11 Расчет хвостовых поверхностей нагрева при сжигании разных видов топлива

11.1 Расчет конвективных пароперегревателей

Расчет конвективного пароперегревателя, имеющего поверхностный или впрыскивающий пароохладитель, установленный в рассечку, как показано на рисунке 11.1, г, производится по частям. Сначала рассчитывается первая по ходу продуктов сгорания часть в следующей последовательности:

1. По имеющимся чертежам нужно определить площадь поверхности нагрева первой части пароперегревателя, относительный поперечный и продольный шаг труб (S₁/d, S₂/d), расположение труб (шахматное или коридорное), площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания и пара.

2. Далее - выбираем основные расчетные параметры: температуру продуктов сгорания на входе в пароперегреватель  (берется из расчета предыдущей поверхности нагрева), давление, температуру и энтальпию перегретого пара. Задаться тепловосприятием пароохладителя i_по = 60 – 85 кДж/кг.

Рис. 11.1. Схемы конвективных пароперегревателей (приведены по часовой стрелке): противоточная; прямоточная без пароохладителя; с последовательно-смешанным током и пароохладителем, установленным в рассечку; с последовательно-смешанным током без пароохладителя:

1  барабан котла; 2  коллектор перегретого пара; 3  змеевики пароперегревателя; 4  поверхностный или впрыскивающий пароохладитель; I, II  части пароперегрева­теля по движению продуктов сгорания

3. Зададимся двумя температурами продуктов сгорания " после первой части пароперегревателя. В дальнейшем весь расчет выполнить при двух температурах продуктов сгорания.

4. Для двух выбранных температур продуктов сгорания " определяем теплоту, отданную продуктами сгорания пару (кДж/кг или кДж/м³)

Q_б=(I – I+ _ппI⁰_прс), (11.1.1)

где _пп – присос воздуха в газоход пароперегревателя; I⁰_прс определяется по формуле (5.5).

5. Вычисляем энтальпию пара на выходе из пароохладителя, приравняв теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой паром (кДж/кг),

i_по = i _пе – , (11.1.2)

где i_пе  энтальпия перегретого пара, берется по давлению и температуре из таблиц для водяного пара, кДж/кг; В_р  расчетный расход топлива, определяется по формуле (9.12), кг/с.

6. Из таблиц для водяного пара по значениям энтальпии и давления найдем температуру пара после пароохладителя.

7. Определим температурный напор. При последовательно-смешанном токе (рис. 11.1, в и первая часть пароперегревателя на рис. 11.1, г) температурный напор (°С) определяется выражением:

t_пе = ∙t_прт, (11.1.3)

где t_прт  температурный напор при противотоке, определяется по формуле (7.20);   коэффициент пересчета от противоточной схемы к последовательно-смешанному току, определяется по номограмме, приведенной на рисунке 7.7.

При прямотоке температурный напор определяется по формуле (7.7).

Для пользования номограммой, показанной на рисунке 7.7, вы­числяются безразмерные определяющие параметры:

А=Н_прм/Н; (11.1.4)

Р= ; (11.1.5)

R= , (11.1.6)

где Н_прм  поверхность нагрева, в которой осуществляется прямоток, м²; Н ‑ полная поверхность нагрева рассчитываемой части пароперегревателя, м²;  и   температура продуктов сгорания на входе и выходе рассчитываемой части поверхности нагрева пароперегревателя, °С; t и t"  температура пара на входе и выходе рассчитываемой части поверхности нагрева пароперегревателя, °С.

Рис. 11.7. Номограмма для определения температурного напора при последовательно-смешанном токе продуктов сгорания

8. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в газоходе паро-

перегревателя (м/с)

_г = . (11.1.7)

9. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией (_к). При поперечном омывании коридорных и шахматных пучков труб коэффициент теплоотдачи определяется по формуле (11.9).

10. Вычисляем расчетную скорость пара в змеевиках пароперегревателя, м/с

_п = D_cp/f , (11.1.8)

где D  расход пара, кг/с; _ср  средний удельный объем пара, м³/кг (определяется из таблиц для водяного пара при среднеарифме­тических давлении и температуре пара рассчитываемой части пароперегревателя); f  площадь живого сечения для прохода пара, м²; f = 0,785d²_внz; d_вн  внутренний диаметр труб паро­перегревателя, м; z  число параллельно включенных труб.

11. Подсчитаем коэффициент теплоотдачи от стенки к пару, Вт/(м²К),

₂ = _нс_d, (11.1.9)

где _н – коэффициент теплоотдачи, определяемый из номограммы, показанной на рис. 11.8, по средним значениям скорости, давления и температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя; c_d  поправочный коэффициент, определяемый по кривой, показанной на рисунке 7.8.

12. Найдем степень черноты газового потока в соответствии с указаниями п. 8 в 11.1 (рекомендуемый порядок расчёта конвективных поверхностей нагрева).

13. Вычислить температуру стенки труб пароперегревателя, принимаемую равной при сжигании твердого и жидкого топлива температуре наружного слоя золовых отложений на трубах (°С)

, (11.1.10)

где t  среднеарифметическое значение температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя, °С;   коэффициент загрязнения, м²К/Вт (для пароперегревателей с коридорным и шахматным расположением труб при сжигании жидких топлив принимается  = 0,00257; для пароперегревателей с коридорным расположением труб при сжигании твердых топлив  = 0,0043). При сжигании газообразного топлива температура загрязненной стенки труб пароперегревателя (⁰С)

t₃ = t + 25, (11.1.11)

где t  среднеарифметическое значение температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя.

Рис. 11.8. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к пере­гретому пару при продольном смывании змеевиков пароперегревателя

14. Определим коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2К):

- для запыленного потока (при сжигании твердых топлив):

_л = _на; (11.1.13)

- для не запыленного потока (при сжигании жидкого и газо­образного топлива):

_л = _нс_га, (11.1.14)

где _н  коэффициент теплоотдачи излучением, определяется из номограммы, показанной на рисунке 11.4; с_г  поправка, вводимая при отсутствии золовых частиц в продуктах сгорания (см. рис. 11.4); а  степень черноты продуктов сгорания.

15. Подсчитаем коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке труб пароперегревателя, Вт/(м²К)

₁ = (_к + _л), (11.1.15)

где  – коэффициент использования (для поперечно омываемых пучков труб конвективных пароперегревателей принимается  = 1); _к – коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м²К).

16. Определяем коэффициент теплопередачи. Для шахматных и коридорных пучков труб при сжигании газа и мазута, а также коридорных пучков при сжигании твердого топлива, Вт/(м²К),

, (11.1.16)

где   коэффициент тепловой эффективности, при коридорном расположении труб и сжигании твердых топлив определяется из таблицы 7.1; при сжигании газа принимается  = 0,85; при сжигании мазута с _т > 1,03 определяется из таблицы 7.2.

17. Вычисляем количество теплоты, воспринятое пароперегревателем (кДж/кг или кДж/м³)

Q_т= . (11.1.17)

18. По принятым двум значениям температуры и полученным значениям Q_б и Q_т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после пароперегревателя (метод изложен в п. 13 раздела 7.1).

19. По найденной температуре , p и уравнению (10.22) определим Q_б, а из уравнения (10.23)  энтальпию пара на выходе из пароохладителя I_ПО. На этом расчет первой части пароперегревателя заканчивается.

Расчет второй (по ходу продуктов сгорания) части пароперегревателя, имеющего пароохладитель, включенный в рассечку, и расчет пароперегревателей без пароохладителей, схемы которых показаны на рис. 7.6, ав, производится в следующей последовательности:

1. По чертежам определяется 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. Выбираются основные расчетные параметры: температура продуктов сгорания перед пароперегревателем или перед частью его (берется из расчета предыдущей поверхности нагрева), давление, температура и энтальпия перегретого пара (или энтальпия перегретого пара после второй части пароперегревателя).

Энтальпия пара после второй части пароперегревателя (кДж/кг)

. (11.1.18)

3. Из таблиц для перегретых паров по величине i'_пo и давлению пара находится температура перегретого пара после второй части пароперегревателя.

4. Определяется тепловосприятие пароперегревателя (кДж/кг или кДж/м³):

- без пароохладителя

; (11.1.19)

- с поверхностным пароохладителем (при расчете второй части пароперегревателя):

; (11.1.20)

- с выпрыскивающим пароохладителем

, (11.1.21)

где i_пе  энтальпия перегретого пара, кДж/кг; i'_no  энтальпия пара после второй части пароперегревателя, кДж/кг; D  расход перегретого пара, кг/с; В_р  расход топлива, м³/с или кг/с; D  расход охлаждающей воды на впрыскивающий пароохла­дитель, кг/с.

Расход воды на впрыскивающий пароохладитель (кг/с)

D = D , (11.1.22)

где i_ж  энтальпия воды, подаваемой в пароохладитель (при впрыске «собственного конденсата» парового котла определяется по таблицам водяных паров для давления в конденсаторе).

5. Из уравнения теплового баланса определяем энтальпию продуктов сгорания после всего пароперегревателя или его второй части (кДж/кг или кДж/м³)

, (11.1.23)

где I_пп  энтальпия продуктов сгорания перед пароперегревателем (известна из расчета предыдущей поверхности нагрева), кДж/кг или кДж/м³;   коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (11.28); I⁰_в  энтальпия теоретического объема воздуха, определяется по формуле (11.5); Q_ne  тепловосприятие пароперегревателя или его части.

6. По величине I_пп из таблицы 4.5 при зажанном коэффициенте избытка воздуха после пароперегревателя определяем температуру продуктов сгорания после пароперегревателя.

7. При расчете второй части пароперегревателя коэффициент теплопередачи следует принимать равным коэффициенту теплопередачи, рассчитанному для первой части. В остальных случаях расчет коэффициента теплопередачи выполняется в последовательности, описанной при расчете первой части пароперегревателя (пп. 8  16).

8. В зависимости от схемы взаимного движения продуктов сгорания и пара определяется температурный напор: при противотоке и прямотоке по формуле (10.19), при последовательно-смешанном токе по формуле (11.24).

9. По уравнению теплопередачи определяется теплота, воспринятая пароперегревателем (кДж/кг или кДж/м³)

. (11.1.24)

10. Производится сравнение тепловосприятий пароперегревателя Q_т и Q_ne (в процентах), определяемых по уравнениям (11.25), (11.26)(11.27):

. (11.1.25)

Если расхождение между Q_т и Q_ne составляет не более 2 % (при отсутствии пароохладителя не более 3 %), расчет пароперегревателя считается оконченным, так как существующая поверхность нагрева обеспечит необходимую температуру перегретого пара.

В противном случае следует определить необходимую площадь поверхности нагрева всего пароперегревателя или его второй части (м²)

. (11.1.26)

Уменьшение поверхности нагрева пароперегревателя или его второй части может быть достигнуто укорачиванием змеевиков или удалением (вырезкой) отдельных змеевиков. При удалении змеевиков образовавшиеся коридоры должны быть заложены огнеупорным кирпичом, т. е. площадь живого сечения и поперечный шаг змеевиков S₁ должны быть сохранены прежними. Увеличение поверхности нагрева пароперегревателя или его второй части может быть достигнуто удлинением змеевиков.

11.2. РАСЧЕТ ВОДЯНЫХ ЭКОНОМАЙЗЕРОВ

При установке только водяного экономайзера рекомендуется следующая последовательность его расчета:

1. По уравнению теплового баланса определяется количество теплоты (кДж/кг или кДж/м³), которое должны отдать продукты сгорания при принятой температуре уходящих газов:

, (11.2.1)

где I_эк  энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, определяется из таблицы 4.5 по температуре продуктов сгорания, известной из расчета предыдущей поверхности нагрева, кДж/кг или кДж/м³; I_эк  энтальпия уходящих газов, определяется из таблицы 4.5 по принятой в начале расчета температуре уходящих газов, кДж/кг или кДж/м³;   коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (5.28); _эк  присос воздуха в экономайзер, принимается по таблице 4.1; I⁰_в  энтальпия теоретического количества воздуха, определяется по формуле (5.5).

2. Определяем энтальпия воды после водяного экономайзера (кДж/кг). Для этого нужно приравнять теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере,:

, (11.2.2)

где i_эк  энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг; D – пар – производительность котла, кг/с; D_пр  расход продувочной воды, кг/с.

По энтальпии воды после экономайзера и ее давлению из таблиц для воды и водяного пара нужно определить температуру воды после экономайзера t_эк. Если полученная температура воды окажется на 20 °С ниже температуры при заданном давлении в барабане котла, то для котлов давлением до 2,4 МПа к установке принимают чугунный водяной экономайзер. При несоблюдении указанных условий к установке следует принять стальной змеевиковый водяной экономайзер.

3. В зависимости от направления движения воды и продуктов сгорания нужно определим температурный напор по уравнению (10.19).

4. Далее нужно 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 котла. Конструктивные характеристики труб чугунных экономайзеров ВТИ приведены в таблице 7.3. Число труб в ряду для чугунных экономайзеров должно быть не менее трех и не более 10.

Таблица 7.3. Конструктивные характеристики труб чугунных экономайзеров ВТИ и ЦККБ

Характеристика одной трубы	Экономайзер ВТИ				Экономайзер ЦККБ
Длина, мм	1500	2000	2500	3000	1990
Площадь поверхности нагрева с газовой стороны, м2	2,18	2,95	3,72	4,49	5,50
Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2	0,088	0,120	0,152	0,184	0,21

Стальные экономайзеры выполняются в виде змеевиков из труб с наружным диаметром 2838 мм (толщина стенки до 4 мм). В промышленных котлах вертикальной ориентации змеевики обычно располагаются параллельно фронту котла. Для более компактной компоновки стального экономайзера применяют шахматное расположение труб и минимальные относительные шаги S₁/d и S₂/d. При этом относительный шаг S₁/d = 2,2 – 3,5, а минимальный относительный шаг для однониточных змеевиков при холодной гибке труб S₂/d = 2.

Число параллельно включенных змеевиков в пакете:

, (11.2.3)

где d  расход воды через экономайзер, кг/с;   массовая скорость воды на входе в экономайзер, должна быть 600800 кг/(м^г-с); d_вн  внутренний диаметр трубы, мм.

5. Действительная скорость продуктов сгорания в экономайзере (м/с) определяется по формуле

, (11.2.4)

где В_р  расчетный расход топлива, кг/с или м³/с; V_г  объем продуктов сгорания при среднем коэффициенте избытка воздуха, определяется из табл. 4.3; _эк ‑ среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, °С; F_эк  площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м².

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания:

- при установке чугунного водяного экономайзера

F_эк = z₁∙F_тр; (11.2.5)

- при установке стального водяного экономайзера

F_эк = a∙b - z₁∙l∙d, (11.2.6)

где F_тр  площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания одной трубы, берется из таблицы 7.3; z₁  число труб в ряду; а и b  размеры газохода, м; l  длина змеевика, м; d  наружный диаметр труб, м.

6. Определение коэффициента теплопередачи. Для чугунных экономайзеров коэффициент теплопередачи K = k_нс определяется с помощью номограммы рисунка 7.9.

Для стальных водяных экономайзеров при сжигании газа и мазута (шахматные и коридорные пучки), а также для коридорных пучков при сжигании твердого топлива коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К),

К = ∙₁, (11.2.7)

где   коэффициент тепловой эффективности, для газа и мазута принимается по таблице 7.2, а для твердого топлива  по таблице 7.1; ₁  коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке труб, определяется по формуле (10.16).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, входящий в формулу (10.16), определяется, как указано в п. 7 раздела 7.1, а коэффициент теплоотдачи _л, учитывающий передачу теплоты излучением, подсчитывается в соответствии с пп. 8 и 9 этого же раздела. При этом температура загрязненной стенки водяного экономайзера определяется по формуле

t₃ = t + t, (11.2.8)

где t  средняя температура охлаждающей среды, принимается равной полусумме температур воды на входе в экономайзер и на выходе из него, °С; t при температуре продуктов сгорания >400 °С и сжигании твердых и жидких топлив принимается равным 60 °С, а при   400 °С  равным 25 °С. При сжигании газа для обоих случаев t = 25 °С.

Рис. 7.9. Коэффициент теплопередачи для чугунных экономайзеров

7. Далее определяем площадь поверхности нагрева водяного экономайзера (м²)

. (11.2.9)

8. По полученной поверхности нагрева экономайзера окончательно устанавливаются его конструктивные характеристики. Для чугунного экономайзера определим общее число труб и число ря­дов по формулам:

n = H_эк/Н_тр; (11.2.10)

m = n/z₁, (11.2.11)

где H_тр  площадь поверхности нагрева одной трубы, м²; z₁  принятое число труб в ряду.

Для стального экономайзера определяется длина каждого змеевика (м), число петель и полную высоту пакетов экономайзера (м):

; (11.2.12)

z_пет = l_зм/а; (11.2.13)

h_эк = z_петS_пет, (11.2.14)

где d  наружный диаметр труб экономайзера, м; z  полное число труб экономайзера, включенных параллельно; а'  длина пакета экономайзера, м; S_пет = 2S₂  шаг петли экономайзера, м; S₂  расстояние между осями соседних рядов труб по ходу продуктов сгорания, м.

9. Невязка теплового баланса (кДж/кг или кДж/м³) определяется по формуле:

Q = _бр – (Q_л+Q_к+Q_пе+Q_эк)(1q₄/100), (11.2.15)

где Q_л, Q_л, Q_пе, Q_эк  количества теплоты, полученные лучевоспринимающими поверхностями топки, котельными пучками, пароперегревателем и экономайзером; в формулу подставляют значения, определенные из уравнения баланса.

При правильном расчете невязка не должна превышать 0,5% .