Поверочный тепловой расчет топки котла

Задачей поверочного расчета при переводе котла на новый тип (вид) топлива является определение температуры газов на выходе из топки, определяются условиями надежности работы топки и последующих поверхностей нагрева. При больших значениях (при работе на твердом топливе) возможно шлакование поверхностей нагрева (экран, фестон, конвективный пучок) из-за термической деформации зоны. При работе на жидком и газообразном топливе не должны превышать 1200 ^оС для мазута и 1250 ^оС для газа (по условиям надежности эксплуатации конвективных поверхностей нагрева). Нижний предел определяется из условий сохранения устойчивости горения твердого топлива.

Значения минимально и максимально допустимых приведены в табл. 6 и 7.

Таблица 6

Минимально допустимые температуры газов на выходе из топки

при слоевом и камерном сжигании твердых топлив , ^оС

Топливо	Тип топки
слоевая	камерная
открытая	с пережимом
Антрацит и тощие угли
Каменные угли с %
То же, с %
Бурые угли			-
Кусковой торф		-	-
Фрезерный торф	-		-

Таблица 7

Максимально допустимые по условиям шлакования значения температур газов на выходе из топки для ряда топлив (^оС)

Топливо	(оС)
Кемеровский СС, Кизеловский Г и отсевы, Томь – Усинский СС
Донецкий ГСШ, подмосковный бурый
Ангренский Б, Канско-Ачинский Б, (березовский, козаровский)

Полученное в результате расчетов удельное тепловое напряжение топочного объема не должно превышать значения, приведенного в табл. 5. Расчетное удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок также не должно быть выше максимально допустимого значения приведенного в табл. 8.

Таблица 8

Максимально допустимое тепловое напряжение сечения топочной камеры

по условиям шлакования экранов топки (при установке горелок в один ярус)

Топливо	, (кВт/м3), при расположении горелок
фронт.	веточном	угловом
Шлакующиеся каменные и бурые угли
Нешлакующиеся угли

2.1. Определение конструктивных размеров и характеристик топочной камеры.

2.1.1. По чертежу заданного котла определяют конструктивные размеры топки (см. рис. 1-4 приложения).

При расчете определяют активный объем топочной камеры. Границами объема являются плоскости, проходящие через осевые линии экранных труб, а в выходном сечении – плоскость, проходящая через осевые линии труб первого ряда фестона. Границей объема в нижней части топки с холодной воронкой (при использовании твердого топлива) условно принимают плоскость на половине высоты воронки. В камерных топках для жидкого и газообразного топлив границей объема в нижней части является плоскость поверхности. Суммарная площадь плоскостей, ограничивающих активный объем топки, условно называют суммарной площадью стен топки (рис. 4).

2.1.2. Геометрические размеры, необходимые для расчетов, берут с чертежа и систематизируют в табл. 9. Прибегать к помощи масштабной линейки можно только в крайнем случае.

При заполнении табл. 9 расчетную ширину фронтовой и задней стен топки определяют расстоянием между плоскостями, проходящими через осевые линии труб боковых экранов, а ширину боковых стен - между плоскостями, проходящими через оси труб фронтового и заднего экранов. Освещенную длину фронтовой и задней стен топки определяют по фактическим размерам плоскости, проходящей через оси труб соответствующего экрана в пределах активного объема топки.

Площадь боковой стены в границах активного объема топки определяют как площадь фигуры, составленной из прямоугольников, трапеции, треугольников, на которые ее условно разбивают (1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-1 рис.4). Ширину выходного окна топки определяют расстоянием между плоскостями, проходящими через оси труб боковых экранов, а длину (высоту) – по действительному размеру и конфигурации оси труб первого ряда фестона.

Если боковой экран состоит из полос с различным шагом труб, для бокового экрана в табл. 9 указывают среднеарифметическое значение шага труб:

. (33)

Наружный диаметр труб , шаг между ними , число труб в экране и расстояние от оси трубы до обмуровки определяют по чертежу. По чертежу определяют и площадь участков стен -го экрана , не защищенные трубами (например, площади амбразур горелок).

Конструктивные размеры и характеристики топочной камеры

Таблица 9

№ п/п	Наименоваие	Обозна-чения	Ед. изм-я	Источник или формула	Топочные экраны	Выходное окно
Фронтовой	Боковой	Задний
Осн. часть	Под.или х. воронка	Осн. часть	Под.или х. воронка
	Расчетная ширина экранированой стены		м	Чертеж
	Освещенная длина стены		м	Чертеж
	Площадь стены		м2				Чертеж
	Площадь участка стены не закрытого экранами		м2	Чертеж	Для стен, на которых размещены горелки и подтопки
	Наружный диаметр труб		м	Чертеж	Одинаковые для всех экранов
	Число труб в экране		шт.	Чертеж
	Шаг экранных труб		шт.	Чертеж
	Относительный шаг труб		-	-	-	-	-	-	-
	Расстояние от оси трубы до обмуровки		м	Чертеж
	Относительное расстояние от оси до обмуровки		-	-	-	-	-	-	-
	Угловой коэффициент экрана		-	Номогр 1 прилож-е						I
	Коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия из-за загрязнен.		-	Таблица 10
	Коэффициент тепловой эффективности экранов при загрязнении		-		-	-	-	-	-	-

Примечания к табл. 9:

1. - принимают по табл. 10 для открытых гладкотрубных экранов.

2. Площадь стен топки определяется по формуле (м²)

.

3. Угловой коэффициент определяют по номограмме 1 (см. рис. 7 приложения) в зависимости от и для этого экрана.

4. Перечеркнутые графы не заполняются.

5. Для неэкранированных стен топки коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия при загрязнении шлаком и золой, .

2.1.3. Среднее значение коэффициента тепловой эффективности для топки в целом определяется по формуле

. (34)

Таблица 10

Коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия экранов

Тип экрана	Топливо
Открытые гладкотрубные экраны	Газообразные	0,65
Мазут	0,55
Каменные и бурые угли	0,45
Ошипованные, покрытые огнеупорами экраны	Все топлива	0,2

2.1.4. Активный объем топочной камеры определяют по формуле (м³)

, (35)

где (табл. 9).

Эффективную толщину излучающего слоя в топке определяют по формуле (м)

. (36)

2.2. Расчет теплообмена в топке.

2.2.1. Расчет основан на применении теории подобия к процессам, протекающим в топке [1]. Исходная формула связывает безразмерную температуру газов на выходе из топки c числом Больцмана , степенью черноты топки и параметром , характеризующим температурное поле по высоте топки:

, (37)

где - абсолютная температура газов на выходе из топки (К);

- абсолютная температура газов при адиабатном сгорании (К);

. (38)

Из формул (37) и (38) выводится расчетная формула для определения температуры газов на выходе из топки (^оС ):

, (39)

где - коэффициент сохранения тепла (формула 31);

- расчетный расход топлива (кгс/с, м³ /с) (формула 30);

- расчетная площадь стен топки (м²) (табл. 9);

- средний коэффициент тепловой эффективности экранов (формула 34);

- коэффициент излучения абсолютно черного тела (кВт/(м²∙К⁴));

- средняя суммарная теплоемкость продуктов горения (1 кг, 1 м³) топлива при температуре газов от до (кДж/(кг К); кДж/(м³×К) (формула 44).

Расчет по формуле (39) ведут в следующей последовательности.

2.2.2. Определяется полезное тепловыделение в топке (кДж/кг, кДж/м³) и соответствующая ей адиабатическая температура горения (К):

, (40)

где принимают по данным Р.1.

Количество тепла, вносимого в топку с воздухом, определяют по формуле (кДж/кг, кДж/м³)

, (41)

здесь энтальпии теоретического объема горячего воздуха и холодного воздуха определяют по табл. 4 при заданном и ; берут по табл. 1; - присос в пылесистему определяют по табл. 11.

Рассчитанное соответствует энтальпии газов при адиабатическом сгорании топлива, т.е. . Затем, используя данные табл. 4, находят адиабатическую температуру горения (^оС ) при и (К).

2.2.3. Параметр определяют по формуле

, (42)

где - при камерном сжигании газа и мазута;

-при камерном сжигании каменных и бурых углей ( % × кг/МДж).

Относительное положение максимума температур факела в топке определяют по формуле

, (43)

где - относительный уровень расположения горелок , определяют по чертежу котла в соответствии с рис. 22 (отношение высоты расположения горелок или средней линии при двухрядном расположении к высоте топки от низа или середины холодной воронки, приложение);

- поправка на отклонение максимума температур от уровня горелок.

Для пылеугольных топок:

- при горизонтальном расположении вихревых горелок ;

- для прямоточных горелок ;

- при повороте горелок на 20^о вверх и вниз .

Для газомазутных топок:

- при кг/с ;

- при кг/с .

Таблица 11

Среднее значение присосов для систем пылеприготовления

Характеристика пылесистемы
Шаровые барабанные мельницы:
с промежуточным бункером при сушке горячим воздухом	0,10
то же, смесью воздуха и топочных газов	0,12
с прямым вдуванием	0,04
Молотковые мельницы:
при работе под разряжением	0,04
то же, под давлением горячего воздуха
среднеходовые валковые мельницы при работе под разряжением	0,04
Мельницы-вентиляторы с подсушивающей трубой

2.2.4. Степень черноты топки и критерии зависят от искомой .

При поверочном расчете топки ориентировочно принимают по табл. 12, а затем, определив зависящие от нее величины, получают расчетные и в случае несовпадения с принятой более чем на 100 ^оС уточняют методом последовательных приближений.

Среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания определяют по формуле, кДж/(кг×К), кДж/(м³×К),

, (44)

где находят по табл. 4 по принятой (при ).

Таблица 12

Ориентировочные значения температуры газов на выходе из топки (^оС )

Вид топки и тип сжигаемого топлива	, кг/с	, кг/с
Слоевые и факельно-слоевые топки
Антрациты АС и АМ
Каменные угли
Бурые угли умеренной влажности ( )
Бурые угли влажные ( )
Торф и древесные отходы
Пылеугольные топки
Антрациты, полуантрациты и тощие угли	-
Каменные угли	-
Бурые угли умеренной влажности ( )	-
Бурые угли влажные ( )	-
Фрезерный торф	-
Вихревые топки
Фрезерный торф
Топки для газа и мазута
Мазут
Природный газ
Доменный газ

2.2.5. Степень черноты топки определяется по формуле

, (46)

где - эффективная степень черноты факела.

Степень черноты топки можно определить и по номограмме 2 (рис.8 прил.).

2.2.6. При сжигании жидкого и газообразного топлива основными излучающими компонентами являются трехатомные газы ( ) и светящиеся частицы сажи, поэтому степень черноты факела определяется по формуле

, (46)

где и - степень черноты факела при заполнении всей топки или светящимся пламенем, или несветящимися трехатомными газами;

- коэффициент усреднения (зависит от теплового напряжения топки), для жидкого топлива , для газообразного ;

. (47)

. (48)

где =2,718 - основание натуральных логарифмов;

- эффективная толщина излучающего слоя по формуле (36);

- давление в топке (считается, что МПа, котел работает без наддува);

Коэффициент ослабления лучей топочной средой, трехатомными газами определяют по номограмме 5 (рис. 11 прил.) с использованием , суммарного парциального давления трехатомных газов , объемной доли водяных паров ( и берут из табл. 3).

Коэффициент ослабления лучей частицами сажи определяют по формуле

, (49)

где - температура газов на выходе из топки (К);

- соотношение атомов углерода и водорода в рабочей массе топлива, для газообразных топлив ;

и могут быть найдены как по формулам 47 и 48, так и с помощью номограммы 3 (см. рис. 9 прил.).

2.2.7. При камерном сжигании твердых топлив основные излучающие компоненты: трехатомные газы, частицы золы и кокса. В этом случае

, (50)

где суммарный коэффициент ослабления лучей в топке рассчитывают по формуле (1/м×МПа)

, (51)

где - определяют по номограмме 5 (см. рис. 11 приложения);

- определяют по номограмме 4 (см. рис. 10 приложения);

берут из табл. 3 при .

Коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами =10, а коэффициенты и , учитывающие концентрацию коксовых частиц в факеле, равны соответственно и .

2.2.8. После определения по формуле (39) определяют и оценивают корректность результата по соответствию требованиям табл. 6, 7, 12.

Для контроля правильности определения и ускорения расчета топки методом последовательных приближений рекомендуется использовать номограмму 6 на рис. 12 приложения.

2.2.9. Затем определяют тепловые нагрузки топочной камеры. Удельное тепловое напряжение объема топки (кВт/м³):

. (52)

Удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок (кВт/м²):

, (53)

где - сечение топки (м²) (см. чертеж котла на рис. 1-4 прил.).

Полученные значения проверяют на соответствие выполнению условий табл. 5 и 8.

2.2.10. После проведения расчетов в курсовой работе анализируют полученные результаты на предмет возможности и эффективности перевода котла на новый вид топлива.

2.2.11. Графическая часть разделов I и II курсовой работы предполагает изображение:

- на листе формата А-2 расчетно-технологической схемы заданного парового котла с обозначением спецификации всех его элементов;

- на листе А-2 приводят схему топливоприготовления и горелочного устройства.

2.2.12. Примеры расчета теплового баланса и расхода топлива, а также поверочного расчета теплообмена в топке котла и температуры газов на выходе из топки, приведены в приложении.

В заключении по результатам теплового расчета в курсовой работе делаются выводы со следующим содержанием:

1) возможность и эффективность перевода котла на новый вид топлива;

2) целесообразность и последовательность применения методики расчётов при проведении балансовых испытаний, реализации режимов растопки и сброса нагрузки котла;

3) применение предложенных расчетных методик для оценки режимов работы котла в установившемся режиме и при возникновении динамических возмущений, возникновение которых возможно при эксплуатации котельных агрегатов.