Проектирование производственно-отопительной котельной

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Курсовая работа по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы»

Введение

Высокие темпы промышленного производства и социального прогресса требуют резкого увеличения выработки тепловой энергии на базе мощного развития топливно-энергетического комплекса страны.

Централизованные системы теплоснабжения от тепловых электрических станций (ТЭС) наиболее эффективны. В настоящее время, централизованное теплоснабжение крупных городов осуществляется на базе мощных атомных станций теплоснабжения.

Для небольших теплопотребителей источником теплоты служат промышленные и отопительные котельные. Удельный вес их в балансе теплоснабжения составляет значительно большую часть. Несмотря на строительство крупных тепловых электростанций, с каждым годом увеличивается выпуск и улучшаются конструкции котлоагрегатов малой и средней мощности, повышаются надежность и экономичность котельного оборудования, снижается металлоемкость на единицу мощности, сокращаются сроки и затраты на производство строительно-монтажных работ.

В качестве топлива для котельных установок используют угли, торф, сланцы, древесные отходы, газ и мазут. Газ и мазут — эффективные источники тепловой энергии. При их применении упрощаются конструкция и компоновка котельных установок, повышается их экономичность, сокращаются затраты на эксплуатацию.

Развитие отечественной теплоэнергетики неразрывно связано с именами русских ученых и инженеров. Основы теплотехнической науки были заложены в середине XVIII в. великим русским ученым М. В. Ломоносовым. В 1766 г. талантливый русский теплотехник И. И. Ползунов создал в Барнауле первую в мире теплосиловую установку для привода заводских механизмов, которая включала паровой котел.

Практическое использование паросиловых установок дало новый источник энергии и сыграло большую роль в развитии промышленного производства. Ряд теоретических и экспериментальных работ по исследованию рабочих процессов котельных установок был проведен в конце XVIII и начале XI X вв. учеными В. В. Петровым и Я. Д. Захаровым.

В теплоснабжении крупных городов, районных центров, поселков котельные играют важнейшую роль. Городская сеть теплоснабжения обычно разделена на районы питания по числу ТЭЦ. В системе теплоснабжения подача тепла в жилые кварталы и промышленным предприятиям осуществляется от районных тепловых станций — крупных котельных с водогрейными и паровыми котлами.

теплота котлоагрегат энтальпия экономайзер

1. Расчёт тепловых нагрузок производственных и коммунально-бытовых потребителей тепла Таблица 1.1 — Выбор варианта для расчета тепловой нагрузки котельной

Котельной установкой называют комплекс устройств и агрегатов, предназначенных для получения пара или горячей воды за счет сжигания топлива. По назначению различают отопительные, производственные и отопительно-производственные котельные установки. Общий случай для расчета представляют отопительно-производственные котельные, так как они работают, как правило, круглый год.

Тепловая нагрузка котельной по характеру распределения во времени классифицируется на сезонную и круглогодовую. Сезонная (расходы теплоты на отопление и вентиляцию) зависит в основном от климатических условий и имеет сравнительно постоянный суточный и переменный годовой график нагрузки. Круглогодовая (расходы теплоты на горячее водоснабжение и технологические нужды), практически не зависит от температуры наружного воздуха и имеет очень неравномерный суточный и сравнительно постоянный годовой график потребления теплоты.

Расчетную тепловую нагрузку котельной отопительно-производственного типа определяют отдельно для холодного и теплого периодов года. В зимнее время она складывается из максимальных расходов теплоты на все виды теплопотребления

где Ф_от, Ф_в, Ф_г.в Ф_т — максимальные потоки теплоты, расходуемой всеми потребителями системы теплоснабжения соответственно на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологические нужды, Вт; k_з — коэффициент запаса, учитывающий потери теплоты в тепловых сетях, расход теплоты на собственные нужды котельной и резерв на возможное увеличение теплопотребления хозяйством, k_з = 1,2.

В летнее время нагрузку котельной составляют максимальные расходы теплоты на технологические нужды и горячее водоснабжение

Суммарные расходы теплоты на все виды теплопотребления определяют по приближенным формулам.

1.1 Расход теплоты на отопление и вентиляцию Максимальный поток теплоты, Вт, расходуемой на отопление жилых и общественных зданий поселка, включенных в систему централизованного теплоснабжения, можно определить по укрупненным показателям в зависимости от жилой площади помещения по формулам

где — укрупненный показатель максимального удельного потока теплоты, расходуемой на отопление 1 м² жилой площади, Вт/м²; F — жилая площадь, м².

Значения определяются в зависимости от расчетной зимней температуры наружного воздуха (=175Вт/).

Максимальный поток теплоты, Вт, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха общественных зданий

Для отдельных жилых, общественных и производственных зданий максимальные потоки теплоты, Вт, расходуемой на отопление и подогрев воздуха в приточной системе вентиляции можно определить по их удельным тепловым характеристикам

где q_от и q_в — удельные отопительная и вентиляционная характеристики здания, Вт/(м^3оС); V_н — объем здания по наружному обмеру (без подвальной части), м³; a — поправочный коэффициент, учитывающий влияние на удельную тепловую характеристику местных климатических условий

a = 0,54 + 22/(t_в — t_н).

Хлебозавод:

а=0,54+22/(t_в-t_н)=0,54+22/(16-(-30))=1,02

Банно-прачечный комбинат:

а=0,54+22/(15-(-30))=1,03

Животноводческая ферма:

а=0,54+22/(10-(-30))=1,09

Магазин:

а=0,54+22/(15-(-30))=1,03

Ремонтная мастерская:

а=0,54+22/(20-(-30))=0,98

1.2 Расход теплоты на горячее водоснабжение

Средний поток теплоты, Вт, расходуемой за отопительный период на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий находят по формуле:

где q_г.в =320 — укрупненный показатель среднего потока теплоты, Вт, расходуемой на горячее водоснабжение одного человека с учетом общественных зданий поселка, принимается в зависимости от средней за отопительный период нормы потребления воды при температуре 60 ^оС на одного человека g=85, л/сут:

Максимальный поток теплоты, Вт, расходуемой на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий

Для производственных зданий максимальный поток теплоты, Вт, расходуемой на горячее водоснабжение, определяют по формуле

где G_v — часовой расход горячей воды, м³/ч; _в — плотность воды, принимается равным 983 кг/м³; С_в — удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг^оС); t_г — расчетная температура горячей воды, равная 55 ^оС; t_х — расчетная температура холодной (водопроводной) воды, принимаемая в зимний период равной 5 ^оС, а летний период 15 ^оС.

Для животноводческих помещений максимальный поток теплоты, Вт, расходуемой на горячее водоснабжение (t_г =40…60 ^оС) для санитарно-технических нужд (подмывание вымени, мытье молочной посуды, доильных аппаратов, молокопроводов, шлангов и другого оборудования, уборка помещений), подсчитывают по формуле где — коэффициент неравномерности потребления горячей воды в течение суток, принимают = 2,5; n_i — число животных данного вида в помещении; g_i — среднесуточный расход воды на одно животное, кг, принимают для коров 15 кг, телят и молодняка 2 кг, свиноматок 3 кг, свиней на откорме 0,5 кг.

Поток теплоты, Вт, расходуемой на горячее водоснабжение (t_г = 10…20 ^оС) для поения животных Поток теплоты, Вт, расходуемой на горячее водоснабжение жилых, общественных и производственных зданий в летний период, по отношению к отопительному снижается и определяется по следующим формулам:

для жилых и общественных зданий

для производственных зданий

n=6000чел. q_г. в.=320 Вт

Жилые здания:

Для производственных зданий:

Хлебозавод

Магазин

Банно-прачечный комбинат

Ремонтная мастерская:

Животноводческая ферма:

На расход мытья:

Определим поток теплоты, расходуемый на горячее водоснабжение жилых, общественных и производственных зданий в летний период.

Для жилых и общественных:

Для производственных зданий:

Банно — прачечный комбинат:

Хлебозавод:

Магазин

Животноводческая ферма:

На расход мытья:

Ремонтная мастерская:

1.3 Расход теплоты на технологические нужды

Поток теплоты, Вт, расходуемой на технологические нужды ремонтных мастерских и автогаражей, подсчитывают по формуле

где — коэффициент спроса на теплоту, равный 0,6…0,7; G — расход теплоносителя (воды или пара), кг/ч; h — энтальпия теплоносителя, кДж/кг; h_воз — энтальпия обратной воды или возвращаемого конденсата, кДж/кг (можно принять h_воз = 270…295 кДж/кг); p — коэффициент возврата обратной воды или конденсата, обычно принимаемый равным 0,7.

Расход теплоносителя — воды (при 95 ^оС) для получения смешанной воды с температурой t_см определяют по формуле Расход горячей воды (t_см = 60 ^оС) для автогаражей где n — число автомобилей, подвергающихся мойке в течение суток; g — среднесуточный расход воды на мойку одного автомобиля, кг/сут. Для легкового автомобиля g = 175 кг/сут, для грузового g = 250 кг/сут.

Расход пара D (G = D) для ремонтных мастерских можно принять равным 100…120 кг/ч.

Поток теплоты, Вт, расходуемой на технологические нужды животноводческих помещений, определяют по укрупненным нормам расхода пара и горячей воды на тепловую обработку кормов где — коэффициент неравномерности потребления теплоты на технологические нужды в течение суток, принимают = 4; M_i — количество подлежащего тепловой обработке корма данного вида в суточном рационе одного животного, кг (таблица В.4); d_i — удельный расход пара или горячей воды на обрабатываемый корм данного вида, кг/кг (таблица В.4); h_i — энтальпия используемого пара или горячей воды, кДж/кг; n_i — число животных данного вида в помещении.

Поток теплоты, Вт, расходуемой на пастеризацию молока где m_м — масса молока, обрабатываемая в пастеризаторе, кг/ч; С_м — теплоемкость молока, равная 3,94 кДж/(кг^оС); t''_м — температура молока после пастеризации, принимают t''_м = 85 ^оС; t'_м — температура молока до пастеризации, (у охлажденного t'_м = 5 ^оС, после дойки t'_м = 35 ^оС).

Поток теплоты, Вт, расходуемой на пропаривание молочных фляг где d_ф — расход пара на пропаривание одной фляги (0,2 кг); n — число фляг; h_п — энтальпия пара, кДж/кг (при избыточном давлении 39,2 кПа h_п = 2636 кДж/кг).

Результаты расчетов тепловой нагрузки объектов проектирования сводят в табл. 1.2.

Ремонтная мастерская:

Расход теплоносителя — воды (t_см=95)

Животноводческая ферма:

На обработку кормов:

На пастеризацию молока:

На пропаривание молочных фляг:

Таблица 2- Удельные тепловые характеристики жилых, общественных и производственных зданий при расчётной наружной температуре -30 и их внутренняя расчётная температура.

Расчетная тепловая нагрузка котельной:

Расход теплоты в летнее время;

2. Построение годового графика тепловой нагрузки Годовой расход теплоты на все виды теплопотребления можно определить аналитически или графически из годового графика тепловой нагрузки. По годовому графику устанавливаются также режимы работы котельной в течение всего года. Строят такой график в зависимости от длительности действия в данной местности различных наружных температур.

Рис. 2.1 — Годовой график тепловой нагрузки: 1 — расход теплоты на отопление производственных зданий; 2 — на вентиляцию производственных зданий; 3- на отопление общественных зданий; 5 — на горячее водоснабжение и технологические нужды; 6 — суммарный график расхода теплоты; 7 — график тепловой нагрузки за отопительный период; 8 — нагрузка летнего периода.

Средневзвешенная расчётная внутренняя температура определяется по выражению:

t_в.ср.=,

где V — объёмы зданий по наружному обмеру, м³; t — расчётные внутренние температуры этих зданий, .

Средневзвешенная расчётная внутренняя температура для жилых и общественных зданий и производственных помещений:

t_в.ср.= (20 000*16+20 000*15+50 000*16+10 000*20+5000*15)/115 000=14,4 ° С Годовой расход теплоты, ГДж/год:

где F — площадь годового графика тепловой нагрузки, мм²; m_ф и m — масштабы расхода теплоты и времени работы котельной, соответственно Вт/мм и ч/мм.

F=24 600 мм²

m_ф=100 000 Вт/мм

m=50 ч/мм

Q_год=3,6*10^-6*246*100 000*50=442 000 ГДж/год.

3. Расчёт принципиальной тепловой схемы производственно-отопительной котельной Тепловая схема № 14.

Исходные данные для расчёта тепловой схемы котельной.

Пар для технологических нужд производства имеет параметры:

1. Р₁=1,37 МПа; х₁=0,99; D_Т =11,15 кг/с.

2. Температура сырой воды t_св=8⁰С.

3. Давление пара после РОУ Р₂=0,118 МПа.

4. Сухость пара на выходе из расширителя непрерывной продувки х₂=0,98.

5. Потери пара в котельной в процентах от D_cут, d_ут=3,1%.

6. Расход тепловой воды на непрерывную продувку в процентах от D_cут d_пр=2,4%.

7. Расход тепла на подогрев сетевой воды Q_б=12,22 МВт

8. Температура воды на выходе из сетевых подогревателей t^/₁=92⁰C.

9. Температура в обратной линии теплосети t^/₂=50⁰C.

10. Температура воды перед и после ХВО t_хво=28⁰С.

11. Температура конденсата на выходе из бойлера t_кб=70⁰С.

12. Потери воды в тепловой сети d_ТС=10%.

13. Температура конденсата после пароводяного подогревателя сырой воды t^//_к1=95⁰С.

14. Температура продуктов горения перед экономайзером, t_ух1 =305⁰С.

15. Температура продуктов горения за экономайзером, t_ух2 =180⁰С.

3.1 Определение параметров воды и пара При давлении Р₁=1,37 МПа в состоянии насыщения имеем t₁=194 ⁰С, i^//₁=2788 кДж/кг, i^/₁=826 кДж/кг, r₁=1961 кДж/кг.

При давлении Р₂=0,118 МПа в состоянии насыщения имеем t₂=104 ⁰С, i^//₂=2683 кДж/кг, i^/₂=437кДж/кг, r₂=2246 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара на выходе из котлоагрегата:

i^х₁=i^//₁ -(1-х₁)•r₁ = 2788-(1−0,99)•1961=2768,39 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара на выходе из расширителя:

i^х₂=i^//₂ -(1-х₂)•r₂ = 2683-(1−0,98)•2246=2638,08 кДж/кг.

Энтальпия воды при температуре ниже 100⁰С может быть с достаточной точностью определена без использования таблиц по формуле:

i_в=С_в•t_в,

где С_в=4,19 кДж/кг

1.Расчёт подогревателей сетевой воды.

Для водоподогревателя:

.

Для пароводяных водоподогревателей:

где W₁ и W₂ — расходы воды (греющей и подогреваемой), кг/с;

t^/₁, t^/₂ и t^//₁, t^//₂ — начальные и конечные температуры воды, ⁰С;

D₁ — расход греющего пара, кг/с;

i₁ — энтальпия пара, кДж/кг;

i_к — энтальпия конденсата, кДж/кг;

з_n — коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом и трубопроводами в окружающею среду (з_n=0,95).

Рис. 3.1 Схема водоподогревательной установки.

Определим расход воды через сетевой подогреватель из уравнения теплового баланса:

.

кг/с.

Потери воды в тепловой сети заданы в процентах от W_б:

кг/с.

Подпиточный насос подаёт в теплосеть воду из деаэратора с энтальпией i^/₂=437 кДж/кг в количестве W_ТС. Поэтому расход тепла на подогрев сетевой воды в бойлерах уменьшится на величину:

где соответствует температуре;

кДж/кг.

Расход пара на подогрев сетевой воды определяется из уравнения:

.

Откуда:

кг/с.

i_кб=C_вt_кб=4,19*70=293,3кДж/кг

2. Определение расхода пара на подогрев сетевой воды и на технологические нужды Расход тепла на технологические нужды составит:

где i_ко — средневзвешенная энтальпия конденсата от технологических потребителей:

i_ко=i_св

kДж/с.

;

i_к1=398 кДж/кг; t_к1=95 ⁰С;

i_к2=293 кДж/кг; t_к1=68 ⁰С;

i_св=35 кДж/кг; t_св=8 ⁰С;

Суммарный расход на подогрев сетевой воды и на технологические нужды составит:

МДж/с.

Расход пара на подогрев сетевой воды и на технологические нужды составит:

кг/с.

При отсутствии сетевых подогревателей D₀=D_Т .

3. Ориентировочное определение общего расхода свежего пара.

Суммарный расход острого пара D_г на подогрев сырой воды перед химводоочисткой и деаэрацию составит 3−11% от D_c.

Примем D_г=0,03•D₀=0,03•16,69=0,5 кг/с.

Общий расход свежего пара:

кг/с.

3.2 Расчёт редукционно-охладительной установки (РОУ) Назначение РОУ — снижение параметров пара за счёт дросселирования (мятия) и охлаждения его водой, вводимой в охладитель в распылённом состоянии. РОУ состоит из редукционного клапана для снижения давления пара, устройства для понижения температуры пара путём впрыска воды через сопла, расположенные на участке паропровода за редукционным клапаном и системы автоматического регулирования температуры и давления дросселирования пара.

В охладителе РОУ основная часть воды испаряется, а другая с температурой кипени отводится в конденсационные баки или непосредственно в деаэратор.

Примем в курсовой работе, что вся вода, вводимая в РОУ, полностью испаряется, и пар на выходе является сухим, насыщенным.

Подача охлаждённой воды в РОУ производственных котельных обычно осуществляется из магистрали питательной воды после деаэратора.

Тепловой расчёт РОУ ведётся по балансу тепла (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 — Схема РОУ Расход редукционного пара D_ред с параметрами Р₂, t₂, i^//₂ и расхода увлажняющей воды W₁ определяем из уравнения теплового баланса РОУ:

из уравнения материального баланса РОУ:

Решая совместно уравнения (6) и (7), получим:

где D₁ — расход острого пара, кг/с, с параметрами Р₁, х₁;

— энтальпия влажного пара, кДж/кг;

— энтальпия увлажняющей воды, поступающей в РОУ, кДж/кг.

Определим расход свежего пара, поступающего в РОУ:

кг/с Составляем схему РОУ:

Рис. 3.2 Узел РОУ.

Определяем расход увлажняющей воды:

кг/с.

3.3 Расчёт сепаратора непрерывной продувки Непрерывная продувка барабанных котлоагрегатов осуществляется для уменьшения солесодержания котловой воды и получения пара надлежащей чистоты. Величина продувки (в процентах от производительности котлоагрегатов) зависит от солесодержания питательной воды, типа котлоагрегатов и т. п.

Для уменьшения потерь тепла и конденсата с продувочной водой применяются сепараторы — расширители. Давление в расширителе непрерывной продувки принимается равным Р₂. Пар из расширителей непрерывной продувки обычно направляют в деаэраторы.

Тепло продувочной воды (от сепаратора непрерывной продувки) экономически целесообразно использовать при количестве продувочной воды больше 0,27 кг/с. Эту воду обычно пропускают через теплообменник подогрева сырой воды. Вода из сепаратора подаётся в охладитель или барботер, где охлаждается до 40−50 ⁰С, а затем сбрасывается в канализацию.

Расход продувочной воды из котлоагрегата определяется по заданному его значению d_пр в процентах от D_cyт.

кг/с.

Количество пара, выделяющегося из продувочной воды, определяется из уравнения теплового баланса:

и массового баланса сепаратора:

.

Рисунок 3.5 — Узел сепаратора непрерывной продувки Имеем:

кг/с.

Расход воды из расширителя:

кг/с.

3.4 Расчёт расхода химически очищенной воды Общее количество воды, добавляемой из химводоочистки, равно сумме потерь воды и пара в котельной, на производстве и в тепловой сети.

1. Потери конденсата от технологических потребителей:

2. кг/с.

3. В случае отсутствия возврата конденсата от технологических потребителей W₂=D_Т.

4. Потери продувочной воды W_р=0,23 кг/с.

5. Потери пара внутри котельной заданы в процента от D_cyh.

6. кг/с.

7. Потери воды в теплосети W_ТС=6,48 кг/с.

8. Потери пара с выпаром из деаэратора могут быть определены только при расчёте деаэратора. Предварительно примем D_вып=0,05 кг/с.

Общее количество химически очищенной воды равно:

Для определения расхода сырой воды на химводоочистку необходимо учесть количество воды, идущей на взрыхление катионита, его регенерацию, отмывку и прочие нужды водоподготовки. Их обычно учитывают величиной коэффициента К=1,10 — 1,25. в данной курсовой работе следует принимать К=1,20.

Имеем W_св=К•W_хво=1,20•11,753 =14,1 кг/с.

3.5 Расчёт пароводяного подогревателя сырой воды.

Рисунок 3.6 — Схема пароводяного подогревателя сырой воды

Запишем уравнение теплового баланса подогревателя:

отсюда энтальпия воды на выходе из подогревателя:

Температура сырой воды на выходе из подогревателя t_св1=10 ⁰C.

Расход редуцированного пара в подогреватель сырой воды:

кг/с

3.6 Расчёт конденсатного бака Возврат конденсата от технологических потребителей необходим для экономии топлива и улучшение качества питательной воды котлоагрегатов. Конденсат собирается в сборные конденсатные баки, которые устанавливаются в котельной или на предприятии. Вода поступает в конденсатные баки самотёком или под напором. Температура смеси конденсата t_см (см. рисунок 3.8) определяется из выражения:

(3.14)

где W_i — расход конденсата, кг/с; t_i — температура потока конденсата, ⁰С; W_см=?W_i — суммарное количество конденсата, поступающего в конденсатный бак, кг/с.

Рисунок 3.8 — Расчётная схема конденсатного бака Находим суммарное количество воды W_см, которое поступает в конденсатный бак.

Температура смеси конденсата:

⁰С, чему соответствует i_см=201 кДж/кг.

Общие замечания о расчёте деаэратора. Для удаления растворённых в воде газов применяются смешивающие термические деаэраторы. В общем случае они могут быть атмосферного типа с давлением в колонке 0,11−0,13 МПа, повышенного давления и вакуумные с давлением ниже атмосферного. В курсовой работе применён смешивающий термический деаэратор атмосферного типа (Р₂=0,118 МПа). Под термической деаэрацией воды понимают удаление растворённого в ней воздуха при нагреве до температуры кипения, соответствующей давлению деаэраторной колонке. Целью деаэрации является удаление входящих в состав воздуха агрессивных газов, вызывающих коррозию металла оборудования (кислорода и угольной кислоты). Подогрев воды, поступающей в деаэратор, до температуры насыщения осуществляется редуцированным паром (Dр).

Газы, выделяемые деаэрированной водой, переходят в паровой поток и остатком неконденсированного избыточного пара (выпара) удаляются из деаэраторной колонки через штуцер, а затем сбрасываются в барботер (иногда — через охладитель выпара). Расход избыточного пара (D_вып) по имеющимся опытным данным ЦКТИ составляет 2−4 кг на 1 тонну деаэрированной воды. В курсовой работе следует принять: D_вып=0,003*W_z, где W_z — суммарный расход деаэрируемой воды.

Энтальпия пара (выпара) принимается равной энтальпии сухого насыщенного пара при данном давлении (Э₂"). Деаэрированная вода (W_g) из бака деаэратора подаётся питательным насосом (ПН) в котельный агрегат.

При расчёте деаэратора неизвестными являются расход пара на деаэратор (D_g) и расход деаэрированной воды (W_g). Эти величины определяются при совместном решении уравнений массового и теплового балансов деаэратора.

Произведём уточнение ранее принятого расхода D_вып. Суммарный расход деаэрируемой воды:

кг/с

кг/с.

3.7 Расчёт деаэратора Неизвестными при расчёте являются расход деаэрированной воды W_д и расход пара на деаэрацию. Запишем уравнение теплового и массового балансов (предположим для деаэратора з_n=1);

Для удаления растворённых в воде газов применяются смешивающие термические деаэраторы. В общем случае они могут быть атмосферного типа с давлением в колонке 0,11−0,13 МПа, повышенного давления и вакуумные с давлением ниже атмосферного. В курсовом проекте применён смешивающий термический деаэратор атмосферного типа (Р₂=0,118МПа). Под термической деаэрацией воды понимают удаление растворённого в ней воздуха при нагреве до температуры кипения, соответствующей давлению деаэраторной колонке. Целью деаэрации является удаление входящих в состав воздуха агрессивных газов, вызывающих коррозию металла оборудования (кислорода и угольной кислоты). Подогрев воды, поступающей в деаэратор, до температуры насыщения осуществляется редуцированным паром (D_g).

Газы, выделяемые деаэрированной водой, переходят в паровой поток и остатком неконденсированного избыточного пара (выпара) удаляются из деаэраторной колонки через штуцер, а затем сбрасываются в барботер (иногда — через охладитель выпара). Расход избыточного пара (D_вып) по имеющимся опытным данным ЦКТИ составляет 2+4 кг на 1 тонну деаэрированной воды. В курсовом проекте следует принять: D_вып=0,003*W_z, где W_z — суммарный расход деаэрируемой воды.

Энтальпия пара (выпара) принимается равной энтальпии сухого насыщенного пара при данном давлении (Э₂"). Деаэрированная вода (W_g) из бака деаэратора подаётся питательным насосом (ПН) в котельный агрегат.

При расчёте деаэратора неизвестными являются расход деаэрированной воды (Wg). Эти величины определяются при совместном решении уравнений массового и теплового балансов деаэратора.

;

D_d=W_d-35,717(W_д-35,717)•2683+11,753•115+0,68•398+4,733•293,3+ +0,18•2638,08=W_д•2683-93 100,1;

W_д•2683=93100,1; W_д=34,7 кг/с;

D_д= W_д-35,717=35,7-34,7=1кг/с.

Проверка точности расчёта первого приближения. Из уравнения массового баланса линии редуцированного пара определяем значение D_д:

D_д= D_ред— D_б— D_св=6,4 — 4,7 — 0,68=1,02 кг/с.

При расчёте деаэратора получено D_д=1,02 кг/с. Ошибка расчёта составляет 2%. Допустимое расхождение 3%.

4. Составление теплового баланса котельной Здесь: W_пв=W_д-W₁-W_тс=34,7−5,575−6,48=22,645 кг/с Расход теплоты с паром на технологические нужды с учетом возврата конденсата:

Процент расхода теплоты на технологические нужды:

Расход теплоты в теплосеть с учетом потерь воды в теплосети:

Аналогично Полезно расходуемый процент теплоты (КПД схемы):

51+41=92%

Суммарные потери теплоты:

q_?=100-з_сх=100−92=8%

Основные составляющие потерь теплоты:

1.Потери от утечек свежего пара

2. Потери в окружающую среду в бойлере

4%

3. Потери с водой при производстве химводоочистки:

0,45%

4. Потери теплоты со сбрасыванием в барботер продувочной водой (после пароводяного подогревателя)

5. Потери в окружающую среду в подогревателе сырой воды:

0,13%

6. Потери выпаром:

7. Потери в окружающую среду в пароводяном подогревателе:

Итого имеем

51+41+7,14=99,14%

Незначительное расхождение вызвано погрешностью расчетов. При выполнении курсовой работы допустимо расхождение, не превышающее 1%, следовательно, малые потери учитывать нецелесообразно.

5. Выбор типа, размера и количества котлоагрегатов Подбирая количество устанавливаемых котлоагрегатов, условно принимаем, что максимальная нагрузка котельной соответствует суммарной производительности и руководствуемся следующими соображениями:

1) недопустимо устанавливать один котлоагрегат, а общее их число не должно превышать 4−6;

2) устанавливаемые котлоагрегаты должны иметь одинаковую производительность.

Выбираем котёл ДКВР-10−13 с паропроизводительностью 3,08 кг/с.

Определим количество котлов, которые необходимо установить для покрытия всей нагрузки:

где D_сум. — общая паропроизводительность котельной;

D_к — паропроизводительность одного котла.

. Следовательно, 6 котлов.

Недогруз котла составляет:

6. Расчет теоретических и действительных объемов продуктов сгорания Котлоагрегат работает на буром угле следующего состава:

Таблица 6.1 — Элементарный состав топлива

Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива:

V=0,089*(С+0,376*(S+S))+0,265*H-0,033*О=

=0,089(85,3+0,376*0,5)+0,265*10,2−0,0333*0,4=10,298 м/кг.

объем трехатомных газов:

V=0,0186*(С+0,375*(S+ S))=

0,0186*(85,3+0,375*0,5)=1,59м/кг.

объем азота:

V=0,79* V+0,008*N=0,79*10,298+0,008*0,3=8,137 м/кг.

объем водяных паров:

V=0,111*Н+0,0124*W+0,0161* V=

0,111*10,2+0,0124*3+0,0161*10,298=1,335 м/кг

Теоретический объем продуктов сгорания:

V_г^о= V_RO2 + V_N2+ V_H2O^о=1,59+8,137+1,335=11,062 м/кг

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры задан: б_т=1,25. Величина присосов воздуха в газоходе экономайзера Дб_э=0,1.

Далее расчет производится для двух вариантов. Коэффициент избытка воздуха уходящих газов (с экономайзером и без него):

₌+=1,25+0,1=1,35

==1,25

Объем водяных паров:

V_H2O^c=V_H2O^o+0,0161(-1) V

Объем продуктов сгорания:

V_г=V_RO2+V_N2+V_H2O+(-1) V

С установкой экономайзера.

V_H2O^c=1,335+0,0161*(1,35−1)*10,298=1,393=1,4 м³/кг

V_г^с=1,59+8,137+1,4+(1,35−1)*10,298=14,73 м³/кг Без установки экономайзера.

V_H2O^б=1,335+0,0161*(1,25−1)*10,298=1,376=1,38 м³/кг

V_г^б=1,59+8,137+1,38+(1,25−1)*10,298=13,68 м³/кг Далее расчет производится для двух вариантов. Коэффициент избытка воздуха уходящих газов:

=+=1,3+0,1=1,4;

==1,3

Действительный объем водяных паров:

Действительный объем продуктов сгорания:

7. Определение энтальпий продуктов сгорания и воздуха Для определения энтальпий продуктов сгорания необходимо знать их состав и объем, а также температуру, которая различна для вариантов «С экономайзером» и «Без экономайзера» и задана в задании.

Значение энтальпий 1 м³ различных газов и влажного воздуха в зависимости от их температуры приведены в таблице 4 методических указаний.

Энтальпией газов при промежуточных температурах определяются методом линейной интерполяции.

Энтальпия теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, отнесенная к 1 кг топлива, определяется по формулам:

Энтальпия действительных объемов продуктов сгорания определяется с учетом реального коэффициента избытка воздуха С установкой экономайзера.

Температура уходящих газов t_ух2 = 180 °C:

=316,4 кДж/м³; =234 кДж/м³ ;

=274,2 кДж/м³; =240 кДж/м³,

Энтальпия действительных объемов продуктов сгорания при температуре t_ух2

Без установки экономайзера.

Температура уходящих газов t_ух1 = 305 °C:

=570,65 кДж/м³; = 398,75 кДж/м³;

=471,2 кДж/м³; = 409,95 кДж/м³,

Энтальпия действительных объемов продуктов сгорания при температуре t_ух1

8. Тепловой баланс котельного агрегата Тепловой баланс составляется для определения КПД котлоагрегата и расхода топлива при установившемся тепловом состоянии котлоагрегата.

Уравнение теплового баланса:

Qрр=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6, кДж/кг.

Примем Qpp=Qнр=40 700 кДж/кг. Приняв располагаемое тепло за 100%, можно записать в виде:

100%-q1+q2+q3+q4+q5+q6-q1+?qпот Если известны потери тепла в котлоагрегате, его коэффициент полезного действия брутто определяется из выражения:

q=100-?qпот, %.

Потери тепла с уходящими газами определяются по формуле:

Q2=(I2-ухIхво)(100-q4)/100, кДж/кг.

q2=Q2/Qpp

Схв=1,3 кДж/м3 — удельная ёмкость 1 м3воздуха в интервале температур 0 — 100

В связи с тем, что объёмы продуктов сгорания рассчитываются предположении полного сгораниия топлива, в уравнение введена поправка на величину q4 — механической неполноты сгорания.

q₃=1%; q₄=0%.

Для мазута Q_н^р=40 700 МДж/кг.

t_хво=28.

Энтальпия теоретического объема воздуха:

I_хво^o=V_в^оt_хвС_хв=10,298*30*1,3=401,622 кДж/кг С экономайзером.

Потери теплоты с уходящими газами Из методических указаний для данного котла q₅^c=1,7%

Расход топлива, подаваемого в топку:

Расход полностью сгоревшего в топке топлива:

Без экономайзера.

Потери теплоты с уходящими газами Из методических указаний для данного котла q₅^б=0,9%

Расход топлива, подаваемого в топку в данном варианте, изменится только за счет изменения, поэтому Расчетный расход топлива

9. Определение годового расхода топлива Годовой расход пара, вырабатываемого одним котельным агрегатом (D_ка =4 кг/с):

Приращение энтальпии рабочего тела в котлоагрегате Годовой расход теплоты:

Годовой расход топлива для двух вариантов:

10. Тепловой и конструкционный расчет водного экономайзера

Водяной экономайзер представляет собой поверхностный теплообменник и служит для подогрева питательной воды перед подачей ее в барабан котла за счет теплоты уходящих газов. При этом снижаются потери теплоты с уходящими газами, но в то же время несколько увеличиваются потери теплоты в окружающую среду и подсосы воздуха в газоходе. Присосы воздуха в газоходе не только снижают, но и вызывают значительное повышение расхода электроэнергии на собственные нужды (привод дымососа).

Тепловой расчет

Исходными данными для расчета водяного экономайзера является:

· температура воды перед экономайзером ;

· температура газов перед экономайзером ;

· температура газов после экономайзера ;

Расчетом определяются:

· температура воды на выходе из экономайзера, .

· поверхность нагрева экономайзера, м².

Тепловосприятие экономайзера определяется из уравнения теплового баланса:

где — коэффициент сохранения тепла.

Определяем энтальпию воды, выходящей из экономайзера:

Температуру воды после экономайзера определяем по соответствующей энтальпии воды :

Определим поверхность нагрева водяного экономайзера:

где — коэффициент теплоотдачи в экономайзере, ;

— температурный напор, .

Температурный напор в экономайзере:

где — разность температур теплообменивающихся сред на том конце поверхности нагрева, где она наибольшая, ;

— разность температур теплообменивающихся сред на том конце поверхности нагрева, где она наименьшая, .

Подставим значения в формулу для определения площади поверхности экономайзера:

так как, то экономайзер некипящий.

Конструктивный расчет

Выбираем стальной гладкотрубный экономайзер.

Стальные гладкотрубные экономайзеры выполняют в виде горизонтальных змеевиков из бесшовных труб с наружным диаметром 28, 30, 32, 38 мм и толщиной стенок 3−3,5 мм.

Основные величины, которыми мы будем пользоваться при разработке конструкции стального экономайзера, примем равными:

· наружный диаметр труб ;

· расположение труб в пучке — шахматное;

· относительный шаг труб поперек хода газов ;

· относительный шаг труб по ходу газов ;

Предварительно выбрав размеры горизонтального сечения экономайзера, увязываем их с размерами сечения газохода парогенератора. Ширина конвективного газохода равна, а ширина. Приняв с учетом вышеприведенных рекомендаций относительные шаги труб поперек движения газов и походу движения, радиус изгиба труб, произведем расстановку труб экономайзера.

Рис. 10.1 Расположение труб экономайзера Согласно выбранным размерам определим площадь сечения для прохода газов:

где — количество труб в горизонтальном ряду, шт.

При шахматном расположении количество труб

Найдем скорость дымовых газов:

где — средняя температура уходящих газов:

Значение скорости газов не выходит за допустимые пределы (м/с), следовательно, корректировка не требуется.

Скорость движения воды в трубах:

м/с, где — количество воды, проходящей через экономайзер котлоагрегата.

— удельный объем воды ();

— внутренний диаметр трубы ();

— общее количество параллельно включенных труб по воде.

Количество петель в одном змеевике:

где l — длина одной петли, ;

Z — количество змеевиков, установленных в газоходе, шт.

при двухходовом экономайзере Расчетная высота экономайзера:

Если расчетная высота будет больше 1,5 м, то экономайзер делят на отдельные пакеты высотой 0,8 — 1,2 м с разрывом для ремонта и обслуживания экономайзера.

Рис. 10.2 Схема двухступенчатого экономайзера

11. Расчёт и подбор вспомогательного оборудования котельной К вспомогательному оборудованию относят конденсатные и питательные баки, конденсатные и питательные насосы, оборудование водоподготовки. Они обеспечивают бесперебойное снабжение котельных агрегатов водой.

Для паровых котлов с избыточным давлением пара свыше 68,7 кПа устанавливают конденсатные и питательные баки. Конденсат насосами перекачивают из конденсатных в питательные баки, расположенные на высоте 3…5 м от пола. В эти баки подается также химочищенная вода для восполнения потерь конденсата. Роль питательного бака может выполнять резервуар термического деаэратора, объем которого должен быть равен 2/3 V_п.б. Вместимость конденсатных баков, м³, подсчитывают по формуле:

где p — доля возвращаемого конденсата (принимают p = 0,7).

M_пв — расход питательной воды при расчетной нагрузке котельной, кг/с.

M_пв=D₀+0,1D₀=16,69+0.1*16,69=18,359 кг/с

V_кб=3,6*18,359*0,7=46,26 м³

Мощность, кВт, потребляемая центробежным насосом с электроприводом, определяется по формуле:

где G_н — подача насоса, м³/ч;

P_н — напор, создаваемый насосом, кПа;

_н — КПД насоса.

В качестве питательных насосов устанавливают два центробежных насоса с электроприводом (рабочий и резервный). Подача каждого насоса должна быть не менее 110% суммарной максимальной паропроизводительности всех котлов.

Напор, кПа, создаваемый питательным насосом, ориентировочно может быть подсчитан по формуле где P_к — избыточное давление в котле, кПа.

G_пн=1,1*3D_ка=1,1*3*46,26=152,658т/ч

Р=(152,658*1450)/(3600*0,85)=72,34кПа Выбираем насос НКу-150 с электродвигателем AИР180М2УЗ

Для принудительной циркуляции воды в тепловых сетях в отопительно-производственной котельной устанавливают два сетевых насоса с электроприводом (один резервный). Подача сетевого насоса, м³/ч, равна часовому расходу сетевой воды в подающей магистрали G_п, рассчитанному по выражению

G_сн=3,6*Ф_р/(4,19*(t_п-t₀)*с₀),

где t_п и t₀— температуры прямой и обратной сетевой воды.

G_сн=(3,6*42 517 797,57)/(4,19*(95−50)*977,8)=830,2 т/ч Напор, развиваемый сетевым насосом, зависит от общего сопротивления тепловой сети. Ориентировочно принимают P_с.н = 200…400 кПа.

Р=(830,2*300)/(3600*0,85)=81,39 кПа Насос НКу-250 с двигателем АИР200L2 с P_двиг = 45 кВт.

Подпиточные насосы компенсируют разбор воды из открытых тепловых сетей на горячее водоснабжение и технологические нужды, а также восполняет утечки воды. Подачу подпиточного насоса, м³/ч, принимают равным:

G_пп=(3,6*(Ф_гв+Ф_тнв)/(4,19*(t_п-t₀)*с₀))+0,03G_п,

где Ф_гв-тепловая нагрузка на ГВС;

Ф_тнв-тепловая нагрузка на технологические нужды.

G_пп=(3,6*(4 306 033,54+277 834,435)/(4,19*(95−50)*977,8))+0,03*830,2 =114,41 т/ч Напор, развиваемый подпиточными насосами — P_пп = 200…600 кПа.

В котельной должно быть не менее двух подпиточных насосов, из которых один резервный. Устанавливают их перед сетевыми насосами, подавая в систему химически очищенную воду из деаэраторов или баков-аккумуляторов подпиточной воды.

Р=(114,41*400)/(3600*0,85)=14,96 кПа Насос Кс-20−50/2 с двигателем АИР112М2У3 с Р_двиг=7,5 кВт.

Расчет водоподготовки.

Необходимость подготовки питательной воды обусловлена наличием в природной воде различных примесей. Растворенные в воде соли кальция и магния определяют жесткость воды. При кипении эти соли образуют на стенках котлов плотный осадок — накипь, ухудшающий теплопередачу от котельных газов к воде.

Величину жесткости измеряют в миллиграм-эквивалентах на 1 кг воды (мгэкв/кг), что соответствует 28 мг окиси кальция или 21 мг окиси магния.

С целью умягчения воды в производственно-отопительных котельных получила распространение докотловая обработка воды в натрий-катионитовых фильтрах. Объем катионита, м³, требующийся для фильтров, находят по формуле:

где G_vp — расчетный расход исходной воды, м³/ч;

— период между регенерациями катионита (принимают равным 8…24 ч); H_о=7,6 — общая жесткость исходной воды, гэкв/м³;

E — обменная способность катионита, гэкв/м³, (для сульфоугля E = 280…350 гэкв/м³).

Расчетный расход исходной воды:

где 4,5 — расход воды на регенерацию 1 м³ катионита, м³; G_vи — расход исходной воды, м³/ч.

G_vи равен количеству воды подаваемой подпиточным насосом G_vи = G_пп.

G_vp=114,41+(4,5*114,41*7,6/290)=127,9 м³/ч

V_кат=127,9*12*7,6/290=40,22 м³/ч По таблице подбирают фильтры с площадью поперечного сечения F, близкой к расчетной F_р (с запасом в сторону увеличения). Дополнительно к выбранному количеству фильтров устанавливают один резервный.

Диаметр 2000 мм, высота слоя катиона 2,5 м, площадь 3,1 м².

Определяем фактический межрегенерационный период, ч, и число регенераций каждого фильтра в сутки n_р :

где F — площадь поперечного сечения выбранного фильтра, м²; 1,5 — продолжительность процесса регенерации, ч.

Число регенераций в сутки по всем фильтрам:

.

Для регенерации натрий-катионовых фильтров используют раствор поваренной соли NaCl (6…8%). Расход соли, кг, на одну регенерацию фильтра определяют по формуле:

где a — удельный расход поваренной соли, равный 200 г/(гэкв).

Суточный расход соли по всем фильтрам:

В крупных котельных поваренная соль хранится в железобетонных резервуарах в виде крепкого раствора (26%), который насосом подается в фильтр раствора соли, а затем в бак для разбавления водой до требуемой концентрации.

В котельных малой мощности, если месячный расход соли менее 3 т, ее хранят в сухом виде, а для получения необходимого раствора используют солерастворители.

Стандартные солерастворители подбирают следующим образом. Определяют объем соли, м³, на одну регенерацию:

.

Тогда при высоте загрузки соли h = 0,6 м диаметр солерастворителя, м:

По таблице выбирают солерастворитель, диаметр которого близок к расчетному.

Диаметр 600 мм, высота кварца 0,5 м, объем для соли 0,4 м³.

В природной воде присутствуют растворенные газы — углекислота и кислород, приводящие к коррозии трубопроводов. Для уменьшения содержания газов применяют дегазацию (деаэрацию) питательной воды.

В паровых котельных применяют деаэраторы атмосферного типа. В них греющий пар под давлением близким к атмосферному (0,11…0,12 МПа), нагревает обрабатываемую воду до кипения (102…104 ^оС). Выделяемые из воды газы вместе с остатками несконденсировавшегося пара (выпар) выходят из деаэрационной колонки, а деаэрированная вода собирается в баке установки.

Подбирают деаэраторы по их производительности (табл. В.16).

Для данного случая подходит деаэратор ДСА-50

12. Компоновка котельной Компоновка предусматривает правильное размещение котельных агрегатов и вспомогательного оборудования в помещении котельной. Выбираю котельную закрытой, т.к. расчётная наружная температура для отопления t_н<-30⁰С (равна -32⁰С). Оборудование котельной компонуют таким образом, чтобы здание ее можно было построить из унифицированных сборных конструкций. Одна торцевая стена должна быть свободной на случай расширения котельной. В котельной предусматриваю два выхода, находящихся в противоположных сторонах помещения, с дверьми, открывающимися наружу. Расстояние от фронта котлов до противоположной стены должно быть не менее 3 м, при механизированных топках не менее 2 м. Перед фронтом котлов допускается устанавливать дутьевые вентиляторы, насосы и тепловые щиты. При этом ширина свободного прохода вдоль фронта принимается не менее 1,5 м. Проходы между котлами, котлами и стенами котельной оставляют равным не менее 1 м. Просвет между верхней отметкой котлов и нижними частями конструкций покрытия здания должен быть не менее 2 м.

Заключение

Техническое состояние источников теплоснабжения, тепловых сетей и других объектов коммунальной теплоэнергетики на сегодняшний день не отвечает современным требованиям. Необходима техническая реконструкция и модернизация всей системы теплоснабжения и внедрение нового энергоэффективного и экологически чистого теплоэнергетического оборудования.

Работа котельных установок должна быть надежной, экономичной и безопасной для обслуживающего персонала. Для выполнения этих требований котельные установки эксплуатируются в соответствии с правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов и рабочими инструкциями, составленными на основе правил Госгортехнадзора с учетом местных условий и особенностей оборудования.

Котел должен быть оборудован необходимым количеством контрольно-измерительных приборов, автоматической системой регулирования важнейших параметров котла, защитными устройствами, блокировкой и сигнализацией.

Режимы работы котла должны соответствовать режимной карте, в которой указываются рекомендуемые технологические и экономические показатели его работы: параметры пара и питательной воды, температура и разрежение по газовому тракту, коэффициент избытка воздуха и т. п.

Большинство современных котельных установок полностью автоматизированы. При нарушении нормальной работы котла вследствие неисправностей, которые могут привести к аварии, он должен быть немедленно остановлен.

Капитальный ремонт котлов производится через каждые два-три года. Котел периодически подвергается техническому освидетельствованию по трем видам:

— наружный осмотр (не реже одного раза в год);

— внутренний осмотр (не реже одного раза в четыре года);

— гидравлическое испытание (не реже одного раза в восемь лет).

1. Инженерное оборудование зданий и сооружений

2. Электродвигатели АИР — технические характеристики

3. Технические характеристики электродвигателей АИР

4. Экономайзеры паровых котлов

5. Компоновка и разрез котельной

6. Здания котельных. Компоновка оборудования