Реконструкция промышленно-отопительной котельной ООО «Завод ЖБК №2»

 

3.3 Составление теплового  баланса котла и определение  расхода топлива

 

Тепловой баланс составляется применительно  к установившемуся состоянию  котельного агрегата на 1 м³ газа

Общее уравнение теплового баланса  имеет вид:

100 = η + q₂ + q₃ + q₅, %

 Расход топлива определяется  из уравнения прямого баланса:

,          (3.26)

где Q_ка – полное количество теплоты, отданное в котле, кВт;

 – располагаемая теплота  1 м³ газообразного топлива, кДж/м³;

η_ка – КПД котлоагрегата, %.

,      (3.27)

где Д_нп = 1,1 кг/с – номинальный расход насыщенного пара (из задания);

h_нп = 2789– энтальпия насыщенного пара, [5] при давлении Р = 1,4 МПа, кДж/кг;

h_пв = 372,91– энтальпия питательной воды, [5] при температуре питательной воды t_пв = 60⁰С/кг;

h_н = 826 кДж/кг – энтальпия насыщения по [5] при давлении Р = 1,4 МПа;

         (3.28)

Д_пр = 0,05·1,1 = 0,055 кг/с;

Q_ка = 1,1·(2789 – 372,91) + 0,055·(826 – 372,91) = 2682,62 кДж/м³.

Принимаем, что  из пункта 3.3.

η_ка = 100·(q₂ + q₃ + q₅),        (3.29)

где  – потери теплоты с уходящими газами (3.30)

;

q₃ = 0,5 % – потери от химической неполноты сгорания;

q₅ = 3,47 % – потери от наружного охлаждения (определяется по графику [3]);

η_ка = 100·(5,45 + 0,5 + 3,47) = 94,2 %.

Расход топлива:

.

Расчетный расход топлива:

,         (3.31)

где q₄ = 0;

.

 

3.4 Тепловой расчет топочной  камеры

 

Топочную камеру условно представляем в виде параллелепипеда с высотой 2,4 м, шириной 1,79 м и глубиной 1,93 м. Суммарная поверхность стен топочной камеры F_ст= 24,76 м². Соответственно объем топочной камеры V_т = 8,29 м³. Все стены топочной камеры экранированы трубами диаметром 51 мм с шагом 55 мм, кроме фронтовой стены. Средняя часть фронтовой стены (примерно половина площади) не экранирована для обеспечения свободного пространства для установки горелки ГМ – 4,5 и лаза в топку. Экраны пода (нижней поверхности) топки для исключения перегрева труб закрыты шамотным кирпичом. Для исключения протока дымовых газов между экранных труб, отделяющих топку от конвективного пучка, между трубами вварены приставки. Угловой коэффициент для такого экрана х = 1,0. Часть этого экрана (левого) занимает выходное окно топки, за которым расположен конвективный пучок. Коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и поверхностью нагрева (аналог коэффициента «х») для этого случая также равен 1,0 , поэтому при расчете не будем выделять из площади этого экрана выходное окно топки.

Расчет коэффициента тепловой эффективности  экранов стен топки

 

Таблица 4

	Параметры	Обознач.	Размерн.	Боковая левая	Боковая правая	верхняя	Подовая	Фронт	Задняя
	Площадь экранирования	Fэ	м2	4,632	4,632	3,455	3,455	3,511	4,296
	Угловой коэффициент	х		1	0,98	0,98	0,98	0,98	0,98
	Коэффициент загрязнения	ξ		0,65	0,65	0,65	0,1	0,65	0,65
	Коэффициент эффективности	ψ		0,65	0,64	0,64	0,1	0,64	0,64
	Произведение	ψ*Fэ		3,011	2,964	2,211	0,346	2,247	2,75

 

∑ψ*F_э = 13,53 м²

 

Таблица 5

	Рассчитываемая  величина	Обозн.	Размерн.	Значение
	Объем топки		мі	8,29
	Полная площадь поверхностей топки		мІ	24,76
	Коэффициент тепловой эффективности			0,546
	Температура холодного  воздуха		°C	30
	Температура горячего воздуха		°C	30
	Энтальпия воздуха		кДж/мі	389,1
	Тепло, вносимое в топку  воздухом		кДж/мі	428,01
	Полезное тепловыделение в топке		кДж/мі	37252,96
	Адиабатная температура горения		°C	1899,6
	Абсолютная адиабатная температура		К	2172,6
	Относит. положение максимума  температуры по высоте топки			0,5
	Коэффициент ядра факела			0,32
	Теплонапряжение стен топки, фактическое		кВт/мі	310,07
	Теплонапряжение стен топки, допустимое		кВт/мі	250–350
	Эффективная толщина  излучающего слоя		м	1,205
	Температура на выходе из топки, предварительная		°C	1100
	Энтальпия газов при  этой температуре		кДж/мі	20375,25
	Температура газов на выходе из топки		°C	1000,51
	Энтальпия газов на выходе из топки		кДж/мі	18331,28
	Тепло, передаваемое топке  излучением		кДж/мі	18221,58

 

Расчеты для таблицы 5 в соответствии с пунктами

.	формула	расчет

 

 

3.5 Расчет первого кипятильного пучка

 

В процессе расчета мы задаемся двумя температурами газа на выходе из первого кипятильного пучка.

Задаемся температурой на выходе из пучка  = 600⁰С, по таблице 3.8 = 9565 кДж/м³.

Тепловосприятие пучка:

,         (3.58)

где  = 19997 кДж/м³;

Q_б = 0,99·(19997 – 9565) = 10436 кДж/м³.

Средний температурный  напор:

,         (3.59)

где  ;

;

t_н = 195⁰С – температура насыщения;

Средняя температура в пучке:

         (3.60)

ν_ср = 0,5·(1169 + 600) = 884⁰С.

Среднее сечение для прохода  газов:

f_г = (а – z₁·d)·h,

где z₁ – число труб в одном ряду, шт.;

d = 0,051 – диаметр труб, м;

h = 2,54 – высота пучка, м;

,          (3.61)

где S₁ = 0,075 м – поперечный шаг;

;

f_г = (2,1 – 27·0,051)·2,54 = 1,84.

Скорость газов в пучке, м/с:

        (3.62)

.

Коэффициент теплоотдачи  конвекцией:

α_к = α_н·С_ф·С_s·C_z         (3.63)

Расположение труб в  пучке коридорное с шагами S₁ = 0,075 м, S₂ = 0,1 м.

α_н = 35

С_ф = 1,01 – поправка на фракционный состав топлива по рис. 6 из [4];

С_z = 1 – поправка на число рядов по рис. 6 из [4]; 

α_к = 35·1,01·0,97·1 = 34,3

Коэффициент теплоотдачи  излучением:

α_х = α_н·С_г·α_г          (3.64)

Определим теплоотдачу  излучением.

Определим температуру стенки:

t_ст = t_н + Δt,          (3.65)

Δt = 25⁰С;

t_ст = 195 + 25 = 220⁰С;

α_н = 132 по рис. 6.14 из [3];

С_г = 0,99 – поправка на запыленность потока по рис. 6.14 из [3].

α_г = 1 – е^-KPS

,        (3.66)

К = 33,8·0,263 = 8,89

КРS = 8,89·0,1·0,13 = 0,115

а_г = 1 – 2,718^-0,115 = 0,108

а_л = 132·0,99·0,108 = 14

а₁ = ξ·(а_к + а_л),         (3.66)

где ξ = 0,9 – коэффициент использования поверхности нагрева из [3];

α₁ = 0,9·(34,3 + 14,4) = 43,5

К = ψ·α₁          (3.67)

К = 0,85·43,5 = 37

Площадь поверхности пучка:

Н = z₁·z₂·π·d·h,         (3.68)

z₂ = 14 шт. – число труб в одном ряду;

Н = 27·14·3,14·0,051·2,54 = 157

Количество теплоты, отданное в пучке, кДж/м³:

         (3.69)

Задаемся температурой пучка по формуле (3.58) = 900⁰С, по таблице 3.8 = 14888 кДж/м³.

Рассчитаем тепловосприятие пучка  по формуле:

Q_б = 0,99·(19997 – 14888) = 5109

Рассчитаем средний температурный  напор по формуле (3.59):

δt_б = 1169 – 192 = 974⁰С

δt_м = 900 – 195 = 705⁰С

Средняя температура в пучке:

ν_ср = 0,5·(1169 + 900) = 1034⁰С

Среднее сечение для прохода  газов по формуле:

f_г = (2,1 – 27·0,051)·2,54 = 1,84 м²

Скорость газов в пучке:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи  конвекцией:

α_н = 37 по рис. 6.4 из [3];

С_ф = 1 – поправка на фракционный состав топлива по рис. 6.4 из [3];

С_s = 0,97;

С_z = 1; 

α_к = 37·1·0,97·1 = 35,89

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи  излучением:

α_н = 170 ;

С_г = 0,99;

α_г = 1 – е^-KPS

К = 30,5·0,263 = 8,02

КРS = 8,02·0,1·0,13 = 0,14

а_г = 1 – 2,718^-0,14 = 0,099

α_л = 170·0,99·0,099 = 16,6

α₁ = 0,9·(35,89 + 16,6) = 47,2

К = 0,85·47,2 = 40,1

Н = 27·14·3,14·0,051·2,54 = 157

Количество теплоты, отданное в  пучке, находим:

Далее определяем температуру  и из графика 5.1 по [3], они равны:

= 560⁰С

= 8923 кДж/м³.

 

3.4.5 Расчет второго кипятильного  пучка

 

        В процессе расчета мы задаемся двумя температурами газа на выходе из второго кипятильного пучка.

Задаемся температурой на выходе из пучка  = 300⁰С, по таблице 3.8 = 4608 кДж/м³.

Рассчитаем средний  температурный напор по формулам пункта 3.4.4:

.

Рассчитаем тепловосприятие пучка:

Q_б = 0,99·(8923 – 4608) = 3715 кДж/м³.

Средняя температура  в пучке:

ν_ср = 0,5·(561 + 300) = 380⁰С.

Рассчитаем среднее  сечение для прохода газов:

d = 0,051 – диаметр труб, м;

h = 2,54 – высота пучка, м;

,

где S₁ = 0,075 м – поперечный шаг;

;

f_г = (2,1 – 27·0,051)·2,54 = 1,84 м.

Скорость газов в  пучке, м/с:

.

Рассчитаем коэффициент  теплоотдачи конвекцией по формулам из пункта 3.4.4.

Расположение труб в  пучке коридорное:

S₁ = 0,075 м

S₂ = 0,1 м

α_н = 25

С_ф = 1,09

С_s = 0,97

С_z = 1 

α_к = 25·1,09·0,97·1 = 26,4

Коэффициент теплоотдачи  излучением:

α_н = 40 ;

С_г = 0,96

К = 44,8·0,263 = 11,78

КРS = 11,78·0,1·0,13 = 0,153

а_г = 1 – 2,718^-0,153 = 0,14

а_л = 40·0,96·0,14 = 5,3

α₁ = 0,9·(26,4 + 5,3) = 23,1

Коэффициент теплоотдачи:

К = 0,85·27,53 = 23,1

Площадь пучка находим  по:

z₂ = 9 шт.

Н = 27·9·3,14·0,051·2,54 = 98

Количество теплоты, отданное в пучке, находим по формуле:

Задаемся температурой на выходе из пучка  = 400⁰С, по таблице 3.8 = 6221 кДж/м³.

Тепловосприятие пучка:

Q_б = 0,99·(8923 – 6221) = 2702 кДж/м³.

Средний температурный  напор:

δt_б = 265⁰С

δt_м = 205⁰С

Средняя температура  в пучке:

ν_ср = 0,5·(561 + 400) = 430⁰С

Среднее сечение для прохода газов:

f_г = (2,1 – 27·0,051)·2,54 = 1,84 м²

Скорость газов в  пучке:

.

Коэффициент теплоотдачи  конвекцией:

α_н = 27

С_ф = 1,08

С_s = 0,97

С_z = 1

α_к = 27·1,08·0,97·1 = 28,3

Коэффициент теплоотдачи  излучением:

α_н = 42

С_г = 0,97

К = 43,7·0,263 = 11,5

КРS = 11,5·0,1·0,13 = 0,15

а_г = 1 – 2,718^-0,15 = 0,13

α_л = 42·0,97·0,13 = 5,2

Коэффициент теплопередачи:

К = 0,85·30,15 = 25,5

Площадь поверхности  пучка:

Н = 27·9·3,14·0,051·2,54 = 98 м²

Количество теплоты, отданное в пучке:

.

При расчете второго  кипятильного пучка мы получили, что  расхождение между Q_т и Q_б составило Q_т – Q_б = 1 %, и поэтому в дальнейшем расчете принимаем:

= 400⁰С

= 6220 кДж/м³.

 

3.6 Расчет экономайзера

 

      Для определения температуры газов за водяным экономайзером составим уравнение теплового баланса для экономайзера:

,     (3.70)

где  = 6220 – энтальпия газов за вторым пучком, кДж/м³;

 – энтальпия газов на  выходе из экономайзера, кДж/м³;

Н_хв – энтальпия холодного воздуха, кДж/м³;

Н_хв = V_в·с_в·t_в = 9,263·1,29·30 = 367,      (3.71)