Курсовая работа: Расчет экономической эффективности установки экономайзера на котельной хлебозавода

1. Исходные данные для расчета

1. Пар для технологических нужд производства имеет давление 1,4 МПа, степень сухости Х= 0,99; его расход Dт=8,6 кг/с;

2. Расход тепла на подогрев сетевой воды Qс=7,1*10³ кДж/с, энтальпия горячей сетевой воды Iгор=394 кДж/кг; энтальпия обратной воды, поступающей из сети Iобр=293 кДж/кг;

3. В котельную возвращается конденсат от технологических потребителей в количестве μ=0,7 от Dт с температурой tк=75°С;

4. Расход пара на собственные нужды и потери внутри котельной составляют dпот=3,1% от расхода пара на технологические нужды и подогрев сетевой воды (Dт+Dс)=D1;

5. Величина непрерывной продувки Рпр= 3,5 % от суммарной паропроизводительности котельной D∑;

6. Степень сухости в расширителе непрерывной продувки Хр=0,98;

7. Потери воды в теплосети ∆Gc составляют 1,5 % от расхода сетевой воды Gc;

8. Температура сырой воды, поступающей в котельную, tсв=6°С;

9. Температура воды перед экономайзером 104 °С;

10. Температура газов перед экономайзером υ¹ух=280°С;

11. Температура газов за экономайзером υ¹¹ух=150°С;

12. Коэффициент избытка воздуха за экономайзером Lэ=1,25;

13. Коэффициент теплоотдачи в экономайзере К=0,0220 кВт/м²*к;

14. Величина присоса воздуха в газоходе экономайзера ∆Lэ=0,1

15. Топливо Газ (Ставрополь): цена за 1 м³=30 руб; плотность S=0,764 кг/м³; низшая теплота сгорания Q^с _н =36090 кДж/м³

2. Расчет принципиальной тепловой схемы

Расход пара Dс на подогрев сетевой воды в пароводяных подогревателях определяем из уравнения:

Qс=Dc*(iроу-Iкп) кДж/кг(1)

Откуда:

кг/с(2)

Из схемы видно, что пар, выходящий из редукционно- охладительной установки (РОУ), имеет параметры: Рроу = 1,2*10⁵ Па = 0,12 МПа и tроу 104°С. Принимая пар за редукционно- охладительной установкой сухим насыщенным, по величине давления Рроу находим значение энтальпии пара: Iроу = 2683 кДж/кг

По величине температуры конденсата на выходе из сетевых подогревателей tкп = 98°С, находим энтальпию конденсата = 4,19*98 = 410 кДж/кг.

Тогда искомый расход пара:

Расход пара на технологические нужды и подогрев сетевой воды составит D₁ = D_т + D_с = 8,6+3,12 = 11,72 кг/с.

Расход пара на деаэрацию питательной воды D_д и на подогрев сырой воды перед химводоочисткой D п.св. приблизительно составляет 5-15 % от D_1.

В данном примере расход пара на вышеуказанные нужды примем равным 10% от D₁ c последующим уточнением. Тогда

D_д + D_псв = 0.1 * D₁ = 0.1 * 11.72 = 1.17 кг/с

Расход острого пара, поступающего в РОУ, равен:

D_роу = D_с + D_д + D_псв = 3,12 + 1,17 = 4,29 кг/с

Суммарное количество пара D∑, которое должны выработать котельные агрегаты, равно:

D = Dт + Dс + Dпсв + Dд + D кг/с(3)

D∑ = 11,72+0,1*11,72+0,03*11,72 = 4,29 кг/с

2.1 Расчет редукционно-охладительной установки (РОУ)

Составим схему РОУ с указанием всех параметров

D¹ _роу =4,29 кг/сек

Р=1,37 МПаI^х =2748 кДж/кг

D_роу = ?

Р_роу = 0,12 МПа G_роу = ?

I_роу = 2683 кДж/кг I_охл = 436 кДж/кг

Рис.1. Схема редукционно-охладительной установки.

Требуется определить количество редукционного пара D_роу с параметрами:

Р_роу = 0,12МПа, t_роу = 104 0С и i_роу = кДж/кг

Для этого из уравнения определяем расход охлаждающей воды Gроу, подаваемой в РОУ.

= кг/с(4)

где энтальпия влажного пара, вырабатываемого котлоагрегатом.

I_x = i¹¹ -(1-x)r = 2788-(1-0.98)*1962 = 2788-19,6 = 2748 кДж/кг

Энтальпия охлаждающей воды, подаваемой в РОУ из деаэратора при t_{m в} = 104 °С

i_охл = 4,19*104 = 436 кДж/кг

Количество редукционного пара, определяемого из уравнения

(5)

= 4,29+0,12 = 4,41 кг/с.

2.2 Расчет расширителя (сепаратора) непрерывной продувки

Изобразим схему расширителя непрерывной продувки с указанием на ней всех известных параметров

(6)

G_пр = 3,5/100*13,24 = 0,46 кг/с

D_p =?G_пр =0,46 кг/с

Х_р =0,98Р=1,37 МПа

i_хр =2638 кДж/кгi_пр =825 кДж/кг

G¹_пр = G_пр- D_p

Р_роу =0,12 МПа

i_р =436 кДж/кг

Рис.2. Схема расширителя непрерывной продувки.

Определяем количество вторичного пара образующегося в расширителе:

(7)

Dр= 0,46*(825-436)/2638-436=0,08 кг/с

Энтальпию продувочной воды i_пр , равную энтальпии кипящей воды в барабане котла при давлении Р=13,7*10 Па, находим по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара. Она равна i_пр =825 кДж/кг.

Энтальпия выходящей из расширителя воды при Р_роу =0,12 МПа составляет i_р =436 кДж/кг

Энтальпия влажного пара в расширителе:

i_хр =i¹¹-(1-Х_р )r=2688-(1-0,98)*2244=2638 кДж/кг

Величина энтальпии насыщенного пара i¹¹ и теплота парообразования r определяется из таблиц по давлению

Р_роу =0,12 МПа.

Количество продувочной воды, вливаемой в продувочный колодец:

G¹пр=Gпр-Dр(8)

G¹пр=0,46-0,08=0,38 кг/с.

2.3 Расчет расходов химически очищенной и сырой воды

Для расчета подогревателей воды необходимо знать количество воды поступающей в деаэратор из водоподогревательной установки (ВПУ) определяются как сумма следующих потерь воды и пара:

Потери конденсата технологическими потребителями

∆Gт=(1-μ)Dт(9)

∆Gт=(1-0,7)*8,6=2,58 кг/с

где μ – возвращаемая доля конденсата.

Потери продувочной воды

G¹пр=0,28 кг/с

потери пара внутри котельной.

(10)

∆Gпот= 3,1/100*11,72=0,36 кг/с

Потери воды в теплосети

(11)

∆Gc=0,015*70,4=1,06 кг/с,

где расход сетевой воды:

(12)

Gc=7,1*10³/399-293=70,4 кг/с

Потерями выпора из деаэратора из-за сложности их определения на данном этапе расчета и относительно малой величины пренебрегаем.

Тогда общее количество химически очищенной воды, поступающей в деаэратор, равно:

Gхво=∆G+G¹_пр +∆ Gпот+=∆Gс(13)

Gхво=2,58+0,38+0,36+1,06=4,38 кг/с

Количество сырой воды, поступающей в водоподогревательную установку из водопровода с учетом затрат воды в самой химводоочистке на взрыхление, регенерацию и отмывку фильтров, принимаем равным: Gсв=1,15*Gхво=4,368*1,15=5,03 кг/с

Расчет пароводяного подогревателя сырой воды

Изобразим схему пароводяного подогревателя сырой воды с указанием на ней всех известных параметров

Dпсв=?

Iроу=2683 кДж/кг

t¹¹_св =25°СG_св =5,03 кг/сек

t_св =6°С

i_кп =436 кДж/кг

Определяем расход пара на подогрев сырой воды в теплообменнике до 25°С по формуле:

(14)

Где Gсв=5,03 кг/с - расход сырой воды;

tсв=6°С - температура сырой на входе в подогреватель;

t¹¹св=25°С - температура сырой на выходе из подогревателя;

iроу=2683 кДж/кг - энтальпия пара после РОУ;

iкп=436 кДж/кг - энтальпия конденсата при давлении греющего пара

Рроу=0,12 МПа

η_п=1 - коэффициент, учитывающий потери тепла подогревателем в окружающую среду.

Тогда искомый расход пара

D_псв =5,03*4,19(25-6)/2683-436=0,17 кг/с

Расчет конденсатного бака.

В конденсатный бак поступает конденсатор технологических потребителей и из пароводяного подогревателя сырой воды (рис.4)

0,7 Dт₁ t_к =70°СD_псв =0,12 кг/сек t_кл =98°С

G_см =?

t_см =?

Суммарное количество конденсата:

G_см = μ *Dт+ D_псв (15)

G_см =0,7*8,6+0,12=6,19 кг/с

Температура смеси t_см конденсата определяется из уравнения:

(16)

t_см =0,7*8,6*75+0,17*98/6,19=75,6°С

Расчет охладителя выпара.

Из схемы видно, что вода из конденсаторного бака поступает в пароводяной теплообменник – охладитель выпара (рис.5). В этом аппарате выпар, поступающий из деаэратора с давлением Р_вып = 0,12 МПа, конденсируется при температуре t_кп =102°С. Конденсат выпара сбрасывается в дренаж, а газы уходят в атмосферу (обозначено флажком).

D_вып =0,03 кг/сек i_вып =2683 кДж/кг

G_см =6,19 кг/сек

t_см =75,6°Сt¹_см =?

i_кл =427 кДж/кг

Для расчета охладителя выпара необходимо знать количество выпара, поступающего в него из деаэратора. По данным ЦКТИ, при деаэрации одной тонны воды выделяется от 2 до 5 кг пара. Примем в данном примере величину выпара 3 кг на тонну воды. Для определения полной величины выпара, необходимо знать количество деаэрированой воды G_д, выходящей из деаэратора. Оно равно суммарному количеству воды и пара, поступающих в деаэратор (рис.6.).

Gд=Dс+Dд+Dр+Gхво+Gсм(17)

Неизвестный в этом уравнении расход пара на деаэрацию питательной воды Dд может быть приближенно найден по величине принятой в начале расчета суммы Dд+Dпсв=1,17 кг/с путем вычитания из нее расхода пара на подогрев сырой воды Dпсв=0,17кг/с

Тогда Dд=1,17-0,17=1 кг/с

Gд=3,12+1+0,08+4,38+6,19=14,77 кг/с

Количество выпара, поступающего в теплообменник:

Dвып=0,003* Gд=0,003*14,77=0,05 кг/с

Температура смеси конденсатов t¹_см на выходе из охладителя выпара находим по формуле:

Где i_вып =2683 кДж/кг – энтальпия выпара на выходе из деаэратора при

Рвып= 0,12 МПа;

I_кп =436 кДж/кг - энтальпия конденсата выпара при том же давлении;

t_см =75,6 - температура смеси конденсатов на входе в охладитель;

η_п =1

t¹_см = (0,04*(2683-427) / 6,19*4,19) + 75,6 = 6,1+75,6 = 79°С чему соответствует энтальпия t¹_см =331 кДж/кг.

Расчет деаэратора.

Для расчета деаэратора, пользуясь принципиальной тепловой схемой котельной, составим его эскиз (выкопировку из схемы) с указанием всех входящих и выходящих потоков

D_вып =0,04 кг/сек D_с =3,12 кг/сек i_кп =410 кДж/кг

i_вып =2683 кДж/кг i_роу =2683 кДж/кг

G_см =6,19 кг/сек D_р =0,08 кг/сек i_см =331 кДж/кгi^х _р =2638 кДж/кг

G_хво =4,38 кг/секG_д =14,33 кг/сек i_хво =105 кДж/кгi_1пв =436 кДж/кг

Составим уравнение теплового баланса деаэратора, рассматривая (по часовой стрелке) сначала входящие в деаэратор потоки, а затем выходящие:

D_с *i_кп +D_д *i_роу +D_р *i^х _р +G_хво *i_хво +G_см *i_см = G_д *i_1пв +D_вып *i_вып (19)

Гдеi_хво =С_в *t¹¹_св =4,19*25=105 кДж/кг – энтальпия химически очищенной воды.

В заключение расчета тепловой схемы котельной необходимо определить уточненный суммарный расход пара на деаэрацию питательной воды D_д и на подогрев сырой воды перед водоподготовительной установкой (ВПУ) D_псв . Он составляет D_д + D_псв =0,96+0,17=1,13 кг/с,

Что близко к ранее принятому значению = 1,17 кг/с; различие величин составляет.

Если уточненный расход пара D_д + D_псв отличается от принятой в начале расчета величины не более, чем на 3-5 %, расчет считаем законченным.

Суммарное количество пара, которое должны выработать котельные агрегаты, составит

D_Σ = D_т + D_с + D_псв + D_д + D₁ кг/с(21)

3. Определение количества котлоагрегатов, устанавливаемых в котельных

Учитывая, что в данной работе график годового расхода пара на производится, при расчете условно принимаем, что максимальная нагрузка на котельную равна суммарной производительности котлов DΣ. Эта величину берем из расчета принципиальной тепловой схемы.

Подбирая производительность и число котельных агрегатов типа ДЕ, руководствуемся следующими соображениями:

а) при выводе из работы одного агрегата остальные должны обеспечивать максимальную потребность в паре DΣ;

б) общее количество котлоагрегатов, не считая резервного парового котла, не должна превышать трех, т.е.

Где D_к.а. – номинальная производительность котлоагрегатов, кг/с.;

в) устанавливаемые котлоагрегаты должны иметь одинаковую номинальную производительность.

Котельные агрегаты типа ДЕ выбираем по таблице по производительности:

Исходя из того, что потребности в паре составляют: DΣ= 13,2 кг/с, выбираем котлоагрегат ДЕ-16-14 в количестве 3 шт. не считая резервного.

4. Тепловой баланс котельного агрегата

Тепловой баланс котельного агрегата составляется для определения его К.П.Д. и расхода топлива при установившемся тепловом состоянии котлоагрегата.

Уравнение теплового баланса:

Q_р ^р =Q₁ +Q₂ +Q₃ +Q₄ +Q₅ +Q₆ кДж/кг, кДж/м³ (22)

Где Q_р ^р – располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³ ;

Q₁ – теплота, полезно воспринятая в котлоагрегате поверхностями нагрева, кДж/кг или кДж/м³ ;

ΣQ_пот = Q₂ +Q₃ +Q₄ +Q₅ – потери теплоты соответственно с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от ухода в окружающую среду;

Q₆ - потери с физической теплотой шлака, кДж/кг или кДж/м³ .

Q_р ^р ≈Q_н ^с , кДж/м³

Q_н ^с – низшая теплота сгорания сухого газа = 36090 кДж/м³ .

Потеря теплоты с уходящими газами Q₂ определяется как разность энтальпии продуктов сгорания на выходе из котельного агрегата уходящих газов (I_ух ) и холодного воздуха (α_ух * I_хв ).

Q₂ = (I_ух -α_ух * I_хв )*(100-g⁴ )/100, кДж/м³ . (23)

Множитель (100-g⁴ )/100, вводится в данную формулу в связи с тем что энтальпия уходящих газов и воздуха определяется для 1 кг действительно сожженного топлива, а не для 1 кг топлива, поступившего в топку.

Энтальпия уходящих газов на 1 кг топлива (I_ух ) подсчитывается по формуле:

I_ух = (I°_ух +(α_ух -1)* I°_в , кДж/м³ .(24)

Здесь:

I_ух =V_{RO 2} *(CV_ух )_СО2 +V°_{N 2} *(CV_ух )_{N 2} + V°_{H 2 O} * (CV_ух )_{H 2 O}

В условияз задана температура газов перед экономайзером т.е. на выходе из котла:

V_ух = 280°С.

По таблице № 4 методических указаний, методом интерполирования определяем энтальпию газов, входящих в формулу:

(CV_ух )_СО2 = 170/100*280 = 476 кДж/м³

(CV_ух )_{N 2} = 130/100*280 = 364 кДж/м³

(CV_ух )_{H 2 O} = 132/100*280 = 367 кДж/м³

Далее определяем объемы газов (V)

А) V_{С O 2} – это объем 3-х атомных газов, например СО₂ ,

V_{С O 2} =0,01866*(28,7%+0,375*2,7)=0,01866*(29,7)= 0,55 м³/кг

Б) V°_{N 2} = 0,79 V°+0.008 N^p – это объем азота уходящих газов

V°_{N 2} =0,79* V°+0,008*0,5%=0,79* V°+0,005

Однако V° - это теоретическое количество сухого воздуха, необходимого для полного сгорания при d=1 газообразного топлива.

V°= 0,0883*29,7+0,583-0,286= 2,92 м³/кг

Тогда: V°_{N 2} =0,79*V°+0,005=0,79*2,92+0,005= 2,9 м³/кг.

Г) находим количество водяных паров в уходящих газах:

V_{H 2 O} =0,111 Н^р +0,0124W^р +0,0161 V°=

=0,111*2,2%+0,0124*3,2%*2,92=0,24+0,397+0,05=0,67 м³/кг.

Находим значение (I°_ух ) по формуле:

I°_ух =0,55*442+2,3*338+0,69*392=243,1+777,4+270,9=1521,4 кДж/кг.

Определяем (I°_хв ) энтальпия холодного газа

Здесь V°=2,92 м³/кг

Удельную теплоемкость воздуха при V_хв =30°С принимаем равной

С = 1,3 кДж/кг К

Отсюда

I°_хв =2,92*1,3*30= 113,9 кДж/кг

Находим (I°_в ) – энтальпия теоретически необходимого воздуха:

I°_в = V°*(CV_ух )_{H 2 O} =2,92*367= 1071,64 кДж/кг.

Далее находим (I_ух ):

I_ух = I° + (α _ух -1)* I°_в = 1521,4+(1-1)*1071,64= 1521,4 кДж/кг.

Определяем значение Q₂ :

Q₂ =( I_ух - α _ух * I°_хв )*(100-g⁴ )/100(25)

Где g⁴ -0% по таблице №5 методических указаний

Q₂ =(1521,4-1*113,9)*(100-0)/100= 15107,5 кДж/кг.

Затем определяем: g₂ = Q₂ / Q_н ^с *100%

Где Q_н ^с =36090 кДж/кг по условию:

g₂ =15107,5/36090*100%= 41 %

g₃ - 1,5 % по условию.

Потеря теплоты теплоагрегатом в окружающую среду (от наружного охлаждения) g₅ для стационарных агрегатов принимается по данным рис.7

g₅ = 2 % для котлоагрегата с экономайзером

g₅ = 1 % для котлоагрегата без экономайзера

g ₆ – потеря теплоты шлака для газообразного топлива пренебрегаем.

После нахождения всех потерь определяем коэффициент полезного действия котлоагрегатов (брутто):

η^бр _ка = g₁ =100-( g₂ + g₃ + g₄ + g₅ ) %(26)

η^бр _кА =100-(41+1,5+0+2)= 55,5 % для котлоагрегата с экономайзером,

η^бр _кА =100-(41+1,5+0+1)= 56,5 % для котлоагрегата без экономайзеа.

Расход натурального топлива находим по формуле:

, кг/с*м³/с(27)

Где D_ка - номинальная производительность котлоагрегата, кг/с;

I_х - энтальпия пара, выходящего из котлоагрегата, кДж/кг;

I_пв - 436 кДж/кг – энтальпия питательной воды на входе в агреагат;

I^кв - энтальпия кипящей воды, кДж/кг.

Энтальпия I^кв находится по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара по величине давления в котле, I^кв =835°С для котлоагрегата с экономайзером для котлоагрегата без экономайзера

С учетом потери g₄ расчетный расход полностью сгоревшего в топке газообразного топлива составит:

, кг/с(28)

для котлоагрегата с экономайзером

для котлоагрегата без экономайзера.

Условный расход топлива определяется из зависимости:

для котлоагрегата с экономайзером

для котлоагрегата без экономайзера.

5. Тепловой расчет водяного экономайзера

Исходные данные для расчета водяного экономайзера:

Для определения температуры воды на выходе из экономайзера от дымовых газов (тепловосприятие экономайзера). Она определяется из уравнения теплового баланса экономайзера:

Q_э =|I¹ _э –I¹¹ _э +∆α_э *V°_в (CV)_хв |*Ч, кДж/м³ (29)

Где I¹ _э =I¹ _ух =3477 кДж/м³ – энтальпия уходящих газов на входе в экономайзера;

I¹¹ _э =I¹¹ _ух =1743 кДж/м³ – энтальпия газов на выходе из экономайзера;

α – коэффициент сохранения тепла, учитывающий потери теплоты экономайзером в окружающую среду.

Ч=(100-g₅ )/100=(100-2)/100=0,98

Q_э =(3477-1743+45,07)*0,98=1743 кДж/м³

Находим энтальпию воды I_2пв выходящей из экономайзера, из выражения:

, кДж/м³ (30)

Где I_1пв – энтальпия воды на входе в экономайзер (на выходе из деаэратора)

= 514 кДж/м³

Из чего находим температуру питательной воды t_2пв на выходе из экономайзера:

, °С(31)

t_2пв = 514/13,7=37°С

т.к. t_2пв t_кип на 37°С, значение t_2пв найдено верно.

, °С(33)

Где ∆tб = V¹ух- t_2пв = 280-137=143°С – разность температур греющей и нагреваемой сред на том конце поверхности нагрева, гда она наибольшая;

∆tм = Vух- t_2пв = 150-104=43°С – разность температур теплообменивающих сред на том конце поверхности нагрева, где она наименьшая.

°С

∆tэ=65+273=338 К

Подставим в выражение (32) найденное выше значение:

Нэ=1743*0,52/0,022*338=121 м²

Из таблице методических указаний по величине найденной поверхности Нэ выбираем экономайзер: ЭП2-142

У которого:

-поверхность нагрева Нэ= 141,6 м²;

-число ходов (колонок) на газу – 2;

-число труб в ряду – 3;

-число рядов по ходу газов – 16;

-длина трубы – 2 м;

-тип котла, для которого предназначен экономайзер – ДЕ-4-14

6. Определение стоимости израсходованного топлива одним котельным агрегатом

Расход топлива, которое сжигается в одном котельном агрегате (при номинальной нагрузке), рассчитываем для двух вариантов:

1. Котельный агрегат оборудован водяным экономайзером.

2. Котельный агрегат работает без водяного экономайзера.

Затраты на топливо подсчитываем по формуле:

Ат=Вгод*Вт, руб/год(34)

Где Вт – стоимость топлива в руб/кг или руб/м³ .

По таблице 1 методических указаний подобрали стоимость топлива (30 руб/тыс.м³), которая зависят от вида топлива, способа его добычи и транспортировки, расположения района потребления.

η - коэффициент полезного действия котельного агрегата, %;

Qгод = Dгод*∆i*10^-6 – годовой расход теплоты, ГДж/год.

Приращение энтальпии рабочего тела в котлоагрегате:

∆i = ix - i_ПВ кДж/кг

При отсутствии экономайзера ∆i = ix - i_1ПВ, а при его наличии

∆i = ix - i2_ПВ кДж/кг

Годовой расход пара D год, вырабатываемого одним котельным агрегатом, условно можно принять:

Dгод = D_ка *6600*3600, кг/год (36)

Где 6600 – условное годовое число часов работы одного котельного агрегата при номинальной нагрузке.

При отсутствии экономайзера:

∆i=2748-436=2312 кДж/кг

Dгод = 4,46*6600*3600=105969600 кг/год

Qгод = 105969600*2312*10^-6 =245001 ГДж/год

Вгод= 100 *10⁶ =12*10⁶ м³ /год

Ат=12*10⁶ *30= 3600000 руб/год

При наличии экономайзера:

∆i=2748-514=2234 кДж/кг

Dгод = 4,46*6600*3600=105969600 кг/год

Qгод = 105969600*2234*10^-6 =236736 ГДж/год

Вгод= 100 *10⁶ =11*10⁶ м³ /год

Ат=11*10⁶ *30= 3300000 руб/год

В данной расчетной работе мы рассчитали котельную хлебозавода и выяснили, что при установке экономайзера экономия на топливе составляет 300 тыс. руб/год