Асчет состава и теплофизических свойств продуктов сгорания газообразного топлива

Рассчитаем теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 нм³ сухого газообразного топлива:

Объемный состав продуктов сгорания топлива определяется по формулам:

Здесь:

- H₂, CO₂, CO, C_mH_n, N₂, H₂S – объемные содержания компонентов топлива;

- d_г.тл. – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа (малая величина)

Полный относительный объем продуктов сгорания:

Объемные доли продуктов сгорания:

Параметр для смеси газов:

Молекулярная масса продуктов сгорания:

Используя найденные величины и по таблицам [1], при температуре дымовых газов равной , определяем энтальпию газов за ГТ:

4. Тепловой расчет камеры дожигания КУ

Схема камеры дожигания представлена на рис. 2.

Рис. 2. Камера дожигания.

Определим температуру дымовых газов после камеры дожигания:

Определяем энтальпию дымовых газов перед КУ, используя таблицы [1] и найденные и :

Составляем уравнение теплового баланса (УТБ) для камеры дожигания.

Принимаем:

Тогда расход топлива на дожигание из УТБ:

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива:

Избыток воздуха после камеры дожигания:

5. Тепловой расчет КУ

Составляем уравнение теплового баланса для поверхности нагрева пароперегревателя (ПЕ) КУ:

Коэффициент сохранения теплоты:

Примем гидравлическое сопротивление пароперегревателя:

Давление в барабане КУ:

По давлению с помощью WSP определим энтальпию среды (вода) в состоянии насыщения и температуру насыщения в барабане (Б):

Определим энтальпию пара после ПЕ КУ по и :

Составляем уравнение теплового баланса для испарителя:

Зная температурный напор на “холодном конце” испарителя (“пинч-поинт”), можно определить температуру выхлопных газов за испарителем КУ:

По данной температуре определяем энтальпию выхлопных газов за испарителем КУ по таблицам [1]:

Составляем уравнение теплового баланса для экономайзера:

Определяем температуру на выходе из экономайзера, зная недогрев воды до температуры насыщения:

Давление, развиваемое питательным насосом:

Определяем энтальпию воды на выходе из ЭК КУ по и :

По давлению в деаэраторе определяем температуру и энтальпию воды в деаэраторе:

и

Определим подогрев в питательном насосе, принимая

Энтальпия воды перед ЭК КУ:

Тогда температура воды за питательным насосом:

Решаем систему из трёх уравнений:

По найденным параметрам газов за ПЕ и ЭК находим температуры газа за ПЕ и ЭК по таблицам [1]:

Составляем уравнение теплового баланса для деаэратора и газового подогревателя конденсата.

Для деаэратора уравнение теплового баланса:

Принимаем:

По и по определяем:

По и определяем при изоэнтропном процессе расширения:

Принимаем:

Давление основного конденсата и температура конденсата на выходе из ГПК соответственно:

По давлению основного конденсата и температура конденсата на выходе из ГПК определяем:

Уравнение теплового баланса для ГПК:

По давлению в конденсаторе определяем остальные параметры:

Совместно решаем уравнения, с учетом того, что :

По энтальпии газов на выходе из ГПК и таблицам [1] определяем температуру газов на выходе из ГПК:

Расчет ГВТО.

Так как температура обратной сети равна 45 ,а минимальная температура на входе в ГПК равна 60 , то необходимо установить насос рециркуляции.

При энтальпия входа составляет

Составляем уравнение теплового баланса для газоводяного теплообменника:

Принимаем давление сетевой воды:

Тогда при и :

При и :

При энтальпия уходящих газов:

Из уравнения теплового баланса определяем расход сетевой воды на ГВТО:

Запишем уравнения материального и теплового баланса для газо-водяного теплообменника при наличии линии рециркуляции:

Решая совместно эти два уравнения определим расход воды через линию рециркуляции для обеспечения заданной температуры воды на входе в ГПК:

Определение тепловых нагрузок КУ:

Результаты сводим в табл. 3.

Таблица 3

Результаты теплового расчета КУ

Поверхность	Температура дымовых газов, ˚С	Температура нагреваемого теплоносителя,˚С	Тепловой поток, кВт
вход	выход	вход	выход
ПЕ		481.958	301.33		18254.846
И	481.958	309.33	301.33	301.33	35801.931
Э	309.33	228.998	145.02	289.33	16365.81
ГПК	228.998	175.876	28.96	133.61	10609.648
ГВТО	175.876

По результатам расчета строим Q-t диаграмму, представленную на рис. 3.

Рис.3. Q-t диаграмма КУ.

6. Конструкторский расчет котла-утилизатора.

В рассматриваемой схеме используется котел-утилизатор вертикального типа, компоновка которого представлена на рис. 4. Поверхности нагрева выполнены из оребренных труб, а также из отдельных блоков, укрепленных друг над другом с помощью каркаса. В блоке имеются боковые боксы для установки коллекторов и колен труб, которые не подвержены воздействию дымовых газов. Основной объем бокса имеет несколько дырчатых несущих перегородок в зависимости от принятых габаритов. В перегородках просверлены отверстия, в которые одновременно заводятся оребренные трубы и опираются в перегородках на свои ребра. Обычно используется шахматное расположение труб. Такое расположение труб обеспечивает их свободное тепловое расширение. Выполнение поверхностей нагрева из отбельных блоков позволяет осуществить его модульную компановку.

Для определения площади поверхности каждого из элементов КУ проведем сначала последовательный расчет необходимых параметров:

среднелогарифмических температурных напоров и коэффициентов теплопередачи.

Для расчёта принимаются следующие величины:

Длина оребренной трубы:

Ширина модуля:

Трубы с круглыми ребрами.

Рис. 4. Котёл-утилизатор вертикальной компоновки.

6.1. Расчет площади живого сечения для прохода газов в КУ

Поверхность гладкой трубы:

Боковая поверхность ребра:

Внутренняя торцевая поверхность ребра:

Внешняя торцевая поверхность ребра:

Число оребренных труб одного ряда:

Поверхность нагрева одного ряда труб блочного пакета:

Поверхность теплообмена оребрённой трубы:

Площадь сечения для прохода газов:

6.2. Определение площади поверхности пароперегревателя

Уравнение теплопередачи ПЕ КУ имеет вид:

Средний логарифмический температурный напор пароперегревателя определяется следующим образом:

Средняя температура дымовых газов в ПЕ:

Определяем скорость газов (из уравнения неразрывности):

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам при омывании шахматных пучков труб с поперечным оребрением:

По номограмме 26 [4] определим значение при скорости газов , шаге между ребрами труб , а также при отношениях:

Относительный поперечный и относительный продольный шаг труб равны соответственно:

Определим коэффициенты по номограмме 26 [4]:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам равен:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией для перегретого пара определяется по формуле:

По рис. 6 [5] определяю и , рассчитав для этого:

- внутренний диаметр труб:

- среднее давление и температура перегретого пара соответственно:

Скорость пара в трубках ПЕ примем:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб для перегретого пара определяю по рис. 6 [5]:

По рис.6 [5] определяю поправку:

Окончательно коэффициент теплоотдачи от трубок к пару равен:

Средняя температура стенки:

Трубы пароперегревателя изготовлены из стали 12Х1МФ, коэффициент теплопроводности которой равен:

Коэффициент теплопередачи для пароперегревателя:

Необходимая площадь поверхности нагрева пароперегревателя:

Количество рядов труб пароперегревателя:

Принимаю количество рядов труб:

6.3. Определение площади поверхности испарителя

Уравнение теплопередачи И КУ имеет вид:

Средний логарифмический температурный напор пароперегревателя определяется следующим образом:

Средняя температура газов:

Определяем скорость газов (из уравнения неразрывности):

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам при поперечном омывании шахматных пучков труб с круглыми рёбрами:

По номограмме 26 [4] определим значение при скорости газов , шаге между ребрами труб , а также при отношениях:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам равен:

В испарителе происходит кипение воды, поэтому можно считать коэффициент теплоотдачи от газов к трубам бесконечно большим, следовательно, в расчетах величиной можно пренебречь.

Средняя температура стенки:

Трубы испарителя изготовлены из стали 20, коэффициент теплопроводности которой равен:

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для испарителя:

Из уравнения теплопередачи И КУ определяем площадь поверхности испарителя:

Количество рядов секций по ходу газов в испарителе КУ составит:

6.4. Определение площади поверхности экономайзера

Уравнение теплопередачи ЭК КУ имеет вид:

Средний логарифмический температурный напор пароперегревателя определяется следующим образом:

Средняя температура газов:

Скорость газов (из уравнения неразрывности):

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам при поперечном омывании шахматных пучков труб с круглыми рёбрами:

По номограмме 26 [4] определим значение при скорости газов , шаге между ребрами труб , а также при отношениях:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам экономайзера равен:

Средняя температура воды:

Примем скорость воды в трубках экономайзера:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб для воды определяю по рис. 7 [5]:

По рис.7 [5] определяю поправку:

Окончательно коэффициент теплоотдачи от трубок к воде равен:

Средняя температура стенки:

Трубы экономайзера изготовлены из стали 20, коэффициент теплопроводности которой равен:

Коэффициент теплопередачи для экономайзера:

Необходимая площадь поверхности нагрева экономайзера:

Количество рядов труб экономайзера:

Принимаю количество рядов труб:

6.5 Определение площади поверхности газового подогревателя конденсата

Уравнение теплопередачи ГПК КУ имеет вид:

Средний логарифмический температурный напор пароперегревателя определяется следующим образом:

Средняя температура газов:

Скорость газов:

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам при поперечном омывании шахматных пучков труб с круглыми рёбрами:

По номограмме 26 [4] определим значение при скорости газов

, шаге между ребрами труб , а также при отношениях:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам равен:

Средняя температура воды:

Принимаем скорость воды в трубках ГПК:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб для воды определяю по рис. 7 [5]:

По рис.6 [5] определяю поправку:

Окончательно коэффициент теплоотдачи от трубок к воде равен:

Средняя температура стенки:

Трубы ГПК изготовлены из стали 20, коэффициент теплопроводности которой равен:

Коэффициент теплопередачи для ГПК:

Необходимая площадь поверхности нагрева ГПК:

Количество рядов труб ГПК:

Принимаю количество рядов труб:

6.6 Определение площади поверхности газо-водяного теплообменника

Уравнение теплопередачи ГВТО КУ имеет вид:

Средний логарифмический температурный напор пароперегревателя определяется следующим образом:

Средняя температура газов:

Скорость газов:

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам при поперечном омывании шахматных пучков труб с круглыми рёбрами:

По номограмме 26 [4] определим значение при скорости газов

, шаге между ребрами труб , а также при отношениях:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам равен:

Средняя температура воды:

Принимаем скорость воды в трубках ГВТО:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб для воды определяю по рис. 7 [5]:

По рис.6 [5] определяю поправку:

Окончательно коэффициент теплоотдачи от трубок к воде равен:

Средняя температура стенки:

Трубы ГВТО изготовлены из стали 20, коэффициент теплопроводности которой равен:

Коэффициент теплопередачи для ГВТО:

Необходимая площадь поверхности нагрева ГВТО:

Количество рядов труб ГВТО:

Принимаю количество рядов труб:

Результаты сводим в табл. 4

Таблица 4

Результаты конструкторского расчета котла-утилизатора

Поверхность нагрева
ПЕ
И
ЭК
ГПК
ГВТО

7. Расчет тепловой схемы ПТУ.

Определение внутреннего относительного КПД проточной части ЧВД

Цилиндр турбины условно разбит на две части: ЧВД и ЧНД. За точку разделения принимают давление отбора пара на деаэратор. То есть на давлении отбора пара на деаэратор заканчивается процесс расширения в ЧВД и начинается процесс расширения в ЧНД.

Определяю параметры свежего пара, принимая потери давления в стопорно-регулирующих клапанах ЧВД и потери давления в паропроводах свежего пара соответственно:

Параметры свежего пара перед первой ступенью ЦВД с учётом потерь давления в стопорно-регулирующих клапанах ЧВД и паропроводах свежего пара:

По давлению свежего пара и найденной ранее энтальпии с помощью программы WSP определяем оставшиеся параметры:

При давлении отбора пара на деаэратор и
определяю энтальпию и удельный объём в конце изоэнтропного процесса расширения пара в ЧВД:

Средний удельный объём пара в ЧВД:

Располагаемый теплоперепад ЧВД:

Внутренний относительный КПД проточной части ЧВД определяется по эмпирической формуле:

Параметры пара в конце действительного процесса расширения пара в ЧВД:

Используя программу WSP, по энтальпии и давлению определяем остальные параметры:

Определение внутреннего относительного КПД проточной части ЧНД

Параметры пара в конце процесса адиабатного расширения в ЧНД определяю, зная параметры пара в конце действительного процесса расширения в ЧВД и давление в конденсаторе .

По давлению и энтропии определяю остальные параметры:

Располагаемый теплоперепад в турбине при адиабатном процессе расширения в ЧНД:

Располагаемый теплоперепад в области влажного пара равен располагаемому теплоперепаду в ЧНД:

Коэффициент учёта влияния средней влажности на величину внутреннего относительного КПД турбины принимаю:

Поправочный коэффициент влажности пара:

Объёмный расход пара в конденсатор:

Величину потерь с выходной скоростью определяю по рис. 8 [2]

Внутренний относительный КПД ЧНД:

Действительный теплоперепад пара в турбине:

Параметры пара в конце действительного процесса расширения пара в ЧНД:

По давлению в конденсаторе и найденной энтальпии с помощью WSP находим остальные параметры:

Определение электрической мощности, вырабатываемой паровой турбиной:

Механический КПД и КПД электрогенератора принимаю:

Электрическая мощность, вырабатываемая паровой турбиной:

Таблица 5

Сводная таблица параметров пара в ПТУ

Точка 0
Точка 1t
Точка 1
Точка kt
Точка k

Рис. 5. Процесс расширения пара в h-S диаграмме.