Предисловие. Теплогенерирующие установки, их разновидности

Издательство: Издательство Машиностроение-1

Год издания: 2006

Язык: Русский

Страниц: 240

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воз- дух. В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерно- го топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с по- мощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

2. БЕЗОПАСНОСТЬ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Арматура – устройства и приборы, обеспечивающие безопасное обслуживание, управление работой элементов котельного агрегата и тепло- энергетического оборудования, находящихся под давлением. К арматуре относят регулирующие и запорные устройства для подачи, продувки и спуска воды, включения, регулирования и отключения трубопроводов воды, пара, топлива и предохраняющие от превышения давления. К арматуре также принято относить основные контрольные и измерительные приборы – водоуказательные стекла, манометры, предохранительные клапаны. Количество арматуры, ее обязательные типы регламентированы Ростехнадзором. По назначению арматура делится на запорную (кран, вентиль, задвижка), регулирующую (редукционный клапан), защитную (предохранительный и обратный клапан). По способу соединения с трубопроводами арматуру разделяют на фланцевую и муфтовую, а по материалу – на латунную, чугунную, комбинированную. В местах соединения с фланцами устанавливаются прокладки или уплотнения. Запорная арматура должна иметь паспорт и маркировку: завод-изготовитель, давление и температура среды, условный диаметр, направление потока.

3. ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Топливом называют вещество, выделяющее при определенных условиях большое количество тепловой энергии, которую используют в раз- личных отраслях народного хозяйства для получения водяного пара или горячей воды систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и производства электроэнергии. Топливо бывает горючее и расщепляющееся. Горючее – топливо, которое выделяет теплоту при взаимодействии с окислителем (воздухом), а расщепляющееся (ядерное) – выделяет теплоту в процессе торможения продуктов деления тяжелых ядер химических эле- ментов, при взаимодействии их с нейтронами. Горючее топливо делится на органическое и неорганическое. В теплогенерирующих котельных установках (ТГУ) применяют органическое топливо, которое по агрегатному состоянию делят на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное. Естественные: уголь, торф, сланцы, древесина, природный газ, попутный газ нефтяных месторождений. Искусственные (синтетические, композиционные): топливные брикеты, торфяной кокс, дизельное и соляровое топливо, мазут (топочный, бытовой), топливные эмульсии и суспензии, доменный, коксовый, сланцевый газ.

4. ТОПОЧНЫЕ И ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА Топка – устройство, предназначенное для сжигания топлива с целью получения теплоты. Топка выполняет функцию горения и теплообменного аппарата – теплота излучением и конвекцией одновременно передается от факела горения и продуктов сгорания к экранным поверхностям, по которым циркулирует вода. Доля лучистого теплообмена в топке, где темпера- тура топочных газов порядка 1000 °С, больше чем конвективного, поэтому, чаще всего, поверхности нагрева в топке называют радиационными. Для сжигания природного газа, мазута и пылевидного твердого топлива обычно используют камерные топки, общая принципиальная схема которой приведена на рис. 4.1. В конструкции камерной топки можно выделить четыре основных элемента: топочную камеру, экранную поверхность, горелочное устройство и систему удаления шлака и золы.

5. ПАРОВЫЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЫ Устройство, имеющее топку для сжигания топлива, обогреваемое продуктами сгорания топлива, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного и используемого вне самого устройства, называют паровым котельным агрегатом (котлом). Теплота от топочных газов в топке передается радиационным поверхностям нагрева, а за топкой – конвективным поверхностям нагрева, к которым относят кипятильные трубы и пароперегреватель. К конвективным, или хвостовым, поверхностям нагрева также относят водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата и снижения расхода топлива. Элементы парового котельного агрегата представляют собой цилиндры (трубы и сосуды) разного диаметра, соединенные между собой с помощью сварки или вальцовки. Основными деталями парового котельного аг- регата являются барабан, коллекторы и трубы. Для возможности осмотра и очистки барабанов и коллекторов выполняют отверстия, называемые лазами, или люками. Внутренний объем парового котла, заполненный водой, называют водным пространством, занятый паром – паровым пространством; поверхность, отделяющую паровое пространство от водного, – зеркалом испарения. В паровом пространстве устанавливают устройства для сепарации пара и влаги.

6. ВОДОГРЕЙНЫЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЫ

7. ХВОСТОВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА

8. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА

9. ПОДГОТОВКА ВОДЫ И ТОПЛИВА В КОТЕЛЬНЫХ

10. ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

484 просмотра

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра вентиляции, тепло газо - и водоснабжения

Контрольная работа

по дисциплине

«Теплогенерирующие установки»

Введение

1.1 Конструктивные особенности котельных

2.1 Топочные устройства

2.2 Горелочные устройства

2.4 Газомазутные горелки

2.5 Тягодутьевые устройства

3.1 Арматура и гарнитура

3.2 Контрольно-измерительные приборы

3.3 Водоуказательные приборы

3.4 Приборы для измерения расхода

3.5 Газоанализаторы

3.6 Системы автоматики регулирования

3.7 Приборы безопасности

Перечень источников литературы

Введение

Тепловая энергия - необходимое условие жизнедеятельности человека и создания благоприятных условий его быта. Повышение надежности и экономичности систем теплоснабжения зависит от работы теплогенерирующих установок, рационально спроектированной тепловой схемы котельной, широкого внедрения энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, экономии топлива, тепловой и электрической энергии. Энергосбережение и оптимизация систем производства и распределения тепловой энергии, корректировка энергетических и водных балансов позволяют улучшить перспективы развития теплоэнергетики и повысить технико-экономические показатели оборудования теплогенерирующих установок.

Альтернативы энергосбережению в настоящее время, безусловно, нет.

Поэтому покрытие дефицита энергии следует осуществлять за счет таких ее источников, которые обладали бы уникальными свойствами: были возобновляемыми, экологически чистыми и не приводили бы к поступлению на планету дополнительного количества теплоты. Такими источниками являются солнечная энергия, энергия ветра и биомассы, энергия морских волн и приливов, геотермальная энергия и ряд других нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

В экономике Украины энергосбережение и энергосберегающие технологии должны быть приоритетными при внедрении их в производство. Знания принципов работы, расчета и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок позволяют определить - где, что, в каких количествах, куда и почему теряется. Эффективность, безопасность, надежность и экономичность работы оборудования котельных во многом определяются методом сжигания топлива, совершенством и правильностью выбора оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией и степенью подготовки обслуживающего персонала.

1. Конструктивные особенности теплогенерирующих установок

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воздух.

В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим теплом для переноса тепловой энергии - теплоносителем - служат жидкости или газы.

Системой теплоснабжения называют комплекс устройств, производящих тепловую энергию и доставляющих ее в виде водяного пара, горячей воды и нагретого воздуха потребителю.

Основные тенденции развития теплогенерирующих установок включают применение централизованного теплоснабжения и автоматизированных систем управления (АСУ), использование альтернативных источников энергии (водородной, солнечной, геотермальной, ветровой, приливов и отливов), местных и вторичных энергоресурсов, отходов промышленности, сельского и городского хозяйства, обеспечение минимальных выбросов вредных веществ в атмосферу. В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы производства тепловой энергии.

1. Котельные агрегаты - устройства, имеющие топку для сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермических химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

2. Атомные реакторы - устройства, в которых проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.

3. Электродные котлы - устройства, в которых проходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

4. Гелиоустановки - устройства, в которых солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу - воде или воздуху.

5. Геотермальные установки - устройства, в которых проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

6. Котлы-утилизаторы - устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое оборудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

7. Для систем теплоснабжения также используют производство тепловой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства, в которых энергия с низким энергетическим потенциалом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах).

Эффективность ТГУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии, а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

1. Конструктивные особенности теплогенерирующих установок

Паровым или водогрейным котельным агрегатом (теплогенератором) - называют устройство, имеющее топку для сжигания органического топлива и обогреваемое продуктами сгорания этого топлива, предназначенное для получения пара или горячей воды с давлением выше атмосферного, которые используют вне самого устройства.

В котельный агрегат необходимо:

Подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить полное сгорание топлива и передачу теплоты от топочных газов рабочему телу; удалить продукты сгорания топлива;

Подать рабочее тело - воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар требуемого давления, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки.

Производительность теплогенератора определяется количеством теплоты или пара, получаемого в процессе сжигания топлива.

От высокотемпературных продуктов сгорания органического топлива тепловая энергия передается трубам суммарным потоком теплоты: конвекцией и лучеиспусканием. Затем от внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота передается путем теплопроводности, а от внутренней поверхности труб к воде благодаря теплопроводности и конвекции.

Котельная установка включает в себя теплогенератор - паровой или водогрейный котельный агрегат (котел), хвостовые поверхности нагрева, горелки, а также различные дополнительные устройства. Радиационные поверхности нагрева теплогенератора размещены в топочной камере и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет лучеиспускания, одновременно защищая стены топки (обмуровку) от прямого воздействия излучающей среды топочных газов. Конвективные поверхности нагрева (кипятильные трубы) установлены за топкой, в газоходах котла и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет конвекции. К конвективным или хвостовым поверхностям нагрева также относятся пароперегреватели, водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата или установки и в конечном итоге для снижения расхода топлива.

На рис. 1 приведена принципиальная схема котельной установки, работающей на природном газе или мазуте.

Рис. 1.1. Принципиальная схема котельной установки

1 - водопровод; 2 - катионитовый фильтр; 3 - теплообменник; 4 - колонка деаэратора; 5 - бак деаэратор; 6 - питательный насос; 7 - водяной экономайзер; 8 - питательная линия; 9 - верхний барабан; 10 - нижний барабан котла; 11 - кипятильные трубы; 12 - паропровод; 13 - пароперегреватель; 14 - паропровод перегретого пара; 15 - воздуховод; 16 - дутьевой вентилятор; 17 - воздухоподогреватель; 18 - воздуховод нагретого воздуха; 19 - горелочное устройство; 20 - топливопровод; 21 - боров; 22 - дымосос; 23 - дымовая труба.

Вода после водоподготовки (умягчения и деаэрации) питательным насосом нагнетается вначале в водяной экономайзер, а затем в верхний барабан парового котельного агрегата, где вырабатывается сухой насыщенный пар. Для производства перегретого пара дополнительно устанавливается пароперегреватель. Воздух, необходимый для горения топлива, дутьевым вентилятором нагнетается в топку котла либо предварительно нагревается в воздухоподогревателе. Котельная или теплогенерирующая установка также включает в себя: горелочные устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию; дымосос для удаления продуктов сгорания; дымовую трубу; арматуру и гарнитуру различного назначения. Все эти установки размещаются в специальном промышленном здании, называемом котельной.

На рис. 2 и 3 приведен план и продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13, работающей на природном газе или мазуте.

Рис. 2. План котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Рис. 3. Продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Котельной называется комплекс устройств и механизмов для превращения химической энергии органического топлива в тепловую энергию.

Котельная включает в себя несколько котельных установок, дымовую трубу для отвода дымовых газов в атмосферу, теплообменники, деаэратор, баки, насосы (питательные, сетевые, подпиточные и другие), разные вспомогательные устройства и машины, предназначенные для обеспечения длительной и надежной работы котельных агрегатов, в том числе и приборов, позволяющих контролировать ход процессов в котельном агрегате. В котельной также имеются помещения для различных вспомогательных служб и мастерских. Для удаления очаговых остатков топлива и золы из дымовых газов при сжигании твердого топлива в котельных имеются системы шлако- и золоудаления.

Снабжение котельной топливом может осуществляться различными путями: по трубопроводам, по железной дороге и автотранспортом. На территории котельной обычно проложены трубопроводы, подводящие природный газ к котельным агрегатам, и газорегуляторные пункты (ГРП) для приема, очистки и снижения давления газа перед котлами. При использовании жидкого топлива, подаваемого в железнодорожных или автомобильных цистернах, на территории котельной предусмотрены устройства для приемки, разгрузки, слива, хранения и подачи жидкого топлива по емкостям, аппараты для подогрева, фильтрации и транспортировки в котельную.

На территории котельной также располагаются склады для хранения материалов и запасных частей, необходимых при эксплуатации и ремонте оборудования; устройства для приемки и преобразования электрической энергии, потребляемой котельной. На территории котельной регламентировано устройство проездов и площадок разного назначения, зеленой зоны для защиты окружающего пространства.

Размеры зданий котельных, проходы между стенами и оборудованием, материалы, из которых они выполняются, определяются Правилами и нормами Госгортехнадзора Украины.

Эффективность работы котельных во многом определяется правильностью выбора метода сжигания топлива, совершенством оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией обслуживающего персонала и др.

2. Топочные и горелочные устройства

2.1 Топочные устройства

Топка - устройство, предназначенное для сжигания топлива с целью получения теплоты. Топка выполняет функцию горения и теплообменного аппарата - теплота излучением и конвекцией одновременно передается от факела горения и продуктов сгорания к экранным поверхностям, по которым циркулирует вода. Доля лучистого теплообмена в топке, где температура топочных газов порядка 1000°С, больше чем конвективного, поэтому, чаще всего, поверхности нагрева в топке называют радиационными .

Для сжигания природного газа, мазута и пылевидного твердого топлива обычно используют камерные топки, общая принципиальная схема которой приведена на рис. 4.

В конструкции камерной топки можно выделить четыре основных элемента: топочную камеру, экранную поверхность, горелочное устройство и систему удаления шлака и золы.

Рис. 4. Принципиальная схема камерной топки

1 - обмуровка; 2 - фронтовой и потолочный экран; 3 - задний и подовый экран; 4 - левый боковой экран; 5 - горелка; 6 - система удаления шлака и золы; 7 - конвективная шахта - газоход; 8 - пароперегреватель; 9 - водяной экономайзер; 10 - воздухоподогреватель; 11 - боров.

Топочная камера или топочный объем - пространство, отделенное обмуровкой от окружающей среды.

Обмуровкой называют ограждения, отделяющие топочную камеру и газоходы котельного агрегата от внешней среды. Обмуровку выполняют из красного или диатомового кирпича, огнеупорного материала или из металлических щитов с огнеупорами. Внутренняя часть обмуровки в топке, или футеровка , со стороны топочных газов и шлаков, выполняется из огнеупорных материалов: шамотного кирпича, шамотобетона и других огнеупорных масс. Обмуровка и футеровка должны быть достаточно плотными, особо высокоогнеупорными, стойкими к химическому воздействию шлаков и иметь малый коэффициент теплопроводности.

Обмуровка может опираться непосредственно на фундамент, на металлические конструкции (каркас) или крепиться на трубах экранов топочной камеры и газоходов. Поэтому существует три конструкции обмуровки:

Массивная - имеет свой фундамент;

Накаркасная (облегченная) - фундамента не имеет, крепится на металлический каркас;

Натрубная - крепится к экранным поверхностям.

Каркас служит для крепления и поддержания всех элементов котельного агрегата (барабанов, поверхностей нагрева, трубопроводов, обмуровки, лестниц и площадок) и представляет собой металлические конструкции обычно рамного типа, соединенные с помощью сварки или закрепленные болтами на фундаменте.

2. Экранная радиационная поверхность нагрева выполнена из стальных труб диаметром 51…76 мм установленным с шагом 1,05…1,1. Экраны воспринимают теплоту за счет радиации и конвекции и передают ее воде или пароводяной смеси, циркулирующим по трубам. Экраны защищают обмуровку от мощных тепловых потоков.

3. Система удаления шлака и золы используется в камерных топках только при сжигании твердого пылевидного топлива.

4. Горелочные устройства устанавливаются на одной или двух противоположных (встречных) поверхностях нагрева, на поду, или в уграх топки. На стенах топки котла устраивают амбразуру - отверстие в обмуровке, выложенное огнеупорным материалом, куда устанавливают воздушный регистр и горелочное устройство.

Воздушные регистры . При любом виде топлива (газообразное, жидкое или пылевидное) воздух в основном (кроме инжекционных горелок) нагнетается дутьевым вентилятором в топку через воздушные регистры или воздухонаправляющие аппараты, что обеспечивает интенсивное завихрение и выход (подачу) топливно-воздушной смеси в наиболее узком сечении амбразуры топки со скоростью 25…30 м/с.

Воздухонаправляющее устройство представляет собой лопаточный завихритель осевого типа с подвижными, поворачивающимися вокруг своей оси лопатками. Возможна и установка неподвижных профильных лопаток под углом 45…50° к потоку воздуха. Завихрение потока воздуха интенсифицирует процессы смесеобразования и горения, но при этом увеличивается сопротивление по воздушному тракту. Направляющие аппараты удобны для автоматического регулирования производительности вентиляторов и дымососов.

2.2 Горелочные устройства

теплогенерирующий котельная топка горелка

В зависимости от вида сжигаемого топлива различают множество конструкций горелочных устройств.

1. При сжигании твердого пылевидного топлива применяют горелки смешивающего типа.

В амбразуре топочной камеры устанавливают улитку, в которой пылевоздушная смесь ПВС (пылевидное топливо с первичным воздухом) закручивается и по кольцевому каналу транспортируется к выходу горелки, откуда ПВС поступает в топку в виде закрученного короткого факела. Вторичный воздух, через другую аналогичную улитку, подается в топку со скоростью 18…30 м/с в виде мощного закрученного потока, где интенсивно перемешивается с пылевоздушной смесью, образуя факел горения. Производительность горелок - 2…9 т/ч угольной пыли.

2. При сжигании мазута применяют форсунки и мазутные горелки: механические, ротационные и паровоздушные (паромеханические).

Любая мазутная форсунка должна иметь устройство для хорошего перемешивания топлива с воздухом, что достигается использованием разного вида завихряющих приспособлений - регистров. Комплект мазутной форсунки с воздушным регистром и другими вспомогательными приспособлениями называется мазутной горелкой .

Рис. 5 Принципиальная схема горелки для сжигания пылевидного твердого топлива

1 - канал подачи ПВС; 2 - кольцевой канал; 3 - канал вторичного воздуха.

Рис. 6 Принципиальная схема механической форсунки

1 - канал подачи мазута; 2 - распыливающая головка; 3 - канал подачи воздуха; 4 - обмуровка.

Механическая форсунка . Принципиальная схема форсунки приведена на рис. 6.

Подогретый примерно до 100°С мазут под давлением 2…4 МПа поступает в канал, перемещается в насадок (распыливающую головку), где установлен завихритель-распылитель. В результате прямолинейное движение мазута изменяется на вращательное, и мазут с большой скоростью (45…50 м/с) и сильным завихрением выбрасывается в топочную камеру. В топке мазут взаимодействует с воздушной средой и распыляется на мелкие капли. Достоинства: не нужен пар, нет движущихся частей. Недостатки: необходима двойная очистка мазута (грубая и тонкая); требуются мощные нефтенасосы; образование нагара; малый диапазон регулирования (60…100 %). Расход мазута - 0,2…4 т/ч.

Ротационная форсунка . Топливо подается через канал и сопло на вращающуюся чашу (стакан), дробится и сбрасывается в топочную камеру. Давление топлива (мазута) составляет 0,15…1 МПа, а чаша вращается со скоростью 1500…4500 об/мин. Воздух поступает вокруг чаши через конус, охватывает вращающийся поток капель и перемешивается с ним. Расход мазута - 0,1…3,4 т/ч.

Достоинства: не требуются мощные нефтяные насосы и тонкая очистка мазута от примесей; широкий диапазон регулирования (15…100 %). Недостатки: сложная конструкция и повышенный уровень шума.

Паровоздушная или паромеханическая форсунка . Топливо подается в канал, по внешней поверхности которого поступает пар (давлением 0,5…2,5 МПа) или сжатый воздух. Пар выходит из канала со скоростью до 1000 м/с и распыляет топливо (мазут) на мельчайшие частички. Природный газ также поступает по каналу в топку. Воздух нагнетается в топку вентилятором через амбразуру.

3. Газовые горелки. Газогорелочные устройства (горелки) предназначены для подачи к месту горения (в топку) газовоздушной смеси или раздельно газа и воздуха, устойчивого сжигания и регулирования процесса горения. Основной характеристикой является тепловая мощность горелки , т.е. количество теплоты, выделяемое при полном сжигании газа, поданного через горелку, и определяется произведением расхода газа на его низшую теплоту сгорания.

Основные параметры горелок: номинальная тепловая мощность, номинальное давление газа (воздуха) перед горелкой, номинальная относительная длина факела, коэффициенты предельного и рабочего регулирования горелки по тепловой мощности, удельная металлоемкость, давление в камере сгорания, шумовая характеристика.

Существуют три основных метода сжигания газа.

1) Диффузионный - в топку газ и воздух в необходимых количествах подают раздельно, а смешение происходит в топке.

2) Кинетический - в горелку подают полностью подготовленную газовоздушную смесь с избыточным количеством воздуха. Воздух смешивается с газом в смесителях, и смесь быстро сгорает в коротком слабосветящемся пламени при обязательном наличии стабилизатора горения.

3) Смешанный - в горелку подают хорошо подготовленную смесь газа с воздухом, содержащую только часть (30…70 %) воздуха, необходимого для горения. Этот воздух называют первичным. Остальной (вторичный) воздух поступает к факелу (устью горелки) путем диффузии. К этой же группе относят горелки, у которых газовоздушная смесь содержит весь воздух, необходимый для горения, и смешение происходит и в горелке, и самом факеле.

Наличие устойчивого пламени является важнейшим условием надежной и безопасной работы котельного агрегата. При неустойчивом горении пламя может проскочить внутрь горелки или оторваться от нее, что приведет к загазованности топки и газоходов и взрыву газовоздушной смеси при последующем повторном розжиге. Скорость распространения пламени для различных газов неодинакова: наибольшая 2,1 м/с - для смеси водорода с воздухом, а наименьшая 0,37 м/с - для смеси метана с воздухом. Если скорость газовоздушного потока окажется меньше скорости распространения пламени, происходит проскок пламени в горелке, а если больше - о т рыв пламени .

По способу подачи воздуха для горения различают следующие конструкции горелок.

1. Горелки с поступлением воздуха к месту горения за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой или дымососом, или конвекции.

Смешение газа с воздухом происходит не в горелке, а за ней, в амбразуре или топке, одновременно с процессом горения. Такие горелки называют диффузионными , они равномерно прогревают всю топку, имеют простую конструкцию, работают бесшумно, факел устойчив по отношению к отрыву, проскок пламени невозможен.

2. Горелки с инжекцией воздуха газом, или инжекционные . Схема инжекционной горелки приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема инжекционной горелки

Струя газа, поступающего из газопровода под давлением, выбрасывается из одного или нескольких сопл с большой скоростью, в результате скорость потока увеличивается, а давление в камере смешения снижается.

За счет разрежения в камере наружный воздух подсасывается (инжектируется) в горелку и при движении по камере смешивается с газом. Объемный расход инжектируемого воздуха регулируется положением кольца, которое вращается на резьбе, уменьшая или увеличивая при этом сечение между кольцом и обмуровкой. Смесь газа и воздуха проходит камеру смешения и поступает в его расширяющуюся часть - диффузор, где скорость смеси снижается, а давление при этом возрастает, после чего газовоздушная смесь проходит через распределительную решетку - рассекатель, или поступает в коллектор с огневыми отверстиями и попадает в топку, где сгорает в виде маленьких голубовато-фиолетовых факелов.

3. Горелки с инжекцией газа воздухом. В них для инжекции газа используется энергия струй сжатого воздуха, создаваемого вентилятором, а давление газа перед горелкой поддерживается постоянным с помощью специального регулятора. Достоинства: подача газа в смеситель возможна со скоростью, близкой к скорости воздуха; возможность использования холодного или нагретого воздуха с переменным давлением. Недостаток: использование регуляторов.

4. Горелки с принудительной подачей воздуха без предварительной подготовки газовоздушной среды. Смешение газа с воздухом происходит в процессе горения (т.е. вне горелки), и длина факела определяет путь, на котором это смешение заканчивается. Для укорочения факела газ подают в виде струек, направленных под углом к потоку воздуха, осуществляют закручивание потока воздуха, увеличивают разницу в давлениях газа и воздуха и т.п. По методу подготовки смеси, данные горелки являются диффузионными (проскок пламени невозможен), они применяются как резервные при переводе одного топлива на другое в котлах ДКВР, в виде подовых и вертикально-щелевых.

5. Горелки с принудительной подачей воздуха и предварительной подготовкой газовоздушной смеси, или газомазутные горелки . Они имеют наибольшее распространение и обеспечивают заранее заданное количество смеси до выхода в топку. Газ подается через ряд щелей или отверстий, оси которых направлены под углом к потоку воздуха. Для интенсификации процесса смесеобразования и горения топлива воздух к месту смешения с газом подают закрученным потоком, для чего используют: лопаточные аппараты с постоянным или регулируемым углом установки лопаток, улиточную форму корпуса горелки, тангенциальную подачу или тангенциальные лопаточные закручиватели.

2.3 Газовые запальные устройства

Газовые запальные устройства предназначены для розжига основних горелок и контроля наличия пламени. Их можно разделить:

* по принципу установки - переносные и стационарные;

* по методу зажигания - ручные (от горящей спички, жгута, бумаги) и электрические (от искры, раскаленной спирали);

* по способу подачи воздуха - диффузионные, инжекционные, с принудительной подачей воздуха, с активной воздушной средой;

* по функциональному назначению - без контроля факела и с контролем;

* по условиям работы - для топок с разрежением и топок с наддувом (избыточным давлением в топке).

1. Переносные газовые запальники соединяются с газопроводом резинотканевыми шлангами. Штуцер на газопроводе и запальник должны иметь накатку (для натягивания конца шланга), а на газопроводе до шланга обязательна установка отключающего крана. Для введения запальника в топку в кладке обмуровки должно быть отверстие диаметром d ? 50 мм.

Для топок, работающих с разрежением до 8 кгс/м 2 (мм вод. ст.), применяется однофакельный запальник среднего или низкого давления. Он представляет собой горелку с частичной инжекцией воздуха. Газ выходит из сопла, подсасывая воздух через отверстия в корпусе инжектора, образующаяся газовоздушная смесь проходит смеситель и выходит из огневого насадка в защитный кожух с отбортовкой, где начинается горение газа. При изменении давления и состава газа в запальнике необходимо изменить только диаметр сопла. При наличии в топке избыточного давления запальник должен выдавать полностью подготовленную газовоздушную смесь, что обеспечивается при среднем давлении газа в инжекционном запальнике, а при низком - в запальнике с принудительной подачей воздуха.

2. Стационарный запальник повышает безопасность и облегчает розжиг основной горелки. Факел должен быть устойчивым на всех режимах работы агрегата, надежно поджигать газовоздушную смесь основной горелки, легко зажигаться переносным запальником или электрическим устройством.

Стационарный запальник может быть:

· отдельным блоком газовой горелки или ее частью; однофакельным или многофакельным; включаться от основной горелки (в период розжига) или работать постоянно;

· зажигаться электрически или дистанционно. Газ к стационарному запальнику подают от газопровода до запорных устройств основной горелки.

Применяют запальники:

а) с ручным зажиганием, без контроля пламени - в виде трубок с просверленными в них отверстиями вдоль оси (трубки «бегущего огня»);

б) с электрическим зажиганием, без контроля пламени - основной поток газовоздушной смеси (90 %) поступает из смесителя к устью запальника, а остальная часть смеси поступает из смесителя в камеру зажигания, где воспламеняется от искры свечи напряжением 10 кВ;

в) с электрическим зажиганием и контролем пламени - запальнозащитные устройства (ЗЗУ), предназначенные для автоматического или дистанционного розжига газовых и мазутных горелок, в комплект которых входит управляющий прибор с датчиком, осуществляющий контроль, за наличием в топке факела.

Также применяются электрозапальник ЭЗ или запально-контрольная горелка типа ЗК-Н.

2.4 Газомазутные горелки

В настоящее время на водотрубных котлах (ДЕ, ДКВР) и водогрейных агрегатах (КВ-ГМ) устанавливаются газомазутные горелки различных конструкций, удовлетворяющие требованиям экономичной и безопасной эксплуатации. Главным при этом является обеспечение примерно равного качества сжигания и длины факела на обоих видах топлива (природном газе и мазуте).

Газомазутные горелки представляют собой комплекс из газовой горелки и мазутной форсунки и в зависимости от конструкции предназначены для раздельного или совместного сжигания газового и жидкого топлива.

Для установки горелки во фронтовой стенке (обмуровке) котла выполняют амбразуру.

В теплогенераторах ДКВР наибольшее распространение получили короткофакельные газомазутные горелки ГМГ и их модернизированный вариант ГМГм.

Горелка ГМГм отличается от ГМГ устройством газового насадка, имеющего два ряда газовыпускных отверстий, направленных под углом 90° друг к другу, которые закручивают поток первичного и вторичного воздуха, что обеспечивает снижение коэффициента избытка воздуха до 1,05, повышение КПД котла на 1 %, а также улучшает его эксплуатационные показатели.

Площадь сечения трубопровода вторичного воздуха должна быть в 1,5…2 раза больше площади сечения патрубка первичного воздуха горелки.

При установке на котле несколько горелок их производительность регулируют изменением тепловой мощности всех горелок одновременно, так как включение или отключение части горелок приводит к их перегреву и выходу из строя оставшихся в работе. Регулирование тепловой мощности производится изменением расхода топлива и количеством соответственно вторичного воздуха (шибер первичного воздуха открыт полностью).

Газомазутная горелка ГМГм состоит из газовоздушной части, паро-механической форсунки, лопаточных завихрителей первичного и вторичного воздуха, монтажной плиты со стаканом для установки запально-защитного устройства и заглушки для закрывания форсуночного канала при снятии форсунки. Закрутка воздуха в горелке обоими регистрами производится в одну сторону (правого или левого вращения в зависимости от компоновки завихрителя). В качестве стабилизатора пламени используется конический керамический туннель.

Зажигание горелки производят при закрытых воздушных шиберах: плавно открывают запорное устройство на газопроводе, после воспламенения газа - шибер первичного воздуха, а затем с помощью шибера вторичного воздуха и регулирующего устройства на газопроводе устанавливают заданный режим. Во избежание отрыва факела при пуске тепловая мощность горелки не должна превышать 25…50 % от номинальной мощности, а давление газа должно быть больше давления вторичного воздуха. При работе горелки на газе мазутную форсунку удаляют из топки, а торцевое отверстие канала закрывают заглушкой.

Устройство мазутной форсунки ГМГм. Мазут под давлением 1,25…2 МПа по внутренней трубе форсунки подводится к распыливающей головке, где последовательно установлены: шайба распределительная с отверстиями (от одного до двенадцати), а также завихрители - топливный и паровой, имеющие по три тангенциальных канала. Шайба и завихрители крепятся с помощью накидной гайки. Мазут проходит через отверстия распределительной шайбы, далее по тангенциальным каналам попадает в камеру завихрения и, выходя через сопловое отверстие, распыляется за счет центробежных сил. При снижении тепловой мощности до 70 % от номинальной по наружной трубе форсунки подается пар, который через каналы накидной гайки проходит к каналам парового завихрителя и, выходя закрученным потоком, участвует в процессе распыливания мазута.

При переходе с газового топлива на жидкое (мазут) в форсунку предварительно подают пар, затем мазут под давлением 0,2…0,5 МПа. После его воспламенения отключают газ и регулируют режим. Для перехода с жидкого топлива на газовое снижают давление мазута до 0,2…0,5 МПа и постепенно подают газ. После воспламенения газа прекращают подачу мазута и устанавливают заданный режим.

Перед розжигом горелки на мазуте следует проверить положение мазутной форсунки и продуть ее паром. Первоначально розжиг рекомендуется производить на газе или легком топливе (дизельное топливо, керосин).

При их отсутствии растопку производят дровами с последующим переходом на мазут. При работе горелок на мазуте в пределах 70…100 % от номинальной тепловой мощности, достаточно механического распыления мазута, а на более низких нагрузках (менее 70 %) для распыления применяют пар под давлением 0,15…0,2 МПа. Расход пара около 0,3 кг на 1 кг мазута. Для распыления не рекомендуется использовать пар с высокой влажностью (увеличение влажности снижает качество распыления) и пар с температурой более 200°С (возрастает опасность коксования распылителей).

Горелку ГМГм выключают плавным, пропорциональным уменьшением подачи топлива и вторичного воздуха. После полного прекращения подачи топлива воздух должен поступать в горелку для охлаждения 10…12 минут. После этого полностью закрывают шибер вторичного, а затем первичного воздуха и вынимают форсунку из горелки для того, чтобы в топке не образовалась газовоздушная, огнеопасная смесь.

Уменьшение угла раскрытия туннеля, неправильная установка или засорение форсунки при сжигании мазута способствуют образованию кокса в туннеле, вибрации и росту сопротивления горелки по воздуху.

В котлах ДЕ устанавливают горелки ГМ или ГМП, конструкции которых одинаковы. На фронтовой стене каждого котла расположена одна горелка, которая крепится с помощью специального фланца. Отверстие, образующееся при снятии фланца с завихрителем, используется в качестве лаза.

Угол раскрытия амбразур для горелок ГМ - 50°, общая длина амбразуры - 250 мм, цилиндрической части - 115 мм. Горелка состоит из форсуночного узла, периферийной газовой части и однозонного (для всех горелок ГМ) воздухонаправляющего устройства.

В форсуночный узел входит паро-механическая (основная) форсунка, расположенная по оси горелки и устройство, смещенное относительно оси, предусматривающее установку сменной форсунки, которая включается на непродолжительное время, необходимое для замены основной форсунки.

Газовая часть горелки состоит из газового кольцевого коллектора прямоугольной формы (в сечении) с газовыпускными отверстиями и подводящей трубы. К торцу коллектора приварен кольцевой обод полукруглой формы. Внутри коллектора имеется разделительная обечайка, которая способствует более равномерному распределению газа по коллектору. Воздухонаправляющее устройство представляет собой лопаточный завихритель осевого типа с неподвижными профильными лопатками, установленными под углом 45°. Воздух, поступающий по воздуховоду, ограниченному фронтом котла и металлической стенкой, делится на два потока: первичный направляется в воздушный короб горелки, закручивается в завихрителе и, смешиваясь с газом, участвует в процессе сжигания в первой половине футерованной камеры сгорания котла; вторичный воздух поступает в камеру сгорания через щель, обеспечивая полное сгорание газа.

Мазутные форсунки могут быть паро-механические или акустические.

Паро-механические форсунки конструктивно идентичны форсункам горелок ГМГм. Акустические форсунки отличаются от паро- механических форсунок отсутствием парового завихрителя, который заменяется специальной втулкой.

Паро-механическая форсунка состоит из распыливающей головки, ствола и корпуса. Распыливающая головка является основным узлом форсунки и состоит из парового и топливного завихрителей, распределительной шайбы, прокладки, втулки и накидной гайки. Мазут проходит по внутренней трубе ствола и попадает в топливную ступень форсунки. Пар проходит по наружной трубе ствола и попадает в паровую ступень форсунки.

Все горелки ГМ оборудованы запально-защитным устройством с ионизационным датчиком ЗЗУ-4.

В водогрейных котлах КВ-ГМ-10 (-20, -30) устанавливают ротационные газомазутные горелки РГМГ. В теплогенераторах КВ-ГМ-10 (-20, -30) коллекторы фронтового экрана образуют квадрат, в котором размещена амбразура горелки, выполненная из пластичной хромитовой массы, нанесенной по шипам. В амбразуру устанавливают ротационные газомазутные горелки РГМГ-10 (-20, -30). Горелки состоят из ротационной мазутной форсунки, газовой части, завихрителя вторичного воздуха, короба первичного воздуха, кольца рамы, переднего кольца и запально-защитного устройства (ЗЗУ). Из комплекта ЗЗУ на трубе горелки устанавливают газовый запальник и фотодатчик. Труба закреплена на крышке.

Газовая часть состоит из газораздающей кольцевой камеры и двухгазоподводящих труб, соединенных с приемным патрубком. Газораздающая камера расположена у устья горелки и имеет один ряд газовыпускных отверстий. Опорная труба поддерживает газораздающую камеру снизу, а рамки служат для центровки завихрителя вторичного воздуха.

Воздухонаправляющее устройство вторичного воздуха состоит из воздушного короба, завихрителя, переднего кольца, образующего устье горелки и амбразуры. Завихритель вторичного воздуха (осевого типа с гнутыми лопатками, установленными под углом 40° к оси горелки) можно перемещать вручную вдоль оси горелки по направляющим рамы с помощью подшипников, тяг и рукояток. Задняя часть наружного обода завихрителя служит воздушным шибером.

Ротационная мазутная форсунка представляет собой полый вал ротор, на котором закреплены гайки питателя и распыливающий стакан.

Распыливающий стакан - это полый цилиндр, полость которого полирована, хромирована и образована двумя усеченными конусами. В торце стакана просверлены отверстия для прохода части первичного воздуха в воздушные каналы гайки - питателя, что уменьшает возможность коксования внутренних поверхностей стакана и самой гайки. Крутящий момент от электродвигателя к валу-ротору форсунки передается клиноременной передачей. Топливо в форсунку подается по консольной топливной трубке, размещенной в центральном отверстии вала-ротора, и далее, под действием центробежных сил, через четыре радиальных канала вытекает на внутреннюю стенку распыливающего стакана, образуя пленку, которая движется в осевом направлении (в топку). Пленка топлива стекает с выходной кромки стакана, становится тонкой и затем распадается на капли. Для получения необходимого угла раскрытия конуса к выходной кромке стакана подается первичный воздух, который способствует более тонкому распыливанию топлива.

В передней части форсунки к кожуху на резьбе крепится завихритель первичного воздуха, лопатки которого наклонены к оси форсунки на 30°, а корпус имеет окна для подвода воздуха к завихрителю. Первичный воздух к форсунке подается от вентилятора высокого давления, а для регулирования его количества внутри патрубка первичного воздуха установлен шибер. При сжигании мазута недопустимо нагарообразование на внутренней стенке стакана. После отключения форсунки ее выводят из воздушного короба и очищают внутреннюю поверхность стакана деревянным или алюминиевым ножом и промывают соляркой. Повышенный шум и вибрация свидетельствуют об износе подшипников, несимметричности факела, смещения ротора форсунки.

2.5 Тягодутьевые устройства

Подача воздуха в топку для горения топлива (дутье) и удаление топочных дымовых газов (тяга) могут быть естественными - с помощью дымовой трубы и искусственными - с применением дутьевого вентилятора и дымососа. Дымовые газы, пройдя газоходы теплогенератора, направляются в боров, дымосос и дымовую трубу.

Дымовые трубы предназначены для удаления топочных дымовых газов и рассеивания вредных соединений (содержащихся в продуктах сгорания) в атмосферном воздухе, с целью снижения их концентрации в атмосфере на уровне дыхания до необходимых параметров.

Продукты сгорания содержат токсичные вещества, оказывающие вредное воздействие на биосферу (оксиды углерода, серы и азота и др.).

Содержание вредных веществ в воздухе определяется их концентрацией количеством вещества (мг) находящегося в 1 м 3 воздуха (мг/м 3). Максимальная концентрация вредных веществ, не оказывающих вредного влияния на здоровье человека, называется предельно допустимой концентрацией (ПДК). Высота дымовой трубы проектируется таким образом, чтобы предупредить недопустимое загрязнение воздушного бассейна в районе котельной.

Дымовая труба, сама по себе и всегда, создает естественную тягу, а движение топочных газов, при этом, происходит за счет гравитационных сил обусловленных разностью плотностей холодного наружного атмосферного воздуха и горячих газообразных продуктов сгорания, заполняющих газоходы, дымовую трубу, считая от уровня горелки до устья трубы. Чем ниже температура наружного воздуха и выше его атмосферное давление, выше температура продуктов сгорания топлива, выше дымовая труба - тем естественная тяга больше. В ясную морозную погоду тяга лучше, а в туманную, ветреную, влажную - хуже.

При работе котельных агрегатов с давлением в топочной камере выше давления атмосферного воздуха или при небольшой производительности котельной, когда оказывается достаточной тяга, развиваемая дымовой трубой, дымососы не устанавливаются. В котельных малой производительности иногда для обеспечения тяги и дутья достаточно использования только дымовой трубы и ее - самотяги, и тогда можно обойтись и без дутьевых вентиляторов. Естественная тяга (измеряется в Па, мм вод. ст., кгс/м 2) в этом случае регулируется шибером, установленным в газоходе за котлом, а управление выведено на фронт котла, где должен быть фиксатор и указатель открывания заслонки. В верхней части шибера должно быть отверстие диаметром не менее 50 мм для вентиляции топки неработающего котла (при закрытом шибере).

Дымовые трубы работают в сложных условиях: при перепадах температуры, давления, влажности, агрессивном воздействии дымовых газов, ветровых нагрузках и нагрузках от собственного веса. Для котельной проектируется обычно одна общая для всех котлов дымовая труба. Дымовые трубы сооружаются по типовым проектам из кирпича, железобетона или металла.

Кирпичная дымовая труба имеет фундамент (цоколь) и ствол в виде усеченного конуса. Минимальная толщина стенок 250 мм. Нижнюю часть трубы футеруют огнеупорным кирпичом для защиты от действия горячих газов. В цоколе предусматривают окна для газоходов (боровов), а также направляющие перегородки (пандусы), в боровах и у основания трубы - лазы для удаления золы. Кирпичные дымовые трубы сооружают диаметром не менее 0,6 м, высотой 30…75 м, они применяются при сжигании любого топлива (газа, мазута).

Железобетонные трубы обладают высокой механической прочностью, однако они не способны противостоять воздействию сернистых соединений, влаги и повышенной температуре дымовых газов. Поэтому внутреннюю поверхность железобетонного ствола футеруют красным или кислотоупорным кирпичом либо покрывают изоляцией (стеклотканью).

Металлические дымовые трубы изготавливают из стальных листов толщиной 3…15 мм. Труба состоит из отдельных звеньев, соединенных между собой сварными швами. Ствол трубы устанавливают на чугунной плите, а для устойчивости на высоте, равной 2/3 трубы, крепят растяжки из стального прутка диаметром 5…7 мм.

Для предупреждения проникновения дымовых газов в толщу стен кирпичных и железобетонных труб не допускается положительное статическое давление на стенки ствола дымовой трубы. Для устранения избыточного статического давления наиболее целесообразно устанавливать диффузоры в верхней части трубы. Они позволяют уменьшить сопротивление газового тракта в случае его заноса золой или при подключении дополнительных котлов, а также снизить расход энергии на транспортировку дымовых газов по тракту.

Высота дымовых труб зависит от высоты застройки, предельно допустимых концентраций вредных веществ (ПДК) и может быть от 30 до 180 м.

При сжигании природного газа возможна установка любых труб, а для мазута и твердого топлива - только кирпичные или железобетонные трубы.

Однако применение высоких труб не всегда оправдано и поэтому чаще используют невысокие трубы с установкой дутьевого вентилятора и дымососа.

Установка дутьевого вентилятора и дымососа обеспечивает более надежную и эффективную работу котельных установок, позволяет поддерживать заданное разряжение или давление в топке, автоматизировать подачу воздуха и топлива в топку, а также использовать КИПиА.

Дутьевой вентилятор имеет металлический корпус в виде улитки, в котором установлен ротор с лопатками, а на оси - электродвигатель. При вращении рабочего колеса в центре создается разряжение, куда через круглое отверстие поступает новая порция воздуха, и за счет центробежных сил он отбрасывается к стенкам корпуса и переходит в нагнетательное прямоугольное отверстие. Производительность дутьевого вентилятора должна обеспечивать с 10 %-ным запасом подачу действительного объема воздуха, необходимого для горения с учетом его температуры, а напор вентилятора должен преодолеть сопротивление воздушного тракта (воздуховода, заслонки, горелки, направляющего аппарата). В качестве дутьевых вентиляторов обычно используют центробежные вентиляторы среднего давления.

Забор воздуха для дутья осуществляется из верхней зоны котельного зала и частично снаружи с помощью специального клапана.

Дымосос - центробежный вентилятор, только с массивными лопатками ротора. Производительность дымососа должна быть на 10 % больше полного объема топочных дымовых газов, удаляемых из котла, с учетом их температуры, а напор должен преодолеть гидравлическое сопротивление всего газового тракта (топки, газохода, экономайзера, воздухоподогревателя, борова, шибера, дымовой трубы) за вычетом самотяги дымовой трубы.

Дутьевой вентилятор и дымосос должны синхронно работать так, чтобы в топке котла поддерживалось разрежение 1,5…3 мм вод. ст., а за котлом 4…6 мм вод. ст., чтобы при открытых дверках или гляделках пламя не выбрасывалось из топки. При разрежении в топке более 8…10 мм вод. ст. происходит значительный подсос холодного воздуха в топку, что резко снижает температуру топочных газов и увеличивает расход топлива. Для измерения небольших давлений или разрежений и получения точных показаний применяют жидкостный тягонапоромер с наклонной трубкой (ТНЖ).

Отдельные котельные агрегаты (МЗК-7АГ и др.), имеющие герметичную стальную обшивку, работают с наддувом воздуха и обеспечивают избыточное давление внутри котла 40 мм вод. ст., а сопротивление воздушного и газового трактов (воздуховода, горелок, газохода, дымовой трубы) преодолевается за счет напора, создаваемого только дутьевым вентилятором.

3. Безопасность работы котельных установок

3.1 Арматура и гарнитура

Арматура - устройства и приборы, обеспечивающие безопасное обслуживание, управление работой элементов котельного агрегата и теплоэнергетического оборудования, находящихся под давлением. К арматуре относят регулирующие и запорные устройства для подачи, продувки и спуска воды, включения, регулирования и отключения трубопроводов воды, пара, топлива и предохраняющие от превышения давления. К арматуре также принято относить основные контрольные и измерительные приборы - водоуказательные стекла, манометры, предохранительные клапаны. Количество арматуры, ее обязательные типы регламентированы Госгортехнадзором.

По назначению арматура делится на запорную (кран, вентиль, задвижка), регулирующую (редукционный клапан), защитную (предохранительный и обратный клапан). По способу соединения с трубопроводами арматуру разделяют на фланцевую и муфтовую, а по материалу - на латунную, чугунную, комбинированную. В местах соединения с фланцами устанавливаются прокладки или уплотнения. Запорная арматура должна иметь паспорт и маркировку: завод-изготовитель, давление и температура среды, условный диаметр, направление потока.

1. Вентиль состоит из корпуса, внутри которого имеется перегородка с горизонтальным седлом, из клапана, шпинделя маховика, коронки, сальниковой гайки и втулки (рис. 8).

Вентиль для воды имеет клапан с мягким уплотнителем (кожа, резина, фибр), а для пара уплотнений нет. Маховик вентиля окрашивается красной краской для пара и голубой - для воды. Теплоноситель всегда должен подаваться под клапан, для чего на корпусе имеется указательная стрелка.

Рис. 8. Вентиль

1 - корпус; 2 - шпиндель;3 - уплотнение сальниковое; 4 - гайка накидная; 5 - маховик; 6-гайка.

...

Подобные документы

Классификация котельных установок в зависимости от характера потребителей, от масштаба теплоснабжения, их виды по роду вырабатываемого теплоносителя. Конструкции котлов и топочных устройств, устанавливаемых в отопительно–производственных котельных.

реферат , добавлен 12.04.2015

Источники тепловой энергии. Котельные установки малой и средней мощности. Основные и вспомогательные элементы котельных установок. Паровые и водогрейные котлы. Схема циркуляции воды в водогрейном котле. Конструкция и компоновка котельных установок.

контрольная работа , добавлен 17.01.2011

Классификация котельных установок. Виды отопительных приборов для теплоснабжения зданий. Газовые, электрические и твердотопливные котлы. Газотрубные и водотрубные котлы: понятие, принцип действия, главные преимущества и недостатки их использования.

реферат , добавлен 25.11.2014

Виды насосных установок и их назначение. Конструкции и принципы действия устройств их автоматизации. Элементы принципиальной электрической схемы АУ. Эксплуатационные свойства и характеристики центробежных насосов, регулирование их производительности.

реферат , добавлен 11.12.2010

Назначение, устройство и принцип работы аккумуляторных установок, их типы. Техническое обслуживание аккумуляторных установок, устранение неисправностей. Назначение аккумуляторных коммутаторов. Техника безопасности при работе с аккумуляторными батареями.

реферат , добавлен 13.11.2014

Описание и принцип действия газотурбинной технологии, ее основные элементы и назначение. Установки с монарным и бинарным парогазовым циклом, с высоконапорным парогенератором. Характеристика и оптимизация энерготехнологических парогазовых установок.

реферат , добавлен 18.05.2010

Разработка отопительно-производственной котельной с паровыми котлами типа ДЕ 16–14 для обеспечения теплотой систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологического теплоснабжения промышленных предприятий. Тепловые нагрузки потребителей.

курсовая работа , добавлен 09.01.2013

Назначение, перечень узлов и принцип работы оборудования бойлерной установки. Анализ и оценка эффективности работы бойлерной установки турбины. Проект реконструкции бойлерной установки Конструкция и преимущества пластинчатых теплообменных аппаратов.

дипломная работа , добавлен 07.03.2009

Проектирование электропитающих установок проводной связи. Расчет элементов электропитающей установки. Определение состава коммутирующих и выпрямительных устройств. Способы и системы дистанционного питания. Нормы напряжений для установок аппаратуры связи.

курсовая работа , добавлен 25.09.2014

Основные способы определения потерь коэффициента полезного действия и часового расхода топлива. Характеристика конструкции топки. Анализ горелочных устройств, предназначенных для различных типов горелок. Знакомство с классификацией топочных устройств.

В.М. ФОКИН

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

∆Т Н ∆Т В

В.М. ФОКИН

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

МОСКВА «ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

УДК 621.182 ББК 31.361

Р е ц е н з е н т

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика»

Астраханского государственного технического университета,

А. К. Ильин

Фокин В.М.

Ф75 Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

Приведены принципиальные схемы, конструкции и особенности работы паровых и водогрейных котельных агрегатов, электродных котлов, гелио-, геотермальных и теплонасосных установок. Представлен обзор топочных и горелочных устройств, основного и вспомогательного оборудования для безопасной работы котельных установок. Изложены методики и рекомендации по расчету горения органического топлива, теплового баланса, расхода топлива, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов. Приведены номограммы, таблицы, материалы для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам «Теплогенерирующие установки», «Котельные установки и парогенераторы», «Источники и системы теплоснабжения».

Предназначена для научных, инженерно-технических работников, преподавателей вузов, аспирантов, студентов.

Научное издание

ФОКИН Владимир Михайлович

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИСИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Монография

Редактор Т.М. Глинкина Инженер по компьютерному макетированию Т.А. Сынкова

Подписано к печати 28.02.2006.

Формат 60 × 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 13,95 усл. печ. л.; 13,7 уч.-изд. л.

Тираж 400 экз. С. 96М

«Издательство Машиностроение-1», 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре

Тамбовского государственного технического университета

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ПРЕДИСЛОВИЕ

В монографии рассмотрены вопросы устройства и работы паровых, водогрейных и электродных котельных агрегатов, гелио- и геотермальных установок, котлов-утилизаторов, теплонасосных и других теплогенерирующих установок. Изложены методики и рекомендации по расчету тепловых схем теплогенерирующих установок, паровых и водогрейных котельных агрегатов, горения органического топлива, теплового баланса, расхода топлива, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева. Методики приведены в соответствии с действующими нормативными методами и документами , справочниками , СНиП

И позволяют выбрать энергосберегающий режим работы теплогенерирующих установок.

Монография написана в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и предназначена для студентов, изучающих дисциплины: СД. 02 «Источники и системы теплоснабжения» по специальности 101600 «Энергообеспечение предприятий» и СД. 02 «Котельные установки и парогенераторы» по специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика» (направление 650800 – «Теплоэнергетика»); СД. 10 «Теплогенерирующие установки» по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» (направление 653500 – «Строительство»). В монографии приведены материалы, необходимые для курсового и дипломного проектирования по дисциплинам «Теплогенерирующие установки», «Котельные установки и парогенераторы», «Источники и системы теплоснабжения».

Монография позволяет приобрести практические навыки в расчетах теплогенерирующих установок, паровых и водогрейных теплогенераторов, более глубоко усвоить теоретические положения и ознакомиться с действующими нормативными и справочными материалами. Монография будет полезна при подготовке бакалавров и инженеров теплоэнергетических специальностей, специализации «Энергоаудит и энергосбережение», магистров техники и технологии, а также для самостоятельной подготовки ответственных за паросиловое хозяйство котельных и операторов котельных установок.

ВВЕДЕНИЕ

Тепловая энергия – необходимое условие жизнедеятельности человека и создания благоприятных условий его быта. Повышение надежности и экономичности систем теплоснабжения зависит от работы теплогенерирующих установок, рационально спроектированной тепловой схемы котельной, широкого внедрения энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, экономии топлива, тепловой и электрической энергии. Энергосбережение и оптимизация систем производства и распределения тепловой энергии, корректировка энергетических и водных балансов позволяют улучшить перспективы развития теплоэнергетики и повысить технико-экономические показатели оборудования теплогенерирующих установок.

Альтернативы энергосбережению в настоящее время, безусловно, нет. Поэтому покрытие дефицита энергии следует осуществлять за счет таких ее источников, которые обладали бы уникальными свойствами: были возобновляемыми, экологически чистыми и не приводили бы к поступлению на планету дополнительного количества теплоты. Такими источниками являются солнечная энергия, энергия ветра и биомассы, энергия морских волн и приливов, геотермальная энергия и ряд других нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии.

В экономике России энергосбережение и энергосберегающие технологии являются приоритетными при внедрении их в производство. Знания принципов работы, расчета и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок позволяют определить – где, что, в каких количествах, куда и почему теряется. Эффективность, безопасность, надежность и экономичность работы оборудования котельных во многом определяются методом сжигания топлива, совершенством и правильностью выбора оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пусконаладочных работ, квалификацией и степенью подготовки обслуживающего персонала.

Перевод предприятий на хозяйственный расчет и самофинансирование, повышение цен на топливо, воду, электроэнергию требуют пересмотра подходов к проектированию и эксплуатации оборудования теплогенерирующих установок. Это в значительной степени зависит от обеспеченности подготовленными инженерно-техническими работниками производственных, проектных и других организаций, а также от качества обучения и подготовки специалистов.

1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия

с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы производства тепловой энергии.

1. Котельные агрегаты – устройства, имеющие топку для сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермических химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

2. Атомные реакторы – устройства, в которых проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.

3. Электродные котлы – устройства, в которых проходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

4. Гелиоустановки – устройства, в которых солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу – воде или воздуху.

5. Геотермальные установки – устройства, в которых проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

6. Котлы-утилизаторы – устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое оборудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

Эффективность ТГУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии,

а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

1.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОТЕЛЬНЫХ

Паровым или водогрейным котельным агрегатом(теплогенератором)

называют устройство, имеющее топку для сжигания органического топлива и обогреваемое продуктами сгорания этого топлива, предназначенное для получения пара или горячей воды с давлением выше атмосферного, которые используют вне самого устройства.

При сжигании органического топлива горючие химические элементы (метан, углерод, водород, сера), входящие в состав топлива, соединяются с кислородом воздуха, выделяют теплоту и образуют продукты сгорания (двуокись углерода, водяные пары, сернистый газ). В котельный агрегат необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить полное сгорание топлива и передачу теплоты от топочных газов рабочему телу; удалить продукты сгорания топлива; подать рабочее тело – воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар требуемого давления, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки. Производительность теплогенератора определяется количеством теплоты или пара, получаемых в процессе сжигания топлива.

внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота передается путем теплопроводности, а от внутренней поверхности труб к воде благодаря теплопроводности и конвекции.

Котельная установка включает в себя теплогенератор – паровой или водогрейный котельный агрегат (котел), хвостовые поверхности нагрева, горелки, а также различные дополнительные устройства. Радиационные поверхности нагрева теплогенератора размещены в топочной камере и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет лучеиспускания, одновременно защищая стены топки (обмуровку) от прямого воздействия излучающей среды топочных газов. Конвективные поверхности нагрева (кипятильные трубы) установлены за топкой, в газоходах котла и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива в основном за счет конвекции. К конвективным или хвостовым поверхностям нагрева также относятся пароперегреватели, водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата или установки и в конечном итоге для снижения расхода топлива.

На рис. 1.1 приведена принципиальная схема котельной установки, работающей на природном газе или мазуте.










				17 15

Рис. 1.1. Принципиальная схема котельной установки:

1 – водопровод;2 – катионитовый фильтр;3 – теплообменник;4 – колонка деаэратора;5 – бак деаэратор;6 – питательный насос;7 – водяной экономайзер;8 – питательная линия;9 – верхний барабан;10 – нижний барабан котла;11 – кипятильные трубы;12 – паропровод;13 – пароперегреватель;14 – паропровод перегретого пара;15 – воздуховод;16 – дутьевой вентилятор;17 – воздухоподогреватель;18 – воздуховод нагретого воздуха;19 – горелочное устройство;20 – топливопровод;21 – боров;22 – дымосос;

23 – дымовая труба

Вода после водоподготовки (умягчения и деаэрации) питательным насосом нагнетается вначале в водяной экономайзер, а затем в верхний барабан парового котельного агрегата, где вырабатывается сухой насыщенный пар. Для производства перегретого пара дополнительно устанавливается пароперегреватель. Воздух, необходимый для горения топлива, дутьевым вентилятором нагнетается в топку котла либо предварительно нагревается в воздухоподогревателе. Котельная или теплогенерирующая установка также включает в себя: горелочные устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию; дымосос для удаления продуктов сгорания; дымовую трубу; арматуру и гарнитуру различного назначения. Устройство и работа всех этих элементов котельной установки будут рассмотрены в гл. 5, 6. Все эти установки размещаются в специальном промышленном здании, называемом котельной.

На рис. 1.2 и 1.3 приведены план и продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13, работающей на природном газе или мазуте.

Рис. 1.2. План котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Рис. 1.3. Продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Котельной называется комплекс устройств и механизмов для превращения химической энергии органического топлива в тепловую энергию. Котельная включает в себя несколько котельных установок, дымовую трубу для отвода дымовых газов в атмосферу, теплообменники, деаэратор, баки, насосы (питательные, сетевые, подпиточные и другие), разные вспомогательные устройства и машины, предназначенные для обеспечения длительной и надежной работы котельных агрегатов, в том числе и приборов, позволяющих контролировать ход процессов в котельном агрегате. В котельной также имеются помещения для различных вспомогательных служб и мастерских. Для удаления очаговых остатков топлива и золы из дымовых газов при сжигании твердого топлива в котельных имеются системы шлако- и золоудаления.

стям, аппараты для подогрева, фильтрации и транспортировки в котельную.

Теплогенераторы с давлением выше 0,07 МПа (0,7 кгс/см2 ) и температурой выше 115° С подлежат регистрации в государственной организации, контролирующей правильность конструкции котельного агрегата, соответствие установленным правилам и нормам оборудования и здания котельной и соблюдение обслуживающим персоналом Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов Госгортехнадзора РФ . Размеры зданий котельных, проходы между стенами и оборудованием, материалы, из которых они выполняются, определяются Правилами и нормами Госгортехнадзора РФ.

1.3. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ ТЭЦ

Для комбинированного производства тепловой и электрической энергии применяют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающие на органическом топливе, с различными схемами использования паровой турбины. На рис. 1.4 приведена принципиальная тепловая схема ТЭЦ.

Питательная вода после системы подготовки 18 (умягчения, деаэрации) питательным насосом1 подается в водяной экономайзер2 , где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем идет в паровой котел3 , где вырабатывается сухой насыщенный пар, который затем проходит через пароперегреватель4 и разделяется на два потока.

Одна часть пара (≈ 60 %) по паропроводу5 идет в паровую турбину6 , где энергия пара вначале переходит в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе7 , который соединен с турбиной на одной оси. Остаточный пар из паровой турбины проходит через конденсатор8 , где охлаждается до состояния жидкости (конденсата), и идет в обратную магистраль9 .

Рис. 1.4. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ:

1 – питательный насос;2 – водяной экономайзер;3 – паровой котел;4 – пароперегреватель;5 ,11 – паропровод;6 – паровая турбина;7 – электрогенератор;8 ,15 – конденсатор;9 – обратная магистраль;

10 – регенеративный подогреватель;12 – технологическое производство;13 ,14 – паровые подогреватели;16 – сетевой насос;

17 – потребитель теплоты;18 – система подготовки воды

Другая часть пара (≈ 40 %) по паропроводу11 подводится к технологическому производству12 и к паровым сетевым водонагревателям13 ,14 . Конденсат от технологического производства и конденсатора15 также возвращается в обратную магистраль9 .

Работа теплосети . Обратная сетевая вода насосом16 прокачивается через паровые сетевые подогреватели воды14 и13 и направляется к потребителю17 на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Для повышения КПД паросиловой установки используют регенеративный подогреватель 10 , где производится нагрев воды (конденсата) за счет отбора пара из отдельных ступеней паровой турбины6 .

1.4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ АТЭЦ

Ядерное (расщепляющееся) топливо – вещество, способное выделить значительное количество тепловой энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при взаимодействии их с нейтронами. В энергетике в качестве ядерного топлива используют природный изотоп уран-235 (235 U), искусственные изотопы уран-233 (233 U) и плутоний-239 (239 Pu). Основная руда, из которой получают уран, – урановая

смолка U3 O8 .

Чтобы реакция деления ядер началась, нейтронам необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, т.е. иметь энергию выше энергии активации реакции деления. В процессе деления образуются новые нейтроны, которые могут быть использованы для обеспечения самоподдерживающейся цепной реакции деления. Установлено, что ядра с нечетным числом нейтронов: уран-235, уран-233, плутоний-239, при захвате нейтрона делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов, а ядра с четным числом нейтронов: уран-238, торий-232, делятся под действием быстрых нейтронов. Энергия теплового нейтрона составляет 0,03…0,5 эВ (1 эВ = 1,602 10− 19 Дж), а быстрого нейтрона – 105 эВ. Однако в результате деления любого ядерного топлива (с четным и нечетным числом нейтронов) образуются преимущественно быстрые нейтроны. Чтобы снизить энергию быстрых нейтронов и тем самым обеспечить их участие в реакции деления, организуют их замедление. В качестве замедлителя используют обычную воду Н2 О, графит С, реже тяжелую воду D2 O и бериллий Ве. В результате цепной реакции деления ядер топлива кинетическая энергия быстрых нейтронов, попадающих в вещество замедлителя, трансформируется в тепловую энергию теплоносителя. Так 1 кг ядерного топлива обеспечивает реализацию тепловой мощности в 2 МВт в течение года.

Ядерное топливо применяют для комбинированного производства тепловой и электрической энергии на атомных теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) с различными контурами циркуляции. На рис. 1.5 приведена принципиальная трехконтурная тепловая схема АТЭЦ с подачей теплоты от реакторного теплоносителя в теплофикационный контур.

Контур 1. В атомном реакторе1 образуется значительная тепловая энергия, которая позволяет нагреть теплоноситель до высоких параметров (t ≈ 450° С). Из атомного реактора высокотемпературный теплоноситель циркуляционным насосом2 подается в атомный парогенератор3 . Поверхность нагрева парогенератора представляет собой систему змеевиков4 малого диаметра, внутри которых при высоком давлении течет теплоноситель. Поверхность нагрева помещена в вертикальный или горизонтальный корпус, куда питательным насосом5 подводится другой теплоноситель – вода, которая нагревается до кипения, в результате чего в парогенераторе образуется водяной пар.

Так для парогенератора ВВЭР-1000: паропроизводительность составляет 1469 т/ч, давление насыщенного пара – 6,4 МПа, длина корпуса – 15 м, внутренний диаметр корпуса – 4 м, поверхность нагрева змеевиков – 5200 м2 , число трубок змеевиков – 15 648 шт., диаметр трубок змеевиков – 12 мм, средняя длина трубок – 8,9 м, скорость теплоносителя в трубках – 4,9 м/с.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

« Юго-Западный государственный университет»

Расчет ГАЗОВЫХ ГОРЕЛОК для

Теплогенерирующих установок

Учебно-методическое пособие

Утверждено Учебно-методическим советом

Юго-Западного государственного университета

Курск – 2014

УДК 662.6(075)

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор

Воронежского государственного архитектурно-строительного

университета В.Н. Мелькумов

Технический директор ПП «Курская ТЭЦ Центр»

П.В. Терентьев

Ежов В.С. Расчет газовых горелок: учебно-методическое пособие / В.С. Ежов; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. 63 с.

Наряду с теоретическими сведениями об основных принципах расчета газовых горелок для теплогенерирующих установок ТЭЦ и производственно-отопительных котельных, излагаются материалы для выполнения курсового и дипломного проектирования студентов, определение основных конструктивных размеров, типа горелок, их технологических параметров.

Предназначено студентам дневной и заочной формы обучения, обучающимся по специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция, по направлениям 270100.62 – Строительство, 270100.68 – Строительство, 270800.62 – Строительство, 270800.68 – Строительство, 140.10068 – Теплоэнергетика и теплотехника.

УДК 662.6(075)

Юго-Западный государственный университет,

Ежов В.С., 2014

Предисловие ……………………………………………………..

Введение………………………………………………………….

Глава 1. Газовые горелки. Общие сведения…………………………..

1.1.Основные технические характеристики горелок………………….

1.2. Классификация горелок…………………………………………….

1.2.1. Диффузионные горелки………………………………………….

1.2.2.Инжекционные горелки…………………………………………

1.2.3.Горелки с принудительной подачей воздуха ……………….

Глава 2. Расчет инжекционных горелок…………………………….

2.1.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха

α 1 < 1,0…………………………………………………………………….

2 .2.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха

α 1 > 1,0……………………………………………………………………..

Глава 3. Горелки с принудительной подачей воздуха…………………

3.1. Упрощенный расчет горелок с принудительной подачей воздуха…

3.2. Пересчеты газовых горелок с одного вида газа на другой. ……………

3.3. Особенности расчёта турбулентных горелок…………………………...

3.4. Порядок расчёта турбулентных горелок………………………………

4. Пример расчета инжекционной горелки

Библиографический список ……………………………………………

Предисловие

В настоящем учебно-методическом пособии изложены основные подходы к расчету газовых горелок для теплогенерирующих установок ТЭЦ и котельных.

В основных разделах учебно-методического пособия представлены методики расчета инжекционных горелок и горелок с принудительной подачей воздуха, определения максимального расхода топлива котельной установки, выбор и размещения горелок в топке котла,.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция, направлений 270100.62 – Строительство, 270100.68 – Строительство, 270800.62 – Строительство, 270800.68 – Строительство, 140.10068 – Теплоэнергетика и теплотехника для выполнения курсового и дипломного проектирования, а также для аспирантов и работников научных и проектных организаций, занимающихся вопросами расчета и проектирования газовых горелок для котельных агрегатов.

ВВЕДЕНИЕ

Газовая горелка (горелка) - устройство, обеспечивающее подачу определенного количества горючего газа и окислителя (воздуха или кислорода), создание условий смешения их, транспортировку образовавшейся смеси к месту сжигания и сгорание газа. Есть горелки, у которых к месту сгорания подается только газ или газ и воздух, но без их предварительного смешения внутри горелки.

Требования, предъявляемые к горелкам:

Создание условий для полного сгорания газа с минимальными избытком воздуха и выходом вредных веществ в продуктах сгорания;

Обеспечение необходимой теплопередачи и максимального использования теплоты газового топлива;

Наличие пределов регулирования, не меньше, чем требуемое изменение тепловой мощности агрегата;

Отсутствие сильного шума, уровень которого не должен превышать 85 дБ;

Простота конструкции, удобство ремонта и безопасность в эксплуатации;

Возможность применения автоматики регулирования и безопасности;

Соответствие современным требованиям промышленной эстетики.

Горелки должны проходить государственные испытания, соответствующие СТ СЭВ 621-83 (Горелки газовые промышленные общего назначения. Методы испытаний), и изготовляться на специализированных заводах по межведомственным нормалям и техническим условиям к ним.

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕЛОК

Тепловая мощность Q, кДж/ч, - количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании часового расхода газа, проходящего через горелку:

Q=Q н V г (1.1)

Q н – низшая теплота сгорания газа, кДж/м 3 ;

V г – расход газа, м 3 /ч.

Различают номинальную, максимальную и минимальную тепловую мощность горелок. Номинальная тепловая мощность -максимально достигнутая мощность при длительной работе горелки с минимальным коэффициентом избытка воздуха и при допустимой по установленным нормам химической неполноте сгорания. Минимальная тепловая мощность определяет тот нижний предел работы горелки с коэффициентом избытка воздуха, равным 1,1, при котором горелка работает устойчиво. Максимальная тепловая мощность составляет 0,9 от мощности, соответствующей верхнему пределу работы горелки. Нижний и верхний пределы работы горелки определяются в результате испытаний по отрыву, проскоку пламени, устойчивому горению газа в тепловом агрегате и полноте сгорания. Коэффициенты избытка воздуха, равные 1,1 и 0,9, предусматривают необходимость полной надежности работы горелок в пределах от минимальной до максимальной тепловой мощности.

Коэффициент предельного регулирования К п.р. по тепловой мощности (диапазон устойчивой работы горелки) - отношение максимальной тепловой мощности горелки к минимальной. Этот параметр определяет, в каких пределах может изменяться тепловая мощность горелки при устойчивой и безопасной ее работе. При выборе горелок для тепловых агрегатов необходимо, чтобы ее коэффициент предельного регулирования был равен допустимому изменению тепловой мощности агрегата или больше него.

Коэффициент рабочего регулирования К р. р - отношение номинальной тепловой мощности горелки к минимальной.

Давление газа и воздуха перед горелкой р, Па , подразделяется на номинальное, максимальное и минимальное. Номинальное соответствует номинальной тепловой мощности, максимальное и минимальное соответственно максимальной и минимальной тепловой мощности горелки.

Удельная металлоемкость m, кг/кВт, - отношение массы горелки к ее номинальной тепловой мощности. Этот показатель позволяет для однотипных горелок выбирать наименее металлоемкие (при прочих одинаковых технических показателях).

Шумовая характеристика - уровень звукового давления, создаваемого при работе горелки в зависимости от спектра частот. Уровень шума горелок, работающих во всем допустимом диапазоне изменения расхода, не должен превышать 85 дБ на расстоянии 1 м от горелки и на высоте 1,5 м от пола.

Номинальная относительная длина факела - расстояние по оси факела от выходного сечения горелки, измеренное при работе с номинальной тепловой мощностью в калибрах выходного сечения до точки, где концентрация СО 2 при коэффициенте избытка воздуха α = 1 составляет 95% от максимального значения.

Давление (разрежение) в камере сгорания (Па) - давление (разрежение) в камере сгорания в зоне выходного сечения горелки при номинальной тепловой мощности.

Коэффициент избытка первичного воздуха α 1 показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается в горелку предварительно (до пламени).

Коэффициент избытка вторичного воздуха α 2 показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается непосредственно к пламени из окружающего пространства.

Объемный коэффициент инжекции, или кратность инжекции, n показывает отношение объемного количества подсасываемого горелкой первичного воздуха к объемному расходу газа.

К дополнительным характеристикам, уточняющим основные параметры, относятся диаметр газового сопла и выходного отверстия горелки, допустимые температуры газа и воздуха, теплота сгорания и плотность сжигаемого газа, угол раскрытия факела, способ стабилизации горения, интенсивность крутки, геометрические размеры горелки и др.

Приведенные выше термины и определения приняты в соответствии с требованиями ГОСТ 17356-71*.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРЕЛОК

В соответствии с ГОСТ 21204-83* по способу подачи воздуха и коэффициенту избытка первичного воздуха α 1 горелки могут быть разделены на диффузионные (α 1 = 0), инжекционные (α 1 > 1 и α 1 < 1), с принудительной подачей воздуха (дутьевые). Приведенная классификация, не являясь исчерпывающей, удобна своей простотой и привычностью, а также тем, что она характеризует основные признаки распространенных горелок.

1.2.1Диффузионные горелки (рис. 1.1, а). Это - наиболее простые устройства, представляющие собой трубу с просверленными отверстиями. Газ вытекает из отверстий, а необходимый для горения воздух (в качестве вторичного) притекает полностью из окружающей среды. На диффузионных горелках процессы смешения газа с воздухом и горение совершаются параллельно на выходе газа из горелки.

Особенности диффузионных горелок:

1) обеспечение сжигания газа по диффузионному принципу;

2) длинное пламя со сравнительно невысокой температурой (при использовании в качестве топлива углеводородных газов пламя желто-белого цвета. В верхней части факела появляются сажистые частицы - копоть);

Рис. 1.1. Схемы горелок

а - диффузионная; б-в - инжекционные: 6 - α 1 > 1, в - α 1 < 1; г - с принудительной подачей воздуха; 1 - сопло; 2 - инжектор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - насадок; 6 - воздушная заслонка; 7 - огневые отверстия; 8 - коллектор; 9 -газораспределительное устройство; 10 - завихритель; 11 - отверстия для выхода газа; 12 - корпус.

3) наличие в продуктах сгорания несгоревших частиц топлива (химическая неполнота сгорания, или химический недожог, особенно при сжигании высококалорийных газов);

4) необходимость иметь большой объем топочной камеры.

Достоинствами горелок этого типа являются малогабаритность и простота конструкции, удобство и безопасность эксплуатации, высокая устойчивость пламени без проскока и отрыва, высокая степень черноты пламени, широкий диапазон регулирования тепловой мощности и др. К недостаткам горелок относятся повышенный по сравнению с другими видами горелок коэффициент избытка воздуха, ухудшение условий догорания газа и выделение при сжигании углеводородных газов продуктов неполного сгорания.

Диффузионные горелки применяют для сжигания искусственных газов (сланцевый, коксовый, водяной, генераторный и др.), причем на сжигание 1 м 3 горючего газа требуется небольшое количество воздуха. Как правило, это горелки с небольшими расходами газа. Кроме того, в горелках этого типа можно сжигать природные и сжиженные углеводородные газы на производствах, где требуется длинный светящийся (коптящий) факел с равномерной температурой по его длине: печи мартеновские, цементные, стекловаренные, печи для получения газовой сажи и др. В отдельных случаях они незаменимы, например в высокотемпературных плавильных печах, где требуется растянутый факел с высокой степенью черноты. А это возможно при подогреве воздуха, необходимого для горения, до 1000-1100 °С, т. е. до температуры, превышающей температуру самовоспламенения газовоздушной смеси. Предварительное смешение газа с воздухом в таких условиях неосуществимо.

Диффузионные газовые горелки для сжигания природных и сжиженных углеводородных газов в настоящее время широко не применяют из-за того, что для полного сжигания газа они требуют большого количества воздуха.

1.2.2.Инжекционные горелки . Это - горелки, у которых необходимый для горения воздух поступает полностью (α 1 > 1) или частично (α 1 <; 1) в качестве первичного, а подача его осуществляется за счет кинетической энергии струи газа, вытекающего из сопла. У этих горелок процессы смешения газа с воздухом и горения полностью или частично разделены. Инжекционные горелки обеспечивают хорошее смешение газа с воздухом. В зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха α 1 они делятся на две группы: с α 1 >1 и α 1 < 1.

Инжекционные горелки с α 1 > 1 (рис. 1.1,6). Газ, вытекая из сопла с большой скоростью за счет кинетической энергии струи, засасывает в инжектор из окружающего пространства воздух в количестве, необходимом для полного сгорания газа. Интенсивное смешение газа с воздухом осуществляется в горловине и завершается в диффузоре, в котором одновременно происходит повышение статического давления за счет плавного снижения скорости газовоздушного потока. Выравнивание скоростей происходит в конфузорном огневом насадке, где на выходе скорость смеси за счет повышения статического давления доводится до обеспечивающей устойчивую работу горелки в заданном диапазоне регулирования ее тепловой мощности. Количество поступающего воздуха в горелку может изменяться при помощи регулятора первичного воздуха, обычно имеющего вид шайбы, вращающейся на резьбовой поверхности сопла. При полностью открытом регуляторе коэффициент избытка первичного воздуха в основном зависит от отношения диаметров горловины и сопла. Инжекционные горелки с α 1 > 1 не требуют подвода вторичного воздуха (а 2 = 0); обеспечивают сжигание газа по кинетическому принципу; имеют короткое пламя с высокой температурой; обеспечивают в рабочем диапазоне автоматичность соотношения газ - воздух, т. е. постоянство α 1 независимо от изменения давления газа; создают возможность работы в топках с небольшим противодавлением (до 20 Па), что позволяет их устанавливать в камерных нагревательных печах; обладают низкой устойчивостью к проскоку и отрыву пламени. Требуют применения стабилизаторов пламени.

Диапазон устойчивой работы инжекционных горелок с α 1 > 1 определяется исходя из следующего условия: минимальная тепловая мощность Q m i n достигается при расходе газа, который создает скорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки, равную скорости распространения пламени или несколько превышающую ее, т. е. предотвращающую проскок пламени. Таким образом, во всем рабочем режиме горелки имеет место отрыв пламени, для предотвращения которого их оснащают стабилизаторами пламени, обеспечивающими постоянное поджигание вытекающей из насадка газовоздушной смеси. Конфигурация смесителя горелки (диффузор, горловина и конфузор - по типу трубы Вентури) обеспечивает хорошее смешение газа с воздухом и создание до горения однородной газовоздушной смеси, что позволяет полностью сжигать газ с минимальными избытками воздуха (α 1 = 1,02 -1,05).

Розжиг большинства инжекционных горелок α 1 > 1 осуществляют с прикрытым регулятором первичного воздуха, так как для предотвращения проскока пламени во время пуска газа приходится переходить на режим, когда скорость распространения пламени будет превышать скорость газовоздушной смеси в насадке. Для того чтобы исключить проскок пламени во время розжига, уменьшают подачу воздуха, что делает первичную смесь негорючей. В пусковой период, протекающий очень быстро, дожигание горючего газа происходит за счет вторичного воздуха, после чего регулятор первичного воздуха полностью открывается.

Инжекционные горелки с α 1 > 1, как правило, работают на среднем давлении газа (10-90 кПа). Максимальное давление ограничивается верхним пределом докритических скоростей истечения,

Рис. 1.2. Зависимость коэффициента избытка инжектируемого воздуха от разрежения, противодавления в топке и давления газа перед соплом

который для природного газа достигается при давлении 90 кПа. При докритических скоростях истечения газа из сопла горелки постоянство коэффициента α 1 сохраняется, если давление в топке равно атмосферному или давлению инжектируемого воздуха. Если же топка, в которой установлена горелка, работает под разрежением или давлением, превышающем атмосферное, количество инжектируемого воздуха соответственно увеличивается или уменьшается.

Количественное влияние разрежения и противодавления в топке на коэффициент избытка инжектируемого воздуха в зависимости от давления газа перед соплом показано на рис. 1.2. Исследования проводились на инжекционной горелке, выдающей газовоздушную смесь в специальную камеру, в которой искусственно создавались разрежения и противодавления в пределах0--40 и 0-40 Па. Горелка была рассчитана и отрегулирована на α 1 =1,0 при давлении в топке, равном атмосферному. Положение кривых показывает, что влияние разрежения и противодавления сказывается на коэффициенте избытка воздуха тем больше, чем больше отклоняется давление в топке от атмосферного и чем меньше давление газа перед соплом, По этой причине такие горелки, как правило, применяют в топках, если давление укладывается в пределы ±20 Па относительно атмосферного и если при минимальной тепловой мощности давление газа перед соплом составляет не менее 5 кПа. В том случае, если разрежение в топке превышает указанное значение и ведет к нецелесообразному избытку воздуха, горелки оборудуют уравнительными камерами, поддерживающими давление инжектируемого воздуха на уровне, близком к разрежению в топке. При закритических режимах истечения газа (давление природного газа перед соплом >90 кПа) горелки не обладают свойствами автоматического пропорционирования и α 1 снижается при повышении давления газа перед соплом.

Устойчивость пламени на инжекционных горелках достигается при отрыве применением стабилизаторов горения в виде огнеупорных туннелей, кольцевых зажигательных поясков или тел плохообтекаемой формы, а при проскоке - значительной скоростью выхода газовоздушной смеси. Наиболее распространены стабилизаторы горения в виде цилиндрических туннелей с внезапно расширяющимся сечением. Стабилизирующее действие таких туннелей рассмотрено в литературе . Туннели изготавливают из огнеупорных материалов, пригодных для длительной работы при температуре 1450-1500°С и стойких к резким колебаниям температур, что имеет место при каждом включении и выключении горелок. Обычно туннели делают набивными и изготавливают по шаблону из материала следующего состава, %: порошок хромистого железняка 45, порошок из обожженного магнезита 45, огнеупорная глина 10. Полученную массу разбавляют водой до густого тестообразного состояния. Перед применением в огнеупорную массу добавляют 2-3% жидкого стекла, после чего смесь тщательно перемешивают. Толщина слоя набивной массы должна быть не менее 25 мм.

Туннели, выполненные из указанного материала, обеспечивают достаточно высокую стойкость: после 2 лет работы при температуре около 1400 °С они не оплавились и не растрескались. Туннели без хромистого железняка дают многочисленные трещины, а набивки из хромистого железняка, но без магнезита размягчаются. Набивка туннелей может выполняться и из других материалов, %: порошка хромомагнезита 70 и огнеупорной глины30. Применять туннели из обычной набивки или кирпича недопустимо, так как они, как правило, оплавляются очень быстро. При выборе материалов для туннелей необходимо учитывать, что наличие в них оксида железа или других примесей, снижающих температуру размягчения и увеличивающих теплопроводность материала, ухудшает качество туннеля и приводит к его оплавлению.

Для удобства извлечения деревянного шаблона (после набивки туннеля) его делают с расширением 3-4° в сторону выхода продуктов сгорания. При массовой потребности в туннелях их выполняют из заблаговременно изготовленных горелочных камней. При сборке туннелей горелочные камни укладывают, тщательно подгоняя поверхности, при толщине швов 0,5-1,0 мм. Уступы и неровности на внутренней поверхности туннелей недопустимы.

В зависимости от условий установки инжекционные горелки изготавливаются с прямыми и угловыми смесителями. Последние применяют в тех случаях, когда прямые смесители непригодны или неудобны в эксплуатации из-за их значительной длины. К недостаткам угловых смесителей относятся: 1) большое сопротивление, приводящее к уменьшению коэффициента инжекции на 1-3% (в зависимости от угла поворота) относительно прямых смесителей равнозначных характеристик. Несколько снижается для угловых смесителей и устойчивость пламени по отношению к проскоку.

Инжекционные горелки с α 1 > 1 устанавливают на промышленных и коммунальных теплоагрегатах (нагревательные и термические камерные печи, сушилки, чугунные секционные отопительные котлы, хлебопекарные и кондитерские печи, каменки бань и др.). Широко применяют инжекционные горелки с максимальным расходом газа до 100 м 3 /ч. Для больших расходов эти горелки становятся громоздкими и металлоемкими и применение их, компоновка на теплоагрегатах усложняются.

Инжекционные горелки с α 1 < 1 (рис. 1.1, б). Выбор значения α 1 для этих горелок зависит от диапазона устойчивой работы их, который определяется по режиму работы теплоагрегата. В подавляющем большинстве инжекционные горелки с α 1 < 1 работают на низком давлении газа (до 2 кПа). При этих условиях энергия струи газа, вытекающей из сопла в инжектор, недостаточна, чтобы обеспечить большую выходную скорость газовоздушной смеси в насадке горелки или в огневых отверстиях, превышающую скорость распространения пламени. Поэтому максимальная тепловая мощность этих горелок, как правило, определяется скоростью отрыва пламени, т. е. скорость выхода газовоздушной смеси принимается равной или меньшей скорости распространения пламени. А так как горелки должны иметь достаточно широкий диапазон изменения тепловой мощности, приходится выбирать такое значение чтобы первичная газовоздушная смесь была не горючая. Тогда проскок пламени при уменьшении расхода будет отсутствовать.

Известно, что для природного газа при α 1 < 0,59 газовоздушная смесь не горючая. Следует иметь в виду, что уменьшать α 1 можно только до определенного предела, который для углеводородных газов определяется по следующей зависимости:

где m - число углеродных атомов в молекуле газа или среднее их число в сложном газе; n-то же, водородных атомов; d к - диаметр огневых каналов в коллекторе горелки, м.

Для природного газа α m i n = 0,4. Если α 1 принимается меньше этого значения, то горение приближается к диффузионному и имеет место выделение продуктов неполного сгорания газа.

Инжекционные горелки с α 1 < 1 обладают следующими особенностями: 1) требуют организованного подвода вторичного воздуха; 2) точки, где устанавливают эти горелки, должны иметь разрежение; 3) обеспечивают сжигание газа по промежуточному принципу, т. е. начало горения кинетическое, а окончание диффузионное; 4) имеют большую, чем горелки с α 1 > 1, длину и меньшую температуру пламени; 5) имеют большую устойчивость к отрыву и проскоку пламени, что, как правило, не вызывает необходимости применять стабилизаторы пламени.

Полное сгорание газа в этих горелках можно обеспечить только при подаче вторичного воздуха, при этом общий коэффициент избытка воздуха должен быть не менее α = α 1 + α 2 , = 1,15-1,20.

Инжекционные горелки могут иметь различные насадки. Это могут быть многофакельные коллекторы с большим числом огневых отверстий, которые обеспечивают распределенную передачу теплоты обогреваемым поверхностям, или одно большое отверстие либо по оси потока смеси, либо под углом, которое формирует один факел.

Инжекционные горелки с α 1 < 1 применяют весьма широко в бытовых газовых плитах, в проточных и емкостных водонагревателях, в ресторанных плитах, в секционных маленьких отопительных котлах, отопительных печах, в лабораторной практике и т. д.

1.2.3. Горелки с принудительной подачей воздуха . Воздух, необходимый для горения, нагнетается в горелки принудительно вентилятором, воздуходувкой или компрессором. Газ из газопровода подается (рис. 1.1, г) в газораспределительное устройство, а из него через сопла вытекает в закрученный поток воздуха. Здесь происходит смешение газа с воздухом. Подготовленная газовоздушная смесь выдается через насадок к месту сжигания. Эти горелки, как и инжекционные горелки с α 1 >1, оснащены стабилизаторами пламени. К особенностям горелок этого типа относятся: 1) возможность создавать горелки на любые расходы газа; 2) возможность использовать теплоту предварительно подогретого (подаваемого для горения) воздуха; 3) возможность обеспечить сжигание газа как по кинетическому, так и по промежуточному принципу (в зависимости от вида смесителя); 4) возможность работать при любом давлении в топке; 5) необходимость устанавливать клапан блокировки, отключающий подачу газа при прекращении подачи воздуха; 6) наличие воздуховодов (кроме газопроводов) в системе обвязочных коммуникаций теплоагрегата; 7) необходимость в рабочем режиме регулирования соотношения расходов газа и воздуха для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха;8) меньшая удельная металлоемкость по сравнению с инжекционными горелками; 9) обладание, как правило, большим коэффициентом предельного регулирования.

Смешение газа с воздухом зависит от конструкции как самой горелки, так и ее смесителя. Имеются горелки с хорошим предварительным смешением газа с воздухом. Такие горелки обеспечивают горение газа, близкое к кинетическому, и имеют в топке короткое пламя с высокой температурой. Для получения более длинного пламени применяют внешнее смешение газа с воздухом, иногда переносимое в топочное устройство.

Регулировать длину пламени можно, изменив качество смешения газа с воздухом. Чтобы сократить длину пламени, надо обеспечить хорошее предварительное смешение. Это достигается за счет удлинения участка смешения; увеличения разности скоростей газа и воздуха, а также поверхности соприкосновения газовых струй с воздушным потоком; направления потоков газа и воздуха под углом; выдачи газовых струй в закрученный поток воздуха.

Рис. 1.3. Схемы горелок с принудительной подачей воздуха.

На рис. 1,3 приведены различные схемы горелок с принудительной подачей воздуха. По схеме I газ и воздух к месту сгорания подаются раздельно, параллельными широкими потоками примерно с равными скоростями. Смешение происходит крайне медленно. Горение близко к диффузионному. Пламя длинное, при сжигании углеводородных газов светящееся, имеет невысокую температуру. В схеме II поверхность соприкосновения потоков газа и воздуха увеличена за счет подачи газа внутри воздушного потока (горелка типа «труба в трубе»). Длина пламени сокращается. Еще большее сокращение длины пламени достигается, если обеспечить некоторое предварительное смешение газа с воздухом (схема III). Улучшение предварительного смешения газа с воздухом достигается установкой в горелке завихрителя, закручивающего поток воздуха (схема IV). Для увеличения площади соприкосновения газа с воздухом вместо одного крупного газовыпускного отверстия делают много мелких под углом к предварительно закрученному потоку воздуха (схема V). Это приводит к образованию более равномерной газовоздушной смеси, что обеспечивает горение, близкое к кинетическому, а также короткое пламя с высокой температурой. Смешение можно еще более улучшить, если газ в закрученный поток воздуха подавать не только с центра, но и с периферии (схема VI), обеспечивая равномерное распределение газовых струй в сносящем потоке воздуха. Закручивание воздушного потока может осуществляться лопаточным направляющим аппаратом, улиткой, тангенциальным подводом к горелке и др.

Горелки с принудительной подачей воздуха (иногда их еще называют дутьевыми или двухпроводными) в зависимости от конструкции работают на газе низкого или среднего давления. Их применяют в основном для промышленных теплоагрегатов: котлов, печей, сушилок и др. Горилки этого типа позволяют использовать теплоту отработанных дымовых газов за счет подогрева в теплообменниках (рекуператорах, регенераторах и др.) воздуха, подаваемого для горения, что позволяет повысить КПД теплоагрегатов.

Недостатками рассматриваемых горелок являются: значительные затраты электроэнергии на дутьевые вентиляторы; усложнение инженерных коммуникаций теплоагрегата из-за наличия воздуховодов, устройств регулирования соотношения газ-воздух и клапанов, отсекающих подачу газа к горелкам при остановке вентилятора.

РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННЫХ ГОРЕЛОК

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным, так как связан с комплексными расчетами процессов смешения, горения и теплоотдачи,  которые должны обеспечивать не только высокую эффективность сжигания газового топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Так как такой методики еще не существует, то при расчете горелок приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов. Ниже приведена наиболее упрощенная и вместе с тем оправдавшая себя в практике методика расчета и пересчета на взаимозаменяемый газ наиболее распространенных газовых горелок.

Инжекционные горелки, выдающие гомогенную газовоздушную смесь с α 1 << 1,0. Эти горелки наиболее часто работают на газе низкого давления, широко применяются в бытовых газовых аппаратах и многочисленных тепловых установках предприятий и учреждений городского хозяйства.

Расчет горелок (рис. 2.1) должен обеспечивать необходимую для аппаратов и установок тепловую мощность; широкий диапазон регулирования расхода газа; устойчивость пламени без применения искусственных стабилизаторов горения и отсутствие или малую концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Он включает в себя определение размеров следующих конструктивных элементов: сопла, горловины смесителя, конфузора, диффузора, огневых каналов и габаритных размеров, обеспечивающих возможность установки горелки в заданной топке. Исходными данными для расчета являются тепловая мощность горелки, химический состав газа, давление газа перед соплом и температуры газа и воздуха, а также характеристики аппарата или тепловой установки, для которых горелка рассчитывается.

По указанным исходным данным определяют низшую теплоту сгорания и плотность газа, теоретический расход воздуха. При расчете таких горелок объем газа и его плотность могут определяться при нормальных физических условиях. Объясняется это тем, что давление газа мало отличается от атмосферного, а его температура для зимнего расчетного периода изменяется от 5 до 10 0 C. При тех же условиях с допустимой для практики точностью могут определяться теоретический расход воздуха и его плотность. При расчете горелок можно не учитывать содержание в газе и воздухе водяных паров, так как оно очень мало влияет на объем и плотность, а также теплоту сгорания газа.

Рис. 2.1. Расчетная схема инжекционной горелки.

1 - сопло; 2 - конфузор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - распределительный коллектор; 6 - огневые каналы; 7 - регулировочная шайба (поступления первичного воздуха).

2.1.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха α 1 < 1,0.

Низшую теплоту сгорания газа находят по теплоте сгорания его компонентов

; кДж/м 3 , (2.1)

Н 2 , СО, СН 4 и т.д.–% об. газов в смеси.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания газа находят по формуле

; м 3 /м 3 , (2.2)

m–число атомов углерода в молекуле газа;

n– число атомов водорода в молекуле газа;

Расход газа (V г, м 3 /ч) находят по формуле

, (2.3)

V г = 68250000/(36117.8*1*91.7) = 20.6 м 3 /ч

q - номинальная теплопроизводительность установки, кДж/ч;

Q Н - низшая теплота сгорания газа, кДж/м 3 ;

N - число принимаемых к установке однотипных горелок с одинаковым расходом газа;

η - КПД установки.

Давление газа р г, Па, перед соплом горелки определяется на основании гидравлического расчета газопроводов. Вместе с тем для обеспечения широкого диапазона регулирования расхода газа оно должно быть не менее определяемого по формуле

р г = 0,27Q H /100 + 40 (2.4)

P г = 0.27* Q н /100 + 40 = 0.27*36117.8/100 + 40 = 137.52 Па

Теоретическая скорость истечения газа из сопла (w r , м/с) при низком давлении  (до 5 кПа) рассчитывается по формуле гидравлики, не учитывающей изменение плотности газа:

, (2.5)

р г - давление газа перед соплом, Па;

ρ г - плотность газа, кг/м 3 .

Площадь поперечного сечения газового сопла (f, м 2) и его диаметр (D, м) определяются по формулам

; (2.6)

; (2.7)

f d 1 = V г /(3600*µ* ω г) = 20.6/(3600*0.7*19.7) = 0.000415м 2

где μ - коэффициент расхода, учитывающий неравномерность.распределения скоростей потока газа по сечению сопла, сопротивления трения в нем и сжатие струи, зависит от формы сопла.

Для цилиндрического сопла с острыми краями в тонкой стенке (рис. 2.6а)  в зависимости от качества обработки внутренней стенки μ = 0,6-0,65; для того же сопла, но с закругленными изнутри краями (рис. 2.6б) μ = 0,7-0,75; для конического сопла (рис. 2.6в) коэффициент расхода μ зависит от угла конусности β: при β = 15° μ = 0,9; при β = 30° μ = 0,85 и при β = 45° μ = 0,82;  для наиболее распространенного сопла (рис. 2.6г) с цилиндрическим каналом и β = 90° значение μ зависит от отношения длины цилиндрической части сопла l D 1 к диаметру сопла D 1 при l D 1: D 1 = 0,18, μ = 0,75; при l D 1: D 1 = 0,45, μ = 0,85; при l D 1: D 1 = 1,0, μ = 0,85; при l D 1: D 1 = 2, μ = 0,84.

Диаметр горла смесителя D 3 , м, определяется из уравнения, выражающего закон сохранения количества движения при смешении двух газов. Количество движения 1 м 3 инжектируемого газа равно , а инжектируемого из атмосферы воздуха может приниматься равным нулю. В этом случае количество движения смеси газа и воздуха

w 3 - скорость газовоздушной смеси в горловине смесителя, м/с;

ρ В - плотность воздуха, кг/м 3 ;

n - объемная кратность инжекции (количество воздуха, инжектируемое 1 м 3 газа), м 3 /м 3 .

Рис. 2.2. Формы сопел инжекционных горелок.

Уравнение сохранения количества движения будет иметь тот же вид

Выразив расход газа V г, м 3 /ч, и смеси V г (1 + n), м 3 /ч, через соответствующие скорости и сечения

V г /3600 = πD l 2 w г /4 и V г (1 + n)/3600 = πD 3 2 w 3 /4

w 3 = w г (1 + n) (D 1 /D 3) 2 . (2.10)

Так как кратность инжекции n = V T α 1 , то

где α 1 -коэффициент избытка инжектируемого воздуха;

V T -теоретическая потребность в воздухе для сгорания 1 м 3 газа, м 3 /м 3 .

Формула (2.11) показывает, что α 1 для данного вида газа зависит только от соотношения диаметра горловины к диаметру сопла и не зависит от давления инжектирующего газа. Это значит, что инжекционные горелки обеспечивают постоянство соотношения газа и воздуха в смеси независимо от изменения расхода газа. Так, для горелок рассматриваемого вида α 1 должен приниматься таким,  чтобы не происходило проскока пламени внутрь смесителя при минимально необходимом расходе газа. Численное значение этого коэффициента

α 1 <[(100/L в) - l)](l/V т), (2.12)

L B - верхний предел воспламеняемости газа, % об.

Одновременно значение α 1 должно быть больше такого, при котором возможно образование желтых языков (краев) пламен:

α 1 >0,75(m + n/4) 0,5 d 0 0,25 , (2.13)

m - число углеродных атомов в молекуле или среднее их число в сложном газе;

n - то же, водородных атомов;

d 0 - диаметр огневых каналов на коллекторе горелки, м.

Диаметры конфузора D 2 и диффузора D 4 принимаются примерно одинаковыми:

D 2 ~D 4 = (2,0 - 2,2) D 3 . (2.14)

D 2 ~D 4 = 2.1*0,2 = 0.42 м

Длина горловины смесителя и длина конфузора

l 1 =(2,5 - 3,5) D 3 (2.15)

l 3 = (1,3- 1,5) D 3 . (2.16)

L 1 = 3D 3 = 0.6; L 2 = 1.4D 3 = 0.28

Переход конической поверхности конфузора в цилиндрическую горловины для литых смесителей рекомендуется выполнять по дуге окружности радиуса 

R = (3-5) D 3 (2.17).

R = 4D 3 = 0.8 м

Значения коэффициента R в зависимости от вида газа и коэффициента избытка первичного воздуха приведены в таблице 2.1

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения. В системах централизованного теплоснабжения эти генераторы установлены на ТЭЦ или тепловой станции. В данном разделе рассмотрены теплогенераторы (водогрейные котлы ), применяемые в системах местного (децентрализованного) теплоснабжения и обеспечивающие теплотой инженерное оборудование одного конкретного строительного объекта.

Сегодня многие зарубежные и ряд российских фирм предлагают котельное оборудование, отличающееся как стоимостью, так и своими техническими возможностями. Приведенный ниже анализ базовых критериев выбора котельного предназначен, прежде всего, для проектировщика инженерных систем здания. Так как только он сможет грамотно учесть при проектировании все требования заказчика к тепловому комфорту в здании, оценить эксплуатационные характеристики различных теплопотребляющих систем, предложить и сопоставить различные варианты инженерного решения системы теплоснабжения.

Разница в цене на аналогичное по основным техническим характеристикам оборудование должна быть существенная. Наиболее низкие цены на теплогенераторы из южных стран Западной Европы (Италия, Испания, Югославия, Греция), стран бывшего соцлагеря (Чехия, Словакия, Польша, Венгрия) и стран Азии (Южная Корея, Сирия). К этой категории можно отнести и оборудование из США. Существенное возрастание цены наблюдается по мере удаления страны-производителя на север Европы (Австрия, Швейцария, Голландия, Германия, Швеция, Финляндия), так как в странах с более суровым климатом требования к его качеству и надёжности возрастают, а, соответственно, возрастает и цена. У оборудования этих стран по опыту его многолетней эксплуатации в климатических и технических, часто отличающихся от идеальных, условиях средней полосы России гораздо меньше отказов в работе. Оно лучше адаптировано, к примеру, к возможным сбоям в подаче к нему энергоносителей. Многие западные фирмы, давно работающие на российском рынке и заинтересованные в нём, специально занимаются вопросами, связанными с подобной адаптацией. Принимая решение о выборе теплогенератора, особенно в сложной с большим количеством разноплановых потребителей теплоты схеме теплоснабжения, крайне важно помнить об обеспечении его надёжности эксплуатации в более суровых условиях России. Экономия капитальных затрат в данном случае может в последствии привести к большим эксплуатационным затратам и обернуться для заказчика в лучшем случае высокой стоимостью эксплуатации оборудования, в худшем - крайне важно стью дополнительных затрат на восстановительный ремонт инженерных систем, а, иногда, и самого здания.

Главными критериями выбора теплового оборудования следует признать его технические показатели, так как квалифицированный выбор инженерного решения может привести, в том числе, и к снижению капитальных и эксплуатационных затрат на систему автономного теплоснабжения здания. Ниже рассмотрены именно эти критерии.

Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива. Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси). В случае если давление газа в сети ниже номинала (16…20 Mбар), рекомендуется применять котлы с выносной горелкой.

Принципиально различаются теплогенераторы с ёмкостью для нагрева воды цельностальной или набранной из отдельных, как правило, чугунных секций. Последние более коррозионностойкие, что важно, так как качество воды, которой заполняются инженерные системы здания, часто далеко от идеального. Секционные котлы, которые могут поставляться на объект в разобранном виде, удобны при монтаже в стеснённых условиях стройплощадки. Ещё одно их преимущество - возможность быстрой аварийной замены в процессе эксплуатации вышедшей по какой-либо причине из строя секции котла. Стальной котёл в данном случае придется менять целиком. Котлы обычно устанавливаются непосредственно на пол котельной или на невысокий, до 200 мм, фундамент.

В особую группу крайне важно выделить настенные газовые котлы, которые имеют очень широкое распространение на Западе. Настенный генератор теплоты имеет много преимуществ. Он компактен, удобен в монтаже и эксплуатации, универсален в выборе места его размещения в доме. Котёл оснащён уже встроенным в него необходимым оборудованием: циркуляционным насосом, расширительным мембранным баком, воздухоотводчиком, предохранительной и запорной арматурой. Определённый тип данного котла позволяет отказаться от традиционной дымовой трубы и отводить продукты сгорания через наружную стену с помощью специальной конструкции "труба в трубе". При этом, применительно к климатическим условиям России, эти котлы имеют существенный недостаток - низкую расчётную мощность, составляющую не более 30…50 кВт. Это в настоящее время ограничивает их применение или реконструируемыми квартирами в условиях старой городской застройки, или небольшими, чаще всего вспомогательными, постройками (гараж, баня и т. п.).

При отсутствии газа следующим по значимости является более дорогое дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты. Как правило, конструкция подобного котла универсальна и переход на использование в нём природного газа осуществляется простой и быстрой заменой выносной дизельной горелки на газовую с последующей её наладкой. Котёл продолжает работать с той же автоматикой, каких-либо переделок в тепловой схеме котельной при этом не требуется. Ряд стран предлагают на нашем рынке и комбинированные горелки, работающие на двух видах топлива, в которых переход на другое топливо осуществляется простым поворотом крана.

Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при её использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного лимита расчётной электрической мощности, выделяемого индивидуальному застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20…30 кВт чаще всего используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или вспомогательных домов с небольшой площадью.

Правильное и точное определение расчётной мощности теплогенератора не только экономит деньги заказчика, но и в значительной мере предопределяет устойчивость работы котельного оборудования в процессе эксплуатации, а также его долговечность. К сожалению, следует констатировать, что многие торгующие котлами фирмы продолжают абсолютно порочную практику подбора котельного оборудования для своих клиентов без должного в таком случае проектного сопровождения и расчёта требуемой мощности в соответствии с действующими нормативными требованиями. Подобный дилетантский подход к этому важному вопросу чаще всего выражается в определении мощности по отапливаемой площади дома без учёта теплотехнических свойств его наружных ограждающих конструкций и функциональных особенностей других возможных теплопотребляющих систем.

Выбираемая мощность водогрейного котла складывается из расчётных мощностей теплопотребляющих систем здания. Мощность системы отопления определяется в результате расчёта теплопотерь здания (подробнее см. в разделе "Определение тепловой мощности систем отопления").

Выбор расчётной мощности системы "тёплый пол" зависит от её функционального назначения. В случае если эта система предназначена для полной или частичной компенсации теплопотерь дома, то её мощность уже учтена в предыдущем расчёте. При этом часто эта система используется, как дополнительный тепловой комфорт в отдельных помещениях (ванная комната͵ бассейн, сауна, зимний сад и т. п.). В этом случае требуется определение дополнительной мощности исходя из расчётной температуры на поверхности пола и внутреннего воздуха в данном помещении с учётом нагреваемой площади. В любом случае, при выборе и расчёте напольного отопления проектировщику следует помнить о том, что по санитарно-гигиеническим соображениям температура на поверхности нагретого пола ограничена. Причем, по российским нормам эта температура (26°C) ниже, чем в нормах западных стран.

В случае если в доме предусмотрена система приточной вентиляции или система кондиционирования воздуха с использованием водяных калориферов, их расчётная мощность определяется при той же расчётной температуре наружного воздуха и принятой в проекте этих систем температуре приточного воздуха с учётом расчётного воздухообмена в вентилируемых помещениях.

Требуемая мощность системы теплоснабжения бассейна рассчитывается с учётом объёма его ванны, возможных теплопотерь через её конструкцию и с поверхности воды, а также требуемой продолжительности первоначального и текущего прогрева бассейна.

Особо следует оговорить учёт при выборе мощности теплогенератора расчётной теплопотребности . Связано это с тем, что автоматика выбранной конструкции котла может иметь возможность приоритетного включения водонагревателя этой системы. При этом работа системы отопления на данный период временно прекращается. В этом случае можно получить значительную экономию за счёт частичного или полного снижения расчётной мощности теплогенератора на величину требуемой мощности системы горячего водоснабжения . Но принять такое решение можно только после тщательного анализа возможных последствий остановки системы отопления , проводимого проектировщиком с учётом её расчётной продолжительности и теплоинерционных особенностей здания. Только в результате подобного анализа может выявиться возможность снижения требуемой теплопотребности системы горячего водоснабжения при определении мощности генератора теплоты.

Особенностью всех импортных теплогенераторов является то, что они комплектуются собственными средствами автоматизации, которые обеспечивают регулирование и управление процессами функционирования не только самого котла, но и всех подключённых к нему теплопотребляющих систем. А они, в свою очередь, различаются как температурными и гидравлическими параметрами работы, так и временем и продолжительностью действия.

Система отопления и система вентиляции или кондиционирования воздуха потребляют теплоту только в холодный и переходный периоды года. Изменение теплоподачи в них осуществляется путём изменения температуры воды от котла по задаваемому на его блоке управления графику качественного регулирования исходя из текущей температуры наружного воздуха или, в более простом варианте, с помощью регулятора температуры внутреннего воздуха, установленного в контрольном помещении здания. Система "тёплый пол" рассчитывается с более низкими, чем в системе отопления и системе вентиляции , температурными параметрами воды и имеет в схеме котельной самостоятельный узел регулирования и управления. Подача теплоты от генератора в систему горячего водоснабжения и систему теплоснабжения бассейна осуществляется периодически по мере крайне важно сти и с различной продолжительностью, но обычно при форсированном режиме работы котла.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, особенно при сложной схеме теплоснабжения дома, выбор котла должен сопровождаться тщательной оценкой возможностей средств автоматизации, которыми фирма-производитель может его укомплектовать.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Возможно вас заинтересует