Тепловой расчет котла-утилизатора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Днепродзержинский государственный технический университет
Кафедра промышленной теплоэнергетики
РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ
"Тепловой расчет котла-утилизатора"
Днепродзержинск
ДГТУ 2002
Произвести тепловой расчет котла-утилизатора, установленного за мартеновской печью.
Объем дымовых газов перед котлом V, температура дыма перед котлом t ДН  650 ºС.
Состав дымовых газов перед котлом, %: СО2  13 ; H 2 O  11 ; N 2 ; O2 . Подсос воздуха в
газоходах котла составляет V ПОД  0,05V , температура подсасываемого воздуха t ПОД  20 ºС.
Давление пара после перегревателя РПЕ  1800 кПа, температура пара t ПЕ . Температура
насыщенного пара в барабане котла при давлении 1900 кПа равна t '  210 ºС.
Температура питательной воды на входе в экономайзер t ПВ  100 ºС. Энтальпия
питательной воды і ПВ  419,1 кДж/кг. Энтальпия воды при температуре кипения в барабане
і Н'  896,6 кДж/кг. Коэффициент сохранения тепла равен   0,93 , процент продувки
  8 %. Степень черноты поверхностей трубок  СТ  0,8 . Коэффициент загрязнения
 1  0,005( м 2  С ) / Вт . При расчете принимать,
что котел-утилизатор работает без
предвключенной испарительной секции. Принципиальная схема котла-утилизатора с
принудительной циркуляцией без предвключенной испарительной поверхности приведена
на рисунке.
Цель расчета - определение количества производимого пара.
Исходные данные к расчетному заданию выбираются из табл.1. Краткая техническая
характеристика котлов-утилизаторов приведена в табл.2.
Рисунок - Принципиальная схема котла-утилизатора
Таблица 1. Исходные данные к расчетному заданию
№ варианта
V, м3/ч
Типоразмер
N2, %
О2, %
tпе, ºС
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
62000
64000
66000
68000
70000
72000
74000
76000
78000
82000
84000
86000
88000
90000
92000
94000
96000
98000
62000
64000
66000
68000
70000
72000
74000
76000
78000
82000
84000
86000
88000
90000
92000
94000
96000
98000
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 100 – 1
КУ – 100 – 1
КУ – 100 – 1
КУ – 100 – 1
КУ – 100 – 1
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 60 – 2
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 80 – 3
КУ – 100 – 1
КУ – 100 - 1
КУ – 100 - 1
КУ – 100 - 1
КУ – 100 - 1
71
72
73
74
75
71
72
73
74
75
71
72
73
74
75
71
72
73
74
75
71
72
73
74
75
71
72
73
74
75
71
72
73
74
75
71
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
5
300
305
310
315
320
325
330
335
345
350
355
360
365
370
375
380
385
390
390
385
380
375
370
365
360
355
350
345
335
330
325
320
315
310
305
300
Таблица 2. Краткая техническая характеристика котлов-утилизаторов
Тип котла
Параметр
КУ – 60 - 2 КУ – 80 - 3
Количество дымовых газов перед котлом, м3/ч
Расчетная температура газов, ºС:
перед котлом
уходящих
Рабочее давление пара, кПа
Температура пара, ºС
Расчетная паромеизводительность, т/ч
Поверхность нагрева, м2:
общая
пароперегревателя
испарительной поверхности
водяного экномайзера
предвключенного пакета
Живое сечение для дымовых газов fд, м2:
паронагревателя
испарительных секций (среднее значение)
экономайзера
Число рядов труб по ходу потока:
пароперегревателя
испарительных секций
экономайзера
Шаг труб по ширине пучка S1, мм:
испарительная секция
остальные
Шаг труб по глубине пучка S2, мм:
Диаметр труб всех змеевиков, мм:
внутренний
наружный
КУ – 100 – 1
60000
80000
100000
650
210
1800
340
13,2
650
210
1800
340
17,8
650
210
1800
340
22,4
903
70
540
247
46
1201
87
684
370
60
1550
110
895
460
85
5,06
5,33
4,55
6,34
6,37
6,36
8,04
8,08
7,67
8
54
2*20
8
76
2*20
8
78
2*20
172
86
70
172
86
70
172
86
70
26
32
26
32
26
32
Расчетная паропроизводительность котла-утилизатора, P, т/ч, определяется по формуле
(1)
P  3,4  Q / і ,
где Q - количество тепла, отдаваемое дымовыми газами, кВт;
і - количество тепла, воспринятое в котле 1 кг воды в процессе её превращения
в перегретый пар, кДж/кг.
Количество тепла, отдаваемое дымовыми газами, определяется как
(2)
Q  Vдо (іо  і ух  іпод ) ,
где Vдо - объем дымовых газов (с учетом подсоса воздуха), м³/с;
іо - энтальпия дымовых газов перед котлом, кДж/м³;
і ух - энтальпия дымовых газов после котла, кДж/м³;
іпод - энтальпия подсосанного воздуха, кДж/м³.
Для упрощения расчета объем дымовых газов, проходящих через котел, принимается
равным
Vдо  V  Vпод / 2 ,
(3)
где Vпод - подсос воздуха в газоходе.
Количество тепла, воспринятое в котле 1 кг воды, равно:
і  іпе  іпв  іпрод ,
(4)
где іпе - энтальпия перегретого пара, кДж/кг;
іпв - энтальпия питательной воды, кДж/кг;
іпрод - энтальпия продувочной воды, кДж/кг.
Энтальпия продувочной воды находится по формуле
іпрод  0,01  В(і  іпв ) ,
(5)
где і - энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг;
В - процент продувки, %.
Энтальпия перегретого пара находится по табл.3.
Таблица 3. Перегретый водяной пар при давлении 1,8 МПа
Температура, °C
Энтальпия,
кДж/кг
300 350 400
3025 3138 3249
'
Обычно температурой дымовых газов t дк в конце каждой секции задаются и в результате
теплового расчета проверяют эту температуру. Температура стенок труб принимается
равной средней температуре наружного слоя золовых отложений:
tст
где
Qc'
,
 0,5(tвн  tвк )  1
F
(6)
1 - коэффициент загрязнения, принимаемый равным 0,005/0,01,
(м² ºС)/Вт;
Qc' - ориентировочное количество тепла, отданного дымовыми газами в данной
секции, Вт;
F - поверхность нагрева данной секции (см. табл. 2), м²;
t вн , t вк - температура воды (пара) на входе и выходе из секции, ºС.
Ориентировочное количество тепла, отданного дымовыми газами в данной секции,
равно
'
Qc'  Vдо (ідн  ідк
),
(7)
где ідн , ідк - энтальпии дыма на входе и выходе из секции, Дж/м³.
Средняя температура дымовых газов находится по формуле
t д  0,5(t вн  t вк )  t ,
(8)
'
где t - средняя разность температур (температурный напор) между дымом и водой
(паром), ºС.
Температурный напор при противотоке определяется по формуле
t 
t н  t к
,
Ln(t н / t к )
(9)
где t н - разность температур горячего и холодного теплоносителя на входе
в теплообменник, ºС;
t к - то же, на выходе из теплообменника, ºС.
Для испарительной секции t вн  t вк  t - температура насыщения пара при давлении
в барабане, ºС.
Средний коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде (пару) рассчитывается
по формуле
'
K
з
,
1  1   з
(10)
где  з   изл   конв - суммарный коэффициент теплоотдачи,Вт/(м²·К).
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к шахматному пучку труб
секции определяется по формуле
 конв  0,295 k z k з ( / d ) Re 0,Є , ,
(11)
где k z - поправка, учитывающая число рядов труб в пучке по ходу
дымовых газов (для пароперегревателя k z = 0,95; для остальных секций k z  1 );
k з - поправка, учитывающая взаимное влияние труб (для испарительной секции
k з =1,24, для остальных k з =1,11);
 - коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/(м·К);
d - наружный диаметр трубок, м;
Re - критерий Рейнольдса.
Критерий Рейнольдса определяется по формуле
Re  Wд  d / V ,
(12)
где Wд - средняя скорость дымовых газов, м/с;
V - коэффициент кинематической вязкости дымовых газов, м²/с.
Средняя скорость дымовых газов равна
Wд  Vд / f д ,
(13)
где Vд - объемный расход дымовых газов через секцию, м3/с;
f д - живое сечение для дымовых газов (см. табл.2), м2.
Объемный расход дымовых газов через секцию находится по формуле
Vд  Vдо (t д  273) / 273 ,
(14)
где t д - средняя температура дымовых газов, ºС.
Теплофизические свойства определяются по табл.4 при средней температуре дымовых
газов.
Таблица 4. Теплофизические свойства дыма (CO2=13%; Н2О=11%) и воздуха.
Температура, ºC
0
100
200
300
400
500
600
700
λ·10², Вт/(м·К)
2,28
3,02
4,02
4,85
5,71
6,56
7,44
8,29
V·106, кДж/м3
12,20
21,54
32,80
45,81
60,38
76,30
93,61
112,1
І со2, кДж/м3
0
172
362
564
777
1002
1237
1475
І н2о, кДж/м3
0
150
303
461
624
792
965
1144
І N2, кДж/м3
0
130
261
392
527
665
805
940
І о2, кДж/м3
0
132
267
407
552
700
852
1005
І под, кДж/м3
0
130,4
-
-
-
-
-
-
Для приближенных расчетов коэффициента теплоотдачи излучением в системе труб
можно воспользоваться формулой
 ИЗЛ
[ Г (Т Г / 100) 4   Г .СТ (Т СТ / 100) 4 ]
 Со   СТ .ЭФ
,
Т Г  Т СТ
(15)
где Со=5,67 Вт/(м2·К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
 СТ ,ЭФ  (1   СТ ) / 2 - эффективная степень черноты; (16)
 Г ,  СТ - степени черноты дымовых газов и стенок труб;
 Г .СТ - степень черноты дымовых газов при температуре стенок труб;
Т Г , Т СТ - соответственно температуры дымовых газов и стенок труб, К.
Степень черноты дымовых газов находится по формуле
 Г   СО 2  В   Н 2О ,
(17)
где  СО 2 - степень черноты углекислого газа, содержащегося в дымовых газах;
 Н 2О - степень черноты водяных паров;
В - поправочный коэффициент.
Степень черноты дымовых газов при температуре стенок труб определяется по формуле
 Г .СТ   СО 2 (Т Г / Т СТ )0,65  В   Н 2О .
(18)
Степени черноты СО2 и Н 2 О являются функциями температуры Т и произведения
парциального давления р на эффективную длину луча S ЭФ , то рS ЭФ есть . Парциальное
давление газа в смеси, Па, определяется как произведение его содержания в смеси (в долях)
на абсолютное давление смеси (105 Па).
Эффективная длина луча в шахматном пучке определяется по формулам
(19)
А  (S1  S 2 ) / d ,
(20)
S ЭФ  (1,87  А  4.1)d , если А  7 ;
(21)
S ЭФ  (2,87  А  10,6)d , если А  7 .
Значения  CO 2 ,  Н 2О и B находятся по номограммам, приведенным на рис.13.3, 13.4 и
13.5 [1].
Фактическое количество тепла, воспринятое поверхностью нагрева данной секции
определяется по формуле
(22)
QC  F  K  t / Vдо .
Энтальпия дымовых газов на выходе из секции находится по формуле
(23)
ідк  ідн  QC /   іпод ,
где  - коэффициент сохранения тепла.
Истинное значение температуры дымовых газов в конце секции
находится по
интерполяционной формуле
'
'
t дк  t дн  (t дк
 t дн )  (ідк  ідн ) /(ідк
 ідн ) .
(24)
Расхождение между полученным и ранее принятым значениями температуры дымовых
газов на выходе из секции не должно превышать 5%. В противном случае следует задаться
полученным значением и расчет повторить.
Расчет котла-утилизатора выполняется в следующей порядке:
- выполняется расчет пароперегревателя;
- выполняется расчет испарительных секций;
- выполняется расчет экономайзера;
- выполняется расчет паропроизводительности котла.
Пример расчета пароперегревателя.
Расчет пароперегревателя выполняем для таких начальных условий:
- объем дымовых газов перед котлом V=85000 м3/ч;
- содержание в дымовых газах N2=70,5%, O2=5,5%;
- температура пара после пароперегревателя t пе =376 ºС;
- температура подсасываемого воздуха t под =30 ºС;
- остальные параметры соответствуют расчетному заданию.
Согласно табл.1 выбираем для установки за печью котел-утилизатор типа КУ – 80 - 3.
Определяется по формуле (3) расчетное количество дымовых газов, проходящих через
котел
V ДО  85000  0,05  85000 / 2  87125 м3/ч (24,2 м3/с)
'
 600 ºС.
Принимаем температуру дымовых газов за пароперегревателем t дк
По формуле (9) находим температурный напор
t  [(650  376)  (600  210)]Ln[(650  376) /( 600  210)]  329 ºС
По формуле (8) температура газового потока
t Д  0,5(376  210)  329  622 ºС
По формуле (14) объемный расход дымовых газов
V Д  24,2(622  273) / 273  79,3 м3/с
По формуле (13) средняя скорость дымовых газов
W Д  79,3 / 6,34  12,5 м/с
По табл.4 определяем теплофизические свойства дымовых газов при температуре 622 ºС,
используя интерполяционную формулу вида (24):
Коэффициент теплопроводности
  10 2  7,44  (8,29  7,44)(622  600) /(700  600)  7,627
  0,0763 Вт/(м·К)
Кинетическая вязкость
V  10 6  93,61  (112,1  93,61)(622  600) /(700  600)  97,68
V  97,68  10 6 м2/с
По формуле (12) критерий Рейнольдса
Re  12,5  0,032 / 97,68  10 6  4095
По формуле (11) коэффициент конвективной теплоотдачи
 КОНВ  0,295  0,95  1,11(0,0763 / 0,032)4095  109 Вт/(м2·К)
По формуле (19) определяем коэффициент А
А  (86  70) / 32  4,875
Так как А  7 , то по формуле (20) эффективная длина луча
S ЭФ  (1,87  4,875  4,1)  0,032  0,161 м
Произведение парциального давления на эффективную длину луча:
рСО 2  S ЭФ  10 5  0,13  0,161  0,0021  10 6 Па·м;
р Н 2О  S ЭФ  10 5  0,11  0,161  0,0018  10 6 Па·м.
По номограммам на рис.13.3, 13.4 и 13.5 [1] находим:
 СО 2  0,07;  Н 2О  0,05 ; В  1,1 .
По формуле (17) степень черноты дымовых газов
 Г  0,07  1,1 0,05  0.125
Энтальпия дымовых газов по табл.4
t ДН  650 ºС
t 'ДК  600 ºС
іСО 2  0,13  1356  176,28
іСО 2  0,13  1237  160,81
і Н 2О  0,11  1054,5  116,00
і Н 2О  0,11  965  106,15
і N 2  0,705  872,5  615,11
і N 2  0,705  805  567,53
іО 2  0,055  928,5  51,07
_____________________________
і ДН  958,46 кДж/м3
іО 2  0,055  852  46,86
____________________________
і 'ДК  881,35 кДж/м3
По формуле (7) находим ориентировочное количество тепла, отданного дымовыми
газами в пароперегревателе
QC'  24,2(958,46  881,35)  1866кВт  1866  10 3 Вт
По формуле (6) средняя температура стенок труб
t CT  0,5(376  210)  0,005  1866  10 3 / 87  400 ºC
По формуле (18) степень черноты дымовых газов при температуре стенок
 Г .СТ  0,07(895 / 673)0,65  1,1  0,05  0,139
По формуле (16) определяем эффективную степень черноты
 СТ .ЄФ  (1  0,8) / 2  0,9
По формуле (15) находим коэффициент теплоотдачи излучением
 ИЗЛ  5,67  0,9  [0,125(895 / 100) 4  0,139(673 / 100) 4 ] /(895  673)  12 Вт/(м2·К)
Суммарный коэффициент теплоотдачи
 З  12  109  121 Вт/(м2·К)
По формуле (10) средний коэффициент теплопередачи равен
К  121 /(1  0,005  121)  75,4 Вт/(м2·К)
По формуле (22) определяем количество тепла, воспринятое поверхностью нагрева
пароперегревателя
QС  87  75,4  329 / 24,2  89  10 3 Дж/м3  89 кДж/м3
По формуле (23) энтальпия дымовых газов на выходе из секции равна
і ДК  958,46  89 / 0,93  39,12  901,88 кДж/м3
і600  і ДК  і650 , и температура дымовых газов на выходе из
Таким образом,
пароперегревателя по формуле (24) равна
t ДК  650  (600  650)  (901,88  958,46) /(881,35  958,46)  613 ºС
Расхождение между полученным и ранее принятым значениями температуры дымовых
газов на выходе из секции равно
  100  (613  600) / 600  2,17% , т.е. расхождение не превышает 5%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Расчет нагревательных и термических печей: Справ. изд. Под ред. Тымчака В.М. и
Гусовского В.Л.- М.: Металлургия, 1983. - 480 с.