ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ
Тепловая схема представляет собой графическое изображение основного и вспомогательного оборудования тепловых станций, объединяемого линиями трубопроводов. Различают следующие виды тепловых схем: принципиальную, развернутую, а также рабочую, или монтажную. В принципиальной тепловой схеме указывают условно лишь основное оборудование (теплоагрегаты, подогреватели, деаэраторы, насосы) и трубопроводы, не указывая арматуру, всевозможные вспомогательные устройства и второстепенные трубопроводы и не уточняя количество и расположение оборудования. Развернутая тепловая схема содержит все устанавливаемое оборудование, а также все трубопроводы, соединяющие оборудование с расположенной на них запорной и регулирующей арматурой. Так как объединение в развернутой тепловой схеме всех элементов и оборудования котельной из-за их большого числа затруднительно, эту схему разделяют на части по технологическому процессу. Так, например, в качестве самостоятельных схем выполняют схемы подготовки воды и т. п. Это позволяет в развернутой тепловой схеме достаточно подробно отразить все главные и вспомогательные элементы и оборудование.
Рабочую (или монтажную) схему обычно выполняют в ортогональной, а иногда в аксонометрической проекции с указанием отметок расположения трубопроводов, их наклона, арматуры, креплений, размеров и т.д. Эту схему также разделяют на части для удобства использования и монтажа оборудования арматуры и трубопроводов. В рабочей схеме обычно указывают все опоры и подвески трубопроводов, места установки арматуры, изгибы, уклоны и длины участков с соответствующими выносками или ссылками на детальные чертежи. Здесь же сообщают и все необходимые сведения о марке стали или о металле данного узла, способах его соединения со смежными, о массе деталей или блока (т. е. составляют обычную спецификацию на всё входящее в данную часть тепловой схемы). Развернутая и рабочая (монтажная) тепловые схемы могут быть составлены лишь после разработки принципиальной тепловой схемы и ее расчетов, на основе которых выбирают оборудование.
По результатам расчета тепловой схемы определяют суммарную теплопроизводительность котельной установки при нескольких режимах ее работы. Для выбора варианта часто оказывается возможным ограничиться более простым способом определения суммарной максимальной паро- и теплопроизводительности котельной при известных потребностях технологических потребителей в паре, расходе теплоты на отопление и вентиляцию, на горячее водоснабжение, в количестве возвращаемого конденсата. Сущность этого метода сводится к определению расхода пара для производственной котельной
Найдя с помощью уравнений (10.1) и (10.2) величины расхода пара и теплоты, можно определить число котельных агрегатов каждого типа. В случаях когда нужно определить расход пара или теплоты на собственные нужды котельной, рекомендуется предварительно принимать следующие величины; на деаэрацию питательной воды и подогрев сырой воды перед химводоочисткой при закрытой системе теплоснабжения—7—10% суммарного отпуска теплоты внешним потребителям; на потери теплоты внутри котельной —2—3 % той же величины. При открытой системе горячего водоснабжения расход теплоты на деаэрацию и подогрев сырой воды несколько выше. Пересчет количества теплоты в потребное количество пара и наоборот можно выполнить с помощью формулы
При известных суммарных количествах пара и горячей воды вопрос о выборе того или иного типа агрегатов решается просто. В некоторых случаях оказывается рациональным применять два типа котлов-—паровые и водогрейные; в тех же случаях, когда пар требуется в сравнительно небольших количествах, например только на собственные нужды котельной, целесообразна установка пароводогрейных котлов. Если иметь суммарную производительность котельной и выбрать тип котельных агрегатов, представляется возможным составить и рассчитать принципиальную тепловую схему.
Сложность тепловых схем современных котельных установок с паровыми, водогрейными и пароводогрейными котлами вынуждает вести их расчет методом последовательных приближений. Для каждого из элементов тепловой схемы составляют уравнение теплового и материального баланса, решение которого позволяет определить неизвестные расход и энтальпии. Общую же увязку этих уравнений, число которых связано с видом установки, с числом и параметрами теплоносителей, с системой горячего водоснабжения и рядом других условий, принято осуществлять на материальном и тепловом балансе деаэратора, куда сходятся основные потоки рабочего тела. Ряд величин, нужных для расчета тепловой схемы, получают из расчета элементов и устройств, связанных со схемой. Так, например, размер продувки паровых котлов берут из расчета водоподготовки; потери воды в тепловых сетях — из их расчета; долю и температуру возвращаемого от технологических или других потребителей конденсата — из проектов устройств этих потребителей и т.д.
При отсутствии перечисленных сведений на основе имеющегося опыта принимают: температуру воды, идущей на химводоочистку, в пределах 20—30°С; исходной воды, поступающей в котельную зимой с температурой + 5, летом + 15°С. Потери воды в тепловых сетях с закрытой системой горячего водоснабжения равны 0,5 % веды в сетях, а при отсутствии данных об объеме —1,5—2,0 % часового расхода воды через сети. Приняв предварительно указанные величины, можно провести расчет тепловой схемы. При расхождении величин, полученных из расчета, с принятыми величинами, составляющими больше 3 % начальных, следует повторить расчет, подставив в качестве исходных полученные значения.
Проведем расчет тепловой схемы производственной котельной, показанной на рис. 10.1. Зная по исходным данным расход пара на производство и обозначая его Dap, найдем количество потерянного конденсата, кг/с, если возвращаемая доля его составляет фКон:
Расход пара на собственные нужды котельной состоит из расходов на подогреватель сырой и химочи- щенной воды, деаэратор, на подогрев мазута, обдувку и потери. Количество пара на подогрев воды перед хим- водоочисткой и на деаэратор можно принимать предварительно равным от 5 до 10 % расхода пара на производство, т. е.
Количество пара, расходуемого в схеме мазутного хозяйства, определяется расчетом. Заметим, что суммарный расход пара на нужды мазутного хозяйства в небольших котельных составляет около 3 % отпущенного количества пара. Тогда суммарное количество пара, которое должны выработать тепловые агрегаты, составит:
Определив суммарную максимальную потребность в паре, выбирают тип и число тепловых агрегатов исходя из того, что при выходе из работы одного агрегата остальные должны обеспечить максимальную потребность производства в паре. Одновременно следует учитывать рекомендации строительных норм и правил по однотипности котлов и числе их, которое в новых котельных следует принимать равным трем. Подбирая по каталогам заводов-изготовителей или по справочникам котлоагре- гат с нужными параметрами пара — давлением и температурой, определяют его производительность, не считая резервного парового котла, так, чтобы соблюсти условия
Имея тип теплового агрегата и зная его сепараци- онные устройства, можно рассчитать узел продувки, приняв из расчета подготовки воды размер продувки Рпрв процентах, величина которого лежит в пределах от 2 до 10%. Количество воды, удаляемой из котла с продувкой, составит:
Если величина GnpO.M кг/с, необходимо осуществить непрерывную продувку, а при Gnp>0,28 кг/с иметь сепаратор непрерывной продувки 5 (см. рис. 10.1) и теплообменник 6 для использования теплоты, содержащейся в воде продувки. Эту теплоту утилизируют, отделяя пар и направляя его в деаэратор 12, а теплоту выделившейся воды используют на подогрев сырой воды. Количество пара, получаемого из сепаратора непрерывной продувки 5, находят из уравнения теплового баланса
Количество воды, уходящей в теплообменник 6, будет равно:
Из деаэратора вместе с газами удаляется пар, образовавшийся из поступившей воды. Это количество воды, называемое выпаром 0Вып., составляет от 2 до 5 кг на каждую тонну деаэрированной воды. Теплоту, содержащуюся в выпаре, используют обычно для подогрева химически очищенной воды, направляемой в деаэратор. В крупных котельных установках конденсат выпара возвращают в конденсатный бак, а в мелких сбрасывают в дренаж. Следовательно, максимальное количество воды, поступающей в деаэратор из химводоочистки 9, равно:
При указанных ранее температурах сырой (исходной) воды tCB — 5 или 15°С и найденном по уравнению (10.5) расходе GCB, принимая в зависимости от выбранного способа ее обработки (известкования, коагуляции, катионирования и т. д.) температуру воды перед химводоочист кой и ее теплоемкость с = 4,19 кДж/кг-°С, найдем расход пара, кг/с, на подогреватель 7:
Расчет теплообменника 6, утилизирующего теплоту воды от продувки после сепаратора непрерывной продувки 5, ведут по аналогичному выражению; неизвестной величиной в этом случае является температура сырой воды:
Суммируя расход пара на подогреватель сырой воды D с расходом пара на деаэратор D, получаем величину, определявшуюся ранее из выражения (10.3). Если она отличается не больше чем на 3—5 % от величины, найденной по уравнению (10.3), расчет можно считать законченным, в противном случае его необходимо повторить с учетом сделанных ранее рекомендаций.
В случае когда из котельной кроме пара на технологические нужды подается горячая вода для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения (т. е. котельная является производственно-отопительной), наблюдаются два основных случая: в первом — горячая вода нагревается паром в теплообменниках, носящих название подогревателей сетевой воды; во втором — для подогрева сетевой воды устанавливают водогрейные котлы. На рис. 10.2 показаны схемы присоединения подогревателей сетевой воды к паровым котлам. Подогрев сетевой воды паром может быть выполнен, если подключить подогреватели непосредственно к паропроводам или после редукционной установки 3, как это показано на схемах рис. 10.2, а и б. В схеме (см. рис. 10.2, а) вода из тепловой сети проходит подогреватель 2, расположенный над паровым котлом на высоте примерно 1,5—2,0 м от горизонтальной оси его верхнего барабана. Пар из барабана поступает в подогреватель 2, отдает теплоту, конденсируется, и полученный конденсат самотеком стекает в нижний барабан котла.
В случае, показанном на рис. 10.2, б, подогреватель сетевой воды включен на более низкое, чем в схеме (см. рис. 10.2, а), давление, так же, как и остальные потребители теплоты в схеме, показанной на рис. 10.1. Поскольку схема (см. рис. 10.2, а) превращает паровой котел в водогрейный с двумя контурами, рассматривать его особенности можно вместе с другими котлоагрегатами: тепловая схема в этом случае не будет отличаться от схем с водогрейными котлами, которые описаны ниже. Подключение подогревателей сетевой воды показано на схеме (см. рис. 10.2, б).
Расход пара определяют из выражения, кг/с:
Так как конденсат, идущий из подогревателей сетевой воды, не загрязнен н находится под давлением, большим, чем давление в деаэраторе, его обычно направляют непосредственно в деаэраторы. Потери пара и конденсата, выходящих из подогревателей сетевой воды, при нормальных условиях незначительны, и их учитывают при расчете тепловых схем в величине &от. Поэтому количество химически очищенной или умягченной воды, выходящей из химводоочистки в деаэратор, может быть найдено с помощью выражения (Ю.2). При расчете же деаэратора количество конденсата из сетевых подогревателей и отданную им теплоту следует учитывать в материальном и тепловом балансах, составляемых с помощью уравнений (10.5а) и (10.6), поскольку конденсат и содержащаяся в нем теплота влияют на расход пара, необходимого для деаэратора. Остальные решения, принимаемые при расчете принципиальных тепловых схем производственно-отопительных котельных с подогревом сетевой воды в подогревателях (в которых в качестве греющего тела направляют пар после редукционной установки), не отличаются от случая для схем производственных котельных.
Далее рассмотрим метод расчета тепловых схем с чисто водогрейными агрегатами (рис. 10.3). Исходные данные для расчета схемы сведем в таблицу с обязательным заполнением сведений для всех режимов установки, в том числе максимального, в наиболее холодный месяц, среднего зимнего, в переходный период и летнего. Знание этих нагрузок позволит правильно выбрать оборудование. Особенно сильное влияние на оборудование котельной с водогрейными агрегатами оказывает система горячего водоснабжения (закрытого или открытого). При расчете тепловой схемы с водогрейными котлами основной задачей является определение расхода воды через агрегат и соответствие этого полученного расхода величине, установленной заводом-изготовителем. Объясняется это тем, что надежное охлаждение всех поверхностей нагрева водогрейных котлов может быть лишь при специально выбираемых гидродинамических режимах. Поскольку в тепловых сетях принято качественное регулирование, при котором расход воды постоянен, а изменяется лишь температура воды, необходимо определять расход воды через тепловые агрегаты, когда расход теплоты наименьший. Зная температуру воды, поступающей и возвращающейся из тепловых сетей (/ и /г), можно найти энтальпии воды и вычислить ее расход.
При закрытой системе горячего водоснабжения подогрев воды у потребителя осуществляют за счет использования теплоты воды, прошедшей системы отопления и вентиляции. Наиболее часто применяют последовательную систему отопления и вентиляции и смешанное включение теплообменников для горячего водоснабжения потребителей. Количество воды (в кг/с), которое необходимо нагреть в котельных агрегатах для нужд отопления и вентиляции, определяют по формуле
При последовательном включении теплообменников для горячего водоснабжения температуру воды за теплообменниками для максимального зимнего и среднего наиболее холодного месяца определяют из выражения
Величину расхода воды потребителем горячего водоснабжения, (в кг/с) определяют по формуле
Количество воды, проходящей через теплообменники горячего водоснабжения, в этом случае равно сумме расходов воды на отопление и вентиляцию G0B и расходу воды в подающей магистрали G. При параллельном включении теплообменников для горячего водоснабжения системы отопления и вентиляции количество воды, идущей в теплообменники из подающей магистрали тепловых сетей, кг/с, равно:
Потери воды в закрытой системе теплоснабжения составляют до 0,5 % объема воды в тепловых сетях и в системе потребителей, или 1,5—2,5 % часового расхода: AGTC = (0,015 -f- 0,025)0.
Кроме того, при работе на мазуте часть теплоты, полученной в котлах, расходуется на подогрев мазута, что требует дополнительного расхода воды. Количество теплоты, кВт, для подогрева мазута определяют с помощью уравнения
Кроме перечисленных расходов воды на теплоту и на потери ее в тепловых сетях имеются безвозвратные расходы воды: на обмывку поверхностей нагрева котлоагре- гатов, на уплотнение и увлажнение подшипников насосов и дымососов, на охлаждение приборов. Эти расходы воды вместе с расходом воды на собственные нужды химводоочистки могут составлять до 25—30 % количества подпиточной воды тепловых сетей AGCH. Таким образом, количество воды, кг/с, которое должна подготовить химводоочистка, составит:
При открытой системе горячего водоснабжения количество воды, идущей на подпитку тепловых сетей, заметно возрастает и может достигать 20 % расхода воды в тепловых сетях. Следовательно, количество воды, которое необходимо подготовить на химводоочистке, при открытой системе горячего водоснабжения возрастает з несколько раз по сравнению с закрытой. Так как подогрев сырой воды осуществляется до поступления в хим- водоочистку, количество подогреваемой воды составит, кг/с:
Количество теплоты, необходимой для подогрева сырой воды, определяется ее конечной И и начальной hcB энтальпией, расходом воды Ссв и КПД теплообменника тпод = 0,98:
Количество теплоты, найденное с помощью формулы (10.7), может быть передано сырой воде путем подвода горячей воды, вышедшей из котлоагрегата, к теплообменнику сырой воды. Однако при этом величина разности температур между греющей и нагреваемой средой температурного напора будет большой, а расход греющей среды мал, что неэкономично. Поэтому сырую воду чаще греют теплоносителем более низкого потенциала— водой, после того как она отдала часть теплоты в подогревателе 7 химически очищенной воде (см. рис. 10.3). Количество горячей воды, кг/с, требующейся для подогрева сырой воды и получаемой из предвключенного теплообменника 5, составит:
Химически очищенная вода из аппаратов химводоочистки 6 идет в следующий подогреватель, где ее энтальпия повышается до величины, необходимой для кипения в вакуумном деаэраторе (т. е. примерно до 300—350 кДж/кг. Для подогрева химически очищенной воды могут быть применены разные схемы. Иногда химическую воду сначала подогревают подпиточной водой, прошедшей деаэратор, а затем нагревают водой из котла. Возможны и другие схемы, направленные на уменьшение поверхности нагрева теплообменников или сокращение расхода воды из котлоагрегатов. Количество теплоты, необходимой для подогрева химически очищенной воды до ее энтальпии, соответствующей давлению в деаэраторе, составит, кВт:
Поскольку в охладителе выпара 12, показанном на рис. 10.3, подпиточная вода нагревается незначительно, примерно на 2°С, поэтому величиной Ah в выражении (10.9) можно пренебречь. Количество горячей воды, отбираемой из теплоагрегатов для подогрева химически очищенной воды, было найдено из выражения (10.8). Вся горячая вода после подогревателя 7 идет в подогреватель 5. Последней величиной, которая необходима для определения горячей воды за котлоагрегатами, является расход воды на рециркуляцию, который определяют из выражения баланса теплоты и расходов воды:
В этом выражении неизвестными являются две величины — расход воды на рециркуляцию Gp и энтальпия воды перед котлоагрегатом гг. Последней можно задаться исходя из обеспечения температуры воды на входе в котлоагрегат не ниже 70 °С при работе последнего на природном газе и 90—110°С — на высокосернистом мазуте (в зависимости от содержания серы в топливе). Поскольку количество воды, идущей на подпитку закрытой системы теплоснабжения, невелико, расход греющей ее воды незначителен, а температура мала. Это позволяет в выражении (10.10) в первых расчетах пренебречь величиной Gi/tj. Суммарное количество теплоты, кВт, которое необходимо получить в котельных агрегатах, составит: т. е. определять единичную теплопроизводительность водогрейного котлоагрегата. Далее, пользуясь каталогами и указаниями, можно подобрать соответствующий агрегат, соблюдая условие QefliiHQ, и сопоставить расход воды через агрегат GK с расходом, установленным заводом-изготовителем котлоагрегата. Если условие 2GK/nG — завода-изготовителя, расчет можно считать законченным. После этого проверяют, какое число водогрейных котлов должно работать при среднем зимнем и летнем режимах, а в некоторых случаях и прн среднем для наиболее холодного месяца года.
