Расчет конвективных пароперегревателей

 

Расчет пароперегревателя может быть конструктивным или повероч-ным. Конструктивный расчет выполняется при создании новых паровых кот-лов в конструкторских бюро заводов-изготовителей.

 

При проектировании и эксплуатации котельных установок чаще всего приходится выполнять поверочный расчет пароперегревателя. Задачей расче-та в этом случае является определение температуры продуктов сгорания по-сле пароперегревателя и выявление возможности при имеющейся поверхно-сти нагрева пароперегревателя получить необходимую температуру перегре-того пара. Если в результате расчета выявится, что существующая поверх-ность нагрева пароперегревателя не обеспечит необходимой температуры перегретого пара, то должны быть разработаны соответствующие мероприя-тия и внесены коррективы в чертежи поверхности нагрева пароперегревате-ля.

 

Последовательность расчета пароперегревателя зависит от расположе-ния его в газовом тракте котельного агрегата, способа регулирования темпе-ратуры перегрева пара и схемы включения регулятора перегрева.

 

Для промышленных паровых котлов, как правило, применяются кон-вективные пароперегреватели, расположенные после первого конвективного пучка труб поверхности нагрева, для получения перегретого пара с темпера-турой до 450^оС. Паровые котлы низкого давления обычно вырабатывают пар с температурой около 250^оС и не имеют регулятора перегрева. Паровые кот-лы с давлением 4 МПа вырабатывают перегретый пар с температурой около 450^оС и имеют поверхностные или впрыскивающие пароохладители, уста-новленные врассечку. В соответствии с этим ниже рассматривается последо-вательность расчета пароперегревателей, показанных на рис. 3.6.

 

Расчет конвективного пароперегревателя, имеющего поверхностный или впрыскивающий пароохладитель, установленный врассечку (рис. 3.6, г),

 

 

производится по частям. Сначала рассчитывается первая по ходу продуктов сгорания часть.

 

 

Рис. 3.6. Схемы конвективных пароперегревателей: а – противоточная; б – прямоточная без пароохладителя; в – с последовательно-смешанным током без пароохладителя; г – с последовательно-смешанным током и пароохлади-телем, установленным врассечку; 1 – барабан котла; 2 – коллектор перегрето-го пара; 3 – змеевики пароперегревателя; 4 – поверхностный или впрыски-вающий пароохладитель; I, II – части пароперегревателя по движению про-

дуктов сгорания.

 

Расчет пароперегревателя производится в такой последовательности: 1. По имеющимся чертежам определить площадь поверхности нагрева

 

первой части пароперегревателя, относительный поперечный и продольный шаг трубы (S ₁ d, S ₂ d),расположение труб(шахматное или коридорное),

 

площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания и пара.

 

2. Выбрать основные расчетные параметры: температуру продуктов сгорания на входе в пароперегреватель J ¢ (берется из расчета предыдущей поверхности нагрева), давление, температуру и энтальпию перегретого пара. Задаться тепловосприятием пароохладителя D i_по = 60 ¸ 85 кДж/кг.

 

3. Задаться двумя температурами продуктов сгорания J ¢¢ после первой части пароперегревателя. В дальнейшем весь расчет выполнить при двух температурах продуктов сгорания.

4. Для двух выбранных температур продуктов сгорания J ¢¢ определить теплоту, отданную продуктами сгорания пару (кДж/кг или кДж/м³).

 

Q = j (I ¢ - I ¢¢ + D a	пп	I ^0	),	(3.22)
б	прс

 

где D a_пп – присос воздуха в газоход пароперегревателя; I _прс ⁰ определяется по

 

формуле (3.4) расчетной работы №1.

 

5. Вычислить энтальпию пара на выходе из пароохладителя, приравняв теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой паром (кДж/кг),

i ¢¢	= i		-	Qб Вр	(3.23)
пе
по			D

где i_пе – энтальпия перегретого пара, берется по давлению и температуре из таблиц водяных паров, кДж/кг; B_р – расчетный расход топлива, определяет-ся по формуле (3.19) расчетной работы №1, кг/с.

 

6. Из таблиц для водяных паров по значениям энтальпии и давления найти температуру пара после пароохладителя.

 

7. Определить температурный напор. При последовательно-смешанном токе (рис. 3.6, в и первая часть пароперегревателя на рис. 3.6, г) температур-ный напор (° С) определяется выражением

D tпе = y D tпрт,

(3.24)

 

где D t_прт – температурный напор при противотоке, определяется по формуле (3.19); y – коэффициент пересчета от противоточной схемы к последова-тельно-смешанному току, определяется по номограмме, приведенной на рис. 3.7.

 

 

Рис. 3.7. Номограмма для определения температурного напора при последо-вательно-смешанном токе продуктов сгорания

 

При прямотоке температурный напор определяется по формуле (3.19).

 

F ×273

Для пользования номограммой, показанной на рис. 3.7, вычисляются безразмерные определяющие параметры:

^A ^= ^H прм	H;	(3.25)
P =	t ¢¢- t ¢		;	(3.26)
J ¢ - t ¢
R = J ¢- J ¢¢ ,	(3.27)
	t ¢¢ - t ¢

где H _прм – поверхность нагрева, в которой осуществляется прямоток, м²; H

 

– полная поверхность нагрева рассчитываемой части пароперегревателя, м²; J ¢ и J ¢¢ – температура продуктов сгорания на входе и выходе рассчитывае-мой части поверхности нагрева пароперегревателя, ° С; t ¢ и t ¢¢ – температура пара на входе и выходе рассчитываемой части поверхности нагрева паропе-регревателя, ° С.

 

8. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в газоходе па-роперегревателя (м/с)

_{wг =} ^Вр^Vг ^{( J +273)}_{. (3.28)}

 

9. Определить коэффициент теплоотдачи конвекций (a_к). При попе-

 

речном омывании коридорных и шахматных пучков труб коэффициент теп-лоотдачи определяется по формуле (3.10).

 

10 Вычислить расчетную скорость пара в змеевиках пароперегревателя

(м/с)

w п = Ducр / f,

(3.29)

 

где D – расход пара, кг/с; u_ср – средний удельный объем пара, м³/кг (опреде-

 

ляется из таблиц водяных паров при среднеарифметических давлении и тем-пературе пара рассчитываемой части пароперегревателя); f – площадь жи-

 

вого сечения для прохода пара, м^2;	f =0,785 dвн ^2 z; dвн –внутренний диаметр
труб пароперегревателя, м; z – число параллельно включенных труб.
11. Подсчитать коэффициент теплоотдачи от стенки к пару, Вт/(м^2×К),
a 2= aнcd,	(3.30)

где a_н – коэффициент теплоотдачи, определяемый из номограммы, показан-

 

ной на рис. 3.8, по средним значениям скорости, давления и температуры па-ра в рассчитываемой части пароперегревателя; c_d – поправочный коэффици-

 

ент, определяемый по кривой, показанной на рис. 3.8.

 

12. Найти степень черноты газового потока в соответствии с указания-ми п. 8 раздела 3.1 (рекомендуемый порядок расчета конвективных поверх-ностей нагрева).

 

13. Вычислить температуру стенки труб пароперегревателя, принимае-мую равной при сжигании твердого и жидкого топлива температуре наруж-ного слоя золовых отложений на трубах (° С)

		e +		B p
t з						Qб,	(3.31)
= t +	a 2		H

 

где t – среднеарифметическое значение температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя, ^оС; e – коэффициент загрязнения, м²×К/Вт (для па-роперегревателей с коридорным и шахматным расположением труб при сжи-гании жидких топлив принимается e = 0,00257; для пароперегревателей с ко-ридорным расположением труб при сжигании твердых топлив e = 0,0043).

 

При сжигании газообразного топлива температура загрязненной стенки труд пароперегревателя (° С)

t з = t +25,

(3.32)

 

где t – среднеарифметическое значение температуры пара в рассчитываемой части пароперегревателя.

 

 

Рис. 3.8. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к пе-регретому пару при продольном омывании змеевиков пароперегревателя

 

14. Определить коэффициент теплоотдачи излучением; Вт/м²×К). Для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

^a л	= aнсга,	(3.33)
где aн –	коэффициент теплоотдачи излучением, определяется из номограм-

мы, показанной на рис. 3.4, с_г – поправка, вводимая при отсутствии золовых

 

частиц в продуктах сгорания (рис. 3.4); а – степень черноты продуктов сго-рания.

 

15. Подсчитать коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке труб пароперегревателя, Вт/(м²×К),

a 1 = x (aк + a л),

(3.34)

 

 

где x – коэффициент использования (для поперечно омываемых пучков труб конвективных пароперегревателей принимается x = 1); a _к – коэффициент те-плоотдачи конвекций от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м²×К), определяется по п. 7 раздела 3.1.

 

16. Определить коэффициент теплопередачи. Для шахматных и кори-дорных пучков труб при сжигании газа и мазута, Вт/(м²×К),

К =		ya 1	,
	1 + a 1 / a 2

где y – коэффициент тепловой эффективности, нии труб, при сжигании газа принимается y =

 

(3.35)

 

при коридорном расположе-0,85; при сжигании мазута с

a _т > 1,03 y определяется из табл. 3.1.

17. Вычислить количество теплоты, воспринятое пароперегревателем (кДж/кг или кДж/м³),

Qт =		КН 1D t
					.	(3.36)
		×
		Bр

18. По принятым двум значениям температуры и полученным значени-ям Q_б и Q_т производится графическая интерполяция для определения тем-

 

пературы продуктов сгорания после пароперегревателя (рис. 3.5).

19. По найденной температуре J ¢ _р ¢ и уравнению (3.22) определить Q_б, а

из уравнения (3.23) – энтальпию пара на выходе из пароохладителя i ¢¢. На

по

 

этом расчет первой части пароперегревателя заканчивается.

 

Расчет второй (по ходу продуктов сгорания) части пароперегревателя, имеющего пароохладитель, включенный врассечку, и расчет пароперегрева-телей, схемы которых показаны на рис. 3.6, а-в, производится в такой после-довательности:

 

1. По чертежам определить поверхность нагрева всего пароперегрева-теля или рассчитываемой второй части, относительные шаги труб S ₁ d и

S ₂ d,характер расположения труб,площадь живого сечения для прохода

 

продуктов сгорания и пара.

 

2. Выбрать основные расчетные параметры: температуру продуктов сгорания перед пароперегревателем или перед частью его (берется из расчета предыдущей поверхности нагрева), давление, температуру и энтальпию пере-гретого пара (или энтальпию перегретого пара после второй части паропере-гревателя).

 

Энтальпия пара после второй части пароперегревателя (кДж/кг)

i ¢	= i ¢¢	+ D i	по	.	(3.37)
по	по

3. Из таблиц для перегретых паров по величине i_по ¢ и давлению пара

 

найти температуру перегретого пара после второй части пароперегревателя. 4. Определить тепловосприятие пароперегревателя (кДж/кг или

кДж/м³):

без пароохладителя

 

^Qпе

=

D

(iпе - iн);

(3.38)

^Bр

с поверхностным пароохладителем (при расчете второй части паропе-

регревателя)

Q

=

D

(i ¢

- i

);

(3.39)

пе

н

пo

B р

с впрыскивающим пароохладителем

Q

=

D - D D

(i ¢

- i

),

(3.40)

пе

н

^B р

пo

где i

пе

– энтальпия перегретого пара, кДж/кг; i ¢ – энтальпия пара после вто-

по

рой части пароперегревателя, кДж/кг; D –

расход перегретого пара, кг/с;

B р –

расход топлива,

м^3/с или кг/с; D D –

расход охлаждающей воды на

впрыскивающий пароохладитель, кг/с.

Расход воды на впрыскивающий пароохладитель (кг/с)

D D = D

D iпо

,

(3.41)

^iпo ^- ^iж

где i_ж – энтальпия воды, подаваемой в пароохладитель (при впрыске «собст-

 

венного конденсата» парового котла определяется по таблицам водяных па-ров для давления в конденсаторе).

 

5. Из уравнения теплового баланса определить энтальпию продуктов сгорания после всего пароперегревателя или его второй части (кДж/кг или кДж/м³)

I ¢¢	= I ¢	-	^Qпе	- D a		I ^o,	(3.42)
	пп
пп	пп		j	в

где I _пп ¢ – энтальпия продуктов сгорания перед пароперегревателем, известна из расчета предыдущей поверхности нагрева, кДж/кг или кДж/м³; j – коэф-фициент сохранения теплоты, определяется по формуле (3.20) расчетной ра-боты №1; I _в ⁰ – энтальпия теоретического объема воздуха, определяется по формуле (3.4) расчетной работы №1; Q_пе – тепловосприятие пароперегрева-теля или его части.

6. По величине I ¢¢ из табл. 2.5 расчетной работы №1 при коэффициен-

пп

 

те избытка воздуха после пароперегревателя определить температуру про-дуктов сгорания после пароперегревателя.

 

7. При расчете второй части пароперегревателя коэффициент теплопе-редачи следует принимать равным коэффициенту теплопередачи, рассчитан-ному для первой части. В остальных случаях расчет коэффициента теплопе-редачи выполнять в последовательности, описанной при расчете первой час-ти пароперегревателя.

 

8. В зависимости от схемы взаимного движения продуктов сгорания и пара определить температурный напор: при противотоке и прямотоке по формуле (3.19), при последовательно-смешанном токе по формуле (3.24).

 

9. По уравнению теплопередачи определить теплоту, воспринятую па-роперегревателем (кДж/кг или кДж/м³),

 

Qт	=	КН D t	.	(3.43)
		3 B	р

 

10. Произвести сравнение тепловосприятий пароперегревателя	Qт и
Qпе (в процентах),определяемых по уравнениям(3.43), (3.38) – (3.40):
D Q =	^Qт	×100.	(3.44)
	^Qпе

Если расхождение между Q_т и Q_пе составляет не более 2% (при отсут-

 

ствии пароохладителя не более 3%), расчет пароперегревателя считается оконченным, так как существующая поверхность нагрева обеспечит необхо-димую температуру перегретого пара.

 

В противном случае следует определить необходимую площадь по-верхности нагрева всего пароперегревателя или его второй части (м²):

H ¢ =		3 B	р	Q	пе	.	(3.45)
		К D t

Уменьшение поверхности нагрева пароперегревателя или его второй части может быть достигнуто, укорачиваем змеевиков или удалением (вы-резкой) отдельных змеевиков, а также торкретированием змеевиков. При удалении змеевиков образовавшиеся коридоры должны быть заложены огне-упорным кирпичом, т.е. площадь живого сечения и поперечный шаг змееви-ков S ₁ должны быть сохранены прежними. Увеличение поверхности нагрева

 

пароперегревателя или его второй части может быть достигнуто удлинением змеевиков.