Порядок расчета тепловой схемы котельной

Главная задача расчета – определить потоки через все аппараты и агрегаты в схеме котельной и выбрать марки этих аппаратов и агрегатов, а так же определить диаметры труб их соединяющих.

Основной принцип расчета – составление балансов массы и энергии, входящих и выходящих в любой их аппаратов, установленных в котельной.

В отличие от обычных задач при выполнении проектов многие исходные данные вначале неизвестны. Ими приходится вначале задаваться, а затем после первого предварительного расчета проводить его еще раз (или даже несколько раз), беря из предварительных расчетов недостающие данные вместо величин, принятых вначале.

В предварительном расчете потоки воды и пара удобнее считать в следующем порядке:

1. Подробно разобраться в тепловой схеме котельной и по ней следить: какой из элементов схемы рассчитывается, какие потоки и из каких аппаратов в него втекают и вытекают.

2. Из теплового баланса блока двух подогревателей сетевой воды по заданной нагрузке на отопление определить расход пара на подогреватели сетевой воды и расход сетевой воды.

3. Суммируя этот расход с заданным расходом пара на производство, и добавляя 10% на собственные нужды котельной, определить суммарную расчетную паропроизводительность котельной и число котельных агрегатов.

4. Определить расход воды из деаэратора

· на питание котлов (паропроизводительность + до 10% продувка)

· на подпитку тепловой сети (1,5 – 2% от расхода сетевой воды).

· Если деаэратор один, то из него должны выходить оба этих потока, если – два – то это потоки из разных деаэраторов.

5. Расход воды из деаэратора должен быть равен расходам поступающих в него потоков. Следует учесть, что около 5% от расхода деаэрированной воды восполняется греющим паром. Часть воды в питательный деаэратор попадает в виде конденсата из конденсатного бака. В первом приближении расход конденсата можно посчитать как сумму возврата конденсата с производства и из подогревателей сетевой воды (см.п. 1). Недостаток воды в деаэраторе восполняется химически очищенной водой, расход которой и определяется из материального баланса деаэратора.

6. В процессе ХВО около 20% воды теряется на промывку фильтров, поэтому расход сырой воды до водоподготовки на эти 20% больше, чем химически очищенной.

7. Схему уточненную нарисовать и нанести все полученные расходы и температуры потоков, которые известны.

8. Рассчитать потоки к мелким теплообменникам собственных нужд.

9. Уточнить балансы расходов на конденсатный бак и деаэратор. Невязка 5%.

10. По имеющимся расходам и температурам по уравнениям теплового баланса рассчитать тепловые нагрузки на все теплообменники аппараты и соответственно выбрать марки и размеры этих аппаратов.

11. После расчета водоподготовки и определения точного значения процента продувки можно провести уточненный расчет потоков. В данном приближенном расчете это делать не обязательно.

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема производственно - отопительной котельной с паровыми котлами

а) При большом расходе воды на подпитку и продувку

б) При малом расходе воды на подпитку и продувку

Краткое описание схемы. Паровые котлы 1 вырабатывают сухой насыщенный пар. Пар направляется в паровую гребенку 2, откуда через редукционные устройства (РУ) поступает к потребителям: на производство 3, на собственные нужды 5 и на теплоснабжение 6.

После РУ 6 пар идет на паровой теплообменник 7 (ПСВ), где конденсируется, нагревая сетевую воду, конденсат охлаждается в охладителе конденсата 8 (ОК). Обратная сетевая вода с температурой t₂ из тепловой сети входит в котельную и через грязевик (фильтр) 11 и сетевым насосом 10 подается в теплообменники 8 и 7 и направляется в теплосеть с температурой t₁.

Конденсат 16 из охладителя конденсата 8 направляется в конденсатный бак 18. Туда же приходит конденсат с производства 15 и из теплообменников собственных нужд 17 (из теплообменников подогрева сырой 27 и химически обработанной воды 31). Из конденсатного бака 18 конденсатным насосом 19 он подается в головку деаэратора питательной воды 32. Потери воды в цикле котельной в виде пара, продувочной и сетевой воды восполняются химически очищенной водой, получаемой за счет обработки исходной сырой воды..

Сырая вода подается насосом 21 частично в барботажный бак 25 и частично через теплообменники 24 и 27, где подогревается до 30 – 35 ^ОС и идет на химическую водоподготовительную установку (ВПУ) 28.

Вода непрерывной продувки проходит дроссельное устройство 22, где ее давление снижается от давления в барабана котла Р_Б до давления Р_Д (около 0,15 МПа). Вода становится перегретой и направляется в расширитель непрерывной продувки (РНП), где часть ее (0,15 – 0,18) преобразуется в пар, который направляется в деаэратор питательной воды. Оставшаяся в РНП шламовая вода (если ее расход более 1 т/час) используется для подогрева сырой воды в водо-водяном теплообменнике 24 и поступает в барботер 25 (бак нижних точек). Туда же подается и периодическая продувка с температурой кипения в паровом котле, для ее охлаждения до допустимой для слива в канализацию температуры 50 ^ОС в барботер подается часть сырой воды с температурой 5 ^ОС.

Химически очищенная вода поле ВПУ подогревается в теплообменниках 29 и 31 до температуры (60 – 80) ^ОС, а затем направляется в деаэраторы. В деаэраторах вода подогревается паром до температуры кипения и выдерживается при этой температуре 20-30 минут. При этом из воды выходят растворенные газы. Теплообменник 29 устанавливается для охлаждения подпиточной воды и предотвращения ее вскипания на всасе подпиточного насоса 13. Без этого теплообменника высота площадки для установки деаэратора должна быть не менее 6 м.

Деаэрированная (обескислороженная) питательная вода поступает к питательному насосу 33 ичерез обратные клапана 34 подается в паровые котлы. Для предотвращения кавитации в питательных насосах деаэратор 32 устанавливается либо на высоте не менее 6 м, либо питательная вода, выходящая из деаэратора, охлаждается в теплообменнике перед питательными насосами, как это делается с подпиточной водой, охлаждаемой после деаэратора 30 в теплообменнике 29.

В тепловой схеме обязательно предусмотриваются коммерческие узлы учета, по которым проводят расчеты с другими организациями - расход пара на производство 4; расходы воды сырой 20, подпиточной 14, обратной 12 и прямой 9 сетевой воды.

Если расход подпиточной воды небольшой (менее 5 т/час), то отдельный деаэратор подпиточной воды не ставится. Как это приведено в схеме б.

Тепловая схема котельной приводится в записке после расчета потерь сетевой воды. Поясняющие расчетные схемы и графики представляются в соответствующих разделах. При выполнении тепловой схемы следует руководствоваться ГОСТ 21.403-80 «Обозначения условные графические в схемах. Оборудование энергетическое».

Расчет тепловой схемы можно вести в такой последовательности:

Выписать из справочника [3] теплофизические свойства воды и водяного пара на линии насыщения. Она составляется на основании заданных или принимаемых давлений пара: Р_б - идущего из котлов, Рп -на производство, Рт - на теплоснабжение, Рс.н. - на собственные нужды, Рд - на деаэрацию.

Таблица 1

Давление МПа	Температура насыщения, t = ts,°С	Удельный объем воды , м3/кг	Удельный объем пара , м3/кг	Энтальпия воды , кДж/кг	Энтальпия пара , кДж/кг	Теплота парообразования r, кДж/кг
Рб = , МПа
Рп = , МПа
Рт = , МПа
Рс.н.= , МПа
Рд = , МПа

Далее проводится расчет отдельных элементов тепловой схемы в следующей последовательности:

· Вычертить в записке схему рассчитываемого элемента.

· Уяснить из общей схемы и указать на схеме рассчитываемого элемента параметры всех потоков входящих и выходящих в данный элемент.

· Из уравнений баланса массы и энергии определить недостающие параметры.

Удобнее всего начинать расчет с тех элементов схемы (рис. 1), для которых известно большинство параметров.

1. В данном случае первым можно рассчитать блок подогревателей сетевой воды.

Рис. 2. Тепловая схема подогрева сетевой воды: ПСВ – паровой подогрева тель сетевой воды; ОК – охладитель конденсата.

Уравнение теплового баланса для пары теплообменных аппаратов для подогрева сетевой воды запишется в виде:

, (3.1)

где –заданная суммарная тепловая нагрузка на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию, кВт; – расход сетевой воды, кг/с; и – заданные температуры прямой и обратной сетевой воды, °С; – расход пара на отопление и т.д., кг/с; – энтальпия редуцированного пара при давлении Р_т перед подогревателями сетевой воды, кДж/кг; кДж/(кг·К) – изобарная теплоемкость воды; – КПД сетевых подогревателей, принимается равным 0,98; – энтальпия конденсата после ОК при температуре t_ок = t₂ + 10°С, кДж/кг; .

Из уравнения теплового баланса (3.1) определяем расход сетевой воды

, кг/с, (3.2)

и расход пара на подогрев сетевой воды

, кг/с (3.3)

2. Котлы должны производить пар в количестве, достаточном для производства D_п (известно из задания), для подогрева сетевой воды Дт и для собственных нужд котельной. Собственные нужды котельной могут включать расходы пара: на подогрев сырой и химически очищенной воды, на деаэраторы сетевой и питательной воды, на распыл мазута при сжигании и на мазутное хозяйство.

Расход пара на собственные нужды можно точно определить только после расчета всех элементов тепловой схемы, а на данном этапе этот расход принимаем в размере (5 - 15) % от суммарного расхода на производство и подогрев сетевой воды

, (3.4)

По найденному суммарному расходу пара предварительно определим число котлов n_к=D_к/D. Где D – паропроизводительность одного котла.

Котлы являются основным оборудованием котельной. Остальное - вспомогательное оборудование должно обеспечивать нормальную работу котлов.

3. Прежде всего, необходимо восполнить потери воды, конденсата, как в самой котельной, так и у потребителей. Потери воды в теплосети составляют

, кг/с (3.5)

Эти потери воды необходимо компенсировать, непрерывно подавая в сеть подпиточную воду. Подпиточная вода должна быть умягченной и деаэрированной, причем:

· если т/ч, то для деаэрации подпиточной воды устанавливается отдельный деаэратор (т.е. один – для питательной воды, другой - для подпиточной воды теплосети);

· если же т/ч, то подпиточную воду берут из деаэратора питательной воды (через линию «в – г»).

Потери воды из паровой части схемы (их компенсируют подачей воды в питательный деаэратор) складываются из:

а) потерь конденсата на производстве

, кг/с, (3.6)

б) потерь конденсата в цикле котельной установки. Их принимаем

, кг/с, (3.7)

где D_п и g– расход пара на производство и доля конденсата, возвращаемого с производства;

в) потерь воды из котла с непрерывной продувкой

, кг/с (3.8)

где – процент непрерывной продувки, принимается от 2 до 5 % (затем эта величина уточняется при расчете оборудования водоподготовительной установки).

Однако, не вся продувочная вода сбрасывается в канализацию. За счет снижения давления воды в дроссельном клапане часть ее превращается в пар в расширителе непрерывной продувки. Пар идет в деаэратор питательной воды, а оставшаяся шламовая вода направляется в теплообменник, где охлаждается, подогревая сырую воду на 5-10 ^ОС, и сбрасывается в канализацию.

Количество пара, получаемого в расширителе непрерывной продувки (РНП), рассчитывается по тепловому балансу

, кг/с (3.9)

где – энтальпия котловой воды (определяется по давлению в барабане котла), кДж/кг; и – энтальпии пара и воды, выходящих из расширителя непрерывной продувки (определяются при Р_д), кДж/кг.

Рис. 3. Принципиальная схема расширителя непрерывной продувки.

Объем парового пространства расширителя выбирается исходя из допустимого напряжения его парового объема 1000 (м³/час пара)/м³ парового пространства. Паровое пространство занимает 70% общего объема расширителя.

Расход шламовой воды на выходе из расширителя непрерывной продувки

, кг/с (3.10)

Все потери воды должны быть восполнены химически очищенной водой

, кг/с (3.11)

На ВПУ воды подается немного больше,

, кг/с (3.12)

поскольку, примерно, 25 % воды расходуется на собственные нужды ВПУ.

4. Поток сырой воды подогревается шламовой водой из РНП

Рис. 4. Расчетная схема теплообменника охладителя непрерывной продувки (подогревателя сырой воды).

Уравнение теплового баланса теплообменника охладителя воды, идущей из РНП,

, (3.13)

где и – температура сырой воды на входе и выходе из охладителя непрерывной продувки; принимается равной 5 ºС; – температура воды после охладителя непрерывной продувки, удаляемой в канализацию, принимается равной 50 ºС.

Если расход воды непрерывной продувки ≤ 1 т/ч, то теплообменник 2 для подогрева сырой воды не устанавливается (он не считается и не чертится), а тепловая схема уточняется. В этом случае = = 5 ºС.

Из уравнения теплового баланса находим величину :

, (3.14)

5. Температура воды перед ВПУ должна быть около 30 – 35 ^оС, иначе на трубах и оборудовании из воздуха будет выпадать роса и это оборудование будет ржаветь. Поэтому сырая вода еще нагревается паром в теплообменнике сырой воды (рис.5).

Рис. 5. Расчетная схема парового подогревателя сырой воды.

Уравнение теплового баланса:

Q=D _с.в∙(i"_д - i'_д )η= G _c.в.∙с_р∙(t"_с.в. – t'_с.в), (3.15)

Расход пара на этот подогреватель будет равен

,кг/с (3.16)

6. Расчет деаэратора подпиточной воды.

Рис. 6. Расчетная схема деаэратора подпиточной воды теплосети

Уравнение материального баланса деаэратора (рис.6):

.кг/с (3.17)

Уравнение теплового баланса:

, (3.18)

где t’_хов – температура химически очищенной воды после теплообменника 29 (см. рис. 1) принимаем равной 60 ^оС. Расход выпара из колонки деаэратора в расчетах принимаем равным 0.

Расход пара на деаэрацию определится из решения уравнений (3.17) и (3.18)

, кг/с (3.19)

7. Рассчитаем охладитель 29 подпиточной деаэрированной воды

Рис. 7. Расчетная схема теплообменника – охладителя подпиточной воды для тепловой сети

Уравнение теплового баланса

(3.20)

Из уравнения теплового баланса найдем температуру подпиточной воды

, ºС (3.21)

где t_хов – температура химически очищенной воды на входе в охладитель 29 деаэрированной воды, ºС.

8. Химочищенную воду перед питательным деаэратором 32 подогревают до 60 ^оС в теплообменнике 31

, кг/с (3.22).

Рис. 8. Расчетная схема подогревателя химически обработанной воды

Из уравнения теплового баланса (аналогичного предыдущим) найдем расход пара на подогрев химически очищенной воды в подогревателе 31

, кг/с (3.23).

9. Расчет конденсатного бака.

Материальный баланс

, кг/с (3.24)

Рис. 9. Расчетная схема конденсатного бака.

Из баланса энергии найдем температуру конденсата на выходе из конденсатного бака, ºС

, (3.25)

где – энтальпия конденсата, возвращаемого с производства (определяется
при заданной температуре), кДж/кг, =сt_кп.

10. Расчет деаэратора 32 питательной воды

Рис. 10. Расчетная схема деаэратора питательной воды

Составляем уравнение теплового баланса. Из уравнения теплового баланса (см. рис. 10) находим расход пара

, кг/с (3.26)

11. Уточненный расход пара на собственные нужды

, кг/с (3.27)

12. Уточненная паропроизводительность котельной

, кг/с (3.28)

130. Невязка с предварительно принятой паропроизводительностью котельной, %

. (3.29)

Если невязка получится меньше 5 %, то расчет тепловой схемы считается законченным. При большем отличии расчет следует повторить, изменив расход пара на собственные нужды.

На тепловой схеме следует указать расходы воды или пара и их температуру на всех трубопроводах, соединяющий агрегаты и выбрать диаметр этих трубопроводов в предположении, что скорость воды в пределах 1-2 м/с, а пара 10-30 м/с.