Методика расчета газовых котлов ИКЗ с многопоточной схемой движения теплоносителя

УДК 620. 9

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГАЗОВЫХ КОТЛОВ ИКЗ С МНОГОПОТОЧНОЙ СХЕМОЙ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

МОШКАРИН А.В., д-р техн. наук, ШЕЛЫГИН Б.Л., канд. техн. наук, ЗАЙЧИКОВ В.Н., инж.

Представлены особенности методики поверочно-конструкторского расчета водогрейных котлов Ижевского котельного завода с многопоточной схемой движения теплоносителя и использованием в качестве топлива природного газа. Оперативно определяются оптимальная компоновка энергоустановки, размеры отдельных элементов поверхностей нагрева, металлозатраты на их изготовление и экономические показатели котла.

Ключевые слова: водогрейные котлы, тепловая нагрузка котла, металлозатраты, поверхность нагрева.

CALCULATION METHOD OF IBP GAS BOILERS WITH MULTICURRENT HEAT-TRANSFER AGENT SCHEME MOVEMENT

A.V. MOSHKARIN, Ph.D., B.L. SHELYGIN, Ph.D., V.N. ZAJCHIKOV, engineer

This paper is devoted to the peculiarities of check-design calculation method of IBP ("Izhevsk Boiler Plant") hot-water boilers with multicurrent heat-transfer agent scheme movement and using natural gas as fuel. The authors have determined optimal power unit arrangement, sizes of heating surface separate elements, steel cost for their production and boiler economic indicators.

Key words: hot-water boilers, boiler heat load, steel cost, heating surface.

За период 2000-2005 гг. Ижевским котельным заводом (ИКЗ) проведена разработка и налажен выпуск водогрейных котлов мощностью 0,63-2,03 МВт (0,54-1,75 Гкал/ч), сжигающих в качестве топлива природный газ [1]. Все модификации данных котлов собираются из секций экранов, изготавливаемых из труб диаметром 159*4,5 мм при спиралеобразном движении воды [2].

На основании предварительного анализа и выявленных недостатков [3] рекомендован вариант котла с многопоточной схемой движения теплоносителя [4]. Над топочной камерой горизонтально расположены три экрана с шагом 220 мм. Характер омывания труб данных поверхностей нагрева газами - продольно-поперечный. Последними конвективными поверхностями в газовом тракте котла являются вертикальные экраны, размещенные за топочной камерой в газоходах с подъемно-опускным движением продуктов сгорания. Шаг между задними экранами рекомендовано сократить с 330 до 260 мм [3, 5].

В результате проведенных расчетных исследований [6] установлены особенности наиболее эффективной компоновки предложенной конструкции котла [4] и данное техническое решение может быть рекомендовано на ближайшую перспективу. Поэтому целесообразна разработка методики расчета котла, позволяющей легко и быстро провести поверочно-конструктор-ский расчет энергоустановки. При этом оперативно, без использования специальных тепловых расчетов, возможно определение значений отдельных поверхностей нагрева, расхода металла на их изготовление, экономических показателей (КПД котла и расход топлива) и текущих значений температур газов. В настоящее время в условиях рыночных отношений обязательно должны приниматься во внимание климатическая обстановка в данном регионе, загруженность оборудования в течение года и стоимость топлива.

Исходными данными для расчета конкретной установки являются:

• тепловая нагрузка котла Ок, МВт;

• теплота сгорания природного газа Онс, МДж/м3;

• цена топлива по месту эксплуатации установки Цт, руб/м3;

• цена металла по месту изготовления установки Цм, руб/м3;

• число часов использования максимума тепловой нагрузки Тмакс, ч;

• средняя температура наружного воздуха ^нар, соответствующая использованию максимума тепловой нагрузки, °С.

При номинальных значениях температур сетевой воды на входе и выходе из энергоустановки соответственно 70 и 95 °С расход воды через котел равен, т/ч, D = 34,48 Ок.

Как в поперечном, так и в продольном сечении все модификации котла имеют одинаковый профиль и отличаются только габаритами (количеством и длиной труб в каждом экране) в зависимости от номинальной тепловой нагрузки Ок (рис. 1).

махе

= 8

J

О

е о

о щ

о

QQOOQOOQQ

14 0Й

Й

OOOOOOQQOO О О О О

В о Ш

а. = 1 »а

Рис. 1. Профиль поперечного сечения топочной камеры котла при максимальном значении его единичной тепловой мощности

В случае постоянства значений шагов труб горизонтальных и вертикальных экранов (Эг = 200 мм, Эв = 220 мм) при снижении единичной тепловой мощности котла количество труб в горизонтальных экранах Иг предлагается снижать ступенчато от 10 до 9 и 8 (табл. 1). Тогда количество труб в вертикальных экранах Ив = Иг - 2 (рис. 2).

Ширина и высота горизонтальных и вертикальных экранов, соответственно, равны, м: а = 0,2 - 1); в = 0,22 ^ - 1).

При наружном диаметре труб 159 мм площадь поперечного сечения топочной камеры рассчитывается по формуле, м2, Рт = а в - 0,02 ^ + 2в) + 0,06.

Для обеспечения нормальных значений теплового напряжения топочного пространства [7] значения глубины топочной камеры предложено принимать в зависимости от номинальной тепловой нагрузки котла (рис. 2), м:

• при Ок < 0,93 МВт ¿т = 2 + 0,69 (Ок - 0,63);

• 0,93 < Ок < 1,16 МВт 1т = 2,2;

• 1,44 < Ок < 1,74 МВт £т = 2,4;

• Ок > 1,74 МВт £т = 2,4 + 0,69 (Ок - 1,74).

2,4

2,0 10

V ~ - -Л

\ 2

0,4

о,г

1,2

1,6

2,0 2,4

О к, МВт

2. Изменение глубины топочной камеры и количества

в экранах в зависимости от номинальной тепловой на-

грузки котла: 1 - число труб в горизонтальном экране; 2 - чис-

ло труб в вертикальном экране

Рис. труб

при О < 50 т/ч В,

1,69 - 21,0 • 10-3 (50 - Р)1'06

он

Р > 60 т/ч

В

2,69 - 23,5 • 10-3 (80 - Р)106

он

Расчетное значение теплового напряжения топочного объема (ру = ВмОнс / Ут) не должно превышать предельной величины, равной 400 кВт/м3 [7].

На основании предварительных исследований [8] по условию равномерного распределения продуктов сгорания на выходе из топочной камеры и повышения эффективности тепловосприятия наружной поверхности экранов длина газоотводящих щелей между трубами потолочного экрана принимается согласно зависимостям длины щелей между трубами потолочного экрана от их номера (рис. 3).

1,50

1,25

1,0

0,75

0,5

0,25

1 у-У /

2 М/

У

4 П 5

После определения величины 1Т объем топочной камеры равен Ут = Рт 1т. Расчетные значения конструктивных характеристик топочных камер различных модификаций котла сведены в табл. 1.

Зная расход воды Р, проверка правильности определения объема топочной камеры оценивается по значениям максимальных расходов топлива с использованием следующих зависимостей,

м3/с:

Рис. 3. Изменение длины щелей между трубами потолочного экрана для отвода газов из топочной камеры в зависимости от ее номера по отношению к оси симметрии топки и номинальной нагрузки котла: 1 - 0,63 МВт; 2 - 0,93 МВт; 3 - 1,16 МВт; 4 - 1,44 МВт; 5 - 1,74 МВт; 6 - 2,03 МВт; 7 - 2,32 МВт

Таблица 1. Конструктивные характеристики топочных камер в зависимости от номинальной тепловой нагрузки котлов различных модификаций

Наименование характеристик

Номинальная тепловая мощность Ок, МВт

0,63

0,93

1 ,1 6

1,44

1,74

2,03

2,32

Число труб в горизонтальных экранах Шаг труб в горизонтальных экранах Бг, м Ширина горизонтальных экранов а, м Число труб в вертикальных экранах Шаг труб в вертикальных экранах БВ, м Высота вертикальных экранов в, м Ширина и высота амбразур горелок, м Поперечное сечение топочной камеры РТ, Глубина топочной камеры м Объем топочной камеры УТ, м3_

8 0,2 1,4 6 0,22 1,1 0,5 1,32 2,0

2,64

2,2 2,9

1,6 7

1,32 1,85

4,06

0,72

2,4 4,44

10

1,8 8

1,55 2,49

5,99

2,6 6,49

2,8 6,98

9

2

м

Учитывая унифицированный характер поверхностей нагрева всех модификаций котла, соответственно ширины и высоты топочной камеры, принимаются размеры конвективных секций (количество и длина труб), размещаемых в горизонтальных и вертикальных газоходах энергоустановки.

Целесообразность размещения в вертикальном газоходе котла дополнительного конвективного экрана определяется на основании суммарных годовых затрат [9] согласно зависимости, руб10-3,

АЗ = 13,1 + 0,00311 (Цпов - 8750) - 12,4 (Цт - 1,16) -- [7,18 + 6,04 (Цт - 1,16)]- 10"3-(тмакс - 2000), где Цпов - цена поверхности нагрева, руб/м2; Цт - цена топлива, руб/м3; тмакс - число часов использования максимума тепловой нагрузки, ч.

Если величина АЗ примет отрицательное значение, то с учетом суммарных затрат на топливо и изготовление поверхностей нагрева энергоагрегата экономически целесообразно в вертикальном газоходе установить дополнительный конвективный экран. Ориентировочное значение АЗ может быть определено с помощью полученных зависимостей (рис. 4).

25 „____

дЗМ чо3 0

-

-25

20 дЗМ Ч0д

х/-

-30 -—

15

л г) руб Ч0д - -. -

1

-35 —

2000 3000 4000 5000 6000

^макс.час:

Рис. 4. Изменение годовых затрат в зависимости от числа часов использования максимума тепловой нагрузки, стоимости топлива

и поверхностей нагрева:--Цпов = 8750 руб/м2;-----

Цпов = 10500 руб/м2; __ . __ . __ - Цпов = 12250 руб/м2; 1 -Цт = 1,16 руб/м3; 2 - Цт = 1,4 руб/м3; 3 - Цт = 1,6 руб/м3

Таблица 2. Расчетные характеристики отдельных элементов котла с

Заводом ИКЗ все экраны поверхностей нагрева изготавливаются с использованием труб диаметром 159 х 4,5 мм, стальных полос шириной 40 и 60 мм и стальных пластин шириной 200 мм. Количество и длина отдельных элементов зависят от геометрических особенностей конкретного экрана. Расчетные характеристики отдельных секций экранов представлены в табл. 2.

Согласно [8] средняя длина газоотводящих щелей потолочного экрана определяется по формуле, м: _ 0,88 +1,58

Иг -1 .

Количество ребер, устанавливаемых по четыре штуки (двумя парами) по всей длине труб горизонтальных промежуточных экранов с шагом 0,5 м, определяется по формуле 8-^т (Иг - 2).

С использованием расчетных характеристик суммарная длина отдельных элементов рассчитывается по формулам, м:

• при одном промежуточном экране 4р = 4 (7-И - 8) + 0,8-Иг2 - 0,8-Иг +2,4;

¿пол = 1т (6-Иг - 4) - 2 ^щср (Иг - 1) + 0,8Иг2 - 1,8Иг + 2,4;

¿плас = 4,6Иг - 3,36;

1реб = 0,32-4 (Иг - 2).

• при двух промежуточных экранах = 1т (7-Иг - 8) + Иг2 - 0,4-Иг + 2,4;

¿пол = 1т (6-Иг - 4) - 2-^щср (Иг - 1) + Иг2 - 1,6Иг +2,4;

¿плас = 5-Иг - 2,56;

¿реб = 0,32-4 (Иг - 2),

где 1тр - суммарная длина труб, м; ¿пол - суммарная длина полос, м; ¿плас - суммарная длина пластин, м; ¿реб - суммарная длина ребер, м.

Значения расчетных характеристик отдельных элементов (их длина и масса) модификаций котлов представлены в табл. 3. С учетом общей массы элементов поверхностей нагрева тпов масса металлической части отдельных модификаций котла, кг,

1Т1к = Кт тпов,

где Кт - коэффициент, учитывающий дополнительный расход металла на изготовление водоперепускных элементов. Значение коэффициента КТ снижается от 1,05 до 1,03 при повышении номинальной нагрузки установки в пределах Ок = 0,63-2,32 МВт.

схемой движения газов

Наименование экранов Количество элементов Длина элемента

труб полос пластин труб, м полос, м пластин, м

Подовый (или верхний) Иг Иг - 1 2 А 1т 0,2Иг

Потолочный

Боковой Иг - 1 Иг 2 А 0,22

Задний

Таблица 3. Значение расчетных характеристик модификаций котла с многопоточной схемой движения газов при различных номинальных нагрузках

Характеристики Тепловая нагрузка котла Ок при одном промежуточном экране, Тепловая нагрузка котла Ок при двух промежуточных экранах,

МВт МВт

0,63 0,93 1,16 1,44 1,74 2,03 2,32 0,63 0,93 1,16 1,44 1,74 2,03 2,32

^тр, м 143,2 152,8 181 192 223,2 235,6 248 159,2 168,8 200,8 211,8 247,2 259,6 272

Аюл, м 125,4 1331,1 157,6 166,7 193,5 203,8 214,1 139,8 147,6 175,6 182,9 215,5 225,8 236,1

4лас, м 33,4 33,4 38,04 38,04 42,6 42,6 42,6 37,4 37,4 38,04 38,04 47,4 47,4 47,4

^реб, м 3,84 4,23 4,93 5,4 6,1 6,7 7,1 3,84 4,23 4,93 5,4 6,1 6,7 7,1

тТр, кг 2453 2613 3095 3283 3817 4029 4241 2721 2886 3434 3621 4227 4439 4651

т„ол, кг 197 209 247 261 304 320 336 220 231 276 287 338 355 371

тплас, кг 210 210 240 240 268 268 268 236 236 240 240 299 299 299

треб, кг 4,8 5,3 6,21 6,8 7,7 8,4 8,9 4,8 5,3 6,1 6,8 7,7 8,4 8,9

тпов, кг 2865 3037 3688 3791 4397 4625 4854 3181 3358 3956 4155 4871 5101 5330

тк, кг 3008 3189 3731 3943 4529 4764 5000 3340 3526 4114 4321 5017 5254 5490

тк/Ок, т/МВт 4,77 3,43 3,21 2,74 2,6 2,35 2,16 5,3 3,79 3,55 3,0 2,88 2,59 2,37

В случае увеличения номинальной нагрузки котла от 0,63 до 1,74 МВт (в 2,76 раза) металлозатраты возрастают в 1,5 раза. Значения Д-р и ^ол изменяются

ступенчато (рис. 5) с учетом изменения количества труб в горизонтальных и вертикальных экранах (табл. 1). Для интервала 1,74-2,32 МВт с увеличением Ок на 34 % металлозатраты возрастают лишь на 10 %. Значения массы металлической части отдельных модификаций котла тк (рис. 6) пропорциональны общей длине элементов и с увеличением нагрузки энергоустановки в пределах Ок = 0,63-2,32 МВт возрастают от 3000 до 5400 кг. Пользуясь этими зависимостями, можно оперативно определить затраты металла на изготовление поверхностей нагрева конкретной модификации котла. Металлоемкость котла т = тк/Ок с увеличением нагрузки в пределах Ок = 0,63-2,32 МВт снижается от 5,21 до 2,05 т/МВт (рис. 7). Более точное определение расчетных характеристик может быть выполнено с использованием следующих зависимостей:

= е + к (Ок - Оо); 4ол = р + К2 (Ок - Оо); тк = I- + К3 (Ок - Оо); т = М - К4 (Ок - О0)0,95,

где Оо - начальное значение тепловой мощности для отдельной серии модификаций котла, МВт; значения констант Е, Р, — М, К1, К2, К3, К4 зависят от теплопроиз-водительности установки (табл. 4).

Для выполнения аэродинамического расчета газового тракта, анализа температурного режима газохода за котлом необходимы значения температур за топочной камерой и уходящих газов, а так же расхода сжигаемого топлива.

В результате анализа расчетных данных установлено, что при снижении номинальной тепловой мощности котлов Ок расход топлива В изменяется в большей мере (в 1,17-1,4 раза) по сравнению с уменьшением радиационной поверхности нагрева Рст (в 1,061,12 раза). Для диапазона Ок = 0,63-2,32 МВт при теплоте сгорания топлива Онс = 31 МДж/м3 отношение Рст/В возрастает от 29 до 57с-м2/м3, что снижает температуру газов на выходе из топки 9т" [7].

В случае установки дополнительного экрана и изменения температуры наружного воздуха в пределах -40-0 °С отклонение величины 9т" от средних значений составляет 5-10 °С (0,5-1,0 %). Поэтому для инженерных расчетов на стадии проектирования агрегатов температура газов на выходе из топки может определяться согласно зависимости, °С, 9т" = 984 - 77,1 (2,32 - Ок)1,11.

280 - тр.м

• пол

240

200

160

120

о" ** о'у _2/

.г' сг 1/

1 /

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0 2,4 Ок.МВт

Рис. 5. Изменение суммарной длины труб и стальных полос в зависимости от номинальной тепловой нагрузки котла: 1 -

длина труб; 2 - длина полос;--при одном промежуточном экране;------при двух промежуточных экранах

Рис. 6. Изменение массы металла для изготовления поверхностей нагрева котлов в зависимости от номинальной тепловой нагрузки котла:--при одном промежуточном экране; ----- при двух промежуточных экранах

Таблица 4. Значения констант, входящих в зависимости для определения металлозатрат на изготовление отдельных модификаций котла

Наименование характеристик Тепловая нагрузка котла Ок при одном промежуточном экране, МВт Тепловая нагрузка котла Ок при двух промежуточных экранах, МВт

0,63-0,93 1,16-1,44 1,74-2,32 0,63-0,93 1,16-1,44 1,74-2,32

Константа Е для расчета длины труб 143 181 223 159 201 247

Константа Р для расчета длины стальных полос 125 158 194 140 176 216

Константа 1. для расчета металла на изготовление по- 3008 3731 4529 3340 4114 5017

верхностей нагрева

Константа М для расчета металлоемкости котла 4,8 3,1 2,6 5,3 3,6 2,88

Начальные значение тепловой мощности отдельных 0,63 1,16 1,74 0,63 1,16 1,74

серий модификации Оо

Коэффициенты пропорциональности изменения нагрузки:

К1 42,8 42,8

К2 35,5 35,5

К3 811 811

К4 4,4 1,83 0,86 4,4 1,83 0,86

_6

m

т/МБт 5.

i

\

ч . г.

ОС. О

0.4

ОД-

1,2

2.0 2,4

Ок.МВт

Рис. 7. Изменение металлоемкости котла в зависимости от

тепловой нагрузки отдельных модификаций:--при

одном промежуточном экране;------ при двух промежуточных экранах

При снижении тепловой мощности отдельных модификаций котлов за счет пониженных расходов газов и температурных напоров в газоходах за топкой ухудшается тепловосприятие конвективных поверхностей нагрева. Поэтому снижение величины температуры уходящих газов в 3-4 раза меньше, чем снижение значений 9т".

Температура уходящих газов может быть рассчитана согласно зависимостей, °С:

• при одном промежуточном экране 9ух = 187 - 13,6 (2,32 - Ок);

• при двух промежуточных экранах 9ух = 148 - 13,6 (2,32 - Ок).

Несмотря на снижение потери теплоты с уходящими газами р2 на 0,8-1,1 %, за счет роста потери теплоты от наружного охлаждения котла на 3,5-4,0 % при снижении Ок от 2,32 до 0,63 МВт значения КПД котла (брутто) изменяются согласно зависимостям, %:

• при одном промежуточном экране

Пк = 88,15 - 1,54 (2,32 - Ок)1,23 + 0,04 (40 + ^р);

• при двух промежуточных экранах

Пк = 90,1 - 1,54 (2,32 - Ок)1,23 + 0,04 (40 + ^р).

Зная теплоту сгорания природного газа ОнС, с использованием полученного значения Пк требуемый расход сжигаемого топлива можно определить по формуле, м3/с,

В = 100Ок/(ОнСПк).

Предложенная методика позволяет достаточно просто и быстро провести поверочно-конструкторский расчет отдельных модификаций газовых котлов ИКЗ с многопоточной схемой движения теплоносителя [4]. Оперативно, без специальных тепловых расчетов, зная характеристики природного газа и степень загруженности агрегата в течение года, возможно определить оптимальную компоновку энергоустановки, размеры отдельных элементов поверхностей нагрева и металло-затраты на их изготовление.

Список литературы

1. Зайчиков В.Н. Совершенствование конструкций водогрейных котлов Ижевского котельного завода / Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования: Мат-лы IV Рос. науч.-практ. конф. 18-19 нояб. 2005 г.; Под ред. А.В. Мошкарина. - Иваново, 2005. - С. 89-93.

2. Рогачев Р.И. Способ очистки внутренней поверхности трубных полостей. Патент РФ на изобретение №222 88 05. Бюлл №14, 2004 г.

3. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Анализ режимов работы водогрейных котлов Ижевского котельного завода // Энергосбережение и водоподготовка. -2004. - №5. - С. 33-37.

4. Зайчиков В.Н. Водогрейный котел. Патент РФ на полезную модель №43344. 2005 г. Приоритет от 27.09.04.

5. Зайчиков В.Н. Применение расчетной модели для анализа переменных режимов работы водогрейных котлов ИКЗ / Повышение эффективности работы энергооборудования ТЭС: Тр. ИГЭУ. Вып. 7. - М.: Энергоатомиздат, 2004. С. 10-19.

6. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Повышение экономичности модификаций газомазутных водогрейных котлов ПКЗ третьего поколения / Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования: Мат-лы IV Рос. науч.-практ. конф. 18-19 нояб. 2005 г.; Под ред. А.В. Мошка-рина. - Иваново, 2005. - С. 94-97.

7. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Ду-бовского, Э.С. Карасиной. - М.: Энергия, 1973.

8. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Определение оптимальной длины газоотводящих щелей топочных экранов газомазутных водогрейных котлов ИКЗ / Энергосбережение и водоподготовка. - 2006. - № 1. - С. 39-42.

9. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Обоснование оптимальной компоновки конвективных поверхностей нагрева водогрейных котлов Ижевского завода // Энергосбережение и водоподготовка. - 2005. - № 4. - С. 45-48.

Мошкарин Андрей Васильевич,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Шелыгин Борис Леонидович,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 26-99-13, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Зайчиков Виктор Николаевич,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», инженер кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 26-99-13, e-mail: admin@tes.ispu.ru