Основные положения. Геометрические размеры топочной камеры выбираются из условия выгорания топлива до рекомендуемых значений механического недожога q4 и охлаждения продуктов сгорания до температуры на выходе из топки S".
Минимальный объем топки V™ин, обеспечивающий выгорание топлива до заданного уровня, равен
Я v
Где QTyv—допустимое теплонапряжение объема топки, кВт/м3; его значение находится из выражения
|
|
Здесь тгор — физическое время горения частиц топлива, с; Т—средняя температура продуктов сгорания в топке. К;’v " — удельный приведенный объем газов, образующийся на единицу тепловыделения в топке, м3/МДж.
Однако объем топки, рассчитанный по (4.31), не гарантирует охлаждение продуктов сгорания до температуры Для
Обеспечения этой температуры необходимо, чтобы теплонап — ряжение объема топки удовлетворяло условию
|
|
Где <7Н—средняя интенсивность теплового потока в топке, кВт/м2; FnT — площадь лучевоспринимаюіцих экранов топки, м2.
В обычной призматической топке с ростом ее мощности уменьшается коэффициент формы топки ), что приводит,
Как это видно из (4.32), к снижению ц°ул. Поэтому в паровых котлах большой мощности теплонапряжение объема получается значительно меньше допустимого по условию горения (<7™Р)- Создать топочные устройства с qv, близкими к ql?p, можно; если предусмотреть мероприятия по повышению интенсивности лучистого теплообмена в объеме топки. Для этой цели применяют установку в объеме топки двусветных экранов или низкоопущенных ширм. Другой путь -— снижение высоких значений температур газов за счет рециркуляции продуктов сгорания в верхнюю часть топки. При этом место ввода рециркуляции выбирается так, чтобы в части топки * до рециркуляции обеспечилось выгорание топлива, а объем рецир — кулируемых газов должен быть достаточным для снижения до заданного значения. Как в первом, так и во втором случае удается выполнить топку с объемом, близким к минимальному, необходимому для выгорания топлива, и снизить металлоемкость котла.
І
Пример 4.14. Определить коэффициент формы топки для топок с одинаковыми объемами VT и площадями поперечного сечения /т, у которых:
A)aT/bT = 4; Б)дт/6т = 2; в)ат/Ьт=.
За основу принять реальный профиль котла по рис. 4.3 с сохранением сечения /т = «, Ьт — 111,3 м3, размера скатов
Холодной воронки, высоты выходного окна. Принять* 1/т = 2550 м3; J/cp = 0,444; уг ловой коэффициент экранов х = 0,96. Определить температуру газов на. выходе из топки для каждого из этих вариантов при сжигании отсевов газовых углей (приложение, табл. П1, топливо № 4).
При проведении расчетов принять: М = 0,48: є = 0,960; 9а = 2013° С; <хг = 1,2; Яр = 19,677 кг/с; ф =.0,9965.
Решение. 1. Определение коэффициентов формы топки. При отношении сторон илЬл — 4 площадь сечения топки при заданном отношении сторон равна F,=4Brb.L=4B2R, откуда
Л, = ч/П7д’4 = 5,275 м;
От = 4-5,275 = 21,1 м.
Для этого случая согласно рис. 4.3 основные размеры топочной камеры примут следующие значения: ширина 21100 мм, глубина 5275 мм, высота холодной воронки 3240 мм, высота ширмового окна 7250 мм, высота от начала выступа до ширм 4900 мм.
1.1. Определяем объем топки. Объем холодной воронки AVx. B = F6^aT, где Г6л — площадь боковой стены холодной воронки, которая считается до середины холодной воронки. При этом половипа высоты холодной воронки 1,62 м, ширина в средней части холодной воронки 2.64 м. При этих размерах получаем площадь боковой стены F6.x = (5,275+ 2,64)-0,5 • 1,62 = = 6,41 м2. Объем холодной воронки А1’х п = 6,41 -21,1 = 135,4 м3.
Объем верхней части топки в районе ширм A VB = F6MBAt. В соответствии с рис. 4.3 при уменьшении ширины топки с 8,64 до 5,275 м глубина газового объема от фронтовой стены до ширм уменьшается с 5,6 до 2,235 м. При сохранении высоты ширм получаем F6 „ = 2,235 • 7,25= 16,20 м. Объем верхней части топки A = 16,20 • 21, 1 = 341,8 м3.
Объем в районе аэродинамического выступа (пережима) под ширмами. Площадь боковой стены этого объема состоит из двух трапеций (аналогично приведенным выше выводам): F6 „ =
— (4,335 + 2,275) — 0,5 • 2,815 + (2,275 + 5,275) — 0,5 • 2,085 = 7,9 м2. Объем топки в районе пережима АУа = 7,9 -21,1 = 166,7 м2.
-Объем призматической части топки Vap = VT — А в — А Кн —
— А Кп = 2550 — 135,3 — 341,8 — 166,7 = 1906 м3.
Высота призматической части топки
Лпр = 1906/(5,275-21,1)=- 17,1 м.
Общая высота топки. HT = 0,5Hx A + Ha + Ha + Hnp — 1,62 + 7,25 + + (2.815 + 2,085) + 17,1 = 30,6 м.
1.2. Определяем размеры поверхности стен: фронтовой стены — Рфр = 31,34-21,1 =661,3 м2; задней стены /^ = 26,33 "21,1 =555,6 м2;
Боковой стены F6 = 30,51 + 5,275 • 17,1 = 120,7 м2; выходного газового окна FOKH=(7,25 + 2,1) • 21,1 = 197,3 м ; расчетное горизонтальное сечение холодной воронки (пс середине высоты холодной воронки) FX B = 2,64 -21,1 = 55,7 м2;
Суммарная поверхность стен FCT = 661,3 +555,6+120,7 х Х2+197,3 + 55,7=1711,3 м2.
1.3. Коэффициент формы ТОПКИ
Fn. rlK= 1642,8/2550= 0,644,
І
Где лучевосприннмающая поверхность экранов
1 iVT = /„* = 1711,3-0,96=1642,8 м2.
Для других вариантов ч отношений ат/Ьт расчет сведен в табл. 4.7.
Таблица 4.7
|
Отношение сторон топки |
|
Стены в холодной во- |
|
Величина’ |
|
111 ирина тошен," м Глубина топки, м Поверхность боковой ронке, м2 Объем холодной воронки, м3 Поверхность боковой стены верхней части топки (до пережима), м2 ^ > Объем верхней части топки (до пережима), м3 Поверхность боковой стены топки в зоне пережима, м2 ) Объем топки в зоне пережима, м3 Высота призматической части топки, м Общая высота топки, м Суммарная поверхность стен топки, м2 Лучевосприннмающая поверхность экранов топки, м Коэффициент формы топки F„.X/FT |
|
574,4 43,02 453,9 11,22 26,5 ‘1170,5 1123,7 |
Таким образом, с уменьшением отношения сторон топки с 4 до 1, т. е. приближением формы Течения топки к квадратной, коэффициент формы топки уменьшается.
2. Определение температуры газов за /топкой.
2.1. При отношении сторон ят//>т=4 в соответствии с данными (приложение, табл. ПЗ, топливо № 2) определяем энтальпии газов Яг, кДж/кг, при а =1,20 по (2.25):
Температура, ЙС ……………………….. 800 1000
Нт при а =1,20 ………………………….. 7779 9946
1200 -1400 2000 2200 12174 14452 21476 24115
Определяем энтальпию газов при адиабатной температуре Эа = 2013° С:
24115 — 21476
£>, =21476 + 2200 2000 (2013 — 2000) = 21 648 кДж/кг.
|
= 11,55 кДж/(кГ • К). |
Определяем среднюю теплоемкость продуктов сгорания. Принимаем температуру газов за топкой 1000° С. Тогда по (4.26)
21 648-9946
Vcr
Ср 2013-1000 Число Больцмана по (4.25)
Во = 0,9965 ■ 19,677 -11,55 • 1017(5,7 0,444 • 1711,3 -22863) = 0,438.
Температура газов на’ выходе из топки по (4,28):
Т= 2286/ [1 + 0,48 (0,960/0,438)0’6 ] = 1292 К; 1292-273 = 1019° С.
Значение Усср можно не уточнять, так как расхождение составляет менее 50° С.
2.2, Для других вариантов отношений ат/Ьг расчет сведен в табл. 4.8.
Таблица 4.8
Величина
Энтальпия газов при температуре Эа = 2013° С, кДж/кг Температура газов на выходе из топки (принимается предварительно), °С
Энтальпия газов на выходе из топки, кДж/кг Средняя. теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг • К) Чи&то Больцмана
Расчетная температура газов на выходе из топки, °С
|
Отношение сторон |
|
|
Ат/Ь — 2 |
«х/*»= 1 |
|
21648 |
21-648 |
|
1090 |
• ИЗО |
|
10949 |
11 394 |
|
11,59 |
11,61 |
|
0,538 |
0,(}43 |
|
1088 |
1147 |
Таким образом, при уменьшении коэффициента — формы топки FnTj VT с 0,644 до 0,441 при сохранении излучательной способности топочной среды єт температура продуктов сгорания повышается с 1019 до 1147° С.
Пример 4.15. В паровом котле энергоблока 800 МВт сжигается березовский бурый уголь (приложение, табл. П1, топливо № 14). Основные размеры топочной камеры согласно рис. 4.4: FT = 34760 м3; FCT = 7092 м2; /іт = 61,9 м; 6т = 18,0м; ят = 31,96м.
Как изменится температура газов за топкой при установке двусветного экрана по всей высоте топочной камеры?
Рис. 4.4. Габаритные размеры топочной камеры кот ли Пи-2650-25.0 В
При проведении расчет он принят ь: />, 126.6 кг/с; избыток воздуха за тонкой 7 = 1,20; адиаоїгі п ю і ампера і уру горения 1850 С: репипкуляпия га — зоІз отсутспіуег: параметр распределения темпера і >р по высоте гонки М = 0,486; коэффициент излучения юпочной камеры в исходном варианте 0.06,0: ере, цний кооффици — 0,446: коэффпипеп і сохранения
Єн г эффективности экранов vi^. іеплотьг (р = 0,998.
Решение. 1. Определяем температуру газов за топкой в исходном варианте.
|
1 ОГК) 120!) 1400 16(H) 1800 2000 9154 11214 13321 15466 17641 19837 |
1.1. Средняя теплоемкость продуктов сгорания в югже. Из приложения (табл. ПЗ) находим энтальпии газов //,, кДж/кг, при а =1,20 для ожидаемых температур в гонке:
-V с…………………..
//, при ч = 1.20 ……
|
|
|
|
|
Cj сэ; І
|
|
Сі |
|
ЛЛЛ/ |
Энтальпия продуктов сгорания (при адиабатной температуре 0-а=1850′ С) Яа=18 190 кДж кг. Принимаем температуру газов за топкой 1080 С, при этой темпера і vpe пол vчаем Н'[ = 9978 кДж/кг. гогда
|
18 ОЧ’ — 9978 ! 850 1080 |
|
V |
|
Tp |
10,665 кДж (кі Кг
1.2. Температура газов на выходе из І С Варианте. Чшло Больцмапа
Во = 0.998 • 126,6 • ! 0.665 • 101! /(5,7 0,446 • 7092 -2123 ) = 0.781. При этом значения Во получаем
І, -2123/ j 1,f 0,486(О,*V0/0.781 )0-6 ] = П70 К;
0; — 1370- 273 = 1097 С и Н ; = IО 135 кДж/кг.
2. Определяем температуру газов за тонкой в варианте с установкой двусветного экрана.
|
В исходном |
2.1. Поверхность стен тонки увеличивается гш поверхность двусветного экрана:
|
V F |
|
СТ~ |
|
7092 + 2175,0 = 9262 |
= [18,0 • 56,0 + (18.0 + 9.0)- 0,5-5,9)] 2 =2175 м2;
Г ■
2.2. Эффективная толщина излучающею слоя топки
.у = 3,6 ■ 34 760/9267 = 13,5 м.
2.3. Средний коэффициент эффективности стен
Vj/д., = vj/, — 0,05 = 0,45 — 0,05 — 0,40:
0,446-7092 + 0.40-2175
Vj/t. p =———————————— —0,435.
Y р 9267
2.4. Коэффициент излучения топочной камеры. В соответствии с 4.1 при температуре газов за топкой 1000 С є., =0,942.
2.5. Средняя теплоемкость продуктов сгорания. Принимаем.+,’-1000 С. при этом И'[ = 9154 кДж/кг,
18 190 —9] 54
Vccv =—————————— = 10,63 кДж/(кг • К).
Р 1850-1000 м
2.6. Температура газов за топкой при наличии двусветного экрана. Число Больцмана Во = 0,611;
Г.’/= 2123/ [1 + 0,486 (0,942/0,611 )0"6 ] = 1302 К;
0’/ = 1302 — 273 = 1029 С и Я’/ = 9419,5 кДж/кг.
Таким образом, установка в топочной камере одного двусветного экрана снизила температуру продуктов сгорания за топкой на 68 С, а ее тепловосприятие возросло
21 648-9419,5 в — —=1,06 раза.
21648-10 135 F
Пример 4.16. Какой должна быть температура продуктов сгорания в сечении топки до места ввода рециркуляции в верхнюю ее часть, чтобы при г = 0,2 обеспечить на выходе из топки заданную температуру 9"?
При расчетах принять: топливо — промежуточный продукт газовых углей Донецкого бассейна, расчетную температуру продуктов сгорания на середине выходного газового окна 1100° С, избыток воздуха на выходе из топки до ввода рециркуляции ат = 1,20, продукты сгорания отбираются на рециркуляции за экономайзером при избытке воздуха аотб = 1,20 и температуре &рц = 400и С.
Для решения задачи принять энтальпии газов //,, кДж/кг, при температурах, близких к и &рц:
[4, С:
1000 1200 1400 400
//г при а= 1,20 и отсутствии рециркуляции… 8855 10472 12434 3174 Н, при а= 1,20 и рециркуляции г = 0,20 …………………………………………………… 10 266 12 566 14920
Решение. 1. Определим энтальпию продуктов сгорания до смешения с газами рециркуляции. По закону смешения
Я,+ гЯг>рц = Яг см.
Из этой зависимости получаем
Н [ Н I. СМ ‘ ^ г, рц •
Используя табличные значения энтальпий при 1 І00 С и otT = 1,20 с учетом рециркуляции 0,2 Нг см = 0,5 (10266+ І 2 566) = = 11416 кДж/кг, энтальпия газов рециркуляции /7г. рп = = 3174 кДж/кг. По полученным значениям //г. см и //r pu находим энтальпию продуктов сгорания до смешения:
/Уг =11416 -0,20 • 3174 = 10 781 кДж/кг.
2. Определяем температуру продуктов сгорания до смешения с газами рециркуляции:
= 1200 + 10781~104—(1400-1200)= 1231 С.
12 434 — 10472
Таким образом, ввод тазов рециркуляции в количестве 20% позволяет снизить общую температуру тазов на 131 С. Следует, однако, добавить, что конструктивно выполнить полное смешение продуктов сгорания сложно и поэтому газы рециркуляции вводятся перед выходным сечением у нижнего обреза ширм. При этом несколько ухудшится эффективность работы экранов верхней части топки и в связи с этим реальное изменение температуры продуктов сгорания будет несколько меньше.
Пример 4.17, Насколько можно уменьшить высоту и объем топки, если в верхнюю ее часть ввести рециркуляцию газов г = 0,15 при температуре газов в отборе ЭопГ~ 380 С и избытке воздуха аотб= 1,20. Для расчета принять топку парового котла Е-500-13,8. (D= 138,9 кг/с, /пе = 560′ С)* при сжигании отсевов газовых углей (приложение, табл. Ш, топливо. N"9 2), которая имеет следующие характеристики: площа чь сч en FC1 — 1301,6 м2; коэффициент сохранения теплоты ср = 0,9965; средняя тепловая эффективность экранов i|/cp = 0.444; коэффициен т излучения топки єг = 0,960; параметр распределения температур по высоте топки М=0,48; расход топлива 19,677 кг/с: адиабатная температура горения (при избытке у, — 1&а=1958г’С: температура газов за топкой $"=1102° С при средней теплоемкости продуктов сгорания Vccp~ L 1,604 кДж/(кг-К); объем топки Кг = 2550 м3 при глубине топки /?т = 8,64 м и ширине по фронту ат= 16,08 м.
Решение. Используя данные табл. ПЗ для данного топлива, получаем следующие исходные значения энтальпий газов f/r. кДж/кг:
3, С………… 200 400 1000 1200 1400 1600 1800 2000
IIг при а =1,20
И г — 0 ……. 1796 3690 9946 12 174 14452 16 7( 5 19 109 21426
То же при % — 1,20
И г—0,15 ….. — — 11437 14000 16 619
1. Определяем темпера гуру газов за топочной камерой в исходном варианте. Число Больцмана Во = 0.9965 ■ 19,677 х х і 1,604 • і011 (5.7 • 0.444 ■ 1301,6 ■ 22313) • 0.622; температура газов на выходе из юпки
7"! = 2231 / [1 f 0,48 (0.960/0,622)° 6 ] = 1375 К (1102 С).
2. Определяем энтальпию продуктов сгорания за топкой при <хт = 1,2 и рециркуляции газов 0,15 при сохранении &"=] 102" С:
14 000- И 437
Я,,см = 11 437 + |:ш( |00|Г (1 102- 1000) — 12 744 кДж/кг.
3. Определяем энтальпию газов рециркуляции:
3690 — 1796
// … 1796 f ———————— — (380-200) — 3501 кДж/кг.
■ри 400-200 м ‘
4. Определяем энтальпию продуктов сгорания до смешения с потоком рециркулируемых газов:
// г = //, ,.v — ,//, ru = 12 744 ~0,15 • 3501 = 12 219 кДж/кі.
І і ри ос—= ! ,20 значении. Я., соответствует температура продуктов сгорания за топкой
12 219 — 12 174
О;; = 1200+— ~ (і400-1200) = 1204 с.
14 452-12 174
5. Определяем необходимую поверхность стен топки для обеспечения температуры ■ 1204 С. Предвари тельно находим полезное тепловыделение в ІОПКЄ Q-, , соответствующее адиабатной температуре горения Оа = 1958 С и ат = 1,2:
= Г/ 109 4- —(1958 — Iо00)= 20979 кДж/кг.
2000-1X00
JІучистое тепловосприятне экранов топки
Qn — (Q, — и) ф — (20 979 — 12219) 0,9965 — 8729 кДж/кг. По (4.29)
F„ = 19.677 8729 / [5.7 • 1011 • 0,960 • 0,444 • 0,48 (1204 + 273) х
/ ] ■ ^ чі 2 * 2231 ‘)і,1 — 1 — 936 м’. 1 0,482 1477 /
Проверяем полученные значения:
Во = 0.9965 ■ 19,677 • 11,604 1011 /(5.7 0,444 — 936 ■ 223 і 3) = 0,865;
Т'[ = 2231 / [1 + 0,48 (0,960/0,865)°-* ] = 1477 К;
О;’ =1477-273= 1204 С.
6. Определяем изменение высоты и объема топки:
1301,6-936
2 (от + 6т) 2(16,08 + 8,64) Изменение объема топки ДКт = ат£тД/гт= 16,08 • 8,64 -7,1 =986 м3.
ЗАДАЧИ
Задача 4.13. Определить, как изменяется- коэффициент формы топки Fa J У7 с увеличением мощности паровых котлов. В качестве примеров принять топочные камеры котлов для сжигания мазута и газа ПО «Красный котельщик» Е-500-13,8 ГМ (£>= 138,9 кг/с, гпе=560° С), Е-670-13,8 ГМ (D= 186,1 кг/с, гпе= 545/545° С), Пп-1000-25 ГМ ф= 277,8 кг/с, tm = 545/545° С). При решении задачи принять следующие исходные данные:- для котла Е — 500-13,8 ГМ — конфигурацию топки по рис. 4.5, для котла Е-670-13,8 ГМ по рис. 4.1, для котла Пп-1000-25 ГМ по рис. 4.6.
|
Д/- |
|
ДЛ, |
|
^ 25900 |
|
Рис. 4.5. Топочная каМера котла Е-500-13,8 ГМ |
|
Рис. "4.6. Схема топочной камеры котла Пп-1000-25,0 ГМ с ширмами на выходе из топки |
Задача 4Л4. Как изменится поверхность стен призматической топочной камеры при установке в ней шести низкоопущенных ширм высотой 15,0 и шириной 2,0 м из труб 032 мм, шагом 45 мм? В исходном варианте
топка имеет" объем VT — 2750 м3, лучевоспринимающую поверхность экранов F = 1388 м2. Как изменится отношение F / V ‘!
Л. Т Л. Т’ I
Задача 4.15. Как изменится высота топки по сравнению с примером 4.16, если в ней по всей высоте установить один (вариант 1) и два (вариант 2) двусветных экрана при условии сохранения температуры продуктов сгорания за топкой, равной 1097° С? Основные данные для расчета принять по примеру 4.16. Как увеличится при этом коэффициент формы топки?
Задача 4.16. Как изменится температура продуктов сгорания за топкой при верхнем вводе рециркуляции газов? Топливо—кузнецкий уголь СС (приложение, табл. П1, топливо № 6), исходная температура газов за топкой 9" = 1200 С, избыток воздуха за топкой ат=1,20, газы отбираются при том же избытке воздуха и температуре 350е С. Получить снижение температуры газов при рециркуляции 5; 10 и 15% и вывести примерную зависимость снижения температуры на 1% рециркуляции.
Задача 4.17. Температурное поле сечения выходного окна топки имеет Значительную неравномерность. Условно можно выделить шесть зон по ширине фронта топки с температурами в каждой соответственно 1150, 1200, 1250, 1250, 1200, 1150° С при. равномерном распределении массы газов по зонам. Какие доли рециркуляции надо ввести в каждую зону для выравнивания температур газов на уровне 1150° С? Принять топливо — нерюнгринский уголь СС (приложение, табл. П1, топливо № 16), избыток воздуха за топкой и в месте отбора аотб= ат= 1,20, температура газов рециркуляции 400° С. Определить усредненную долю рециркуляции продуктов сгорания в верхнюю часть топки.
Задача 4.18. Получить габаритные размеры топки при разных вариантах конструкции и использовании рециркуляции газов при сохранении температуры продуктов сгорания за топкой 1088" С. Расчетные варианты: 1) в топке только настенные экраны; 2) в топке настенные экраны и один двусветный экран по всей высоте; 3) в топке настенные экраны и рециркуляция газов в верхнюю часть в количестве 10%. Конструкцию топки принять по примеру 4.15 по варианту с отношением сторон aTjbT = 2, данные для расчетов принять по этому же примеру, принять отбор газов на рециркуляцию при аОТб= 1,20 и температуре 400 С.
Задача 4.19. Для котла паропроизводительностью 138,9 кг/с определить превышение необходимого объема топки над минимально необходимым по условиям выгорания при выполнении экранов настенными (вариант 1) и выполнении экранов настенными с одним двусветным экраном по всей высоте топки (вариант 2). Условия задачи принять по примеру 4.14, ширина топки 16,08 м, глубина 8,64 м, поверхность боковой стены 198 м2, Fcr= 1301,6 м2. Допустимое тепловое напряжение топочного объема qv= 162,8 МВт/м2.