виде сегментов-линз, привариваемых по всему периметру с одной стороны к балкам перепускного короба, а с другой — к стенке газохода или к труб¬ной доске. Компенсаторы могут выполняться также в виде уплотняющейся набивки или погружного типа, например в песок. При сжи¬гании топлив с абразивной золой наблюдается износ входных участков труб воздухоподогревателя у верхней трубной доски, для снижения которого устанавливают трубные вставки, а пространство между вставками заполняют сверху плотной массой, например бетоном.
Нижняя часть воздухоподогревателя может подвергаться коррозии со стороны входа холодного воздуха, так как с внут¬ренней стороны труб могут конденсироваться влага и пары серной кислоты (при наличии серы в топливе). Чтобы умень¬шить низкотемпературную коррозию, воздух, входящий в воздухоподогреватель, подогревают в специальных калори¬ферах или смешивают с горячим воздухом (рециркуляцией горячего воздуха на вход в дутьевой вентилятор). С целью уменьшения затрат на ремонт из-за коррозии нижний ход воздухоподогревателя делают отдельным, подвесным к балкам каркаса.
6.3 Пароперегреватель [11]
Пароперегреватель представляет собой систему стальных труб длиной каждая до 40—50 м и более с наружным диаметром от 28 до 42 мм, изогнутых в виде змеевиков, концы которых присоединяются к стенкам коллекторов. Толщина стенки труб определяется из расчета на прочность.
Пароперегреватель выполнен с вертикальным расположением параллельно включенных труб (змеевиков). Достоинством такого расположения змеевиков является эффективное поперечное омывание их газами, упрощение крепления, экономия жароупорных сталей и минимальное загрязнение поверхностей перегревателя летучей золой.
Насыщенный пар из пароохладителя поступает во второй по ходу газов пакет змеевиков, после чего происходит перемешивание пара в промежуточных коллекторах. Из них пар направляется в первый по ходу газов пакет пароперегревателя, а оттуда — в коллекторы перетрете пара. По типу взаимного направления движения потоков пара и газов выбираем прямоточный пароперегреватель. При такой схеме оба потока движутся в одну сторону, при этом пар с наинизшей температурой (насыщенный пар) поступает в змеевики, расположенные в зоне максимальных температур газов, а пар с наивысшей температурой (перегретый пар на выходном участке) выходит из змеевиков, расположенных в зоне наиболее низких температур газов.
Ответственной частью кон¬струкции пароперегревателей является крепление змееви¬ков. Крепление вертикальных змеевиков выполняется срав-нительно просто путем подве¬шивания их к каркасу котла за концы верхних петель. Так как последние почти вплотную подходят к потолку газохода, то подвески выне¬сены из зоны активного обо¬грева, и температура металла их может быть значительно ниже температуры газов, омывающих пароперегрева-тель.
Для предотвращения коробления и прогибов змеевиков и фиксации определенного расстояния между ними на нижние петли змеевиков укла¬дывают дистанционирующие гребенки, скрепляемые при помощи хомутов. Если часть верхних петель вертикальных змеевиков пароперегревателя поместить в обмуровке котла, то получается значительная экономия леги¬рованной стали, идущей на изготовление подвесок.
6.4 Змеевиковый экономайзер [11]
В современных котельных агрегатах применяют главным образом стальные гладкотрубные экономайзеры, оказавшиеся наиболее простыми и надежными в эксплуатации и наиболее удобными при их компоновке.
Конструктивно стальные гладкотрубные экономайзеры представляют собой изогнутые в виде змеевиков трубы, концы которых объединяются соответственно входными и выходными коллекторами. Большей частью применяют обычные простые змеевики с изгибами в одной плоскости. Радиус изгиба во избежание чрезмерного утонения труб не должен быть меньше двух диаметров трубы. Величина радиуса изгиба в пакетах из одинарных змееви¬ков определяет продольный шаг труб. Поперечный шаг определяется конструкцией подвесок или опор, размещаемых между змеевиками.
Данный водяной экономайзер предназначен для подогрева питательной воды, выполняется из стальных труб диаметром 28 - 38 мм при толщине стенки 2,5-4 мм, согнутых в виде змеевиков и их дистанционирование осуществляется опорными балками. В экономайзере с нижним и верхним коллекторами до 20% воды может превращаться в пар. По условиям надежности работы ме-талла труб скорость воды ее должна быть не ниже 0,4-0,5 м/с. При W<0,5 м/с на¬блюдается расслоение воды на жидкость и пар. Газы, растворенные в воде, при нагреве выделяется и собирается верхний части трубы. Возникает вероятность возникновения газовой кислородной коррозии металла с последующим образо¬ванием свищей в трубах. Кроме того, наличие газовой ''подушки'' в трубе может привести к перегреву стенки экономайзера и ее разрыву, так как газ отводит теп¬лоту от металла гораздо хуже воды. Внешняя очистка труб осуществляется пе¬риодическим включением дробеочистки. Вода из экономайзера отводится по трубе. Дымовые газы, поступающие в поперечном направлении подогревают воду в змеевиках и подогретая вода отводится далее. Данные дымовые газы по¬ступают в воздухонагреватель для дальнейшего охлаждения.
С целью интенсификации процессов передачи тепла от газов к воде, лучшего использования объема конвективных газоходов и уменьшения загрязнения размещаемых в них поверхностей нагрева целесообразно применять для водяных экономайзеров трубы возможно меньшего диа¬метра. По этой причине в последние годы вместо применявшихся ранее труб для водяных экономайзеров наружным диаметром 60 и 51 мм перешли к трубам диаметром 38, 32 и даже 28 мм.
Крепление труб к коллекторам в современных конструкциях выполняется только на сварке, причем обычно змеевики привариваются к специальным штуцерам, приваренным к коллекторам.
Крепление змеевиков экономайзеров выполняется с помощью опорных стоек или подвесок. Опорные стойки применяются как для нижних, так и верхних пакетов экономайзеров и выполняются из угольников с вырезами или из штампованных полос, охватывающих трубы змеевиков. Подвесные крепления змеевиков применяются, как правило, только для нижних пакетов экономайзеров, находящихся в зоне сравнительно не¬высоких температур. Дистанционирование змеевиков производится при¬варкой специальных гребенок к опорным стойкам.
Крепежные стойки подвешивают или опирают на полые охлаждае¬мые воздухом горизонтальные балки, которые должны иметь возможность свободно расширяться и обеспечивать при этом достаточную плотность при проходе через обмуровку.
6.5 Газовая горелка [12]
Сжигание топлива осуществляется с помощью устройств, наз

Не Пропустите: