При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, площадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур. Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным перекрытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых -- колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.

Полная площадь поверхности стен топки (F CT ) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на элементарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих экранов и освещенной длины труб.

1. Определение площади ограждающих поверхностей топки

В соответствии с типовой обмуровкой топки котла ДКВР-20-13, которая показана на рисунке 4, подсчитаем площади ограждающих её поверхностей, включая поворотную камеру. Внутренняя ширина котла равна 2810 мм .

Рисунок 4. Схема топки котла ДКВР-20 и её основные размеры

При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, пло-щадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур. Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным пере-крытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых -- колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы ниж-ней части объема камерных то-пок принимается под или услов-ная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.

Полная площадь поверхности стен топки (FCT) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на эле-ментарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих экранов и освещенной длины труб.

1. Определение площади ограждающих поверхностей топки

В соответствии с типовой обмуровкой топки котла ДКВР-10-13, которая показана на рисунке 4, подсчитаем площади ограждающих её поверхностей, включая поворотную камеру. Внутренняя ширина котла равна 2810 мм .

Рисунок 4. Схема топки котла ДКВР-10 и её основные размеры

где - расстояние между осями крайних труб данного экрана, м;

Освещенная длина экранных труб, м.

Боковые стены,

Передняя стена;

Задняя стена;

Две стены поворотной камеры;

Под топки и поворотной камеры

Общая площадь ограждающих поверхностей

2. Определение лучевоспринимающей поверхности нагрева топки

Таблица 4 - Основные данные по определению лучевоспринимающей поверхности нагрева

Освещенная длина труб экрана l, мм

Расстояние между осями крайних труб экрана b, мм

Площадь стены покрытая экраном, Fпл, м2

Диаметр экранных труб d, мм

Шаг экранных труб S, мм

Расстояние от оси трубы до стены е, мм

Относительный шаг экранных труб S/d

Относительное расстояние от оси трубы до стены e/d

Угловой коэффициент экрана

Лучевоспринимающая поверхность нагрева Нл, м2

Передние

Первый ряд котельного пучка
  • 2600х2

Общую лучевоспринимающую поверхность нагрева топки определяют как сумму отдельных составляющих

При конструировании топочной камеры ста­вится ряд условий, которым она должна удовле­творять. Во-первых, топочная камера должна обес­печить в пределах ее объема наиболее полное сжигание топлива, так как за пределами топки горение топлива практически невозможно (допу­стимая неполнота сгорания топлива обоснована в гл. 6). Во-вторых, в пределах топочной каме­ры должно произойти охлаждение продуктов сго­рания за счет отвода теплоты к экранам до эко­номически целесообразной и безопасной темпера­туры. на выходе из топочной камеры по услови­ям шлакования или перегрева металла труб. В-тре­тьих, аэродинамика газовых потоков в объеме то­почной камеры должна исключать явления шлако­вания стен или перегрева металла экранов в от­дельных зонах топки, что достигается выбором ти­па горелок и их размещением по стенам топоч­ной камеры.

Геометрически топочная камера характеризу­ется линейными размерами: шириной фронта ат, глубиной 6Т и высотой hT (рис. 5.2), размеры ко­торых определяются тепловой мощностью топки, Рис. 5.2. Основные раз - тепловыми и физико-химическими характеристика - меры топочной камеры, ми топлива. Произведение /т = ат6т, м2, есть сече­ние топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7-12 м/с) проходят раскаленные топочные газы.

Ширина фронта тонки паровых котлов электростанций составляет аг = 9, 5 - г - 31 м и зависит от вида сжигаемого топлива, тепловой мощности
(паропроизводительности) парового . С увеличением мощности паро­вого котла размер ат растет, но не пропорционально росту мощности, ха­рактеризуя таким образом увеличение тепловых напряжений сечения топки и скорости газов в ней. Оценочно ширину фронта ат, м, можно определить по формуле

Шф£)0"5, (5.1)

Где D - паропроизводительность котла, кг/с; гпф - числовой коэффициент, изменяющийся от 1,1 до 1,4 с ростом паропроизводительности.

Глубина топочной камеры составляет 6Т = б - f - 10,5 м и определяется размещением горелок на стенах топочной камеры и обеспечением свободно­го развития факела в сечении топки так, чтобы высокотемпературные языки факела не оказывали давление на охлаждающие настенные экраны. Глуби­на топки возрастает до 8-10,5 м при использовании более мощных горелок с увеличенным диаметром амбразуры и при их расположении в несколько (два-три) ярусов на стенах топки.

Высота топочной камеры составляет hT = 15 - 65 м и должна обеспе­чить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах то­почной камеры и размещение на ее стенах требуемой поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температу­ры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

Кор = ^гтпреб, (5.2)

Где Wr - средняя скорость газов в сечении топки, м/с; тпреб - время пре­бывания единичного объема газа в топке, с. При этом необходимо, чтобы тпреб ^ Тгор, где тГОр - время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива, с.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых кот­лов является тепловая мощность топки, кВт:

Вк0т = Вк(СЗЇ + 0дОП+СЗг. в), (5.3)

Характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжига­нии расхода топлива Вк, кг/с, с теплотой его сгорания кДж/кг и с учетом дополнительных источников тепловыделения (Здогъ а также теплоты посту­пающего в топку горячего воздуха QrB (см. гл. 6). На уровне расположения горелок выделяется наибольшее количество теплоты, здесь расположено ядро факела и резко растет температура топочной среды. Если отнести все тепловыделение в растянутой по высоте топки зоне горения к сечению топ­ки на уровне горелок, то получим важную расчетную характеристику - тепловое напряжение сечения топочной камеры.

Максимально допустимые значения qj нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составля­ют от 2 300 кВт/м2 - для углей, обладающих повышенными шлакующими свойствами, до 6 400 кВт/м2 - для качественных углей с высокими темпе­ратурами плавления золы. С ростом значения qj увеличивается температура факела в топке, в том числе вблизи настенных экранов, заметно увеличива­ется тепловой поток излучения на них. Ограничение значений qj определя­ется для твердых топлив исключением интенсивного процесса шлакования настенных экранов, а для газа и мазута - предельно допустимым ростом температуры металла экранных труб.

Характеристикой, определяющей уровень энерговыделения в топочном устройстве, является допустимое тепловое напряжение топочного объема, qv, кВт/м3:

Где VT - объем топочной камеры, м3.

Значения допустимых тепловых напряжений топочного объема также нормируются. Они изменяются от 140 - г 180 кВт/м3 при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 180 - f - 210 кВт/м3 при жидком шлакоудале - нии. Величина qy прямо связана со средним временем пребывания газов в топочной камере. Это следует из нижеприведенных соотношений. Время пребывания единичного объема в топке определяется отношением факти­ческого объема топки с подъемным движением газов к секундному расход­ному объему газов:

273£ТУГ "

Тїіреб - Т7 = -------- ------ р. О)

Кек BKQ№aTTr

Где - усредненная доля сечения топки, имеющая подъемное движение газов; значение £т = 0,75 - г 0,85; - удельный приведенный объем газов, получающийся при горении топлива на единицу (1 МДж) тепловыделения, м3/МДж; значение = 0, 3 - f 0, 35 м3/МДж - соответственно крайние значения при сжигании природного газа и сильновлажных бурых углей; Ту - средняя температура газов в топочном объеме, °К.

С учетом выражения (5.5) значение тпрсб в (5.6) можно представить следующим образом:

Где тТ - комплекс значений постоянных величин.

Как следует из (5.7), с увели­чением теплового напряжения qy (увеличением объемного расхода газов) время пребывания газов в топочной камере уменьшается (рис. 5.3). Условию Тпреб = Тгор со­ответствует максимально допусти­мое значение qy, а этому значе­нию по (5.5) отвечает минимально допустимый объем топочной каме­ры кмин.

Вместе с тем, как это указа­но выше, экранные поверхности то­почной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки что достигается опреде­лением необходимых размеров стен и, следовательно объема топочной камеры. Поэтому нужно сопоставить минимальный объем топки V^Mmi из условия сгорания топлива и необходимый объем топки из условия охла­ждения газов до заданной температуры

Как правило, Утохя > VTmm, поэтому высота топочной камеры опреде­ляется условиями охлаждения газов. Во многих случаях эта необходимая высота топки существенно превосходит ее минимальную величину, соот­ветствующую V7",H, особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции котла.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометриче­ских размеров топки можно достичь применением двусветных экранов (см. рис. 2.5), расположенных внутри топочного объема. В топочных ка­мерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близ­ким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напря­жений экранов. Однако такой экран, в отличие от настенного, воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название - двусвет­ный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.

Тепловосприятие топочных экранов, полученное излучением факе­ла QJU кДж/кг, можно установить из теплового баланса топки, как разность между удельным полным тепловыделением в зоне ядра факела на уровне расположения горелок без учета отдачи теплоты к экранам, QT, кДж/кг,
и удельной теплотой (энтальпией) газов на выходе из топки Н" при от­даче (потере) небольшой части теплоты во вне через теплоизолирующие стены Опот:

Qn = Qr - Н" - Qhot = (QT ~ , (5.8)

Где (/? = (5л/(<2л + <2пот) - ДОЛЯ сохранения теплоты в топке (см. п. 6.3.4). Ес­ли отнести значение Qn к единице поверхности экрана, то получим среднее тепловое напряжение поверхности нагрева, qn, кВт/м2, характеризующее интенсивность тепловой работы металла труб экранов:

Где FC3T - поверхность стен топки, закрытая экранами, м2.

Поверочный расчет топочной камеры заключается в определении действительной температуры дымовых газов на выходе из топочной камеры котлоагрегата по формуле:

, о С (2.4.2.1)

где Т а – абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К;

М – параметр, учитывающий распределения температур по высоте топки;

- коэффициент сохранения теплоты;

В р – расчетный расход топлива, м 3 /с;

F ст – площадь поверхности стен топки, м 2 ;

- среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

- степень черноты топки;

Vc ср – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м 3 топлива в интервале температур
, кДж/(кг К);

– коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м 2 К 4).

Для определения действительной температуры , предварительно задаемся ее значением в соответствии с рекомендациями
. По принятой температуре газов на выходе из топки и адиабатической температуре сгорания топлива О а определяем тепловые потери, а по принятой - излучательные характеристики газов. Затем по известным геометрическим характеристикам топочной камеры получаем расчетным путем действительную температуру на выходе из топки.

Поверочный расчет топки проводим в следующей последовательности.

Для принятой предварительно температуры
определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 2.2.1
.

Полезное тепловыделение в топке подсчитываю по формуле:

КДж/м 3 (2.4.2.2)

где Q в – теплота, вносимая в топку воздухом: для котлов не имеющих воздухоподогревателя определяется по формуле:

, кДж/м 3 (2.4.2.3) кДж/м 3

Q в.вн. – теплота, внесенная в котлоагрегат с поступающим в него воздухом, подогретым вне агрегата: принимаем Q в.вн = 0, так как воздух перед котлом КВГМ-30-150 в рассматриваемом проекте не подогревается;

rH г.отб. – теплота рециркулирующих продуктов сгорания: принимаем rH г.отб. = 0, так как конструкцией котла КВГМ-23,26-150 рециркуляция дымовых газов не предусматривается

Теоретическую (адиабатную) О а температуру горения определяем по величине полезного тепловыделения в топке Q т = Н а.

По таблице 2.2.1 при Н а = 33835,75 кДж/м 3 определяем О а = 1827,91 о С.

Определяем параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки (х т) при сжигании газа по формуле:

, (2.4.2.4)

где
, (2.4.2.5)

где Н г – расстояние от пода топки до оси горелки, м;

Н т – расстояние от пода топки до середины выходного окна топки, м;

Для котла КВГМ-23,26 расстояние Н г = Н т, тогда х т = 0,53.

Коэффициент тепловой эффективности экранов определяем по формуле:

, (2.4.2.6)

где - коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятие экранов вследствие загрязненности или закрытия изоляцией поверхностей; принимаем
;

х – условный коэффициент экранирования; определяем по номограмме , при S = 64мм, d = 60мм, S/d = 64/60 =1,07, тогда х = 0,98;

Определяем эффективную толщину излучающего слоя в топке:

, м (2.4.2.7)

где V т, F ст – объем и поверхность стен топочной камеры, м 3 и м 2 . Определяем по конструкторской документации на котел КВГМ-23,26-150.

V т = 61,5 м 3 , F ст = 106,6 м 2 ;

Коэффициент ослабления лучей для светящегося пламени складывается из коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (к r) и сажистыми частицами (к с) и при сжигании газа определяется по формуле:

,
(2.4.2.8)

где r п – суммарная объемная доля трехатомных газов: определяется из таблицы 2.1.2.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами k r определяем по формуле:

,
(2.4.2.9)

где р п - парциальное давление трехатомных газов;

, МПа (2.4.2.10)

где р– давление в топочной камере котлоагрегата, работающего без продувки: р = 0,1 МПа, ;

- абсолютная температура газов на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами определяем по формуле:


,
(2.4.2.11)

Где соотношение содержания углерода и водорода в рабочей массе топлива: для газового топлива принимается:

, (2.4.2.12)

Степень черноты факела (а ф) для газообразного топлива определяется по формуле:

где а св – степень черноты светящейся части факела, определяем по формуле:

(2.4.2.14)

а r – степень черноты несветящихся трехатомными газами, определяется по формуле:

; (2.4.2.15) m– коэффициент, характеризующий долю топочного объема заполненного светящейся частью факела.

Определяем удельную нагрузку топочного объема:


, кВт/м 3 (2.4.2.16)

тогда m = 0,171 .

Степень черноты топки при сжигании газа определяется по формуле:

(2.4.2.17)

Классификация

Технологии сжигания органических топлив

По способу сжигания топлива:

  • слоевые;
  • камерные.

Слоевые топки в свою очередь классифицируют:

  • По расположению относительно обмуровки котла:
    • внутренние;
    • выносные.
  • По расположению колосниковых решеток:
    • с горизонтальными решетками;
    • с наклонными решетками.
  • По способу подачи топлива и организации обслуживания:
    • ручные;
    • полумеханические;
    • механизированные.
  • По характеру организации слоя топлива на решетке:
    • с неподвижной колосниковой решеткой топлива ;
    • с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива;
    • с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива (перемещение слоя топлива вместе с колосниковой решеткой).

Камерные топки разделяют:

  • По способу удаления шлака:
    • с твердым шлакоудалением;
    • с жидким шлакоудалением:
      • однокамерные;
      • двухкамерные.

Слоевая топка

Слоевая топка

Топки, в которых производится слоевое сжигание кускового твердого топлива , называются слоевыми. Эта топка состоит из колосниковой решетки , поддерживающей слой кускового топлива, и топочного пространства, в котором сгорают горючие летучие вещества. Каждая топка предназначена для сжигания определенного вида топлива . Конструкции топок разнообразны, и каждая из них соответствует определенному способу сжигания. От размеров и конструкции топки зависят производительность и экономичность котельной установки .

Слоевые топки по характеру организации слоя топлива на решетке разделяются на три класса:

  • С неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива ;
  • С неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива;
  • С движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива (перемещение слоя топлива вместе с колосниковой решеткой).

В зависимости от степени механизации подачи топлива и удаления шлака слоевые топки разделяются на:

  • топки с ручным обслуживанием (ручные топки);
  • полумеханические;
  • полностью механизированные;

Камерная топка

Камерная топка

Камерные топки применяют для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. При этом твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в специальных пылеприготовительньгх установках - углеразмольных мельницах, а жидкое топливо - распылено на очень мелкие капли в мазутных форсунках. Газообразное топливо не требует предварительной подготовки.

Характеристика топки

Тепловые характеристики топки

Количество топлива, которое можно сжечь с минимальными потерями в данной топке для получения необходимого количества тепла, определяется размерами и типом топочного устройства, а также видом топлива и способом его сжигания. К качественным показателям работы топочного устройства относится величина потерь тепла вследствие химической неполноты сгорания и механического недожога . Численное значение этих потерь для различных топочных устройств различно; оно также зависит от вида топлива и способа его сжигания. Так, для камерных топок величина колеблется от 0,5 до 1,5%, для слоевых - от 2 до 5%(потери тепла); при камерном сжигании топлива составляет 1-6%, при слоевом 6-14%(недожог).

Конструктивные характеристики топки

Основными конструктивными показателями топки являются:

  • Объем топочной камеры (м 3);
  • Площадь стен топки (м 2);
  • Площадь, занимаемая лучевоспинимающей поверхностью (м 2);
  • Площадь променесприймальнои поверхности (м 2);
  • Степень экранирования стен топки;
  • Коэффициент тепловой эффективности топки.

Теплообмен в топке

В топке одновременно происходят горение топлива и сложный радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей ее средой и поверхностями нагрева .

Источниками излучения в топках при слоевом сжигании топлива являются поверхность раскаленного слоя топлива, пламя горения летучих веществ, выделившихся из топлива, и трехатомные продукты сгорания С0 2 , S0 2 и Н 2 О.

При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени, образующиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания. При горении в факеле распыленного жидкого топлива излучение частиц топлива незначительно.

При сжигании газа источниками излучения являются объем его горящего факела и трехатомные продукты сгорания. При этом интенсивность излучения факела зависит от состава газа и условий протекания процесса горения.

Наиболее интенсивно излучает теплоту пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлива. Менее интенсивно излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы, наиболее слабым оказывается излучение трехатомных газов. Двухатомные газы практически не излучают теплоты. По интенсивности излучения в видимой области спектра различают:

  • светящийся
  • полусветящийся
  • несветящийся факелы.

Излучение светящегося и полусветящегося факела определяется наличием твердых частиц-коксовых, сажистых и золовых в потоке продуктов сгорания . Излучение не-светящегося факела - излучением трехатомных газов. Интенсивность излучения твердых частиц зависит от их размера и концентрации в топочном объеме. По удельной интенсивности излучения коксовые частицы приближаются к абсолютно черному телу, но при сжигании пыли твердого топлива их концентрация в факеле мала (примерно 0,1 кг/м 3) и поэтому излучение коксовых частиц на экраны топки составляет 25-30 % суммарного излучения топочной среды. Золовые частицы заполняют весь топочный объем, концентрация их зависит от зольности топлива. Тепловое излучение золовых частиц в факельных топках составляет 40-60 % суммарного излучения топочной среды. Сажистые частицы образуются при сжигании мазута и природного газа. В ядре факела они имеют высокую концентрацию и обладают большой излучательной способностью. Излу-чение трехатомных газов, заполняющих объем топочной камеры, определяется их концентрацией и толщиной объ¬ема излучения.

Доля излучения трехатомных газов составляет 20-30 % суммарного излучения. В газомазутных топках условно разделяют длину факела на две части:

  • светящуюся
  • несветящуюся

Интенсивность излучения ядра факела мазута в 2-3 раза выше, чем ядра факела при сжигании пыли твердого топлива. Тепловосприятие экранов топки определяется интенсивностью излучения топочной среды и тепловой эффективностью экранов. Увеличение интенсивности излучения среды топки повышает падающий на экраны тепловой поток. Снижение тепловой эффективности экранов уменьшает их тепловосприятие.

Литература

  • Киселев Н.А. Котельные установки. - Москва: Высшая школа, 1979. - 270 с.
  • Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленнх предприятий. - Москва: Энергия, Энергоотомиздат, 1988. - 528 с. - 35000 экз. -