ТГУ-1. Теплогенерирующие установки и их классификация.

ТГУ – производит тепловую энергию, используя химическую энергию органического топлива в виде насыщенного или перегретого пара, горячей воды, горячего воздуха и др. теплоносителя. Основным оборудованием ТГУ являются теплогенераторы, т.е. агрегаты вырабатывающие тепловую энергию – это парогенератор, водогрейные и комбинированные котлы. Котлом считается резервуар и трубы, заполненные водой. К трубам и резервуару подводится теплота сгоревшего топлива, в рез-те получаем горячую воду (водогрейный котел) или пар (парогенератор). Устройство, имеющее топку для сжигания топлива, обогреваемое продуктами горения топлива, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного и используемого вне самого устройства, называют паровым котлом. Устройство, служащее для получения горячей воды при давлении, большем атмосферного, называют водогрейным котлом.

Теплообменные устройства: Водяной экономайзер предназначен для подогрева питательной воды, поступающей в парогенератор. Нагрев воды происходит с помощью продуктов сгорания, которые покидают парогенератор. В воздухоподогревателе за счет уходящих продуктов сгорания топлива происходит подогрев воздуха. Воздухоподогреватель и водяной экономайзер называют хвостовыми поверхностями нагрева. Пароперегреватель для превращения сухого насыщенного пара в перегретый. Комплекс всех этих теплообменных устройств называют котельным агрегатом (парогенератором). В соответствии с ГОСТ парогенераторы классифицируются по характеру движения воды:

-парогенераторы с естественной циркуляцией, вырабатывающие насыщенный и перегретый пар; -пароген-ры с естественной циркуляцией, вырабатывающие перегретый пар и имеющие промежуточный пароперегреватель; -прямоточные парогенераторы, вырабатывающие перегретый пар и имеющие промежуточный пароперегреватель.

По типу парогенераторы : -вертикально-цилиндрические; -вертикально-водотрубные, которые могут иметь горизонтальную и вертикальную ориентацию.

Схема ТГУ. ПН -питательный насос; ВЭ –водяной экономайзер; ВБ (НБ) –верхний (нижний) барабан; 1-теплогенератор, 2-угольный ящик, 3-дутьевой вентилятор, 4-водоподготовительная установка, 5-газоходы, 6-дымосос, 7-золоуловитель, 8-дымовая труба, 9-шлаковый канал, 10-золовой канал, 11-топливное хозяйство.

ТГУ-3. Основное и вспомогательное оборудование теплогенерирующей установки.

Комплекс устройств включает в себя основное и вспомогательное оборудование. К основному оборудованию относят: паровые, водогрейные котлы. Устройство, предназначенной для получения пара с давлением выше атмосферного, наз.паровым котлом. Устройство, для получения горячей воды при давлении, большем атмосферным, наз водогрейным котлом.

Парогенератор содержит элементы: топочную камеру с горелками, экранные и конвективные поверхности нагрева, водяной экономайзер, воздухоподогреватель и пароперегреватель. Топочная камера предназначена для организации и завершения сжигания топлива и для передачи теплоты к поверхностям нагрева. Поверхности нагрева от способа передачи теплоты делят на лучевоспринимающие и конвективные. Лучевоспринимающие расположенные в топочной камере, наз. экранами. Конвективные в которых тепло от продуктов сгорания передаётся путем соприкосновения. Водяной экономайзер предназначен для подогрева питательной воды, поступающей в парогенератор. Нагрев воды происходит с помощью продуктов сгорания, которые покидают парогенератор. В воздухоподогревателе за счет продуктов сгорания происходит подогрев воздуха. Воздухоподогреватель и водяной экономайзер называют хвостовыми поверхностями нагрева. Пароперегреватель для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.

Вспомогательное оборудование включает в себя следующие комплексы:

1. топливное хозяйство. 2. подачу окислителя в топку. 3. система удаления дымовых газов. 4. система удаления тв. отходов горения. 5. водоподготовка. 6. система автоматизации измерительные приборы.

Устройства, для подачи и подготовки топлива к сжиганию -топливоподача и топливоприготовление. Установка для нагнетания воздуха необходимого для горения – дутьевой вентилятор. Оборудование для удаления очаговых остатков топлива- шлако и золоудаление. Установка для отсоса продуктов сгорания топлива из установки –дымасос. Установка для отвода дымовых газов – дымовая труба. Устройство для подготовки воды , очистка от вредных примесей –оборудование для химической очистки и деаэрации. Насосы которые делают давления воды больше, чем давление в котле и подают её в котлоагрегат –питательные насосы.

ТГУ-7. Аэродинамика газовоздушного тракта. Ародинамические сопротивления.

Нормальная работа котла только при условии непрерывной подачи в топку воздуха и удаления в атмосферу продуктов сгорания после их охлаждения и очистки от твердых частиц. Подача воздуха и отвод продуктов сгорания обеспечиваются путем реализации газовоздушных систем с естественной и искусственной тягой. В системе с естественной тягой (применяется в котлах малой мощности с невысокими аэродинамическими сопротивлениями по газовому тракту) сопротивления движению воздуха и продуктов сгорания преодолеваются и счет разности давлений воздуха, поступающего в топку, и продуктов сгорания, удаляемых через дымовую трубу в атмосферу. В этом случае весь газовоздушный тракт котла находится под разрежением. Если в котле есть экономайзер и воздухоподогреватель и его сопротивление по газовому тракту превышает 1000 Па, систему газовоздушного тракта оборудуют дополнительными вентиляторами для ввода воздуха в топочный объем котлоагрегата и дымососом для удаления из котла продуктов сгорания. В котельном агрегате с уравновешенной тягой воздушный тракт работает под избыточным давлением, а газовый тракт — под разрежением; в этом случае дымосос обеспечивает разрежение в топке, равное 20 Па. В этой схеме вентиляторы создают давление воздуха 2500 — 5000 Па, а дымососы — разрежение 3000 — 4500 Па.

Движение продуктов сгорания и воздуха рассматриваем как движение вязких жидкостей, имеющих турбулентный характер и происходящих при изменении температуры. При движении продуктов сгорания, обладающих вязкостью, возникает сопротивление, препятствующее их движению. На их преодоление затрачивается часть энергии, которой обладает движущийся поток жидкости. Возникает сопротивлении, силами трения движущегося потока о стенки канала и возрастают внутренние трения в потоке, при появлении на его пути различных препятствий.

Аэродинамическое сопротивление какого-либо участка тракта складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений. Для парогенераторов и водогрейных котлов добавляется сопротивление поперечно омываемых пучков труб.

Сопротивление трения возникает при движении потока в прямом канале постоянного сечения, в продольно омываемых трубных пучках и в пластинчатых поверхностях нагрева.

Для изотермического потока (при постоянной плотности и вязкости протекающей среды) сопротивление трения (Па) определяется по формуле

где — коэффициент сопротивления трения, зависят от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса; l — длина канала, м; — скорость протекающей среды, м/с; d, — эквивалентный (гидравлический) диаметр, м; р — плотность протекающей среды, кг/м³.

Эквивалентный (гидравлический) диаметр подсчитывается по формуле

, где F — площадь живого сечения канала, м², U — полный периметр сечения, омываемый протекающей средой, м.

Местные сопротивления (Па) рассчитываются по формуле

, где — коэффициент местного сопротивления,

зависит от конфигурации фасонной части газопровода.

Расчетная скорость продуктов сгорания определяется по формуле

, где V — расход продуктов сгорания или воздуха, м³/ч;

F — площадь живого сечения газохода или воздуховода, м².

Самотяга в газоходе возникает вследствие разности плотностей окружающего воздуха и продуктов сгорания. Самотяга (Па) любого участка газового тракта, а также дымовой трубы при искусственной тяге вычисляется по формуле

где H- расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечения данного участка, м; 1,21 кг/м ³— плотность воздуха при температуре 20 С.

Самотяга может быть как положительной, так и отрицательной. Если продукты сгорания движутся снизу вверх, самотяга положительна, т. е. будет создавать дополнительный напор, который можно использовать для преодоления сопротивлений. При движении продуктов сгорания сверху вниз (как это имеет место в опускных газоходах) самотяга будет отрицательной, т. е. для ее преодоления потребуется дополнительный напор.

Сопротивления всего газового или воздушного тракта определяется как сумма сопротивлений всех последовательно расположенных участков.

ТГУ-4. Обоснование необходимости обработки воды для теплогенерирующей установки. Докотловая обработка воды.

Обработка воды необходима для обеспечения бесперебойной и экономичной работы котла. Наличие примесей в питательной воде приводит к образованию отложений на поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов и к нарушению их нормальной работы, ухудшению качества пара и воды и к интенсивному протеканию коррозионных процессов, которые могут вывести из строя оборудование. Такую воду использовать для питания тепло генератора нельзя, при высокой температуре и давлении взвешенные вещества и катионы жёсткости образуют на внутренней поверхности труб накипь. Накипь имеет низкую теплопроводность: термическое сопротивление стенки трубы резко возрастает, теплопроводность уменьшается, наружная стенка трубы может разорваться и возникнет течь. Растворённые в воде газы могут вызвать внутреннюю коррозию труб, которая также может привести к трещинам.

Докотловая обработка воды. 1) Удаление механических и коллоидных примесей (осветление, осуществляется фильтрованием и отстаиванием воды). Примеси различают по крупности: Грубодисперсные (механич.) с размером частиц >0,0001 мм; коллоидные примеси 0,0001-0,000001 мм. Они могут быть удаленны путем отстаивания, коагуляции и фильтрования. Отстаивание происходит в отстойниках, длительность зависит от плотности частиц, величины и формы. После отстаивания вода подвергается фильтрованию. Фильтрование: воду пропускают через слой мелкозернистого материала (мрамор, антрациты, доломит, кварцевый песок- размер частиц 0,6-1 мм) которыми заполнены закрытые напорные фильтры.

1.Взвешенные вещества до 50 мг/л, используются механические фильтры с одним слоем фильтрата (механический фильтр).

2.Взвешенные вещества до 100мг/л. Применяют механические фильтры с двухслойной загрузкой. Механические фильтры обладают грязеёмкостью 1 кг/м³ загрузки, когда перепад давления воды на фильтре увеличивается до 0,1 МПа по сравнению с начальным, тогда фильтр промывают и на его место ставят промытый.

3 .Взвешенные вещества более 100 мг/л. Применяют метод осветления. Оборудование состоит из осветлительных баков и последующих механических фильтров. Осветлительный бак имеет большое поперечное сечение так, что при заданном расходе воды, скорость её движения не большая, поэтому частицы выпадают вниз и не выносятся с потоком. Обычно осветление сопровождается процессом известкования и коагуляции.

Коагуляция. Коагуляцией называется процесс образования в воде хлопьев коагулянта и осаждение с помощью этих хлопьев мелких частиц примесей. Коагулянтами являются вещества, которые в воде образуют способные к осаждению хлопья. Коагулянты: Al₂(SO₄)*18H₂O, при PH=6,5-7,5;сернокислый алюминий, FeSO₄*7H₂O, железный купорос, FeCl₃, хлорное железо при РН=4-10.

Химическая реакция образования коагулянтов требует температуры воды не менее 25-30С, чтобы ускорить слипание и осаждение хлопьев, добавляют флокулянты (например, поликриламит).

Известкование. В осветлителях используется реакция осаждения с использованием известкового молока (Ca(OH)₂) с целью выведения из воды углекислого газа, снижение солесодержания и щёлочи. При известковании температура воды должна быть не ниже 40-42С.

2.Умягчение воды, методом ионного обмена

В водном растворе присутствуют возникшие в результате диссоциации заряженные частицы ионы: Катионы (положительные); Анионы (отрицательные);

Наиболее вредными являются катионы жёсткости Ca²⁺, Mg²⁺.

Обработка воды методами ионного обмена основана на пропуске исходной или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионообменного материала, практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. Материалы, обладающие свойством обменивать катионы, называются катионитами, а материалы, обладающие свойством обменивать анионы — анионитами. Чтобы получить нужную ионную форму ионита, проводят регенерацию.

Катиониты при регенерации их растворами NaC1, H₂SO₄, NH₄Cl образуют натриевую, водородную или аммонийную формы, которые условно обозначаются: NaR, HR, NH₄R. При пропуске обрабатываемой воды, содержащей катионы Ca²⁺, Mg²⁺. через отрегенерированный катионит, протекают реакции обмена ионов Ca²⁺, Mg²⁺. на ионы H⁺, Na⁺, NH₄⁺, содержащихся в катионите; этот процесс называется катионированием.

3.Удаление газов из воды. Деаэрация воды.

В воде растворены естественные газы и газы попадающие в воду в результате технологической обработки O₂, CO₂, Cl₂, NH₄ и другие ведут к коррозии технологического оборудования. Они должны быть удалены из питательной и сетевой воды. Существует много способов удаления газов из воды: химические; электрические; термические.

Дешевле всего термический способ и он наиболее часто применяется. Существует атмосферная термическая деаэрация, которая проходит при p=0,12МПа, t=104,4С (температура кипения). А также вакуумная термическая деаэрация, которая осуществляется при рвакратм, т.е. вода кипит при температуре от 40-80С, для этого в деаэраторе создаётся вакуум.

Сущность термической деаэрации заключается в установлении равновесия между жидкой и паровой фазами в соответствии с законом Генри, согласно которому концентрация газа, растворенного в воде, пропорциональна парциальному давлению этого газа над поверхностью воды. Закон Генри выражается формулой: G =к р _г, где G — концентрация газа, растворенного в воде, мг/л; к — коэффициент растворимости газа в воде при значении парциального давления газа над водой 0,1 МПа; р _г— парциальное давление газа над поверхностью воды, МПа. Коэффициент растворимости газа при одном и том же давлении зависит от температуры, он тем меньше, чем выше температура. Для полного удаления газа из воды необходимо, чтобы парциальное давление газа над водой равнялось нулю. Это состояние может быть достигнуто при кипении воды, т.е. когда парциальное давление паров воды повысится до давления, поддерживаемого в деаэраторе, а температура воды станет равной температуре насыщения. Процесс деаэрации затормозится, если переходящие в пар газы не будут вместе с паром постоянно отводится из зоны, где происходит их десорбция из воды.

Существуют деаэраторы атмосферного давления, вакуумные деаэраторы и деаэраторы повышенного типа, с темп. более 100С.

ТГУ-9. Использование искусственной тяги в теплогенераторах.

При искусственной тяге разряжение в топке и газоходах создается за счет работы дымососа, а подача воздуха производиться вентилятором.

При значительном снижении темпер.уходящих продуктов сгорания и больших аэродинамических сопротивлений, применяют специальные механизмы, с помощью которых осуществляется уравновешенная искусственная тяга. При этом способе для преодоления сопротивлений воздушного тракта и подачи воздуха устанавливают дутьевые вентиляторы. Преодоление аэродинамических сопротивлений по всему газовому тракту котла и удаление продуктов сгорания в атмосферу производится дымососами. Они создают во всех газоходах разрежение, минимальная величина в верхней части топочной камеры около 20 Па. Благодаря разрежению в котельных агрегатах создаются благоприятные санитарно-технические условия. Основным назначением дымовой трубы явл. отвод продуктов сгорания в атмосферу на высоту, определяемую противопожарными и санитарно-гигиеническими требованиями. Давление вентилятора должно обеспечить преодоление всех сопротивлений воздушного тракта от входного патрубка вентилятора до топки, включая её сопротивления и учитывая самотягу. Эти сопротивления должны быть меньше на величину разряжения вверху топки, создаваемого дымососом (на 20-40 Па.). Искусственную тягу применяют в промышленных котлах производительностью более 2 т/ч.

ТГУ-10. Тепловой баланс теплогенератора. Располагаемая теплота, полезная теплота. КПД теплогенератора.

Тепловой баланс теплогенератора. Вся теплота поступившая в котел расходуется на выработку полезной теплоты и на покрытие потерь теплоты. Q_p^p - располагаемая теплота, cуммарное количество теплоты, поступившее в котел, кДж/кг или кДж/м³. Между поступившей и покинувшей теплотой должно быть равенство. Тепловым балансом котла называют равенство располагаемой теплоты сумме полезной теплоты и потерь теплоты, которые есть при работе агрегата. Составляется к установившемуся тепловому режиму котла. Q₁— полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воде, кДж/кг или кДж/ м³, ∑Q_i; — сумма всех потерь теплоты в котле, кДж/кг или кДж/ м³. ∑Q_i= Q₂ +Q₃ +Q₄ +Q₅ +Q₆

Потери теплоты в котле состоят из потерь теплоты с уходящими газами (Q₂), потерь от химической неполноты горения (Q₃), от механической непол- ноты горения (Q₄), от наружного охлаждения (Q₅), потери тепла с физической теплотой шлака (Q₆).

Q₂ объясняется тем, что температура продуктов сгорания, покидающих агрегат, выше температуры окружающего атмосферного воздуха. Q₃ появляется при наличии в уходящих продуктах сгорания горю-

чих газов СО, Н₂, СН₄, т. е. при неполном горении. Q₄ появляется только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках, кроме золы топлива, твердых горючих частиц. Q₅ происходит потому, что обмуровка, имеет температуру выше температуры окружающего воздуха.

Q₆ обусловлена тем, что шлак, удаляемый из топки, имеет высокую температуру. Вода, охлаждающая балки и панели нагревается до определенной температуры, и если она сбрасывается в канализацию, то теряется заметное количество теплота.

Потери теплоты в котле выраженные в процентах располагаемой теплоты:

, тогда

где q₂-q₆ -соответствующие потери теплоты, выраженные в процентах располагаемой теплоты.

Тепловой баланс составляется по результатам испытаний котла, что позволяет проанализировать эффективность использования сжигаемого топлива.

Коэффициентом полезного действия (КПД) котла, называют отношение полезной теплоты к располагаемой теплоте. Не вся полезная теплота идет к потребителям. Часть её в виде пара и электрической энергии расходуется на собственные нужды. Под расходом на собственные нужды понимают расход всех видов энергии на производство пара или горячей воды. Различают КПД брутто и нетто. Если КПД определяется по выработанной теплоте, то его называют брутто, если по отпущенной теплоте нетто. Разность между ними представляет собой расход на собственные нужды. КПД брутто агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД нетто — коммерческую экономичность.

КПД брутто можно определить по уравнению прямого баланса:

%

или по уравнению обратного баланса, если известны все потери:

%

Определяют КПД по уравнению прямого баланса при отчетности за длительный промежуток времени (декада, месяц), а по уравнению обратного баланса — при испытании котельных агрегатов (точнее).

Надо стремиться к снижению тепловых потерь, а также сокращать расход тепловой и электрической энергии на собственные нужды. Поэтому сравнение экономичности работы различных котельных агрегатов следует производить по их КПД нетто.

ТГУ-8. Использование естественной тяги в теплогенераторах.

Естественная тяга- это такая тяга, при которой разрежение в топке и газоходах создается дымовой трубой, из-за этого под действием разности давлений (окружающего воздуха и продуктов горения) в топку поступает воздух, необходимый для горения.

Подача воздуха и отвод продуктов сгорания в котлах малой мощности осуществляются за счет естественной тяги, создаваемой дымовой трубой. Она возможна при высоких температурах продуктов сгорания, которые могут преодолеть небольшие сопротивления (50 — 60 Па) газовоздушного тракта. Поэтому использование естественной тяги ограничивается установками малой мощности без хвостовых поверхностей нагрева.

В сечении I-I дымовой трубы где входят продукты сгорания

создается давление воздуха, с плотностью .Внутри дымовой трубы продукты сгорания, которые тоже оказывают давление на сечение I-I,с плотностью . Давление столба воздуха на сечение I-I соответствующее высоте трубы Н, будет Нq , а продуктов сгорания Нq , q-ускорение свободного падения, м/с² . Плотность продуктов сгорания меньше плотности окруж. воздуха. Следовательно на сечении I-I будет действовать разность давлений, которая создает тягу. Определение тяги (Па)

. Тяга создаваемая дымовой трубой, тем больше, чем больше высота трубы и разность плотностей воздуха и продуктов сгорания. Разность будет возрастать с увелич.темп.продуктов сгорания в дымовой трубе и уменьш-ем темп.окруж.воздуха.