Курсовая работа: Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата
Основным оборудованием для использования тепловых ВЭР, а также избыточного давления являются: котлы-утилизаторы (КУ), системы испарительного охлаждения (СИО), охладители конвертерных газов (ОКГ), сталеплавильного производства, установки сухого тушения кокса (УСТК), газовые утилизационные бескомпрессорные турбины (ГУБТ), адсорбционные холодильные машины.
Котлы-утилизаторы применяют для внешней энергетической утилизации тепловых отходов различных тепло-технологических установок, не используемых или частично используемых для регенерации в технологическом процессе.
Внешнее технологическое и энергетическое использование теплоты отходящих газов производственных тепло-технологических установок является по существу использованием вторичных энергоресурсов, приводящим к повышению суммарного коэффициента использования располагаемой теплоты.
В последние годы созданы и ведутся разработки новых типов котлов-утилизаторов и энерготехнологических агрегатов, что непосредственно связано с поставленной задачей существенного увеличения промышленного производства при значительной экономии энергоресурсов.
Перспективы применения КУ и ЭТА не исчерпываются экономией топлива и их технико-экономической эффективностью. Их значимость и необходимость более широкого внедрения определяются большой ролью в уменьшении загрязнения окружающей среды.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Предприятия или установки, предназначенные для производства электрической энергии, называются электростанциями. Электроэнергию на них получают путём преобразования других видов энергии. Источниками энергии могут быть движущаяся вода, топливо, атом и др. Современная электростанция – это сложное предприятие, включающее большое количество различных видов оборудования и строительных конструкций. Основным теплосиловым оборудованием ТЭС являются котельная и паротурбинная установки.
Последние исследования показали экономическую целесообразность сохранения значительной доли участия крупных отопительных котельных установок в покрытии общего потребления тепловой энергии.
Котельными установками называют устройства, предназначенные для получения водяного пара или нагревания воды. В зависимости от вида вырабатываемого рабочего тела котельной установки подразделяют на паровые и водогрейные. Паровая котельная установка служит для получения водяного пара заданных параметров, водогрейная – для нагревания воды до определенной температуры.
Наряду с крупными производственными, производственно-отопительными котельными мощностью в сотни тонн пара в час или сотни МВт тепловой нагрузки установлены большое количество котельных агрегатами до 1 мвт и работающих почти на всех видах топлива. Однако как раз с топливом и существует самая большая проблема. За жидкое и газообразное топливо, которое поставляется на Украину в основном из России у потребителей часто не хватает средств расплатиться. Поэтому и необходимо использовать местные ресурсы.
По назначению котельные установки делят на энергетические, производственные (промышленные), отопительно-производственные. В энергетических котельных установках вырабатывается пар высокого (Р³9МПа) и среднего (Р³3,5МПа) давлений, который в основном используют для привода паровых турбин. Производственные котельные установки предназначены для получения водяного пара или горячей воды, которые используют для различных технологических нужд. В отопительных котельных установках вырабатывают водяной пар низкого давления или нагревают воду только для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий и сооружений.
Все крупные современные заводы, в том числе и предприятия, изготавливающие строительные материалы и изделия, оборудуют, как правило, отопительно-производственными котельными установками для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, осуществления технологических процессов производства. В частности, в промышленности строительных материалов водяной пар необходим для тепловлажностной обработки бетонных, железобетонных, теплоизоляционных и других изделий в автоклавах и пропарочных камерах, для подогрева заполнителей бетона в пароувлажнительных установках и т.п.
Основными элементами современной котельной установки являются топка, котёл, пароперегреватель, экономайзер, воздухоперегреватель, в целом называемые котлоагрегатом, а также тягодутьевые и питательные устройства, оборудование топливоподачи и золоудаления. Рабочими телами, участвующими в процессах тепловых преобразований, служат топливо, воздух и вода.
Топливо, сгорая в топке, т.е. вступая в химическую реакцию с кислородом воздуха, образует горячие газы, которые далее при помощи тяговых устройств движутся по газоходам котлоагрегата, затем охлаждаются и выбрасываются в окружающую среду.
Минеральные примеси, находящиеся в топливе, при его сжигании образуют золу в виде сыпучей массы или сплавленных кусков, называемых шлаком (зольность топлива определяется в лаборатории путём прокаливания навески мелкораздробленного топлива весом 1-2 г в фарфоровых тиглях). Для исключения загрязнений поверхностей нагрева, расположенных за топкой, важно охладить в топке газы до температуры ниже значения температуры затвердевания золы, наступающего после прохождения ею области высоких температур обычно величина этой температуры ниже t2 на 50-1000 С. при горении топлива в топке в зоне температур происходит частичное или полное расплавление золы. Некоторая часть ее образует летучую золу, которая уходит с топочными газами из топки. Оставшаяся зола частично разлагается, превращается в сплавленную или спекающуюся массу, называемую шлаком, которую затем в жидком или гранулированном состояние удаляется из нижней части топки.
Рис. 1. Простейшая схема топочного устройства
Если горючие элементы, находящиеся в топливе, сгорают полностью, т.е. после реакции горения углерода получается СО2 , водорода – Н2 О, и серы SО2 , то отходящие из топки газы в своём составе не будут иметь горючих элементов. Однако при неумелом конструировании топки или при неправильном её обслуживании в результате реакции горения получаются и горючие газообразные вещества. Это указывает на то, что не вся химическая энергия топлива преобразовалась в тепло и выделилась в процессе сжигания; часть её осталась в отходящих газах. Следовательно, в дымовую трубу попадут не только газы полного сгорания, но и такие, которые ещё могли бы сгореть и выделить тепло.
В зависимости от расположения топочных устройств вне котла или внутри него, топки подразделяют на внешние и внутренние. Котлы с внешними топками, к каковым относятся водотрубные котлы, более универсальны, хорошо комбинируются с топками для низкосортных местных топлив, высокосортных углей, мазута и газа.
В барабане парового котла пар получается насыщенным, и в случае надобности он перегревается путём пропуска по особым змеевикам, располагаемым в большинстве случаев за первым газоходом котла. Полученные в топке газы, пройдя котёл и перегреватель, обычно имеют высокую температуру (около 300-450°С), а потому их невыгодно выбрасывать в дымовую трубу. Для повышения экономичности установки за котлом устанавливают дополнительные поверхности нагрева: экономайзер, подогревающий воду, идущую на питание котла, и воздухоподогреватель, снабжающий топку горячим воздухом. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом, в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю.
Водяные экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды до поступления ее в испарительную часть котельного агрегата.
В зависимости от применяемого материала экономайзеры делятся на чугунные и стальные, по типу поверхности – на ребристые и гладкотрубные, по степени подогрева воды - на некипящие и кипящие.
Топливо механическими приспособлениями подаётся в верхнюю часть котельного здания, где напротив каждого котла располагаются бункеры. Из бункера топливо, под действием силы тяжести, по рукаву опускается в топку.
По определению, топливом называется горючие вещества, служащие источником получения тепла. Топливо подразделяется на естественное и искусственное. Топливо может быть жидким, твёрдым и газообразным. В качестве жидкого топлива в котельных установках в основном используется мазут – остаток от переработки нефти и в некоторых случаях других природных ископаемых.
Для нормальной работы котельного агрегата необходимы непрерывная подача воздуха для горения топлива и непрерывное удаление продуктов сгорания. Объём воздуха, расходуемого в котельной установке, находят по количеству сжигаемого в час топлива, теоретическому объёму воздуха, требующегося для сжигания 1 кг топлива, и по избытку воздуха топке. На покрытие неизбежных утечек воздуха через неплотности воздуховодов набавляют 10%.
1-паровой котёл; 2-пароперегреватель; 3-экономайзер; 4-воздухоперегреватель; 5-топка (цепная решётка); 6-поступление топлива; 7-механическое шлакозолоудаление
Рис. 2. Общий вид котлоагрегата в разрезе
Воздух, требуемый для горения, нагнетается в топку вентиляторами. При наличии воздухоподогревателя дутьевой вентилятор располагают таким образом, чтобы нагнетаемый им воздух сначала проходил через воздухоподогреватель и затем, нагретый попадал в топку. Горение топлива происходит на решётке и в топочном пространстве, в результате чего образуются горячие газы. Газы под воздействием дымовой трубы и дымососа проходят по газоходам парового котла, пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя. Охлаждённые газы, предварительно пройдя через золоуловитель, удаляются в дымовую трубу. Шлак удаляется непосредственно из топки.
В современных котельных установках широко распространена система с разрежением по газоходам. К недостаткам этой схемы следует отнести наличие присосов воздуха в газоходы через неплотности в ограждениях и работу дымососов на запыленных газах. Достоинство такой схемы – отсутствие выбивания и утечек дымовых газов в помещении котельных, т.к. воздух в топку нагнетает вентилятор, а дымовые газы удаляет дымосос. В последнее время в мощных энергетических котельных установках широко применяется схема с наддувом. Топка и весь газовый тракт находятся под давлением 3-5 кПа. Давление создается мощными вентиляторами, дымосос отсутствует. Основной недостаток этой схемы – трудности, связанные с обеспечением надлежащей герметичности топки и газоходов котельного агрегата.