Тепловой расчет парового котла: Руководство по выполнению курсовой работы

Введение в проектирование котельных установок

Выполнение курсового проекта по котельным установкам представляет собой комплексную инженерную задачу. Его ключевая цель — самостоятельный тепловой расчет и последующая конструктивная разработка парогенератора на основе полученных теоретических знаний. Это не просто академическое упражнение, а имитация реального процесса проектирования, где от точности расчетов напрямую зависят будущие эксплуатационные характеристики агрегата.

Обоснованная методика теплового расчета является фундаментом для достижения высокой эффективности (КПД) и эксплуатационной надежности котельного оборудования. Именно на этом этапе закладываются параметры, определяющие экономичность и безопасность всей системы. Данная работа последовательно проведет вас через все ключевые этапы проектирования: от анализа исходных данных и расчета продуктов сгорания до детального проектирования основных поверхностей нагрева и итоговой оценки эффективности спроектированного парогенератора.

Анализ исходных данных и выбор оборудования

Фундаментом любого инженерного расчета служат четко определенные исходные данные. В рамках данного курсового проекта объектом проектирования является парогенератор модели ПК-19, предназначенный для работы в составе отопительно-производственной котельной. Этот выбор обусловлен его характеристиками, позволяющими детально рассмотреть все аспекты теплообмена в мощном современном агрегате.

Ключевые паспортные и эксплуатационные параметры, принимаемые за основу для расчетов, следующие:

• Тип агрегата: Парогенератор ПК-19.
• Паропроизводительность: 120 тонн пара в час.
• Параметры перегретого пара: Давление 9,8 МПа и температура 510 °С.
• Температура питательной воды на входе: 210 °С.
• Температура холодного воздуха (на входе в воздухоподогреватель): 100 °С.

В качестве топлива используются два вида углеводородов:

1. Основное топливо: природный газ.
2. Резервное топливо: мазут.

Такой набор исходных данных позволяет выполнить полный и всесторонний тепловой расчет, который является универсальным и применим к котлам, сжигающим газообразное, жидкое или твердое топливо.

Расчетные характеристики основного и резервного топлива

Характеристики топлива — это отправная точка для всех последующих вычислений, так как именно его состав определяет химизм горения, объемы продуктов сгорания и, в конечном счете, количество выделяемой теплоты. В расчете необходимо учесть как основное (природный газ), так и резервное (мазут) топливо.

Для каждого вида топлива производится расчет элементного состава, на основе которого определяется низшая теплота сгорания (Qнр) — ключевой показатель, отражающий количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Для жидкого топлива, такого как мазут, дополнительно определяется его плотность при рабочих условиях, которая может составлять около 985,7 кг/м³. Понимание состава топлива позволяет точно спрогнозировать адиабатическую температуру горения и объемы дымовых газов, что напрямую влияет на расчет теплообмена в топке и конвективных поверхностях нагрева.

Определение расчетных объемов воздуха и продуктов сгорания

Для обеспечения эффективного и полного сжигания топлива необходимо подать в топку строго определенное количество воздуха. На первом этапе рассчитывается теоретически необходимый объем воздуха для полного окисления горючих компонентов 1 м³ газа или 1 кг мазута.

Однако в реальных условиях воздух всегда подается с некоторым избытком. Этот избыток характеризуется коэффициентом избытка воздуха (α), который представляет собой соотношение фактически поданного воздуха к теоретически необходимому. Значение этого коэффициента различно для разных частей газового тракта котла, так как по мере движения дымовых газов происходят неизбежные присосы холодного воздуха через неплотности в обмуровке.

Например, для топки α может быть минимальным для обеспечения высокой температуры, а на выходе из экономайзера или воздухоподогревателя его значение будет выше за счет накопившихся присосов.

Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания для каждой части газохода (топка, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель) является критически важной задачей. От этих объемов зависят скорости газовых потоков, эффективность теплообмена и, что немаловажно, корректный подбор тягодутьевых машин — дымососов и дутьевых вентиляторов.

Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Энтальпия, или теплосодержание, является мерой внутренней энергии рабочего тела (в данном случае — воздуха и дымовых газов). Расчет энтальпий при различных температурах — ключевой этап, позволяющий перейти от объемов газов к количественным показателям тепла, которое они переносят. Физический смысл этого расчета заключается в определении, сколько тепла содержится в 1 м³ продуктов сгорания или воздуха при конкретной температуре.

Используя справочные таблицы или эмпирические формулы, рассчитываются зависимости энтальпии от температуры для всего газовоздушного тракта. Эти данные сводятся в таблицы или представляются в виде графиков для удобства их использования в последующих разделах, особенно при составлении теплового баланса и расчете поверхностей нагрева.

Составление детального теплового баланса котлоагрегата

Тепловой баланс — это центральная часть всего расчета, сводящая воедино все потоки энергии в котле. Он позволяет определить, как распределяется тепло, полученное от сжигания топлива, и вычислить главный показатель эффективности — КПД.

Баланс строится на основе располагаемой теплоты топлива (Qp). Эта величина затем распределяется по следующим статьям:

• Полезно используемая теплота (Q1): Часть тепла, которая пошла на генерацию пара.
• Тепловые потери (Qn): Сумма всех потерь, которые снижают эффективность агрегата.

Потери детализируются по следующим категориям:

1. Потери с уходящими газами (Q2): Основная статья потерь, зависит от температуры и объема газов, покидающих котел.
2. Потери от химической неполноты сгорания (Q3): Связаны с наличием в дымовых газах горючих компонентов (например, CO).
3. Потери от механической неполноты сгорания (Q4): Актуальны для твердого топлива (унос несгоревших частиц).
4. Потери в окружающую среду (Q5): Тепло, теряемое через обмуровку и изоляцию котла.
5. Потери с физической теплотой шлаков (Q6): Актуальны для твердотопливных котлов.

На основе баланса рассчитывается КПД котла «брутто». Важно понимать его отличие от КПД «нетто»: «брутто» не учитывает затраты энергии на работу вспомогательного оборудования (насосов, дымососов), в то время как «нетто» их учитывает, давая более полную картину реальной эффективности установки.

Тепловой расчет топочной камеры как основного элемента

Топка — это сердце котла, где происходит процесс горения и передача основной части тепла за счет излучения. Конструктивно топки современных котлов, включая ПК-19, часто имеют трубную обмуровку, где трубы испарительной поверхности образуют стены камеры сгорания.

Первым шагом является определение адиабатической температуры горения — теоретической максимальной температуры, которая могла бы быть достигнута без теплоотдачи к стенкам. Затем, с использованием нормативного метода, выполняется основной тепловой расчет топки. Его цель — определить количество тепла, воспринятого радиационными поверхностями нагрева, и, самое главное, рассчитать температуру газов на выходе из топки. Этот параметр является одним из ключевых во всем проекте, так как он служит входной температурой для расчета всех последующих конвективных поверхностей нагрева.

Проектирование и поверочный расчет пароперегревателя

Пароперегреватель предназначен для повышения температуры насыщенного пара до заданного значения (510 °С), что значительно увеличивает термический КПД всего паротурбинного цикла. Расчет этого элемента может быть конструктивным (определение требуемой площади) или поверочным (определение параметров пара при известной площади).

В рамках курсового проекта выполняется конструктивный расчет. Он включает в себя следующие шаги:

• Определение количества тепла, которое необходимо передать пару.
• Расчет среднего температурного напора между газами и паром.
• Вычисление общего коэффициента теплопередачи, учитывающего конвекцию и лучистый теплообмен.
• Определение искомой площади поверхности теплообмена, на основе которой затем выбирается конструкция и компоновка змеевиков пароперегревателя.

Тепловой расчет и компоновка водяного экономайзера

Водяной экономайзер — это теплообменник, установленный в хвостовой части котла, который использует тепло уходящих дымовых газов для подогрева питательной воды перед ее поступлением в барабан. Это простое, но чрезвычайно эффективное решение для повышения общего КПД котлоагрегата.

Расчет экономайзера аналогичен расчету пароперегревателя. Сначала определяется количество тепла, необходимое для подогрева питательной воды (в нашем случае до температуры, близкой к насыщению, с исходных 210 °С). Затем, через определение среднего температурного напора и коэффициента теплопередачи, вычисляется требуемая площадь поверхности нагрева. На основе этой площади подбирается его конструкция (например, из гладких или оребренных труб) и схема компоновки в конвективной шахте котла.

Проектирование и тепловой расчет воздухоподогревателя

Даже после прохождения экономайзера дымовые газы все еще имеют значительный тепловой потенциал. Для его утилизации служит воздухоподогреватель, который нагревает холодный воздух (поступающий с температурой 100 °С) перед его подачей в топку. Подогрев воздуха не только повышает КПД котла за счет снижения потерь с уходящими газами, но и интенсифицирует процесс горения в топке.

Тепловой расчет выполняется по аналогии с экономайзером для определения необходимой площади теплообмена. Конструктивно воздухоподогреватели могут иметь различные исполнения; например, их конвективные шахты часто разделены на две половины для оптимизации потоков газов и воздуха. Ключевым результатом этого расчета является определение конечной температуры уходящих газов (например, около 258 °С), которая является важнейшим показателем экономичности всего агрегата.

Основы аэродинамического расчета газовоздушного тракта

После того как все поверхности нагрева спроектированы и скомпонованы, необходимо убедиться, что газы и воздух смогут пройти через созданный тракт. Аэродинамический расчет предназначен для определения потерь давления (сопротивления) на всем пути движения рабочих сред.

Сопротивление складывается из двух составляющих:

1. Потери на трение на прямых участках газоходов и воздуховодов.
2. Потери на местные сопротивления (повороты, сужения, расширения, шиберы, а также сами пучки труб поверхностей нагрева).

Путем суммирования всех потерь определяется полное сопротивление газового и воздушного трактов. Эти данные являются исходными для финального и очень важного шага — обоснованного выбора тягодутьевых машин (дымососов и дутьевых вентиляторов), которые должны обладать достаточным напором для преодоления этого сопротивления.

Сводная таблица результатов теплового расчета

Для систематизации и наглядного представления итогов проделанной работы все ключевые расчетные параметры сводятся в единую таблицу. Это позволяет провести комплексный анализ проекта и быстро оценить основные характеристики спроектированного котлоагрегата. В таблицу рекомендуется включить следующие данные:

• Параметры топлива: Элементный состав, низшая теплота сгорания.
• Воздух и продукты сгорания: Коэффициенты избытка воздуха и объемы по всему тракту.
• Тепловой баланс: Располагаемая теплота, все статьи тепловых потерь (Q2-Q6) в кВт и процентах, полезно использованная теплота (Q1) и итоговый КПД брутто.
• Температуры по газовому тракту: Адиабатическая температура, температуры газов на выходе из топки, пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя.
• Поверхности нагрева: Расчетные площади всех ключевых элементов (топки, пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя) в м².

Такая сводка является, по сути, «паспортом» выполненного теплового расчета.

Анализ полученных результатов и оценка эффективности

На заключительном этапе расчетной части необходимо проинтерпретировать полученные данные. Главным объектом анализа является тепловой КПД. Его значение следует сравнить с типовыми показателями для котлов аналогичной мощности. Например, для современных котлов мощностью 5 МВт средний КПД может достигать 95%, что служит хорошим ориентиром для оценки.

Важнейшим параметром является и температура уходящих газов. С одной стороны, она должна быть как можно ниже для минимизации потерь тепла (Q2). С другой стороны, она не должна опускаться ниже точки росы серной кислоты (для сернистых топлив), чтобы избежать низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева. Также анализируется распределение тепловосприятия между отдельными поверхностями. Итоговый вывод должен содержать оценку того, соответствует ли спроектированный котельный агрегат исходному техническому заданию по производительности, параметрам пара и эффективности.

Графическая часть проекта и рекомендации по оформлению

Пояснительная записка с расчетами всегда сопровождается графической частью. Чертежи позволяют визуализировать конструкцию спроектированного агрегата и являются неотъемлемой частью инженерного проекта.

Графическая часть обычно включает:

• Общий вид котельного агрегата: Демонстрирует его компоновку и габариты.
• Продольный и поперечный разрезы: Показывают внутреннее устройство котла, расположение основных элементов: топки, барабанов, конвективной шахты, а также детальное размещение поверхностей нагрева (экранов, пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя).

Все чертежи должны быть выполнены и оформлены в строгом соответствии с требованиями стандартов ЕСКД (Единой системы конструкторской документации), включая рамки, основные надписи и спецификации.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была достигнута его главная цель: на основе теоретических знаний и нормативных методик был выполнен полный тепловой расчет и разработана конструктивная схема парового котла ПК-19. Были последовательно решены все поставленные задачи: выполнен расчет характеристик основного и резервного топлива, определены объемы воздуха и продуктов сгорания, составлен детальный тепловой баланс, а также рассчитаны и спроектированы все основные поверхности нагрева — от топки до воздухоподогревателя.

Главным итогом работы является проект парового котла, который полностью соответствует заданным параметрам производительности (120 т/ч), характеристикам пара (9,8 МПа, 510 °С) и обладает высокой тепловой эффективностью. Полученные в ходе проектирования навыки являются фундаментальной основой для дальнейшей деятельности инженера в области теплоэнергетики и котлостроения.

Список использованной литературы

1. Марьям И.И., Макаров Ю.А. – Отраслевой каталог – М: 1985 – 116 стр.
2. Курноскова В.Г.- Методическое руководство по курсовому проекту парогенератора – И., Мин Э и Э 1981 – 135 стр.
3. Волкова В.А. – Тепловой расчёт котельного агрегата – М: «Энергия» 1973 – 295 стр.
4. Петухова Н.И. – Общие требования к текстовым документам и расчетно-графическим работам – К: информационно- издательский центр КПТК 2008 – 82 стр.
5. Литвин А.М. – Теоретические основы теплотехники, изд. 6-е, переработанное и дополненное, М., «Энергия», 1969 – 328 стр.
6. Эстеркин Р.И. – Котельные установки курсовое и дипломное проектирование, ЭНЕРГОТОМИЗДАТ, 1989 – 278 стр.
7. Киселев Н.А. – Котельные установки, «Высшая школа», 1975 – 276 стр.
8. Резников М.И., Липов Ю.М. – Котельные установки электростанций, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1987 –285 стр.
9. Ривкин С.Л, Александров А.А., ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1984 – 79 стр.