Определение теплового режима камерной топки парогенератора БКЗ-420-140-5 при сжигании экибастузского угля

2.1 Определение теоретических и действительных объемов воздуха и продуктов сгорания

Для реализации мероприятий по повышению тепловой эффективности парогенератора БКЗ-420-140-5 необходимо определить температурный режим топочной камеры на основании теплового расчета.

Тепловой расчет парогенератора выполняют для двух случаев:

1) когда требуется выявить тепловые характеристики парогенератора при промежуточных нагрузках, а также с целью определения экономичности и надежности работы парогенератора и разработки рекомендаций для его технического перевооружения и получения данных, необходимых для гидравлических, аэродинамических и прочностных расчетов;

2) когда необходимо определить размеры топочной камеры и конвективных поверхностей нагрева, обеспечивающие для принятой экономичности парогенератора получение номинальной его производительности при заданных параметрах пара, температуре питательной воды и виде сжигаемого топлива.

Горение представляет реакцию соединения горючих элементов топлива (углерода, водорода, серы) с окислителем – кислородом воздуха. Теоретически необходимый объем воздуха необходимый для полного сгорания 1кг топлива при условии безостаточного использования кислорода, рассчитывается на основании элементарного состава топлива (таблица 1) по формуле [19]:

Vº = 0,089( + 0,375 ) + 0,265 - 0,033 О = 4,43м³/кг, (12)

где

- теоретически необходимый объем воздуха, м³/кг.

Теоретический объем азота в продуктах сгорания определяется по формуле:

= 0,72 + 0,8 = 3,2м³/кг, (13)

где

- теоретический объем азота, м³/кг.

Объем сухих трехатомных газов складывается из объема двуокиси серы и двуокиси углерода и определяется по формуле:

= 0,01866( +0,375 ) = 0,82м³/кг, (14)

где

- объем сухих трехатомных газов, м³/кг.

Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания определяется по формуле:

= 0,111 +0,0124 +0,012 = 0,47м³/кг, (15)

где

- теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания, м³/кг.

В реальных условиях работы парогенераторов невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объеме за короткое время пребывания продуктов сгорания в нем. Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям тепловой эффективности парогенератора, действительный объем воздуха в зоне горения всегда несколько больше теоретического. Отношение этих объемов определяется коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания. В практике значение избытка воздуха фиксируют на выходе из топочной камеры, относят его к топочной камере в среднем [20]. Доля избыточного воздуха в топочной камере зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. При полном сгорании топлива и любом избыточном количестве воздуха в зоне горения образуется одинаковый теоретический объем продуктов сгорания, а увеличение объема продуктов сгорания сверх, определяется только избыточным количеством воздуха и водяными парами, содержащимися в них. Расчетный коэффициент избытка воздуха в топочной камере парогенераторов устанавливается с учетом всех факторов согласно Нормам теплового расчета котельных агрегатов [21] и величины присосов не должна превышает 0,1 или 10% от теоретического объема воздуха.

Для экибастузского угля коэффициент избытка воздуха в топочной камере принимается α_т = 1,2, а коэффициент избытка воздуха в уходящих дымовых газах за последней ступенью воздухоподогревателя α_ух = 1,3.

Тепловая эффективность сжигания экибастузского угля в парогенераторе определяется организацией оптимальных условий организации топочного процесса, величиной избытка воздуха и минимумом присосов воздуха в его газовоздушном тракте и системах пылеприготовления [22].

Результаты расчетов действительных объемов воздуха и продуктов сгорания, при коэффициенте избытка воздуха в топочной камере и уходящих газах парогенератора БКЗ-420-140-5 при сжигании экибастузского угля, сведены в таблице 2.

Таблица 2

Действительные объемы воздуха и продуктов сгорания в парогенераторе БКЗ-420-140-5

Наименование величин	Размер-ность	= 4,43м³/кг; = 0,82м³/кг; = 3,2м³/кг; = 0,47м³/кг
топочная камера
коэффициент избытка воздуха по газоходам парогенератора: αт	-	1,2	1,3
действительный объем водяных паров: +0,0161( -1)	м³/кг	0,4761	0,4832
действительный объем продуктов сгорания: = + + +( -1)	м³/кг	5,3706	5,8132
объемная доля сухих трехатомных газов:	-	0,1518	-
объемная доля водяных паров:	-	0,0886	-
= +	-	0,2404	-
безразмерная концентрация золы в дымовых газах: ;	г/м³	63,8476	58,99

2.2 Определение энтальпии теоретических и действительных объемов воздуха и продуктов сгорания

Расчет энтальпий продуктов сгорания необходим для определения тепловой эффективности топочной камеры, тепловосприятия поверхностей нагрева и изменения теплосодержания газового потока продуктов сгорания по высоте топочной камере. При теплотехнических расчетах принято удельную энтальпию продуктов сгорания, как и удельные объемы, определять для объема продуктов сгорания, получающегося при сгорании 1кг топлива. Так как теплоемкости газов в составе продуктов сгорания различны, то энтальпии компонентов дымовых газов подсчитывают отдельно.

Энтальпия теоретического объема воздуха определяются по формуле:

, кДж/кг, (16)

где

- энтальпия теоретического объема воздуха, кдж/кг;

- теоретический объем, м³/кг;

- объемная теплоемкость воздуха при заданной температуре, кДж/(м³·К) [23].

Энтальпия теоретических объемов продуктов сгорания определяются по формуле:

, кДж/кг, (17)

где

- энтальпия теоретических объемов продуктов сгорания, кДж/кг;

- объемные теплоемкости сухих трехатомных газов, азота и водяных паров, взятые при расчетной температуре продуктов сгорания, кДж/(м³·К) [23].

При высокой зольности экибастузского угля в тепловых расчетах учитывается энтальпия золы, так как удовлетворяется требование > 6.

Энтальпия золы подсчитывается по формуле:

, кдж/кг, (18)

где

- энтальпия золы, кДж/кг;

- зольность на рабочую массу, %.

- доля золовых частиц, уносимая потоком дымовых газов;

- объемная теплоемкость золы, взятые при расчетной температуре золы при твердом шлакоудалении, кДж/(м³·К) [23].

Результаты расчетов энтальпий теоретических и действительных объемов воздуха и продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха в топочной камере и уходящих газах парогенератора БКЗ-420-140-5, сведены в таблице 3.

Таблица 3

Энтальпий теоретических и действительных объемов воздуха и продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха в топочной камере и уходящих газах парогенератора БКЗ-420-140-5

ºС	кДж/кг	кДж/кг	кДж/кг	, кДж/кг
αт = 1,2	αт = 1,3
	Δ		Δ

2.3 Составление материального и теплового балансов парогенератора

БКЗ-420-140-5

Для реализации мероприятий по повышению эффективности сжигания экибастузского угля в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 необходимо составить материальный и тепловой баланс парогенератора. По материальному балансу определяем расчетный расход топлива, необходимый для получения перегретого пара с температурой 560^оС в количестве 420 тонн в час.

По тепловому балансу, под которым понимают распределение выделившейся теплоты при горении топлива на полезную часть для получения пара требуемых параметров и на тепловые потери, определяем коэффициент полезного действия парогенератора при установившемся режиме горения.

Располагаемая теплота топлива определяется наибольшим количеством теплоты, получаемой, при сжигании 1кг топлива в топочной камере и определяется по балансовой формуле:

, (19)

где

- располагаемая теплота топлива, кДж/кг;

- низшая теплота сгорания топлива на рабочую массу, кДж/кг;

- теплота, внесенная в топочную камеру воздухом при предварительном подогреве воздуха вне парогенератора в калориферах, паром из отбора турбины до поступления его в воздухоподогреватель, кДж/кг;

- физическая теплота топлива, получаемая при внешнем его подогреве, кДж/кг.

Располагаемое количество теплоты могло бы быть полностью использовано, если бы при работе парогенератора не было потерь. Часть теплоты, которая затрачивается на подогрев и испарение воды в трубах поверхностей нагрева, а также на перегрев пара, составляют использованную теплоту. Другая часть располагаемой теплоты, которая по условиям технологического процесса не может быть использована, составляет тепловые потери, которые зависят от эффективности процесса горения топлива в топочной камере и передачи теплоты от продуктов сгорания к рабочему телу в поверхностях нагрева, тогда уравнение теплового баланса парогенератора можно записать в следующем виде:

, (20)

где

– полезно используемая теплота в парогенераторе, кДж/кг; вводимая в топочную камеру располагаемая теплота горения 1кг топлива вместе с дополнительными источниками в основном на 90 - 95℅ передается рабочей среде в поверхностях нагрева и используется на получение перегретого пара высокого давления и пара вторичного перегрева, остальная часть теплоты составляет различные потери;

– потеря теплоты с уходящими газами, кДж/кг; продукты сгорания входят из последней поверхности нагрева парогенератора - рекуперативного воздухоподогревателя, при температуре уходящих газов, значительно превышающей температуру воздуха, поступающего из атмосферы в парогенератор, потери теплоты с уходящими газами равны разности энтальпий конечного состояния газов и воздуха, входящего в парогенератор;

- потеря теплоты с химической неполнотой сгорания топлива, кДж/кг; в уходящих газах содержатся горячие газообразные элементы или продукты неполного сгорания СО, то имеют место потери с химическим недожогом топлива, величина этих потерь определяется количеством и теплотой сгорания указанных горючих элементов;

– потеря теплоты с механической неполнотой сгорания, кДж/кг; поскольку частицы твердого топлива могут совсем не участвовать в химической реакции, потери теплоты с твердым непрореагировавшим топливом называют потерями с механическим недожогом;

– потеря теплоты через наружные ограждения парогенератора, кДж/кг; наружная поверхность стен парогенератора имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, потери теплоты вследствие теплоотдачи от стен парогенератора к окружающему воздуху называют потерями в окружающую среду, в парогенераторах имеет место потери теплоты со шлаком, выводимым из топки с высокой температурой;

– потеря с физической теплотой удаляющих шлаков, кДж/кг; эта потеря зависит от способа шлакоудаления, при жидком шлакоудалении температура удаляемых шлаков на 100^оС выше температуры нормального жидкотекучего состояния шлака и составляет ≈ 1200-1300^оС, при твердом шлакоудалении 600^оС.

Потери теплоты с химическим и механическим недожогом, а также со шлаком относят к топочным потерям; потери теплоты в окружающую среду и с уходящими газами являются общими для парогенератора [24].

Использованное количество теплоты в парогенераторе также выражают через тепловосприятие рабочей средой поверхностей нагрева парогенератора пароперегревающей, парообразующей и экономайзерной:

, (21)

где

- тепловосприятие пароперегревающей поверхности нагрева, кДж/кг;

- тепловосприятие парообразующей поверхности нагрева, кДж/кг;

- тепловосприятие экономайзерной поверхности нагрева, кДж/кг.

Проверить правильность распределения теплоты между поверхностями нагрева определяют невязкой баланса, которая не должна превышать ±0,5% располагаемой теплоты топлива кДж/кг.

Тепловосприятие воздухоподогревателя прямо не входит в тепловой баланс парогенератора. Это связано с тем, что теплота поступающего в топку горячего воздуха получается за счет теплообмена с продуктами сгорания, является внутренним источником теплоты. Эта часть теплоты рециркулирует внутри газовоздушного тракта. Вместе с тем ввод горячего воздуха в зону сжигания топлива повышает температуру продуктов сгорания, скорость горения топлива и глубину его выгорания и приводит к росту эффективности использования топлива [21].

Составление материального и теплового балансов парогенератора БКЗ-420-140-5 при сжигании экибастузского угля сведено в таблице 4.

Таблица 4

Материальный и тепловой балансы парогенератора БКЗ-420-140-5

Наименование величин	Обоз наче-ния	Размер- ность	Формулы	Расчет
температура уходящих газов		ºС	задана (подразд. 1.1)
энтальпия уходящих газов		кДж/кг	по таблице 3
энтальпия холодного воздуха		кДж/кг	по таблице 3 при = 30ºС
тепло, внесенное в агрегат холодным воздухом		кДж/кг
потеря тепла от механического недожога		%	по таблице 3 [21]	1,5
потеря тепла с уходящими газами		%		5,6
потеря тепла от химического недожога		%	по таблице 3 [21]	0,5
потеря тепла на охлаждение		%	по графику рисунка 2 [21]	0,4
коэффициент сохранения тепла		-
потеря с физическим теплом шлаков		%		0,02
суммарная потеря тепла в парогенератора		%		8,02
коэффициент полезного действия парогенератора		%	100-	91,98
температура перегретого пара		ºС	задана (подразд. 1.1)

Продолжение таблицы 4

Наименование величин	Обоз наче-ния	Размер- ность	Формулы	Расчет
температура перегретого пара		ºС	задана (подразд. 1.1)
энтальпия перегретого пара		кДж/кг	по [25]
температура питательной воды		ºС	задана (подразд. 1.1)
давление питательной воды		МПа	1,15
энтальпия питательной воды		кДж/кг	по [25]
паропроизводи тельность парогенератора		кг/сек	задана (подразд. 1.1)	116,7
полезно использованное тепло в парогенераторе		Вт	( - )
натуральный расход топлива		кг/сек		19,5 (70,2т/ч)
расчетный расход топлива		кг/сек		19,2 (69,1т/ч)

2.4 Определение конструктивных характеристик топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5

По рисунку 1 составляем эскиз топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5 (рисунок 8), с помощью которого определяются конструктивные размеры топочной камеры

Площадь боковой стенки топочной камеры парогенератора:

Рисунок 8 Эскиз топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5

Активный объем топочной камеры:

м³,

где

- площадь боковой стенки, м²;

- глубина топочной камеры, м.

Площадь фронтальной стены топочной камеры:

м².

Частично охладившись, до температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, продукты поступают через выходное окно в горизонтальный газоход. На входе в горизонтальный газоход располагаются ширмовые поверхности нагрева.

Площадь выходного окна топочной камеры:

м².

В топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 установлено восемь двухпоточных по аэросмеси и вторичному воздуху вихревых пылеугольных горелок со встроенными мазутными форсунками, расположенных по четыре на каждой боковой стене. Площадь незаэкранированных участков, занятых горелками составляет:

м².

Поверхность стен топочной камеры, закрытая топочными экранами:

+ - м².

Лучевоспринимающая поверхность экранов:

м², (25)

где

- лучевоспринимающая поверхность экранов;

- поверхность стен топочной камеры, закрытая топочными экранами;

- степень экранирования.

Лучевоспринимающая поверхность в выходном окне топочной камеры принимается равной площади окна:

м², (26)

где

- лучевоспринимающая поверхность в выходном окне топочной камеры.

Полная лучевоспринимающая поверхность топочной камеры:

м², (27)

где

- полная лучевоспринимающая поверхность топочной камеры.

Суммарная поверхность стен топочной камеры:

м².

Степень экранирования топочной камеры определяется отношением лучевоспринимающей поверхности топочных экранов к суммарной поверхности стен топочной камеры:

. (28)

Для камерных топок рассчитанных на сжигание низкосортных топлив с высоким содержанием золы степень экранирования составляет 0,95 – 0,97.

2.5 Определение температуры горения и температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5

Тепловая эффективность сжигания топлива определяется температурой горения топлива, температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, то есть, температурным режимом, а температурный режим условиями теплообмена в топочной камере.

Основными тепловыми характеристиками топочной камеры являются полезное тепловыделение топочной камеры или тепловая мощность топки и энтальпия продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Полезное тепловыделение в топке слагается из располагаемой теплоты сжигаемого топлива за вычетом потерь в пределах топочной камеры, приведенных к 1кг поступающего на горение топлива, из теплоты, вносимой в топку, горячим и холодным воздухом. Тепловая мощность топки определяется по формуле:

кДж/кг, (29)

где

Q_т - тепловая мощность топки, кДж/кг.

Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топочной камеры определяется с помощью - таблицы (таблица 3) по выбранной температуре продуктов сгорания. Количество теплоты, воспринятой топочными экранами за счет лучистого теплообмена, составляет:

, кДж/кг, (30)

где

Q_л - количество теплоты, воспринятой топочными экранами за счет лучистого теплообмена, кДж/кг;

- коэффициент сохранения теплоты.

Ввиду различия законов радиационного и конвективного теплообмена сумма радиационных и конвективных поверхностей нагрева парогенератора и их суммарное значение не остаются постоянными при различных значениях принятой температуры на выходе из топочной камеры. Решение этой задачи может быть сведено к вариантным компоновкам поверхностей нагрева парогенератора при различных значениях температуры на выходе из топочной камеры и установлению ее окончательного значения, при котором коэффициент полезного действия парогенератора будет максимальным.

При сжигании твердого топлива твердого топлива должно быть не выше температуры начала шлакования, а температура начала шлакования составляет 1050 - 1250ºС.

Температуру на выходе из топочной камеры определяют по формуле:

, ºС, (31)

где

- адиабатная температура горения топлива, ºС;

- коэффициент тепловой эффективности экрана;

- усредненная теплоемкость газов, кДж/(кг·К);

- коэффициент сохранения теплоты;

- расчетная поверхность стен топочной камеры, м²;

- расчетный расход топлива, кг/с;

- расчетный коэффициент;

- коэффициент излучения абсолютно черного тела, кВт/(м²·К );

- степень черноты топки.

При определении степени черноты факела делят на светящуюся и несветящуюся части и определяют по формуле:

. (32)

Степень черноты топки является приведенной характеристикой, учитывающей излучение факела, обмуровки, обратное излучение загрязненных экранов, и определяется по формуле:

. (33)

Определение температуры горения и температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5 сведено в таблице 5.

Таблица 5

Определение температуры горения и температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5

Наименование величин	Обоз- наче- ния	Раз- мер- ность	Формулы	Расчет
температура горячего воздуха		ºC	задана [7]
энтальпия горячего воздуха		кДж/кг	по таблице 3
присос в топке и в системе пылеприготовления		-	по таблице 8 [21]	0,05+0,06= 0,11
тепловая мощность	Qт	кДж/кг	формула (29)
теоретическая температура горения		ºC	по таблице 3
площадь стен топочной камеры		м²	по рисунку 8	1247,6
объем топки		м³	по рисунку 8	2361,6
толщина излучающего слоя	S	м²
доля топочного объема, заполненная светящейся частью пламени		-	по таблице 9 [21]
степень черноты светящейся части пламени		-	принимается по указаниям в гл. III [21]	0,8
коэффициент загрязнения экранных поверхностей		-	по таблице 10 [21]	0,46
коэффициент загрязнения экранных поверхностей		-	по таблице 10 [21]	0,46
коэффициент тепловой эффективности		-		0,452

Продолжение таблицы 5

Наименование величин	Обоз- наче- ния	Раз- мер- ность	Формулы	Расчет
температура продуктов сгорания на выходе топки		ºC	принимается
энтальпия газов на выходе из топки		кДж/кг	по таблице 3
средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания		кДж/кг·град
уровень горелок		м	по рисунку 8	1,9
высота топки		м	по рисунку 8	28,9
местоположение максимума действительной температуры газов		-
расчетный коэффициент		-	А - ВХ, где А и В из номограммы 8 [21]
температура газов на выходе топки		ºC	по формуле (29)
энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки		кДж/кг	по таблице 3
тепло, переданное излучением в топке		кДж/кг	по формуле (30)
тепловое напряжение топочного объема	qV	Вт/м³
среднее тепловое напряжение поверхности нагрева в топке		Вт/м2

Значение удельных показателей теплового напряжения топочного объема для углей с высоким выходом летучих веществ и высокой зольностью составляет 116 - 136Вт/м³, а среднего теплового напряжения поверхностей нагрева в топке 121 - 127Вт/м² [26]. Полученные расчетные значения соответствуют нормативным значениям, из этого следует, что полученные значения теоретической температуры горения и температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, при сжигании экибастузского угля, считать правильными.

На рисунке 9, на основании полученных значений температур показан температурный уровень по высоте топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5.

Рисунок 9 Температурный уровень топочной камеры БКЗ-420-140-5 по высоте

Максимальная температура горения в топочной камере, согласно формулы (4), составляет 80 – 90% значения адиабатической температуры и для экибастузского угля, сжигаемого в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5, равна 1750^оС, а температура горения в реальных условиях с учетом коэффициента полезного действия равна 1560^оС.

Из графика рисунка 9 видно, что максимальная температура горения достигается на 3 метра выше уровня горелок.

Тепловая мощность топочной камеры зависит от теплоты сгорания топлива, его теплотехнических характеристик, реакционной способностью реагирующих горючих частиц топлива, коэффициента избытка воздуха и присосов воздуха в топку, характеризует количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива. По тепловой мощности топочной камеры определяет площадь топочных экранов по разности максимального тепловыделения в зоне горения и энтальпии продуктов сгорания на выходе из топочной камере при температуре 1157^оС и температуре твердого шлакоудаления 600^оС, соответствующей уровню половине холодной воронки.

В зависимости от вида сжигаемого топлива топочные экраны воспринимают радиационным излучение от 35 до 50% полного количества теплоты, передаваемой рабочей среде пероперегревательных, пароиспарительных и экономайзерных поверхностей нагрева в парогенераторе в целом [27].

На рисунке 10 показано распределение теплоты по высоте топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5, до ширмовых поверхностей нагрева, где передача теплоты осуществляется лучистым теплообменом.

Рисунок 10 Распределение теплоты по высоте топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5.

Из рисунка видно, что максимальное тепловыделение наблюдается над уровнем горелок.

Согласно разности тепловыделения в зоне горения и энтальпии продуктов сгорания, без учета тепловосприятия ширмовых поверхностей нагрева, в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5, передача теплоты излучением топочным экранам составляет 44%, остальное количество теплоты должно быть распределено между поверхностями нагрева конвекцией.

В барабанных парогенераторах давлением 14МПа доля теплоты, используемой на парообразование, снижается, и теплоты, передаваемой экранам топочной камеры, достаточно для получения требуемого количества пара, в связи, с чем экономайзер парогенератора становиться некипящим.

Поиск по сайту: