Разработка математической модели температуры воды на выходе котла ПТВМ-60

Водогрейный котел ПТВМ-60 представляет собой сложный производственный объект. Управление таким объектом требует быстрого принятия ответственных решений, поскольку перерывы и отказы в его работе ведут к серьёзным экономическим и социальным последствиям.

Технологический процесс в водогрейном котле – это процесс нагрева воды при сгорании топлива.

Для осуществления процесса нагрева сетевой воды, с начальной температурой 70оС, к газомазутным горелкам по газо и мазутопроводам подается топливо (газ или мазут) через запорную арматуру, отсечные клапана и регулирующие органы. Природный газ, основную горючую часть которого составляет метан СН4 (94%), поступает на горелки СГМТ-20 и по мере выхода из них сгорает в виде факела в топочной камере. Воздух для поддержания процесса горения подается с помощью вентилятора ВДН-13-1000. Так как теплота сгорания газа высока и составляет 8500 ккал/м3, то удельная потребность в подаваемом воздухе велика: на 1 м3 газа требуется 9,6 м3 воздуха, а с учетом коэффициента избытка воздуха α = 1,12 – 1,36. 

В результате непрерывного горения топлива в топочной камере образуются нагретые до высокой температуры газообразные продукты сгорания. Они омывают снаружи топочные экраны, которые состоят из труб с циркулирующей внутри них водой и пароводяной смеси. Тепло передаваемое экранным трубам горячими газами нагревает воду до заданной температуры. И далее нагретая вода до 150оС требуемыми показателями идет к потребителю.

Газообразные продукты сгорания удаляются из топки котла с помощью дымоотводящего тракта, который соединяет топку котла и дымовую трубу. С помощью дымососа ДН-10-1000 продукты сгорания удаляются через дымовую трубу в атмосферу.

Принципиальная тепловая схема водогрейной котельной для закрытой системы теплоснабжения с расчетным температурным режимом 70 – 150 °С показана на рис.1.2.

Установленный на обратной линии сетевой (циркуляционный) насос (1) обеспечивает поступление питательной воды в котел и далее в систему теплоснабжения. Обратная и подающая линии соединены между собой перемычками – перепускной и рециркуляционной. Через первую из них при всех режимах работы, кроме максимального зимнего, перепускается часть воды из обратной в подающую линию для поддержания заданной температуры.

По условиям предупреждения коррозии металла температура воды на входе в котел при работе на газовом топливе должна быть не ниже 60 °С во избежание конденсации водяных паров, содержащихся в уходящих газах. Так как температура обратной воды почти всегда ниже этого значения, то в котельных со стальными котлами часть горячей воды подается в обратную линию рециркуляционным насосом.

[pic 1]

Рис. 1.2. Принципиальная тепловая схема водогрейной котельной

1 – сетевой насос; 2 – подпиточный насос; 3 – бак-аккумулятор подпиточной воды; 4 – насос исходной воды; 5 – насос подачи воды к эжектору; 6 – расходный бак эжекторной установки; 7 – водоструйный эжектор; 8 – охладитель выпара; 9 – вакуумный деаэратор; 10 – подогреватель химически очищенной воды; 11 – фильтр химводоочистки; 12 – подогреватель исходной воды; 13 – водогрейный котёл; 14 – рециркуляционный насос; 15 – линия перепуска.

В коллектор сетевого насоса (1) из бака-аккумулятора (3) поступает подпиточная вода (насос, компенсирующая расход воды у потребителей). Исходная вода, подаваемая насосом (4), проходит через подогреватель (12), фильтры химводоочистки (11) и после умягчения через второй подогреватель (10), где нагревается до 75 - 80 °С. Далее вода поступает в колонку вакуумного деаэратора (9). Вакуум в деаэраторе поддерживается за счет отсасывания из колонки деаэратора паровоздушной смеси с помощью водоструйного эжектора (7). Рабочей жидкостью эжектора служит вода, подаваемая насосом (5) из бака эжекторной установки (6). Пароводяная смесь, удаляемая из деаэраторной головки, проходит через теплообменник – охладитель выпара (8). В этом теплообменнике происходит конденсация паров воды, и конденсат стекает обратно в колонку деаэратора. Деаэрированная вода самотеком поступает к подпиточному насосу (2), который подает ее во всасывающий коллектор сетевых насосов (1) или в бак подпиточной воды (3). 

Подогрев в теплообменниках химически очищенной и исходной воды осуществляется водой, поступающей из котлов. Во многих случаях насос, установленный на этом трубопроводе (показан штриховой линией), используется также и в качестве рециркуляционного.

Газоснабжение котла осуществляется от газорегуляторного пункта (ГРП) расположенного в отдельно стоящем здании. ГРП обеспечен следующим оборудованием: отключающими устройствами, фильтрами, запорными и сбросными клапанами, регуляторами давления. В ГРП и между газопроводами котлов предусматриваются перемычки, позволяющие обеспечивать газом котлы в случае выхода из строя одной из линий редуцирования.

^ Тепловой баланс водогрейного котла

Суммарное количество теплоты, поступающее в котлоагрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают Qрр. Между теплотой, поступившей в котлоагрегат и покинувшей его, должно существовать равенство. Тепловой баланс водогрейного котла имеет вид:
Qрр=Q1+Q2+Q3+Q5 [кДж/м3] (1.1.)

Если тепловой баланс выразить в процентах от располагаемой теплоты (Qрр=100%), то уравнение (1.1.) имеет вид:

100=q1+q2+q3+q5 (1.2.)

где: qi=[pic 2].

В этих формулах:

Qрр – располагаемая теплота, (кДж/м3);

Q1 (q1) – полезная теплота, содержащаяся в горячей воде, (кДж/м3);

Q2 (q2) – потеря теплоты с уходящими газами, (кДж/м3);

Q3 (q3) – потеря теплоты от химической неполноты сгорания, (кДж/м3);

Q5 (q5) – потеря теплоты котлом в окружающую среду, (кДж/м3).

Полезная мощность водогрейного котла (кВт) рассчитывается по формуле:

Q1=Qв.к..=Gв(iг.к.-iх.в.) (1.3.)

где: Gв – расход воды через водогрейный котел (кг/с);

iх.в – энтальпия холодной воды на входе в водогрейный котел, кДж/кг;

iг.к. - энтальпия горячей воды на выходе из водогрейного котла, кДж/кг.

Потеря теплоты с уходящими газами (q2) обусловлена тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котлоагрегат, значительно выше температуры окружающего атмосферного воздуха. 
Потеря теплоты с уходящими газами определяется по формуле:

q2=[pic 3][pic 4][pic 5] (1.4.)

где: Iух – энтальпия уходящих газов при соответствующих значениях αух и выбранной температуре уходящих газов, кДж/кг;

I0х.в.- энтальпия теоретического объема холодного воздуха, определяется при температуре воздуха 30˚С по формуле (1.5.), кДж/кг;

αух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха, определяемая при температуре воздуха 30˚С, рассчитывается по формуле: 

I0х.в.=39,8V0 (1.5.)

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (q3) обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов CO, H2, CH4

Потеря теплоты котлом в окружающую среду (в процентах) определяется по формуле:

q5= q5ном[pic 6] (1.6.)

где: Nном – номинальная мощность водогрейного котла, МВт;

N – расчетная мощность водогрейного котла, МВт.
Располагаемая теплота для газообразного топлива может быть так же представлена в виде формулы:

Qрр=Qcн+Qв.вн.+iтл. (1.7.)
где: Qcн – низшая теплота сгорания сухой массы газа, (кДж/м3);

Qв.вн – теплота, внесенная в котлоагрегат воздухом, (кДж/м3), рассчитывается по приведенной ниже формуле:

Qв.вн=β΄(Ioвп-Iох.в.) (1.8.)

где: β΄ - отношение количества воздуха на входе котла к теоретически необходимому;

Ioвп - энтальпия теоретического объема воздуха при входе в котлоагрегат, кДж/кг.

Если формулы (1.1.) и (1.7.) приравнять друг к другу, то получим следующее выражение:

Qcн+Qв.вн.+iтл= Q1+Q2+Q3+Q5 (1.9.)
Из данного выражения требуется найти температуру горячей воды на выходе из водогрейного котла. Подставив в уравнение (1.9.) значения всех его составляющих и сделав некоторые преобразования, получим уравнение для нахождения энтальпии горячей воды на выходе из водогрейного котла:
iг.в.=[pic 7] (1.10.)

Ниже приводится табл. 1 в соответствии, с которой, найдя значения энтальпии из уравнения (1.10.) можно определить температуру воды на выходе из котла. 

Таблица 1.1.

Зависимость температуры воды на выходе котла от энтальпии