Расчет пароперегревателей, водяных экономайзеров и воздухоподогревателей может быть конструктивным или поверочным. Конструктивный расчет выполняется при создании новых котлов в конструкторских бюро заводов-изготовителей.
При проектировании и эксплуатации котельных установок чаще всего приходится выполнять поверочный расчет пароперегревателей, водяных экономайзеров и воздухоподогревателей. Задачей расчета в этом случае является определение температуры продуктов сгорания после пароперегревателя и выявление возможности при имеющейся поверхности нагрева пароперегревателя получить необходимый перегрев пара. Если в результате расчета выявится, что существующая поверхность нагрева пароперегревателя не обеспечит необходимой температуры перегретого пара, то должны быть разработаны соответствующие мероприятия и внесены коррективы в чертежи поверхности нагрева пароперегревателя.
Последовательность расчета пароперегревателя зависит от расположения его в газовом тракте котла, от способа регулирования перегрева пара и схемы включения регулятора перегрева.
Для промышленных котлов, как правило, применяются конвективные пароперегреватели, расположенные после фестона или первого конвективного пучка труб поверхности нагрева, для получения пара с температурой до 450 °С. Парогенераторы низкого давления обычно вырабатывают пар с перегревом около 250 °С и не имеют регулятора перегрева. Котлы давлением 3,92 МПа вырабатывают пар с температурой около 450 °С и имеют поверхностные или впрыскивающие пароохладители, установленные врассечку. В соответствии с этим ниже рассматривается последовательность расчета пароперегревателей, показанных на рис. 8-16.
Расчет конвективного пароперегревателя, имеющего поверхностный или впрыскивающий пароохладитель, установленный врассечку, как показано на рис. 8-16, а, производится по частям. Сначала рассчитывается первая по ходу продуктов сгорания часть. Расчет следует производить в следующей последовательности:
1.По имеющимся чертежам определить поверхность нагрева первой части пароперегревателя, относительные поперечный и продольный шаги труб {s1/d, s2/d), характер расположения труб (шахматное или коридорное), живые сечения для прохода продуктов сгорания и пара.
2.Выбрать основные расчетные параметры: температуру продуктов сгорания на входе в пароперегреватель Ɵ', давление, температуру и энтальпию перегретого пара. Задаться тепловосприятием пароохладителя Дгпо = 60-1-85 кДж/кг.
3. Задаться двумя температурами продуктов сгорания Ɵ" после первой части пароперегревателя. В дальнейшем весь расчет пароперегревателей, водяных экономайзеров и воздухоподогревателей выполнить при этих двух температурах.
4. Для двух выбранных температур продуктов сгорания Ɵ" по уравнению (6-12) определить теплоту, отданную продуктами сгорания пару.
5. Вычислить энтальпию пара на выходе из пароохладителя, приравняв теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой паром (кДж/кг):
где ine - энтальпия перегретого пара, кДж/кг; Вр - расчетный расход топлива, кг/с; D - расход пара, кг/с; Qg теплота, отданная продуктами.
6. Из таблиц для перегретого пара по значениям энтальпии и давления найти температуру пара после пароохладителя.
7. Определить температурный напор. При последовательно-смешанном токе (рис. 8-16,6 и первая часть пароперегревателя, показанного на рис. 8-16, г) температурный напор (°С) определяется по уравнению
где ∆tрт - температурный напор при противотоке, определяется по уравнению (6-9); ф-коэффициент пересчета от противоточной схемы к последовательно-смешанной, определяется по номограмме, приведенной на рис. 8-17.
При прямотоке температурный напор определяется по уравнению (6-9).
Для пользования номограммой, показанной на рис. 8-17, вычисляются безразмерные определяющие параметры:
где НпРМ - площадь поверхности нагрева, в которой осущест-вляется прямоток, м2; Н - площадь полной поверхности нагрева рассчитываемой части пароперегревателя, м2; ft' и ft" - температура продуктов сгорания на входе и на выходе рассчитываемой части поверхности нагрева, °С; V и t" - температура пара на входе и на выходе рассчитываемой части поверхности нагрева пароперегревателя, °С.
8. Подсчитать среднюю скорость газов (продуктов сгорания) в газоходе пароперегревателя (м/с)
9. Определить коэффициент теплоотдачи конвекцией. При поперечном омывании коридорных и шахматных пучков труб коэффициент теплоотдачи определяется по формуле (6-20).
10. Вычислить расчетную скорость пара в змеевиках пароперегревателя (м/с)
где D - расход пара, кг/с; оср - средний удельный объем пара, м3/кг (определяется из таблиц водяных паров при среднеарифметических давлении и температуре пара рассчитываемой части пароперегревателя); f - площадь живого сечения для прохода пара, м2.
11.Подсчитать коэффициент теплоотдачи от стенки к пару, Вт/(м2*К),
где ап - коэффициент теплотдачи, определяемый из номограммы, показанной на рис. 8-18, по средним значениям скорости, давления и температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя; Cd - поправочный коэффициент, определяемый по кривой, показанной на рис. 8-18.
12. Найти степень черноты газового потока в соответствии с указаниями п. 8 § 6-9 (рекомендуемый порядок расчета конвективных поверхностей нагрева).
13. Вычислить температуру стенки труб пароперегревателя, принимаемую при сжигании твердого и жидкого топлива равной температуре наружного слоя золовых отложений на трубах (°С)
где t - среднеарифметическое значение температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя, °С; е - коэффициент загрязнения, м2*К/Вт (для пароперегревателей с коридорным и шахматным расположением труб при сжигании жидких топлив принимается е=0,00257; для пароперегревателей с коридорным расположением труб при сжигании твердых топлив е = 0,0043).
При сжигании газообразного топлива температура загрязненной стенки труб пароперегревателя (°С)
где t - среднеарифметическое значение температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя.
14. Определить коэффициент теплоотдачи излучением Вт/(м2*К). Для запыленного потока (при сжигании твердых топлив)
Для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлив)
где осц - коэффициент теплоотдачи излучением, определяется из номограммы, показанной на рис. 6-13; сг - поправка, вводимая при отсутствии золовых частиц в продуктах сгорания (см. рис. 6-13); а - степень черноты продуктов сгорания.
15. Подсчитать коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке труб пароперегревателя, Вт/(м2*К),
где l - коэффициент использования (для поперечно омываемых пучков труб конвективных пароперегревателей принимается 1=1); ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева, определяется по п. 7 § 6-9.
16. Определить коэффициент теплопередачи. Для шахматных и коридорных пучков труб при сжигании газа и мазута, а также коридорных пучков при сжигании твердого топлива, Вт/(м2*К),
где ф - коэффициент тепловой эффективности, при коридорном расположении труб и сжигании твердых топлив определяется из табл. 6-5; при сжигании газа принимается ф = 0,85, при сжигании мазута с а>1,03 значение ф определяется из табл. 6-6.
17.Вычислить количество теплоты,воспринятое пароперегревателем (кДж/кг или кДж/м3),
18. По принятым двум значениям температуры и полученным значениям Qg и QT производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после пароперегревателя. Метод графической интерполяции подробно описан в § 6-9 (п. 13, рис. 6-14).
19. По найденной температуре Ɵр" и уравнению (6-12) определить Qб, а из уравнения (8-5) - энтальпию пара на выходе из пароохладителя. На этом расчет первой части пароперегревателя заканчивается.
Расчет второй по ходу продуктов сгорания части пароперегревателя, имеющего пароохладитель, включенный врассечку, и расчет пароперегревателей, водяных экономайзеров и воздухоподогревателей без пароохладителей (см. рис. 8-16, а-в) производится в следующей последовательности.
1. По чертежам определить поверхность нагрева всего пароперегревателя или рассчитываемой второй части, относительные шаги труб s1/d и s2/d, характер расположения труб, площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания и пара.
2. Выбрать основные расчетные параметры: температуру продуктов сгорания перед пароперегревателем или перед его частью, определенную предыдущим расчетом, давление, температуру и энтальпию перегретого пара после второй части пароперегревателя (энтальпия пара после второй части пароперегревателя)
3. Из таблиц для перегретого пара по величине ino' и давлению пара найти температуру его после второй части пароперегревателя.
4. Определить тепловосприятие пароперегревателя, кДж/кг или кДж/м3:
при расчете пароперегревателя без пароохладителя
при расчете второй части пароперегревателя с поверхностным пароохладителем
при расчете второй части пароперегревателя с впрыскивающим пароохладителем
где ino - энтальпия перегретого пара, кДж/кг; ino' - энтальпия пара после второй части пароперегревателя, кДж/кг; D - расход перегретого пара, кг/с; Вр - расход топлива, кг/с; ∆D - расход охлаждающей воды на впрыскивающий пароохладитель, кг/с.
Расход воды на впрыскивающий пароохладитель (кг/с)
где i'пе - энтальпия воды, подаваемой в пароохладитель (при впрыскивании собственного конденсата парогенератора определяется по таблицам водяных паров для давления в конденсаторе).
5.Из уравнения теплового баланса определить энтальпию продуктов сгорания после всего пароперегревателя или его второй части (кДж/кг или кДж/м3)
где I' - энтальпия продуктов сгорания перед пароперегревателем, определяется из табл. 3-7 по их температуре и коэффициенту избытка воздуха перед пароперегревателем; ∆а - присос воздуха в пароперегреватель (из табл. 3-5); ф - коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (4-37); Iов - энтальпия теоретического количества воздуха, определяется из табл. 3-7 при = 30 °С; Qne - тепловосприятие пароперегревателя или его части.
По величине Iпп" из табл. 3-7 при коэффициенте избытка воздуха после пароперегревателя определить температуру продуктов сгорания после пароперегревателя.
7.При расчете второй части пароперегревателя коэффициент теплопередачи принимать равным коэффициенту теплопередачи, рассчитанному для первой части. В остальных случаях расчет коэффициента теплопередачи выполнять в последовательности, описанной при расчете первой части пароперегревателя (пп. 8-16).
8.В зависимости от схемы взаимного движения продуктов сгорания и пара определить температурный напор: при противотоке и прямотоке по уравнению (6-9), при последовательно смешанном токе по уравнению (8-6).
9. По уравнению теплопередачи определить теплоту, воспринятую пароперегревателем (кДж/кг или кДж/м3),
10. Произвести сравнение тепловосприятий пароперегревателя Qx и Qne (в процентах), определяемых по уравнениям (8-26), (8-21)-(8-23):
Если расхождение между QT и Qne составляет не более 2 % (при отсутствии пароохладителя - не более 3%), расчет пароперегревателя считать оконченным, так как существующая поверхность нагрева обеспечит необходимый перегрев пара.
В противном случае определить необходимую площадь поверхности нагрева всего пароперегревателя или его второй части (м2)
Уменьшение поверхности нагрева пароперегревателя или его второй части может быть достигнуто укорачиванием змеевиков, их торкретированием или удалением отдельных змеевиков путем их вырезки. Коридоры, образовавшиеся при вырезке змеевиков, должны быть заложены огнеупорным кирпичом, т. е. живое сечение и поперечный шаг S1 между змеевиками должны быть сохранены прежними. Увеличение поверхности нагрева пароперегревателя или его второй части может быть достигнуто путем удлинения его змеевиков.
В промышленных котлах, работающих при давлении пара до 2,16 МПа, чаще всего применяются чугунные экономайзеры, а при большом давлении - стальные. При этом в котлах горизонтальной ориентации производительностью до 20 т/ч, имеющих развитые конвективные поверхности, часто ограничиваются установкой только водяного экономайзера. В котлах производительностью более 20 т/ч вертикальной ориентации с пылеугольными топками после водяного экономайзера всегда устанавливается воздухоподогреватель. При сжигании высоковлажных топлив в пылеугольных топках применяется установка воздухоподогревателя врассечку с водяным экономайзером (см. рис. 8-10).
При установке только водяного экономайзера рекомендуется следующая последовательность его расчета:
1.По уравнению теплового баланса (6-12) определить количество теплоты (кДж/кг или кДж/м3), которое должны отдать продукты сгорания при принятой температуре уходящих газов,
где Iэк' - энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, определяется из табл. 3-7 по температуре продуктов сгорания, известной из расчета предыдущей поверхности нагрева, кДж/кг или кДж/м3; Iэк" - энтальпия уходящих газов, определяется из табл. 3-7 по принятой в начале расчета температуре уходящих газов, кДж/кг или кДж/м3; ф - коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (4-37); Даэк - присос воздуха в экономайзере, принимается из табл. 3-5; Iов - энтальпия теоретического количества воздуха, определяется из табл. 3-7 при tв = 30 °С.
2. Приравнивая теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере, определить энтальпию воды после водяного экономайзера (кДж/кг)
где Iэк' - энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг; D - паропроизводительность парогенератора, кг/с; Dпр - расход продувочной воды, кг/с.
По энтальпии воды после экономайзера из таблиц для воды и водяного пара по давлению воды определить ее температуру tэк". Если полученная температура воды окажется на 40 °С ниже температуры кипения в барабане парогенератора (при наличии автоматики, регулирующей температуру подогрева воды в экономайзере, эта разность может быть снижена до 20 °С), то для парогенераторов давлением до 2,16 МПа к установке принимают чугунный экономайзер. При несоблюдении указанных условий к установке следует принять стальной змеевиковый экономайзер.
3. В зависимости от направления движения воды и продуктов сгорания в экономайзере по уравнению (6-9) определить температурный напор.
4.Выбрать конструктивные характеристики принятого к установке экономайзера. Для чугунного и стального экономайзера выбирается число труб в ряду с таким расчетом, чтобы скорость продуктов сгорания была в пределах от 6 до 9 м/с при номинальной паропроизводительности парогенератора. Не рекомендуется устанавливать менее 3 и более 10 труб в ряду. Для стальных змеевиковых экономайзеров число параллельно включенных змеевиков должно быть выбрано таким, чтобы скорость воды в некипящей части экономайзера была не менее 0,3 м/с, а в кипящей - не менее 1 м/с. Принимать скорость воды более 1,5 м/с не рекомендуется.
5. Определить действительную скорость продуктов сгорания в экономайзере (м/с)
Где Вр - расчетный расход топлива, кг/с или м3/с; Vr - объем продуктов сгорания при среднем коэффициенте избытка воздуха определяется из табл. 3-6; ƟЭК - среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, DC; Fак – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2. Определить коэффициент теплопередачи. Для чугунных кайзеров коэффициент теплопередачи k = kнcѳ определяется с помощью номограммы, показанной на рис. 8-19. При сжигании мазута коэффициент теплопередачи, полученный по номограмме, снижается на 25%. Для стальных змеевиков водяных экономайзеров коэффициент теплопередачи определяется, как для конвективных пучков (подробно рассмотрено в § 6-9).
7. Определить площадь поверхности нагрева водяного экономайзера (м2)
8. По полученной площади поверхности нагрева экономайзера окончательно установить его конструктивные характеристики.
Для чугунного экономайзера определить общее число труб и число рядов по формулам:
где Нтр - площадь поверхности нагрева одной трубы, м2; a - принятое число труб в ряду.
Для стального экономайзера определить длину каждого змеевика, число петель и полную высоту пакетов экономайзера:
где tэм - длина змеевика, м; d - наружный диаметр труб экономайзера, м; z - полное число труб экономайзера, включенных параллельно; zпет - число петель; а' - длина пакета экономайзера, м; hэк - высота пакетов экономайзера, м; sпет=2s2 - шаг петли экономайзера, м; s2 - шаг между рядами труб по ходу газов.
9. Определить невязку теплового баланса, которая не должна превышать 0,5 % Qрн:
Невязка теплового баланса
где Qл, Qк, Qпе, Qэк - определенные при расчете количества теплоты, воспринятые лучевоспринимающими поверхностями нагрева, конвективными пучками, пароперегревателем и водяным экономайзером.
Для промышленных котлов в основном применяются трубчатые воздухоподогреватели, чаще всего устанавливаемые после водяного экономайзера. Расчет таких воздухоподогревателей производится в следующей последовательности:
1. При конструктивном расчете воздухоподогревателя выбрать диаметр труб, поперечный s1\d и продольный S2/d относительные шаги, площади поперечного сечения для прохода продуктов сгорания и воздуха, число ходов. При поверочном расчете существующего воздухоподогревателя перечисленные характеристики и его поверхность нагрева определяются из чертежей.
2. Определить минимальный температурный напор на горячем конце воздухоподогревателя (°С)
где Ɵвп’ - температура продуктов сгорания на входе в воздухоподогреватель, известна из расчета предыдущей поверхности нагрева; tг.в - температура горячего воздуха, принята при составлении теплового баланса парогенератора.
Если значение ∆tгор окажется меньшим 25-30 °С, то при конструктивном расчете это указывает на необходимость применения неоправданно большой поверхности нагрева, а при поверочном - на недостаточность имеющегося воздухоподогревателя для получения принятой температуры горячего воздуха. В обоих случаях необходимо снизить температуру горячего воздуха и произвести расчет парогенератора заново или применить двухступенчатую компоновку воздухоподогревателя.
3. Определить тепловосприятие воздуха в воздухоподогревателе. При предварительном подогреве воздуха в калорифере тепловосприятие (кДж/кг или кДж/м3)
где βг.в - отношение количества горячего воздуха к теоретически необходимому:
в двух последних формулах ∆αт, ∆αвп, ∆αпл - присосы воздуха в топку, воздухоподогреватель и систему пылеприготовления (определяются из табл. 3-5 и 5-9); I0вп, I0г.в - энтальпия теоретического количества воздуха па входе в воздухоподогреватель и на выходе из него, определяется из табл. 3-7 для соответствующих температур, принятых при составлении теплового баланса парогенератора.
4. Из уравнения теплового баланса (6-12) определить энтальпию продуктов сгорания после воздухоподогревателя (кДж/кг или кДж/м3)
Полученное значении сравнивается с предварительно принятой при составлении теплового баланса энтальпией уходящих газов. Если расхождение не превысит 0,5 % располагаемой теплоты топлива Qpр, то расчет выполнен правильно.
Рис. 8-21. Схемы перекрестного тока с разным числом перекрестов, указанных цифрами в соответствии с рис. 8-20
5. В зависимости от взаимного движения воздуха и продуктов сгорания определить температурный напор в воздухоподогревателе. При прямотоке и противотоке температурный напор определяется по уравнению (6-9), а при последовательно-смешанном и перекрестном токе - по уравнению (8-6). Поправочный коэффициент ф при последовательно-смешанном токе определяется по номограмме, показанной на рис. 8-17, а параметры А, Р и R, необходимые для пользования номограммой,- по формулам (8-7), (8-8), (8-9). Поправочный коэффициент ф для перекрестного тока определяется по номограмме, приведенной на рис. 8-20, в зависимости от числа перекрестов. Схемы перекрестного тока показаны на рис. 8-21.
Для пользования номограммой вычисляются безразмерные параметры:
где Ɵ’ и t' - температуры продуктов сгорания и воздуха на входе в поверхность нагрева, °С; Тб - изменение (перепад) температуры при прохождении поверхности нагрева той средой, у которой оно большее, °С; tм - изменение температуры второй среды (меньшее), °С.
6.Определить скорость продуктов сгорания в воздухоподогревателе (м/с)
7. Определить скорость воздуха в воздухоподогревателе (м/с)
где Vо - теоретическое количество воздуха, необходимое для горения, м3/кг или м3/м3; t - среднеарифметическое температур воздуха на входе и выходе воздухоподогревателя, С° F- площадь поперечного сечения для прохода воздуха, м2.
8. Определить коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к стенке в соответствии с указаниями, приведенными в § 6-9, п. 7.
9. Определить суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м2*К),
где αл - коэффициент теплоотдачи излучением, для трубчатых воздухоподогревателей первой ступени принимается ал = 0; ₤ - коэффициент использования поверхности нагрева; при сжигании АШ, фрезерного торфа, мазута и древесного топлива принимается равным 0,8, а для всех остальных топлив - 0,85.
10. Определить коэффициент теплоотдачи от стенки поверхности нагрева к воздуху, Вт/(м2*К). При поперечном омывании коридорных и шахматных пучков
где αн - коэффициент теплоотдачи по номограмме; при поперечном омывании коридорных пучков определяется из рис. 6-10, при поперечном омывании шахматных пучков - из рис. 6-11; cz, cs, cф - поправки, определяемые при поперечном омывании коридорных пучков из рис. 6-10, а при поперечном омывании шахматных пучков - из рис. 6-11.
Для определения перечисленных выше поправок необходимо вычислить:
среднюю температуру воздуха
относительные шаги Ϭ1=s1/d и Ϭ2=s2/d
11. Определить коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К):
12. При конструктивном расчете из уравнения теплопередачи определить площадь поверхности нагрева воздухоподогревателя (м2)
При поверочном расчете (поверхность нагрева воздухоподогревателя известна) из уравнения теплопередачи определяется
теплота, воспринятая воздухом,
По значению Qвн определяется энтальпия горячего воздуха после воздухоподогревателя (кДж/кг или кДж/м3)
По величине I°гв из табл. 3-7 определяется температура горячего воздуха после воздухоподогревателя tгв. Если температура горячего воздуха tг.в отличается от принятой при составлении теплового баланса (см. § 4-4) не более чем на ±40°С, то расчет считается оконченным. В противном случае расчет парогенератора следует повторить, задавшись новой температурой горячего воздуха, близкой к полученной.
