Курсовая работа: Расчет тепловой схемы производственно-отопительной котельной

Курсовая работа: Расчет тепловой схемы производственно-отопительной котельной

Федеральное агентство по образованию

Архангельский государственный технический университет

Кафедра Теплотехники

Факультет Мех Курс III Группа 5

Вариант №63

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: Теплотехника

На тему: Расчет тепловой схемы производственно-отопительной котельной

Студент: Зайков Д. В.

Руководитель: Смолина М.В

Архангельск

2010

Содержание

1. Исходные данные для расчета тепловой схемы

2. Тепловые нагрузки внешних потребителей

3. Тепловые нагрузки собственных нужд котельной

4. Расчет тепловой схемы котельной

4.1 Расчет основного и вспомогательного оборудования

4.2 Расчёт расхода топлива

5. Расчёт мощности электродвигателей оборудования котельной установки

5.1 Питательные насосы

5.2 Тягодутьевые устройства

6. Тепловой баланс в узлах

7. Используемая литература

1. Исходные данные для расчета тепловой схемы

Составить принципиальную тепловую схему производственно-отопительной котельной промышленного предприятия и выполнить её расчет при следующих условиях. Котельная должна обеспечивать бесперебойную подачу пара и горячей воды на производственно-технологические нужды предприятия и сетевой воды на горячее водоснабжение и отопление производственных и служебных помещений предприятия и жилого поселка.

В результате расчета тепловой схемы определить необходимую максимальную паропроизводительность (мощность) котельной, выбрать тип и количество котлоагрегатов, другого основного и вспомогательного оборудования и рассчитать электрические мощности для их привода.

В расчетах использовать международную систему единиц СИ по ГОСТ 9867-61.

Вариант №63

2. Тепловые нагрузки внешних потребителей

котельная тепловая схема

·  Расход пара на производственно-технологические нужды составляет =3,33 кг/с. Параметры отпускаемого пара: давление= 2,3 МПа, пар насыщенный.

·  Расход горячей воды на производственно-технологические нужды  при температуре . Подогрев горячей воды производится в пароводяном подогревателе, насыщенным паром давлением 0,6 МПа, поступающим из главного паропровода через редукционный клапан. Вся горячая вода расходуется на производстве и в котельную не возвращается.

·  Для обеспечения вентиляционной нагрузки производственных помещений расходуется насыщенный пар давлением 0,6 МПа в количестве Dвен =2 т/ч = 0,55 кг/с.

·  Расход теплоты на отопление жилого поселка и служебных зданий предприятия равен Qот= 1300 кВт. Температура воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети равна, соответственно, =95°С и =70оС.

Подогрев сетевой воды производится в пароводяном теплообменнике (бойлере) насыщенным паром давлением 0,6 МПа. Образующийся конденсат во избежание последующего вскипания в деаэраторе охлаждается до tкот =50°С в водо-водяном теплообменнике - охладителе конденсата. Таким образом, обратная сетевая вода до поступления в основной пароводяной подогреватель нагревается, проходя через охладитель конденсата. Потери сетевой воды потребителями принять равными 1,5 % от её общего расхода Gсет.

·  Потери теплоты в поверхностных пароводяных и водо-водяных подогревателях принять 2% или коэффициент сохранения теплоты (тепловой КПД подогревателей) считать равным ηп=0,98. Потери конденсата греющего пара в пароводяных подогревателях принять равными 2% от расхода пара.

Потери всех теплоносителей восполняются через химводоочистку и деаэратор котельной.

·  Расчетную температуру сырой воды для зимних условий принять tс.в=5°С.

3. Тепловые нагрузки собственных нужд котельной

Собственные нужды котельной складываются из расхода пара на подогрев воды в деаэраторе, подогрев сырой воды перед химводоочисткой, расход теплоты с продувкой котлов, с утечками пара и питательной воды, прочие неучтенные потери.

·  Деаэрация питательной и подпиточной сетевой воды происходит в смешивающем подогревателе - деаэраторе атмосферного типа. Греющий теплоноситель - насыщенный пар давлением 0,12 МПа.

·  Перед химводоочисткой сырая вода должна быть подогрета до температуры tхво=30°С. Расход пара на подогреватель сырой воды определяется расчетом. Для подогрева используется насыщенный пар давлением 0,12 МПа.

·  Расход пара на другие собственные нужды котельной (обдувка поверхностей нагрева котлоагрегата, неучтенные потери и т.д.) принять равным 3% от паропроизводительности котельной (от общего расхода пара на внешние потребители и собственные нужды).

·  Расход котловой воды на непрерывную продувку котлоагрегата принять 3% от его паропроизводительности.

Продувочная вода поступает в расширитель (сепаратор) непрерывной продувки. Образующийся насыщенный пар давлением 0,12 МПа подается в коллектор пара или непосредственно в деаэратор. Горячая вода, выходящая из расширителя, пропускается через подогреватель сырой воды, который является первой ступенью подогрева сырой холодной водопроводной воды. Охлажденная до tсл=43оС продувочная вода сливается в канализацию или используется для технических целей.

Основные положения о тепловой схеме котельной

Современная производственно-отопительная котельная оснащена разнообразным тепломеханическим оборудованием с развитой сетью паропроводов, трубопроводов сырой и питательной воды, конденсатопроводов, дренажей. Кроме котельного агрегата - основного источника теплоснабжения, в котельной устанавливаются пароводяные подогреватели сетевой и горячей воды для отопления, бытового горячего водоснабжения и производственно-технологических нужд. Для подогрева холодной воды и утилизации низкопотенциальных тепловых выбросов устанавливаются водо-водяные теплообменники. Подготовка воды требуемого качества осуществляется в деаэраторе и оборудовании химводоочистки. Перемещение потоков воды, воздуха, требуемого для горения топлива, и продуктов сгорания происходит с помощью питательных и циркуляционных насосов, дутьевых вентиляторов и дымососов. Для надёжной и безаварийной работы котельной насосы и тягодутьевые устройства должны быть снабжены современными схемами электропривода, а её оборудование оснащено системами автоматизации.

Для определения необходимой мощности котельной и выбора основного и вспомогательного оборудования выполняется расчет тепловой схемы.

При расчете тепловой схемы котельной для каждого потребителя определяют требуемый расход воды или пара, расход теплоносителя на восполнение утечек и рассчитывается необходимая производительность химводоочистки. По результатам расчета тепловой схемы выбирается тип и количество котлоагрегатов, другого теплообменного оборудования, производительность и мощность насосов и тягодутьевых устройств. На схеме проставляются установленные расчётом расходы потоков рабочих сред.

Исходными данными для расчета тепловой схемы являются значения тепловых нагрузок и графики расхода теплоты. Данные о тепловых нагрузках по цехам и видам потребления группируются в сводную таблицу по параметрам теплоносителей. Потребителей теплоты необходимо группировать по признаку однотипности теплоносителя и его параметров. При этом, проектируя теплоснабжение, следует стремиться, чтобы разнообразие в параметрах и характере теплоносителей было минимальным.

Перед расчетом в соответствии с заданием и исходными данными составляется принципиальная тепловая схема в виде чертежа. На ней условными обозначениями изображается всё основное и вспомогательное оборудование котельной, линии потоков пара и воды, записываются параметры и величины потоков (расходы) пара, воды и теплоты. Элементы оборудования располагают на схеме по определенной системе: котлоагрегаты и главный паропровод помещают в верхней части схемы, ниже группируют всё остальное, причём теплообменники и трубопроводы с большими давлениями и температурами изображают выше.

4. Алгоритм расчёта тепловой схемы котельной.

4.1 Расчет основного и вспомогательного оборудования

1. Расход насыщенного пара давлением Pн=0,6 МПа в бойлерной установке для подогрева сетевой воды, циркулирующей по тепловым сетям, кг/с (т/ч)

где - максимальный расход теплоты на отопление с учетом потерь в наружных сетях, кВт;

-энтальпия конденсата греющего пара после охладителя конденсата, кДж/кг;

=4,19*50=209,5 кДж/кг.

hп - коэффициент, учитывающий потери теплоты в бойлерной установке и принимаемый равным 0,98.

=0,52кг/с. (1,87т/ч)

2. Расход сетевой воды, направляемой в тепловую сеть, кг/с (т/ч)

,

где  и - температуры сетевой воды в подающей и обратной ветвях тепловой сети, оС.

 кг/с(44,68т/ч)

3. Потери сетевой воды (утечки) в тепловых сетях, согласно заданию принимаем 1,5% от расхода , кг/с (т/ч)

*

*12,41=0,186 кг/с(0,67т/ч)

Эти потери теплоносителя в нормальных условиях эксплуатации должны восполняться химически очищенной водой, подаваемой подпиточным насосом.

4. Общий расход насыщенного пара давлением Pн=0,6 МПа для приготовления горячей воды на производственно-технические нужды предприятия, для нагрева сетевой воды, циркулирующей в тепловых сетях, и для работы приточно-вытяжных вентиляционных систем предприятия составит, кг/с (т/ч)

 кг/с(3,78т/ч)

В производственно-отопительных котельных небольшой мощности, вырабатывающих насыщенный пар невысокого давления (Pн < 4 МПа), понижение давления потребляемого пара из главной магистрали осуществляется простым дросселированием с помощью редукционного вентиля или клапана. Процесс дросселирования протекает при постоянной энтальпии пара h=const. В крупных котельных и ТЭЦ, когда котлоагрегаты дают перегретый пар достаточно высокого давления и температуры, для потребителей пара с меньшими давлениями и температурой приходится устанавливать редукционно-охладительные установки (РОУ).

В данном случае при давлении за котлом в главной паровой магистрали =2,3 МПа и температуре насыщенного пара °С, достаточно простого дросселирования пара до 0,6 МПа.

5. Общий отпуск пара всех параметров внешним теплопотребителям составит, кг/с (т/ч)

=3,33+1,07=4,4 кг/с(15,84т/ч)

6. Расход пара на собственные нужды котельной (подогреватель сырой воды, деаэратор), оценим предварительно 9% от отпуска пара внешним потребителям кг/с (т/ч).

0,09

0,09·4,4 =0,396 кг/с(1,426т/ч)

В первом приближении общая паропроизводительность котельной с учетом 3% потерь пара и конденсата внутри котельной составит, кг/с (т/ч)

D∑

D∑=4,94 кг/с (17,78т/ч)

Для уточнения расхода пара на собственные нужды котельной выполним тепловой расчет расширителя непрерывной продувки, подогревателя сырой воды и деаэратора.

7. Расчет расширителя (сепаратора) непрерывной продувки.

Схема использования теплоты продувочной воды с принятыми условными обозначениями показаны на рис.1. Отсепарированный в расширителе насыщенный пар давлением Pн=0,12 МПа подается в деаэратор, а горячая продувочная вода – в теплообменник для подогрева холодной сырой воды перед ХВО.

Рис:1 Схема использования теплоты непрерывной продувки

1- расширитель или сепаратор непрерывной продувки (РНП);

2– водо-водяной подогреватель сырой холодной воды (ВВП-1)

Уравнение теплового баланса расширителя

,

где - количество продувочной воды, поступающей из паровых котлов,

=0,03× D∑

=0,03×4,94 =0,144 кг/с(0,519т/ч)

 - энтальпия продувочной воды при давлении 2,3 МПа, кДж/кг;

 - коэффициент сохранения теплоты в расширителе, принимаем 0,98;

 - количество пара, получаемого в расширителе, кг/с (т/ч);

и - энтальпии воды и насыщенного пара при давлении в расширителе Рн=0,12 МПа.

Количество отсепарированного пара, кг/с (т/ч)

.

Количество горячей воды, выходящей из расширителя, кг/с (т/ч)

.

Количество отсепарированного пара

=0,031кг/с. (0,112 т/ч)

Количество продувочной воды на сливе РНП

=0,144-0,031 =0,113 кг/с(0,407т/ч)

8. Расход сырой воды в котельной на восполнение всех потерь с паром и конденсатом через химводоочистку, кг/с (т/ч).

8.1. Потери от невозврата конденсата пара с производства

0,999 кг/с (3,596 т/ч);

8.2. Потери пара и конденсата в котельной

=0,03×4,94 =0,148 кг/с (0,533 т/ч);

8.3. Потери конденсата в подогревателях горячей воды для производственно-технических нужд, отопления и вентиляции (2 % от общего расхода пара в них)

=0,02×1,07=0.021 кг/с (0,076 т/ч);

8.4. Потери котловой воды при продувке по формуле =0,113 кг/с

8.5. Суммарные потери конденсата и котловой воды, которые необходимо восполнять питательной водой с ХВО

0,999+0,148+0,021 +0,113 =1,281 кг/с (4,612 т/ч);

8.6. Расход химически очищенной воды с учетом восполнения потерь воды в тепловых сетях

=1,467 кг/с (5,281 т/ч)

Учитывая расход воды на собственные нужды химводоочистки в размере 20% от полезной производительности ХВО, общий расход сырой воды

1,2×1,467 =1,760 кг/с (6,334т/ч)

9. Расчет температуры сырой воды  за водо-водяным подогревателем (ВВП-1) расширителя непрерывной продувки. Данная температура определяется из теплового баланса подогревателя

Уравнением

Или

°С.

10. Расход пара на пароводяной подогреватель сырой воды.

Для подогрева сырой воды перед химводоочисткой от температуры = 8,98 °С до = tхво = 30°С за ВВП-1 установлен пароводяной подогреватель поверхностного типа ПВП-2. Греющим теплоносителем этого теплообменника является редуцированный пар давлением Pн=0,12 МПа.

Из уравнения теплового баланса ПВП-2

расход пара составит

или

кг/с (0,253т/ч)

11. Количество конденсата от подогревателя ПВП-2, поступающего в деаэратор с учётом 2 % потери составляет

=0,98×

= 0,98·0,07=0.0686 кг/с (0,247т/ч)

12. Расчёт деаэратора.

Расчетом деаэратора определяется расход пара, необходимого для подогрева в нем воды до температуры 104,8оС.

Сведем в таблицу 1 характеристики потоков воды и пара, поступающих в деаэратор, а в таблицу 2 – потоки питательной воды из деаэратора:

Таблица 1. Потоки, поступающие в деаэратор

Таблица 2. Потоки питательной воды

Для определения добавочного расхода пара на деаэрацию питательной воды составим уравнение теплового баланса деаэратора. Потери теплоты в деаэраторе учтем КПД =0,98.

Подогретая в деаэраторе вода с температурой 104,8°С подается питательным насосом в паровые котлы и подпиточным насосом в тепловые сети для восполнения утечек теплоносителя у потребителей.

(2,331×284,9+0,539×671+0,51×209,5+0+0,0686×439,4+1,467×125,7+2683,8)×

0,98=(4,94+0,186)×439,4.

Решая это уравнение относительно , найдем расход добавочного пара в деаэратор. Расход =0,354 кг/с (1,273 т/ч).

Действительный расход пара на собственные нужды котельной составит

 0,07+0,354=0,424кг/с(1,526 т/ч).

Таким образом, максимальная расчётная паропроизводительность котельной с учетом 3% потерь пара и конденсата внутри котельной должна составлять

=4,973 кг/с (17,903т/ч).

Расхождение с величиной паропроизводительности котельной, полученной по предварительному расчёту

|4,973-4,94| = 0.033 кг/с.

Расхождение в процентах составляет (0,033/4,973)100 =0,66≤3%, что является допустимым и дальнейшего уточнения расчёта тепловой схемы не требуется.

13. В котельных промышленных предприятий небольшой производительности чаще всего применяются котлоагрегаты типа ДЕ и КЕ (ранее ДКВР) выпускаемые Бийским котельным заводом.

Для необходимой при максимальном зимнем режиме паропроизводительности котельной =4,973 кг/с (17,903 т/ч) выбираем для установки 2 котлоагрегата КЕ–10-14-МТО Бийского котельного завода. Общая номинальная паропроизводительность двух котлоагрегата составит 10∙2 =20 т/ч или 5,55 кг/с, что позволяет иметь небольшой резерв на возможное увеличение теплопотребления предприятия и жилого поселка.

Максимальная теплопроизводительность (тепловая мощность) котельной составляет:

Q∑расч ==4,973·2799,8=13923,41 кВт.

Технико-экономические характеристики выбранных к установке котлов выбираем из приложения 5:

Экономайзер Н=444 м²

Вентилятор ВДН-9-1000

Дымосос ДН-12,5-1500

Топочное устройство Топка скоростного горения

4.2 Расчёт расхода топлива

Располагаемая теплота топлива, кДж/кг

++,

где    - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива,

,  - удельная теплота, вносимая в топку с подогретым воздухом и топливом;

= 10220 кДж/кг.

Удельная теплота, вносимая в топку с подогретым воздухом, кДж/кг

,

где     - коэффициент избытка воздуха в топочной камере, =1,3;

 и  - теплоёмкости и температуры, соответственно, подогретого и холодного воздуха, =30 оС и =1,004 кДж/(кг*К), =200 оС и =1,021кДж/(кг*К)

 кДж/кг.

Удельная теплота подогретого топлива находится по формуле, кДж/кг

= ,

где    -теплоёмкость топлива, кДж/(кг·К).

Для твёрдых топлив принимают =30 оС, ≈ 1кДж/(кг·К).

=1*30=30 кДж/кг,

10220+226,3+30=10476,3 кДж/кг

Расчётный расход топлива в котле, кг/с

,

где    n - количество принятых к установке котлов, n=1

- КПД котла, =0,797

 кг/с (3,002 т/ч).

5. Расчёт мощности электродвигателей оборудования котельной установки.

5.1 Питательные насосы

Питательные насосы относятся к числу наиболее важного вспомогательного оборудования котельной, поскольку они должны обеспечивать непрерывную подачу воды в котел. Запас воды в современном котле незначителен, и прекращение питания его водой может привести к полному её испарению, интенсивному разогреву и разрушению поверхностей нагрева и котла в целом. В качестве современных питательных устройств применяют центробежные насосы высокого давления, рассчитанные на работу при температуре воды 105… 150 оС. Чтобы избежать кавитации, на входе в насос должен быть обеспечен подпор жидкости, достигаемый установкой деаэратора и насосов на разных отметках (этажах) котельной. Центробежные насосы имеют электрический (переменного тока) привод. Для работы в аварийном режиме может быть предусмотрен и паротурбинный привод.

Расчет производительности питательных насосов производят по максимальной нагрузке котельной  с запасом не менее 10 %. При определении требуемой подачи (производительности) питательных насосов следует учитывать расход воды на собственные нужды котельной. Суммарная подача всех питательных насосов должна быть такой, чтобы при выходе из строя одного из них остальные смогли обеспечить работу котлоагрегатов с номинальной нагрузкой, м3/с:

ρ,

где    1,1 – коэффициент запаса по паропроизводительности;

-максимальная паропроизводительность котельной, кг/с;

r - плотность питательной воды при давлении и температуре в деаэраторе,

r=1/υ`

r=1/0.001048=954.198кг/м3

 м3/с.

Напор, который должен обеспечить питательный насос, определяется по формуле, Па

,

где    1,15 – коэффициент запаса по напору;

 – избыточное давление пара в барабане котла и в деаэраторе, =2,3МПа, =0,12МПа;

 – перепад давления, обусловленный разностью отметок уровней воды в барабане котла и в деаэраторе, =0 Па;

 - суммарное сопротивление всасывающего и напорного трактов питательной воды, ;  – длина питательного трубопровода от деаэратора до котла, м.

Барабан котла и деаэратор обычно расположены вверху котельной, поэтому отметки уровней воды в них примерно совпадают. Для трубопроводов горячей воды допускается принимать удельную потерю давления Dhс = 80 Па/м.

Длина  принимается с учетом мощности котельной несколько десятков метров.        

 Па

 Па

Расчётная мощность для привода питательного насоса, кВт    

,

где    – КПД питательного насоса (для современных типов питательных устройств = 0,74…0,80)

 кВт

По рассчитанной мощности подбирается тип электродвигателя и его характеристики.

Выбираем двигатель АИР180М6(N=18,5 кВт, n=1000 об/мин).

5.2 Тягодутьевые устройства

Стабильная работа котлоагрегата обеспечивается непрерывной подачей воздуха в топку и удалением в атмосферу газообразных продуктов сгорания. В маломощных паровых и водогрейных котельных иногда бывает достаточно естественной тяги, создаваемой дымовой трубой. Современные же котлоагрегаты имеют сложные профили газоходов и воздуховодов и большие аэродинамические сопротивления. Поэтому для преодоления сопротивления воздуховодов и горелочного устройства (или колосниковой решетки со слоем топлива) котлоагрегат оснащают дутьевым вентилятором, а для преодоления сопротивления газового тракта – дымососом.

Производительность вентилятора и дымососа определяется, соответственно, по формулам, м3/с

и

,

где    1,05 – коэффициент запаса по производительности тягодутьевого устройства;

 – расчетный расход топлива в котлоагрегате, кг/с (м3/с);

–теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, =2,81 м3/кг;

 – теоретический объём продуктов сгорания на 1 кг топлива, =3,75 м3/кг;

 – коэффициент избытка воздуха в топке;

 – утечки воздуха между вентилятором и топкой, =0,04;

– присосы воздуха в=0,1;

- коэффициент избытка воздуха перед дымососом;     

–температура холодного воздуха перед вентилятором (принимается 30оС);  – температура газов перед дымососом (уходящих газов), =150 оС.

Коэффициент избытка воздуха перед дымососом определяют по формуле

где    - присосы воздуха в газовом тракте парогенератора, =0,38

 м3/с

и

 м3/с.

Напор, который должен развивать вентилятор () и дымосос () зависит от вида и способа сжигания топлива, типа сожигательного устройства, протяжённости и конфигурации воздуховодов и газоходов. Эти характеристики определяются при аэродинамическом расчете котельного агрегата. Для их приближенных расчетов можно взять сумму следующих значений.

Вентилятор должен обеспечить напор воздуха для преодоления сопротивления воздуховодов, трубного пучка воздухоподогревателя 2,5…3,5 кПа.

Дымосос должен преодолевать газовое сопротивление котла, составляющее 0,2…0,4 кПа, водяного экономайзера – до 3 кПа, воздухоподогревателя – до 2 кПа, золоуловителя – 0,2 … 0,8 кПа и газоходов 0,5 кПа.

=3,5 кПа, =6 кПа.

Расчётные мощности приводов вентилятора и дымососа составят, кВт

;

,

где    1,21=1,1*1,1-коэффициенты запаса по напору и мощности электродвигателя;

 и  – напоры, развиваемые вентилятором и дымососом;

,  – КПД вентилятора и дымососа, , .

 кВТ;

 кВТ.

По рассчитанным мощностям тягодутьевых устройств подбираются марки электродвигателей и их характеристики.

Двигатель вентилятора: АИР200M6 (N=22кВт, n=1000 об/мин)

Двигатель дымососа: AИР200М4 (N=37 кВт, n=1500 об/мин).

6. Тепловой баланс в узлах

Узел 1:

Dрасч =Dcн.+D0.6 +Dпр

4,973=0,396+1,07+3,33

4,973=4,796

 ≤3%-условие выполняется.

Узел 2:

Dсн+Dпрод=Dпвп-2+Dд

0,396+0,031=0,07+0,354

0,427=0,224

0,7%≤3%-условие выполняется.

Узел 3:

D0.6=Dот+Dвен

1,07=0,52+0,55

1,07=1,07

0%≤3%-условие выполняется.

Узел 4:

Gпрод=Dпрод+Gсл

0,144=0,031+0,113

0,144=0,144

0%≤3%-условие выполняется.

Узел 5:

Gхво+Gпвп-2+Dд+Gот+Gвен+Gпр..=Gт.с.+Gd

1,467+0,0686+0,354+0,51+0,539+2,331=0.186+5.117

5.270=5.303

0,62%≤5%-условие выполняется.

7. Список литературы

1.  Орехов А.Н. Расчет тепловой схемы производственно отопительной котельной. Методические указания к выполнению курсовой работы. АГТУ 2005.