Паровые котлы серии ке. Основные характеристики котла

15.03.2020

1. Характеристика котлоагрегата

Паровой котел КЕ-25-14С, с естественной циркуляцией со слоевыми механическими топками предназначен для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Топочная камера котлов серии КЕ образована боковыми экранами, фронтовой и задней стенками. Топочная камера котлов КЕ паропроизводительностью от 2,5 до 25 т/ч разделена кирпичной стенкой на топку глубиной 1605÷2105 мм и камеру догорания глубиной 360÷745 мм , которая позволяет повысить КПД котла снижением механического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла асимметричные. Под камеры догорания наклонен таким образом, чтобы основная масса падающих в камеру кусков топлива скатывалась на решетку.

В котле КЕ-25-14С применена схема одноступенчатого испарения. Вода циркулирует следующим образом: питательная вода из экономайзера подается в верхний барабан под уровень воды по перфорированной трубе. В нижний барабан вода сливается по задним обогреваемым трубам кипятильного пучка. Передняя часть пучка (от фронта котла) является подъемной. Из нижнего барабана вода по перепускным трубам поступает в камеры левого и правого экранов. Питание экранов осуществляется также из верхнего барабана по опускным стоякам, расположенным на фронте котла.

Блок котла КЕ-25-14С, опирается камерами боковых экранов на продольные швеллеры. Камеры приварены к швеллерам по всей длине. В области конвективного пучка блок котла опирается на задние и передние поперечные балки. Поперечные балки крепятся к продольным швеллерам. Передняя балка крепится неподвижно, задняя - подвижно.

Обвязочный каркас котла КЕ-25-14С устанавливается на уголках, приваренных вдоль камер боковых экранов по всей длине.

Для возможности перемещения элементов блоков котла КЕ-25-14С в заданном направлении часть опор выполнена подвижными. Они имеют овальные отверстия для болтов, которыми крепятся к раме.

Котлы КЕ с решеткой и экономайзером поставляются заказчику одним транспортабельным блоком. Он оборудуются системой возврата уноса и острым дутьем. Унос, оседающий в четырех зольниках котла, возвращается в топку при помощи эжекторов и вводится в топочную камеру на высоте 400 мм от решетки. Смесительные трубы возврата уноса выполнены прямыми, без поворотов, что обеспечивает надежную работу систем. Доступ к эжекторам возврата уноса для осмотра и ремонта возможен через люки, расположенные на боковых стенках. В местах установки люков трубы крайнего ряда пучка вводятся не в коллектор, а в нижний барабан.

Паровой котел КЕ-25-14С оборудован стационарным устройством очистки поверхностей нагрева согласно проекту завода.

Паровой котёл КЕ-25-14С комплектуется топкой типа ЗП-РПК с пневмомеханическими забрасывателями и решеткой с поворотными колосниками.

За котельными агрегатами в случае сжигания каменных и бурых углей с приведенной влажностью W < 8 устанавливаются водяные экономайзеры.

Площадки котлов типа КЕ расположены в местах, необходимых для обслуживания арматуры котлов. Основные площадки котлов: боковая площадка для обслуживания водоуказательных приборов; боковая площадка для обслуживания предохранительных клапанов и запорной арматуры на барабане котла; площадка на задней стенке котла для обслуживания продувочной линии из верхнего барабана и для доступа в верхний барабан при ремонте котла.

На боковые площадки ведут лестницы, на заднюю площадку - спуск (короткая лестница) с верхней боковой площадки.

Котел КЕ-25-14 С оборудован двумя предохранительными клапанами, один из которых контрольный. У котлов с пароперегревателями контрольный предохранительный клапан устанавливается на выходном коллекторе пароперегревателя. На верхнем барабане каждого котла установлен манометр; при наличии пароперегревателя манометр устанавливается и на выходном коллекторе пароперегревателя.

На верхнем барабане устанавливается следующая арматура: главный паровой вентиль или задвижка (у котлов без пароперегревателя), вентили для отбора проб пара, отбора пара на собственные нужды. На колене для спуска воды установлен запорный вентиль с условным проходом 50 мм .

У котла КЕ-25-14С, через патрубок для продувки осуществляются периодическая и непрерывная продувки. На линиях периодической продувки из всех нижних камер экранов установлены запорные вентили. На паропроводе обдувки установлены дренажные вентили для отвода конденсата при прогреве линии и запорные вентили для подачи пара к обдувочному прибору. Вместо паровой обдувки может быть поставлена газоимпульсная или генератор ударных волн (ГУВ).

На питательных трубопроводах перед экономайзером устанавливаются обратные клапаны и запорные вентили; перед обратным клапаном установлен регулирующий клапан питания, который соединяется с исполнительным механизмом автоматики котла.

Паровой котел КЕ-25-14С обеспечивают устойчивую работу в диапазоне от 25 до 100% номинальной паропроизводительности. Испытания и опыт эксплуатации большого числа котлов типа КЕ подтвердили их надежную работу на пониженном, по сравнению с номинальным, давлении. С уменьшением рабочего давления КПД котлоагрегата не уменьшается, что подтверждено сравнительными тепловыми расчетами котлов на номинальном и пониженном давлении. В котельных, предназначенных для производства насыщенного пара, котлы типа КЕ при пониженном до 0,7 МПа давлении обеспечивают такую же производительность, как и при давлении 1,4 МПа.

Для котлов типа КЕ пропускная способность предохранительных клапанов соответствует номинальной паропроизводительности при абсолютном давлении 1,0 МПа .

При работе на пониженном давлении предохранительные клапаны на котле и дополнительные предохранительные клапаны, устанавливаемые на оборудовании, должны регулироваться на фактическое рабочее давление.

С понижением давления в котлах до 0,7 МПа комплектация котлов экономайзерами не изменяется, так как в этом случае недогрев воды в питательных экономайзерах до температуры насыщения пара в котле составляет 20°С, что удовлетворяет требованиям правил Госгортехнадзора.

1.1 Техническая характеристика котла КЕ-25-14С

Паропроизводительность D = 25 т/ч .

Давление Р = 24 кгс/см 2 .

Температура пара t = (194÷225) ºС.

Радиационная (лучевоспринимающая) поверхность нагрева Н л = 92,1 м 2 .

Конвективная поверхность нагрева Н к = 418 м 2 .

Тип топочного устройства ТЧЗ-2700/5600.

Площадь зеркала горения 13,4 м 2 .

Габаритные размеры котла (с площадками и лестницами):

длина 13,6 м ;

ширина 6,0 м ;

высота 6,0 м .

Масса котла 39212 кг.

2. Расчет топлива по воздуху

2.1 Определение количества продуктов сгорания

Расчет количества продуктов сгорания основан на стехиометрических соотношениях и выполняется с целью определения количества газов, образующихся при сгорании топлива заданного состава при заданном коэффициенте избытка воздуха. Все расчеты объема воздуха и продуктов сгорания ведутся на 1 кг топлива.

Так как в задании указана зольность сухой массы топлива, то определим зольность рабочей массы топлива.

А р = А с (100 - W р) /100,

А р = 2,3∙ (100 - 7,5) /100 = 21,3%.

Коэффициент пересчета горючей массы в рабочую

(100 - W р - А р) /100 = (100 - 7,5 - 21,3) /100 = 0,71.

Рабочая масса составляющих элементов топлива

С р = 76,9 ∙ 0,71 = 54,6%, Н р = 5,4 ∙ 0,71 = 3,9%, р = 0,6 ∙ 0,71 = 0,5%,

О р = 16,0 ∙ 0,71 = 11,4%, р = 1,1 ∙ 0,71 = 0,8%.

Проверка:

р + Н р + S р + О р + N р + А р + W р = 100%,

6 + 3,9 + 0,5 + 11,4 + 0,8 + 21,3 + 7,5 = 100%.

Теоретически необходимое количество сухого воздуха

o = 0,089 (C p + 0,375S р) + 0,267Н p - 0,033О p ; о = 0,089∙ (54,6 + 0,375 ∙ 0,5) + 0,267 ∙ 3,9 - 0,033 ∙ 11,4 = 5,54 м 3 /кг.

Объем трехатомных газов

V = 0,01866 (С р + 0,375S р); = 0,01866∙ (54,6 + 0,375 ∙ 0,5) = 1,02 м 3 /кг.

Теоретический объем азота

0,79V o + 0,008N p ; V = 0,79 ∙ 5,54 + 0,008 ∙ 0,8 = 4,38 м 3 /кг.

Теоретический объем водяных паров

0,112Н р + 0,0124W р + 0,016V о; = 0,112 ∙ 3,9 + 0,0124 ∙ 7,5 + 0,016 ∙ 5,54 = 0,61 м 3 /кг.

Теоретическое количество влажного воздуха

о вл = V + 0,016V о; (2.8), V = 0,61 + 0,016 ∙ 5,54 = 0,70 м 3 /кг.

Избыточный объем воздуха

и = (α - 1) V о; и = 0,28 ∙ 5,54 = 1,55 м 3 /кг.

Полный объем продуктов сгорания

г = V+ V + V+ V и; г = 1,02 + 4,38 + 0,61 + 1,55 = 7,56 м 3 /кг.

Объемная доля трехатомных газов

V/V г; = 1,02/7,56 = 0,135.

Объемная доля водяных паров

V/V г; r = 0,70/7,56 = 0,093.

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов

п = r+ r, п = 0,093 + 0,135 = 0,228.

Давление в топке котла принимаем равным Р т = 0,1 МПа.

Парциальное давление трехатомных газов

Р= 0,135 ∙ 0,1 = 0,014 МПа .

Парциальное давление водяных паров

Р = 0,093 ∙ 0,1 = 0,009 МПа .

Суммарное парциальное давление

Р п = Р+ Р; Р п = 0,014 + 0,009 = 0,023 МПа.

2.2 Определение энтальпии продуктов сгорания

Дымовые газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива, в рабочем процессе парового котла являются теплоносителем. Количество теплоты, отдаваемое газами, удобно рассчитывать по изменению энтальпии дымовых газов.

Энтальпией дымовых газов по какой-либо температуре называется количество теплоты, расходуемое на нагрев газов, полученных от сгорания одного килограмма топлива от 0º до этой температуры при постоянном давлении газов в топке.

Энтальпию продуктов сгорания определяем в диапазоне температур 0…2200ºС с интервалом в 100ºС. Расчет ведем в табличной форме (табл.2.1).

Исходными данными для расчета являются объемы газов, составляющих продукты сгорания, их объемные изобарные теплоемкости, коэффициент избытка воздуха и температура газов.

Средние изобарные теплоемкости газов берем из справочных таблиц.

Теоретическое количество газов определяем по формуле

I = ΣV c t = VC+ VC + VC) t .

Теоретическую энтальпию влажного воздуха определяем по формуле

V o C вв t .

г = I + (α - 1) I.

Таблица 2.1 Расчет энтальпии продуктов сгорания

	V= 1,02 м 3 /кг V= 4,38 м 3 /кг V= 0,61 м 3 /кг I o , кДж/кг Влажный воздух (α - 1) I o вв, кДж/кг I г, кДж/кг
	С RO2 , кДж/ (м 3 ∙К)	V RO2 С RO2 , кДж/ (м 3 ∙К)	С N , кДж/ (м 3 ∙К)	V o N С N , кДж/ (м 3 ∙К)	С H2O , кДж/ (м 3 ∙К)	V o H2O С H2O , кДж/ (м 3 ∙К)		С вв, кДж/ (м 3 ∙К)	I o вв, кДж/кг
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200	1,599 1,700 1,787 1,822 1,929 1,988 2,041 2,088 2,131 2,169 2, 203 2,234 2,263 2,289 2,313 2,335 2,355 2,374 2,391 2,407 2,422 2,435 2,448	1,631 1,734 1,823 1,920 1,968 2,028 2,082 2,130 2,174 2,212 2,247 2,279 2,308 2,335 2,359 2,382 2,402 2,421 2,439 2,455 2,470 2,484 2,497	1,294 1,295 1,299 1,306 1,316 1,327 1,340 1,353 1,367 1,379 1,391 1,403 1,414 1,425 1,434 1,444 1,452 1,461 1,469 1,475 1,482 1,489 1,495	5,668 5,672 5,690 5,720 5,764 5,812 5,869 5,926 5,987 6,040 6,093 6,145 6, 193 6,242 6,281 6,325 6,360 6,399 6,434 6,461 6,491 6,522 6,548	1,494 1,505 1,522 1,542 1,566 1,589 1,614 1,641 1,668 1,695 1,722 1,750 1,776 1,802 1,828 1,852 1,876 1,899 1,921 1,942 1,962 1,982 2,000	0,911 0,918 0,928 0,941 0,955 0,969 0,985 1,001 1,017 1,034 1,050 1,068 1,083 1,099 1,115 1,130 1,144 1,158 1,182 1,185 1, 197 1, 209 1,220	0 832 1688 2574 3475 4405 5362 6340 7342 8357 9390 10441 11501 12579 13657 14756 15850 16963 18081 19192 20316 21452 22583	1,318 1,324 1,331 1,342 1,354 1,368 1,382 1,397 1,414 1,424 1,437 1,449 1,461 1,472 1,483 1,492 1,501 1,510 1,517 1,525 1,532 1,539 1,546	0 733 1475 2230 3000 3789 4594 5418 6267 7100 7961 8830 9713 10601 11502 12399 13305 14221 15128 16052 16975 17905 18843	0 205 413 624 840 1061 1286 1517 1755 1988 2229 2472 2720 2968 3221 3472 3725 3982 4236 4495 4753 5013 5276

Теоретическую энтальпию влажного воздуха определяем по формуле

I = V o C вв t .

Энтальпию газов определяем по формуле

г = I + (α - 1) I.

По результатам расчетов (табл.2.1) строим диаграмму зависимости энтальпии газов I 1 от их температуры t (рис.2.1).

Рис.2.1 - Диаграмма зависимости энтальпии газов от их температуры

3. Поверочный тепловой расчет

3.1 Предварительный тепловой баланс

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котел, называют располагаемой теплотой. Между теплотой, поступившей в котел и покинувшей его, должно существовать равенство (баланс). Теплота, покинувшая котел, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара заданных параметров.

Тепловой баланс котла составляется применительно к одному килограмму топлива при установившемся (стационарном) режиме работы котла.

Низшую теплота сгорания рабочей массы топлива определяем по формуле Менделеева:

н р = 339С р + 1030Н р - 109 (О р - S р) - 25W р, н р = 339 ∙ 54,6 + 1030 ∙ 3,9 - 109∙ (11,4 - 0,5) - 25 ∙ 7,5 = 21151 кДж/кг.

Коэффициент полезного действия котла (принимаем по прототипу)

Потери тепла:

от химической неполноты сгорания ( с.15)

3 = (0,5÷1,5) = 0,5%;

от механического недожога ( табл.4.4) 4 = 0,5%;

в окружающую среду (, рис.4.2) 5 = 0,5%;

с уходящими газами

2 = 100 - (η" + q 3 + q 4 + q 5), 2 = 100 - (92 + 0,5 + 0,5 + 0,5) = 6,5%.

Средние изобарные объемные теплоемкости влажного воздуха

холодного, при температуре t в1 ( табл.1.4.5)

с в1 = 1,32 кДж/кг ;

подогретого, при температуре t в2 ( табл.1.4.5)

с в1 = 1,33 кДж/кг .

Количество тепла, вносимое в топку с воздухом:

холодным

хв = 1,016αV о с в1 t в1 , хв = 1,016 ∙ 1,28 ∙ 5,54 ∙ 1,32 ∙ 25 = 238 кДж/кг ;

подогретым

гв = 1,016αV о с в2 t в2 , гв = 1,016 ∙ 1,28 ∙ 5,54 ∙ 1,33 ∙ 180 = 1725 кДж/кг .

Количество тепла, переданное в воздухоподогревателе

вн = I гв - I хв, вн = 1725 - 238 = 1487 кДж/кг.

Принимаем температуру топлива, поступающего в топку, равной

t тл = 30°С.

Теплоемкость сухой массы топлива ( табл.4.1)

с с тл = 0,972 кДж / (кг·град ).

Теплоемкость рабочей массы топлива

с р тл = с с тл (100 - W р) /100 + сW p /100,

где с - теплоемкость воды, с = 4,19 кДж / (кг·град ),

с р тл = 0,972· (100 - 7,5) /100 + 4,19 · 7,5/100 = 1,21 кДж / (кг·град ).

Теплота, вносимая в топку с топливом

тл = с р тл t тл,

i тл = 1,21 · 30 = 36 кДж/кг.

Располагаемая теплота топлива

Q + Q вн + i тл, = 21151 + 1487 + 36 = 22674 кДж/кг.

Энтальпия уходящих газов

" ух = q 2 Q р р / (100 - q 4) + I хв," ух = 6,5 ∙ 22674/ (100 - 4,5) + 238 = 1719 кДж/кг.

Температура уходящих газов (табл.1)

t " ух = 164°С.

Степень сухости получаемого пара принимаем ( с.17)

х = (0,95…0,98) = 0,95.

Энтальпия сухого насыщенного пара (по таблицам водяного пара) при заданном давлении

i " = 2792 кДж/кг.

Скрытая теплота парообразования

r = 1948 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара

i x = i " - (1 - x ) r ,

i x = 2792 - (1 - 0,95) ·1948 = 2695 кДж / кг .

Энтальпия питательной воды перед экономайзером (при t в2)

i пв = 377 кДж/кг.

Секундный расход топлива

В р = = 0,77 кг/с.

3.2 Расчет теплообмена в топке

Целью поверочного расчета теплообмена в топке является определение температуры газов за топкой и количества тепла, переданного газами поверхности нагрева топки.

Эта теплота может быть найдена только при известных геометрических размерах топки: величине лучевоспринимающей поверхности, Н л, полной поверхности стен, ограничивающих топочный объем, F ст, величине объема топочной камеры, V т.

Рис.3.1 - Эскиз парового котла КЕ-25-14С

Лучевоспринимающая поверхность топки находится как сумма лучевоспринимающих поверхностей экранов, т.е.

где Н лэ - поверхность левого бокового экрана,

Н пэ - поверхность правого бокового экрана;

Н зэ - поверхность заднего экрана;

Н лэ = Н пэ = L т l бэ х бэ;

Н зэ = В зэ l зэ х бэ;

т - длина топки;

l бэ - длина трубок бокового экрана;

В зэ - ширина заднего экрана;

х бэ - угловой коэффициент бокового экрана;

l зэ - длина трубок заднего экрана;

х зэ - угловой коэффициент заднего экрана.

Ввиду сложности определения длин трубок, величину лучевоспринимающей поверхности нагрева возьмем из технической характеристики котла:

Н л = 92,1 м 2 .

Полная поверхность стен топки, F ст, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Поверхности сложной конфигурации приведем к равновеликой простой геометрической фигуре.

Площадь поверхностей стен топки:

фронт котла

фр = 2,75 ∙ 4,93 = 13,6 м 2 ;

задняя стенка топки

зс = 2,75 ∙ 4,93 = 13,6 м 2 ;

боковая стенка топки

бс = 4,80 ∙ 4,93 = 23,7 м 2 ;

под топки

под = 2,75 ∙ 4,80 = 13,2 м 2 ;

потолок топки

пот = 2,75 ∙ 4,80 = 13,2 м 2 .

Полная поверхность стен, ограничивающих топочный объем

ст = F фр + F зс + 2F бс + F под + F пот, ст = 13,6 + 13,6 + 2 ∙ 23,7 + 13,2 + 13,2 = 101,0 м 2 .

Величина топочного объема:

т = 2,75 ∙ 4,80 ∙ 4,93 = 65,1 м 3 .

Степень экранирования топки

Ψ = Н л /F ст,

Ψ = 92,1/101,0 = 0,91.

Коэффициент сохранения теплоты

φ = 1 - q 5 /100,

φ = 1 - 0,5/100 = 1,00.

Эффективная толщина излучающего слоя

3,6V т /F ст,= 3,6 · 65,1/101,0 = 2,32 м.

Адиабатная (теоретическая) энтальпия продуктов сгорания

a = Q (100 - q 3 - q 4) / (100 - q 4) + I гв - Q вн, a = 22674· (100 - 0,5 - 0,5) / (100 - 0,5) + 1725 - 1487 = 22798 кДж/кг.

Адиабатная (теоретическая) температура газов (табл.1)

Т а = 1835°С = 2108 К.

Принимаем температуру газов на выходе из топки

Т" т = 800°С = 1073 К.

Энтальпия газов на выходе из топки (табл.1) при этой температуре" т = 9097 кДж/кг.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания

(V г С ср) = (I a - I" т) / (t a - t " т),

(V г С ср) = (22798 - 9097) / (1835 - 800) = 13,24 кДж / (кг·град ).

Условный коэффициент ( табл.5.1) загрязнения поверхности нагрева при слоевом сжигании топлива

Тепловое напряжение топочного объема

v = BQ/V т, v = 0,77 · 22674/65,1 = 268 кВт/м 3 .

Коэффициент тепловой эффективности

Ψ э = 0,91 · 0,60 = 0,55.

∙0,228 = 5,39 (м·МПа ) - 1 .

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами

с = 0,3 (2 - α) (1,6Т т /1000 - 0,5) С р /Н р, с = 0,3· (2 - 1,28) · (1,6 · 1073/1000 - 0,5) ·54,6/3,9 = 3,68 (м·МПа ) - 1 .

Часть золы топлива, уносимая из топки в конвективные газоходы ( табл.5.2)

Масса дымовых газов

г = 1 - А р /100 + 1,306αV о, г = 1 - 21,3/100 + 1,306 · 1,28 · 5,54 = 10,0 кг/кг.

Коэффициент ослабления лучей взвешенными частицами летучей золы ( рис.5.3) при принятой температуре t т

k зл = 7,5 (м·ата ) - 1 .

Коэффициент ослабления лучей частицами горящего кокса ( с.29)

k к = 0,5 (м·ата ) - 1 .

Концентрация золовых частиц в потоке газа

μ зл = 0,01А р а ун /G г, μ зл = 0,01 · 21,3 · 0,1/10,0 = 0,002.

Коэффициент ослабления лучей топочной средой

k т = 5,39 + 7,5 · 0,002 + 0,5 = 5,91 (м·ата ) - 1 .

Эффективная степень черноты факела

а ф = 1 - е -k тРтS ,

а ф = 1 - 2,7 -5,91·0,1·2,32 = 0,74.

Отношение зеркала горения к полной поверхности стен топки при слоевом горении

ρ = F под /F ст,

ρ = 13,2/101,0 = 0,13.

Степень черноты топки при слоевом сжигании топлива

а т = ,

а т = = 0,86.

Величина относительного положения максимума температур для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) принимается ( с.30) равным:

Параметр, характеризующий распределение температур по высоте топки ( ф.5.25)

М = 0,59 - 0,5Х т, М = 0,59 - 0,5 · 0,1 = 0,54.

Расчетная температура газов за топкой

Т т = ,

Т т = = 1090 К = 817°С.

Расхождение с предварительно принятым значением составляет

∆t т = t т - t " т,

∆t т = 817 - 800 = 17°С < ± 100°C.

Энтальпия газов за топкой т = 9259 кДж/кг.

Количество тепла, переданное в топке

т = φВ (I a - I т), т = 1,00 · 0,77· (22798 - 9259) = 10425 кВт.

Коэффициент прямой отдачи

μ = (1 - I т /I а) ·100,

μ = (1 - 9259/22798) ·100 = 59,4%.

Действительное тепловое напряжение топочного объема

v = Q т /V т, q v = 10425/65,1 = 160 кВт/м 3 .

3.3 Расчет теплообмена в конвективной поверхности

Тепловой расчет конвективной поверхности служит для определения количества передаваемого тепла и сводится к решению системы двух уравнений - уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого топлива при нормальных условиях.

Из предыдущих расчетов имеем:

температура газов перед рассматриваемым газоходом

t 1 = t т = 817°С;

энтальпия газов перед газоходом 1 = I т = 9259 кДж/кг ;

коэффициент сохранения теплоты

секундный расход топлива

В р = 0,77 кг/с.

Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после газохода:

t " 2 = 220ºC,

t "" 2 = 240ºC.

Дальнейший расчет ведем для двух принятых температур.

Энтальпия продуктов сгорания после конвективного пучка:" 2 = 2320 кДж/кг ,"" 2 = 2540 кДж/кг .

Количество теплоты, отданное газами в пучке:

1 = φВ р (I т - I 1); " 1 = 1,00 ∙ 0,77· (9259 - 2320) = 5343 кДж/кг ,"" 1 = 1,00 · 0,77∙ (9259 - 2540) = 5174 кДж/кг .

Наружный диаметр труб конвективных пучков (по чертежу)

d н = 51 мм.

Число рядов по ходу продуктов сгорания (по чертежу) 1 = 35.

Поперечный шаг труб (по чертежу) 1 = 90 мм.

Продольный шаг труб (по чертежу) 2 = 110 мм.

Коэффициент омывания труб ( табл.6.2)

Относительные поперечный σ 1 и продольный σ 2 шаги труб:

σ 1 = 90/51 = 1,8;

σ 2 = 110/51 = 2,2.

Площадь живого сечения для прохода газов при поперечном омывании труб

ж = ab - z 1 l d н,

где а и b - размеры газохода в свету, м ;

l - длина проекции трубы на плоскость рассматриваемого сечения, м ;

ж = 2,5 ∙ 2,0 - 35 ∙ 2,0 ∙ 0,051 = 1,43 м 2 .

Эффективная толщина излучающего слоя газов

S эф = 0,9d н , эф = 0,9 · 0,051· = 0,177 м.

Температура кипения воды при рабочем давлении (по таблицам насыщенного водяного пара)

t " s = 198°С.

Средняя температура газового потока

ср1 = 0,5 (t 1 + t );

t " ср1 = 0,5· (817 + 220) = 519ºC,

t "" ср1 = 0,5· (817 + 240) = 529ºC.

Средний расход газов

V"" cp1 = 0,77 · 7,56· (529 + 273) /273 = 17,10 м 3 /с.

Средняя скорость газов

ω г1 = V cp1 /F ж,

ω" г1 = 16,89/1,43 = 11,8 м/с ,

ω"" г1 = 17,10/1,43 = 12,0 м/с .

Коэффициент загрязнения поверхности нагрева ( с.43)

ε = 0,0043 м 2 ·град /Вт.

Средняя температура загрязненной стенки ( с.42)

з = t " s + (60÷80), t з = (258÷278) = 270°С.

Поправочные коэффициенты для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией ( рис.6.2):

на количество рядов

на относительные шаги

на изменение физических характеристик

Вязкость продуктов сгорания ( табл.6.1)

ν" = 76·10 -6 м 2 /с ,

ν"" = 78·10 -6 м 2 /с .

Коэффициент теплопроводности продуктов сгорания ( табл.6.1)

λ" = 6,72·10 -2 Вт / (м ·°С),

λ"" = 6,81·10 -2 Вт / (м ·°С).

Критерий Прандтля продуктов сгорания ( ф.6.7)

Рr" = 0,62,Рr"" = 0,62.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией ( табл.6.1)

α к1 = 0,233С z C ф λР (ωd н /ν) 0,65 /d н,

α" к1 = 0,233 · 1 · 1,05 · 6,72·10 -2 · 0,62 0,33 · (11,8 · 0,051/76·10 -6) 0,65 /0,051,α" к1 = 94,18 Вт / (м 2 ·К );

α"" к1 = 0,233 · 1 · 1,05 · 6,81·10 -2 · 0,62 0,33 · (12,0 · 0,051/78·10 -6) 0,65 /0,051,α"" к1 = 94,87 Вт / (м 2 ·К ).

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

·0,228 = 23,30 (м·МПа ) -

1, ·0,228 = 23,18 (м·МПа ) -

1, Суммарное парциальное давление трехатомных газов (определено ранее)

Р п = 0,023 МПа.

Коэффициент ослабления луча в объеме заполненном золой при температуре t ср ( рис.5.3)

К"" зл = 9,0.

Концентрация золовых частиц в потоке газа (определена ранее)

μ зл = 0,002.

Степень черноты запыленного газового потока

а = 1 - е -kгkзлРп μ злSэф,

а" = 1 - е -23,30·9,0·0,002·0,023·0,177 = 0,002,а"" = 1 - е -23,18·9,0·0,002·0,023·0,177 = 0,002.

Коэффициент теплоотдачи излучением при сжигании каменного угля

а л = 5,67·10 -8 (а ст + 1) аТ 3 /2,

где а ст - степень черноты стенки, принимается ( с.42)

а ст = 0,82;
кДж/кг ;"" к = 62,46 · 418 · 214/1000 = 5587 кДж/кг .

По принятым двум значениям температуры

t " 1 = 220ºC;

t "" 1 = 240ºC

и полученным значениям

" б1 = 5343 кДж/кг ;"" б1 = 5174 кДж/кг ;" к1 = 4649 кДж/кг ;"" к1 = 5587 кДж/кг

производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после конвективной поверхности нагрева. Для графической интерполяции строим график (рис.3.2) зависимости Q = f (t ).

Рис.3.2 - График зависимости Q = f (t )

Точка пересечения прямых укажет температуру t р газов, выходящих после конвективной поверхности:

t к = 232ºС.

Количество теплоты, воспринятое поверхность нагрева к1 = 5210 кВт.

Энтальпия газов при этой температуре

I к1 = 2452 кДж/кг.

3.4 Расчет экономайзера

Энтальпия питательной воды на входе в экономайзер

i хв = 377 кДж/кг.

Энтальпия питательной воды на выходе из экономайзера

i гв = 719 кДж/кг.

Коэффициент сохранения теплоты (найден ранее)

Количество тепла, отданное уходящими газами в экономайзере

эк = D (i гв - i хв);

Q эк = 6.94∙ (719 - 377) = 2373 кДж.

Энтальпия уходящих газов за экономайзером ух = I к - Q эк /В р, ух = 2452 - 2373/0,77 = 103 кДж/кг.

Температура уходящих газов за экономайзером

t ух = 10ºС.

4. Окончательный тепловой баланс

После выполнения теплового расчета устанавливается окончательный тепловой баланс, целью которого является определение достигнутой паропроизводительности при заданном расходе топлива и коэффициента полезного действия котла.

Располагаемое тепло

Q = 22674 кДж/м 3 .

Расход топлива

В = 0,77 кг/с .

Количество тепла, переданного в топке пт = 10425 кВт .

Количество тепла, переданное в парообразующем конвективном пучке к = 5210 кВт .

Количество тепла, переданное в экономайзере эк = 2373 кВт .

Полное количество тепла, переданное воде в котле

1 = Q пт + Q к + Q эк, 1 = 10425 + 5210 + 2373 = 18008 кВт .

Энтальпия питательной воды

i п. в = 377 кДж/кг .

Энтальпия влажного пара

i х = 2695 кДж/кг .

Полная (максимальная) паропроизводительность котла

Q 1 / (i х - i п. в); = 18008/ (2695 - 377) = 7,77 кг/с.

Коэффициент полезного действия котла

η = 100∙Q 1 / (В р Q);

η = 100 · 18008/ (0,77 · 22674) = 100%.

Невязка баланса:

в тепловых единицах

ΔQ = QηB p - Q 1 (100 - q 4) /100;

ΔQ = 22673 · 1,00 · 0,77 - 18008· (100 - 0,5) /100 = 65 кДж ;

в процентах

δQ = 100∆Q/Q,

δQ = 100 · 65/22674 = 0,29% < 0,5%.

Библиографический список

1. Томский Г.И. Тепловой расчет стационарного котла. Мурманск. 2009. - 51 с.

2. Томский Г.И. Топливо для стационарных паровых и водогрейных котлов. Мурманск. 2007. - 55 с.

Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. Л.: Энергоатомиздат. 1989. - 280 с.

Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки. Л.: Энергоатомиздат. 1985. - 400 с.

Г.В. Масловский, менеджер-консультант,
ЗАО «Энергомаш (Белгород)», г. Белгород

Сегодня некоторые предприятия предпочитают использовать паровые котлы единичной мощностью до 25 т/ч включительно там, где ранее было намечено размещать котлы на 35 или 50 т/ч при одинаковой суммарной установленной мощности. При этом, как показывают расчеты, резко сокращаются монтажные расходы (почти в 3 раза) при практически той же или даже меньшей общей стоимости котельного оборудования, а также улучшается оперативность управления располагаемой мощностью.

Описание и особенности базовой конструкции котла

В 1995 г. была создана принципиально новая базовая модель транспортабельного котельного блока газомазутного котла БЭМ-25/1,4-225ГМ (рис. 1, 2). Котел был разработан для использования в качестве пускового для Северо-Западной ТЭЦ г. Санкт-Петербурга. Это водотрубный с естественной циркуляцией двухбарабанный котел с горизонтальным развитием факела в полностью экранированной топке и примыкающим к топке конвективным газоходом, где размещены котельные (испарительные) пучки и (при необходимости перегрева пара) пароперегреватель.

Новым в этой конструкции является, прежде всего, более плотное приближение наружных очертаний поперечного сечения основного блока котла (ОБК) к нормативному основному транспортабельному габариту железной дороги за счет конфигурации поперечного сечения, позволяющей размещать при транспортировке (рис. 3) центр верхнего барабана блока в районе биссектрисы одного из верхних тупых углов этого габарита, а нижнего барабана - в районе противоположного нижнего прямого угла.

Конструктивно это приводит к тому, что вертикальная ось, соединяющая в рабочем состоянии между собой верхний и нижний барабаны, в процессе транспортировки приобретает наклонное положение под углом более 15 О к вертикали. В результате этого горизонтальные при транспортировке участки труб, например, боковых экранов топки в рабочем состоянии располагаются в пространстве под достаточно крутыми углами, что обеспечивает их надежную работу, т.к. исключаются условия для расслоения пароводяной смеси в процессе работы этих труб в качестве испарительных.

Другим важным отличием является то, что топочная камера выполнена с ограждением всех стен из цельносварных экранов, причем замкнутых не на барабаны, а на нижние и верхние коллекторы, в свою очередь соединенными короткими трубами с соответствующими барабанами. Такие решения имеют целый ряд преимуществ как с точки зрения изготовления, так и эксплуатации. Автономная (конструктивно) топка может изготавливаться отдельно на параллельном участке цеха, что расширяет фронт работ. Отсутствие обогреваемых топочными газами участков барабанов повышает надежность котла. Полная газоплотность снижает присосы, следовательно, повышается КПД котла и создаются предпосылки для более жесткого контроля за поддержанием оптимального коэффициента избытка воздуха по всему газовому тракту котла, что, в свою очередь, влияет и на КПД, и на образование вредных выбросов. Обеспечивается также возможность работы котла под наддувом.

Как уже отмечалось выше, все участки труб, экранирующих топку, расположены в пространстве под углом не менее 15 О, поэтому в топке отсутствует массивная кирпичная кладка на поду топки, что свойственно другим котлам этого типа. При этом не только экономится шамотный кирпич, но и создаются условия для более интенсивного охлаждения факела, т.к. из теплообмена не исключается 20% поверхности нагрева топки. В свою очередь, в новом блоке конструктивно поверхность лучевоспринимающих стен топки более чем на 30% выше, чем у аналогичных котлов еще и из-за того, что барабаны полностью вынесены из топки, что также благотворно сказывается на процессе горения и тепловосприятия в топке. Благодаря более широкой топке, снизилась вероятность наброса частиц мазута на ее боковые стенки.

Основные конструктивные решения базовой модели котла защищены патентами РФ («Котел» RU 2096680, «Стойка дистанционирующая» RU 2132511).

В котлах данного типа не предусмотрена установка воздухоподогревателя во избежание чрезмерного образования NO x при сжигании природного газа, поэтому рекомендуется при сжигании мазута комплектовать котел небольшим калорифером, который обеспечил бы при этом подогрев воздуха до 60^100 О С.

Предполагается наличие конкретных исполнений типоразмеров в зависимости от параметров пара, сжигания одного или двух видов топлива, открытой или закрытой компоновки котла, выбранного типа экономайзера и его географического расположения по отношению к основному блоку котла.

Горизонтальный конвективный газоход имеет с топкой общую (разделительную) боковую внутреннюю стенку - цельносварной трубчатый испарительный экран. В этом газоходе размещены замкнутые на барабаны испарительные котельные пучки и (при необходимости) пароперегреватель. В том случае, когда номинальный подогрев пара составляет около 30 О С, в качестве пароперегревателя используется наружная боковая стенка - трубчатый цельносварной экран, который в этом случае выполняется таким, чтобы обеспечить минимальную температурную разверку в трубах этого экрана по глубине газохода. При необходимости более высокого перегрева пара (вплоть до 440 О С) пароперегреватель выполняется в виде конвективной поверхности из одного или двух пакетов. Змеевики при этом расположены в горизонтальных плоскостях, чтобы обеспечить полную дренируемость пароперегревателя. Наружная боковая стенка при этом выполняет функции испарительной поверхности нагрева. То же самое решение относительно боковой стенки применяется и для котлов, предназначенных для выработки только насыщенного пара.

При промежуточных величинах требуемого перегрева пара (до 310 О С) пароперегреватель выполняется в виде дренируемых конвективных ширм.

Регулирование температуры пара осуществляется за счет байпасирования части газового потока над или под пакетом пароперегревателя через специальный канал, на выходе из которого размещен специальный поворотный шибер. Шибер и разделительная перегородка между этим каналом и пароперегревателем выполнены из высоколегированной стали. Размещенные в газоходе коллектора защищены от прямого теплового воздействия газового потока изоляцией, закрытой снаружи плотным металлическим корпусом, выполненным также из высоколегированной стали. С фронта котла по центру торцевого экрана устанавливается одна газомазутная горелка соответствующей тепловой мощности.

Продукты сгорания благодаря отсутствию массивной обмуровки в топке, вследствие умеренных тепловых напряжений сечения и объема топки, имеющей достаточную длину для горизонтального развития факела, подходят к фестону охлажденными до температуры порядка 1000-1100 О С, разворачиваются в фестоне, которым заканчивается разделительная стенка, и попадают в конвективный газоход. Фестону придана специальная аэродинамическая форма, свойственная направляющему лопаточному аппарату, а трубы в первом котельном пучке расставлены таким образом, чтобы поля скоростей и температур в поперечном сечении газохода перед пароперегревателем были приведены в наиболее равномерное состояние. Это должно минимизировать наличие температурных разверок в выходном пакете пароперегревателя, повысив его срок службы.

Срок службы пароперегревателя во многом зависит также от качества пара. Конструктивно в рассматриваемых котлах напряженность зеркала испарения в верхнем барабане невелика, тем не менее, там установлено специальное внутрибарабанное устройство. В зависимости от давления в котле это устройство выполняется разным, но общим является то, что везде имеется две ступени испарения, причем в солевой отсек выделена задняя часть топки, фестон и начальный участок конвективного газохода, прилегающий к разреженному конвективному пучку. Пар из солевого отсека попадает в чистый отсек верхнего барабана, после смешения с паром чистого отсека он поступает в горизонтальный коллектор насыщенного пара. Далее пар направляется в зависимости от конкретной модификации в пароперегреватель или непосредственно в выходной коллектор.

При настенном пароперегревателе пар поступает в верхний входной коллектор пароперегревателя. Из этого коллектора параллельными трубами пар поступает в нижний выходной коллектор пароперегревателя. Суммарное проходное сечение труб настенного пароперегревателя, расположенных в более горячей по газам зоне, существенно выше по сравнению с остальной частью. Этим достигается более равномерная температура перегрева пара в пределах всей боковой стенки конвективного газохода. Из торца нижнего коллектора пар поступает в коллектор перегретого пара, устанавливаемый эксплуатирующей организацией в удобном для обслуживания месте.

При наличии конвективного пароперегревателя из горизонтального коллектора насыщенного пара (КНП) пар поступает первоначально во входной коллектор пароперегревателя, расположенный в плоскости перпендикулярной оси КНП. Пройдя через змеевики, в конечном счете, пар поступает в выходной коллектор, из которого он направляется в коллектор перегретого пара, расположенный снаружи котла.

За перегревателем расположены котельные пучки (один или более), где газы при номинальной нагрузке охлаждаются до температуры 300^400 О С (в зависимости от модификации).

Газы после ОБК направляются в отдельно стоящий неотключаемый экономайзер, устанавливаемый в месте удобном для обслуживания. Экономайзер может быть выполнен из стальных оребренных труб либо из чугунных, тоже оребренных, конструкции ВТИ. Для котлов производительностью 16 т/ч и менее, предназначенных для работы

только на газовом топливе, имеется вариант исполнения котла с размещением экономайзера в пределах транспортабельного ОБК.

Чугунные экономайзеры применяются при сжигании в котле мазута и при давлении пара на выходе из котла, не превышающего 24 кгс/см 2 . В остальных случаях применяется стальной экономайзер, но при сжигании мазута шаг между ребрами выполняется в 1,5 раза большим, чем при работе котла исключительно на газе. Экономайзер может быть выполнен и из гладких труб с их коридорным расположением в опускном газоходе.

Котел, в котором предусматривается сжигание мазута, снабжается стационарной газоимпульсной очисткой, включающей в себя компактные камеры сгорания, соединительный топливопровод, арматуру и автоматику. Для очистки поверхностей нагрева в качестве альтернативного варианта может быть использован также генератор ударных волн.

С целью подтверждения вышесказанного, приведем выдержки из отзывов об опыте эксплуатации котлов серии БЭМ несколькими организациями.

А.В. Бацелев, главный инженер, ОАО «Мозырский нефтеперерабатывающий завод», г. Мо зырь, Гомельская обл., Республика Беларусь.

На ОАО «Мозырский НПЗ» котел БЭМ-25/4,0- 380ГМ находится в промышленной эксплуатации с начала 1999 г. Работа котла осуществляется на топливном газе (на многих НПЗ этот газ сжигается на свече, что приводит не только к экономическим потерям, но и наносит непоправимый экологический ущерб - прим. авт.). Регулирование температуры перегретого пара газовым шибером, путем байпасирования части газов через параллельный газоход применяется обычно при растопке котла. Использование шибера позволяет регулировать температуру пара в пределах 7-9% (30-35 О С). Отмечаем простоту обслуживания котла, широкий диапазон регулирования нагрузки, надежность и экологические показатели в пределах допустимых норм. Технические характеристики на данном виде топлива подтверждаются.

С.Л.Крячек, главный инженер завода, ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», г. Ангарск, Иркутская обл.

На ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» паровой котел БЭМ-25/1,6-270ГМ работает с 2002 г. В качестве топлива используется газ переменного состава, вырабатываемый на установках завода с калорийностью 500011000 ккал/м 3 (содержание водорода в топливном газе до 70%).

За период эксплуатации данный котел зарекомендовал себя положительно. Несмотря на значительные колебания в составе топливного газа, котел стабильно обеспечивает проектную производительность - 25 т/ч (максимальная производительность котла достигала 27 т/ч) и температуру перегретого пара. Каких-либо работ по ремонту испарительных поверхностей за период эксплуатации не производилось.

П.Т. Заяц, главный энергетик, ВОАО «Химпром», г. Волгоград.

На ВОАО «Химпром» работают два паровых котла БЭМ-25/4,0-380ГМ (один - с 1 августа 2001 г.; второй - с 9 августа 2002 г.) на природном газе.

За время эксплуатации они показали высокую экономическую эффективность и окупаемость (в среднем около года). Процесс производства пара легко управляем вследствие применения специальной программы, заложенной в систему автоматического управления, которая надежно и безопасно производит пуск, регулирует технологический процесс производства пара, выбирает наиболее экономичный режим по выпуску пара и потреблению природного газа.

Котлы данного типа динамичны в работе, стабильно держат параметры, не поддаются случайным технологическим возмущениям. Техническое обслуживание котла легкодоступно.

А.И.Синяков, главный энергетик, ОАО «Березниковский содовый завод», г. Березники, Пермский край.

Три котла БЭМ 25/1,6-310Г, эксплуатируемые с сентября 2003 г., зарекомендовали себя с наилучшей стороны. Фактическая тепловая производительность и КПД котлов выше паспортных, низкий удельный расход топлива на отпущенную тепловую энергию.

Единственным обстоятельством, препятствовавшим вводу котлов в эксплуатацию, являлась повышенная температура перегретого пара (до 400 О С), которую не удалось снизить в процессе режимно-наладочных работ без снижения паропроизводительности котлов. Нами приобретены и смонтированы охладители пара, позволившие регулировать температуру пара в необходимом интервале.

В.Г. Иванова, главный инженер, Н.Г. Боровской, начальник ТЭЦ, ОАО «Ржевский сахарник», с. Ржевка, Шебекинский р-н, Белгородская обл.

На ТЭЦ ОАО «Ржевский сахарник» котел БЭМ-25/2,4-380ГМ работает более 7 лет. Проведя сравнительный анализ паровых котлов ДЕ- 25/2,4-380ГМ и БЭМ-25/2,4-380ГМ, получили следующие данные.

1. Котел ДЕ-25/2,4-380ГМ:

■ при максимальной нагрузке не выдает расчетного количества пара - вместо 25 т/ч производительность по пару составляет 17-18 т/ч;

■ не имеет аварийного сброса воды из верхнего барабана при повышении уровня;

■ менее газоплотные котел и водяной экономайзер;

■ топка котла не имеет предохранительных взрывных клапанов для более безопасной работы котла и обслуживающего персонала.

2. Котел БЭМ-25/2,4-380ГМ:

■ имеет менее габаритный водяной экономайзер;

■ более легкая регулировка температуры перегретого пара шибером на байпасном газоходе;

■ имеет два взрывных клапана в топке котла;

■ имеет газоплотные котел и водяной экономайзер, при работе значительно снижается количество подачи воздуха на горение, а следовательно экономится электроэнергия на вентиляторе и дымососе;

■ при максимальной нагрузке может выдавать до 30 т/ч (пара).

(ДЕ-4-І4ІМ)	(ДЕ-6.5-14ГМ*	Е-І0-1.4ГМ (ДЕ-10-14 ГМ)	(ДЕ-І6-14ГМ)	Е-25-1.4ГМ* (ДЕ-25- 14ГМ)

Радиационной
Конвективной
Пароперегревателя
Водяной объем котла, м3
Внутренний диаметр бараба
Расчетный КПД. %
На мазуте

Расход, кг/ч
Газа (8620 ккал/м)
Мазута (9260 ккал/кг) Габаритные размеры, мм



Масса, кг

Показатели	ДКВр — 6,5-14 ГМ	ДКВр — 10-14 ГМ
Паропроизводительность,

Давление пара, МПа
(кгс/см‘)
Температура насыщенного/
Перегретого пара, С
Температура питательной
Площадь поверхности нагрева, м2
Радиационной
Конвективной
Пароперегревателя
Объем котла, м ‘


Внутренний диаметр бара
Банов, мм Расход, кг/ч


Тип горелки
Габаритные размеры, мм



Масса, кг