3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения.

Для организации процесса горения в топку парогенератора и водогрей­ного котла необходимо подавать воздух и удалять образующиеся продукты сгорания. Подача воздуха и удаление продуктов сгорания могут быть осуще­ствлены двумя способами: созданием в топке и газоходах разрежения, т. е. давления, меньшего чем давление окружающего воздуха, и избыточного дав­ления по отношению к окружающему воздуху.

Парогенераторы, работающие с разрежением в газовом тракте, могут иметь тягу и подачу воздуха естественную и искусственную. Под естествен­ной тягой понимают такую, при которой разрежение в топке и газоходах па­рогенератора создается дымовой трубой и вследствие этого под действием разности давлений (окружающего воздуха и продуктов сгорания) в топку по­ступает воздух, необходимый для горения. При искусственной тяге разреже­ние в топке и газоходах парогенератора создается за счет работы дымососа, а подача воздуха производится вентилятором.

Тяга в дымовой трубе при работе котельной установки возникает сле­дующим образом (рис. 7.1). На сечение 1-1 дымовой трубы со стороны входа продуктов сгорания создается давление окружающего воздуха, имеющего плотность р_а. Внутри дымовой трубы находятся продукты сгорания, кото­рые, имея плотность р, также оказывают давление на сечение 1-1. Давление столба воздуха на сечение 1-1, соответствующее высоте дымовой трубы Н, будет равно Нр_ад, а продуктов сгорания Нрд, где д - ускорение свободно­го падения, м/с². Однако плотность продуктов сгорания р меньше плотности окружающего воздуха. В результате этого на сечение 1-1 будет действовать разность давлений, которая и создает тягу.

Тяга, Па, может быть определена по формуле:

h=Hg(р_а-р). (7.3.1)

Рис. 7.1. Схема возникновения естественной тяги:

G - масса столба возду­ха; G₁ - масса столба газов.

Из уравнения ясно, что тяга, создаваемая дымовой трубой, тем больше, чем больше высота дымовой трубы и разность плотностей воздуха и продук­тов сгорания. Эта разность плотностей будет возрастать с увеличением тем­пературы продуктов сгорания в дымовой трубе и уменьшением температуры окружающего воздуха.

Парогенераторы и водогрейные котлы, в которых топка и газоходы на­ходятся под избыточным давлением по отношению к окружающему воздуху, называются работающими под наддувом. В этих агрегатах подача воздуха и удаление продуктов сгорания производится под действием вентилятора, т. е. принудительно.

Современные промышленные парогенераторы и водогрейные котлы имеют сложный профиль воздушного и газового трактов вследствие приме­нения развитых хвостовых или конвективных поверхностей нагрева, что привело к увеличению общего аэродинамического сопротивления тракта. Одновременно уменьшение температуры уходящих газов снизило тягу, соз­даваемую дымовой трубой. По этим причинам промышленные парогенераторы производительностью более 2 т/ч имеют, как правило, искусственную тя­гу и дутье. Дымовая труба при этом служит не для создания разрежения, а для выброса продуктов сгорания в более высокие слои атмосферы с целью улучшить рассеяние вредностей, содержащихся в них (летучая зола, серни­стый ангидрид, окислы азота).

При работе газового тракта под разрежением через неплотности в об­муровке и других элементах агрегата происходят присосы атмосферного воз­духа в топку и газоходы, что увеличивает потери тепла с уходящими газами, а также приводит к излишней загрузке дымососа и, соответственно, росту расхода электроэнергии на его привод. В то же время через неплотности не происходит выброса продуктов сгорания в помещение цеха.

В парогенераторах и водогрейных котлах, работающих под наддувом, нет присосов холодного воздуха в газовый тракт, что заметно повышает их экономичность, а отсутствие дымососа упрощает установку. В то же время конструкция газового тракта агрегата усложняется и удорожается.

3.2 Аэродинамические сопротивления и cамотяга.

Движение продуктов сгорания и воздуха, рассматриваемое как движе­ние вязких жидкостей, имеет турбулентный характер и происходит при из­меняющейся температуре, так как продукты сгорания охлаждаются, а воздух при наличии воздухоподогревателя нагревается. При движении продуктов сгорания, обладающих вязкостью, возникают сопротивления, препятствую­щие их движению. На преодоление этих сопротивлений затрачивается часть энергии, которой обладает движущийся поток жидкости.

Возникновение сопротивлений обусловлено силами трения; движуще­гося потока о стенки канала и возрастанием внутреннего трения в потоке при появлении на его пути различных препятствий. Для преодоления сопротив­лений движущийся поток должен обладать определенным избыточным напо­ром, который по мере продвижения по тракту будет падать.

Падение полного напора на каком-либо участке газового или воздуш­ного тракта определяется, Па, по уравнению для несжимаемой жидкости (обычно поправка на сжимаемость вносится приближенно в конце расчета):

(7.3.2)

где ∆h - сопротивление участка, т. е. потеря полного давления, Па;

z₁ и z₂ - геометрические отметки сечений участка (высота расположения их относительно выбранной плоскости отсчета), м;

ρ_а - плотность атмосферного воздуха, принимаемая постоянной в преде­лах небольших изменений высоты, кг/м³;

ρ - плотность протекающей среды, кг/м³.

Величина (z₂ - z₁)g(ρ_а - ρ) называется самотягой. При равенстве плотностей протекающей среды ρ и атмосферного воздуха ρ_а, а также при горизонтальном расположении газовоздухопровода самотяга равна нулю.

Аэродинамическое сопротивление какого-либо участка тракта склады­вается из сопротивления трения и местных сопротивлений. Для парогенера­торов и водогрейных котлов к указанным сопротивлениям добавляется осо­бый вид сопротивления - сопротивление поперечно омываемых пучков труб.

Сопротивление трения возникает при движении потока в прямом кана­ле постоянного сечения, в продольно омываемых трубных пучках и в пла­стинчатых поверхностях нагрева.

Для изотермического потока (при постоянной плотности и вязкости протекающей среды) сопротивление трения (Па) определяется по формуле

(7.3.3)

где λ - коэффициент сопротивления трения, зависящий от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса;

1 - длина канала, м;

ω - скорость протекающей среды, м/с;

d_э - эквивалентный (гидравлический) диаметр, м;

ρ - плотность протекающей среды, кг/м³.

Эквивалентный (гидравлический) диаметр подсчитывается по формуле

(7.3.4)

где F - живое сечение канала, м ;

U - полный периметр сечения, омываемый протекающей средой, м.

Местные сопротивления, Па, рассчитываются по формуле

(7.3.5)

где ζ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от геометриче­ской формы участка (а иногда и от критерия Рейнольдса) .

Сопротивление поперечно омываемых гладких и ребристых труб, Па, определятся по формуле

(7.3.6)

где ζ - коэффициент сопротивления, зависящий от числа рядов и располо­жения труб в пучке, а также от критерия Рейнольдса.

Самотяга в газоходе возникает вследствие разности плотностей окру­жающего воздуха и продуктов сгорания. Возникновение самотяги в газохо­дах аналогично появлению тяги в дымовой трубе, которое было описано в предыдущем параграфе. Самотяга, Па, любого участка газового тракта, а также дымовой трубы при искусственной тяге вычисляется по формуле

(7.3.7)

где Н=z₂ – z₁ расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечения данного участка, м;

ρ - абсолютное среднее давление продуктов сгорания на участке (при избыточном давлении меньше 5000 Па принимается р/101080 = 1), Па;

ρ_о - плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м³;

υ - средняя температура продуктов сгорания на данном участке, °С; 1,20 - плотность наружного воздуха при давлении 101080 Па и температуре 20° С, кг/м³.

При расчете самотяги по температуре наружного воздуха, отличаю­щейся от 20° С более чем на 10° С, вместо значения 1,20 подставляется соот­ветствующее значение плотности воздуха.

Самотяга может иметь как положительное, так и отрицательное значе­ние. Если продукты сгорания движутся снизу вверх, самотяга имеет положи­тельное значение, т.е. будет создавать дополнительный напор, который мож­но использовать для преодоления сопротивлений. При движении продуктов сгорания сверху вниз (как это имеет место в опускных газоходах) самотяга будет отрицательной, т.е. для ее преодоления потребуется дополнительный напор. Тяга, создаваемая дымовой трубой, всегда положительна.

3.3 Дымососы и вентиляторы.

Вентиляторы, обеспечивающие подачу в топку воздуха, необходимого для организации процесса горения, называются дутьевыми вентиляторами. Вентиляторы, предназначенные для удаления продуктов сгорания и преодо­ления сопротивлений газового тракта котельной установки, называются ды­мососами.

Выбор тягодутьевых машин производится по расходу продуктов сгора­ния и воздуха, а также сопротивлению газового и воздушного тракта. Дымо­сос и вентилятор должны иметь производительность, при которой обеспечи­вается удаление образовавшихся продуктов сгорания и подача воздуха, необ­ходимого для горения при номинальной мощности парогенератора или водо­грейного котла. Учитывая колебания барометрического давления, изменение качества топлива, загрязнения поверхностей нагрева в процессе эксплуата­ции, технические допуски на отклонения заводских напорных характеристик, при выборе машин их производительность и напор выбирают с запасом.

Расход продуктов сгорания у дымососа, м³/ч, определяется по форму­ле:

(7.3.8)

где В_р - расчетный расход топлива с учетом механического недожога, кг/ч или м³/ч;

К_г,_ух - объем продуктов сгорания (уходящие газы) на 1 кг твердого или жидкого топлива или на 1 м³ газа при коэффициенте избытка воздуха по­сле золоуловителя, м³/кг или м³/м³;

∆а - присос воздуха от золоуловителя до дымососа;

V⁰ - теоретическое количество воздуха, необходимое для горения, м³/кг или м³/м³ ;

υ_д - температура продуктов сгорания перед дымососом; при значении присоса воздуха после воздухоподогревателя меньше 0,1 принимается равной температуре продуктов сгорания после воздухоподогревателя, а при присосах больше 0,1 подсчитывается по формуле

(7.3.9)

где а_ух и υ_ух - избыток воздуха и температура продуктов сгорания за возду­хоподогревателем;

t_хв - температура холодного воздуха. Количество холодного воздуха, м³/ч, забираемого дутьевым вентилято­ром, определяется по формуле:

(7.3.10)

где α_т - коэффициент избытка воздуха в топке;

∆а_m и ∆а_пл - присосы воздуха в топку и систему пылеприготовления;

∆а_вп - относительная утечка воздуха в воздухоподогревателе, принима­ется равной присосу воздуха по газовой стороне.

При рециркуляции части горячего воздуха в воздухоподогревателе рас­ход воздуха через вентилятор, м³/ч, определяется по формуле:

(7.3.11)

где β_рц - относительное количество рециркулирующего горячего воздуха, определяемое в тепловом расчете воздухоподогревателя;

- температура подогретого в результате рециркуляции воздуха, °С.

На расход воздуха, определенный по формуле (7.3.11), рассчитывается воздухопровод от вентилятора до воздухоподогревателя и участок всасы­вающего воздухопровода после ввода рециркулирующего воздуха. Остальная часть всасывающего воздухопровода рассчитывается на расход холодного воздуха по формуле (7.3.10).

3.4 Выбор тягодутьевых машин.

Выбор дымососов и вентиляторов производится по заводским напор­ным характеристикам, приводимым в каталогах заводов-изготовителей. В ка­талогах характеристики дымососов (вентиляторов) построены по полному напору, создаваемому машиной при перемещении воздуха и продуктов сго­рания, имеющих указанную на характеристике температуру, при абсолютном давлении 101080 Па в сечении входа в машину.

Для выбора дымососа вентилятора по каталогу определяется его произ­водительность и полный приведенный напор. Расчетная производительность вентилятора (дымососа) определяется с учетом условий всасывания, т. е. избыточного давления или разрежения и температуры перед машиной:

(7.3.12)

где V - расход воздуха или продуктов сгорания при номинальной нагрузке парогенератора или водогрейного котла, м³/ч;

β₁ и β₂ - коэффициенты запаса по производительности и напору;

h_бвр - барометрическое давление в месте установки машины, Па;

Н_вх — разрежение (-) или избыточное давление (+) во входном сечении вентилятора, Па; учитывается только для машин с давлением больше 3000 Па.

Расчетный полный напор вентилятора (дымососа), Па, определяется по формуле:

(7.3.13)

где ∆Н_п - перепад полных давлений в газовом или воздушном тракте, Па.

Для выбора дымососа (вентилятора) по каталогу выпускаемых про­мышленностью машин необходимо полученный по формуле полный напор привести к условиям (по температуре и барометрическому давлению), при которых заводом-изготовителем дана напорная характеристика машины. Приведенный напор определяется по формуле:

(7.3.14)

где ρ₀ -плотность перемещаемых продуктов сгорания (воздуха) при 0° С и 101080 Па, кг/м³;

t - действительная температура продуктов сгорания (воздуха) перед машиной, °С;

t_хар - температура, для которой составлена заводская напорная характе­ристика машины, °С.

Мощность, кВт, потребляемая дымососом (вентилятором), определяется по формуле:

(7.3.15)

где Q_р - расчетная производительность на входе в машину, м³/ч;

η_э — к. п. д. машины в рабочей точке, определяемый по заводской на­порной характеристике, %.

Расчетная мощность электродвигателя, кВт, определяется по потреб­ляемой мощности с коэффициентом запаса β₃ = 1,05:

(7.3.16)

Правильный выбор тягодутьевых машин оказывает существенное влияние на мощность и экономичность работы котельной установки, по­скольку они потребляют около 60% электроэнергии собственных нужд ко­тельного цеха.

3.5 Дымовые трубы.

В современных промышленных и отопительных котельных дымовая труба служит не для создания необходимой тяги, а для отвода продуктов сго­рания, загрязненных летучей золой, несгоревшими частицами топлива, окис­лами серы и азота. Дымовые трубы для современных установок обычно со­оружаются из кирпича или железобетона с кирпичной футеровкой. Кирпич­ные трубы выполняются высотой до 100 м, а железобетонные - высотой до 250 м. Одна дымовая труба обычно обеспечивает удаление продуктов сгора­ния от 4-5 агрегатов.

Для установок с принудительной тягой расчет дымовой трубы сводится к определению диаметра ее выходного сечения и высоты по условиям рас­сеивания в атмосфере выбрасываемых вредностей до допустимых санитар­ ными нормами концентраций. При расчете газового тракта должна учиты­ваться самотяга, создаваемая дымовой трубой, и ее сопротивление. Сопро­тивление дымовой трубы складывается из потерь на трение при движении продуктов сгорания и на создание динамического напора, необходимого для получения определенной скорости продуктов сгорания на выходе из трубы. Для дымовых труб крупных промышленных и отопительных котельных вы­ходную скорость рекомендуется принимать ω_вых = 20 - 25 м/с.

Минимальная допустимая высота дымовой трубы, м, определяется по специальной методике из условия предельных допустимых концентраций зо­лы или 50₂ в атмосфере по формуле:

(7.3.17)

где А - коэффициент, зависящий от метеорологических условий местности (для субтропической зоны Средней Азии -240; для Средней Азии, Кавка­за, Сибири, Дальнего Востока - 200; для Севера и Северо-Запада Евро­пейской части РФ, Урала, Среднего Поволжья - 160); М - суммарный выброс 50₂ или золы, г/с;

ПДК - предельная допустимая концентрация SO₂ или золы (принимается равной 0,5 мг/м³, а для населенных пунктов, курортных зон и зон отдыха 0,4 мг/м³);

F - коэффициент, принимаемый при расчете по 50₂ равным 1, а при расчете по выбросу золы - равным 2 (к. п. д. золоуловителя не менее 90%) и равным 2,5 (к. п. д. золоуловителя от 75 до 90%);

- объемный расход продуктов сгорания через трубу при температуре их в выходном сечении, м³/с (охлаждение продуктов сгорания в дымовой трубе не учитывается);

∆Т - разность температур продуктов сгорания, выбрасываемых из трубы, и окружающего воздуха, К.

Диаметр устья трубы, м, определяется по формуле:

(7.3.18)

В соответствии со СНиП 11-35-76 к установке принимаются трубы, из кирпича и железобетона, имеющие следующие диаметры выходных отвер­стий: 1,2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0; 6,6; 7,2; 7,8; 8,4; 9,0 и 9,6 м. Высота дымовых труб должна приниматься 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150 и 180 м.

Лекция №8 (2 часа)

Тема: «Газовые сети»

1 Вопросы лекции:

1.1 Газоснабжение энергетических установок.

1.2 Газорегуляторные пункты и газорегуляторные установки.

1.3 Внутренние газопроводы.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

2.2.2 Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учебное пособие/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. -84 с.: ил.15.

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.4 Щеголев, М.М. Котельные установки : учебник для вузов / М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. – М.: Стройиздат, 1972. – 384 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.