Тепловой расчет котла-утилизатора П-83

СОДЕРЖАНИЕ

1. Описание котла утилизатора П-83

2. Исходные данные

3. Расчет энтальпий газов

4. Расчет коэффициента использования тепла

5. Расчет пароперегревателя высокого давления

6. Расчет испарителя высокого давления

7. Расчет второй ступени экономайзера высокого давления

8. Расчет пароперегревателя низкого давления

9. Расчет испарителя низкого давления

10. Расчет экономайзера низкого давления

11. Расчет первой ступени экономайзера низкого давления

12. Расчет кипящего экономайзера

13. Расчет дополнительного экономайзера

1. ОПИСАНИЕ КОТЛА УТИЛИЗАТОРА П-83

Котел предназначен для работы в составе газотурбинной установки мощностью 345 МВТ.

Котел двухкорпусный, с естественной циркуляцией, выполнен в туннельной компановке.Два корпуса котла между собой функционально не связаны.

Газоход заполнен поверхностями нагрева, представляющими собой шахматные пакеты труб, расположенных вертикально. Пакеты труб собираются из типовых секций шириной 2340 мм и высотой 11800 мм. Каждая секция представляет собой два ряда труб, замкнутых вверху и внизу коллекторами. Все поверхности нагрева выполнены из труб 32×4 мм, с наружным спирально-ленточным ореберением.

Каждая поверхность набирается из одинакового количества секций по ширине котла, но разного по ходу газов.

Пароперегреватель высокого давления – 4 блока типовых секций по ширине газохода, в каждом блоке по 4 секции, соединенных последовательно.

Испаритель высокого давления – 4 блока по ширине газохода, 6 секций в блоке по глубине.

Экономайзер высокого давления, вторая ступень – 4 блока по ширине газохода, 4 секции по глубине.

Пароперегреватель низкого давления – 4 блока по ширине газохода, 4 секции по глубине.

Испаритель низкого давления – 4 блока по ширине газохода, 6 секций по глубине.

Экономайзер высокого давления, первая ступень – 2 бока по ширине газохода и 2 ряда секций по глубине.

Экономайзер низкого давления – 2 блока по ширине по 2 секции в каждом.

Кипящий экономайзер – один ряд типовых секций.

Дополнительный экономайзер – 4 блока по ширине газохода по 3 ряда секций.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Расход охлаждаемых газов через котел 1142·103 м3/ч

2. Температура газов перед котлом 519 0С

3. Темература уходящих газов 96 0С

4. Давление газов перед котлом 3,0 КПа

5. Состав газов: N2=75,0 %, CO2=3,0 %, H2O=8,0 %, O2=14,0 %

6. Давление перегретого пара 8/0,7 МПа

7. Температура перегретого пара 470/220 0С

8. Паропроизводительность 170/43 т/ч

9. Расход пара через пароперегреватель 165/37,5 т/ч

10. Расход воды через ЭНД 95 т/ч

11.Расход воды через кипящий экономайзер 30 т/ч

12. Расход воды через дополнительный экономайзер 267 т/ч

13. Паросодержание пароводяной смеси

На выходе из кипящего экономайзера 0,16

3. РАСЧЕТ ЭНТАЛЬПИЙ ГАЗОВ

Объемные доли

ri=ki/100; (3.1)

rN2=75/1=0,75;

rCO2=3/100=0,03;

rH2O=8/100=0,08;

rO2=14/100=0,14.

Расчет энтальпий

Iг=∑(ri+Ci)∙υг, где (3.2)

υг - температура газов 0С,

Ci - средняя теплоемкость, кДж/(м3·К).

Энтальпия газов при температуре 100 0С, кДж/м3:

Iг=(0,75·1,295+0,03·1,702+0,08·1,506+0,14·1,318)·100=132,7.

Энтальпии газов в интервале температур 0 – 100 0С приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Энтальпии газов.

4. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА

Коэффициент использования тепла, %:

где

I’ку=716,48 кДж/кг – энтальпия газов на входе в котел (табл.1) ,

I’’ку=127, 39 кДж/кг – энтальпия газов на выходе из котла (табл.1).

Потери тепли в окружающую среду, %:

q5=0,63.

Коэффициент сохранения тепла:

5. РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Геометрические характеристики:

Диаметр и толщина стенок труб:

мм.

Поперечный шаг между трубами:

S1=72 мм.

Продольный шаг между трубами:

S2=85 мм.

Относительный поперечный шаг:

σ1=S1/d ,

σ1=0,072/0,032=2,52 м.

Относительный продольный шаг:

σ2=S2/d ,

σ2=0,085/0,032=2,65 м.

Компановка труб – шахматная.

Высота ребра:

hрб=13 мм.

Толщина ребра:

мм.

Шаг между ребрами:

Sрб=5,0 мм.

Диаметр оребрения:

D=d+2∙hрб ,

D=32+2·13=58 мм.

Количество труб по ширине газохода:

z1=132.

Условный диаметр:

мм.

Длина труб:

l=11,5 мм.

Сечение для прохода газов:

Fг=a·b-z1·dy·l,

Fг=(10,55-0,9674)·11,5-0,0372·132·11,5=53,5 м2.

Число труб в одном сдвоенном ряду:

Nтр=z1·2,

Nтр=132·2=264.

Сечение для прохода пара:

fп=0,785·d2вн·Nтр,

fп=0,785·0,0242·264=0,119 м2.

Внутренняя поверхность теплообмена одного сдвоенного ряда:

Hвн=π∙dвн∙lтр∙Nтр,

Hвн=3,14∙0,028∙11,5∙264=266,9 м2.

Количество сдвоенных рядов: z=3.

Поверхность нагрева ребер одного сдвоенного ряда:

м2.

Гладкая поверхность нагрева одного сдвоенного ряда:

м2.

Полная поверхность нагрева одного сдвоенного ряда:

H1р=Hрб+Hгл,

H1р=2341,3+244=2585,3 м2.

Полная поверхность нагрева пароперегревателя:

H=H1р∙z,

H=2585,3∙3=7755,9 м2.

Тепловой расчет

Температура газов перед ППВД, 0С:

Энтальпия газов перед ППВД, кДж/м3:

Iг=716,48.

Температура перегретого пара, 0С:

tпе=470.

Давление перегретого пара, МПа:

Pпе=8.

Энтальпия перегретого пара, кДж/кг:

iпе=3328,53.

Давление в барабане, МПа:

Pб=8,4.

Температура насыщенного пара, 0С:

tн=300,3.

Энтальпия насыщенного пара, кДж/кг:

iн’’=2749,9.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(5.1)

Энтальпия газов после ППВД, кДж/м3:

(5.2)

Температура газов после ППВД, 0С:

Температурный напор (перекрестное движение сред), 0С:

, где (5.3)

Ψ – коэффициент пересчета от противоточной схемы к более сложной,

Δtпрт – температурный напор при противотоке.

Ψ=1.

Температурный напор при противотоке, 0С:

(5.4)

Температурный напор на входе при противотоке, 0С:

(5.5)

Температурный напор на выходе при противотоке, 0С:

(5.6)

Температурный напор при противотоке, 0С:

Температурный напор, 0С:

Δt=1·95=95.

Средняя температура газов, 0С:

(5.7)

Скорость газов, м/с:

(5.8)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, :

где (5.9)

n=0,7+0,08·φ+0,005·Ψр, где

Ψр=8,48,

n=0,7+0,08·(-0,86)+0,005·8,48=0,67.

CS – коэффициент, определяемый в зависимости от относительных поперечного и продольного шагов труб в пучке, типа пучка.

(5.10)

CZ – поправка на число рядов труб по ходу газов.

При z2=6<8 и <2,0, то

(5.11)

Коэффициент теплопроводности, Вт/м·к:

λ=5,57·10-2.

Коэффициент кинематической вязкости, м2/сек:

ν=71,63·10-6.

Критерий Прандтля:

Pr=0,62.

Средняя температура пара, 0С:

(5.12)

Скорость пара, м/с:

где (5.13)

υ=0,03287 м3/кг – средний удельный объем пара.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару, :

(5.14)

Коэффициент теплопроводности, Вт/м·к: λ=6,34·10-2

Коэффициент кинематической вязкости, м2/сек:

где (5.15)

μ – коэффициент динамической вязкости, (кгс·сек)/м2:

μ=2,86·10-6.

Критерий Прандтля: Pr=1,135.

Эквивалентный диаметр, м:

(5.16)

Поправка Ct. В элементах котла температура стенки при течении пара мало отличается от температуры среды. поэтому Ct=1.

Поправка Cd=1.

Cl=1, l/d>50.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, :

(5.17)

Коэффициент теплопередачи, :

где (5.18)

Ψ=0,8 – коэффициент эффективности.

α1пр – приведенный коэффициент теплоотдачи.

где (5.19)

(5.20)

м.

(5.21)

м.

Е – коэффициент эффективности ребра.

где (5.22)

λрб=45,5 Вт/(м·к) – коэффициент теплопроводности материала ребра.

φЕ – коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по поверхности ребра.

φЕ=1-0,058·m·hрб, (5.23)

φЕ=1-0,058·56,3·0,013=0,958.

μ – коэффициент, учитывающий влияние уширения ребра к основанию.

μ=1,03 (1, номограмма 6).

Е=0,78 (1, номограмма 6).

Уравнение теплопередачи, кДж/м3:

(5.24)

Погрешность, %:

(5.25)

6. РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Геометрические характеристики.

Геометрические характеристики такие же как и у ППВД за исключением:

Количество сдвоенных рядов: z=9.

Полная поверхность нагрева испарителя, м2:

H=H1р∙z,

H=2585,3∙9=23267.

Тепловой расчет

Температура газов перед ИСПВД , 0С:

(из расчета ППВД).

Энтальпия газов перед ИСПВД, кДж/м3:

Iг=634,9

Давление в барабане, МПа:

Pб=8,4.

Температура насыщенного пара, 0С:

tн=297.

Энтальпия насыщенного пара, кДж/кг:

iн’’=2756,2.

Температура насыщенной воды, 0С:

tн’=297.

Энтальпия насыщенной воды, кДж/кг:

i’н=1329,9.

Температура недогрева до кипения, 0С:

Δtнед=4.

Температура воды на выходе из экономайзера, 0С:

t’’эвд=tн’- Δtнед,

t’’эвд=297-4=293.

Энтальпия воды на выходе из экономайзера, кДж/кг:

i’’эвд=1306,9.

Величина недогрева до кипения, кДж/кг:

Δiнед=i’н-i’’эвд,

Δiнед=1329,9-1306,9=23.

Скрытая теплота парообразования, кДж/кг:

r=1426.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(6.1)

Энтальпия газов после ИСППВД, кДж/м3:

(6.2)

Температура газов после ИСППВД, 0С:

Температурный напор (перекрестное движение сред), 0С:

, где (6.3)

Ψ – коэффициент пересчета от противоточной схемы к более сложной,

Δtпрт – температурный напор при противотоке.

Ψ=1.

Температурный напор при противотоке, 0С:

(6.4)

Температурный напор на входе при противотоке, 0С:

(6.5)

Температурный напор на выходе при противотоке, 0С:

(6.6)

Температурный напор при противотоке, 0С:

Температурный напор, 0С:

Δt=1·54=54.

Средняя теипература газов, 0С:

(6.7)

Скорость газов, м/с:

(6.8)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, :

где (6.9)

n=0,7+0,08·φ+0,005·Ψр, где

Ψр=8,48,

n=0,7+0,08·(-0,86)+0,005·8,48=0,67.

CS – коэффициент, определяемый в зависимости от относительных поперечного и продольного шагов труб в пучке, типа пучка.

(6.10)

CZ – поправка на число рядов труб по ходу газов.

При z2=18>8, то СZ=1.

Коэффициент теплопроводности, Вт/м·к:

λ=5,58·10-2.

Коэффициент кинематической вязкости, м2/сек:

ν=55,85·10-6.

Критерий Прандтля:

Pr=0,64.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, :

(6.11)

Коэффициент теплопередачи, :

где (6.12)

Ψ=0,8 – коэффициент эффективности.

α1пр – приведенный коэффициент теплоотдачи.

где (6.13)

(6.14)

м.

(6.15)

м.

Е – коэффициент эффективности ребра.

где (6.16)

λрб=45,5 Вт/(м·к) – коэффициент теплопроводности материала ребра.

φЕ – коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по поверхности ребра.

φЕ=1-0,058·m·hрб, (6.17)

φЕ=1-0,058·60,3·0,013=0,955.

μ – коэффициент, учитывающий влияние уширения ребра к основанию.

μ=1,03 (1, номограмма 6).

Е=0,78 (1, номограмма 6).

Уравнение теплопередачи, кДж/м3:

(6.18)

Погрешность, %:

(6.19)

7. РАСЧЕТ ЭКОНОМАЙЗЕРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ВТОРАЯ СТУПЕНЬ

Геометрические характеристики.

Геометрические характеристики такие же как и у ППВД за исключением:

Количество сдвоенных рядов: z=6.

Полная поверхность нагрева испарителя, м2:

H=H1р∙z,

H=2585,3∙6=15512.

Тепловой расчет

Температура газов перед ЭВД , 0С:

(из расчета ИСПВД).

Энтальпия газов перед ЭВД, кДж/м3:

Iг=417,3.

Температура воды после ЭВД, 0С:

t’’эвд=293 (из расчета ИСПВД).

Энтальпия воды после ЭВД, кДж/кг:

i’’эвд=1306,9.

Температура воды перед ЭВД, 0С:

t’эвд=161,7.

Энтальпия воды перед ЭВД, кДж/кг:

i’эвд=688,2.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(7.1)

Энтальпия газов после ЭВД, кДж/м3:

(7.2)

Температура газов после ЭВД, 0С:

Температурный напор (перекрестное движение сред), 0С:

, где (7.3)

Ψ – коэффициент пересчета от противоточной схемы к более сложной,

Δtпрт – температурный напор при противотоке.

Ψ=1.

Температурный напор при противотоке, 0С:

(7.4)

Температурный напор на входе при противотоке, 0С:

(7.5)

Температурный напор на выходе при противотоке, 0С:

(7.6)

Температурный напор при противотоке, 0С:

Температурный напор, 0С:

Δt=1·40=40.

Средняя температура газов, 0С:

(7.7)

Скорость газов, м/с:

(7.8)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, :

где (7.9)

n=0,7+0,08·φ+0,005·Ψр, где

Ψр=8,48,

n=0,7+0,08·(-0,86)+0,005·8,48=0,67.

CS – коэффициент, определяемый в зависимости от относительных поперечного и продольного шагов труб в пучке, типа пучка.

(7.10)

CZ – поправка на число рядов труб по ходу газов.

При z2=12>8, то СZ=1.

Коэффициент теплопроводности, Вт/м·к:

λ=4,63·10-2.

Коэффициент кинематической вязкости, м2/сек:

ν=40,88·10-6.

Критерий Прандтля:

Pr=0,65.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, :

(7.11)

Коэффициент теплопередачи, :

где (7.12)

Ψ=0,8 – коэффициент эффективности.

α1пр – приведенный коэффициент теплоотдачи.

где (7.13)

(7.14)

м.

(7.15)

м.

Е – коэффициент эффективности ребра.

где (7.16)

λрб=45,5 Вт/(м·к) – коэффициент теплопроводности материала ребра.

φЕ – коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по поверхности ребра.

φЕ=1-0,058·m·hрб, (7.17)

φЕ=1-0,058·57,3·0,013=0,957.

μ – коэффициент, учитывающий влияние уширения ребра к основанию.

μ=1,03 (1, номограмма 6).

Е=0,78 (1, номограмма 6).

Уравнение теплопередачи, кДж/м3:

(7.18)

Погрешность, %:

(7.19)

8. РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ НИЗКОГО ДАВЛНЕНИЯ

Температура газов перед ППНД, 0С:

(из расчета ЭВД).

Энтальпия газов перед ППНД, кДж/м3:

Iг=324,4.

Температура перегретого пара, 0С:

tпе=220.

Давление перегретого пара, МПа:

Pпе=0,7.

Энтальпия перегретого пара, кДж/кг:

iпе=2891,9.

Давление в барабане, МПа:

Pб=0,73.

Температура насыщенного пара, 0С:

tн=165.

Энтальпия насыщенного пара, кДж/кг:

iн’’=2764,14.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(8.1)

Энтальпия газов после ППНД, кДж/м3:

(8.2)

Температура газов после ППНД, 0С:

9. РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЯ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Температура газов перед ИСПНД , 0С:

(из расчета ППНД).

Энтальпия газов перед ИСПНД, кДж/м3:

Iг=320.

Давление в барабане, МПа:

Pб=0,73.

Температура насыщенной воды, 0С:

tн’=165.

Энтальпия насыщенной воды, кДж/кг:

i’н=694,3

Температура недогрева до кипения, 0С:

Δtнед=4.

Температура воды на выходе из экономайзера, 0С:

t’’энд=tн’- Δtнед,

t’’энд=165-4=161.

Энтальпия воды на выходе из экономайзера, кДж/кг:

i’’энд=676,3.

Величина недогрева до кипения, кДж/кг:

Δiнед=i’н-i’’энд,

Δiнед=694,3-676,4=18.

Скрытая теплота парообразования, кДж/кг:

r=2069,8.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(9.1)

Энтальпия газов после ИСПНД, кДж/м3:

(9.2)

Температура газов после ИСПНД, 0С:

10. РАСЧЕТ ЭКОНОМАЙЗЕРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Температура газов перед ЭНД , 0С:

(из расчета ИСПНД).

Энтальпия газов перед ЭНД, кДж/м3:

Iг=240,5.

Температура воды после ЭНД, 0С:

t’’энд=161 (из расчета ИСПНД).

Энтальпия воды после ЭНД, кДж/кг:

i’’энд=676,3.

Температура питательной воды, 0С:

tПВ=110.

Энтальпия питательной воды, кДж/кг:

iПВ=462,15.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(10.1)

11. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭКОНОМАЙЗЕРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ПЕРВАЯ СТУПЕНЬ

Температура газов перед ЭНД , 0С:

(из расчета ИСПНД).

Энтальпия газов перед ЭНД, кДж/м3:

Iг=240,5.

Температура воды после ЭВД, 0С:

t’’эвд=161,7.

Энтальпия воды после ЭВД, кДж/кг:

i’’эвд=680,45.

Температура питательной воды, 0С:

tПВ=110.

Энтальпия питательной воды, кДж/кг:

iПВ=467,2.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(11.1)

Энтальпия газов после ЭНД и ЭВД, кДж/м3:

(11.2)

Температура газов после ЭВД и ЭНД, 0С:

12. РАСЧЕТ КИПЯЩЕГО ЭКОНОМАЙЗЕРА

Температура газов перед КипЭ , 0С:

(из расчета ЭНД и ЭВД).

Энтальпия газов перед КипЭ, кДж/м3:

Iг=190,2.

Давление в деаэраторе, МПа:

Рд=0,15.

Температура воды после КипЭ, 0С:

t’’КипЭ=110.

Энтальпия воды после КипЭ, кДж/кг:

i’’КипЭ=462,15.

Температура воды перед КипЭ, 0С:

t’КипЭ=110.

Энтальпия воды перед ЭВД, кДж/кг:

i’КипЭ=419,83.

Паросодержание пароводяной смеси на выходе их КипЭ:

x=0,16.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(12.1)

Энтальпия газов после КипЭ, кДж/м3:

(12.2)

Температура газов после КипЭ, 0С:

13. РАСЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭКОНОМАЙЗЕРА

Температура газов перед ДопЭ , 0С:

(из расчета КипЭ).

Энтальпия газов перед ДопЭ, кДж/м3:

Iг=180,8.

Температура воды после ДопЭ, 0С:

t’’допэ=100,6.

Энтальпия воды после ДопЭ, кДж/кг:

i’’допэ=419,4.

Температура воды перед ДопЭ, 0С:

t’допэ=60.

Энтальпия воды перед ЭВД, кДж/кг:

i’эвд=251,4.

Уравнение баланса, кДж/м3:

(13.1)

Энтальпия газов после ДопЭ, кДж/м3:

(13.2)

Температура газов после ДопЭ, 0С: