2. Котельные установки (ку)

Основные способы сжигания топлива и типы топочных устройств.

В котельных установках и печах используют различные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное. По способу сжигания топлива топки делятся на три основных типа: слоевые, факельные и вихревые. Факельные и вихревые топки объединяют в общий класс камерных топок.

В слоевых топках (рисунок а), сжигается твердое топливо. Топливо 2 находится на колосниковой решетке 1, а воздух, необходимый для горения, подается под решетку и проходит сквозь слой топлива. Процесс горения, в основном, происходит в слое топлива, а в топочном объеме происходит лишь догорание газообразных продуктов. Шлак проваливается через отверстия в колосниковой решетке, а затем удаляется. Этот способ сжигания имеет ряд недостатков: большой коэффициент избытка воздуха, значительные потери от механической неполноты сгорания топлива, неэффективное использование топочного объема.

В факельных топках (рисунок б), сжигается твердое, жидкое и газообразное топливо. При сжигании твердого топлива требуется его предварительный размол до пылевидного состояния. При этом способе сжигания топливо и воздух подаются через горелки 2 в топочный объем 1, и горение происходит в объеме топки. Преимущество этого способа сжигания в полноте использования топочного объема, меньших коэффициентах избытка воздуха, меньшей неполноты сгорания топлива и полной механизации топочных процессов.

В вихревых топках (рисунок в), сжигается твердое, жидкое и газообразное топливо. Их конструкция предусматривает установку циклонного предтопка 1, где за счет интенсификации процесса горения развиваются высокие температуры, плавящие золу и шлак (в случае сжигания твердого топлива). Чтобы несгоревшее топливо преждевременно не уносилось из циклона, на выходе из него имеется горловина 2. Шлак находится в жидком состоянии, что облегчает его улавливание и отвод из топки.

На практике самые распространенные топки  факельные.

Общие сведения о котельной установке. Котельная установка состоит из котельного агрегата (КА), предназначенного для получения пара или горячей воды и вспомогательного оборудования, для подготовки и подачи топлива, воздуха, воды, а также удаления продуктов сгорания.

КА, в зависимости от мощности и вида сжигаемого топлива, оборудуются слоевой, факельной или вихревой топкой. Для нормальной работы КА необходимо организовать движение (циркуляцию) воды и пароводяной смеси. По способу организации циркуляции КА делятся на котлы с естественной циркуляцией, многократной принудительной циркуляцией и прямоточные.

Рассмотрим схему котельной установки с КА с естественной циркуляцией и факельной топкой, предназначенной для сжигания газообразного или жидкого топлива (см. рисунок).

В топке 1 сжигается топливо, подаваемое через горелку. Образующиеся газообразные продукты сгорания передают часть теплоты (в основном излучением) кипящей воде, движущейся в кипятильных трубах 2, расположенных на стенках топки. Эти поверхности нагрева называются экранами. Далее продукты сгорания проходят через верхнюю часть заднего экрана 3, называемую фестоном (разреженные трубы заднего экрана), и последовательно омывая пароперегреватель 4, экономайзер 5, воздухоподогреватель 6, охлаждаются до температуры 180-120 ^оС и с помощью дымососа 9 через дымовую трубу 10 выбрасываются в атмосферу.

Прошедшая предварительную подготовку вода (очищенная от солей жесткости и растворенных газов) подается в экономайзер 5, где подогревается до температуры близкой к температуре кипения при данном давлении, после чего поступает в барабан котла 7. Отсюда она по опускным трубам 8 поступает в экранные трубы 2. Образующаяся в экранных трубах парожидкостная смесь попадает в барабан 7. Здесь происходит ее сепарация: жидкость отделяется от пара и снова поступает в опускные трубы 8, а насыщенный пар – в пароперегреватель 4 где перегревается до требуемой температуры и направляется к потребителю.

Атмосферный воздух, необходимый для горения топлива, подается вентилятором в воздухоподогреватель 6, где подогревается до заданной температуры, после чего подается через горелки в топку.

Котельный агрегат и его элементы. КА производственных и энергетических котельных подразделяют в зависимости от давления на: КА низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14 МПа) и сверхвысокого давления (25-31Мпа).

Котельные агрегаты с паропроизводительностью 0,01-5,5 кг/с относятся к котлам малой мощности, с производительностью до 30 кг/с к котлам средней мощности и производительностью > 30 кг/с (до 500-1000 кг/с) – к котлам большой мощности.

По конструкции КА можно разделить на два типа – газотрубные и водотрубные. Более совершенными являются водотрубные паровые котлы. Они имеют развитые поверхности нагрева, состоящие из труб, заполненных водой или пароводяной смесью, которые снаружи обогреваются продуктами сгорания топлива.

П ри работе КА важно обеспечить надежное охлаждение поверхностей нагрева, в которых происходит парообразование. Для этого необходимо соответствующим образом организовать движение воды и пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева. По характеру организации движения рабочего тела в испарительных поверхностях котельные агрегаты делятся на три типа: с естественной циркуляцией (рис а); с принудительной циркуляцией (рис б); прямоточные (рис в).

Рассмотрим работу прямоточного КА (рис. в). Питательная вода подается в конвективный экономайзер 6, где она подогревается за счет теплоты газов, и поступает в экранные трубы 1, выполненные в виде параллельно включенных змеевиков, расположенных на стенах топочной камеры. В нижней части змеевиков вода нагревается до температуры насыщения. Парообразование до степени сухости 70-75% происходит в змеевиках среднего уровня расположения. Затем пароводяная смесь поступает в переходную конвективную зону 4, где происходит окончательное испарение воды и частичный перегрев пара. Из переходной зоны пар направляется в радиационный перегреватель 2, затем доводится до заданной температуры в конвективном перегревателе 3 и поступает к потребителю. В опускной шахте КА расположены первая (по ходу газов) и вторая ступени 5 и 7 воздухоподогревателя.

К основным элементам КА относятся пароперегреватели, экономайзеры и воздухоподогреватели. Пароперегреватель представляет собой змеевиковую поверхность теплообмена, предназначенную для перегрева пара (повышения температуры выше температуры кипения), полученного в испарительной части КА. Пар движется внутри трубок, омываемых снаружи дымовыми газами. Пароперегреватель – неотъемлемый элемент энергетических КА.

Водяные экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды, до поступления ее в испарительную часть КА, за счет теплоты дымовых газов. Применение экономайзера существенно увеличивает КПД котельного агрегата.

В зависимости от применяемого материала экономайзеры делятся на чугунные и стальные, по типу поверхности – на ребристые и гладкотрубные, по степени подогрева воды – на не кипящие и кипящие.

Воздухоподогреватели предназначены для подогрева воздуха, до поступления его в топку КА, за счет теплоты дымовых газов. При этом уменьшаются потери теплоты с уходящими газами, а горячий воздух, направляемый в топку котла, улучшает условия сгорания топлива и уменьшает потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания, повышает температуру горения, интенсифицирует теплообмен, что в итоге повышает КПД установки. В среднем понижение температуры уходящих газов на каждые 20-25 ^оС повышает КПД примерно на 1%.

Тепловой баланс котельного агрегата.

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает связь между количеством подведенной и расходуемой теплоты. На основании теплового баланса определяют расход топлива и вычисляют КПД котельного агрегата.

Суммарное количество теплоты, внесенной в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой Q_Р. В общем случае

,

где Q^р_н  низшая теплота сгорания топлива;

h_тл  физическая теплота топлива, вносимая в топку;

Q_хв  теплота холодного воздуха поступающего в воздухоподогреватель котла и воздуха проникшего в топку извне в виде присоса (присосы воздуха имеют место вследствие наличия неплотностей в стенках котла и разности давлений в газоходах котла и окружающей среды);

Q_пар  теплота, вносимая в топку с паром, используемым для распыления мазута и обдувки поверхностей нагрева.

Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q_р = Q^р_н.

В общем случае тепловой баланс записывается в виде:

Q_Р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆,

где Q₁  полезно использованная теплота, расходуемая на подогрев воды, парообразование и перегрев пара;

Q₂ – потери теплоты с уходящими из котельного агрегата газами (имеют место т.к. температура газов на выходе из котла 120-200^оС);

Q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, т.е. обусловлены наличием в продуктах сгорания продуктов неполного горения;

Q₄ – потери теплоты от механического недожога (не полностью сгоревшее топливо);

Q₅ – потери теплоты через ограждения КА (в окружающую среду);

Q₆ – потери с физическим теплом шлака (для котлов, работающих на твердом топливе).

Если представить тепловой баланс в процентах получим:

q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ = 100 %.

Доля теплоты, использованной в КА представляет собой КПД котла брутто _КА (без учета затрат на собственные нужды):

= q₁ = 100  (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆).

Расход топлива в котельном агрегате можно определить из выражения:

.

Основы теплоснабжения промышленных предприятий

Теплота потребляется промышленными предприятиями в виде пара или горячей воды и расходуется на технологические нужды, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Расход теплоты на технологические нужды

Расчет расхода теплоты на технологические нужды проводят для конкретного предприятия или на основании существующих норм потребления теплоты на единицу выпускаемой продукции, или на основании данных о тепловом оборудовании, входящем в состав технологических линий. При этом учитывается неравномерность загрузки оборудования. Целью расчета является определение полного расхода теплоты по месяцам года.

Расход теплоты на отопление

Расход теплоты можно определить по формуле:

Q_o = q_oV(t_в  t_н),

где V  объем отапливаемого здания по наружному обмеру, м³;

t_в  температура внутри отапливаемого помещения, которую принимают в соответствии со строительными номами и правилами (СНиП);

t_н  наружная температура воздуха, принимаемая по СНиП в зависимости от географического месторасположения предприятия, температура наиболее холодной пятидневки;

q_o  удельная отопительная характеристика здания, определяется в соответствии со СНиП.

Продолжительность отопительного периода определяют в соответствии с СНиП, например, для г.Краснодара 148 дней.

При расчете отопления следует учитывать возможные тепловыделения в помещении (технологические машины, установки и т.д.). Если эти тепловыделения превышают потери теплоты через ограждающие стены, то предусматривается только дежурное отопление действующее при перерывах в работе.

Расход теплоты на вентиляцию

Назначение вентиляции  поддерживать состояние воздуха, удовлетворяющее требованиям гигиены. Интенсивность воздухообмена зависит от интенсивности загрязнения воздуха в помещении и характеризуется кратностью воздухообмена  К. Поступающий воздух в холодный период времени подогревают в калориферах за счет пара или горячей воды.

Расход теплоты на вентиляцию определяют по формуле:

Q_в = КV_вС'_Р(t_в  t_н),

где V_в  объем здания по внутреннему обмеру, м³;

t_в  температура внутри помещения, принимают по СНиП;

t_н  наружная температура воздуха для вентиляции, принимаемая по СНиП;

С'_Р  изобарная объемная теплоемкость воздуха, которую можно принять 1,3 кДж/(м³К).

Расход теплоты на горячее водоснабжение

Если горячее водоснабжение связано с технологическими нуждами, то это учитывается соответствующими нормами расхода теплоты на технологические нужды.

Кроме этого определяется расход теплоты на сантехнические нужды: мытье рук, душ, мытье пола и т.д. Расход воды и ее температура определяются в соответствии с нормами в зависимости от вида производства, количества работающего персонала, количества рабочих смен и т.д.

Расход теплоты определяют по формуле:

Q_гв = МС_Рt,

где М  массовый расход горячей воды;

t  разность между температурой горячей и холодной воды, можно принять 30-40^оС;

С_Р  изобарная массовая теплоемкость воды, которую можно принять 4,2 кДж/(кгК).

Выбор системы теплоснабжения

Теплоснабжение предприятия возможно от существующей районной котельной или ТЭЦ, обслуживающей группу предприятий, или от индивидуальной котельной расположенной на территории предприятия. Первая система теплоснабжения целесообразна если предприятие расположено от действующей котельной на расстоянии не превышающем 5-7 км. В противном случае теплоснабжение осуществляют от собственной котельной.

Для определения количества пара или горячей воды, необходимых для теплоснабжения промышленного предприятия, проводят анализ годового и суточного графиков максимальных часовых нагрузок. Эти графики строят по результатам расчета расхода теплоты на технологические нужды, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

61