Котельные установки и парогенераторы: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо – Западный государственный заочный технический университет

Кафедра теплотехники и теплоэнергетики

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет энергетический Направление и специальности подготовки дипломированного специалиста: 650800 – теплоэнергетика 100500 – тепловые электрические станции 100700 – промышленная теплоэнергетика Направление подготовки бакалавра 550900 – теплоэнергетика

Санкт - Петербург 2004

Утверждено редакционно - издательским советом университета УДК 621.181.61 (075.8) Котельные установки и парогенераторы: Методические указания к выполнению лабораторных работ. - СПб.: СЗТУ, 2004. - 48 с. Методические указания соответствуют государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650800 - «Теплоэнергетика» (специальности 100500 - «Тепловые электростанции», 100700 - «Промышленная теплоэнергетика») и направлению подготовки бакалавра 550900 - «Теплоэнергетика». Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальностей «Тепловые электрические станции» и «Промышленная теплоэнергетика», изучающих дисциплины «Котельные установки и парогенераторы». В методических указаниях содержатся лабораторные работы, проводимые на действующем оборудовании котельного цеха, выполнение этих работ позволяет закрепить теоретический материал лекций, а также приобрести практические навыки по исследованию работы паровых котлов электростанций и источников теплоснабжения промышленных предприятий. Рассмотрено на заседании кафедры теплотехники и теплоэнергетики 26 марта 2004 г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 29 марта 2004 г. Рецензенты: кафедра теплотехники и теплоэнергетики Северо - Западного государственного заочного технического университета (зав. кафедрой З. Ф. Каримов, д-р техн. наук, проф.); А.П. Бельский, д-р техн. наук, проф. кафедры промышленной теплоэнергетики С. - Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров.

Составитель Е. А. Блинов, канд. техн. наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с программой дисциплины «Котельные установки и парогенераторы» и «Теплогенерирующие установки промпредприятий». В них представлено пять лабораторных работ, проводимых на оборудовании котельных цехов тепловых электростанций и промышленных предприятий. В связи с этим общие правила технической эксплуатации энергетического оборудования, требования к технике безопасности, противопожарной технике и промышленной санитарии полностью распространяются на студентов, выполняющих лабораторные работы на действующем оборудовании. Лабораторные работы проводятся под руководством преподавателя кафедры теплотехники и теплоэнергетики и работников котельного цеха предприятия. Перед проведением лабораторных работ студенты обязаны проработать основные теоретические положения, ознакомиться с порядком проведения работ и с конкретными положениями техники безопасности. До начала проведения работ необходимо подготовить протокол испытаний по приведенной в описании работы форме. Отчет по лабораторным работам составляется каждым студентом, расчеты по результатам опытов должны сопровождаться необходимыми пояснениями, рисунки следует выполнять с применением чертежных инструментов. Отчет должен быть представлен к зачету по дисциплинам «Котельные установки и парогенераторы» и «Теплогенерирующие установки промпредприятий». Учитывая, что в действующей в настоящее время нормативной литературе по тепловому, аэродинамическому и гидравлическому расчетам котлов используются единицы системы МКГСС и МКГС, в которых отградуированы также средства измерения, допускается производить необходимые расчеты в этих единицах, а окончательные результаты переводить в единицы измерения СИ (ГОСТ 8.417 - 81). Необходимые соотношения между единицами измерения даны в приложении 1. ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Настоящий раздел составлен с учетом следующих Государственных стандартов: 12.0.002 - 80, ССБТ «Термины и определения», 12.1.019 - 79, ССБТ «Электробезопасность»; 12.0.003 - 74, ССБТ «Опасные и вредные производственные факторы»; 12.1.010 - 76, ССБТ «Взрывобезопасность». При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие основные требования правил техники безопасности. 1. Студенты обязаны выполнять указания руководителя о порядке передвижения по территории электростанции и внутри котельного цеха. 3

2. Во время проведения лабораторных работ прикасаться к деталям оборудования (кнопкам, маховикам, рычагам, ключам управления и т.д.) разрешается только по указанию руководителя. 3. Запрещается: а) становиться на барьеры площадок, на трубопроводы, конструкции и перекрытия, не предназначенные для прохода по ним и не имеющие специальных ограждений; б) касаться вращающихся частей механизмов и оборудования; в) находиться без надобности вблизи фланцевых соединений и арматуры трубопроводов, предохранительных клапанов, люков и лазов систем топливоприготовления и газоходов котлов, а также касаться голыми руками неизолированных поверхностей трубопроводов и арматуры; г) ходить по поверхностям, покрытым маслом, мазутом или водой, находиться в местах, закрытых для прохода; д) курить в котельном и других цехах; е) во время проведения опытов отлучаться от рабочего места. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 240 с. 2. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 521 с. 3. Мейкляр М.В. Паровые котлы электростанций. - М.: Энергия, 1974. - 312 с. 4. Пароперегреватели котельных агрегатов / Лезин В.И., Липов Ю.М., Селезнев М.А., Сыромятников В.М. - М. - Л.: Энергия, 1965. - 288 с. 5. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Модель З.Г. Компоновка и тепловой расчет парогенератора. - М.: Энергия, 1975. - 175 с. 6. Тепловой расчет котельных агрегатов: Нормативный метод. - М.: Энергия, 1973. - 295 с. 7. Аэродинамический расчет котельных установок: Нормативный метод. - Л.: Энергия, 1977. - 256 с. 8. Гидравлический расчет котельных агрегатов: Нормативный метод. - М.: Энергия, 1978. - 255 с. 9. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 625 с.

4

РАБОТА 1. КОНСТРУКЦИИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение паровых котлов, их конструктивных и компоновочных особенностей. II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Энергомашиностроительная промышленность России выпускает котлы с естественной (барабанные), принудительной (прямоточные) и комбинированной циркуляцией, основные параметры которых стандартизованы. Обозначение типоразмеров котла: Е - паровой стационарный котел с естественной циркуляцией, Еп - то же с промежуточным перегревом пара, Пп - прямоточный стационарный котел с промежуточным перегревом, Кп - паровой стационарный котел с комбинированной циркуляцией и с промежуточным перегревом; первое число - паропроизводительность, т/ч; второе - давление пара, кг/см2. Указанные обозначения типоразмеров относятся к котлам с открытыми камерными топками для сжигания твердых топлив при твердом шлакоудалении. Для обозначения типоразмеров с топками для сжигания других топлив к указанным обозначениям добавляются следующие индексы: Ж - топка с жидким шлакоудалением, В вихревая топка, Ц - циклонная топка, Г - газ, М - мазут. При работе котла под наддувом добавляется индекс Н. Например, барабанный котел с естественной циркуляцией с камерной топкой для сжигания газа и мазута паропроизводительностью 160 т/ч и абсолютным давлением 10,0 МПа условно обозначается: котел Е-160-100 ГМ (ГОСТ 3619 - 76). В паровом котле теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, передается воде и пару через поверхности нагрева, представляющие собой или однорядные плоские трубные панели (настенные, потолочные или ширмовые), или трубные пакеты, в которых трубы расположены в несколько рядов. Каждая поверхность имеет определенный уровень температур рабочей среды, характер и интенсивность теплообмена. Основными поверхностями нагрева котла являются: экономайзер, в котором питательная вода нагревается до поступления в барабан, испарительные трубы и пароперегреватель. Кроме того, у всех современных котлов имеется воздухоподогреватель, в котором подогревается необходимый для горения воздух. При подаче в топку подогретого воздуха растет теоретическая температура горения

5

t теор =

Q нр + Vок c ок t ок + c топ t топ − Q д

∑ Vi C i

,

(1)

где Q нр - низшая теплота сгорания топлива; сок и стоп - теплоемкости соответственно окислителя и топлива; tок и tтоп - температуры соответственно окислителя и топлива; Vi и сi - объемы и теплоемкости компонентов продуктов сгорания; Qд - теплота, затрачиваемая на диссоциацию продуктов сгорания. Горение топлива с ростом температуры существенно улучшается. Кроме того, подогрев воздуха является средством для использования теплоты уходящих газов, и воздухоподогреватель, таким образом, выполняет задачу регенерации теплоты продуктов сгорания топлива, возвращая эту теплоту в топочную камеру. Конструктивно воздухоподогреватели могут быть трубчатые (при сжигании высокозольных углей и при работе котла под наддувом) и вращающиеся регенеративные (при сжигании газа, мазута и углей с умеренной зольностью). Размещение поверхностей нагрева вдоль газохода не произвольно. Каждая поверхность имеет определенный уровень температур рабочей среды, характер и интенсивность теплообмена. Это определяет температуру стенки металла, а значит, надежность и экономичность работы котла. В газовом тракте котла можно выделить три зоны, различающиеся по способу передачи теплоты и значениям теплонапряжений поверхностей нагрева: 1. Настенные и двухсветные экраны топки (испарительные и пароперегревательные поверхности), где теплота передается в основном радиацией, в соответствии с уравнением Стефана - Больцмана

⎡⎛ Т ⎞ 4 ⎛ Т ⎞ 4 ⎤ Q л = ε пр с о ψ э Fст ⎢⎜ г ⎟ − ⎜ ст ⎟ ⎥ , ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦

(2)

где εпр - степень черноты топки; со - постоянная Стефана - Больцмана; ψэ - коэффициент тепловой эффективности топки; Fст - лучевоспринимающая поверхность топки; Тг и Тст - температура газов и лучевоспринимающей поверхности топки, а теплонапряжения поверхности нагрева составляют от 300 до 700 кВт/м2 в ядре факела и 80...120 кВт/м2 на выходе из топки; 2. Ширмовые (пароперегревательные), фестонные (испарительные) и другие разреженные поверхности нагрева с высокой температурой омывающих их дымовых газов, где теплота передается как радиацией, так и конвекцией; теплонапряжения имеют значение 50…100 кВт/м2; 6

3. Конвективные поверхности нагрева (пароперегревательные, экономайзерные, воздухоподогревательные), где теплопередача происходит в основном конвекцией в соответствии с законом Ньютона - Рихмана Qк=kFΔt,

(3)

где k - коэффициент теплопередачи; F - поверхность конвективного теплообмена; Δt - температурный напор. Теплонапряжения этих поверхностей нагрева составляют (2,5...35) кВт/м2. Компоновка котла определяется свойствами сжигаемого топлива, паропроизводительностью и выходными параметрами пара. При сжигании каменных углей, мазута, природного газа обычно используется П - образная компоновка (рис. 1, а). Для мощных котлов, работающих на влажных бурых углях и углях с высокоабразивной золой, применяется Т - образная компоновка (рис. 1, б), которая позволяет уменьшить глубину конвективной шахты и высоту горизонтального газохода. При сжигании топлив с высоким содержанием в золе СаО и щелочей котел выполняется трех- или четырехходовым, с подъемной или инвертной топкой (рис. 1, в). Для открытой установки и при использовании наддува удобна башенная компоновка котла (рис. 1, г). На компоновку котла влияет также число автономно регулируемых трактов воды и пара; исходя из удобства распределения среды между трактами, это число должно быть кратно двум. Сжигание топлив в энергетических котлах осуществляется в камерных топках; аэродинамическая организация процесса сжигания делится на два класса: факельный и вихревой (циклонный). По виду основного топлива камерные топки разделяются на пылеугольные и газомазутные и снабжаются комбинированными газопылевыми или газомазутными горелками. По способу удаления шлаков из топочной камеры различают пылеугольные топки с твердым и жидким шлакоудалением. Топки, предназначенные для сжигания только газа и мазута, не оборудуются устройствами для удаления шлака и имеют экранированный под. Для ускорения монтажа котлов их отдельные элементы изготавливают на заводах крупными блоками весом до 40...50 тонн. Коэффициент блочности, т.е. отношение веса блочных элементов к общему весу котла, доводится до 0,85.

7

а) б)

в)

г) Рис. 1, а, б, в, г Влияние характеристик топлива на общую компоновку котла

Безопасная по условиям шлакования температура газов, уходящих из топки, находится в пределах 950...1100°С. Численное значение поверхности экранов, а значит, и размеры топочной камеры определяют, исходя из условия охлаждения потока уходящих газов из топки до такой температуры. В различных по производительности котлах среднее удельное теплонапряжение топочного объема (т.е. количество теплоты, выделяемой в среднем на 1 м3 объема топки (Q/V) и КПД котла примерно одинаковы, поэтому, чем мощнее котел, тем больше объем топки и количество выделяемой в ней теплоты. Лучевоспринимающая поверхность экранов, размещенных на стенках топки, при этом растет в меньшей мере. Следовательно, при увеличении объема топки количество выделяемой в ней теплоты растет больше, чем количество погло8

щаемой экранами теплоты. Температура газов на выходе из топки при этом растет, что может привести к шлакованию поверхностей нагрева за топкой. Поэтому на котлах большой мощности для снижения температуры газов на выходе из топки широко применяют фестонные поверхности, двухсветные экраны и радиационные пароперегревательные поверхности, т.е. увеличивают лучевоспринимающие поверхности нагрева в топке. Тепловосприятие полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева в горизонтальном газоходе должно быть таким, чтобы снизить температуру газов на входе в опускную шахту до следующих значений: для шлакующих топлив - не более 800...850°С, а для не шлакующих (например, экибастузских) - не выше 900…950°С (большее значение относится к коридорным пучкам). При сжигании мазута температура газов на входе в опускную шахту должна быть не выше (950...1000)°С (для уменьшения загрязнения поверхностей конвективной шахты). В пределах воздухоподогревателя, экономайзера, переходной зоны прямоточных паровых котлов, иногда первых ступеней промежуточного пароперегревателя выдерживается основной принцип получения суммарно наименьших поверхностей нагрева. Это достигается выбором наибольших возможных температурных напоров, последовательным расположением поверхностей нагрева в газовом тракте по мере снижения средней температуры рабочей среды, протекающей в них, применением противотока или перекрестного тока в этих поверхностях. Влияние давления пара на общую компоновку паровых котлов

С ростом параметров пара уменьшается доля испарения (вследствие уменьшения удельной теплоты парообразования с ростом давления) и увеличивается доля теплоты на подогрев воды и перегрев пара. Примерное распределение теплоты топлива в котлах различного давления показано на рис. 2, где 1 - область подогрева воды; 2 - область испарения воды; 3 - область перегрева пара; цифры в кружках - проценты. Чем выше давление пара, тем большим оказывается недогрев воды, поступающей после экономайзера к экранам топки, и тем большая часть радиационной теплоты необходима для перегрева пара. В это же время при высоких параметрах пара из условия надежности работы металла желательно максимальную часть теплоты перегрева пара перенести в горизонтальный газоход и в конвективную шахту. Для обеспечения перераспределения теплоты в сторону увеличения конвективной составляющей следует принимать наименьший допустимый по условиям сжигания топлива подогрев воздуха и минимальное повы9

шение энтальпии воды в экономайзере. Такое же перераспределение теплоты может быть достигнуто за счет рециркуляции дымовых газов в низ топки.

%

18

28

75

46

67

3 2

50 66

51

27

25 1

17 P, МПа t пп, 0С t пв,

0С

0

21

27

33

34

110

185

260

452

510

580

600

150

215

230

230

Рис. 2 Особенности циркуляционных систем паровых барабанных котлов электростанций

В современных котлах высокого давления циркуляция воды происходит только в топочных экранах. Каждый экран состоит из трех - пяти циркуляционных контуров. В каждом из контуров нижние концы обогреваемых труб включены в горизонтальный коллектор, а верхние концы - либо во второй коллектор, либо непосредственно в барабан котла. Необогреваемые водоопускные трубы включены верхним концом в самую нижнюю часть барабана, а нижним концом - в тот же коллектор, что и обогреваемые трубы. На рис. 3 представлена схема циркуляции воды котла типа БКЗ-160 (Е-160-100-ГМ). Контур циркуляции характеризуют скоростью циркуляции воды. Скорость циркуляции может совпадать с реальной скоростью воды на входе в испарительные обогреваемые трубы:

Wвх =

Do , f вх ρ вх

10

(4)

Рис. 3 где Dо - весовой расход воды, поступившей в трубу; fвх - площадь входного сечения трубы; ρвх - плотность воды на входе в трубу. У котлов среднего давления скорость циркуляции обычно равна 0,6...0,8 м/с, у котлов высокого давления - 1,0...1,2 м/с, в двухсветных экранах - около 1,6 м/с. Для обеспечения более высокой скорости увеличивают количество необогреваемых водоопускных труб экранов. Для улучшения устойчивости движения воды уменьшают ширину каждого циркуляционного контура. В совокупности приведенные и другие конструктивные решения позволяют обеспечить надежную работу экранов при высоких (до 18,5 МПа) давлениях. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторной установкой является действующий паровой котел любого типа, в том числе и рассмотренный ниже (рис. 4) котел типа БКЗ-160-100 ГМ. 11

Паропроизводительность котла D=44,4 кг/с (160 т/ч); давление в барабане Рб=11 МПа; давление за главной паровой задвижкой Рпп=10 МПа, температура перегретого пара tпп=540°С, температура питательной воды tпв=215°С. Котел Барнаульского котельного завода спроектирован для работы на газе и мазуте, оборудован двенадцатью комбинированными горелками типа РТС-700-11, установленными в три яруса на фронтовой стене топочной камеры. Топочная камера (ширина 7104 мм, глубина 4416 мм, объем 419 м3) экранирована трубами 60×4 с шагом 64 мм, радиационная поверхность экранов Fр=351 м2. Экраны разделены на одиннадцать циркуляционных контуров, в каждый из которых входят камеры, опускные трубы и барабан. Пароперегреватель имеет суммарную поверхность нагрева 1434 м2. Радиационная часть пароперегревателя состоит из потолочных труб и ширмовых поверхностей. Ширмовый пароперегреватель (Fш=358 м2) выполнен из стали 12Х1МФ. Поверхность потолочного настенного и подвесной части пароперегревателя составляет 350 м2. Конвективные поверхности пароперегревателя расположены в опускной шахте котла. Их площадь 726 м2. Пароперегреватель имеет две ступени регулирования температуры перегрева пара впрыском собственного конденсата. Экономайзер изготовлен из труб 32×3,5, материал - сталь 20, общая площадь экономайзера 2040 м2. Поверхности нагрева регенеративного воздухоподогревателя РВП размещаются в двух роторах диаметром 3600 мм каждый. Каждый ротор разделен на 18 секторов; в каждый момент газы проходят через 9 секторов, воздух - через 7, из работы выключены 2 сектора. Эквивалентный диаметр набивки «холодной» части РВП равен 9,8 мм, площадь 5600 м2, «горячей» части - 7,8 мм, а общая площадь РВП - 12460 м2. На котле ст. № 9 РВП состоит из одного ротора диаметром 9400 мм, общая площадь нагрева 7500 м2, площадь «холодного» пакета составляет 40 % от общей площади; количество секторов - 24, газами омываются 11 секторов, воздухом - 9, из работы выключено 4 сектора. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Осмотр действующих паровых котлов, отдельных узлов их компоновки и вспомогательного оборудования производится в порядке, указанном преподавателем. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Краткое описание конструкции котла, компоновки его основных узлов, а также режима работы в момент осмотра.

12

Литература: [1], с. 107...108; [2], с. 90...92; [3], с. 51...54; [5], с. 24...27; 31...33; [9], с. 192, 217, 225

Рис. 4 13

РАБОТА 2. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА И РАСХОДА ТОПЛИВА ДЕЙСТВУЮЩЕГО ПАРОВОГО КОТЛА I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Приобретение навыков расчета теплового баланса, расхода топлива и КПД котла по показаниям приборов в процессе его эксплуатации. II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Соотношение, связывающее приход и расход теплоты в котле, представляет его тепловой баланс. Для работающего парового котла тепловой баланс составляют на основании результатов теплового испытания с целью определения эффективности его работы, его КПД. При тепловом расчете баланс составляют, используя нормативные данные, для расчета часового расхода топлива в топку котла. Составляют баланс по приходным и расходным статьям на 1 кг твердого или жидкого топлива или на 1 м3 газообразного топлива при 0°С и 0,098 МПа. Q прих = Q рр = Q нр + Q фт + Q фв + Q пар + (Q экз − Q энд ) + Q эл ,

(5)

где Q рр - располагаемая рабочая теплота; Q нр - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива; Qфт - физическая теплота топлива; Qфв - физическая теплота воздуха (учитывается только при подогреве воздуха вне котла, т.е. от посторонних источников теплоты); если воздух холодный, то

(

)

Q фв = αН охв + α уг − α Н охв , (α - коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топку; αуг - коэффициент избытка воздуха на выходе из котла; Н охв - энтальпия теоретически необходимого

(

)

для горения холодного воздуха; α уг − α Н охв - энтальпия холодного воздуха, поступившего в газоход с присосами); Qпар - теплота пара при паровом распыливании мазута; Qэкз, Qэнд - теплота экзотермических и эндотермических реакций; Qэл - учитывают только при выработке пара с использованием в качестве источника теплоты электроэнергии.

14

Q расх = Q пол + Н уг + Q хн + Q мн + Q но + Q фш + Q охл ± Q акк ,

(6)

где Qпол - теплота, затраченная на выработку пара; D Q пол = , (D - выход пара; B - расход топлива; hпп и hпв - энтальпии B(h пп − h пв ) перегретого пара и питательной воды). Остальные слагаемые - тепловые потери: Hуг - энтальпия уходящих из котла газов; Qхн, Qмн - потери от химической и механической неполноты сгорания; Qно - потери от наружного охлаждения внешних ограждений; Qфш - потери с физической теплотой шлаков; Qохл - потери на охлаждение балок; панелей, не включенных в циркуляционную систему котла; Qакк - расход или приход теплоты в неустановившихся режимах, для установившихся состояний, Qакк=0. Приравнивая приход теплоты и расход ее, получим

(

)

Q нр + αН охв + α уг − α Н охв =

D + Н уг + Q хн + Q мн + Q но + Q фш + Q охл . (7) B(h пп − h пв )

или

Q нр =

(

)

D + Н уг − α уг Н охв + Q хн + Q мн + Q но + Q фш + Q охл . B(h пп − h пв )

(8)

Разница между энтальпией уходящих газов и теплотой холодного воздуха - это потеря теплоты с уходящими газами: Q уг = Н уг − α уг Н охв .

(9)

С учетом этого общее уравнение теплового баланса, уравнение прямого баланса имеет вид

Q нр =

D + Q уг + Q хн + Q мн + Q но + Q фш + Q охл . B(h пп − h пв )

(10)

Если принять Q нр за 100 %, то уравнение прямого баланса можно записать в виде 15

100 = q пол + q уг + q хн + q мн + q но + q фш + q охл , где q пол =

100Q пол

; q пол =

(11)

100Q уг

и т.д. Q нр Q нр Составляющие баланса обозначаются обычно qпол≡q1; qуг≡q2; qхн≡q3; qмн≡q4; qно≡q5; qфш+охл≡q6.

КПД брутто котла как отношение полезно затраченной теплоты к израсходованной может быть найдено из уравнения прямого баланса, %

ηка =

D(h пп − h пв ) BQ нр

100

(12)

или по обратному балансу, %

ηка = q1 = 100 − (q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 ) .

(13)

III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторной установкой является действующий паровой котел, рассмотренный в лабораторной работе 1. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить режим работы действующего парового котла электростанции во время проведения занятий. 2. Снять технические и метрологические характеристики используемых в работе средств измерений. 3. Зафиксировать по приборам значения основных величин, необходимых для дальнейших расчетов, занести их в таблицу по форме 1.

16

Форма 1

Численное значение

Величина Давление насыщенного пара в барабане Рб, МПа Давление перегретого пара за котлом Рпп, МПа Температура перегретого пара tпп, К (оС) Температура питательной воды tпв, К (оС) Расход пара из котла D, кг/с (т/ч) Температура уходящих газов tуг, К (оС) Содержание кислорода в уходящих газах О2, % об

4. Зафиксировать марку сжигаемого в топке котла во время испытаний топлива, его теплоту сгорания, зольность, влажность, элементарный состав. 5. Рассчитать тепловой баланс котла на момент его испытаний, определить его КПД и часовой расход топлива. Расчет производить в порядке, указанном в таблице по форме 2. Форма 2

Расчетная формула или способ определения

Параметры Располагаемая

теплота

Q pp ,

указывается преподавателем кДж/м3 (ккал/м3) Температура уходящих газов по показаниям приборов теплового контроля tуг, К (0С) Энтальпия воздуха и продуктов сгорания, в дымовых газах: а) воздуха Н ов , кДж/м3 выбирается по табл. приложения 2 б) продуктов сгорания Н ог , то же кДж/м3 Содержание кислорода в ды- определяется по показаниям приборов газового анализа мовых газах О2, % об Коэффициент избытка воздуха 21 в дымовых газах α 21 − О 2 Присосы холодного воздуха в Δαэко+Δαвп, см. табл. прилогазовом тракте за пароперегрежения 6 вателем Δα ′′

17

Расчет

Числ. знач.

Окончание формы 2

Параметры

Расчетная формула или способ определения

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах αуг Энтальпия уходящих газов Нуг, кДж/м3 Энтальпия холодного воздуха Нхв, кДж/м3

α+ Δα ′′

Потеря теплоты от механического недожога q4, % Потеря теплоты от химического недожога q3, % ∗ Потеря теплоты с уходящими газами q2, %

(

Расчет

Числ. знач.

)

Н ог + α уг − 1 Н ов Н охв определяется для tхв=30 о С по табл. приложения 2 Н хв = αН охв принимается по [6] принимается по [6]

(Н

уг

)

− α уг Н охв (100 − q 4 )

Q pp

Потеря теплоты в окружаю- выбирается по рис. приложещую среду q5 ния 3 1 − q5 Коэффициент сохранения теплоты φ 100 Сумма тепловых потерь ∑qi q2+q3+q4+q5+q6 Энтальпия перегретого пара определяется по табл. приложения 4 hпп, кДж/кг 100-∑qi КПД котла ηка, % Энтальпия питательной воды определяется по табл. приложения 5 hпв, кДж/кг Расход перегретого пара D, определяется по показаниям кг/с (т/ч) приборов теплового контроля Полезно использованная теплота в котле (теплота продуD(hпп - hпв) вочной воды не учитывается так как qпр<2%) Qпол, кДж/c Q пол 100 Полный расход топлива В, 3 3 м /с, (м /ч) Qрη н ка

В(100 − q 4 ) 100

Расход действительно сгоревшего топлива Вр, м3/с, (м3/ч)

* При работе котла на газе потеря теплоты с уходящими газами может быть определена по упрощенной формуле Я.Л. Пеккера (основана на приведенных характеристиках топлива, %). 18

⎞

⎛

q2 =

(Kα уг + С)⎜⎜ t уг − α α уг+ b t хв ⎟⎟А t (1 − 0,01q 4 ) ⎝

уг

100(1 + n )

⎠

,

где К, С, b - коэффициенты, зависящие от сорта топлива и его приведенной влажности. Для природного газа эти коэффициенты имеют значения К=3,52, С=0,63, b=0,18; Аt - поправка на температуру уходящих газов,

A t = 1 + 0,013

t уг − 150 100

;

(1+n) - коэффициент, учитывающий поправку на изменение q2 в связи с недогревом воздуха в калорифере, n=0,00035Δtα″пп, где Δt=t2 - t1 - подогрев в калорифере, α″пп - коэффициент избытка воздуха за пароперегревателем. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Краткое описание парового котла и режима его работы. 2. Расчет теплового баланса, КПД котла и расхода топлива в топку. 3 . Выводы по работе. Литература: [1], с. 41...44; [2], с. 17...29

19

РАБОТА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ ПАРОВОГО КОТЛА I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с конструкцией пароперегревателя, определение температуры газов перед ним и коэффициента теплопередачи от газов к пару. II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Пароперегреватели предназначены для перегрева насыщенного пара, поступающего из испарительной системы парового котла, а также для дополнительного вторичного перегрева пара, частично отработавшего в цилиндре высокого давления турбины.

Рис. 5 20

На рис. 5 показаны наиболее часто встречающиеся схемы, конструкции и компоновки пароперегревателей. Здесь: 1 - конвективный первичный пароперегреватель (КПП); 2 - ширмовый первичный пароперегреватель (ШПП); 3 - потолочный пароперегреватель (ППП); 4 - промежуточный конвективный пароперегреватель. 5 - промежуточный ширмовый пароперегреватель; 6 - экраны. Пароперегреватель (ПП) - один из основных теплоиспользующих элементов котла, работающий в наиболее тяжелых тепловых условиях. С повышением параметров пара доля теплоты, воспринимаемой ПП, возрастает. Металл ПП имеет наибольшую по сравнению с другими поверхностями нагрева котла температуру, что обусловлено высокими температурами пара и одновременно большими удельными тепловыми нагрузками поверхностей нагрева. В зависимости от способа передачи теплоты газов к поверхности нагрева ПП разделяют на радиационные, полурадиационные и конвективные. Радиационный ПП обычно устанавливают на потолке топки, а также на ее стенах по всей их высоте, чаще на фронтовой стенке. Температура металла радиационного ПП превышает температуру пара на 100...150°С, поэтому необходимо надежное охлаждение труб, что достигается высокой скоростью пара (до Полурадиационные 30 м/с). (ширмовые) ПП могут воспринимать до 50 % всей теплоты, необходимой для перегрева пара. Их целесообразно применять в зоне температур газов 1200...1050°С, при этом температура газов за ширмами снижается на 100...150°С. Ширмовый ПП представляет собой систему трубок, образующих плоские плотные пакеты с входными и выходными коллекторами. Размещаются они вертикально или горизонтально в верхней части топки или в горизонтальном газоходе с расстоянием между пакетами 700...1000 мм. Допустимая массовая скорость пара в ширмах ωρ=(800...1100) кг/(м2 с). Конвективные ПП выполняют в виде пакетов труб шахматного или коридорного расположения. Трубы согнуты в виде змеевиков, приваренных к круглым коллекторам. Пакеты труб располагают в горизонтальном или вертикальном опускном газоходах вертикально или горизонтально. Температура газов в зоне КПП - 700...1100°С. Температура стенки превышает примерно на 50°С температуру пара, поэтому для надежной работы металла КПП необходимы высокие скорости пара; массовая скорость пара в трубах КПП ωρ=(500...1200) кг/(м2 с). Основные закономерности, используемые при тепловом расчете: для радиационных поверхностей - закон Стефана - Больцмана и отдельные положения теории подобия; для конвективных поверхностей - закон Ньютона - Рихмана и отдельные положения теории подобия; для радиационно - конвективных поверхностей - те же закономерности, что и при расчете конвективных поверхностей, при этом доля лучистого теплообмена учитывается через коэффициент α1=(αk+αл). Для расчета процессов теплообмена в конвективных пароперегревателях используются следующие уравнения: теплового баланса по газам, кДж/кг

21

(

)

Q КПП = ϕ Н ′г − Н ′г′ + Δα пр Н охв ;

(14)

тепловосприятия пакетов КПП, кДж/кг

Q КПП =

D ′ − h ′пп ) − Q л ; (h ′пп Bp

(15)

теплопередачи от газов к рабочей среде, кДж/кг

Q КПП =

FКПП kΔt , Bp

(16)

где H ′г , H ′г′ - энтальпия газов перед и за КПП; Δαпр - присос холодного воздуха в районе КПП; Н охв - энтальпия холодного воздуха; h′пп, h″пп - энтальпия пара на входе и выходе КПП. В поверочном расчете энтальпии пара и газа известны лишь на одном конце поверхности (Н′г, h′пп или H″г, h″пп). Задаваясь одним значением неизвестной температуры или энтальпии пара (h′пп или h″пп), находят значение H′г или H″г. Затем определяется температурный напор Δt. Для чистого прямоточного и противоточного движения Δt определяют как среднелогарифмическую разность, °С

Δt =

Δt б − Δt м , Δt б 2,3 ln Δt м

где Δtб и Δtм - большая и меньшая разности температур обеих сред; при Δt + Δt м ⎞ ⎛ Δt б < 1,1 можно Δt определить из выражения, °С Δt = б ⎟. ⎜ Δt м ⎝ 2 ⎠ Средний температурный напор в поверхностях нагрева с последовательным, параллельно - смешивающим и перекрестным движением сред может быть определен с учетом номограмм, приведенных в [6].

22

III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторной установкой является действующий паровой котел. Исследуется элемент этого котла - пароперегреватель. Пароперегреватель котла ТГМ-160-100 - радиационно - конвективный, дренируемый. Радиационная часть выполнена в виде потолочных труб и ширм, расположенных в верхней части топки и в поворотной камере. Конвективный ПП расположен в опускной шахте котла. Площадь ширм 358 м2, конвективного ПП - 726 м2, общая площадь ПП - 1434 м2, т.е. на долю потолочно - настенного ПП и его подвесной части приходится 350 м2. Пароперегреватель имеет две ступени регулирования перегрева пара впрыском собственного конденсата. Регуляторы расположены за восемью ширмами (II ступень) и за подвесными панелями (I ступень). Материал труб ПП - ст. 20 и сталь 12Х1МФ.

Рис. 6 23

Пар из барабана (рис. 6) по девяти трубам ∅ 133×8 подводится к трем входным камерам 1 потолочно - настенного ПП 2, откуда по 175 трубам направляется в две выходные камеры 10. Далее по четырем трубам ∅ 133×8 пар направляется во входные камеры холодного пакета 11 КПП, затем через холодный пакет и подвесные панели 9 пар входит в четыре камеры 3, из которых направляется в пароохладитель первой ступени 13 по восьми трубам ∅ 133×10. После пар поступает в ширмы 4, откуда по восьми трубам 133×10 подается в ВПО II ступени 15 и из него по шести трубам ∅ 133×10 пар направляется в паросборную камеру 14. Схема движения пара показана на рис. 7.

Рис. 7 24

IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить конструкцию ПП и его компоновку в паровом котле, используемом в качестве лабораторной установки. 2. Записать технические и метрологические характеристики средств измерений и основного оборудования, используемых в настоящей работе. 3. Провести необходимые замеры (по указанию преподавателя), результаты замеров занести в таблицу по форме 3. Форма 3

Величина Давление пара в барабане Рб, МПа (кг/см2) Давление пара за котлом Рпп, МПа (кг/см2) Температура перегретого пара tпп, К (оС) Температура питательной воды tпв, К (оС) Расход пара из котла D, кг/с (т/ч) Содержание кислорода в газах О2, % об Температура газов за ПП t″г, К (оС)

Численное значение

4. Записать характеристики используемого топлива. 5. Рассчитать расход топлива на момент проведения лабораторной работы (см. работу 2). 6. Рассчитать тепловосприятие пароперегревателя. При этом для определения коэффициента сохранения теплоты можно воспользоваться результатами работы 2; доля присасываемого в ПП воздуха выбирается из табл. приложения 6. 7. Рассчитать по результатам опыта температуру газов перед ПП и коэффициент теплопередачи от газов к пару. Результаты расчетов свести в таблицу по форме 4. Форма 4

Расчетная формула или способ определения Температура насыщенного па- определяется по таблицам теплофизических свойств ра tнп, К (оС) воды и водяного пара Энтальпия насыщенного пара То же или приложение 4 hнп, кДж/кг Величина

25

Расчет

Числ. знач.

Окончание формы 4

Величина

Расчетная формула или спо- Расчет соб определения

Энтальпия перегретого пара То же h″пп, кДж/кг Расчетный расход топлива Вр, по результатам работы № 2 м3/c (м3/ч) Тепловосприятие пароперегреD ′ − h пп ) (h ′пп вателя Qпп, Bp Коэффициент избытка воздуха α-Δαпп перед пароперегревателем α′пп Присосы холодного воздуха в Приложение 6 зоне пароперегревателя Δαпп Коэффициент избытка воздуха Δα″пп=α за пароперегревателем Энтальпия продуктов сгорания за пароперегревателем при Приложение 2 3 о (α=1) Н ′г′ , кДж/м Энтальпия воздуха за паропеТо же регревателем Н ′в′ о , кДж/м3 Энтальпия газов за паропере′ − 1)Н ′в′ о Н ′г′ о + (α ′пп 3 гревателем Н″г, кДж/м Коэффициент сохранения по результатам работы № 2 теплоты ϕ Энтальпия холодного воздуха Приложение 3 Н охв , кДж/м3 Энтальпия продуктов сгорания Q + Н ′г′ ϕ − Δα пп Н охв ϕ перед пароперегревателем Н′г, ϕ кДж/м3 Температура газов перед Приложение 3 пароперегревателем t′г, К (оС) ′ t ′г + t ′г′ t ′пп + t ′пп Температурный напор Δt, К − о ( С) 2 2 Поверхность нагрева паропеиз конструктивных данных регревателя Fпп, м2 Q m Bp Коэффициент теплопередачи 2 k, кВт/(м К) ΔtFпп

(

26

)

Числ. знач.

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Краткая конструктивная и технологическая характеристика исследуемого пароперегревателя. 2. Таблицы: а) исходных данных, б) необходимых расчетов, в) результатов расчета. 3. Необходимые рисунки. 4. Выводы по работе. Литература: [4], с. 16...29; [5], с. 115, 116, 118...121, 126...128; [6], с. 170, 176...179, 204...205; [9], с. 201 РАБОТА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭКОНОМАЙЗЕРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПАРОВОГО КОТЛА I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с конструкцией экономайзера и его компоновкой в газоходе парового котла, а также с методикой расчета теплообмена в водяном экономайзере. II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Экономайзер по ходу газов устанавливается после пароперегревателя. Он выполняется из труб диаметром 28...42 мм. Конструктивно выполняется из змеевиковых труб, набираемых пакетами, расстояние между которыми 600...800 мм, а высота пакета 1000...1500 мм. Если экономайзер двухступенчатый, то расстояние между ступенями - 800…1000 мм (для обеспечения осмотра и очистки поверхностей нагрева). Конструкция экономайзера котла высокого давления приведена на рис. 8. Здесь 1 - верхняя (выходная) камера, 2 - охлаждаемые подвески, 3 - второй пакет экономайзера, 4 - крепление змеевика, 5 - первый пакет, 6 - нижняя (выходная) камера, 7 - неохлаждаемые подвески. Количество теплоты, воспринимаемой экономайзером, составляет 18...25% от всей полезно использованной в котле. Поэтому экономайзер, устанавливаемый в зоне сравнительно низких температур дымовых газов, имеет развитую поверхность 3800...9000 м2. Масса экономайзера достигает 18% массы деталей котла, находящихся под давлением.

27

Рис. 8 Скорость дымовых газов в зоне экономайзера - от 7 до 14 м/с, скорость воды - не менее 0,3 м/с (для некипящего экономайзера при номинальной нагрузке) и не менее 1,0 м/с (для ступеней с частичным испарением воды). Движение воды в экономайзерах чаще всего восходящее. Расчетное тепловосприятие экономайзера как замыкающей поверхности пароводяного тракта можно определить из уравнения баланса теплоты

Q эк =

Q pp ηпк 100 100 − q 4

(

)

− Q л + Q ф + Q пт + Q пп ,

(17)

где Qл , Qф , Qпт , Qпп - количество теплоты (отнесенное к 1 кг или 1 м3 топлива), воспринятое лучевоспринимающими поверхностями топки, фестоном, подвесными трубами и первичным и вторичным пароперегревателями. 28

Необходимая в расчете теплообмена температура газов за экономайзером определяется с помощью Н - t - таблицы по значению энтальпии газов за экономайзером

′ = Н ′эк − Н ′эк

Q эк + Δα эк Н охв , ϕ

(18)

где Н′эк=Н″пп; Н″пп - энтальпия газов за пароперегревателем; Δαэк - присосы холодного воздуха в зоне экономайзера. Найдя Qэк, определяют энтальпию и температуру воды после экономайзера:

′ = h пв + h ′эк

В р Q эк D эк

,

(19)

где hпв - энтальпия воды на входе в экономайзер. Расход питательной воды через экономайзер определяется с учетом работы пароохладителя и наличия расхода воды на продувку (доля продувки равна р) Dэк=(1+p)D, если охлаждение производится впрыском собственного конденсата или поверхностным пароохладителем. Температура воды после экономайзера определяется на линии насыщения при давлении в барабане рб. Если h″эк окажется больше, чем энтальпия воды на линии насыщения, то следует определять массовую долю пара на выходе из экономайзера

′ = х ′эк

′ − h нас h ′эк r

(20)

где r - удельная теплота парообразования, берется при давлении рб. Третье уравнение, используемое при расчете теплообмена в экономайзере- это приводимое уже уравнение теплопередачи:

Q эк =

Fэк kΔt . Bp

29

III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторной установкой является паровой котел, исследованный при выполнении лабораторной работы № 2. В данной работе подробно исследуется элемент этого котла - экономайзерный участок. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Произвести осмотр внешних (вне газохода) деталей конструкции экономайзера (под руководством преподавателя), изучить компоновку экономайзера в газоходе котла. 2. Записать технические характеристики основного оборудования и метрологические характеристики средств измерений, используемых в настоящей работе. 3. Записать характеристику топлива, сжигаемого в топке котла в момент проведения испытаний. 4. Произвести замеры контрольных параметров, выполнить необходимые расчеты, результаты замеров и расчетов занести в таблицу по форме 5. Форма 5

Величина

Расчетная формула или способ определения

Давление пара в барабане рб, Данные испытаний МП а (кгс/см2) Температура питательной воТо же ды tпв, К (оС) Расход пара из котла D, кг/с То же (т/ч) Температура газов до эконоДанные испытаний майзера t'г, К (оС) Температура газов за эконоТо же майзером t"г, К (оС) Расчетная поверхность экоиз конструктивных данных номайзера Fэк, м2 Действительный расход топ- принимается по результатам лива Вр работы № 2 Коэффициент сохранения те- принимается по результатам работы № 2 плоты ϕ Расход воды через экономайD+Dпрод. зер Dэк, кг/c (т/ч)

30

Расчет

Числ. знач.

Окончание формы 5

Величина

Расчетная формула или способ определения

Энтальпия газов до экономайзера Н'г, кДж/м3 Энтальпия газов за экономайзером Н"г, кДж/м3 Присосы воздуха в газоход в области экономайзера Δαэк Теплота, воспринятая поверхностью нагрева экономайзера Qэк, кДж/м3 Приращение энтальпии воды в экономайзере h"эк - h'эк, кДж/кг Температура воды за о экономайзером t"эк, К ( С) Средняя температура газов ⎯ t г , К (оС) Средняя температура воды ⎯ t эк , К (оС) Температурный напор Δt, К (оС) Коэффициент теплопередачи k, кВт/(м2К)

Расчет

Числ. знач.

Н'г=Н"пп по Н - t таблице Приложение 6

(

ϕ Н ′г − Н ′г′ + Δα эк Н охв

)

Q эк В р D эк Приложение 5 или [6, табл. ххv] 0,5(t'г+t"г) 0,5(t′эк+t″эк)

⎯tг - ⎯tэк Q эк В р

ΔtFэк

Примечание. При исследовании двухступенчатого экономайзера все расчеты производятся последовательно для каждой ступени по зависимостям, приведенным в настоящей таблице.

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Краткое описание режима работы парового котла на момент проведения лабораторной работы. 2. Описание конструктивных и компоновочных особенностей исследуемого экономайзера. 3. Технические характеристики основного оборудования и метрологические характеристики средств измерений, используемых в настоящей работе. 4. Описание порядка теплового расчета экономайзера, основные теоретические положения. 5. Необходимые расчеты, рисунки. 6. Выводы по работе. 31

Литература: [2], с. 251...253; [3], с. 217...218; [5], с. 129...130; [6], с. 179, 180, 209; [9], с. 154, 201 РАБОТА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ С ОЦЕНКОЙ ВЕРОЯТНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТОЧКИ РОСЫ СЕРНИСТЫХ ПАРОВ НА ГАЗОВОЙ СТОРОНЕ ХОЛОДНОГО ПАКЕТА I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с конструкцией и компоновкой воздухоподогревателя. Определение возникновения точки росы в зависимости от содержания сернистых соединений. II. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В современных котлах применяют вращающиеся регенеративные (РВП) и трубчатые (ТВП) воздухоподогреватели (рис. 9, где 1 - подшипники; 2 - электродвигатель; 3 и 7 - периферийные и радиальные уплотнения; 4 - наружный кожух; 5 - набивка; 6 - вал ротора; 8 - утечка воздуха через уплотнения). РВП устанавливаются на котлах, работающих на газе, мазуте, каменных углях с умеренной зольностью; трубчатые - при сжигании высокозольных углей и при работе котла под наддувом. В обоих типах воздухоподогревателей возможен раздельный нагрев первичного и вторичного воздуха. При нагреве воздуха до 350...370°С применяют одноступенчатую схему компоновки, РВП устанавливается непосредственно за экономайзером за пределами здания котельной; при более высокой температуре применяют двухступенчатую схему компоновки, причем первая ступень трубчатого воздухоподогревателя также может устанавливаться за пределами здания. Оптимальные скорости дымовых газов и воздуха в трубчатых воздухоподогревателях составляют соответственно 11±2 и 4,5...6 м/с, в РВП - 9...10 и 6...8 м/с. Температура газов на входе в трубчатый воздухоподогреватель не должна превышать 530°С. Часть воздухоподогревателя на стороне входа воздуха называется холодной частью. Это отдельный, легко сменяемый пакет. При поверочном тепловом расчете задаются энтальпии газов и воздуха на входе в воздухоподогреватель, требуется определить энтальпии газов и воздуха на выходе из воздухоподогревателя и количество передаваемой теплоты.

32

Рис. 9 Теплота, передаваемая воздуху в воздухоподогревателе, определяется по формуле

(

)

Δα вп ⎛ ⎞ о ′ + ′ − Н ′впо , Q вп = ⎜ β′вп + β рц ⎟ Н ′вп 2 ⎝ ⎠

(21)

где β"вп - отношение количества воздуха за воздухоподогревателем к теоретически необходимому; βрц - доля рециркулирующего воздуха в воздухоподогревателе; о ′о - энтальпии воздуха, теоретически необходимого для сжигания топН′вп и Н′вп лива, на входе в воздухоподогреватель и на выходе из него; Δαвп - присос воздуха в воздухоподогревателе. В случае подогрева всего воздуха в одноступенчатом воздухоподогревателе и во второй ступени двухступенчатого

β″вп=αт - Δαт - Δαпл , 33

где αт, Δαт, Δαпл - избыток воздуха на выходе из топки, присос воздуха в топке и присос воздуха в системе пылеприготовления. Величина β"вп для первой ступени равна

β'вп=β"вп - Δα2, где Δα2 - утечка воздуха из второй ступени воздухоподогревателя. При рециркуляции части горячего воздуха

β рц =

(β′вп′ + Δα вп )(t ′вп − t хв ) t гв − t ′вп

,

где tхв, t'вп, tгв - температуры холодного воздуха на входе в воздухоподогреватель, после смешения и горячего воздуха. При подогреве воздуха в паровом или электрическом калориферах изменится только температура на входе в воздухоподогреватель. Теплота, затраченная в калорифере на подогрев воздуха от tхв до t'вп, является теплотой внешнего подогрева воздуха и включается в располагаемую теплоту. Следует помнить, что температуру воздуха на входе в воздухоподогреватель нельзя принимать ниже температуры конденсации водяных паров, температура стенки воздухоподогревателя должна быть выше температуры точки росы tр, (tст≥tр+10°С), при которой возникает конденсация водяных паров и образование жидкой пленки (электролита) на поверхности нагрева. Наиболее вероятным местом образования электролита является «холодный» пакет воздухоподогревателя. Точка росы определяется парциальным давлением водяных паров в продуктах сгорания, увеличивающимся с повышением влажности топлива и содержания в нем водорода, содержанием серы в топливе и количеством оксидов азота в дымовых газах. Численное значение точки росы складывается из температуры конденсаций водяных паров, содержащихся в дымовых газах, и некоторой температурной добавки Δt p = f S p , A p , NO x . Тем-

(

)

пература конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания АШ, равна 27...28°С, бурых углей 45...55°С, мазута - 44...45°С, природного газа 54...55°С. Наличие серы в топливе повышает температуру точки росы. На рис. 10 (а, б) показаны зависимости температуры точки росы от наличия SO3 в продуктах сгорания и от содержания H2SO4. Температура точки росы дымовых газов может быть определена по формуле, °С

34

С tp 1 60

С tp 200

о

о

Уголь

1 40 160

1 20

120

1 00

Мазут

80

80

SO 3

60 1

2

3

4

SO3

40

5 х 10 -3 %

0,0 001

a)

0,0 01

0,01 0,02 %

б)

Рис. 10 t р = t конд + Δt р ,

где Δt p =

( )

1 р 3 125 Sпр р 1,05Δ ун А пр

(22)

- для твердого топлива,

р р Sпр и А пр - приведенное содержание серы и золы, определяемое в процентах на

4170 кДж/кг. Для проверки отсутствия условий образования росы на поверхности несменяемой части холодного пакета воздухоподогревателя определяется минимальная температура стенки, которая должна быть выше точки росы. Для трубчатого воздухоподогревателя

t ст =

0,8α г t г + α в t в , 0,95α г + α в

(23)

где αг и αв - коэффициенты теплоотдачи конвекций соответственно от газов к стенке и от стенки к воздуху; tг и tв - температура газа на выходе и воздуха на входе в холодный пакет; 0,8 и 0,95 - коэффициенты, учитывающие загрязнение и неравномерность температурного поля газов на выходе из воздухоподогревателя. Для регенеративного воздухоподогревателя

t cт =

х г αг t г + х вαв t в , х г αг + х вαв

где хг и хв - доли сечений, омываемых дымовыми газами и воздухом. 35

(24)

III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В качестве лабораторной установки используется паровой котел, исследованный при проведении работы № 2. В настоящей работе исследуется элемент этого котла - воздухоподогреватель. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с конструкцией воздухоподогревателя и его компоновкой в газоходе котла. 2. Снять технические характеристики с используемого в работе основного оборудования и метрологические характеристики применяемых средств измерений. 3. Записать характеристики используемого при проведении испытаний топлива. 4. Произвести исследование работы воздухоподогревателя в рабочем режиме котла (по указанию преподавателя), результаты исследования занести в таблицу по форме 6. Форма 6

Величина Температура уходящих газов tуг, К (оС) Содержание кислорода в дымовых газах О2, % об Температура воздуха на входе в воздухоподогреватель tв, К (оС) Температура воздуха за холодным пакетом t′′вхп, К (оС) Температура газов на входе в холодный пакет t′гхп, К (оС)

Численное значение

5. Рассчитать минимально допустимую температуру стенки холодного пакета воздухоподогревателя и температуру точки росы, расчет свести в таблицу по форме 7.

36

Форма 7

Расчетная формула или способ определения Расход топлива на котел Вр, принимается по результатам м3/с (м3/ч) работы № 2 Средняя температура воздуха 0,5(tв+t″вхп) t в , К (оС) Средняя температура газов 0,5(t′гхп+tуг) t г К (оС) Среднее значение объема БКЗ-160-100: 3 3 топливо - газ продуктов горения ∑υi, м /м 3 топливо - мазут м /кг Количество воздуха, принимается из теплового необходимое для сгорания 1 расчета котла 3 3 3 о БКЗ-160-100: м (1 кг) топлива Vв , м /м топливо - газ м3/кг топливо - мазут Средний секундный объем tг 3 +1 газов ⎯Vг, м /с 273 ∑ υi B p 3600 Средний секундный объем (α т − Δα т − Δα пл − Δα вн )Vво × воздуха ⎯Vв, м3/с tв +1 273 × Вр 3600 Живое сечение для прохода по конструктивным характегазов Fг, м2 ристикам РВП котла БКЗ-160-100 Живое сечение для прохода по конструктивным характевоздуха Fв, м2 ристикам РВП котла БКЗ-160-100 Vг Средняя скорость газов Wг , м/с Fг Средняя скорость воздуха Vв Wв , м/с F Величина

в

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков α пн , кВт/(м2К)

по номограмме приложения 7а

37

Расчет

Числ. знач.

11,52 12,2

9,8 10,56

10,2 9,32

Окончание формы 7

Величина

Расчетная формула или способ определения

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху α 2т , 0,85 α пн кВт/(м2К) Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном по номограмме приложения 7б омывании гладких труб α пр н , 2 кВт/(м К) Коэффициент теплоотдачи от 0,866 α пр н газов к стенке α1т , кВт/(м2К) Коэффициент теплоотдачи конвекцией для регенеративпо монограмме приложения ных воздухонагревателей αн, кВт/(м2К) Коэффициент теплоотдачи 0,95αн 2 α1, кВт/(м К) Коэффициент теплоотдачи 0,87αн 2 α2, кВт/(м К) Температура стенки холоднопо разделу II настоящей рабого пакета воздухоподогреваты теля (на входе воздуха) tст Разница температур конденсации водяных паров и точки росы дымовых газов Δtр, К (оС): при сжигании твердого топ- по разделу II настоящей работы лива при сжигании газообразного по указанию преподавателя топлива Температура конденсации Рассчитывается в зависимости водяных паров tконд, К (оС) от вида топлива и условий сжигания Температура точки росы дыtконд+Δtр или по рис. 10 мовых газов tр, К (оС)

38

Расчет

Числ. знач.

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Краткое описание конструкции воздухоподогревателя и его компоновки в газоходе котла. 2. Технические и метрологические характеристики используемого в работе оборудования и средств измерений. 3. Описание режима работы котла на момент проведения данной работы. 4. Результаты исследований и расчетов. 5. Выводы по работе. Литература: [2], с. 254...257, 263...266; [5], с. 42, 132...141

39

ПРИЛОЖЕНИЯ П.1. Соотношение единиц физических величин

Наименование величины Масса Сила Плотность Удельный вес Давление

Удельная энтальпия Удельная энтропия Удельная теплоемкость Коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи Коэффициент теплопроводности Работа, энергия Количество теплоты Мощность Тепловой поток

МКГСС, МКСГ 1 кгс с /м 1 кгс 1 кгс с2/м4 1 кгс/м3 1 атм (техн.)=1 кгс/см2=104 кгс/м2=735,6 мм рт. ст. 1 атм (физ.)=1,033 кгс/см2= 760 мм рт. ст. 1 мм рт. ст. 1 кгс/м2 1 бар 1 ккал/кг 1 ккал/(кг К) 1 ккал/(кг оС) 1 ккал/(ч м2 оС) 2

СИ 9,81 кг 9,81 Н 9,81 кг/м3 9,81 Н/м3 98,1 кПа 1,01/105 Па 133,322 Па 9,81 Па 100 кПа 4,187 кДж/кг 4,187 кДж/(кг К) 4,187 кДж/(кг К) 1,163 Вт/(м2 К)

1 ккал/(ч м оС)

1,163 Вт/(м К)

1 кгс м 1 ккал 1 кгс м/с 1 ккал/ч

9,81 Дж 4,187 кДж 9,81 Вт 1,163 Вт

40

П.2. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания при α=1, теоретические объемы воздуха и дымовых газов при α=1

Топливо

кДж/ кг кДж/ 100 м3

Температура, оС 200

400

600

800

м3/кг м3/кг 1000

1200

м3/м3 м3/м3 Vво Vго

Уголь Кузнецкий, Г Кузнецкий,Т Донецкий, Т Донецкий, Г Фрезерный торф

Н ог Н ов Н ог Н ов Н ог Н ов Н ог Н ов Н ог Н ов

1026 2077 4279 909 1830 3718

6590 9072 5698 7758

11569 14139 9860 10949

6,88

7,42

1001 2026 4174 904 1817 3701

6431 8809 5669 7721

11288 13796 9810 10895

6,83

7,22

938 850

1905 3919 1712 3484

6038 8269 5338 7273

10593 12946 9236 11284

6,13

6,79

871 770

1763 3626 1553 3160

5590 7654 4836 6586

9810 8370

11992 10225

5,83

6,28

465 314

946 632

3002 4116 1972 2692

5288 3421

6477 4179

2,38

3,30

1947 1290

Мазут Малосернистый

Н ог

Сернистый

Н ог

10,62 11,48

1587 3207 6586 1407 2830 5757

10137 13880 17786 21743 8818 12012 15262 18640

Н ов

1558 3149 6469 1382 2780 5657

9961 8671

13637 17472 213581 10,45 11,28 11811 15006 18331

Высокосерни- Н ог стый Н ов

1516 3069 6306 1348 2717 5527

9710 8470

13294 17033 20822 11535 14654 17904

Н ов

10,20 10,99

Газ Саратовский

Н ог Н ов

Серпуховский Н ог Н ов

1478 2985 6117 1260 2537 5158

9404 12875 16497 20173 7901 10765 13675 16706

9,52

1545 3119 6393 1323 2663 5418

9831 13453 17242 21086 8303 11309 14363 17548

10,00 11,22

41

10,73

П.3. Потери теплоты от наружного охлаждения

1 - котел с хвостовыми поверхностями; 2 - собственно котел (без хвостовых поверхностей)

42

П.4. Энтальпия насыщенного и перегретого пара (кДж/кг)

t, оС

Р=9,2 МПа

Р=9,6 МПа

Р=13,5 МПа

Р=14,5 МПа

2738,8

2707,6

2632,3

3443 3470 3496 3522

3438 3464 3491 3517

3427 3454 3481 3507

Р=10 МПа Р=13 МПа tнас

310 320 340 490 500 510 520 540 550 560 570

2770,1

2745,0 2782,0

3359 3384 3409 3434

3353 3379 3404 3430

tпп 3348 3374 3400 3425

П.5. Энтальпия воды (кДж/кг)

t, оС 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270

Р=9,6 МПа 637,8 680,8 724,0 767,6 811,4 855,8 900,5 945,8 991,8 1038,4

Р=10 МПа Р=11 МПа Р=14 МПа Р=15 МПа Р=16 МПа 638,1 681,0 724,2 767,8 811,6 855,9 900,7 946,0 991,8 1038,4

638,7 681.6 724,8 768,3 812,1 856,4 901,1 946,3 992,1 1038,6

640,6 683,4 726,5 769.9 813,6 857,7 902,2 947,2 992,8 1039,1 1086,1 1134,1 1183,1

tнас 300 310 320

1344,2 1402,6

1400,9 1523,5

43

641,3 684,0 727,1 707,4 814,1 858,1 902,6 947,6 993,1 1039,3 1086,2 1134,0 1182,9

641,9 684,6 727,7 771,0 814,6 858,6 903,0 947,9 993,4 1039,5 1086,3 1134,0 1182,8

П.6. Расчетные присосы холодного воздуха

Газоходы

Величина присоса

Топочные камеры камерные с твердым шлакоудалением при пылеугольных и наличии обмуровки и обшивки газомазутных котлов то же, без обшивки камерные с жидким шлакоудалением и газомазутные с металлической обшивкой то же, без обшивки Газоходы Фестон, ширмовый перегреватель Первичный перегреватель Экономайзеры для каждой ступени Воздухоподогреватели трубчатые для каждой ступени; регенеративные

44

0,07 0,1 0,05 0,08 0,00 0,03 0,02 0,20

П.7. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией

а) при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков.

45

Продолжение П.7.

Скорость газов (воздуха) ω, м/сек б) при продольном омывании для воздуха и дымовых газов 46

П.8. Коэффициент теплоотдачи конвекцией для регенеративных воздухоподогревателей

47

СОДЕРЖАНИЕ

Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Работа 1. Конструкции паровых котлов большой мощности. . . . . . . . . . . . . Работа 2. Расчет теплового баланса и расхода топлива действующего парового котла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Работа 3. Исследование работы пароперегревателя парового котла. . . . . . . Работа 4. Исследование работы экономайзерных поверхностей нагрева парового котла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Работа 5. Исследование работы воздухоподогревателя с оценкой вероятности возникновения точки росы сернистых паров на газовой стороне холодного пакета. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Приложения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4 5 14 20 27 32 40

Редактор И.Н. Садчикова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.1997г. Санитарно – эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 2003 г.

Подписано в печать Б.кн.-журн.

П.л. 3,5

Формат 60x84 1/16 Б.л 1,75

Тираж 250

РТП РИО СЗТУ Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов России 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5 48