Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата

        Конвективные перегреватели 16 устанавливают в газоходах: в переходном горизонтальном или в начале (по ходу газов) конвективной шахты.

       В основной пароводяной тракт котла, схема которого показана на рис. 1, входят экономайзер 18, отводящие трубы, барабан 14, опускные трубы 10 и нижний распределительный коллектор 6, экраны, потолочный перегреватель, первая и вторая ступени конвективного перегревателя 16. Промежуточный перегреватель 17 является элементом пароводяного тракта промежуточного перегрева пара.

        Топливный тракт котла представляет собой совокупность оборудования для подачи топлива к горелкам 8 и подготовки его к сжиганию. Он включает конвейер 1, бункер 2, питатели 3 сырого топлива и пыли, топливные течки и пылепроводы. Питатели сырого топлива — устройства для дозирования и подачи топлива из бункера в мельницу 4, предназначенную для получения угольной пыли требуемого качества. В мельницу одновременно с топливом для его сушки подается сушильный агент, в данном случае воздух (по коробу 5).

      Для сжигания топлива используется воздух. В воздушный тракт котельной установки входят заборный воздуховод, дутьевой вентилятор 20, воздухоподогреватель 19, короба 5 и 7 первичного и вторичного воздуха. Воздушный тракт (кроме заборного воздуховода) находится под избыточным давлением, развиваемым дутье: вым вентилятором. Подогретый в воздухоподогревателе 19 воздух используется для сушки топлива, что позволяет повысить интенсивность и экономичность его горения.

        Продукты сгорания проходят последовательно все поверхности нагрева и после очистки от золы в золоуловителях 21 выводятся через дымовую трубу 23, в атмосферу. В последнем случае в газовом тракте после золоуловителей установлен дымосос 22.

        Шлакоудаляющие устройства 25, золоуловители 21 и каналы 24 входят в тракт золошлакоудаления.

        Элементами котла являются обмуровка и каркас. Обмуровка 12 — система огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций, предназначенная для уменьшения тепловых потерь и обеспечения плотности. Каркас 13—несущая металлическая конструкция, воспринимающая|. нагрузку от массы котла с находящимся в нем рабочим телом и все другие возможные нагрузки и обеспечивающая требуемое взаимное расположение элементов котла.

       В котле с уравновешенной тягой давление в топке и начале газохода (поверхность нагрева 15) поддерживается близким к атмосферному совместной работой дутьевого вентилятора и дымососа. В настоящее время стремятся все выпускаемые котлы, в том числе и с уравновешенной тягой, изготовлять газоплотными.

 

 

 

      3 Выбор и расчет котельного агрегата

       Исходные данные: 

 – паропроизводительность;

 – давление перегретого  пара;

 – давление пара в котле-утилизаторе; 

 – температура перегретого  пара;

 – температура питательной  воды;

 – температура уходящих  газов;

;

Δα = 0,30 – присос воздуха;

Вид топлива – западно-сибирский  природный газ.

       3.1 Выбор котельного агрегата

В соответствии с исходными  данными выбираем двухбарабанный паровой котел типа Е-50-4,0ГМ паропроизводительностью 50 т/ч.

        3.2 Для обеспечения полного горения топлива практически в котельный агрегат подается воздух с избытком по сравнению с теоретическим. Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха за установкой

           

                                                   

,                                                      (1)

       где - коэффициент избытка воздуха;

             - присос воздуха.

                                               α_ух = 1,05 + 0,30 = 1,35.                                      

 

         3.2.2 Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1м³ газообразного топлива

 

                  ;            (2)

        где , , , , - процентное содержание отдельных элементов данного топлива по объему;

              m, n – соответственно количество атомов углерода и водорода в молекуле.

 

       3.2.3 Объем 3-х атомных газов

 

                         V_RO2 = 0,01[CO + ∑ mC_mH_n + H₂S + CO₂];                                      (3)

 

       3.2.4 Теоретический объем азота

                                                                                                    (4)

 

                       

 

     

       3.2.5 Объем избытка воздуха

 

                                                       ;                                           (5)

 

                                       

 

       3.2.6 Объем водяных паров

 

                               ;                      (6)

 

          

 

 

        3.2.7 Объем количества продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 нм³  топлива

 

                                                 ;                                  (7)

 

                                  

 

       3.2.8 Плотность поточного газа при нормальных условиях

       

                        (8)

    

 

       3.2.9 Масса дымовых газов при сжигании газообразного топлива

 

                                                     ;                                       (9)

 

       

.

 

        3.2.10 Определяем теоретическую температуру сгорания, для чего вычисляем энтальпию продуктов сгорания при произвольных температурах (1400⁰ и 2000⁰) по формуле

 

                        ;     (10)

 

        где - средние объемные изобарные теплоемкости компонентов уходящих газов определяются по [5]

 

       -  при t = 1400⁰ C :

 

 

       -  при t =2000⁰ C :

 

 

 

По полученным значениям  строим график зависимости энтальпии от температуры

 

        Рисунок  2 - График зависимости энтальпии от температуры

 

        Энтальпия продуктов сгорания  при теоретической температуре  определяется из уравнения теплового баланса топки:

                                                         ;                                       (11)

        где h_m=0

                                                      ;                                      (12)

 

      

кДж/м³.

   

        

=36774,49 кДж/м³.

        Зная по ht диаграмме определяем теоретическую температуру t =1595 ⁰С.

 

       3.2.11. Энтальпия уходящих газов

       3.2.11.1 С воздухоподогревателем

 

                     ;           (13)

 

                 

                          

       3.2.11.2 Без воздухоподогревателя

 

                           ;         (14)

 

             

 

                                     ;                                         (15)

 

.

 

     3.3 Тепловой баланс котельного агрегата 

 

                                                       Q_н ^р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅                                       (16)

или в % 

                                                     100 % = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅+ q₆  ,                                 (17)

 

        где  – полезно использованная теплота;

 – потери с уходящими  газами;

 – потери теплоты от  химической неполноты сгорания, принимаем ;

 – потери теплоты от  механической неполноты сгорания, принимаем равными нулю;

 – потери теплоты от  наружного охлаждения, для паропроизводительности , принимаем ;

 – потери с физическим  теплом шлака, принимаем равными  нулю.

 

 

        3.3.1 Потеря теплоты с уходящими газами

        3.3.1.1 С воздухоподогревателями

 

                                                          ;                                  (18)

        где h₀ =0 .

                                               

 

 

        3.3.1.2 Без воздухоподогревателя

 

                                                        ;                                  (19)

.

        3.4 КПД брутто котельного агрегата

        3.4.1 С воздухоподогревателем

 

                                                 η_к.а,= q₁ = 100 – ( q₂ + q₃ + q₄ + q₅+ q₆);                   (20)

        где q₃=1%.

           η_к.а,= q₁ = 100 – (10,33 + 1 + 0 + 1,4 + 0)=87,27%.

 

      3.4.2 Без воздухоподогревателя

 

                                        η ^I_к.а,= q^I₁ = 100 – ( q^I₂ + q^I₃ + q^I₄ + q^I₅+ q₆);            

                                    η ^I_к.а,= q^I₁ = 100 – (17,46 + 1+ 0 + 1,4+ 0)=80,14%.

 

     3.5 Часовой расход натурального тепла

     3.5.1 С воздухоподогревателем

 

                                           ;                       (21)

 

       где   D – производительность котельного агрегата, кг/ч; D=45 т/ч;

                 – энтальпия перегретого пара, при и ; h_ПП = 3127,50   кДж/кг;

              – энтальпия воды в котельном агрегате, принимаем равной энтальпии питательной воды при температуре насыщения и ; h^I = 1491  кДж/кг; 

                 – энтальпия питательной воды при и ;  h_ПВ  = 344,6 кДж/кг.

 

            

м³/ч.

 

       3.5.2 Без воздухоподогревателя

 

                                          ;                       (22)

 

м³/ч.

 

 

 

        Рисунок 3 – Тепловой баланс котельного агрегата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          4 Упрощенный эксергетический баланс котельного агрегата

          4.1 Эксергия топлива может быть принята равной теплоте сгорание топлива

 

                                                              

                                                 (23)

                                                        кДж/м³ .                    

 

       4.2 Эксергия тепла продуктов сгорания

      

                                                       ;                                           (24)

 

                   

кДж/м³ .                    

 

        4.3 Потери при адиабатном горении

                                                     ;                                            (25)

 

                                  кДж/м³ .                

   

или в %                                    ;                                        (26)

 

                                       %.

 

       4.4 Уменьшение эксергии продуктов сгорания за счет теплообмена в нагревательной - испарительной части

 

                      ;                         (27) 

 

 

 

       4.5 Приращение эксергии в процессе превращения воды в перегретый пар

 

                            ;                          (28)

       где , – удельная энтропия перегретого пара и питательной воды соответственно, определяется по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара, , .