1 Общие сведения
1.1 Описание котельной
Проект предусматривает установку котла Eurotherm 7/115 взамен демонтированного ДЕ-16-14ГМ. На момент проектирования технического перевооружения котельной работы по демонтажу котла ДЕ -16-14ГМ и газопроводов для данного котла были выполнены.
Врезка предусматривается угловым соединением У17 по
ГОСТ 16037-80 в существующий газопровод среднего давления
(Р=0,005-0,3 МПа) O150.
В котельной предусматривается установка котла Eurotherm 7/115, мощностью 7,6 МВт в дополнение к существующим двум котлами
ДКВР 10-13, мощностью 7,3 МВт каждый. Суммарная мощность котельной составит 22,2 МВт. Проектируемый котел комплектуется горелкой "Energy" IBSM1000 с диапазоном регулирования 245-980,0 м3/час.
Существующая газорегуляторная установка (для котлов ДКВР 10-13) на базе регулятора давления РДУК-200 настроена на выходное давление
0,003 МПа (0,03 кгс/см?). Предохранительный запорный клапан ПЗК настроен на давление 3,75 кПа - верхний предел. Предохранительно сбросной клапан настроен на давление 3,45 кПа.
Для снижения давления газа до рабочего перед проектируемым котлом Eurotherm 7/115 в котельной проектируется газорегуляторная установка на базе регулятора давления РДБК-100/70 с пропускной способностью, при рабочем давлении, G=5632 м3/час. Регулятор настроить на выходное давление 0,03 МПа (0,3 кгс/см?). Предохранительный запорный клапан (ПЗК) настроить на давление 37,5 кПа - верхний предел, 14,0 кПа – нижний предел. Предохранительно сбросной клапан настроить на давление 34,5 кПа. Параметры настройки уточнить при наладке оборудования.
Общий коммерческий учет газа предусмотрен измерительным комплексом ГиперФлоу-3ПМ с преобразователем перепада давления Rosemount. Пропускная способность измерительного комплекса газа при рабочем давлении Qmax=3840,0 м?/ч Qmin=135,0 м?/ч.
Высота помещения котельной – 8,5 м. Помещение котельной выполнено ограждающими конструкциями с пределом огнестойкость REI=45, предел распространения огня равен 0. Естественное освещение при толщине стекла 3 мм принято из расчета не менее 0,03 м2 на 1,0 м3 объема помещения.
На вводе в котельную на существующем газопроводе предусмотрена установка:
- термозапорного клапана O200;
- быстродействующего отсечного клапана O200, отключающего подачу газа при повышении предельно допустимой концентрации СН4 выше 10 %
НКПР (Нижний концентрационный предел распространения пламени) и СО более 100 мгр/м3;
- фильтр газовый ФН-6М, ?200, производства ООО «ТермоБрест».
Дымоудаление от проектируемого котла осуществляется через дымовую трубу DN 800, Н=30 м. Дымоудаление от существующих котлов
ДКВР 10-13 - через общую дымовую трубу DN1400, Н=30 м.
Диаметр проектируемых участков газопровода принят согласно гидравлическому расчету, и обеспечит бесперебойное газоснабжение всех потребителей в часы максимального потребления газа.
Для прокладки газопровода в проекте приняты трубы: DN 15?3,2,
DN 20?3,2 и DN 25?3,2 по ГОСТ 3262-75 и O57?4,0, O89?4,0, O108?4,0 и O159?4,5 по ГОСТ 10704-91, имеющие сертификаты качества завода-изготовителя.
Транспортируемая среда – природный газ.
?
2 Тепловой расчет котельного агрегата Eurotherm 7/115
2.1 Исходные данные для расчета
Расчетные характеристики топлива котельного агрегата приведены
в таблице 1.
Т а б л и ц а 1 - Расчетные характеристики топлива.
Состав газа по объему, % Низшая теплота сгорания газа, Плотность газа при н.у.,
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 N2 СО2
94 2,8 0,4 0,3 0,1 2 0,17 36260 0,764
Основные характеристики котла Eurotherm 7/115.
Теплопроизводительность, МВт 7,56
Температура сетевой воды, ?С
на входе в котел, ??
на выходе из котла, ??
70
115
Давление сетевой воды, МПа 1,6
Номинальный расход воды через котел, м3/ч 144
Топливо природный газ
Температура уходящих газов, ?С 125
?
2.2 Конструктивные характеристики котельного агрегата.
Котлы выполнены в газоплотном исполнении, имеют горизонтальную компоновку. Выбор материалов для изготовления деталей обоснован расчетом на прочность элементов котла, работающих под давлением, выполненным по нормам расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды РД 10-249-98. Блок топочный, состоящий из фронтового и двух боковых экранов, экранирован трубами O51?3,5 мм с шагом 64 мм,
входящими в коллекторы O 159х8 мм для котлов КВ-ГМ-7,56. Между трубами ввариваются мембраны шириной 20 мм, обеспечивающие газоплотность панелей топки котла.
Трубы всех экранов расположены вертикально. Фронт котлов охлаждаемый, в нем располагается амбразура горелки. На боковых экранах котла предусмотрены гляделки для наблюдения и контроля процесса горения, а также лаз для осмотра топочного пространства. Конвективная поверхность нагрева, образованная двумя ходами газов, находится следом за топочной камерой, состоит из U-образных ширм из труб O28?3 мм с шагом S1 =64 мм и S2=32 мм. Ходы разделены экраном из труб O51?3,5 мм, который является поверхностью нагрева топочной камеры в зоне разворота газов. Боковые стены конвективного газохода закрыты вертикально расположенными трубами O51?2,5 мм и вваренными в коллекторы O159?8 мм. Конструктивные характеристики котельного агрегата приведены в таблице 2.
Т а б л и ц а 2 - Конструктивные характеристики котельного агрегата.
Рассчитываемая величина Обозна-чение Размерность Обоснование Расчет или данные чертежа
Топочная камера
Диаметр и толщина экранных труб d?? мм
Паспорт котла 51?2,5
Площадь поверхности нагрева FГ м2 Паспорт котла 251,6
Общая площадь ограждающих поверхностей топки FЛ м2 Паспорт котла 43,2
Шаг труб боковых экранов l мм Паспорт котла 80
Шаг труб фронтовых и задних экранов lф мм Паспорт котла 130
Угловой коэффициент экрана x — [1, ном.1] 0,9
Лучевоспринимающая поверхность нагрева HЛ м2 описание 39,7
Объем топочной камеры VТ м3 Конструктивные данные котла 16,9
Эффективная толщина излучающего слоя S м
Расстояние от пода до оси горелок hГ м чертеж 0,845
Высота топки HТ м чертеж 4,35
2.3 Объемы воздуха и продуктов сгорания топлива.
Теоретически необходимый объем воздуха при ? = 1, м3/м3.
; (1.1)
где m и n – число атомов углерода и водорода в химических формулах, входящих в состав топлива.
.
Теоретические объемы продуктов сгорания при ? = 1, м3/м3.
Определяем теоретические объемы продуктов сгорания топлива:
а) объем трехатомных газов:
(1.2)
б) объем двухатомных газов:
(1.3)
в) объем водяных паров:
(1.4)
где =10 г/м3-влагосодержание топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа.
Присосы холодного воздуха по тракту котла и объемные доли трехатомных газов приведены в таблице 3.
Т а б л и ц а 3 - Присосы холодного воздуха по тракту котла и объемные доли трехатомных газов.
Поверхности нагрева элементов котла Присос кол-ва воздуха, ?? Коэффициент избытка воздуха, ?
Коэффициент избытка воздуха на горение — 1,04
Топка 0,01 1,05
Поворотная камера 0,02 1,07
Конвективный газоход 0,05 1,12
Уходящие газы — 1,12
Величины присосов ?? определены в соответствии с [2, табл. XVI]
Объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов сведены в таблицу 4.
?
Т а б л и ц а 4- Объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов.
Величина Размерность Теоретические объемы:
Газоход
Топка, фестон Конвективный газоход Перепускной газоход
Коэффициент избытка воздуха после поверхности нагрева,
- 1,2 1,35 1,38
Величина присоса воздуха, ?
- 0,1 0,15 0,03
Средний коэффициент избытка воздуха,
- 1,15 1,225 1,24
Избыточное количество воздуха,
м3/кг 1,88 2,81 3,00
Объем водяных паров,
м3/кг 2,27 2,285 2,288
Полный объем продуктов сгорания,
м3/кг 11,755 11,770 11,773
Объемная доля трехатомных газов,
- 0,1237 0,1235 0,1235
Объемная доля водяных паров,
- 0,1906 0,1903 0,1903
Суммарная объемная доля,
- 0,3143 0,3138 0,3138
2.4 Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.
Энтальпия воздуха определяется по формуле (1.5):
; (1.5)
Энтальпия газов определяется по формуле (1.6):
; (1.6)
где – соответственно энтальпии воздуха, трехатомных газов, азота и водяных паров.
Энтальпия газов при ? > 1, кДж/кг.
; (1.7)
Расчет энтальпий продуктов сгорания приведен в таблице 5.
Т а б л и ц а 5- Энтальпия продуктов сгорания.
Температура продуктов сгорания за поверхностью нагрева ,O 0C
Энтальпия воздуха, кДж/кг Энтальпия газов,
кДж/кг
Энтальпия продуктов сгорания за поверхностью нагрева , кДж/кг
За топкой За конвективным газоходам За перепускным газоходом
100 1659,9 1896,7 - - -
200 3339,9 3832,4 - - 4222,4
300 5041,1 5822,9 - - 6212,9
400 6779,9 7857,0 - 8267 8247
500 8568,7 9949,4 - 10359,4 -
600 10382,5 12096,2 - 12506,2 -
700 12246,3 14295,4 - 14705,4 -
800 14122,7 16533,2 16965,2 16943,2 -
900 16049,0 18825,6 19257,6 - -
1000 17987,9 21153,7 21585,7 - -
1100 19951,9 23503,0 23935 - -
1200 21940,8 25893,8 26325,8 - -
1300 23942,2 28237,0 28669 - -
1400 25968,7 30670,3 31102,3 - -
1500 28007,7 33127,8 33559,8 - -
1600 30059,1 35605,0 36037 - -
1700 32110,6 38112,7 38544,7 - -
1800 34174,6 40627,8 41059,8 - -
1900 36263,6 43149,7 43581,7 - -
2000 38352,6 45692,0 46124 - -
2100 40454,1 48248,1 - - -
?
2.5 Тепловой баланс котельного агрегата и расход топлива.
Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса определяется расход топлива и вычисляется коэффициент полезного действия, эффективность работы котельного агрегата.
В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на нагревания воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразования энергии вырабатываемый продукт (вода) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту. Тепловой баланс котельного агрегата представлен в таблице 6.
Т а б л и ц а 6 - Тепловой баланс котельного агрегата и расход топлива.
Расчетная величина Обозначение Раз-мерность Формула,
обоснование Расчет
Низшая теплота сгорания топлива
кДж/кг задано 36260
Температура холодного воздуха ТХВ ?С принимаем в соотв. с [2, А 5-03] 30
Располагаемая теплота топлива
кДж/кг
36260
Температура уходящих газов ТУХ ?С задаемся в соотв. с паспортом котла 125
Энтальпия уходящих газов IУХ кДж/кг по I – ? табл. 2158,2
Энтальпия воздуха в котельной
кДж/кг по I – ? табл.
[2, табл. ХХ] 375,09
Потери тепла с механическим недожогом
% [1, с. 201] 0
Потери тепла с уходящими газами
%
4
Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива
% [1, с. 201] 0,5
Потери тепла от наружного ограждения
% в соотв. с паспортом котла 1
Сумма тепловых потерь ?q % q2 + q3 + q5 5,5
КПД котлоагрегата
% 100 – ?q 94,5
Расход воды через котел G кг/с задано по п. 1.1. 40
Температура воды:
на входе в котел
на выходе из котла
??
??
?С
?С
задано по п. 1.1.
задано по п. 1.1.
70
115
Полезноиспользуемое тепло
кДж/кг Gc(??– ??) 7542
Полный (он же расчетный) расход топлива ВР м3/с
м3/ч
0,391
1407,6
Коэффициент сохранения тепла ? —
0,989
2.6 Тепловой расчет топочной камеры.
Тепловой расчет произведен по методике [17] и сведен в таблицу 7. Расчет невязки теплового баланса котла представлен в таблице 8.
Т а б л и ц а 7 - Тепловой расчет топочной камеры.
Расчетная величина Обозначение Размерность Формула, обоснование Расчет
Полное тепловыделение в топке
кДж/кг 36510
Количество теплоты, вносимое воздухом
кДж/кг
[1, с. 28] 431,35
Параметр m конструкция котла 0,54 – 0,2·хг 0,5
Температура газов на выходе из топки
?С Принимаем предварительно 1100
Энтальпия дымовых газов на выходе
кДж/кг по I – ? табл. 23500
Полезное тепловыделение в топке
36510,05
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами
0,82
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами
1,575
Степень черноты факела
KPS 0,46
Степень черноты топки
— По номограмме [2]
0,75
Коэффициент тепловой эффективности экранов
—
0,641
Эффективная толщина излучающего слоя S м 3.6 V_т/F_ст 1,408
Температура газов на выходе из топки
?С 1090
Расхождение с ранее принятой температурой
?С
10
Тепловое напряжение топочного объема
кДж/м3с
844,69
Т а б л и ц а 8- Расчет невязки теплового баланса котла
Расчетная величина Обозначение Формула, обоснование Размерность Расчет
Полезное тепловыделение в топке
36510,05
Лучистое тепловосприятие топки
12945
Тепловосприятие конвективного пучка
Из расчетов конвективного пучка 21244
Расчетная невязка теплового баланса
76,7
Невязка -
% 0,21
Т.к. невязка составляет 0,21 %, а это меньше 0,5 %, то пересчет не требуется.
?
2.7 Расчет конвективных поверхностей нагрева
Расчет произведен по методике [17], результаты расчета приведены в таблицах 9, 10 и 11.
Т а б л и ц а 9 – Конструктивные характеристики первого газохода
Наименование Условное
обозначение Расчетная формула Результат
Поверхность нагрева, м2 H Паспорт котла 2750
Диаметр труб, мм dн 28
Расчетные шаги труб, мм:
- поперечной S1 Паспорт котла 64
- продольной S2 Из описания 40
Относительный поперечный шаг ?1 S1/dн 2,3
Относительный продольный шаг ?2 S2/dн 1,4
Площадь живого сечения для похода дымовых газов F
2,134
Эффективная толщина излучающего слоя, м s 0,08
Т а б л и ц а 10 – Расчет первого газохода
Наименование величины Обозначение Расчетная формула Результат при ?1??
700 ?С
Температура дымовых газов перед 1 газоходом, 0С ?1? Из расчета топки 1100
Энтальпия дымовых газов перед 1 газоходом, кДж/кг I1? Таблица 5 23150
Температура дымовых газов за 1 газоходом, 0С ?1?? - 700
Энтальпия дымовых газов после 1 газохода, кДж/кг I1?? Таблица 5 14400
Тепловосприятие 1 газохода по уравнению теплового баланса, кДж/кг Qб1 ? (I?- I??+?IВ) 8805,7
Средняя температура дымовых
газов, 0С ? ср (?1?+?1??) / 2 900
Средний температурный напор, 0С ?tср ?ср - tk 770
Средняя скорость дымовых газов, м/с ?уч
3,04
Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией, Вт/м2?К ?К ?Н??cs?cz?cФ 13,5
Суммарная поглощающая способность 3-ех атомных газов, м?МПа рs rп?P?S 0,0012
Коэффициент ослабления 3-ех атомными газами,1/м?МПа кг [3] рис 5.4 31
Суммарная оптическая толщина
среды крs (кГ·rп+кзл·?)
рs 0,012
Степень черноты газового потока а 1 - e- kрs 0,084
Температура загрязненной стенки, 0С tS tk + ?t 155
Коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/м2?К ?Л ?Н??а 7,98
Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2?К ? ?(?К+ ?Л) 21,48
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2?К К ??? 18,26
Тепловосприятие 1 газохода по уравнению теплопередачи, кДж/кг QТ1
9888
Действительная температура дымовых газов за 1 газоходом, ?С ?1?? По графику 704
Действительная энтальпия дымовых газов после 1 газохода, кДж/кг I1?? Таблица 5 14450
Фактическое тепловосприятие 1 газохода по уравнению теплового баланса, кДж/кг Qб1 ? (I?- I??+?IВ) 8774,7
Т а б л и ц а 11 - Расчет второго газохода
Наименование величины Условное
обозначение Расчетные формулы Результат при ?2??
200 0С
Температура дымовых газов перед 2 газоходом, 0С ?2? таблица 5 700
Энтальпия дымовых газов перед 2 газоходом, кДж/кг I2? таблица 5 14400
Наименование величины Условное
обозначение Расчетные формулы Результат при ?2??
200 0С
Энтальпия дымовых газов после 2 газохода, кДж/кг I2?? Таблица 5 3920
Наименование величины Условное
обозначение Расчетные формулы Результат при ?2??
200 0С
Средняя температура дымовых газов, 0С ?ср (?2?+?2??) / 2 450
Средний температурный напор, 0С ?tср ?ср - tk 320
Средняя скорость дымовых газов, м/с ?уч
1,88
Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией, Вт/м2?К ?К ?Н??cZ?cS?cФ 16,1
Суммарная поглощающая способность 3-ех атомных газов, м?МПа рs rп?P?S 0,0012
Коэффициент ослабления 3-ех атомными газами,1/м?МПа кг [3] рис 5.4 38
Суммарная оптическая толщина
среды крs (кГ·rп+кзл·?)
р·s 0,014
Степень черноты газового потока а 1 - e- kрs 0,097
Температура загрязненной стенки, 0С tS tk + ?t 155
Наименование величины Условное
обозначение Расчетные формулы Результат при ?2??
200 0С
Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2?К ? ?(?К+ ?Л) 18,2
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2?К К ??? 15,5
Тепловосприятие 2 газохода по уравнению теплопередачи, кДж/кг QТ2
3488
Действительная температура дымовых газов за 2 газоходом, 0С ??? Номограмма [5] 154
Действительная энтальпия дымовых газов после 1 газохода, кДж/кг I2?? Номограмма[5] 3700
Фактическое тепловосприятие 1 газохода по уравнению теплового баланса, кДж/кг Qб2 ? (I?- I??+?IВ) 10782,2
?
3 Аэродинамический расчет
Цель аэродинамического расчета – выбор тягодутьевых машин на основе их производительности и перепада давлений в газовом и воздушном трактах.
Аэродинамический расчет котельного агрегата Eurotherm 7/115 проводится для проверки пригодности тягодутьевых машин на основе определения производительности тяговой и дутьевой системы и перепада полных давлений в газовом и воздушном трактах[4,5]. И сходные данные для расчета приняты из теплового расчета котельного аппарата.
3.1 Аэродинамический расчет воздушного тракта
Аэродинамический расчет воздушного тракта котельных агрегатов проводится в следующей последовательности:
Из теплового расчета котельного агрегата принимается теоретический объем воздуха, подаваемого на горение V0 и расход топлива Bp.
Определяем площади поперечного сечения воздуховода, f , м2, для двух характерных значений скоростей воздуха 8 и 12 м/с:
(3.1)
где tв – средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого месяца, °С, принимаемая по [5] равной 30°С ;
wв – скорость движения воздуха, м/с.
Подбираем размер воздуховода (круглого или прямоугольного поперечного сечения) таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения fв.д находилась в полученном диапазоне от f(8) до f(12). Для выбранного воздуховода выписываем значение fв.д и значение внутреннего диаметра канала (для круглого воздуховода) или геометрические размеры канала (для прямоугольного воздуховода).