II Методика расчета практических работ по теме «Расчет производственно-отопительной котельой с водогрейными и паровыми котлами»

Расчет производственно-отопительной котельной является одним из этапов изучения дисциплины «Генераторы тепла и автономное теплоснабжение зданий» и важным этапом в подготовке студентов по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Наблюдающийся в теплоэнергетике переход на внедрение блочного оборудования и оборудования повышенной заводской готовности постепенно распространяется на котельные централизованного теплоснабжения. К проектным решениям по котельным централизованных систем теплоснабжения предъявляются повышенные требования в части экономичности и современного технического уровня.

На современном этапе большое распространение получили автономные источники теплоты, основным теплогенерирующим оборудованием которых являются котельные агрегаты.

Цель практических работ и требования к их выполнению.

Практические работы по дисциплине «Генераторы тепла и автономное теплоснабжение зданий» имеют целью научить студентов самостоятельно решать инженерные задачи, анализировать и разрабатывать рекомендации по повышению эффективности работы котлов, углубить знания, получаемые студентами при изучении курса, и дать им представление о тепловой схеме ТГУ, назначении основного и вспомогательного оборудования, а также принципах расчета тепловой схемы, аэродинамического расчета  и технико-экономических показателей ТГУ.

Содержание.

Практическая расчетная работа является вторым разделом общих комплексных работ, состоящих из расчета теплогенератора и расчета теплогенерирующей установки. Исходные данные для выполнения работы выдаются преподавателем.

Работа состоит из расчетной (пояснительной) записки и графической части.

Графическая часть представляет чертеж, выполненный на листе формата А-1, на котором должны быть изображены:

- проект здания котельной (в масштабе 1:200, 1:100 или 1:50);

- продольный и поперечный разрез здания котельной (в масштабе 1:200, 1:100 или 1:50);

- тепловая схема ТГУ (выполняется плоскостной, без масштаба).

Пояснительная записка должна содержать:

- исходные данные;

- построение годового графика расхода тепловой нагрузки;

- построение температурного графика тепловой сети;

- расчет тепловой схемы ТГУ;

- выбор основного и вспомогательного оборудования;

- расчет водоподготовки;

- аэродинамический расчет тягодутьевого тракта;

- расчет технико-экономических показателей котельной.

Указания к выполнению пояснительной записки

Исходные данные.

А) климатологический район размещения установки.

Б) тепловая нагрузка:

- отопление;

- вентиляция;

- горячее водоснабжение.

В) параметры теплоносителя.

Г) климатологические данные [1]:

- расчетная отопительная температура наружного воздуха самой холодной пятидневки t_po;

- средняя отопительная температура наружного воздуха t_ср;

- расчетная температура при проектировании системы вентиляции t_pв;

- продолжительность отопительного периода n_o.

Д) характеристика исходной воды:

- жесткость воды – Жо;

- содержание ионов натрия Na ⁺.

Построение годового графика расхода тепловой нагрузки

Годовой график расхода тепловой нагрузки состоит из двух частей. Левая часть – зависимость тепловой нагрузки от температуры наружного воздуха, правая – распределение тепловой нагрузки в течение отопительного периода.

По оси абсцисс откладывается число часов отопительного периода, в течение которого наблюдается наружная температура, а по оси ор­динат – суммарный расход тепла при данной наружной температуре.

К годовому графику пристраивается летняя нагрузка на горячее водоснабжение.

Тепловые нагрузки при текущих температурах наружного воздуха определяются по формулам

                                                                               (2.1)

                                                                               (2.2)

где ,  – соответственно расчетные тепловые нагрузки на отопление и вентиляцию, МВт (по заданию);

 – внутренняя температура наружного воздуха, °С (согласно [1]);

,  – температуры наружного воздуха соответственно при проектировании систем отопления и вентиляции, °С (согласно [1]);

 – температура наружного воздуха, °С.

Тепловые нагрузки на горячее водоснабжение определяются по формулам

                                        ,                                            (2.3)

                            ,                               (2.4)

где  – температура воды в местной системе горячего водоснабжения, =60°С;

,  – температура холодной воды в летний и зимний периоды, =15°С, =5°С;

 – коэффициент, учитывающий климатологическое положение. Для промышленных регионов =0,85, для курортных =1.

Расчеты сводятся в таблицу 1.

Таблица 1 – Годовые тепловые нагрузки

Вид тепловой	=-22	-20	-15	-10	-5	0	+5	+8	лето
нагрузки
1.	2	3	4	5	6	7	8	9	10
отопление									-
вентиляция									-
горячее водоснабжение
всего

По данным таблицы 1 строится график тепловых нагрузок, пример которого показан на рис.1(Приложение А).

1. Построение температурного графика тепловой сети.

Для построения температурного графика тепловой сети рассчитывается температура теплоносителя в подающей и обратной магистралях соответственно, по формулам

               ,       (3.1)

 

                                    ,                              (3.2)

где ,  – параметры теплоносителя;

 – средняя температура воды в отопительных приборах.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

 

Таблица 2. – Параметры теплоносителя

Параметр теплоносителя, °С	Температура, °С
	-22	-20	-15	-10	-5	0	+5	+8
τˈ₁
τˈ₂

 

По данным таблицы строится температурный график тепловой сети, пример которого показан на рисунке 2 (Приложение Б).

Расчет тепловой схемы ТГУ.

Расчет тепловой схемы котельной производится с целью определения расхода пара и воды для отдельных узлов при характерных режимах работы котельной и составления общего материального баланса пара и воды.

Расчет выполняется параллельно для всех режимов с применением табличной формы.

Расчетом определяется температура различных потоков воды (сетевой, подпиточной, химочищенной исходной) и конденсата.

На расчетной тепловой схеме котельной указываются направления основных потоков теплоносителя, его расходы и параметры (рисунок 3 и 4, приложения В и Г).

Расчет теплой схемы котельной выполняется в следующей последовательности:

- рассчитывается предварительный пароводяной баланс котельной (без учета непрерывной продувки), который используется в расчете химводоочистки для установления необходимости непрерывной продувки, ее величины, а также для уточнения собственных нужд химводоочистки;

- производится полный расчет тепловой схемы котельной по всем позициям, в частности уточняется пароводяной баланс, суммарная паровая нагрузка котельной и намечаются варианты для выбора типоразмера и количества котлов;

- в процессе расчета тепловой схемы методом последовательных приближений уточняется расход пара на деаэрацию питательной воды. Предлагаемый метод расчета позволяет уточнить этот расход после одного приближения, причем погрешность находится в пределах 5 %;

- результаты расчета являются исходными данными для расчета и выбора оборудования отдельных узлов тепловой схемы и основных трубопроводов котельной. Выбор числа и единичной мощности котлов также производится на основании результатов расчета тепловой схемы.

Расчеты отопительной (теплоноситель - высокотемпературная вода) и производственной котельной (теплоноситель - насыщенный пар) являются частными случаями общего расчета тепловой схемы.

Для отопительно-производственной и отопительной котельных расчет ведется для четырех характерных режимов:

- максимального зимнего при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления и вентиляции;

- при средней температуре наиболее холодного месяца;

- при температуре наружного воздуха в точке излома температурного графика сетевой воды (при наличии нагрузки на горячее водоснабжение);

- летнего режима.

В случае отсутствия нагрузки на горячее водоснабжение режим при температуре наружного воздуха в точке излома температурного графика сетевой воды заменяется режимом в конце отопительного периода (температура наружного воздуха 8 ° С).

Для отопительной котельной при наличии только отопительно-вентиляционной нагрузки исключается летний режим (котельная в летний период не работает).

Производственная котельная рассчитывается для максимального зимнего режима, режима при средней температуре самого холодного месяца и летнего.

Исходные данные к расчету тепловой схемы котельной для закрытой системы теплоснабжения приведены в таблицах 3 и 4.

 

Таблица 3 – Исходные данные для расчета тепловой схемы котельной с водогрейными котлами для закрытой системы теплоснабжения

№ п/п	Наименование исходных данных	Обозначение	Единица измерения	Расчетные режимы
				максимальный	при температуре наружного воздуха в точке излома температурного графика сетевой воды	при расчетной вентиляционной температуре наружного воздуха	летний
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Расчётный отпуск тепла из котельной на отопление и вентиляцию для городов и жилых районов	Qр.^о.в.	МВт
2	Расчётный отпуск тепла на горячее водоснабжение	Qр^г.в.	МВт
3	Максимальная температура сетевой воды в подающем трубопроводе	t1^макс	ºС
4	Минимальная температура сетевой воды в подающем трубопроводе в точке излома температурного графика сетевой воды	t1 изл^макс	ºС
5	Максимальная температура сетевой воды в обратном трубопроводе	t2^макс	ºС

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4	5	6	7	8
6	Расчётная температура наружного воздуха для проектирования отопления	tро.	ºС
7	Температура воздуха внутри отапливаемых зданий	tвн	ºС
8	Расчётная температура горячей воды в местной системе горячего водоснабжения	tг.в	ºС
9	Температура деаэрированной воды после деаэраторов и температура подпиточной воды	T5	ºС
10	Энтальпия деаэрированной воды	i5	кДж/кг
11	Температура сырой воды на входе в котельную	T1	ºС
12	Температура сырой воды перед химводоочисткой	T3	ºС
13	Температура умягчённой воды перед деаэратором подпиточной воды	T4	ºС
14	Удельный объём воды в системе теплоснабжения в тоннах на 1 МВт суммарного отпуска тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение городов и жилых районов	gсист^ж	т/ МВт
15	Коэффициент снижения утечек в системе теплоснабжения	Kут	-
16	Удельные потери пара с выпаром из деаэрираторов в тоннах на 1 т деаэрированной воды	dвып	т/т
17	Коэффициент собственных нужд химводоочистки	Kхво^с.н	-
18	Номинальная теплопроизводительн-ть одного водогрейного котла	Qк.^ном	МВт

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4	5	6	7	8
19	Температура сетевой воды на выходе из водогрейных котлов, работающих в постоянном режиме	t1 вк1^пост	ºС
20	Температура на входе в водогрейные котлы	t1 вк2	ºС
21	Температура обратной сетевой воды после подогревателей сырой и умягченной воды	t5	ºС
22	Расход тепла на мазутное хозяйство	Qм	МВт

 

Таблица 4 - Исходные данные для расчета тепловой схемы котельной с паровыми котлами для закрытой системы теплоснабжения

№ п/п	Наименование исходных данных	Обозначение	Единица измерения	Расчетные режимы
				максимальный	при температуре наружного воздуха в точке излома температурного графика сетевой воды	при расчетной вентиляционной температуре наружного воздуха	Лет-ний	Приме-чание
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Расчетная температура наружного воздуха	tн	°С					Согласно СНиП 23-01-99*
2	Температура воздуха внутри отапливаемого помещения	tвн	°С					Согласно СанПиН 2.1.2-1002-00
3	Максимальная температура прямой сетевой воды	t 1 макс	°С					Задается
4	Минимальная температура прямой сетевой воды в точке излома	t 1 изл	°С					Задается
5	Максимальная температура обратной сетевой воды	t 2 макс	°С					Задается

 

Продолжение таблицы 4

1	2		3	4	5	6	7		8		9
6	Температура деаэрированной воды после деаэратора		T	°С							Из таблиц насыщения
7	Энтальпия деаэрированной воды после деаэратора		i	кДж/кг
8	Температура сырой воды на входе в котельную		T 1	°С							Принимается
9	Температура сырой воды перед химводоочисткой		T 3	°С
10	Удельный объем воды в системе теплоснабжения в тоннах на 1 МВт суммарного отпуска тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение		gсист	м^3/МВт							Для промышленных предприятий
Параметры пара, вырабатываемого котлами (до редукционной установки):
11	Давление	P 1		МПа (кгс/см^2)
12	Температура	t1		°С						Из таблиц насыщенного пара
13	Энтальпия	i 1		кДж/кг
Параметры пара после редукционной установки:
14	Давление	P 2		МПа (кгс/см^2)
15	Температура	t2		°С						Из таблиц насыщенного пара
16	Энтальпия	i 2		кДж/кг
Параметры пара, образующегося в сепараторе непрерывной продувки:

 

 

Продолжение таблицы 4

1	2	3	4	5	6	7	8	9
17	Давление	Р 3	МПа (кгс/см^2)
18	Температура	t3	°С					Из таблиц насыщенного пара
19	Энтальпия	i 3	кДж/кг
Параметры пара, поступающего в охладитель выпара из деаэратора:
20	Давление	P 4	МПа (кгс/см^2)
21	Температура	t4	°С					Из таблиц насыщенного пара
22	Энтальпия	i 4	кДж/кг
Параметры конденсата после охладителя выпара:
23	Давление	Р 4	МПа (кгс/см^2)
24	Температура	t4	°С					Из таблиц насыщенного пара
25	Энтальпия	i 5	кДж/кг
Параметры продувочной воды на входе в сепаратор непрерывной продувки:
26	Давление	P 1	МПа (кгс/см^2)
27	Температура	t1	°С					Из таблиц насыщенного пара
28	Энтальпия	i 7	кДж/кг
Параметры продувочной воды на выходе из сепаратора непрерывной продувки:
29	Давление	P 3	МПа (кгс/см^2)
30	Температура	t3	°С					Из таблиц насыщенного пара
31	Энтальпия	i 8	кДж/кг
32	Температура продувочной воды после охладителя продувочной воды	tпр	°С					Принимается
33	Температура конденсата от блока подогревателей сетевой воды	tк.б	°С					Принимается

 

 

Продолжение таблицы 4

1	2	3	4	5	6	7	8	9
34	Температура конденсата после пароводяного подогревателя сырой воды	t2	°С					Из таблиц насыщенного пара и воды при давлении 0,7 МПа (7 кгс/см^2)
35	Энтальпия конденсата после пароводяного подогревателя сырой воды	i 6	кДж/кг
36	Температура конденсата, возвращаемого с производства	tк.п	°С					Задается
37	Величина непрерывной продувки	П	%					Принимается из расчета химводоочист.
38	Удельные потери пара с выпаром из деаэраторов в тоннах на 1 т деаэрированной воды	dвып	т/т					Принимается по рекомендациям ЦКТИ
39	Коэффициент собственных нужд химводоочистки		-					Принимается из расчета химводоочист.
40	Коэффициент внутрикотельных потерь пара	Кпот	-					Принимается
41	Максимальный часовой отпуск тепла из котельной на отопление и вентиляцию	Q ов макс	МВт					Задается
42	Среднечасовой отпуск тепла на горячее водоснабжение за сутки наибольшего водопотребления		МВт					Задается
43	Часовой отпуск пара производственным потребителям	Dпотр	т/ч					Задается
44	Возврат конденсата от производственных потребителей	Gпотр	т/ч					Задается
45	Расход пара на мазутное хозяйство **	Dмаз	т/ч

 

Продолжение таблицы 4

1	2	3	4	5	6	7	8	9
46	Удельная теплоемкость воды	С	кДж/м^3·°С
* Температура наружного воздуха в точке излома определяется расчетом или графически (см. прил. Б) ** Расход пара на мазутное хозяйство, учитывается только при работе котельной на мазуте

 

В расчете тепловой схемы был принят, согласно заданию, температурный график сетевой воды 150-70 °С. Расчетные формулы температуры прямой и обратной сетевой воды составлены для заданного температурного графика:

- температура прямой сетевой воды

                                                                             (4.1)

- температура обратной сетевой воды

                     .                                                         (4.2)

Для иного температурного графика температуру сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах при любой температуре наружного воздуха следует определять по формулам

- в подающем трубопроводе:

                    t ₁= 20+64,5К_ов^0,8+Х К_ов                                                        (4.3)

- в обратном трубопроводе

                                  t ₂= t ₁ - Х К_ов                                                                   (4.4)

где t 1	- расчетная температура в подающем трубопроводе тепловой сети при любой температуре наружного воздуха, °С;
t 2 -	расчетная температура в обратном трубопроводе тепловой сети при любой температуре наружного воздуха, °С;
Kов -	коэффициент снижения расхода тепла на отопление и вентиляцию в зависимости от температуры наружного воздуха.

Точкой излома температурного графика является точка, соответствующая температуре в подающем трубопроводе 70°С. По этой точке по температурному графику определяется температура наружного воздуха в точке излома (t_н.изл).

Максимальный часовой отпуск тепла на горячее водоснабжение промышленного предприятия совпадает со среднечасовым (коэффициент часовой неравномерности K_ч согласно СНиП 2.04.01).

При отпуске тепла на горячее водоснабжение городов и населенных пунктов максимальный часовой расход принимается с коэффициентом 1,3 от среднечасового.

Для быстрого определения ряда расчетных величин рекомендуется использовать графики (приложение В-Д).

Абсолютное значение величины расхода пара на деаэрацию питательной воды вычисляется по удельному расходу пара. Удельный расход пара определяется по графику (для закрытой системы теплоснабжения - рисунок 7, для открытой - рисунок 8). На величину непрерывной продувки вводится поправка (см. рисунок 8б).

Расчет тепловой схемы приведен в таблицах 5 и 6.

 

Таблица 5 - Расчет тепловой схемы котельной с водогрейными котлами для закрытой системы водоснабжения

№ п/п	Наименование расчетной величины	Обозначение	Единица измерения	Способ определения	Расчетные режимы
					зимний			летний
					максимальный	при температуре наружного воздуха в точке излома температурного графика	при расчетной вентиляционной температуре наружного воздуха
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Температура наружного воздуха в точке излома температурного графика сетевой воды	tизл	˚C	графически

 

Продолжение таблицы 5

1	2	3	4	5		6	7	8	9
2	Коэффициент снижения расхода тепла на ов в зависимости от температуры наружного воздуха	Ков	-	(tвн-tн)/ (tвн-tн.р)
3	Значение коэффициента Ков в степени 0,8	К^0,8ов	-	К^0,8ов
4	Температура сетевой воды в подающем трубопроводе к потребителю (отопление и вентиляция) на выходе из котельной	t1	˚С	20 + 64,5 К^0,8ов + + х Ков
5	Температура сетевой воды в обратном трубопроводе от потребителя (отопление и вентиляция) на входе в котельную	t2	˚C		t1 - х Ков
6	Расчетный отпуск тепла на отопление и вентиляцию	Qов	МВт	Qов^mах·Ков					-
7	Суммарный отпуск тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение	Qов+гв	МВт	Qгв^ср (tгв-t^л)/(tгв-t^з) β – для летнего режима Qов+Qгв^ср – для зимнего режима
8	Количество сетевой воды в подающем трубопроводе	Gов+гв	кг/с
9	Количество сетевой воды в подающем трубопроводе на мазутное хозяйство	Gм	кг/с
10	Суммарное количество сетевой воды, выдаваемой из котельной внешним потребителям	Gсет	кг/с	Gм + Gов+гв

 

Продолжение таблицы 5

1	2	3	4	5	6	7	8	9
11	Количество подпиточной воды на восполнение утечек в теплосети на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение	Gyт1	кг/с
12	Количество подпиточной воды на восполнение утечек в теплосети на мазутное хозяйство	Gyт2	кг/с
13	Суммарное количество подпиточной воды	Gподп	кг/с	Gподп = Gут1+ Gут2
14	Количество сетевой воды в обратном трубопроводе на входе в котельную от потребителей отопления, вентиляции и гв		кг/с	Gов+гв - Gут1
15	Количество сетевой воды в обратном трубопроводе на входе в котельную от мазутного хозяйства		кг/с	Gм - Gут2
16	Температура греющей воды, поступающей в деаэратор	tд	˚С	tд = tвк1
17	Количество греющей воды, поступающей в деаэратор	G’д	кг/с
18	Количество воды на выходе из деаэратора	Gд	кг/с	Gподп + G¢д
19	Выпар из деаэратора	Двып	кг/с	0,002 Gд
20	Количество умягченной воды, поступающей в деаэратор	Gу	кг/с	Двып +Gподп

 

Продолжение таблицы 5