Сетевая вода из обратного трубопровода сетевым насосом подается в котел, где нагревается до 150 єС и подается в тепловую сеть. Температура воды на входе в котел должна быть выше точки росы дымовых газов, чтобы не было конденсации водяного пара в конвективных пучках котла. Значение температуры воды на входе в котел зависит от вида сжигаемого топлива и содержания в нем серы. При сжигании природного газа подаваемую воду нагревают до 70 єС с помощью рециркуляционной перемычки, по которой вода из подающего трубопровода подмешивается в подаваемую. Регулировка температуры сетевой воды при изменении температуры наружного воздуха осуществляется так называемым центральным качественным регулированием, которое заключается в регулировании отпуска теплоты путём изменения температуры теплоносителя на входе в прибор, при сохранении постоянным количество теплоносителя подаваемого в регулирующую установку.

Для восполнения потерь теплоносителя в котел подается предварительно нагретая и прошедшая хиводоочистку и вакуумный деаэратор водопроводная вода.

В общем случае основной целью расчета тепловой схемы являются:

1. Определение общих тепловых нагрузок, состоящих из внешних нагрузок и расхода пара на собственные нужны и потерь.

2. Определение всех тепловых и массовых потоков необходимых для выбора оборудования.

3. Определение исходных данных для дальнейших технико-экономических расчетов (годовых выработок тепла, топлива, и т.д.)

Расчёт тепловой схемы позволяет определить суммарную производительность котельной установки при нескольких режимах её работы. Расчёт производителя для 4-х характерных режимов с соответствующей температурой наружного воздуха для характерных режимов определяется по СНиП 23-01-99 "Строительная климатология":

1. Температура наружного воздуха при максимально-зимнем режиме (-30єС)

2. Средняя температура воздуха наиболее холодного месяца (-17єС)

3. Средняя температура воздуха за отопительный период (-4,5єС)

4. Средняя летняя температура воздуха (8єС)

Таблица 2 Максимальные тепловые нагрузки котельной установки.

Исходя из данных тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение для всех характерных режимов определяются по примеру максимально-зимнего периода:

1. Тепловая нагрузка на отопление и вентиляцию:

где - расчетная тепловая нагрузка на отопление и вентиляцию 28 МВт = 24,08 Гкал/ч

- расчетная температура внутри отапливаемых помещений принимается +18єС

- температура наружного воздуха при данном режиме, єС

- температура наружного воздуха при максимально зимнем режиме, єС

2. Общая тепловая мощность котельной установки без учета потерь и расхода на собственные нужды.

где - расчетная тепловая нагрузка на горячее водоснабжение 6,5 МВт = 5,59 Гкал/ч

3. Коэффициент снижения расхода теплоты на отопление и вентиляцию:

4. Текущая температура сетевой воды в подающем трубопроводе:

5. Текущая температура сетевой воды в обратном трубопроводе:

6. Расход сетевой воды на отопление и вентиляцию:

где , - температура сетевой воды в прямом и обратном трубопроводах, єС

=4,19 кДж/кг•єС=4,19•0,239 ккал/кг•єС=0,001 Гкал/т•єС

теплоемкость воды.

7. Расход сетевой воды на горячее водоснабжение:

8. Общий расход воды внешними потребителями в подающей магистрали тепловой сети:

9. Расход воды на подпитку и потери в тепловой сети:

10. Расход теплоты на собственные нужны котельной:

11. Общая тепловая мощность котельной установки с учетом затрат теплоты на собственные нужды.

12. Расход воды через котловой агрегат (принимая при максимально-зимнем режиме с нулевым расходом воды на рециркуляцию и подмес в подающий трубопровод):

13. Температура воды на выходе из котельного агрегата:

где - температура воды на входе в котельный агрегат

14. Расход воды на собственные нужны котельной при

15. Расход воды на линии рециркуляции при

16. Расход воды по перемычке:

17. Расход исходной воды:

18. Расход греющей воды на теплообменник химически очищенной воды:

где - температура воды, прошедшей первый теплообменник, химводоочистку, второй теплообменник и готовой к поступлению в вакуумный деаэратор.

температура воды, прошедшей первый теплообменник и готовой к химводоочистке.

,

19. Температура греющей воды после теплообменника исходной воды:

где ; ;

20. Расход выпара из деаэратора:

21. Расход греющей воды на деэрацию:

где

22. Расчетный расход воды на собственные нужны:

23. Расчетный расход воды через котельный агрегат:

24. Относительная погрешность расчета:

При считается, что учебный расчет выполнен с необходимым приближением и не требует пересчета. Расчет тепловой схемы для всех режимов сведен в таблицу 3.

Таблица 3 Расчет тепловой схемы водогрейного котельного агрегата КВ-ГМ-11,63-150

Выбор числа устанавливаемых котлов.

В соответствии со СНиП 11-35-76 "Котельные установки" расчётная мощность котельной определяется суммой мощностей, требующихся потребителям отопление, вентиляцию и горячие водоснабжение при максимально-зимнем режиме.

При определении мощности котельной должны также учитываться мощности, расходуемые на собственные нужды котельной и покрытия потерь в котельной и тепловых сетях:

Принимаю к установке в котельной 3 котла. Согласно резервные котлы разрешается не устанавливать, т.к. теплота отпускаемая потребителям второй категории (жилых домой и объектов социальной сферы) при выходе из строя одного котла не нормируется. котел тепловой водоснабжение

Производительность одного котла в максимально-зимний период в таком случае будет равна:

Для проверки надежности теплоснабжения рассчитываю тепловую нагрузку котельной при средней температуре наиболее холодного месяца при выходе из строя одного из котлов:

Для обеспечения требуемой теплопроизводительности принимаю к установке три котла типа КВ-ГМ-11,63-150.

При летнем режиме для обеспечения горячего водоснабжения потребителей достаточно одного котла, при этом ещё один котёл должен находиться в резерве на случай выхода из строя работающего котла.

2. Подбор и размещение основного и вспомогательного оборудования

После расчета тепловой схемы котельной и выбора количества котлов производится выбор различных подогревателей, насосов и другого вспомогательного оборудования.

Выбор водяных теплообменников

Принимаю к установке для подогрева сырой и химически очищенной воды пластинчатые теплообменники поверхностного типа. В качестве теплоносителей в этих теплообменниках используется горячая вода.

Подбираются теплообменники по теплопроизводительности и по площади нагрева. Поверхности нагрева серийно изготавливаемых теплообменников должны быть несколько больше требуемых по расчету, т.е. выбор поверхностей нагрева всегда производиться с некоторым запасом.

Теплопроизводительность теплообменника, т.е. количество передаваемой теплоты, определяется из уравнения теплового баланса:

Где 4,19 кДж/кг*°С - теплоемкость воды

расход греющей и нагреваемой воды, кг/с.

Площадь поверхности нагрева теплообменника определяется по формуле:

Где Q - количество передаваемой теплоты, кВт

K - коэффициент теплопередачи, принимаю для ориентировочного 2

коэффициент, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения, принимаю равным 0,98

среднелогарифмический температурный напор:

Выбор теплообменника сырой воды

Принимаю к установке в качестве теплообменного аппарата сырой воды разборный пластинчатый теплообменник типа НН№14-О/С 10/2, производства ЗАО "Ридан". На случай выхода его из строя для ремонта или замены предусматриваю байпас.

Таблица 4 Технические характеристики теплообменника НН№14-О/С 10/2

Выбор охладителя деаэрированной воды

Принимаю к установке в качестве охладителя деаэрированной воды разборный пластинчатый теплообменник типа НН№21-О/С 10/1, производства ЗАО "Ридан". На случай выхода его из строя для ремонта или замены предусматриваю байпас.

Таблица 5 Технические характеристики теплообменника НН№21-О/С 10/1

Выбор теплообменника химически очищенной воды

Принимаю к установке в качестве теплообменного аппарата сырой воды разборный пластинчатый теплообменник типа НН№22-О/С 16/2, производства ЗАО "Ридан". На случай выхода его из строя для ремонта или замены предусматриваю байпас.

Таблица 6 Технические характеристики теплообменника НН№22-О/С 16/2

Выбор бака деаэрированной воды Для создания резерва питательной воды котлов и подпиточной воды тепловых сетей устанавливаются баки деаэрированной воды. Емкость бака деаэрированной подпиточной воды выбирается для закрытых систем теплоснабжения из расчета 20-минутной производительности деаэратора. Таким образом, при выборе вакуумного деаэратора ДВ-15 с производительностью 15 т/ч принимаю емкость бака деаэрированной подпиточной воды .

Выбор бака рабочей воды

Бак рабочей воды, идущий комплектом к вакуумного деаэратору, имеет объем 4 . Принимаю к установке в котельной стандартный.

Выбор промежуточного бака

Объем промежуточного бака (вакуумного коллектора), необходимого для устойчивой работы промежуточного насоса между вакуумным деаэратором и баком деаэрированной воды, принимаю также равным 4 .

Выбор насосов

Насосные агрегаты выбираются исходя из расчетных характеристик, в частности производительности, с существенным запасом 10%. Таким образом, насосы функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. При минимальном расходе насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий), при этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии.

Для управления частотой вращения ротора асинхронного электродвигателя насосного агрегата применяю в котельной подключение двигателей насосов через частотные преобразователи. Эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно менять скорость вращения двигателя и, следовательно, изменять производительность насосного агрегата.

Для автоматизации процесса регулирования за насосом устанавливается специальный датчик давления, от которого информация о давлении в трубопроводе поступает в блок частотного преобразователя, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.

Основной эффект от применения частотного регулирования достигается за счет снижения нагрузки на двигатель при его плавном без повышенных пусковых токов и механических ударов разгоне, экономии электроэнергии по сравнению с альтернативными методами регулирования дросселированием с помощью гидромуфт и других механических регулирующих устройств, отказа от дросселирования, что упрощает управляемую механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы. Применение обратной связи системы с частотным преобразователем обеспечивает качественное поддержание скорости двигателя или регулируемого технологического параметра при переменных нагрузках и других возмущающих воздействиях.

Выбор сетевого насоса

Сетевые насосы водогрейной котельной являются ответственными элементами ее тепловой схемы. Сетевые насосы выбираются по расходу сетевой воды, проходящей через котельный агрегат с 10%-ным запасом. Количество устанавливаемых насосов и их единичная производительность определяется, исходя из условий обеспечения наиболее экономичной их работы в течении года. Для достижения необходимой надежности снабжения водой котлов должно приниматься не менее двух сетевых насосов. Суммарная производительность сетевых насосов в котельной должна быть такой, чтобы при выходе из любого насоса оставшиеся обеспечивали подачу максимального расчетного расхода сетевой воды.

Определив по расчету (п.26 Таблицы 3) максимальное значение = 381,18 т/ч на 3 котла, выбираю по производительности 1,1* 381,18 т/ч = 419,3 т/ч в качестве сетевых насосов четыре одноступенчатых центробежных насосов GRUNDFOS TP 100-260/4 (три рабочих, один резервный), производства концерна "GRUNDFOS". Это насос типа "ин-лайн". Противолежащие всасывающий и напорный патрубки позволяют выполнить монтаж на трубе или на бетонном фундаменте. Необслуживаемое торцевое уплотнение из коррозионно-стойкого материала. 3-фазный асинхронный электродвигатель.

Таблица 7 Технические характеристики насоса GRUNDFOS TP 100-260/4

3.1 Энтальпия продуктов сгорания

Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м ³ топлива:

, м ³/м ³

Теоретический объем азота в продуктах сгорания:

= нм ³/нм ³

Теоретический объем трехатомных газов в дымовых газах:

, м ³/м ³

Теоретический объем водяных паров в дымовых газах:

м ³/м ³;

где - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м ³ сухого газа и принимаемое равным 10 г/м ³.

Теоретический объем дымовых газов

= нм ³/кг

Коэффициент избытка воздуха на выходе из котельного пучка:

= 1,1 + 0,05 = 1,15

Коэффициент избытка воздуха на выходе из экономайзера:

= 1,15 + 0,1 = 1,25

Средний коэффициент избытка воздуха в котельном пучке:

= 0,5(1,1 + 1,15) = 1,125

Средний коэффициент избытка воздуха в экономайзере:

= 0,5(1,15 + 1,25) = 1,2

При избытке воздуха в газоходах котлоагрегата 1, объемы продуктов сгорания подсчитывается по следующим формулам:

Объем водяных паров:

, нм ³/кг(нм ³)

нм ³/кг(нм ³)

Объем дымовых газов:

, нм ³/кг(нм ³)

нм ³/кг(нм ³)

Объемная доля сухих трехатомных газов в продуктах сгорания:

=

Объемная доля водяных паров в продуктах сгорания:

=

Cуммарная доля сухих трехатомных газов и водяных паров в продуктах сгорания:

= 0,090 + 0,179 = 0,269

Результаты для топки, котельного пучка и экономайзера сведены в таблицу 12.

Таблица 12 Топливная характеристика по участкам

Выбор коэффициента избытка воздуха.

Состав природного газа по объему месторождения:

Метан

Этан

Пропан

Бутан

Пентан

Азот

Двуокись углерода

Относительная плотность по воздуху (при 20 єС) 0,673

Низшая теплота сгорания газа:

Действительное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 топлива, должно быть несколько большим теоретического, так как при практическом сжигании топлива не все количество теоретически необходимого воздуха используется для горения топлива; часть его не участвует в реакции горения в результате недостаточного перемешивания воздуха с топливом, а также из-за того, что воздух не успевает вступить в соприкосновение с углеродом топлива и уходит в газоходы котла в свободном состоянии. Поэтому отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку, к теоретически необходимому, называют коэффициентом избытка воздуха в топке:

Где действительный объем воздуха, доданного в топку на 1 топлива.

Действительное количество воздуха, поступающего в топку, отличается от теоретически необходимого в раз по причине присосов воздуха по ходу воздухопровода. Коэффициент избытка воздуха в общем случае зависит от вида сжигаемого топлива, его состава, типа горелок, способа подачи воздуха, конструкции топочного устройства и т.д. Для сжигания природного газа обычно принимают бт. = 1,05... 1,15.

Наличие присосов воздуха приводит к тому, что объем продуктов сгорания будет отличаться от теоретического, поэтому необходимо рассчитать действительные объемы газов и объемные доли газов. Так как присосы воздуха не содержат трехатомных газов, то объем этих газов о не зависит от коэффициента избытка воздуха и во всех газоходах остается постоянным и равным теоретическому.

Энтальпия теоретического объема продуктов сгорания:

Энтальпия теоретического объема воздуха:

Энтальпия продуктов сгорания:

Где энтальпия золы, при сжигании природного газа она не учитвается

коэффициент избытка воздуха в уходящих газах

Энтальпия продуктов сгорания

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания 1 кг твердого, жидкого или 1 газообразного топлива определяется по сумме энтальпий газообразных продуктов сгорания, входящих в состав дымовых газов.

Энтальпия воздуха, кДж/:

Энтальпия дымовых газов, кДж/:

Таблица 13 Зависимость энтальпии дымовых газов от температуры по газоходам

Рисунок 1 - График зависимости энтальпии дымовых газов от температуры по газоходам.

Тепловой баланс котельного агрегата, КПД теплогенератора.

Составление теплового баланса состоит в установлении равенства между располагаемым теплом , поступившим в агрегат, и суммой полезно использованного тепла и потерь.

Располагаемое тепло топлива (в нашем случае):

=

Температура уходящих газов: = 135 ⁰С

Энтальпия уходящих газов (из уходящих газов)

=2666,5 кДж/кг (м ³)

Энтальпия холодного воздуха при

= 356,83 кДж/кг (м ³)

Потери тепла с уходящими газами

= = 5,4 %

Потери тепла от химического недожога = 0,5, %

Потери тепла в окружающую среду для теплогенератора с хвостовой поверхностью нагрева заданной паропроизводительности принимаем:

= 1,8 %

Сумма тепловых потерь

= 5,4+ 0,5 + 1,8 = 7,7 %

При сжигании газа и равно нулю

КПД теплогенератора

= 100 - 7,7 = 92,3 %

Температура воды на выходе из котла =150 ⁰С

Энтальпия воды на выходе из котла = 631,8 кДж/кг

Температура воды на входе в котел =70 ⁰С

Энтальпия воды на входе в котел =292 кДж/кг

Расход воды через котел = 381,18 т/ч = 105,9 кг/с

Полезно использованная теплота, кВт:

кВт

Полный расход топлива, м ³/с

м ³/с

Расчетный расход топлива

, м ³/с

Коэффициент сохранения тепла

3.2 Расчет топки

В топке происходит передача теплоты от продуктов сгорания, в основном излучением, к экранам и лучевоспринимающим поверхностям первого газохода. Целью поверочного расчета является определение теплового напряжения топки и температуры газов на выходе, которые должны лежать в рекомендуемых пределах.[10]

Объем топочной камеры, из технической документации на котел = 38,3м ³

Радиационная поверхность нагрева = 73,6 м ²

Поверхность стен топочной камеры =80,1 м ²

Коэффициент загрязнения экранов =0,6.

Коэффициент тепловой эффективности экранов:

= 73,6 • 0,6/80,1 = 0,55

Эффективная толщина излучающего слоя, м

= 3,6 • 38,3/80,1 = 1,72 м

Абсолютное давление газов в топке принимается равным МПа.

Температура газов на выходе из топки (принимается предварительно 950-1000⁰С) = 960 ⁰С

Объемная доля водяных паров для (таблица 2.2) = 0,179

Объемная доля трехатомных газов (таблица 2.2) = 0,269

Суммарная поглощательная способность трехатомных газов

= 0,269 • 0,1 • 1,72 = 0,046 1/(м. МПа)

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами,1/(м·МПа)

Коэффициент ослабления сажистыми частицами, 1/(м. МПа)

20,7

Степень черноты светящегося пламени

= 1 - exp [ - (2,156+20,7) • 0,1 • 1,72]

= 0,98

Степень черноты несветящегося факела

= 1 - exp (- 2,156 • 0,1 • 1,72) = 0,31

Степень черноты факела при сжигании жидкого и газообразного топлив

где =0,1 - доля объема факела, занимаемая светящейся частью.

Степень черноты топки при сжигании газообразного топлива

Тепло, вносимое холодным воздухом в топку, кДж/м ³

= 0,502 • 356,83 = 179,1

Тепловыделение в топке, кДж/м ³

Теоретическая (адиабатическая) температура горения по H - t диаграмме для = 1870 °C

Средняя теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м ³·К):

= 23,97

где , кДж/м ³ - энтальпия газов на выходе из топки (по диаграмме энтальпия-температура для ).

Относительное положение максимума температур =0,2

Параметр, учитывающий характер распределения максимальных температур пламени по высоте топки при сжигании газа и мазута

Температура газов на выходе из топки, 0С

= 1404 °С

Энтальпия газов на выходе из топки (по диаграмме энтальпия-температура для ): кДж/кг

Тепло, переданное излучением в топке, кДж/м ³:

= 0,98 • (41313,4-29500) = 11577,1 кДж/м ³

Теплонапряжение топочного объема, кВт/м ³:

= 0,946 • 11577,1/38,3 = 285,95 кВт/м ³

3.3 Расчет конвективного газохода