Судовые котельные установки: Методические указания к выполнению практических занятий и лабораторных работ для студентов колледжа КамчатГТУ

С. В. Гаврилов

СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ Методические указания по выполнению практических занятий и лабораторных работ для студентов колледжа КамчатГТУ

Петропавловск-Камчатский 2003

Государственный комитет Российской Федерации по рыболовству Камчатский государственный технический университет

Колледж

СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ Методические указания по выполнению практических занятий и лабораторных работ для студентов специальности 2409 «Эксплуатация транспортных энергетических установок (на водном транспорте)»

Петропавловск-Камчатский 2003 ББК 39.455.1

УДК 621.181.27:629.12 Г12

Рецензент: С. А. Жуков, доцент кафедры судовых энергетических установок КамчатГТУ

Гаврилов С.В. Г12

Судовые котельные установки. Методические указания по выполнению практических занятий и лабораторных работ для студентов специальности 2409 «Эксплуатация транспортных энергетических установок (на водном транспорте)». – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003. – 91 с. Методические указания предназначены для студентов колледжа КамчатГТУ, изучающих дисциплину "Судовые котельные установки" (СКУ). Методические указания написаны в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2409 "Эксплуатация транспортных энергетических установок (на водном транспорте)" государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования (квалификация – техник-судомеханик), утвержденного 14 мая 2002 г. Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры СЭУ КамчатГТУ (протокол № 7 от 2 февраля 2003 г.). ББК 39.455.1 УДК 621.181.27:629.12

© КамчатГТУ, 2003 © Гаврилов С.В., 2003

ВВЕДЕНИЕ На теоретических занятиях, проводимых в рамках изучения дисциплины "Судовые котельные установки", рассматриваются основы работы вспомогательных и утилизационных котлов, особенности их конструкции и эксплуатации. Приобретение практических навыков обслуживания судовых котельных установок, расчета их технико-экономических характеристик и определения физико-химических показателей рабочих сред производится на лабораторных работах и практических занятиях. Целью практических занятий является знакомство с конструкцией котлов и их элементов и методиками расчетов протекающих в котлах процессов. Практические занятия, включенные с настоящий сборник, состоят из двух блоков (контрольных работ). Первый блок (контрольная работа № 1, состоящая из практических занятий № 1—4) посвящен изучению конструкции котлов в целом, их систем и отдельных составных частей. Второй блок (контрольная работа № 2, состоящая из практических занятий № 5—8) включает расчеты материального и теплового балансов, теплообмена и аэродинамики, его выполнение позволяет закрепить знания, полученные в процессе изучения теоретического курса. Расчетные практические занятия носят индивидуальный характер, они делаются по вариантам. Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в списке группы. Практические занятия, составляющие контрольную работу № 2, тематически связаны между собой — результаты, полученные при выполнении предыдущих занятий, используются в последующих. Этим облегчается понимание взаимосвязи и взаимовлияния процессов, протекающих в судовых котлах, влияния различных конструктивных и эксплуатационных факторов на технико-экономические показатели агрегатов. Практические занятия выполняются как во время аудиторных занятий, так и самостоятельно в часы самоподготовки. По каждому из них составляется индивидуальный отчет в тонкой ученической тетради объемом 12 листов. Отчеты предоставляются преподавателю для 3

защиты. За каждое из них в журнале группы выставляется отдельная оценка. Защищенные практические занятия комплектуются в два сборника, составляющие контрольные работы № 1 и 2. За каждую контрольную работу выставляется отдельная итоговая оценка. Требования к содержанию отчетов по практическим занятиям содержатся в методических указаниях, приведенных в настоящем сборнике. К отчетам прилагаются необходимые графики, схемы, рисунки. После защиты отчет возвращается студенту, у которого он храниться до укомплектования контрольных работ. После этого контрольная работа сдается преподавателю. Лабораторные работы проводятся с целью обучения методам определения основных физико-химических показателей качества топлива, питательной и котловой воды. Подготовка к лабораторным работам производится в часы самостоятельных занятий. Она ведется с использованием конспектов уроков, учебной литературы и настоящими методическими указаниями. Отчеты по лабораторным работам защищаются в индивидуальном порядке и сдаются преподавателю вместе с контрольными работами. Студенты, не выполнившие в полном объеме практические занятия и лабораторные работы и не защитившие их, считаются не выполнившими требования учебного плана специальности и к итоговой аттестации по дисциплине "Судовые котельные установки" (защита курсовой работы или экзамен) не допускаются.

4

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ. Первый блок (контрольная работа № 1) КОНСТРУКЦИЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ Настоящий блок содержит четыре практических занятия, посвященные рассмотрению конструкции как котлов в целом, так и их отдельных элементов. В результате изучения данного раздела студенты должны знать основную терминологии в области котельной техники, уметь изображать схемы котельных установок, эскизы котлов и их элементов, понимать взаимосвязь между их конструктивным исполнением и протекающими в них процессами. Изучение конструкции котлов должно проводиться в тесной связи с рассмотрением общих принципов их технической эксплуатации. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1 КОНСТРУКЦИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ И УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОТЛОВ. СОСТАВ И СХЕМЫ СУДОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Цель занятия: Изучение принципа действия и конструкции основных типов вспомогательных и утилизационных котлов, использующихся на рыбопромысловых и транспортных судах. Общее знакомство с составом, назначением и взаимодействием элементов судовых котельных установок. Задание: 1. Изучить конструкцию, изобразить конструктивные схемы, классифицировать, описать принцип действия, перечислить составные части и привести основные параметры следующих судовых котлов: — вспомогательного газотрубного горизонтального котлоагрегата типа КВА 0,4/3 (КГВ 0,4/0,3); — вспомогательного водотрубного котла с естественной циркуляцией типа КАВ (КВВА); — утилизационного водотрубного котла с принудительной циркуляцией типа КУП-40 (КУП-20, КУП-80); 2. Составить схемы котельных установок, состоящих из вспомогательного и утилизационного котлов (с сепаратором пара и без, с утилизационным котлом с принудительной и естественной циркуляцией). 5

Описать принцип их действия, указать характерные режимы работы этих установок. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ Настоящее практическое занятие выполняется в два этапа. Первый этап проводится в кабинете судовых котельных установок и заключается в изучении конструкции вспомогательного газотрубного котлоагрегата типа КВА 0,4/3 (КГВ 0,4/0,3). Для осмотра внутренних частей пароводяного и газового пространств котлоагрегат разбирают. После составления эскизов и схем, иллюстрирующих его устройство, котлоагрегат вновь собирают. В ходе изучения конструкции необходимо обратить внимание на: — способ подвода в топку воздуха; — путь, который проходят газы, движущиеся в дымогарных трубах; — способы крепления дымогарных труб к корпусу котла; — установку связей, подкрепляющих днища корпуса; — состав и назначение устройств, расположенных в пароводяном пространстве; — расположение и назначение патрубков, предназначенных для установки арматуры и средств автоматизации; — виды теплоизоляции и способы ее крепления. Второй этап заключается в самостоятельном изучении конструкции и принципа действия указанных в задании типов судовых котлов. Он осуществляется как в кабинете в часы аудиторных занятий, так и самостоятельно. При выполнении этого этапа должна использоваться литература, рекомендованная настоящими методическими указаниями, макеты и натурные образцы котлов и их элементов, плакаты и стенды. В результате выполнения настоящего практического занятия курсант должен самостоятельно изучить следующие вопросы: — принцип действия судовых газо- и водотрубных котлов. Комбинированные котлы. Основные понятия: газовое, паровое, водяное пространство, зеркало испарения, поверхность нагрева [1, с. 7—10], [2, с. 23—30], [3, с. 4—6], [4, с. 10—15]; — классификацию судовых котлов. Требования к судовым котлам, их основные параметры. Схемы вспомогательных котельных установок, взаимодействие их элементов [1, с. 10—13], [2, с. 31—34], [3, с. 7—9]; [4, с. 8—10]; — конструкцию водотрубных котлов с естественной циркуляцией типов, КАВ, КВВА, КВ [1, c. 71—82]; 6

— конструкцию утилизационных котлов с принудительной циркуляцией типа КУП и сепараторов пара [1, c. 83—88], [2, c. 68— 71]. 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете необходимо привести ответы на поставленные в задании вопросы. Ответы должны сопровождаются иллюстрациями, эскизами и схемами, выполненными от руки. При высокой сложности изображений допускается использование ксерокопий. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите составные части и охарактеризуйте принцип действия газотрубного котла. Почему котлоагрегат типа КВА (КГВ) называется "трехходовым по газам?". 2. Назовите составные части и поясните принцип действия водотрубного котла. Перечислите основные параметры судовых котлов. 3. Назовите составные части и поясните принцип действия утилизационного котла с принудительной циркуляцией. Укажите способы регулирования их паропроизводительности. 4. Охарактеризуйте понятия "газовое пространство", "паровое пространство", "водяное пространство", "зеркало испарения", "поверхность нагрева". 5. Назовите признаки, по которым производится классификация судовых котлов. Расшифруйте маркировку и классифицируйте котлы следующих типов: КАВ 4/7, КВА 1/5, КУП-40СИ. 6. Назовите виды циркуляции воды, которые применяются в судовых паровых котлах. На примере котлов типов КАВ и КУП-40 поясните, каким образом организованы эти виды циркуляции. 7. Перечислите основные устройства, входящие в состав судовой котельной установки, поясните их назначение. Укажите системы, обслуживающие котельную установку. ЛИТЕРАТУРА 1. Фильченко В. П., Шабанов А. А. Судовые котельные установки флота рыбной промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 280 с. 2. Шиняев Е. Н. Судовые паровые котлы и их эксплуатация. — М.: Транспорт, 1979. — 240 с. 3. Файвушевич В. М. Судовые котельные установки. — М.: Транспорт, 1973. — 199 с. 4. Волков Д. И., Сударев Б. В. Судовые паровые котлы. — Л.: Судостроение, 1988. — 136 с.

7

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2 ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ Цель занятия: Изучение назначения, состава, конструкции, принципа действия и основ технической эксплуатации топочных устройств судовых вспомогательных котлов. Задание: 1. Выполнить эскизы и схемы следующих элементов топочных устройств вспомогательных котлов: — воздухонаправляющего устройства с неподвижными лопатками; — механической нерегулируемой и регулируемой форсунок; — паромеханической форсунки; — ротационной форсунки. 2. Изучить устройство и работу автоматизированного топочного устройства типа "Монарх", составить его схему. 3. Рассмотреть и охарактеризовать способы регулирования производительности форсунок и расхода воздуха, подаваемого котельным вентилятором в топку. 4. Рассмотреть основные неисправности элементов топочных устройств и охарактеризовать их причины и способы устранения. 5. Изучить и записать правила Морского Регистра Судоходства в части, касающейся топочных устройств котла, их конструкции, блокировки и защиты. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ Настоящее практическое занятие выполняется аналогично предыдущему. На первом этапе курсанты должны ознакомиться с составом и принципом действия топочных устройств (ТУ) котлоагрегата типа КГВ 0,4/5 и водотрубного котла. Для этого необходимо указанные устройства разобрать, составить с натуры эскизы и схемы, поясняющие работу составляющих их элементов. Разборка и сборка элементов ТУ производится при помощи слесарного инструмента с соблюдением правил техники безопасности. На втором этапе, используя рекомендованную литературу, необходимо самостоятельно изучить и законспектировать, снабдив необходимыми иллюстрациями, следующие основные вопросы: — воздухонаправляющие устройства котлов. Подвод воздуха к котлу. Способы регулирования подачи воздуха в топку. Управление 8

горением по внешним признакам [1, c. 109], [2, c. 98—103; 139—143], [3, c. 32—34]; — топочное устройство вспомогательного котла. Типы, устройство и принцип действия форсунок. Конструкция топочного устройства типа "Монарх". Топливный быстрозапорный клапан [1, c. 96—109], [2, c. 132—139], [3, c. 29—31]; — эксплуатация топочных устройств. Топливная система котельной установки и ее эксплуатация [1, c. 182—186], [2, c. 147— 154]. 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете необходимо привести краткие ответы на поставленные в задании вопросы. Ответы следует сопроводить эскизами и схемами. При их составлении нет необходимости копировать иллюстрации, приведенные в соответствующих разделах учебников. Показателем усвоения материала является умение курсанта самостоятельно изобразить устройство того или иного узла или детали, с упрощениями, не искажающими представлений об их действии и устройстве. Ошибкой является широко распространенное переписывание отчетов студентами друг у друга. Игра в такой «испорченный телефон» не дает тех твердых знаний, которые приобретаются в процессе самостоятельной работы с книгой и технической документацией. Кажущаяся «экономия» времени при этом оборачивается слабым знанием предмета и требует значительных затрат сил, нервов и времени при защите задания. В ходе подготовки к защите настоящего практического занятия рекомендуется самостоятельно дать ответы на приведенные ниже контрольные вопросы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Укажите назначение, назовите состав и основные типы топочных устройств судовых котлов. 2. Охарактеризуйте устройство и работу воздухонаправляющего устройства с неподвижными лопатками. Поясните, как производится изменение расхода воздуха через воздухонаправляющее устройство? 3. Опишите принцип действия механической центробежной форсунки. Поясните, что такое "глубина регулирования" форсунки. Как осуществляется регулирование производительности форсунок? 4. Назовите характерные неисправности механической форсунки, их внешнее проявление и способы устранения.

9

5. Поясните принцип действия и устройство паромеханической форсунки. Какие преимущества эта форсунка имеет перед механической центробежной? 6. Поясните принцип действия ротационной форсунки. Сравните ее с механической центробежной и паромеханической форсунками. Укажите преимущества и недостатки этой форсунки. 7. Поясните состав и работу топочного устройства типа "Монарх". Как с его помощью обеспечивается защита котла по достижению предельного нижнего уровня воды? 8. Сформулируйте правила Морского Регистра Судоходства, относящиеся к защите и блокировке топочных устройств. В чем заключается разница понятий "защита" и "блокировка"? ЛИТЕРАТУРА 1. Фильченко В. П., Шабанов А. А. Судовые котельные установки флота рыбной промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 280 с. 2. Шиняев Е. Н. Судовые паровые котлы и их эксплуатация. — М.: Транспорт, 1979. — 240 с. 4. Волков Д. И., Сударев Б. В. Судовые паровые котлы. — Л.: Судостроение, 1988. — 136 с.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3 АРМАТУРА И ВНУТРИКОЛЛЕКТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА СУДОВЫХ КОТЛОВ Цель занятия: Изучение назначения, состава, расположения, принципа действия и особенностей конструкции арматуры судовых котлов и устройств, расположенных в пароводяном пространстве. Задание: 1. Составить схему расположения арматуры на вспомогательном водотрубном котле, обозначить ее элементы. Привести классификацию арматуры по назначению и расположению. 2. Изучить устройство и принцип действия следующих видов котельной арматуры: — предохранительного клапана прямого действия; — предохранительного клапана непрямого действия; — стопорного парового клапана; — комплекта питательных клапанов; — клапанов верхнего и нижнего продувания; — водоуказательных приборов. 3. Изучить и законспектировать правила Морского Регистра Судоходства в части, касающейся арматуры, перечисленной в п. 2. 10

4. Составить схемы размещения устройств, расположенных в пароводяном и водяном коллекторах водотрубных котлов. 5. Изучить принцип действия и особенности работы следующих внутриколлекторных устройств: — погружного и потолочного дырчатых щитов; — питательной трубы; — труб и воронок продувания; — различных видов сепараторов пара. 6. Рассмотреть особенности технической эксплуатации и обслуживания котельной арматуры и внутриколлекторых устройств. Охарактеризовать их основные неисправности и причины, их вызывающие. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ В процессе выполнения настоящего практического занятия студенты должны использовать имеющиеся образцы арматуры, производя их разборку, составление эскизов и схем с натуры и последующую сборку. Разборка и сборка арматуры позволяет эффективно понять принцип ее действия, взаимодействие составных частей и их правильное расположение. Кроме натурных образцов, при изучении конструкции арматуры могут быть использованы имеющиеся в кабинете макеты, плакаты и стенды, поясняющие ее конструкцию. В ходе самостоятельного выполнения практического занятия необходимо изучить следующие вопросы: — виды котельной арматуры, ее назначение. Основные требования к арматуре. Схема расположения арматуры на котле; — конструкция водоуказательных приборов, стопорных и питательных клапанов. Требования Морского Регистра Судоходства к указанным видам арматуры; — конструкция и регулировка предохранительных клапанов. Устройство клапанов продувания. Требования Морского Регистра судоходства к указанным видам арматуры. — внутриколлекторные устройства котлов. Ответы на эти вопросы можно найти в источниках [1, c. 124—128; c. 160—174], [2, c. 108—111; 112—131], [3, с. 113—122]. 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете по практическому занятию приводятся краткие ответы на поставленные в задании вопросы. Они сопровождаются необходимыми эскизами и схемами. 11

В ходе подготовки к защите настоящего практического занятия рекомендуется самостоятельно дать ответы на приведенные ниже контрольные вопросы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Классифицируйте котельную арматуру по месту ее размещения и выполняемым функциям. 2. Поясните устройство водоуказательного прибора с плоским стеклом. Назовите способы и периодичность проверки его исправности. Охарактеризуйте признаки исправной работы прибора. 3. Укажите, сколько времени могут работать газо- и водотрубные котлы с одним действующим водоуказательным прибором при выходе второго из строя? 4. Поясните работу предохранительного клапана прямого действия. Укажите способы и периодичность проверки исправности клапана. Назовите давление, при котором должен происходить автоматический подрыв клапана. 5. Чем по принципу действия и конструкции различаются предохранительные клапаны прямого и непрямого действия? Дайте их сравнительную характеристику. 6. Чем объясняется различие конструкций клапанов верхнего и нижнего продувания? 7. В каком случае стопорный клапан выполняется невозвратным? 8. Поясните работу и устройство различных сепараторов пара. Что общего в их принципе действия? 9. Перечислите требования Морского Регистра Судоходства к предохранительным и стопорным клапанам судовых котлов. 10. Перечислите требования Морского Регистра Судоходства к питательным клапанам и водоуказательным приборам судовых котлов. 11. Поясните расположение и назначение внутриколлекторных устройств. 12. Укажите, каким образом установка внутриколлекторых устройств способствует повышению надежности циркуляции воды в котле? ЛИТЕРАТУРА 1. Фильченко В. П., Шабанов А. А. Судовые котельные установки флота рыбной промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 280 с. 2. Шиняев Е. Н. Судовые паровые котлы и их эксплуатация. — М.: Транспорт, 1979. — 240 с. 4. Волков Д. И., Сударев Б. В. Судовые паровые котлы. — Л.: Судостроение, 1988. — 136 с.

12

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4 КОРПУС, КАРКАС, КОЖУХ, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ Цель занятия: Изучение конструкции, особенностей работы и технической эксплуатации корпусов, каркасов, кожухов и теплоизоляции судовых котлов. Задание: 1. Изучить конструкцию, представить эскизы и схемы следующих элементов судовых вспомогательных паровых котлов: — коллекторов и трубных систем водотрубных котлов; — корпусов газотрубных котлов; — каркаса, наружного и внутреннего кожухов водотрубных котлов; — подвижных и неподвижных опор. 2. Изобразить: — способы крепления труб к коллекторам и корпусу котла; — крепление патрубков для присоединения арматуры; — крепление лазов и горловин пароводяного пространства; — крепление лазов газоходов; — крепления элементов теплоизоляции к каркасу и коллекторам. 3. Составить схему расположения опор с указанием направления перемещения котла при его нагреве. 4. Перечислить различные теплоизоляционные материалы. Привести их основные характеристики, указать область их применения. 5. Изучить характерные дефекты теплоизоляции, возникающие при эксплуатации котлов и их причины. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ Настоящее практическое занятие выполняется самостоятельно с использованием конспектов уроков, рекомендованной литературы, а также макетов, плакатов и натурных образцов. В процессе выполнения необходимо рассмотреть следующие вопросы: — конструкцию каркаса и кожуха вспомогательного котла [1, c. 186—190], [3, c. 109—111]; — конструкцию и особенности опор судовых котлов [8, c. 109— 113], [3, c. 111—113]; 13

— теплоизоляцию и обмуровку топки вспомогательных котлов [1, c. 190—192], [2, c. 103—107], [3, c. 111]; — ремонт обмуровки и теплоизоляции котлов [1, c. 252—256]. 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете приводятся краткие ответы на поставленные в задании вопросы. Они сопровождаются необходимыми иллюстрациями и схемами, выполненными от руки. В ходе подготовки к защите рекомендуется самостоятельно дать ответы на приведенные ниже контрольные вопросы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите материалы для изготовления теплоизоляции котлов, охарактеризуйте область их применения и условия работы. 2. Поясните, какими способами осуществляется крепление листовой и мастичной теплоизоляции к кожуху котла? 3. Назовите характерные повреждения кирпичной кладки, их причины и методы предотвращения и устранения. 4. Поясните, как конструктивно обеспечивается тепловое расширение элементов котлов? 5. Как осуществляется крепление огнеупорных кирпичей к стенкам кожуха? Какие условия при этом должны быть обеспечены? 6. Расшифруйте значение понятий "корпус", "каркас", "кожух", "футеровка", "гарнитура", "мертель". 7. Объясните, для чего используется межобшивочное пространство в котлах с двойным кожухом? 8. Поясните, как осуществляется крепление труб к корпусу котла. ЛИТЕРАТУРА 1. Фильченко В. П., Шабанов А. А. Судовые котельные установки флота рыбной промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 280 с. 2. Шиняев Е. Н. Судовые паровые котлы и их эксплуатация. — М.: Транспорт, 1979. — 240 с. 4. Волков Д. И., Сударев Б. В. Судовые паровые котлы. — Л.: Судостроение, 1988. — 136 с.

14

Второй блок (контрольная работа № 2) ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В КОТЛАХ Этот блок включает четыре расчетных практических занятия, в которых рассматривается методика выполнения наиболее часто встречающихся в ходе курсового проектирования расчетов: материального и теплового балансов, теплообмена и аэродинамического сопротивления газовоздушного тракта. Занятия должны выполнятся в той последовательности, в которой они представлены в настоящих указаниях. Они построены таким образом, что результаты, полученные в предыдущих занятиях являются исходными данными для последующих расчетов. Такая последовательность позволяет обучаемым глубже понять взаимосвязь и взаимовлияние различных процессов, протекающих в котлах. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Цель занятия: приобретение практических навыков расчета материального баланса процесса сгорания, протекающего в топке судового вспомогательного котла. Задание: 1. Составить материальный баланс процесса сгорания 1 кг топлива, определить объем газообразных продуктов сгорания, найти теоретический и действительный объемы воздуха для горения. Расчет оформить в виде табл. 5.1. 2. Построить на координатно-масштабной бумаге диаграмму "Энтальпия — температура" (I—t) продуктов сгорания для температур t в интервале 100—2000 оС. 15

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Топливо нефтяного происхождения состоит из следующих химических элементов (их содержание приведено в долях от единицы):

— углерод С ……….. 0,84—0,87; — водород Н ………. 0,10—0,13; — горючая сера S …. 0—0,04; — кислород О ……… 0,003—0,005; — азот N ………….… 0,001—0,004. Кроме них в топливе имеется влага W и зола А, которые не участвуют в горении, образуя так называемый балласт. В том виде, в котором топливо поступает в топку котла, оно характеризуется рабочей массой Сp + Нp + 0p + Sp + Np + Аp + Wp = 1. Кроме рабочей различают сухую и горючую массы. Сухая масса представляет собой обезвоженную рабочую, то есть Сc + Hc + 0c + Sc + Nc + Аc = 1. Горючая масса (без влаги и золы) равна Сг + Нг + Ог + Sг + Nг = 1. Пересчет содержания компонентов с одной массы на другую производится при помощи коэффициента перевода k, равного 1–Wр–Ар или 1–Wр, например: г

Ср = Сc(1– Wр)= С (1– Wр– Aр), где Ср , Сc и Сг — содержание углерода в рабочей, сухой и горючей массах соответственно; 1– Wр — коэффициент перевода с сухой массы на рабочую; 1– Wр– Aр — коэффициент перевода с горючей массы на рабочую. Важнейшей характеристикой топлива, характеризующей его энергетическую ценность, является теплота сгорания, кДж/кг. Различают две теплоты сгорания. Высшая рабочая теплота сгорания Qв определяется с учетом тепла конденсации водяных паров, образующихся при горении топлива. Низшая рабочая теплота сгорания Qн определяется без учета этого тепла, так как продукты сгорания на выходе из газохода котла имеют температуру выше, чем температура конденсации (точка росы) содержащихся в них водяных паров. В отечественной практике в теплотехнических расчетах используют Qн. Для определения величины Qв, кДж/кг, можно использовать формулу, предложенную Д. И. Менделеевым Qв =100(339Cр +1256Hр + 109Sр – 1090р). 16

С учетом того, что в соответствии с уравнением реакции окисления водорода 4

32

36

2H2 + O2 = 2H2O, при сгорании 1 кг водорода образуется 9 кг водяного пара, а также с учетом того, что в самом топливе содержится некоторое количество влаги Wр, имеем, что тепло, унесенное с образовавшимся при горении паром Qп, равно, кДж/кг Qп = 2514(9Нр + Wр), где 2514 — теплота парообразования при атмосферном давлении, кДж/кг. Окончательно расчетное выражение для определения низшей рабочей теплоты сгорания, кДж/кг, примет вид Qн = 100(339Cр +1256Hр + 109Sр – 1090р) – 2514(9Нр + Wр). (5.1) 2. РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ГОРЮЧИХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА Горючими элементами, выделяющими тепло при горении, являются углерод, водород и сера. Считая сгорание полным (продукты сгорания состоят только из продуктов полного окисления), составим реакции окисления этих элементов: 12

32

44

C + O2 = CO2

1 кмоль 1 кмоль 22,4м3 22,29м3

32

32

64

S + O2 = SO2

4

32

36

2H2 + O2 = 2H2O

1 кмоль 1 кмоль

2 кмоль 1 кмоль 2 кмоль

22,4м3 21,89м3

22,4м3 2⋅22,4м3

Как следует из первой реакции, для полного сгорания 1 кг углерода потребуется 1/12 кмоль О2 или (22,4/12) = 1,866 м3 О2. При этом образуется объем углекислого газа СО2, равный (22,29/12) = 1,857 м3 СО2. Но в 1 кг топлива содержится не 1 кг углерода, а Ср кг, поэтому для полного сгорания всего углерода, содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 1,866Ср м3 О2, а при этом образуется 1,857Ср м3 СО2. Проведя аналогичные рассуждения для других уравнений, получим, что: — для полного сгорания всей серы в 1 кг топлива потребуется (22,4/32)Sр = 0,7Sр м3 О2, при этом образуется объем сернистого газа SO2, равный (21,89/32) = 0,683Sр м3; — для сгорания всего водорода топлива нужно затратить (22,4/4)Нр = 5,6Нр м3 О2, при этом образуется 11,2Нр м3 водяного пара Н2О. 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИ НЕОБХОДИМЫЙ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ 17

ОБЪЕМЫ ВОЗДУХА С учетом рассмотренных выше уравнений сгорания, определим объем кислорода, требующийся для полного сгорания 1 кг топлива, м3 VО2 = 1,866Cр + 0,7Sр + 5,6Hр − (1/ρО2)Ор,

ρО2 = 1,44 кг/м3 — плотность кислорода при нормальных где условиях (НУ), то есть при температуре 0 оС и давлении 0,1013 МПа; Ор — содержание кислорода в рабочей массе. Приняв процентное содержание кислорода в воздухе по объему 21 %, определим теоретически необходимый объем сухого воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, м3/кг (5.2) Vо = (1/0,21)(1,866Cр + 0,7Sр + 5,6Hр − 0,694Oр). На практике для обеспечения качественного сгорания в топку подается объем воздуха больший, чем теоретически необходимый. Это вызвано сложностью образования однородной топливо-воздушной смеси, равномерно распределенный по объему топки. Действительный объем вносимого в топку сухого воздуха равен, м3/кг V = αVо

(5.3)

α — коэффициент избытка воздуха, показывающий, во где сколько раз воздуха поступает больше, чем теоретически необходимо. Величина α определяет совершенство организации процесса сгорания. На номинальном режиме работы для вспомогательных котлов она равна 1,05—1,35 и зависит от конструкции топочного устройства. Величина α значительно влияет на экономичность котла. Низкие значения α приводят к неполному сгоранию, загрязнению поверхности нагрева и снижению экономичности котла. Высокие значения α нежелательны, так как они приводят к росту объема газообразных продуктов сгорания и к увеличению потерь тепла с уходящими газами. 4. ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Полный объем газообразных продуктов сгорания 1 кг топлива, покидающих котел, м3/кг, равен VПС = VСГ + VН2О = VRO2 + VN2 + VO2 + VH2O, (5.4) 3 где VСГ — объем сухих газов, м /кг; VH2O — объем водяного пара, м3/кг; VRO2 — объем трехатомных газов, м3/кг; VN2 — объем азота, м3/кг; VO2 — объем не использованного при горении кислорода, м3/кг. 18

Рассмотрим метод определения составляющих уравнения (5.4). Объем трехатомных газов VRO2, м3/кг, в соответствии с уравнениями окисления компонентов топлива равен (5.5) VRO2 = VСО2 + VSO2 = 1,857Ср + 0,684SP = 1,857Кр, р где К = Ср + 0,368SP — приведенный углерод топлива. Объем азота. Так как в воздухе по объему содержится 79 % азота, то в топку вносится 0,79αVо м3/кг азота. Объем азота, вносимого в топку с топливом, равен Nр/ρN2, где ρN2 = 1,25 кг/м3 — плотность азота при нормальных условиях. Полный объем азота, м3/кг, равен (5.6) VN2 = 0,79αVо + 0,8Nр. Объем неиспользованного кислорода. Часть кислорода воздуха, вносимого в топку при сгорании с α >1, в окислении участия не принимает. Следовательно, в продуктах сгорания присутствует объем не использованного при горении кислорода, равный, м3/кг (5.7) VO2 = 0,21(α − 1)Vо; Объем водяного пара складывается из влаги, внесенной с топливом, влажным воздухом и распыливающим паром. Объем водяного пара, внесенный с топливом, м3/кг, равен V т = (9Hр + Wр)/0,804; Объем пара, поступающего с влажным воздухом, м3/кг V в = 0,001⋅1,293Vod/0,804; Объем влаги, вносимой с распыливающим паром, м3/кг V ф=Gр/0,804, где 0,804 — плотность водяного пара при НУ, кг/м3; 1,293 — плотность воздуха при нормальных условиях (НУ), кг/м3; d — влагосодержание воздуха, 8—12 г/кг; Gр — расход пара на распыливание топлива, кг/кг. С учетом рассмотренного выше, полный объем водяного пара в продуктах сгорания 1 кг топлива, м3/кг, равен (5.8) VH2O = (9Нр + Wр + Gр)/0,804 + 0,00161αVоd. Действительный объем влажного воздуха, м3/кг, поступающего в топку котла, для обеспечения полного сгорания топлива, равен: Vвл = αVо(1+ 0,00161d). 5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СОСТАВЛЯЮЩИХ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

19

(5.9)

Расчет составляющих материального баланса процесса сгорания выполняют в форме табл. 5.1. Он выполняется с точностью до третьей значащей цифры. Подстановка в расчетные выражения числовых значений обязательна. Перед выполнением расчета необходимо составить схему с указанием материальных потоков сред, входящих и выходящих из топочной камеры, рис. 5.1.

Рис. 5.1. Составляющие материального баланса

Как следует из рис. 5.1, сумма масс вносимого в топку топлива, воздуха и пара равна массе образовавшихся продуктов сгорания. Уравнение материального баланса в данном случае имеет вид 1,293Vвл + 1− Ар + Gp =ρгоVПС, где

ρго — плотность продуктов сгорания при НУ, кг/м3. Отсюда плотность продуктов сгорания при НУ ρ го, кг/м3, равна ρго = (1,293Vвл + 1− Ар + Gp)/VПС. (5.10) 5.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Состав горючей массы топлива: Сг, Нг, Ог, Sг, Nг …………табл. 5.4; Зольность и влажность рабочей массы топлива Ар, Wр ……табл. 5.4; Влагосодержание воздуха, d, кг ……… принимается равным 8—12; Коэффициент избытка воздуха α ………….… по данным табл.5.4; Расход распыливающего пара Gр, кг/кг ……… по данным табл. 5.4. 5.2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА Результаты расчета удобно представлять в табличной форме, например, в виде табл. 5.1. Таблица 5.1 Параметр, Размер Формула, обозначение ность расчет Состав рабочей массы топлива 20

Рез.

Коэффициент пересчета k Содержание элементов в рабочей массы топлива: − углерод Ср

−

k = 1– Aр– Wр

−

Сгk Продолжение табл. 5.1

Параметр, обозначение

Размер ность

− водород Hр − сера Sр − кислород Oр − азот Nр Приведенный углерод Кр Низшая рабочая теплота сгорания топлива Qн

Формула, расчет Hгk

− − − − − кДж/кг

Sk Oгk Nгk Ср+0,368Sр Формула (5.1)

Теоретически необходимый объем сухого воздуха Vo

м3/кг

Формула (5.2)

Действительный сухого воздуха V

объем

м3/кг

Формула (5.3)

Действительный объем влажного воздуха Vвл

м3/кг

Формула (5.9)

Объём трехатомных газов VRO2

м3/кг

Формула (5.5)

Объем азота VN2

м3/кг

Формула (5.6)

Объем кислорода VO2 Объем водяного пара VH2O Объем сухих газов VСГ Полный объем продуктов сгорания VПС Плотность дымовых газов при НУ ρг°

3

Рез.

г

м /кг м3/кг м3/кг м3/кг

Формула (5.7) Формула (5.8) VRO2 + VN2 + VO2 Формула (5.4)

кг/м3

Формула (5.10)

После определения величин объемов газов, составляющих продукты сгорания, строится диаграмма I—t, использующаяся при последующем расчете котла. Энтальпия — количество тепла, затраченное на нагревание объема газов от температуры 0 оС до t оС. Величину энтальпии относят к объему газов, полученных в результате полного сгорания 1 кг топлива, 21

и выражают в размерности кДж/кг. Энтальпия продуктов сгорания, представляющих собой смесь различных газов, определяется как сумма произведений теплоемкостей отдельных составляющих на их объемы и температуру смеси, то есть (5.11) I = (VRO2СRO2 + VN2С N2 + V O2С O2 + VH2OСH2O)t, где СRO2, С N2, СO2, СH2O — средние объемные изобарные теплоемкости соответствующих газов, кДж/(м3·оС); t — температура газа, оС. 6. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ "ЭНТАЛЬПИЯ — ТЕМПЕРАТУРА" (I—t) Энтальпия продуктов сгорания рассчитывается по выражению (5.11) в интервале температур 0—2200 °С. Величины средних объемных изобарных теплоемкостей газов, составляющих продукты сгорания, кДж/(м3·°С), для различных температур указаны в табл. 5.2. В связи с тем, что теплоемкость сернистого газа SО2 близка к теплоемкости углекислого газа СО2, а его количество по сравнению с СО2 мало, принимается, что СRO2 = ССO2.

Таблица 5.2

о

t, С

ССO2

СN2

СO2

СH2O

200

1,787

1,299

1,335

1,522

400

1,930

1,316

1,378

1,566

800

2,131

1,367

1,450

1,668

1000

2,203

1,391

1,478

1,722

1400

2,313

1,434

1,520

1,828

1800

2,391

1,468

1,554

1,921

2000

2,422

1,482

1,569

1,962

Расчет энтальпии продуктов сгорания представлен в табл. 5.3. Таблица 5.3 t,°C

VRO СRO t, кДж/кг 2

2

VN CN t, кДж/кг 2

2

VO CO t, кДж/кг 2

2

VH OCH Ot, кДж/кг 2

2

I, кДж/кг

мм

1

2

3

4

5

6

7

200 400 … 2200

538,35 848,86 … 8527,59

2552,5 3840,6 … 32414,1

90,07 136,87 … 1190,00

490,4 739,93 … 7168,92

3671 5570 … 49300

14,7 22,3 … 197

В ее первой колонке указано текущее значение температуры продуктов сгорания, в последующих — величины произведений 22

объемов газов, составляющих продукты сгорания, на их теплоемкости и текущую температуру. В шестой колонке приведена их сумма, представляющая собой искомую энтальпию продуктов сгорания. Седьмая колонка таблицы содержит значение энтальпии в масштабе и введена с целью упрощения построения диаграммы. Масштаб диаграммы m принимается равным 250 кДж/(кг⋅мм). 7. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Варианты заданий принимаются в соответствии с порядковым номером студента в списке группы. Исходные данные приведены в табл. 5.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите химические элементы, входящие в состав топлива. Какие из них взаимодействуют с кислородом, выделяя при этом тепло? 2 . Укажите, как влияют на объем двух- и трехатомных газов величины коэффициента избытка воздуха и химический состав топлива? 3. Охарактеризуйте понятие "низшая рабочая теплота сгорания топлива", поясните от каких факторов зависит ее величина. 4. Почему объем продуктов сгорания, покидающих котел, больше объема поступающего в топку воздуха? 5. Объясните, какие факторы способствуют росту содержания в топливе воды и механических примесей? 6. Перечислите основные источники водяного пара в продуктах сгорания. 7. Как зависит экономичность котла от величины коэффициента избытка воздуха? Чем можно объяснить эту зависимость? 8. Как ведут управление качеством процесса сгорания по внешним признакам и показаниям КИП? Укажите признаки нормального сгорания. 9. Поясните понятия "полное" и "неполное" сгорание топлива. 10. Охарактеризуйте основные нарушения нормального режима горения топливовоздушной смеси. Какими причинами вызваны эти нарушения? 11. Дайте определение понятиям "теплоемкость" и "энтальпия" газа. Укажите, как они зависит от его температуры. 12. Объясните, каким образом влияет величина коэффициента избытка воздуха на величину энтальпии продуктов сгорания? 13. Поясните, от каких факторов зависит наклон диаграммы I—t? 14. Поясните, какие факторы определяют массу продуктов сгорания, полученных в результате горения 1 кг топлива?

23

Таблица 5.4 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

г

С 0,853 0,865 0,879 0,865 0,851 0,865 0,863 0,87 0,86 0,87 0,865 0,86 0,865 0,86 0,855 0,853 0,865 0,877 0,836 0,85 0,865 0,861 0,866

г

Н 0,124 0,122 0,109 0,108 0,107 0,126 0,133 0,124 0,12 0,11 0,126 0,11 0,115 0,115 0,105 0,123 0,122 0,111 0,111 0,108 0,126 0,135 0,124

г

О 0,002 0,003 0,004 0,005 0,004 0,003 0,001 0,003 0,004 0,005 0,003 0,005 0,003 0,005 0,004 0,003 0,003 0,004 0,005 0,004 0,003 0,001 0,004

Состав топлива Nг Sг 0,001 0,02 0,002 0,008 0,003 0,005 0,002 0,020 0,003 0,015 0,002 0,004 0 0,003 0,002 0,001 0,002 0,014 0,005 0,010 0,001 0,005 0,003 0,022 0,002 0,015 0,003 0,017 0,004 0,032 0,001 0,001 0,002 0,008 0,003 0,005 0,002 0,02 0,003 0,035 0,002 0,004 0 0,003 0,002 0,004

р

W 0,01 0,01 0,01 0,02 0,0015 0,01 0 0,005 0,005 0 0,005 0,003 0 0,005 0,008 0,02 0,01 0,01 0,02 0,015 0,012 0 0,005

р

A 0,001 0,0015 0,0015 0,0013 0,0015 0,0005 0,0001 0,0009 0,0012 0,005 0,007 0,003 0,001 0,0008 0,002 0,010 0,0015 0,0015 0,0013 0,0018 0,0015 0 0,0007

α 1,1 1,15 1,2 1,05 1,1 1,1 1,25 1,15 1,2 1,13 1,07 1,3 1,05 1,2 1,15 1,13 1,3 1,22 1,05 1,15 1,13 1,05 1,12

d, г/кг 10 8 9 10 12 8 10 11 9 8 10 12 11 9 10 12 9 9 11 12 8 10 9

Gp, кг/кг 0,03 0,02 0,03 0 0,01 0 0 0,04 0,02 0,02 0 0,04 0 0 0,02 0 0,02 0 0,03 0,03 0 0,01 0

Продолжение таблицы 5.4

Вариант 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

25

г

С 0,860 0,87 0,870 0,860 0,865 0,862 0,855 0,850 0,853 0,865 0,877 0,837 0,860 0,850 0,865 0,875 0,836 0,860 0,850 0,860 0,875 0,837

г

Н 0,120 0,110 0,124 0,110 0,115 0,13 0,105 0,11 0,123 0,122 0,111 0,11 0,11 0,126 0,122 0,113 0,111 0,11 0,126 0,122 0,113 0,11

г

О 0,004 0,005 0,003 0,005 0,003 0,005 0,004 0,004 0,003 0,004 0,003 0,005 0,004 0,003 0,004 0,003 0,005 0,004 0,003 0,009 0,004 0,005

Состав топлива Nг Sг 0,001 0,015 0,005 0,010 0,001 0,002 0,003 0,022 0,002 0,0015 0,003 0,017 0,003 0,033 0,004 0,032 0,001 0,001 0,001 0,008 0,004 0,005 0,002 0,02 0,004 0,022 0,001 0,001 0,001 0,008 0,004 0,005 0,002 0,02 0,004 0,022 0,001 0,001 0,001 0,008 0,003 0,005 0,002 0,02

р

W 0,007 0 0,005 0,004 0 0,006 0,009 0,008 0,022 0,01 0,015 0,01 0,008 0,022 0,01 0,015 0,01 0,008 0,022 0,01 0,015 0,01

р

A 0,0012 0,005 0,009 0,0035 0,001 0,0009 0,0028 0,002 0,015 0,0015 0,002 0,0013 0,002 0,015 0,002 0,002 0,0013 0,002 0,015 0,002 0,002 0,0013

α 1,2 1,13 1,05 1,22 1,05 1,2 1,14 1,18 1,15 1,3 1,28 1,05 1,28 1,15 1,35 1,28 1,05 1,28 1,15 1,3 1,28 1,05

d, г/кг 9 10 10 12 11 9 8 10 11 9 10 11 12 10 9 8 10 12 10 9 8 12

Gp, кг/кг 0 0,04 0 0,03 0,03 0,02 0 0,025 0,01 0,02 0,025 0,03 0,025 0,01 0 0,025 0,03 0,025 0,01 0 0,015 0,03

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КОТЛА Цель занятия: изучить и практически освоить методику составления теплового баланса вспомогательного парового котла и определения величины тепловых потерь. Задание: 1. В соответствии с предложенным вариантом (табл. 6.3) составить предварительный тепловой баланс котла. 2. Определить расход котлом топлива и температуру уходящих из него газов. 3. Построить в масштабе ленточную диаграмму распределения составляющих теплового баланса рассчитанного котла (по типу рис. 6.1). 4. Найти, насколько изменится суточный расход топлива при увеличении КПД котла на 1 % по сравнению с заданным. Определить экономический эффект, считая стоимость 1 т топлива равной 220—250 условным единицам. 1. ПРИХОД И РАСХОД ТЕПЛА В ПАРОВОМ КОТЛЕ Тепловой баланс котла, является выражением закона сохранения энергии, представляет собой равенство между приходом и расходом тепла в паровом котле. Составление теплового баланса (ТБ) позволяет определить расход котлом топлива, найти величины тепловых потерь и температуры уходящих газов. Тепловой баланс составляется относительно 1 кг сгоревшего топлива, при этом его составляющие имеют размерность кДж/кг, или применительно к секундному расходу топлива. В последнем случае они имеют размерность кВт. На установившемся режиме работы котла приход тепла, то есть тепло, выделяющееся в топке, равен его расходу, то есть сумме полезно использованного тепла и тепловых потерь. Приход тепла (то есть тепло, вносимое в топку) равен, кДж/кг (6.1) Q н + Q т + Q ф + Q в, где Qн — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Qт — тепло, внесенное с горячим топливом, кДж/кг; Qф — тепло, вносимое с распыливающим паром, кДж/кг; Qв — тепло, вносимое с воздухом, кДж/кг. Сумма Qр = Qн + Qт + Qф называется располагаемым теплом. 55

Рассмотрим составляющие выражения (6.1): — тепло, внесенное с топливом, кДж/кг, равно Qт= Cт tт = (1,8÷1,9)tт ,

(6.2)

tт — температура подогрева топлива, 60—120 °С; Cт — теплоемкость топлива, кДж/(кг °С). — тепло, внесенное с паром, подаваемым в паромеханическую форсунку для распыливания топлива, кДж/кг (6.3) Qф = Gр(iр – 2514), где ip — энтальпия распыливающего пара (влажного насыщенного iх), кДж/кг. — тепло, вносимое с воздухом, кДж/кг, равно (6.4) Qв = VвлCвtв, где Cв — объемная теплоемкость воздуха, 1,32 кДж/(м3·оС); tв — температура воздуха, поступающего в топку, оС. Расход тепла в котле складывается из полезно использованного тепла Q1 (полезной тепловой мощности) и суммы тепловых потерь. В том случае, если котел производит влажный насыщенный пар, его полезная тепловая мощность равна, кВт где

Q1= Dк(iх – iпв) + Dпр(i′ – iпв),

(6.5)

где iх, iпв, i′ — энтальпии влажного насыщенного пара, питательной воды и воды в состоянии насыщения (кипящей), кДж/кг; Dпр — количество продуваемой из котла воды, кг/с, равное 0,5—2 % от паропроизводительности Dк. Тепловые потери, возникающие при работе котла, складываются из потери от неполноты сгорания, потери тепла с уходящими газами и потери тепла в окружающую среду через обшивку котла. Потеря тепла от неполноты сгорания вызвана наличием в уходящих газах продуктов неполного окисления горючих компонентов топлива. Относительная потеря тепла от неполноты сгорания q3 в расчетах принимается равной 0,5 %. Абсолютная потеря тепла от неполноты сгорания, кДж/кг, равна (6.6) Q3 = (q3Qp)/100. Потеря тепла в окружающую среду объясняется тем, что температура наружного кожуха котла превышает температуру окружающей среды. Относительная потеря тепла в окружающую %, находится в обратной зависимости от среду q5, паропроизводительности котла и может быть найдена по эмпирической зависимости: (6.7) q5 = 2,6/Dк0,448 , где Dк — паропроизводительность котла, кг/с, 56

или принята равной 1,5—4 % (большие значения характерны для котлов небольшой паропроизводительности). Абсолютная потеря тепла в окружающую среду, кДж/кг, равна (6.8) Q5 = (q5Qp)/100. Для котлов, имеющих однослойную обшивку, q5 следует принимать на 20—25 % больше, чем для котлов с двухслойным кожухом. При выполнении теплового расчета котла потерю тепла q5 учитывают при помощи коэффициента сохранения тепла

ϕ = 1 − q5/(q5 +ηк),

(6.9)

ηк — КПД котла, %. Потеря тепла с уходящими газами является наибольшей. Ее относительная величина q2 равна 4—25 % в зависимости от типа котла. Эта потеря тепла обусловлена тем, что газы, покидающие котел, имеют температуру выше, чем окружающая среда. Величина q2 определяется типом и конструкцией котла, она наиболее низка у котлов с развитыми дополнительными поверхностями нагрева. Абсолютная потеря тепла с уходящими газами, кДж/кг, равна (6.10) Q2 = (q2Qp)/100. Зная величину потери тепла с уходящими газами, можно определить энтальпию продуктов сгорания, покидающих котел, кДж/кг (6.11) Iух = Q2 + Qв, где Qв — тепло, внесенное в топку с воздухом, кДж/кг. где

2. УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Равенство прихода и расхода тепла в котле на установившемся режиме работы может быть записано в виде уравнения прямого теплового баланса, имеющего вид (6.12) Qн + Qт + Qф + Qв = Q1 + Q3 + Q5 + Iух, где Q1 — полезно использованное тепло, кДж/кг; Q3 — потеря тепла от неполноты сгорания топлива, кДж/кг; Q5 — потеря тепла через обшивку в окружающую среду, кДж/кг; Iух — энтальпия уходящих газов, кДж/кг. С учетом равенства Qр= Qн + Qт + Qф уравнение (6.12) можно представить в виде (6.13) Qр = Q1 + Q3 + Q5 + Iух – Qв или Qр = Q1 + Q2 + Q3+ Q5 57

Q2 = Iух – Qв — потеря тепла с уходящими газами, кДж/кг; Разделив обе части уравнения (6.13) на Qр, получим уравнение прямого теплового баланса, выраженное в относительных единицах где

100 = ηк + q2 + q3 + q5 = ηк + ∑qпот. где

(6.14)

ηк — КПД котла, %; ∑qпот — сумма тепловых потерь, %. КПД котла ηк называется отношение его полезной тепловой

мощности к мощности, выделившейся в топке при горении топлива, выраженное в процентах

ηк = 100Q1/(BQр),

(6.15)

где

В — расход топлива, кг/с. Способ определения КПД по уравнению (6.15) называется методом прямого баланса. Им пользуются в процессе поверочного или проектного расчета котла, а также при теплотехнических испытаниях, когда известны расходы и температуры рабочих сред. КПД котла может быть определен при помощи уравнения обратного баланса, имеющего вид

ηк = 100 – (q2 + q3 + q5), (6.16) q1, q2, q3 — относительные потери тепла, %. Методом обратного баланса пользуются тогда, когда расходы рабочих сред определить сложно, а также для проверки правильности определения КПД по прямому балансу. Расход топлива, кг/с, при известном или заданном КПД равен где

В = 100Q1/(ηкQp).

(6.17)

3. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА При составлении теплового баланса используют данные, полученные в предыдущем практическом занятии, а также предварительно построенную диаграмму I—t. Расчет составляющих теплового баланса производят в форме табл. 6.1. Распределение рассчитанные составляющих баланса представляют в виде диаграммы, показанной на рис. 6.1. Перед выполненим расчетов необходимо изобразить схему рассчитываемого котла (его тип указан в табл. 6.2, описание и схемы приведены в учебной и справочной литературе). На схеме следует указать параметры рабочих сред: расходы, температуры и энтальпии воды, воздуха, пара и отработавших газов. 58

Исходные данные: — рабочее давление пара в котле Рк, МПа; — паропроизводительность котла Dк, кг/с; — температура насыщения ts,°С (таблицы воды и пара по Рк); — температура питательной воды tпв, °С; — температура подогрева топлива tт, °С; — энтальпия воды в состоянии насыщения i', кДж/кг (принимается по таблицам воды и пара по Рк); — энтальпия сухого насыщенного пара i″, кДж/кг (там же); — энтальпия питательной воды iпв, кДж/кг (там же или iпв= 4,19tпв); — энтальпия распыливающего пара iр, кДж/кг (принимается iх); — влажность пара у, %; — норма продувки Р, % (принимается 0,5—2).

Рис. 6.1. Ленточная диаграмма распределения составляющих теплового баланса вспомогательного котла Таблица 6.1 Параметр, обозначение

Разм.

Потеря тепла в окружающую среду q5 Потеря тепла от неполного сгорания q3

% % % КПД котла ηк Потеря тепла с уходящими газами q2 % Тепло, внесенное с воздухом Qв кДж/кг Тепло, внесенное с топливом Qт кДж/кг Тепло, внесенное с распыливающим кДж/кг паром Qф Располагаемое тепло Qр

кДж/кг

Формула, расчет

Рез.

Формула (6.7) Принимается 0,5 % Задан 100 − (ηк + q3 + q5) Формула (6.4) Формула (6.2) Формула (6.3) Qн + Qт + Qф

Продолжение таблицы 6.1

59

Разм.

Формула, расчет

кДж/кг

Qр(q2/100) + Qв

Температура уходящих газов tух

°С

Диаграмма I—t по Iух

Коэффициент сохранения тепла ϕ Количество продуваемой воды Dпр

—

Формула (6.9)

кг/с

DкP/100

кДж/кг кДж/кг

4,19tпв ⎛ 100 − y ⎞ ⎛ y ⎞ ⎜ ⎟i'' + ⎜ ⎟i' ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠

Полезная тепловая мощность Q1

кВт

Формула (6.5)

Расходы топлива В1 и В2

кг/с

Формула (6.17) для КПД ηк и (ηк + 1) 24·3600(В1 – В2)

Параметр, обозначение

Энтальпия уходящих газов Iух

Энтальпия питательной воды iпв Энтальпия влажного насыщенного пара iх

Суточная экономия топлива ΔВ

кг/сут

Экономический эффект от экономии топлива Э Испарительная способность топлива u

руб.

Рез.

С учетом стоимости топлива Dк /B

кг/кг

Минимальная температура уходящих °C 130(100Sр)0,2 газов (температура точки росы) tр Минимально допустимая температура °С tp + (15÷20) уходящих газов tmin Минимальная энтальпия уходящих кДж/кг Диаграмма I—t по tmin газов Imin Минимальная потеря тепла с % 100(Imin – Qв)/Qр уходящими газами q2min % 100 – (q2 min + q3 + q5) Максимально достижимый КПД котла

ηк max *

Максимально достижимый КПД котла ηк max показывает возможный предел его тепловой эффективности котла при отсутствии низкотемпературной (сернокислотной) коррозии поверхности нагрева. *

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Варианты заданий представлены в табл. 6.2. Таблица 6.2 Вар иан т 1 2 3

Тип котла

Рк, МПа

Dк, кг/с

η к,

КВВА 2,5/5 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7

1,0 0,7 0,5

0,72 0,4 0,45

78,5 80,5 80,0

60

%

tт, С

о

40 75 95

tв, С

tпв, о С

Влажность у, % 20 50 1,0 23 55 1,5 25 60 2,0 Продолжение табл. 6.2 о

Вар иан т 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Тип котла

Рк, МПа

Dк, кг/с

η к,

КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 2,5/7 КАВ 2,5/7 КАВ 2,5/7 КАВ 2,5/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 10/16 КАВ 10/16 КВВА 2,5/5 КВВА 2,5/5 КВВА 1,5/5 КВВА 1,5/5 КВВА 12/15 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7

0,6 0,5 0,7 0,6 0,5 0,7 0,7 0,5 0,6 0,7 0,5 0,7 0,6 0,7 1,5 1,6 0,5 0,6 0,5 0,6 1,5 1,2 0,5 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 0,5 1,0 0,6 1,0 0,5 1,0 1,5 1,0 0,5 1,0 0,7 1,0

0,45 0,42 0,69 0,65 0,6 0,69 1,11 1,0 1,11 0,88 1,75 1,55 1,4 1,75 2,78 2,5 0,69 0,65 0,42 0,38 3,33 3,0 0,18 1,0 0,88 1,75 0,18 3,5 0,18 1,1 0,98 1,85 0,17 1,1 0,78 1,7 0,18 3,2 0,22 1,13 0,95 1,78

80,0 81,0 79,0 80,0 80,5 79,5 79,0 80,0 80,5 81,0 80,0 80,5 81,0 79,0 78,0 79,0 79,0 79,5 78,5 79,5 78,0 78,5 82,5 80,5 80,5 80,5 83,5 78,8 82,0 80,8 80,5 81,5 82 81,0 81,5 80,5 82,5 78,8 83,0 80,5 80,7 81,5

%

tт, С

о

90 105 110 45 87 95 135 102 130 115 90,0 90 107 100 65 30 35 120 110 125 75 85 90 105 115 130 45 90 90 100 105 120 92 105 105 110 55 90 80 100 100 120

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

61

о

tв, С

tпв, о С

32 16 19 22 27 24 30 30 28 28 25 24 26 30 25 25 22 20 21 22 27 25 25 22 24 32 20 23 21 23 24 30 25 22 24 32 21 20 20 20 25 30

45 50 55 55 65 60 65 55 60 55 50 55 50 60 65 55 50 50 55 65 62 68 55 60 55 50 55 58 57 67 62 58 55 55 55 53 55 55 57 67 62 58

Влажность у, % 0,5 1,5 1,0 0,5 0,8 1,2 2,5 2,0 0,7 1,2 2,0 0,5 1,0 1,5 2,5 2,5 1,5 1,0 0,5 1,5 1,0 2,5 2,5 0,5 0,5 1,0 1,0 2,0 1,5 1,5 0,5 1,0 2,0 1,5 0,5 1,0 1,0 2,0 1,5 1,5 0,5 1,0

1. Поясните, из каких составляющих складывается тепловой баланс вспомогательного котла? 2. Назовите тепловые потери, наблюдающиеся при работе вспомогательного котла, укажите конструктивные и эксплуатационные способы их уменьшения. 3. Запишите уравнения прямого теплового баланса, поясните входящие в него величины. 4. Поясните, как изменяются составляющие теплового баланса котла при изменении его нагрузки? 5. Дайте определения КПД котла. Назовите основные конструктивных и эксплуатационные способы его увеличения. 6. Поясните, что такое "энтальпия влажного насыщенного пара", от каких факторов она зависит? 7. Объясните физический смысл понятия "испарительная способность топлива". Как связаны между собой величины расхода топлива, КПД и испарительной способности? 8. Почему следует ограничивать температуру уходящих из котла газов? 9. Как изменится паропроизводительность котла в случае снижения температуры питательной воды? 10. Объясните, как влияет величина коэффициента избытка воздуха на величины тепловых потерь вспомогательного котла и его КПД? 11. Назовите область применения уравнений прямого и обратного теплового балансов вспомогательного котла.

62

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС УТИЛИЗАЦИОННОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Цель занятия: изучить методику и особенности составления предварительного теплового баланса утилизационной котельной установки с принудительной циркуляцией, оценить эффективность использования тепла отработавших газов судовых дизелей. Задание: 1. Определить паропроизводительность по насыщенному пару утилизационной котельной установки, показанной на рис. 7.1. Найти приращение эффективного КПД дизельной СЭУ за счет утилизации тепла уходящих газов. Исходные данные приведены в табл. 7.2. 2. Найти максимальную величину коэффициента использования тепла в утилизационной установке, соответствующую максимально допустимой температуре уходящих газов за котлом. 3. Определить энтальпию, температуру и расход воды, пара и пароводяной смеси на участках утилизационной установки 1, 2, 3, 4. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Уходящие газы судовых дизелей, работающих на нагрузках, близких к номинальной, имеют температуру 350—450 °С. С ними в окружающую среду теряется 17—35 % тепла сгоревшего в цилиндрах топлива. Использование части этого тепла в утилизационной котельной установке позволяет значительно повысить экономичность энергетической установки судна в целом. Тепло уходящих газов не может быть полностью использовано по следующим причинам: — температура газов на выходе из утилизационного котла должна быть не ниже 160—170 °С, то есть температуры точки росы паров раствора серной кислоты, образовавшихся при горении сернистого топлива. Это позволит предотвратить развитие кислотной коррозии; — температура греющей среды (газов) должна быть выше температуры обогреваемой среды (пароводяной смеси) не менее, чем на 30—50 °С, в противном случае теплообмен будет протекать неэффективно; — чрезмерное развитие поверхности нагрева котла приведет к увеличению его габаритов, массы и стоимости; — аэродинамическое сопротивление утилизационного котла должно быть не более 3 000 Па для двухтактного и 5 000 Па для 63

четырехтактного дизеля. Его увеличение выше указанных пределов из-за загрязнения поверхности нагрева продуктами сгорания влечет за собой ухудшение процессов газообмена в ДВС и снизит их эффективность, а также вызовет рост тепловой напряженности. Минимально допустимая температура газов за утилизационным котлом может быть принята равной, °С (7.1) tmin = tp + (15÷20), tр — температура точки росы паров серной кислоты, °С. Обычно в утилизационных котельных установках, производящих насыщенный пар, разность температур газов на входе в котел tг и на выходе из него tух составляет 100—150 оС. Глубину использования тепла в утилизационном котле можно оценить при помощи коэффициента использования тепла

где

ψ = 1– (Iух /Iг),

(7.2)

или, считая теплоемкость продуктов сгорания постоянной

ψ = (tг– tух )/tг, (7.2.1) где Iг, Iух, tг, tух — энтальпии и температуры газов на входе в утилизационный котел и за ним соответственно, °С. Располагаемое тепло газов, которое теоретически можно использовать в утилизационном котле, составляет (7.3) Qук = ϕq2geNeQн/3600, где q2 — потеря тепла с уходящими газами ДВС, составляющая для разных типов дизелей 0,17—0,36; ge — средний удельный эффективный расход топлива двигателем на данном режиме, кг/(кВт⋅ч); Ne — эффективная мощность ДВС, кВт; ϕ — коэффициент сохранения тепла. Полезная тепловая мощность утилизационного котла Q1, кВт, определяется с помощью уравнения теплового баланса по газовой стороне, записываемого как (7.4) Q1= ϕB(Iг – Iух), В — секундный расход топлива через двигатель, кг/с, равный В = geNе/3600. (7.5) Паропроизводительность утилизационного котла, кг/с, на данном режиме составит (7.6) Dк = Q1/(ix – iпв), где ix — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг; iпв — энтальпия питательной воды, кДж/кг. где

64

2. УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА Применительно к утилизационному котлу уравнение теплового баланса может быть записано в виде (7.7) ВIг = Q1+ B(Q5 + Iух), где Q1 — полезная тепловая мощность котла, кВт, равная (7.8) Q1=Dк(ix – iпв), В относительных единицах уравнение теплового баланса может быть представлено в виде 100 = ηук + q2 + q5 где

(7.9)

ηук — условный КПД утилизационного котла, %, равный ηук = 100Q1/(IгB). (7.10)

Энтальпия газов на выходе из котлa Iух, кДж/кг, определяется по выражению (7.11) Iух = Iг – Q1/(Вϕ), после чего при помощи диаграммы I—t находят искомую температуру уходящих газов tух. Оценку эффективности использования тепла в дизельной СЭУ можно произвести при помощи коэффициента использования тепла Θ, %. Он представляет собой отношение тепла, полезно использованного в утилизационном котле, к количеству тепла, выделившемуся в цилиндрах дизеля при сгорании топлива

Θ = 100Q1/(BQн).

(7.12)

Θ представляет собой приращение полезно Величина использованного в СЭУ тепла с учетом утилизации части тепла выхлопных газов ДВС. Утилизационная установка, показанная на рис. 8.1, работает с принудительной циркуляцией воды. Энтальпия (а значит и температура) циркуляционной воды на входе в котел iц, кДж/кг, определяется из уравнения материального и теплового баланса для сепаратора пара

iц =

(k − 1)i' + iпв , k

(7.13)

где k — коэффициент кратности циркуляции, равный отношению массового расхода циркулирующей воды к количеству пара, образовавшегося за это же время. Его величина, в среднем, составляет 4—8. Тепловая мощность утилизационного котла, кВт, определенная со 65

стороны пароводяного пространства, составляет Q1 = kDк(iсм – iц).

(7.14)

3. СОСТАВЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА УТИЛИЗАЦИОННОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Расчетная схема установки показана на рис. 7.1. В расчетах используется диаграмма I—t продуктов сгорания, представленная на рис. 7.2. При составлении теплового баланса утилизационного котла необходимо учитывать падение температуры выхлопных газов на пути от ДВС до котла, которое в изолированном газоходе составляет примерно 1,0—1,5 °С на один метр его длины. Исходные данные: — давление в сепараторе пара Рк , МПа (задано); — температура газов на выходе из котла tух,°С (принимается); — норма продувки Р, % (принимается 0,5—2 %); — температура насыщения ts, °С (таблицы воды и пара по Рк); — температура питательной воды tпв, °С (задана); — энтальпия кипящей воды i', кДж/кг (таблицы воды и пара по Рк); — энтальпия питательной воды iпв, кДж/кг (4,19 tпв); — энтальпия сухого насыщенного пара i", кДж/кг (таблицы воды и пара по Рк); — влажность пара у, % (принимается 1—3 %); — эффективная мощность дизеля Nе, кВт (задана); — средний удельный эффективный расход топлива через двигатель ge, кг/(кВт⋅ч) (задан); — низшая рабочая теплота сгорания топлива Qн, кДж/кг (принимается равной 40 000—42 500); — температура выхлопных газов ДВС tд , °С (задана); — кратность циркуляции k (принимается равной 3—8).

66

Рис. 7. 1. Схема утилизационной котельной установки Таблица 7.1 Параметр, обозначение

Разм.

Формула, расчет

Расход топлива через ДВС В Эффективный КПД ДВС ηe Потеря тепла в окружающую среду q5 Коэффициент сохранения тепла

кг/с % %

Формула (7.5) 100·3600/(geQн) Принимается 2—4 %

—

(100 – q5)/100

ϕ

Температура газа перед котлом tг °С Энтальпия газа перед котлом Iг кДж/кг Температура газов за котлом tух

°С

Энтальпия газов за котлом Iух кДж/кг Тепловая мощность котла со кВт стороны хода газов Q1 Энтальпия влажного кДж/кг насыщенного пара iх Энтальпия питательной воды iпв Паропроизводительность Dк Условный КПД котла ηук

кДж/кг кг/с %

tд − (10÷15)

Диаграмма I—t (рис. 7.2) Принимается по данным п. 1 Диаграмма I—t (рис. 7.2) Формула (7.4)

⎛ 100 − y ⎞ ⎛ y ⎞ i' ⎜ ⎟ ⎟ + i'' ⎜ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ 4,19tпв Формула (7.6) Формула (7.10)

Приращение эффективного КПД % Формула (7.12) дизельной СЭУ Θ КПД СЭУ с учётом утилизации % ηе + Θ тепла ηдэу °С Формула (7.1), где tр Минимально допустимая температура уходящих газов tmin принимается по ПЗ 6 Минимальная энтальпия кДж/кг Диаграмма I—t (рис. 7.2 уходящих газов Imin по tmin) кг/с Максимальная Bϕ (Iг − Imin)/(iх − iпв) паропроизводительность Dmax Формула (7.13) Энтальпия циркуляционной воды кДж/кг на входе в котел iц Температура циркуляционной °С Таблицы воды и водяного воды tц пара по iц Формула (7.8) при Dк = Максимальная тепловая кВт Dmax мощность котла Qmax

67

Рез.

%

Максимально возможное приращение эффективного КПД дизельной СЭУ Θmax

Формула (7.12) при Qmax

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Исходные данные для расчетов приведены в табл. 7.2, схемы утилизационных котлов представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Диаграмма I—t составления теплового баланса утилизационного котла Таблица 7.2 Вариант

Ne, кВт

ge, кг/(кВт⋅ч)

tд , °C

PК , ВаМПа риант

1 2 3 4 5 6

1100 3800 4850 7900 1000 3200

0,210 0,202 0,205 0,193 0,220 0,196

470 445 450 430 460 4400

0,5 0,6 1,5 0,8 0,5 0,7

7

10500

0,185

430

0,8

68

Ne , кВт

ge , кг/(кВт⋅ч)

tд , °C

PК , МПа

24 25 26 27 28 29

3000 10500 3250 5000 3200 6920

0,195 0,185 0,215 0,188 0,195 0,182

450 440 460 435 443 430

0,8 0,8 0,5 0,6 0,5 0,7

30

4000

0,205

460

0,5

8 9 10 11

2950 5300 6920 936

0,205 0,186 0,192 0,212

465 425 430 455

0,5 0,5 0,7 0,5

31 32 33 34

3200 5700 1050 3250

0,195 0,220 0,203 0,195

410 385 365 400

0,5 1,5 1,3 0,5

Продолжение табл. 7.2 Вариант

Ne, кВт

ge, кг/(кВт⋅ч)

tд , °C

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

3200 4200 3350 8900 4200 3450 8500 1200 3800 5850 7000 1550

0,203 0,185 0,180 0,180 0,188 0,180 0,192 0,215 0,190 0,205 0,195 0,222

470 462 430 440 380 350 375 475 445 455 425 466

PК , ВаМПа риант

0,6 0,6 0,7 1,0 0,6 0,8 1,0 0,5 0,7 0,8 0,8 0,6

35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Ne , кВт

ge , кг/(кВт⋅ч)

tд , °C

PК , МПа

5600 1205 2000 4550 7800 1100 3200 10000 3000 5500 6900

0,220 0,220 0,198 0,210 0,197 0,225 0,206 0,195 0,201 0,185 0,211

390 420 380 410 420 440 385 420 445 420 425

1,5 0,5 0,6 0,9 0,8 1,0 0,7 0,8 1,0 1,0 0,5

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте величины, входящие в приходную и расходную части теплового баланса утилизационного котла. 2. Поясните, в чем заключается экономическая целесообразность утилизации тепла уходящих газов судовых дизелей? 3. Назовите и охарактеризуйте различные способы регулирования паропроизводительности утилизационных котлов. 4. Поясните, какие факторы ограничивают глубину утилизации тепла отработавших газов судовых дизелей? 5. Как влияет величина рабочего давления пара в утилизационных котлах на глубину утилизации тепла? 6. Назовите конструктивные и эксплуатационные способы увеличения глубины утилизации тепла.

69

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8 ТЕПЛООБМЕН ВО ВСПОМОГАТЕЛЬНОМ КОТЛЕ Цель занятия: приобретение практических навыков расчета теплообмена в топке и испарительной поверхности нагрева судового вспомогательного котла. Задание: 1. Определить тепловую мощность топки котла и температуру газа на выходе из нее. 2. Найти величину коэффициента теплопередачи от газа к воде для испарительной поверхности нагрева, определить ее основные геометрические характеристики (среднюю длину труб, количество рядов труб). 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛООБМЕНЕ Тепло топлива, сгорающего в топке, передается к воде и пару излучением и конвекцией в топке и в конвективных поверхностях нагрева (испарителе, экономайзере, воздухоподогревателе). В топке основным способом передачи тепла является излучение (радиация). Топка рассматривается как система серых тел. Излучающим телом в ней является факел, поглощают тепло ее стенки, образованные экранными трубами и теплоизоляцией. Задачей расчета теплообмена в топке является определение ее тепловой мощности Qл и температуры газа на выходе tзт. Тепловая мощность топки, кВт, равна (8.1) Qл = Вϕ(Iа – Iзт), В — расход топлива, кг/с; ϕ — коэффициент сохранения тепла; Iа — теоретическая энтальпия газа в топке, кДж/кг; Iзт — энтальпия газов на выходе из топки, кДж/кг. Теоретическая энтальпия определяется при условии отсутствия теплообмена между газами и топочными экранами. Она равна где

70

(8.2) Ia = Qв + Qт + Qф + Qн(100 – q3)/100, Теоретической энтальпии соответствует теоретическая (адиабатная) температура горения tа, определяемая по ранее построенной диаграмме I—t. Эта же диаграмма используется для нахождения энтальпии газов на выходе из топке по известной их температуре tзт. При расчете теплообмена в топке учет влияющих на него факторов производится при помощи безразмерного комплекса, носящего название топочного критерия или критерия Больцмана Во, равного (8.3) Во = ВϕVпсCср/(5,67⋅10—11Hл(ta + 273)3), где VпсCср — средняя весовая теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг оС); Hл — площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева (экранов), м2. Величина средней весовой теплоемкость продуктов сгорания VпсCср зависит от температуры газа на выходе из топки tзт, которая является неизвестной: VпсCср = (Iа – Iзт)/ (tа – tзт), (8.4) поэтому расчет теплообмена в топке ведется методом последовательных приближений. Для этого задаются в первом приближении значением температуры газа за топкой tзт из интервала 1200—1350 оС. Расчетная температура газа на выходе из топки, оС, равна tзт′ = Θзт(ta + 273) – 273,

(8.5)

где Θзт — безразмерная температура газа на выходе из топки, величина которой зависит от критерия Больцмана Во и связана с ним соотношением

Θзт = 1 – 0,25/Во0,25.

(8.6)

Рассчитанное по уравнению (8.5) значение tзт′ сравнивают с ранее принятой tзт . Если расхождение между ними не превышает ±50 оС, то расчет считают законченным. В противном случае делают второе приближение, для чего принимают величину tзт′′ равной, оС tзт′′ = (tзт′ + tзт)/2. В пучках испарительных труб и дополнительных поверхностях нагрева теплообмен протекает преимущественно конвекцией. В основу расчета конвективного теплообмена положено совместное решение трех уравнений для определения для определения тепловой мощности поверхности нагрева: со стороны хода газов, со стороны пароводяного пространства и теплопередачи. 71

Указанные уравнения для испарительных труб имеют вид: — тепловой мощности со стороны хода газов, кВт (8.7) Qи = Bϕ(Iа – Iзт); — тепловой мощности со стороны пароводяного пространства, кВт Qи = Dк(iх – iпв) – Qл; (8.8) — теплопередачи, кВт Qи = 100–3kHиΔt, (8.9) где k — коэффициент теплопередачи, Вт(м2·оС); Hи — площадь испарительного пучка труб, м2; Δt — температурный напор, оС. Коэффициент теплопередачи представляет собой удельную тепловую мощность, то есть количество тепла, передаваемое в секунду через поверхность нагрева площадь 1 м2 при разности температур теплообменивающихся сред в 1 оС. Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·оС), для испарительной поверхности нагрева определяется по выражению k = 1/(1/α1 + Σ(δ/λ) + α2).

α1 — коэффициент теплоотдачи от газов к наружной стенки где трубы, Вт/(м2·оС); Σ(δ/λ) — сумма термических сопротивлений слоев нагара, металла и накипи, образующих теплопередающую поверхность (δ — толщина слоя, м; λ — теплопроводность слоя, Вт/(м·оС)); α2 — коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к пароводяной смеси, Вт/(м2·оС). Термическое сопротивление металла δм/λм незначительно, сопротивлением слоя накипи δн/λн можно пренебречь, так как при качественной водоподготовке накипь в котле практически отсутствует. Таким образом, основным является термическое сопротивление слоя нагара, которое можно представить в виде коэффициента загрязнений ε, м2·оС/Вт, равного ε = δнаг/λнаг. Коэффициент загрязнений для испарительной поверхности нагрева котла равен 0,003—0,01 м2·оС/Вт. Величина коэффициента теплоотдачи от внутренней стенки трубы к пароводяной смеси α2 в сотни раз выше, чем коэффициента теплоотдачи от газов к наружной стенке трубы. Поэтому величиной 1/α2 при расчетах пренебрегают. С учетом всего изложенного, выражение для определения коэффициента теплопередачи для испарительных труб принимает вид k = 1/(1/α1 + ε). 72

Испарительная поверхность нагрева водотрубных котлов выполняется из цельнотянутых труб. В качестве материала труб используется сталь марок 10К, 15К, 20К. Наружный диаметр труб d принимается равным 0,029, 0,032, 0,038 м при толщине стенки не менее 0,0025 м. Трубы компонуются в пучки коридорного или шахматного строения. Геометрия трубных пучков характеризуется следующими параметрами: — поперечный шаг труб S1, м; — продольный шаг труб S2, м; — диагональный шаг S2′, м; — относительный поперечный шаг σ1 = S1/d, м; — относительный продольный шаг σ2 = S2/d, м; — относительный диагональный шаг σ2′ = S2′/d, м; Компоновка трубных пучков показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Строение трубного пучка

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА Наружный диаметр испарительных труб водотрубного котла d принимается равным 0,029 м. Величины относительных шагов труб для водотрубных котлов определяются из соотношений: (8.10) S 1 = (1,4÷1,6)d; S 2 = (1,4÷1,6)d. Компоновка трубного пучка принимается шахматной. Для газотрубных котлов типа КГВ (КВА) внутренний диаметр дымогарных труб равен 0,032 м. Для них величины Z1, Z2 и Нр не определяются, а находится общее количество труб Z, составляющих поверхность нагрева Z = Hи /πLтdвн. 73

Исходные данные: лучевоспринимающая поверхность нагрева Нл, м2 (задана); конвективная поверхность нагрева Ни, м2 (задана); объем топки Vт, м3 (задан); количество рядов труб Z2 (задано); температура уходящих газов tух, оС (ПЗ 6); температура насыщения ts, оС (ПЗ 6); энтальпия влажного насыщенного пара и питательной воды iх, iпв, кДж/кг (ПЗ 6). Методика расчета приведена в табл. 8.1.

— — — — — — —

Параметр, обозначение

Разм. о

Таблица 8.1 Формула, расчет Рез.

Температура газов за топкой tзт Энтальпия газов за топкой Iзт

С кДж/кг

Принимается 1200—1350 Диаграмма I—t

Теоретическая энтальпия продуктов сгорания Iа Теоретическая температура горения tа Тепловая мощность топки Qл

кДж/кг

Формула (8.2)

о

С

Диаграмма I—t

кВт

Формула (8.1) о

Средняя теплоемкость кДж/кг С продуктов сгорания VпсCср Критерий Больцмана Во —

Формула (8.4) Формула (8.3)

Безразмерная температура газа на выходе из топки Θзт Расчетная температура газа на выходе из топки t′зт

—

Формула (8.6)

о

Формула (8.5)

Разность температур газов Δt

o

С

Уточненная мощность Qл*

кВт

tзт – t′зт. Если Δt ± 50 оС, сделать второе приближение Формула (8.1) с Iзт′

Паропроизводительность топочных экранов Dэ Длина топки Lт

кг/с

Qл*/(iх – iпв)

м

Vт0,33

Тепловая мощность испарительной поверхности Qи Температурный напор в испарительной поверхности Δt

кВт

Bϕ(Iа – Iух) – Qл*

Коэффициент теплопередачи k

Вт/(м2оС)

Шаги труб S1, S2 Количество труб в одном ряду Z1

C

о

С

м шт.

74

(tзт – tух)/ln[(tзт – ts)/(t ух– ts)] 1000Qи /ΔtНи Формула (8.10), рис. 8.1 Lт /S1 (округлить до целого)

Площадь одного ряда труб Нр

м2

Ни /Z2

Средняя длина труб испарительного пучка Lср

м

Нр /(πdZ1)

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Вариан т 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Тип котла КВВА 2,5/5 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 2,5,7 КАВ 2,5/5 КАВ 2,5/7 КАВ 2,5/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 10/16 КАВ 10/16 КВВА 2,5/5 КВВА 2,5/5 КВВА 1,5/5 КВВА 1,5/5 КВВА 12/15 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7

Нл, м2 6,0 4,7 4,7 4,7 4,7 6,0 6,2 6,0 6,0 7,0 7,0 7,0 7,0 9,0 9,0 9,1 9,0 10,8 10,8 6,0 6,2 4,0 4,0 10,0 10,0 1,0 7,0 7,2 9,0 1,0 10,0 1,0 7,0 7,0 9,0

Ни, м2 71,0 64,0 66,0 66,0 65,0 91,0 91,0 90,0 90,5 91,1 90,0 91,2 91,1 120,7 120,7 121,0 120,7 163,0 165,0 71,0 71,5 35,8 35,8 198,0 197,0 8,2 7,0 91,0 120,7 8,2 198,0 8,2 91,2 91,0 120,8

75

Vт, м3 2,61 1,20 1,20 1,22 1,20 1,25 1,21 1,20 1,25 1,91 1,90 1,95 1,90 2,00 2,10 2,00 2,00 2,20 2,25 1,62 1,60 0,90 0,92 4,65 4,60 0,90 91,1 1,90 2,00 0,91 4,65 0,91 1,95 1,90 2,05

Таблица 8.2 Z2, шт. 10 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 12 12 10 10 10 10 12 12 — 11 11 11 — 12 — 11 11 11

36 37 38 39 40 41

КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КВВА 12/15

1,0 7,0 7,2 9,0 1,0 10,0

8,2 7,0 91,0 120,7 8,2 198,0

0,90 91,1 1,90 2,00 0,91 4,65

Вариан т 42 43 44 45

Тип котла КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7

Нл, м2 1,0 7,0 7,0 9,0

Ни, м2 8,2 91,2 91,0 120,8

Vт, м3 0,91 1,95 1,90 2,05

— 11 11 11 — 12 Таблица 8.2 Z2, шт. — 11 11 11

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите способы, которыми происходит передача тепла в различных поверхностях нагрева судового котла. 2. Укажите конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на интенсивность теплообмена излучением в топке. 3. Поясните, почему понятие "степень экранирования топки" характеризует конструктивное совершенство котла? 4. Охарактеризуйте топку судового котла как систему серых тел. Дайте понятие определению "степень черноты топки". 5. Дайте определение и поясните физический смысл понятий "коэффициент теплоотдачи", "коэффициент теплопередачи". Назовите конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на интенсивность теплообмена между газами и водой или паром в судовом котле. 6. Поясните, как влияет величина поперечного шага труб S1 в пучке испарительных труб на его габариты? 7. Поясните физический смысл параметра "критерий Больцмана". 8. Запишите уравнение теплопередачи для испарительного пучка труб и поясните входящие в него величины.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРА Цель занятия: Ознакомление с методикой определения аэродинамического сопротивления различных видов сопротивлений, расположенных на пути движения воздуха и газов в пределах судового вспомогательного котла.

76

Задание: 1. Составить принципиальную схему газовоздушного тракта (ГВТ) вспомогательного котла, указать на ней характерные участки и вид аэродинамических сопротивлений, к которым они относятся. 2. Определить величины аэродинамических сопротивлений выделенных участков, величину самотяги и полного сопротивления ГВТ. 3. Определить секундную производительность котельного вентилятора и мощность его приводного электродвигателя. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Полное аэродинамическое сопротивление ГВТ вспомогательного котла, Па, в общем случае определяется как сумма сопротивления трения, то есть путевых, и местных сопротивлений, вызванных наличием заслонок, поворотов, изменений сечения: где

Δhгвт = ∑Δhтр+∑Δhм + ∑Δhпоп – hс, (9.1) ∑Δhтр — сумма сопротивлений трения, Па; ∑Δhм — сумма местных сопротивлений, Па; ∑Δhпоп — сумма сопротивлений поперечно-омываемых

пучков труб, Па;

hс — самотяга (естественная тяга), Па. Сопротивления трения (путевые) наблюдаются при движении воздуха и газов в воздуховодах и газоходах, а также в дымогарных трубах газотрубных котлов. Их определяют по выражению, Па

⎛ l ⎞ ρω2 Δhтр = λ⎜⎜ ⎟⎟ , ⎝ dэ ⎠ 2 где

(9.2)

λ — коэффициент сопротивления трению;

l — длина рассматриваемого канала, м; dэ — эквивалентный диаметр канала, м; ρ — средняя плотность среды на участке, кг/м; ω — средняя скорость потока на участке, м/с. Коэффициент сопротивления трению λ зависит от режима течения среды и шероховатости стенок канала. При ламинарном течении среды, когда число Рейнольдса Re < 2300, коэффициент сопротивления трению равен где

λ = С/Re, (9.3а) С — коэффициент, равный 64 для труб и 96 — для плоских каналов. При турбулентном течении, когда Re ≥ 2300, коэффициент 77

сопротивления трению определяется по выражению

λ=

1 , (2 lg (d э /k ) + 1,14 )2

(9.3б)

где k — абсолютная шероховатость (высота микровыступов) канала, принимаемая равной 0,0001—0,0004 м). Эквивалентный диаметр dэ для канала круглого сечения равен его внутреннему диаметру, то есть dэ = dвн. Для канала произвольной формы эквивалентный диаметр dэ, м, находится как отношение dэ = 4F/U, где F — площадь поперечного сечения канала, м2; U — периметр канала, м. Местные сопротивления вызваны изменениями сечения потока, его поворотами, наличием препятствий на пути движения воздуха и газов. Они определяются при помощи выражения

Δhм = ξмρω2/2, где

(9.4)

ξм — коэффициент местного сопротивления.

Любое местное сопротивление считается сосредоточенным в определенном месте ГВТ, хотя потери энергии, им вызываемые, происходят на конечном участке. Поэтому считают, что Δhм равна разности между фактической потерей энергии на рассматриваемом участке и потерей, которая имела бы место при отсутствии местного сопротивления, то есть потерей на трение. Конкретная величина ξм определяется опытным путем и приводится в справочниках. К местным относится сопротивление топочного устройства. Оно определяется при помощи выражения (9.4), в котором ξм = ξту, а ω = ωту. Коэффициент местного сопротивления топочного устройства ξту принимается равным 2,5—4,0. Скорость воздуха в устье фурмы ωту, м/с, определяется по выражению

Скорость воздуха в сечении фурмы ωту, м/с, равна

ωту = VвлB(tв + 273)/(273⋅0,785dф2n), где

(9.5)

dф — диаметр фурмы, м; n — количество форсунок. Скорость движение воздуха в среднем составляет 25—40 м/с.

Сопротивление поперечно омываемых пучков труб относительно невелики. Основные потери напора в этом случае вызваны местными сопротивлениями из-за чередующихся сужений и расширений потока. Такое течение газов сопровождается вихреобразованием, на преодоление которого расходуется движущий напор. Сопротивление, Па, равно

Δhпоп = ξпопρω2/2, 78

(9.6)

ξпоп — коэффициент сопротивления поперечно омываемого

где

пучка. Коэффициент сопротивления поперечно омываемого пучка ξпоп равен: — для шахматного пучка ξпоп = ξо(Z2 + 1); — для коридорного ξпоп = ξо Z2, ξо — коэффициент сопротивления одного ряда труб, где определяемый при помощи справочных данных; Z2 — количество рядов труб в пучке.

Самотяга — сила, обеспечивающая естественное движение воздуха и дымовых газов в пределах ГВТ. Она вызвана разностью весов столбов воздуха и дымовых газов, возникающей из-за различных плотностей этих сред. Величина самотяги равна, Па

где

hс = 9,81(ρв − ρг)Ндт, ρв — плотность воздуха, кг/м3; ρг — плотность газов, кг/м3;

(9.7)

Ндт — высота дымовой трубы, равная нижней форсунки до верхнего среза газохода, м.

расстоянию от оси

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРА Напор, развиваемый котельным вентилятором на установившемся режиме работы котла Hв, Па, затрачивается на преодоление сопротивления ГВТ, то есть Нв=Δhгвт. Зная секундный расход воздуха через котел и сопротивление ГВТ, можно определить требуемую мощность привода вентилятора и подобрать его тип по каталогу. Секундный расход воздуха, подаваемый вентилятором в топку котла Vв, м3/с, равен Vв= kBVвл(273 + tв)/273, (9.8) где k — коэффициент запаса по производительности, равный 1,1. Мощность приводного электродвигателя вентилятора Nв в этом случае составит, Вт Nв=АVвΔhгвт /(ηвηм),

(9.9)

ηв — КПД вентилятора, 0,66—0,75; ηм — механический КПД вентилятора, 0,95—0,96;

где

А — коэффициент запаса по напору, равный 1,2.

3. МЕТОДИКА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА Перед

выполнением

аэродинамического 79

расчета необходимо

составить схему движения воздуха и газов в пределах ГВТ. На ней выделяются характерные участки (рис. 9.1). Для каждого участка указываются направления движения сред, их средние скорости и температуры. Параметры воздуха и газов на характерных участках ГВТ (средние скорости, температуры и плотности) заносят в табл. 9.1. Ее использование облегчает дальнейшие расчеты. Участок 1—2 2—3 3—4 4—5

Таблица 9.1

tср, оС

ρср, кг/м

3

ωср, м/с

Средние плотности воздуха и газов на рассматриваемых участках, кг/м3, зависят от их температуры и определяют по выражениям: ρв = 273ρво/(tв+ 273); ρг = 273ρг о/(tг + 273), (9.10) о ρв — плотность воздуха при НУ, 1,293 кг/м3; где ρго — плотность газов при НУ (ПЗ 5), кг/м3; tв, tг — средние температуры воздуха и газа на участках, °С. Высота дымовой трубы Ндт принимается равной 10—20 м. Газоход котла имеет несколько поворотов (учитываются два поворота на угол 90о). Сопротивление поворотов рассчитывается по уравнению (9.4), в котором ξм = 1,0. Местное сопротивление на выходе из газохода (выхлоп в неограниченное пространство) определяется аналогично,

80

при этом ξм принимается равным 1,1.

Рис. 9.1. Схема ГВТ вспомогательного котла

— — — — — — — — — — —

Исходные данные: плотность дымовых газов при НУ ρго, кг/м3 (ПЗ %); плотность воздуха при НУ ρво, кг/м3 (1,293); кинематическая вязкость газов ν, м2/с (табл. 9.3); температура уходящих газов tух, оС (ПЗ 6); температура окружающей среды tв, оС (ПЗ 6); расход топлива В, кг/с (ПЗ 6); действительный объем влажного воздуха Vвл, м3/кг (ПЗ 5); высота дымовой трубы Ндт, м (задана); длина газохода L, м, (задана); число форсунок n и диаметр фурмы dф, м (заданы); сопротивление ГВТ котла Δhк, Па (приложение 2). Таблица 9.2 Параметр, обозначение

Разм.

Формула, источник

Участок 1—2. Топочное устройство Скорость воздуха в ТУ ωту

м/с

Формула (9.5)

Сопротивление ТУ Δhту

Па

Формула (9.4)

Участок 2—3—4. Сопротивление котла Па Приложение 2 Сопротивление котла Δhк Участок 4—5. Сопротивление газохода Расход газа через котел Vг м3/с VпсB(273 + tух)/273 Диаметр дымовой трубы Dг м 2(Vг/πωг)0,5 — ωг Dдт /ν — Формулы (9.3а или 9.3б) Коэффициент сопротивления трению λ Па Формула (9.2) Сопротивление газохода при продольном омывании Δhтр Местные сопротивления газохода Па Формула (9.4), где ξм = Δhм 3,1 Полное сопротивление дымовой Па Δhтр+ Δhм трубы Δhдт Сопротивление ГВТ Самотяга hс Па Формула (9.7) Па Полное сопротивление ГВТ Δhгвт 1,1Δhк + Δhдт – hс Число Рейнольдса Re

Мощность вентилятора Производительность вентилятора м3/с Формула (9.8) Vв

81

Мощность приводного двигателя вентилятора Nв

Вт

Формула (9.9)

Таблица 9.3 t, оС ν·106, м2/с

200 31,6

300 43,9

400 57,8

500 73,0

600 89,4

700 107,6

800 126,0

900 146,0

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Варианты заданий представлены в табл. 9.4. Вари ант

Высота трубы Ндт, м

Число форсунок, n

Диаметр фурмы dф, м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

12 14 17 12 10 12 14 12 15 14 18 16 16 14 16 13 14 15 16 12 12 8 10,5 16 15 6,5 12 10,8 12,8 7 16,7 5,8 12,5

2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1

0,18 0,22 0,20 0,22 0,22 0,20 0,22 0,20 0,22 0,22 0,20 0,21 0,21 0,24 0,22 0,20 0,22 0,24 0,24 0,15 0,16 0,15 0,15 0,18 0,20 0,16 0,22 0,22 0,2 0,16 0,18 0,16 0,22

82

Таблица 9.4 Длина газохода, Lг, м 17 18 20 16 21 18 20 18 17 18 22 18 20 21 18 15 15,5 17,5 20 15 13,5 11 14,2 20,5 17,6 8,2 15,7 14,3 15,9 10,8 18,9 8,8 14,7

34 35 36 37

16,3 14,5 14 18

1 1 1 1

0,24 0,22 0,22 0,20

Вари ант

Высота трубы Ндт, м

Число форсунок, n

38 39 40 41 42 43 44 45

16 16 14 16 13 14 15 16

1 1 1 1 1 1 1 1

19,3 16,7 18 22

Продолжение табл. 9.4 Диаметр Длина фурмы dф, м газохода, Lг, м 0,21 18 0,21 20 0,24 21 0,22 18 0,20 15 0,22 15,5 0,24 17,5 0,24 20

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Из каких видов сопротивлений складывается полное аэродинамическое сопротивление ГВТ вспомогательного котла? Как его величина зависит от конструкции, технического состояния и режима работы котла? 2. Поясните, от чего зависит мощность, потребляемая электродвигателем котельного вентилятора. 3. Поясните значение понятий "характеристика вентилятора", "аэродинамическая характеристика ГВТ", "рабочая точка". 4. Перечислите и охарактеризуйте способы изменения расхода воздуха, подаваемого котельным вентилятором.

83

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10 РАСЧЕТ ДОЗИРОВКИ РЕАГЕНТОВ ДЛЯ ВНУТИКОТЛОВОЙ ВОДОПОДГОТОВКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОДУВКИ КОТЛА Цель занятия: приобретение навыков расчетного определения количества реагентов, вводимых в котловую воду для организации или корректировки фосфатно-щелочного водного режима, нахождения оптимального количества воды, удаляемой из котла при продувании. Задание: 1. Пользуясь результатами анализов проб питательной и котловой воды, полученными в лабораторных работах 1—3, определить дозировку различных реагентов по вариантам, указанным в табл. 10.6. 2. Основываясь на уравнении солевого баланса котла, рассчитать показатели, характеризующие процесс продувки. 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ДОЗИРОВКИ РЕАГЕНТОВ Для определения количества вводимого в котловую воду реагента необходимо располагать следующими исходными данными: — величиной водяного объема котла Vк; — показателями качества исходной (необработанной) воды, в первую очередь, — ее жесткостью (общей Жо или некарбонатной Жнк); — нормативными значениями показателей качества котловой воды (щелочностью, фосфатным и нитратными числами и т. д.); — собственными характеристиками реагента. Ведение фосфатно-щелочного водного режима можно обеспечить как путем раздельного ввода фосфатосодержащих компонентов и щелочей, так и комбинированных препаратов, представляющих собой готовые смеси реагентов. Если обработка воды производится раздельно при помощи тринатрийфосфата (ТНФ) и щелочи, то их дозировка определяется следующим образом. Количества реагентов, кг, вводимых в заполненный необработанной водой котел перед его пуском рассчитываются по выражениям: — тринатрийфосфата: Т = 0,001 Vк(ЭоЖнк + 5,35Рz)/Ст; — щелочи: Щ = 0,001VкЭщ/Сщ, где Vк — водяной объем котла, м3; Эо — осадительный эквивалент, г/т; Жнк — некарбонатная жесткость питательной воды, мг-экв/л; Рz — нормативное фосфатное число, 20—50 мг/л; 84

Эщ — щелочной эквивалент NaOH или Na2CO3, г/т; Ст, Сщ — концентрация ТНФ и щелочи в продукте, 0,93—0,97. Осадительные эквиваленты Эо тринатрийфосфата равны: — для Na3PO4·12H2O — 126,7 г; — для Na3PO4 — 54,6 г. Щелочные эквиваленты Эщ различных щелочей составляют: — для едкого натра NaOH — 40 г; — для кальцинированной соды Na2CO3 — 52 г. Суточный расход тринатрийфосфата для осаждения накипеобразователей и компенсации потерь реагента при продувании равен, кг/сут (10.2) Тсут = 24·0,001(ЭоЖнкDк(1 + 0,01Рпр) + 0,535РпрDкPz)/Ст где Рпр — норма продувки, %; Dк — паропроизводительность котла, т/ч; Pz — нормативное фосфатное число, 20—50 мг/л. Объем вводимого раствора тринатрийфосфата, л/сут, составит (10.3) Vт = 100Тсут/k, где k — концентрация раствора, 1—5 %. Защита котла от коррозии при использовании фосфатно-щелочного водного режима с нитратной пассивацией производится введением в него раствора калиевой KNO3 или натриевой NaNO3 селитры. Начальная дозировка селитры составляет, кг (10.4) С = 0,001NzVк/С1, где Nz — норма нитратного числа, мг/л (50 % от величины Аz); С1 — коэффициент, учитывающий концентрацию селитры в техническом продукте, равный 0,92—0,97. Количество селитры, добавляемый в котел во время его действия с целью корректировки нитратного числа равно, кг (10.5) Сдоб = 0,001Vк(Nz – Nzфакт), факт где Nz — фактическая величина нитратного числа, мг/л, определенная анализом. Суточный расход раствора селитры, л/сут, при номинальной паропроизводительности котла равен (10.6) Ссут = 0,024DкNzРпр/k, где k — концентрация раствора селитры, 5—10 %. Уменьшение трудоемкости расчетов достигается использованием дозировочных таблиц, разработанных производителями реагентов. Порядок использования подобных таблиц применительно к фосфатным и щелочным присадкам, производимым фирмой Unitor, изложен ниже. 85

Снижение жесткости воды обеспечивается использованием сухого препарата на фосфатной основе Hardness Control. Он вызывает осаждение кальциевых солей в виде шлама. Препарат используется совместно со щелочными присадками. Ввод его в количестве 23 г в одну тонну воды увеличивает ее фосфатное число на 20 мг/л. Норма фосфатного числа котловой воды Pz составляет 20—50 мг/л. Дозировка препарата устанавливается по результатам анализа котловой воды при помощи табл. 10.1

Дозировка, г/т

0—10 11,5

Таблица 10.1 Величина фосфатного числа Рz, мг/л 10—20 20—30 30—40 40—50 > 50 11,5 норма продувка

Уменьшению накипеобразования и снижению скорости коррозии способствует жидкая щелочь Alkalinity Cоntrol. Она используется совместно с препаратом Hardness Control и обеспечивает его эффективное действие. Ввод щелочи способствует образованию на поверхности котельного металла защитной пленки из магнетита и свертыванию нефтепродуктов, попавших в питательную воду. Начальная дозировка 180 мл/т увеличивает фосфатную щелочность котловой воды на 100 мг/л. Правильность дозировки контролируется анализом пробы котловой воды и устанавливается в соответствии с табл. 10.2.

Дозировка, г/т

0—60 108

Таблица 10.2 Величина фосфатной щелочности, мг/л 60—90 90—100 100—150 > 150 54 18 норма продувка

Аналогично определяется дозировка комбинированных реагентов, к которым относят препарат ТХ, присадки Combitreat и Liquitreat. Препарат ТХ (ТУ 31.1222-90) представляет собой смесь щелочных и фосфатных компонентов комплексных и полимерных соединений, ингибиторов коррозии, поглотителя кислорода. Суточный расход препарата определяется по выражению, л/сут (10.7) ТХсут = 24gDк/(10k), где g — расход сухого реагента на тонну пара, г/т; k — рабочая концентрация раствора, %. Расчетная дозировка препарата ТХ для котлов, работающих на смеси дистиллята и конденсата, составляет 20 г/т. Он вводится в котел в виде раствора, оптимальная концентрация которого составляет 3 % и соответствует расходу 2 л/т. Суточный расход раствора, определяемый паропроизводительностью котла, приведен в табл. 10.3. Dк, т/ч ТХ, л/сут

0,5 24

1,0 48

1,5 72

86

2,0 96

3,0 144

4,0 192

Таблица 10.3 5,0 6,0 240 290

Универсальной присадкой для обработки котловой воды является порошкообразный продукт Combitreat. Он содержит щелочные соединения, ингибиторы накипи и коррозии, модификаторы шлама. Препарат способствует созданию защитной пленки, предотвращающей коррозию котельного металла, обладает диспергирующим действием по отношению к частицам шлама и накипи. Его первоначальная дозировка составляет 0,3 кг/т воды, что обеспечивает уровень фосфатной щелочности 100 мг/л. Нормальная фосфатная щелочность равна 200—300 мг/л СаСО3. Дозировка Combitreat устанавливается при помощи табл. 10.4. Фосфатная щелочность, мг/л Combitreat, кг/т

0

50

100

150

200—300

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Таблица 10.4 350 продувание

Максимальное содержание хлоридов в котловой воде при использовании присадки Combitreat составляет 200 мг/л. Присадка Liquitreat представляет собой жидкую смесь щелочных соединений, ингибиторов накипи и коррозии, кислородных акцепторов, модификаторов шлама и противопенных присадок. Дозировка этой присадки определяется в соответствии с табл. 10.5. Фосфатная щелочность, мг/л Liquitreat, кг/т

0

50

100

150

200—300

2,4

1,8

1,2

0,6

0

Таблица 10.5 350 продувание

Первоначальная дозировка принимается равной 2 л/т. Это значение обеспечивает поддержание фосфатной щелочности на уровне 100 мг/л. Величина продувки зависит от содержания хлоридов, с ростом которого она должна быть увеличена. Максимальное содержание хлоридов в котловой воде составляет 200 мг/л. 2. РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ПРОДУВКИ При действии котла общее солесодержание котловой воды увеличивается из-за ее испарения. Рост концентрации растворенных веществ приводит к образованию твердой фазы в виде накипи. Поддержание концентрации солей в допустимых пределах и удаление образующегося шлама обеспечивается продуванием. Количество образующегося в котле шлама равно, кг/сут (10.8) Мш = 0,045·24·DкЖо, где Dк — паропроизводительность котла, кг/с; Жо — общая жесткость питательной воды, мг-экв/л; Количество воды, удаляемое из котла продуванием, устанавливается в зависимости от значений показателей качество 87

воды, рекомендованных нормами, и контролируется по величине общего солесодержания, щелочности и содержанию хлоридов. Продувание необходимо производить при обнаружении превышения любым из перечисленных показателей установленных для них верхних пределов. Величина коэффициента продувки котла, %, составляет (10.9) Рпр = 100(Dпр/Dк), где Dпр — количество продуваемой воды, т/ч; Величина Рпр может быть рассчитана при помощи уравнения солевого баланса котла DпвSпв = DкSп + DпрSкв или (Dк + Dпр)Sпв = DкSп + DпрSкв. где Sп, Sпв, Sкв — солесодержание пара, питательной и котловой воды, мг/л. Уравнение солевого баланса котла также можно записать в виде Dк (Sпв – Sп) = Dпр(Sкв – Sпв) или Dпр /Dк = (Sпв – Sп)/(Sкв – Sпв). Требуемая величина коэффициента продувки, %, равна Рпр = 100(Sпв – Sп)/(Sкв – Sпв). (10.10) Величины солесодержания пара Sп и котловой воды Sкв, мг/л, связаны между собой соотношением (10.11) Sп = 0,01у Sкв, где у — влажность производимого пара, %. Зависимость допустимого солесодержания котловой воды Sкв, мг/л, от величины коэффициента продувки Рпр может быть представлена в виде (10.12) Sкв = Sпв(100 + Рпр)/(у + Рпр). Величина предельно допустимого солесодержания питательной воды Sпв составляет, мг/л Sпв = (100Sп + РпрSкв)/(100 + Рпр). (10.13) Количество воды, удаляемое из котла продуванием, т/сут, равно Dпр = 0,24РпрDк. (10.14) Правила технической эксплуатации рекомендуют продувать следующий экономически допустимые объем воды за один раз (рассчитан в процентах от часовой паропроизводительности котла): — для газотрубных, комбинированных и водотрубных котлов, в которых в качестве добавочной применяется сырая вода — не более 5 %; — для водотрубных котлов, питающихся смесью конденсата с умягченной водой — не более 2 %; 88

— для водотрубных котлов, использующих смесь конденсата с дистиллятом — не более 0,5 %. 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 3.1. Пользуясь исходными данными, приведенными в табл. 10.6, с учетом показателей качества питательной воды, найденных в лабораторной работе 2, определить начальную дозировку следующих реагентов для внутрикотловой обработки: — ТНФ, щелочи в виде NaOH, Na2CO3, селитры; — присадок Hardness Control, Alkalinity Control; — препарата ТХ, присадок Combitreat и Liquitrat. Построить дозировочные таблицы реагентов с учетом величины водного объема котла. 3.2. Используя данные анализов котловой воды, полученные в лабораторных работах 3 и 4, найти количество реагентов, которое необходимо добавить в котловую воду для корректировки ее показателей качества. Нормативные величины показателей принять в соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации или рекомендациями завода-изготовителя. 3.3. Используя схему, приведенную на рис. 10.1, показать возможные точки ввода перечисленных выше препаратов в пароводяной тракт комбинированной котельной установки, состоящей из вспомогательного и утилизационного котлов. На схеме дополнительно указать оборудование для ввода присадок. 3.4. Рассчитать количество образующегося в котле шлама Мш, величину коэффициента продувки Рпр, суточное количество продуваемой из котла воды Dпр, солесодержание пара Sп, предельное солесодержание питательной воды Sпв, обеспечивающее при данных условиях максимально допустимую соленость котловой воды.

Рис. 10.1. Схема пароводяного тракта комбинированной СКУ

89

4. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Исходные данные для расчетов приведены в табл. 10.6. Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Тип котла КВВА 2,5/5 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 1,6/7 КАВ 2,5,7 КАВ 2,5/5 КАВ 2,5/7 КАВ 2,5/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 6,3/7 КАВ 10/16 КАВ 10/16 КВВА 2,5/5 КВВА 2,5/5 КВВА 1,5/5 КВВА 1,5/5 КВВА 12/15 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КВВА 12/15 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КГВ 0,63/5 КВВА 12/15

Dк, т/ч 2,5 1,6 1,6 1,6 1,5 2,5 2,5 2,5 2,5 4,0 3,5 3,8 4,0 6,0 6,3 6,2 6,0 10,0 9,5 2,5 2,0 1,3 1,5 12,0 12,0 0,6 3,8 4,1 6,1 0,63 12,0 0,55 3,5 4,0 6,0 0,63 4,0 4,0 6,1 0,63 11,0

90

Таблица 10.6 Vк, т у, % 1,1 1,0 1,1 0,5 1,1 0,8 1,1 0,6 1,1 0,5 1,2 0,5 1,2 0,8 1,1 1,2 1,1 1,0 1,3 1,0 1,3 0,5 1,2 1,0 1,3 0,7 1,7 0,5 1,7 1,0 1,6 1,2 1,7 0,7 2,5 1,0 2,5 1,0 2,5 0,3 1,2 0,8 0,6 1,0 0,5 1,2 2,5 1,2 2,4 0,5 0,2 0,5 1,3 1,0 1,3 0,7 1,7 0,7 0,22 1,5 2,5 1,0 0,21 1,0 1,05 1,0 1,1 0,9 1,7 0,4 0,25 0,9 1,25 1,0 1,25 0,5 1,6 1,0 0,21 1,0 2,3 0,5 Продолжение табл. 10.6

Вариант 42 43 44 45

Тип котла КГВ 0,63/5 КАВ 4/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7

Dк, т/ч 0,6 4,0 4,0 6,3

Vк, т 0,21 1,2 1,2 1,65

у, % 0,8 0,7 0,6 0,9

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать исходные данные и расчеты в соответствии с требованиями, изложенными в задании, схему пароводяного тракта с необходимыми изменениями и рекомендуемыми точками ввода препаратов, дозировочные таблицы, выводы по результатам расчетов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Почему солесодержание котловой воды выше, чем питательной? 2. Назовите основные препараты, используемые для внутрикотловой водобработки, поясните механизм их действия. 3. Поясните, какими исходными данными необходимо располагать для того, чтобы определить количество реагента, которое необходимо ввести в котловую воду в конкретных условиях? 4. С какой целью производится продувание котла? Назовите виды продувания и их периодичность. 5. От чего зависит количество воды, удаляемое из котла при продувании? Укажите экономически оправданные пределы этого количество воды. Что такое "норма продувки"? ЛИТЕРАТУРА 1. Правила технической эксплуатации паровых котлов на судах рыбопромыслового флота. 2. Ильин А. К., Иконников-Ципулин Е. С. Практикум по паровым котлам промысловых судов. — М.: Пищевая промышленность, 1978. — С. 82—84. 3. Лубочкин Б. И. Морские паровые котлы. — М.: Морской транспорт, 1963. — С. 412—414.

91

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Перед началом выполнения лабораторных работ студенты под руководством преподавателя знакомятся с оснащением лаборатории и получают инструктаж по технике безопасности при работе с инструментами, оборудованием и химическими реактивами. О проведенном инструктаже производится отметка в журнале по технике безопасности. В ходе лабораторных работ используются легковоспламеняющиеся и токсичные химические соединения и реактивы. При работе с ними следует соблюдать меры предосторожности: — кислоты и щелочи, попавшие на наружные кожные покровы, необходимо смывать сильной струей воды; — при попадании кислоты в глаза, последние необходимо промыть двухпроцентным раствором соды; — при попадании щелочи в глаза, их необходимо промыть слабым раствором борной кислоты; — реактивы, используемые при проведении химических анализов, необходимо хранить только в сосудах с закрытыми пробками; — в помещении лаборатории запрещается пользоваться открытым огнем и курить; на рабочем месте и около него запрещается хранить горючие вещества, кроме пробы топлива, с которой производится работа; — использованные жидкости должны немедленно выливаться в сборную емкость; — у рабочего места лаборатории должны находится пенный огнетушитель, огнеупорное одеяло, ящик с песком и совок; — особую осторожность следует соблюдать при работе с порошком гидрида (карбида) кальция. Нельзя допускать попадания реактива на кожу рук, а в случае его попадания — необходимо протереть кожу чистой ветошью и только после удаления реактива вымыть ее водой с мылом; — при обнаружении каких-либо неисправностей оборудования необходимо немедленно сообщить об этом ведущему преподавателю или заведующему лабораторией. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 92

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА КОТЕЛЬНОГО ТОПЛИВА Цель работы: Приобретение навыков определения основных показателей качества котельного топлива в судовых условиях при помощи комплектной экспресс-лаборатории типа СКЛАМТ-1. Задание: Изучить назначение и устройство экспресс-лаборатории типа СКЛАМТ-1, методику определения с ее помощью основных показателей качества котельного топлива. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Все судовые топлива по вязкости при температуре 50 оС подразделяются на три группы. Предельные физико-химические показатели этих групп приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1

 

Вязкость, сСт, при 50 оС

Плотность при 20 оС, кг/м3, не более

Содержан ие серы, %, не более

Коксуем ость, %, не более

Зольн ость, %, не более

до 12 12—150 выше 150

890 970 1015

1,5 2,5 4,3

0,5 9,0 —

0,05 0,20 0,20

Вид  топлива  Маловязкое Средневязкое Высоковязкое

По основному назначению судовые топлива классификацией Shell Marine Fuel Specifications 1986 г. разделяют на следующие группы: — морской газойль MGO (Marine Gas Oil); — морское дизельное топливо MDO (Marine Diesel Oil); — вязкие топлива IFO, TFO (Intermediate Fuel Oil, Thin Fuel Oil); — высоковязкие топлива HFO, RFO (Heavy Fuel Oil, Residual Fuel Oil); — бункерные мазуты BFO (Bunker Fuel Oil). Показатели качества топлива регламентируются международными и национальными (государственными) стандартами, техническими условиями, а также ведомственными спецификациями. Международные и национальные стандарты устанавливают лишь наиболее общие требования по важнейшим характеристикам топлив. 93

Технические условия и ведомственные спецификации регламентируют конкретные требования по всем их основным физико-химическим показателям. До 1982 г. не существовало международных технических условий, отражающих специфические требования к топливам для СЭУ. Первыми из них стал Британский стандарт BSMA 100:1982. В 1987 г. Международной организацией стандартизации ISO был создан стандарт ISO/DIS 8217, уточненный в 1996 г. Другими широко применяемыми техническими условиями являются требования SIMAC для тяжелых топлив, разработанные в 1990 г. Они отличаются от требований ISO/DIS 8217 ужесточением показателей и введением дополнительных характеристик. Несмотря на введение в действие указанных стандартов, в международной практике в настоящее время распространено другое обозначение средне- и высоковязких топлив: IFO-30, IFO-40, IFO-180, и т. д., в которой цифровое обозначение соответствует значению кинематической вязкости в сСт при температуре 50 оС. Ограничительный перечень топлив отечественного производства, допускаемых для котельных установок рыбопромысловых судов, установлен отраслевым стандартом ОСТ 15.360-86 "Топлива отечественные и зарубежные для судов флота рыбной промышленности. Номенклатура. Порядок назначения и применения". Этот перечень приведен в табл. 1.2. Таблица 1.2

Основная марка 

Дублирующая марка 

1. Дизельное топливо Л-62 по ГОСТ 30582

Дизельное топливо утяжеленного фракционного состава (УФС) по ТУ 38.001355-86 2. Моторное топливо ДТ, ДТВК, ДМВК по Судовое маловязкое ГОСТ 1667-68 топливо (СМТ) по ТУ 3. Мазут флотский Ф5, Ф12 по ГОСТ 38.101567-87 10585-75

Газотурбинное топливо ТГ, ТГВК по ГОСТ 10433-75 4. Мазут топочный 40 по ГОСТ 10585-75 Моторное топливо ДТ, ДТВК по ГОСТ 1667-68 5. Мазут топочный 100 по ГОСТ 10585-75 Моторное топливо ДМВК по ГОСТ 1667-68 Мазут топочный 40 по ГОСТ 10585-75

94

Этот же отраслевой стандарт устанавливает примерное соответствие основных характеристик различных видов отечественных и зарубежных судовых топлив, табл. 1.3 [3]. Основными документами на принятую партию топлива являются паспорт качества (сертификат), в котором приведены основные показатели, характеризующие качество топлива, и коносамент (накладная), заверенная подписями выдающего и принимающего топливо лиц и судовой печатью. Использование нефтепродуктов, не имеющих сертификата, запрещается. Перед приемкой топлива на судно необходимо получить на бункеровщике сертификат и убедиться, что показатели качества топлива соответствуют требуемым, в противном случае его приемка запрещается. Накладная и сертификат вместе с отчетом по ГСМ и теплотехническим отчетом по прибытии судна из рейса представляются старшим механиком в механико-судовую службу судовладельца. Они служат основными документами для учета выполнения норм расхода топлива и достигнутой экономии. Таблица 1.3 Зарубежное топливо Междуна BSMA:100 ISO/DIS 8217 родная классифи кация

Отечественное топливо

ГОСТ или ТУ

ГОСТ 305-82 ТУ 38.001355-86

ТУ 38.101567-87

Топливо

Маловязкое Дизельное Л-62 Дизельное Л-35 Топливо утяжеленного фракционного состава

Топливо маловязкое судовое

95

MDO MGO То же

M1, M2 M3 То же

DMB, DMC DMX, DMA То же

"

"

"

Средневязкое

ГОСТ 1667-68 ГОСТ 10433-75 ГОСТ 10433-75 ГОСТ 1667-68 ГОСТ 10585-75 ГОСТ 10585-75 ГОСТ 1667-68

IFО-20 ДТВК — ТГВК — ТГ IFО-40 ДТ IFО-40 Флотский мазут Ф5 IFО-80 Флотский мазут Ф12 IFО-120 ДМВК Высоковязкое

ГОСТ 10585-75 ГОСТ 10585-75 Аналогов нет

Топочный мазут 40 Топочный мазут 100

IFО-230 IFО-600 IFО-700

— — — М4 M4 — — M6 M11 M12

— — — RMB10 RMB10 RMB15 RME25 RMK45 RMH55

Если в процессе приемки топлива на судно возникают сомнения в его качестве, его экспресс-анализ может быть проведен при помощи экспресс-лаборатории. При обнаружении несоответствия показателей топлива указанным в сертификате, приемка должна быть прекращена. На принимающем и выдающем топливо судах отбираются пробы для анализа в лабораторных условиях с целью установления причин ухудшения качества топлива и определения виновных лиц. Учет расхода топлива на судне ежесуточно ведется третьим механиком, который предоставляет сведения старшему механику и регистрирует их в машинном журнале теплохода. 2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 2.1. Определение плотности топлива Определение плотности производится при помощи денсиметров общего назначения. В комплект экспресс-лаборатории типа СКЛАМТ1 входят денсиметры с пределами ареометрических шкал 0,7—0,76; 0,76—0,82; 0,82—0,88; 0,88—0,94; 0,94—1,0 г/см3. Плотность топлива определяется в следующем порядке. 2.1.1. Пробоотборник с мазутом необходимо выдержать при температуре окружающей среды так, чтобы его температура отличалась от температуры окружающего воздуха не более чем на 5 оС. 2.1.2. Налить пробу мазута в чистый сухой мерный цилиндр, опустить в него денсиметр, держа его за верхний конец. 2.1.3. Произвести отсчет по верхнему краю мениска, который должен находится на уровне глаз. Измеренное значение плотности соответствует температуре опыта, показываемой термометром, расположенным на дверце ящика лаборатории. 2.1.4. Для определения количества топлива, принятого на борт судна, следует найти его плотность при температуре приемки, которая мо96

жет отличатся от указанной в сертификате (20, 50, 80 оС). Для сравнения фактической и указанной в сертификате плотностей следует привести фактическую плотность, определенную экспериментально, к температуре, указанной в сертификате. Приведение плотности осуществляется по формуле

ρt1 = ρt + у(t – t1)

(1.1)

ρt1 — плотность топлива, приведенная к температуре, где указанной в паспорте качества, г/см3; ρt — плотность топлива, найденная анализом, г/см3; y — температурная поправка, г/(оС·см3), зависящая от плотности топлива, табл. 1.4; t — температура пробы топлива, оС; t1 — температура приведения, оС.

Таблица 1.4

Плотность, г/см3 Поправка у

0,69—0,74 0,0009

0,74—0,82 0,0008

0,82—0,89 0,0007

0,89—0,97 0,0006

2.1.5. Измерение плотности остаточных топлив с вязкостью более 210 сСт (28 оВУ) производят после их разбавления равным объемом керосина или дизельного топлива. Измеренную плотность полученной смеси вначале приводят к нужной температуре по формуле (1.1), а затем по выражению (1.2) вычисляют плотность остаточного топлива, г/см3, где

ρсм = 2ρсм – ρд (1.2) ρсм — плотность смеси; ρд — плотность керосина или дизельного топлива при той

же температуре, что и плотность смеси. 2.1.6. Данные замеров и приведенные плотности заносят в табл. 1.5. Вид топлива

Измеренная плотность

ρt

Температура окружающей о среды t, С

Поправка у

Таблица 1.5 Приведенная плотность

ρt1

Дизельное Остаточное

2.2. Определение содержания в топливе воды Метод основан на измерении разности температур пробы топлива, возникающей в результате протекания экзотермической реакции между содержащейся в нем водой и порошком гидрида кальция. Реакция взаимодействия воды и гидрида кальция протекает по схеме 2Н2О + СаН2 = Са(ОН)2 + 2Н2 + Q. Количество выделяющегося в ходе указанной реакции тепла прямо пропорционально содержанию в топливе воды. 97

Содержание влаги определяют следующим образом. 2.2.1. Пробоотборник заполняется топливом на 3/4 уровня, проба подогревается до 40—50 оС и в течение нескольких минут перемешивается встряхиванием. 2.2.2. Подготовленная проба наливается в сухую, чистую пробирку до отметки 10 мл, выдерживается до приобретения температуры окружающей среды (по показаниям термометра, вставленного в пробирку). 2.2.3. При помешивании термометром в пробу засыпают навеску порошка гидрида кальция. При наличии влаги температура пробы начнет медленно повышаться. Через 7—10 минут определяют ее конечную температуру и по разности начальной и конечной температур с помощью номограммы, расположенной на верхней панели лаборатории (рис. 1.1), находят содержание в топливе воды. Если после добавления гидрида кальция температура пробы увеличивается не более чем на 0,5 оС, то топливо влаги не содержит. Примечание. Топливо, содержащее более 2 % воды, и вязкие топлива необходимо разбавлять не содержащим влаги керосином или дизельным топливом. Для этого в мерный цилиндр наливают 20 мл топлива и добавляют разбавитель до отметки 100 мл. После перемешивания выполняют анализ пробы, полученный результат увеличивают в 5 раз.

Рис. 1.1. Номограмма для определения содержания в топливе воды

2.3. Определение температуры вспышки Определение температуры вспышки топлива производится путем визуального наблюдения воспламенения паров нефтепродуктов от нагретой электрическим током спирали воспламенителя. Температура пробы измеряется электрическим термометром. 98

Прибор для определения вспышки нефтепродуктов состоит из двух блоков: нагревателя с тиглем и датчика температуры; блока стабилизированного питания с измерительным прибором. Перед проведением опыта необходимо проверить состояние прибора, установить воспламенитель, проверить его нажатием кнопки в течение 5 с. Определение температуры вспышки производится в следующем порядке. 2.3.1. Прибор прогревается до 100 оС, для чего снимается воспламенитель, прибор закрывается защитным колпачком, переключатель предела нагрева устанавливается в положение "90—110 оС", переключатель шкал термометра — в положение "50—150 оС". 2.3.2. После прогрева прибора переключатель предела нагрева устанавливается в положение "0", защитный колпачок снимается и прибор охлаждается до температуры 50 оС. 2.3.3. Топливо наливается в тигль с нанесенной на дне буквой "Т" до уровня проточки. Воспламенитель устанавливается так, чтобы край его спирали был ниже верхнего края тигля на толщину проволочки. Прибор закрывается защитным колпачком. 2.3.4. Переключатель предела нагрева устанавливается на два интервала выше предполагаемой температуры вспышки. Рост температуры контролируют по нижней шкале прибора (50—150 оС). Скорость роста температуры не должна превышать 2 оС в минуту. Ее регулируют переключением предела нагрева. 2.3.5. Примерно за 10 оС до предполагаемой температуры вспышки начинают наблюдение через смотровое окно колпачка. Кнопку воспламенителя нажимают через каждые 2 оС и держат нажатой примерно 5 с. При появлении вспышки фиксируют температуру на шкале. 2.3.6. Прибор отключают от сети, снимают защитный колпачок, вынимают при помощи пинцета воспламенитель и тигль. Внимание! Горячий тигль может вызвать ожоги! После охлаждения тигля до 50 оС опыт повторяют с новой пробой топлива. Расхождение между результатами не должно превышать 3 оС. Результаты заносят в табл. 1.6. Таблица 1.6 Температура вспышки, оС Вид опыт 1 опыт 2 принятая топлива Дизельное Остаточное Примечание. Истинная температура вспышки определяется с учетом температурной поправки Δt (табл. 1.7), которую необходимо прибавить к температуре вспышки, найденной опытным путем.

99

Барометрическое давление, мм. рт. ст Поправка Δt, оС

688—716

717—745

745—803

Таблица 1.7 выше 803

2.4. Определение вязкости топлива Вязкость характеризуется силами внутреннего трения, возникающими при взаимном перемещении слоев жидкости. Количественно эти силы оцениваются при помощи коэффициента динамической вязкости. При движении слоев жидкости с различными скоростями между ними возникают касательные силы, равные где

F = μ |dv/dz|S, μ — коэффициент динамической вязкости, Па·с;

|dv/dz| — модуль градиента скорости, характеризующий изменение скорости в направлении z, перпендикулярном слоям жидкости; S — площадь соприкосновения слоев. Коэффициент динамической вязкости μ численно равен касательной силе, действующей на площади 1 м2 и обеспечивающей разность скоростей движения параллельных слоев жидкости, находящихся на расстоянии 1 м, равной 1 м/с. Отношение динамической вязкости к плотности топлива называется кинематической вязкостью, то есть

ν = μ /ρ. В качестве единицы кинематической вязкости используется сантистокс (сСт). Вязкость остаточных топлив может быть выражена в градусах условной вязкости, оВУ, или градусах Энглера. В зарубежной практике вязкость выражается в секундах Редвуда № 1 (RI) и в секундах Сейболта универсальных (SSU). Вязкость, выраженная в сСт, может быть переведена в другие единицы измерения. Таблица перевода размерностей приведена в приложении 1. Определение условной вязкости заключается в сравнении времени истечения нефтепродукта через калиброванное отверстие индикатора вязкости со временем истечения того же количества дистиллированной воды при температуре 20 оС. Индикатор вязкости представляет собой сосуд с отверстием, перекрываемым деревянным запорным штифтом. Прибор подвешен на левой крышке ящика лаборатории. Условная вязкость определяется в следующем порядке. 2.4.1. Индикатор вязкости со вставленным в отверстие запорным штырем заполняется пробой топлива, под него устанавливается мерный сосуд. Запорный штифт удаляется, одновременно включается секундомер. По достижении уровнем топлива в мерном сосуде 100

отметки 100 мл, секундомер выключается. Измерение времени истечения производится два-три раза. Результаты не должны отличаться более чем на 0,5 с. Окончательно принимается среднее значение. 2.4.2. Условная вязкость, оВУ, при температуре измерения равна о ВУ = Т/ВЧ, (1.3) где Т — среднее время истечения пробы, с; ВЧ — водное число прибора, с. 2.4.3. Результаты измерений заносятся в табл. 1.8. t, о С

Время истечения опыт 1 опыт 2 среднее

о

ВУ

Таблица 1.8 Вязкость сСт RI SSU

При помощи прилагаемого к лаборатории вискозиметра можно определить условную вязкость испытуемого топлива при различных температурах (например, при 50, 60, 70, 80 оС). По полученным экспериментальным данным строится номограмма, выражающая зависимость вязкости данного топлива от температуры. Эта номограмма может быть использована для ориентировочного определения марки неизвестного топлива. Для обеспечения качественного распыливания топлива его вязкость перед форсунками судовых котлов должна составлять 10—17 сСт (1,8—2,5 оВУ). Предельно допустимая вязкость топлива не должна превышать 30—38 сСт (4—5 оВУ). Для получения заданной вязкости его необходимо подогревать. Требуемая температура подогрева определяется при помощи номограммы, представленной на рис. 1.2. 3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Индивидуальный отчет составляется на основании выполненной работы. Он должен содержать: — краткое описание выполненных опытов; — таблицы 1.5—1.8 с результатами испытаний проб топлива, обработку полученных результатов; — внешний вид номограмм зависимости вязкости топлива от температуры и содержания воды в нефтепродуктах и описание работы с ними; — диапазон температур подогрева исследуемых топлив на различных участках топливной системы (в цистернах запаса, отстойных и расходных цистернах, перед форсунками); — выводы о качестве исследуемых топлив. 101

Рис. 1.2. Номограмма для определения вязкости топлива КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Укажите, какие анализы топлива позволяет выполнять судовая экспресслаборатория типа СКЛАМТ? 2. Поясните методики определения плотности, вязкости и температуры вспышки топлива. 3. Назовите предельную температуру подогрева топлива, которая может поддерживаться в расходных и отстойных цистернах. От чего зависит ее величина? 4. Какие эксплуатационные факторы способствуют повышению влажности топлива? Как повышенная влажность топлива сказывается на работе вспомогательного парового котла? 5. Поясните, чем температура вспышки топлива отличается от температуры его воспламенения? 6. Кто отвечает за приемку, хранение и выдачу топлива на судне? Кто непосредственно занимается его приемкой? Как следует поступить, если характеристики получаемого топлива не соответствуют требованиям инструкции по эксплуатации, выданной заводом-изготовителем? 7. Назовите документы, которые должны сопровождать партию принятого на борт топлива. Как следует поступить в том случае, если установлено, что принимаемое топливо не соответствует предъявленному на него паспорту качества? 8. Перечислите основные меры безопасности, которые необходимо предпринимать перед и в ходе приемки топлива на судно. 9. С какой целью осуществляется приведение плотности топлива к температуре, при которой она указана в сертификате? Как осуществляется такое приведение? 10. Какие эксплуатационные осложнения могут возникнуть в случае смешивания различных топлив, чем они вызваны?

102

11. Укажите диапазон оптимальной вязкости топлива перед форсункой судового котла. Назовите верхний допустимый предел вязкости. ЛИТЕРАТУРА 1. Справочник судового механика по теплотехнике / И. Ф. Кошелев, А. П. Пимошенко, Г. А. Попов. — Л.: Судостроение, 1987. — С. 374. 2. Методы физико-химического контроля рабочих сред судового оборудования. РД 31.28.52-79. — М.: ЦРИА "Морфлот", 1980. — С. 3—6. 3. Ильин А. К., Иконников-Ципулин Е. С. Практикум по паровым котлам промысловых судов. — М.: Пищевая промышленность, 1978. — С. 114—118.

103

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ И КОНДЕНСАТА Цель работы: Приобретение практических навыков по определению величин показателей качества питательной воды и конденсата при помощи судовой комплектной лаборатории типа СКЛАВ. Задание: Изучить устройство судовой комплектной экспресслаборатории типа СКЛАВ и методику выполнения анализов проб питательной воды и конденсата. Выполнить анализы представительных проб воды, определить показатели их качества, проанализировать полученные результаты, сделать вывод о качестве организации докотловой водоподготовки. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Питательная вода для судового котла должна содержать минимальное количество растворенных минеральных соединений и взвешенных частиц. Предельно допустимое количество присутствующих в воде примесей определяется типом котла, рабочим давлением пара, видом применяемого водного режима. Оно не должно превышать значений, рекомендуемых заводом-изготовителем. При отсутствии подобных данных необходимо руководствоваться "Нормами качества питательной воды и ее составляющих", установленными Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) паровых котлов на судах рыбопромыслового флота. Соблюдение требований "Норм качества…" обязательно для обслуживающего персонала котельной установки. Поддержание показателей качества питательной воды и конденсата на заданном уровне позволяет обеспечивать экономичную и надежную работу котла в пределах установленных ресурсов. Отклонение показателей качества воды от рекомендованных вызывает повышенное накипеобразование, сопровождается увеличением скорости коррозии, приводит к снижению КПД котла и уменьшению его надежности, вызывает снижение качества производимого пара. Величины показателей качества питательной воды и ее составляющих, регламентированные ПТЭ, приведены в табл. 2.1. Требования к качеству питательной воды и ее составляющих ужесточаются с ростом рабочего давления пара. Особое внимание должно уделяться поддержанию ее качества для водотрубных котлов, производящих пар повышенных параметров. 104

Таблица 2.1

Наименов ание воды

Показатель качества

Питательн Общая жесткость, не более ая вода Хлориды, не выше Нефтепродукты, не выше Кислород, не выше Содержание: – железа, не более – меди, не более Конденсат Хлориды, не более Дистиллят Общая жесткость, не более или умягченна я Добавочна Общая жесткость, не более я (береговая, котельных танков)

Единица измерения мг-экв/л мг/л мг/л мг/л мкг/л мкг/л

Типы котлов ГазоКомбинир трубованные и ные водотрубн ые низкого давления 0,3 0,5 15 50 3 3 — — — — — —

Водотру бные среднего давления 0,02 2 Отсутс. 0,05 100 50

мг/л мг-экв/л

50 —

15 0,05

2 0,02

мг-экв/л

8

5

Не используется

2. ПЕРИОДИЧНОСТЬ И ОБЪЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА Периодичность контроля качества питательной воды и ее составляющих устанавливается в соответствии с инструкцией по эксплуатации завода-изготовителя или ПТЭ котлов. Периодичность контроля зависит от рабочего давления пара, степени автоматизации, вида используемого водного режима внутрикотловой водообработки. Отбор проб для анализа производится из мест, рекомендованных инструкцией по ведению водного режима. Контроль качества питательной воды и конденсата должен производиться один раз в сутки. Солесодержание конденсата контролируется непрерывно при помощи солемера. В случае выхода его из строя анализ содержания хлоридов должен производиться ежевахтенно. Полученные в ходе выполнения анализов результаты необходимо сравнить со значениями, рекомендованными "Нормами качества…" и ранее полученными результатами, после чего занести их в судовой журнал водоконтроля. Располагая данными нескольких анализов, выполненных последовательно, можно выявить тенденции в изменении величин показателей качества, сделать вывод о причинах этого изменения и наметить меры по совершенствованию процесса докотловой водоподготовки. 105

Рекомендуемые ПТЭ объемы контроля качества питательной воды и ее составляющих указаны в табл. 2.2 [2, c. 55]. Наименование Контролируемый вида воды показатель Вода для котлов во всех Содержание хлоридов цистернах Дистиллат и химически об- Содержание хлоридов работанная вода Общая жесткость Конденсат Хлориды Нефтепродукты Питательная вода для котлов Общая жесткость низкого давления Содержание хлоридов Нефтепродукты

Таблица 2.2 Примечание Сопоставить с предыдущим Определять при приготовлении

Особое внимание в процессе ведения докотловой водообработки должно уделяться предупреждению попадания в котел нефтепродуктов и органических примесей (жиров). Они способствуют вскипанию воды и вызывают образование на поверхности нагрева трудноудалимой накипи с низкой теплопроводностью, приводящей к перегреву металла. Причинами подобного загрязнения питательной воды являются: – неплотность змеевиков подогревателей топлива, масла, технологического оборудования; – попадание нефтепродуктов в добавочную воду; – чрезмерная смазка механизмов; – низкая эффективность устройств для очистки питательной воды. 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ Перед выполнением анализов проб питательной воды или конденсата необходимо внимательно ознакомиться с устройством экспресс-лаборатории типа СКЛАВ, изучить методику определения различных показателей качества. Непосредственно перед проведением анализов необходимо тщательно ополоснуть посуду той водой, анализ которой будет выполняться. 3.1. Определение общей жесткости Метод определения общей жесткости основан на реакции взаимодействия раствора трилона Б (двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты) с солями жесткости (кальция и магния), растворенными в воде. При добавлении в воду трилона Б в присутствии кислотного индикатора хром темно-синий, проба, содержащая соли жесткости, изменяет окраску. 106

Общая жесткость определяется в следующем порядке. 3.1.1. При помощи мерного цилиндра в пластиковую колбу отмеряют 100 мл воды, добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора и вводят две-три капли индикатора хром темносиний. Проба становится розовой. 3.1.2. При интенсивном помешивании титруют пробу трилоном Б до перехода розовой окраски в синевато-сиреневую. 3.1.3. Общая жесткость, мг-экв/л, равна Жо = 1000ТН/Vп, где Т — расход раствора трилона Б на титрование, мл; Н — нормальность раствора трилона Б; Vп — объем пробы, мл. 3.1.4. Величину общей жесткости заносят в табл. 2.3 и судовой журнал водоконтроля. 3.2. Определение карбонатной жесткости 3.2.1. К 100 мл воды стеклянной лопаткой добавить щепотку сухого индикатора метилоранж (или несколько капель, если индикатор жидкий). Проба окрасится в соломенно-желтый цвет. 3.2.2. При помешивании колбы титровать пробу раствором серной кислоты до момента окончания перехода соломенно-желтой окраски в оранжевую. 3.2.3. Карбонатная жесткость воды, выраженная в мг-экв/л, равна количеству миллилитров раствора кислоты, пошедшей на титрование. 3.2.4. Результат опыта занести в табл. 2.3 и судовой журнал водоконтроля. 3.3. Определение некарбонатной жесткости Некарбонатная жесткость воды, выраженная в мг-экв/л, определяется как разность между значениями найденных выше общей и карбонатной жесткостей. Результат определения занести в табл. 2.3 и судовой журнал водоконтроля. 3.4. Определение содержания хлоридов в конденсате 3.4.1. К пробе конденсата объемом 100 мл добавить лопаткой несколько кристаллов индикатора хромовокислый калий. Проба приобретет желтый цвет. 3.4.2. При помешивании титровать пробу раствором азотнокислого серебра до изменения желтой окраски на буро-красную. 3.4.3. Содержание хлоридов в конденсате, мг/л, равно Сl = 3550Vс/Vп, где Vс — объем азотнокислого серебра, пошедшего на титрование пробы, мл; Vп — объем пробы, мл. 107

3.4.4. Результат анализа занести в табл. 2.3 и судовой журнал водоконтроля. 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать: — краткое описание методики выполнения анализов; — результаты анализов, представленные в форме табл. 2.3; Таблица 2.3 Показатели качества Вид воды

Общая жесткость, мг-экв/л

Карбонатная жесткость, мг-экл

Некарбонатная жесткость, мг-экв/л

Содержание хлоридов, мг/л

Проба 1 Проба 2

— выводы о качестве ведения докотловой водоподготовки и, при необходимости, рекомендации по ее совершенствованию. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите виды воды, используемые в судовых котельных установках, кратко охарактеризуйте их. 2. Перечислите основные показатели качества питательной воды и конденсата, дайте их характеристику. 3. Назовите периодичность и объемы контроля качества питательной воды и ее составляющих. 4. Поясните, чем вызвана "жесткость" воды. Укажите, какие существуют виды жесткости. 5. Поясните методику определения различных видов жесткости. 6. Охарактеризуйте примеси, содержащиеся в питательной воде и их влияние на работу котла. 7. Перечислите различные способы докотловой обработки питательной воды. В чем заключается их сущность? 8. Назовите причины увеличения содержания хлоридов в питательной воде и конденсате. ЛИТЕРАТУРА 1. Справочник судового механика по теплотехнике / И.Ф.Кошелев, А. П. Пимошенко, Г. А. Попов, В. Я. Тарасов. — Л.: Судостроение, 1987. — С. 367—374. 2. Правила технической эксплуатации паровых котлов на судах флота рыбной промышленности СССР. — Л.: Транспорт, 1980. — С. 24—27, 52. 3. Ильин А. К., Иконников-Ципулин Е. С. Практикум по паровым котлам промысловых судов. — М.: Пищевая промышленность, 1978. — С. 78—80, 141—143.

108

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА КОТЛОВОЙ ВОДЫ ПРИ ВЕДЕНИИ ФОСФАТНО-ЩЕЛОЧНОГО ВОДНОГО РЕЖИМА Цель работы: Закрепление навыков работы с судовой комплектной экспресс-лабораторией анализа воды СКЛАВ. Изучение методики определения основных показателей качества котловой воды у котлов низкого давления, работающих с использованием фосфатнощелочного водного режима. Задание: Определить величины показателей качества проб котловой воды, проанализировать полученные результаты и сделать выводы о качестве ведения водного режима и необходимости корректировки показателей качества. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Фосфатно-щелочной водный режим является одним из наиболее распространенных способов организации внутрикотловой водоподготовки для судовых котлов низкого давления (с рабочим давлением пара Рк не выше 2 МПа). Ведение этого водного режима обеспечивается при помощи добавки в котловую воду раздельно или в виде готовых смесей реагентов, содержащих фосфаты и щелочи. Кроме них вводятся другие соединения, выполняющие роль поглотителей кислорода, пассиваторов металла и модификаторов шлама. В качестве таких реагентов в настоящее время широкое применение получили: отечественный препарат ТХ; жидкие реагенты — щелочь Alkalinity Control, присадки Liquitreat и AB Treat норвежской фирмы Unitor; сухой препарат этой же фирмы — Hardness Control, универсальная присадка Combitreat и другие продукты. Номенклатура и величины показателей качества котловой воды, обеспечивающие безнакипной режим работы котла и отсутствие в нем существенных коррозионных разрушений, устанавливаются заводомизготовителем. При отсутствии подобных сведений в инструкции по эксплуатации, необходимо руководствоваться приведенными в Правилах технической эксплуатации паровых котлов на судах рыбопромыслового флота "Рекомендуемыми нормами качества котловой воды". Номенклатура и величины контролируемых показателей качества котловой воды для рассматриваемого вида водного режима, установленные указанными "Нормами…", приведены в табл. 3.1. 109

На судне должен быть организован систематический контроль за ведением водного режима котла. Результаты анализа проб котловой воды должны фиксироваться в судовом журнале водоконтроля и анализироваться. Во всех случаях нарушения водного режима состав котловой воды должен немедленно корректироваться. Оперативными методами регулирования качества котловой воды являются: изменение дозировки химических реагентов и количества продуваемой из котла воды. При исключительных обстоятельствах (чрезвычайно высокая остаточная жесткость или большое солесодержание котловой воды в результате грубого нарушения правил водоподготовки) должна производится частичная или полная смена воды в котле. Таблица 3.1 Показатель Единица Тип котла газотрубный водотрубный качества измерения Общее солесодержание, не мг/л 13000 3000 более Содержание хлоридов, не мг/л 8000 1200 более Щелочное число мг/л 150—200 Остаточная жесткость, не мг-экв/л 0,4 0,2 более При фосфатно-щелочном водном режиме с нитратной пассивацией Нитратное число мг/л 75—100 Примечание: Значение нитратного числа должно составлять 50 % фактического значения щелочного числа.

Регулирование качества котловой воды путем продувания и изменения дозировки реагентов рассмотрено в табл. 3.2. В качестве примера приводится водотрубный котел, имеющий следующие нормативные показатели качества котловой воды: содержание хлоридов Cl — 3000 мг/л; щелочное число Аz — 200 мг/л; остаточная жесткость Жост — 0,2 мг-экв/л. Показатели Выводы по результатам качества котловой анализа пробы воды воды Cl = 2000; Az = 250; Низкое содержание хлоридов, Жост = 0,1 щелочное число нормальное, остаточная жесткость в норме Cl = 3000; Az = 320; Содержание хлоридов в норме, щелочное число повышенное

110

Таблица 3.2 Предпринимаемые действия

Уменьшить величину продувки Уменьшить дозировку вводимых в котловую воду реагентов

Показатели Выводы по результатам качества котловой анализа пробы воды воды содержание Cl = 4500; Az = 120; Повышенное Жост = 0,5 хлоридов, низкая щелочность, остаточная жесткость превышает установленную норму

Продолжение табл. 3.2 Предпринимаемые действия Увеличить продувание и количество вводимых реагентов

2. ПЕРИОДИЧНОСТЬ И ОБЪЕМЫ КОНТРОЛЯ Контроль показателей качества котловой воды осуществляет механик, в заведование которого находится котельная установка. В его обязанности входит: – своевременный контроль показателей качества в соответствии с рекомендациями табл. 3.3; – заполнение документации по водоконтролю; – поддержание экспресс-лаборатории в исправном состоянии и обеспечение ее реактивами. Периодичность контроля устанавливается инструкцией по эксплуатации котла, разработанной заводом-изготовителем. При отсутствии таких сведений в заводской инструкции, следует руководствоваться требованиями Правил технической эксплуатации судовых котлов или инструкцией по ведению водного режима, разработанной судовладельцем. Таблица 3.3 Контролируемые Примечание показатели Котловая вода при Щелочное число, Раз в 2—3 суток необходимо ведении фосфатно- содержание проверять величину остаточной щелочного хлоридов жесткости. При использовании водного режима нитратной пассивации необходимо проверять величину нитратного числа Котловая вода при Щелочное, То же ведении фосфатно- фосфатное и нитратного нитратное числа, водного режима содержание хлоридов Вид воды

В соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации судовых котлов, контроль показателей качества, указанных в табл. 3.3, должен производиться один раз в сутки.

111

Относительная щелочность котловой воды Щотн (доля щелочей в общем солесодержании) при фосфатно-щелочном водном режиме должна быть не более 20 %, то есть величина общего солесодержания не должна опускаться ниже (100/20·150)÷(100/20·200) = 750÷1000 мг/л. Так как определение общего солесодержания котловой воды в судовых условиях затруднено, то щелочно-солевой баланс поддерживают по величине содержания хлоридов. При общем cолесодержании морской воды 35100 мг/л содержание в ней хлор-иона составляет 19370 мг/л, то есть 55,2 %. С учетом этого содержание хлоридов в котловой воде не должно опускаться ниже (0,552·750)÷(0,552·1000) = 415÷550 мг/л, то есть отношение величины содержания хлоридов к значению щелочного числа должно составлять Cl/Az = (415/175)÷(550/200) = 2,36÷2,75. 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Пробу котловой воды отбирают через специально предназначенный для этого кран. Перед отбором пробы сосудпробоотборник необходимо ополоснуть котловой водой. Перед заполнением пробоотборника кран и его трубопровод необходимо промыть, спустив через них воду. Пробу отбирают через охладитель, снижающий температуру котловой воды. Если охладитель неисправен или отсутствует, то результаты анализов необходимо умножить на поправочный коэффициент, учитывающий частичное испарение пробы, сопровождающееся ростом концентрации растворенных в котловой воде веществ. Величина поправочного коэффициента зависит от рабочего давления в котле, табл. 3.4. Рк, МПа Коэффициент

0,4 0,92

0,6 0,88

1,0 0,83

1,4 0,79

1,8 0,75

2,2 0,72

Таблица 3.4 2,6 0,7

Перед проведением анализа котловую воду осветляют при помощи активированного угля, для чего размельченный уголь массой 1 г помещают в коническую колбу, добавляют пробу воды, закрывают и взбалтывают в течение двух-трех минут. Профильтрованную воду подвергают анализу. 3.1. Определение щелочного числа Котловая вода должна иметь щелочную реакцию, позволяющую предотвратить развитие интенсивной электрохимической коррозии котельного металла. Кроме этого, щелочи способствуют протеканию реакций взаимодействия солей жесткости котловой воды и фосфатов, входящих с состав противонакипных препаратов. 112

Метод определения щелочного числа основан на нейтрализации пробы воды, содержащей щелочи, раствором кислоты. Определение производится в следующем порядке. 3.1.1. При помощи мерного цилиндра необходимо отмерить в пластиковую колбу 100 мл котловой воды, затем нужно добавить 2—3 капли фенолфталеина. Проба приобретет малиново-красный цвет. 3.1.2. При интенсивном помешивании добавить к пробе по каплям раствор серной кислоты до исчезновения окраски. Общая щелочность котловой воды Що, выраженная в мг-экв/л, равна количеству миллилитров раствора серной кислоты, пошедших на титрование пробы. 3.1.3. Щелочное число котловой воды, выраженное через содержание едкого натра NaОН, равно, мг/л Аz = 40S, где S — расход раствора серной кислоты на титрование пробы, мл. 3.1.4. Полученный результат необходимо сравнить с рекомендуемым, сделать соответствующие выводы, занести его в отчет (табл. 3.5) и судовой журнал водоконтроля. 3.2. Определение содержания хлоридов 3.2.1. Нейтрализовать пробу котловой воды, для чего отобрать в градуированную пробирку 10 мл котловой воды, перелить ее в колбу, добавить в колбу 40 мл конденсата и ввести 2—3 капли фенолфталеина. Проба приобретет малиново-красный цвет. При помешивании титровать пробу раствором серной кислоты до исчезновения окраски. 3.2.2. К обесцвеченной пробе добавить 5—7 капель (кристаллов) индикатора хромовокислый калий. Проба окрасится в желтый цвет. 3.2.3. При интенсивном помешивании титровать пробу раствором азотнокислого серебра до появления устойчивой буро-красной окраски. Содержание хлоридов в котловой воде равно, мг/л Cl = 355Vc, где Vc — объем раствора азотнокислого серебра, пошедшего на титрование пробы, мл. 3.2.4. Полученный результат сравнить с рекомендуемым, сделать вывод, занести его в отчет (табл. 3.5) и судовой журнал водоконтроля. 3.3. Определение остаточной жесткости По величине остаточной жесткости Жост можно сделать вывод о том, как происходит осаждение накипеобразователей в котловой воде. Определение остаточной жесткости производят в последовательности, изложенной в п. 3.1. предыдущей лабораторной работы. 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 113

Отчет составляется на основании выполненной работы. Он должен включать: – краткое описание методики проведения анализов; – результаты анализов в виде табл. 3.5; Щелочное число Аz, мг/л

Содержание хлоридов Cl, мг/л

Таблица 3.5 Отношение Отстаточная Сl/Аz жесткость Жост, мг-экв/л

Проба 1 Проба 2

–

выводы о качестве ведения водного режима и, при необходимости, рекомендации по его совершенствованию. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулируйте задачи водного режима, назовите виды водных режимов, используемых для судовых котлов низкого давления. 2. Укажите препараты, используемые для обработки котловой воды, поясните механизм их действия. 3. Приведите нормы качества котловой воды для фосфатно-щелочного водного режима. Поясните, почему для газотрубных котлов нормы качества менее жесткие, чем для водотрубных? 4. Назовите объем и периодичность контроля показателей качества питательной и котловой воды судовой котельной установки. В какой судовой документ заносят эти показатели? 5. Как регулируют величины показателей качества котловой воды? 6. Какое соотношение должно поддерживаться между содержанием хлоридов и щелочным числом и почему? 7. Перечислите причины, по которым может происходить вскипание воды в котле. Чем опасно вскипание воды? Назовите меры по предотвращению этого явления. 8. Поясните понятие "общая щелочность котловой воды". В каких единицах она измеряется? Каково соотношение между общей щелочностью и щелочным числом? Какие различают виды щелочности? 9. Назовите источники хлоридов, фосфатов, нитратов и щелочей в котловой воде. ЛИТЕРАТУРА 1. Правила технической эксплуатации паровых котлов на судах флота рыбной промышленности СССР. — Л.: Транспорт, 1980. — 64 с. 2. Справочник судового механика по теплотехнике / И. Ф. Кошелев, А. П. Пимошенко, Г. А. Попов, В. Я. Тарасов. — Л.: Судостроение, 1987. — С. 367—374.

114

3. Ильин А. К., Иконников-Ципулин Е. С. Практикум по паровым котлам промысловых судов. — М.: Пищевая промышленность, 1978. — С. 78—80, 141—143. 4. Описание и инструкция по эксплуатации судовой комплектной лаборатории типа СКЛАВ.

115

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 АНАЛИЗ КОТЛОВОЙ ВОДЫ ПРИ ПОМОЩИ ЭКСПРЕССЛАБОРАТОРИИ ФИРМЫ UNITOR Цель работы: Приобретение навыков работы с экспресслабораторией типа Spektrapak 310 по определению показателей качества котловой воды при ведении фосфатно-щелочного водного режима. Задание: Выполнить анализ проб котловой воды и сделать заключение о правильности ведения водного режима. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭКСПРЕСС-ЛАБОРАТОРИИ SPEKTRAPAK 310 Экспресс-лаборатория Spektrapak 310 выпускается норвежской фирмой Unitor. Она предназначена для определения показателей качества котловой воды котлов низкого и среднего давления, работающих с использованием фосфатно-щелочного водного режима. Лаборатория скомпонована в виде пластикового чемоданчика с откидной крышкой. В комплект экспресс-лаборатории входят: – емкость для отбора проб с притертой крышкой; – лопатка для размешивания пробы воды; – упаковки с таблетками, используемыми для определения содержания хлоридов; – упаковки с таблетками, используемыми для определения величины фосфатной щелочности. Инструкция по использованию экспресс-лаборатории на английском языке прикреплена на оборотной стороне пластикового чемоданчика и на его откидной крышке. 2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Анализу подвергается представительная проба котловой воды. Проба всегда отбирается из одного и того же места. Перед отбором пробы необходимо промыть пробный кран, спустив через него воду. Это обеспечивает очистку трубопровода и пробного крана от накопившихся в них отложений. 2.1. Определение фосфатной щелочности Определение фосфатной щелочности котловой воды следует производить в следующем порядке. 2.1.1. Отобрать пробу воды объемом 200 мл в мерную емкость. 116

2.1.2. Добавить в емкость одну таблетку для определения фосфатной щелочности из сосуда, помеченного "P. Alkalinity tablets" и взболтать пробу до растворения таблетки. Если в пробе присутствуют фосфаты, то она приобретет голубой цвет. 2.1.3. Постепенно, тщательно перемешивая пробу, добавлять по одной таблетке до перехода окраски в устойчиво желтую. Фосфатная щелочность в пересчете на CaCO3, мг/л, определяется по выражению Щф=20n – 10, где n — количество использованных таблеток. 2.1.4. Полученный результат следует сравнить с предыдущим и рекомендованным, после чего занести его в табл. 4.1 и судовой журнал водоконтроля. 2.2. Определение содержания хлоридов 2.2.1. Для котлов с рабочим давлением пара до 3,0 МПа (30 бар) отбирается проба объемом 50 мл. 2.2.2. К пробе добавляется одна таблетка для определения содержания хлоридов (Сhloride tablets), проба перемешивается путем встряхивания до полного растворения таблетки. Если в воде присутствуют хлориды, то она окрашивается в желтый цвет. 2.2.3. Последовательно добавляют по одной таблетке до перехода желтой окраски в оранжево-коричневую. Содержание хлоридов равно, мг/л Cl = 20n – 20, где n — количество использованных таблеток. 2.2.4. Для котловой воды с высоким содержанием хлоридов объем пробы должен составлять 25 мл. В этом случае одна использованная таблетка соответствует концентрации 40 мг/л. 2.2.5. Полученный результат необходимо сравнить с предыдущим и рекомендованным, после чего занести его в табл. 4.1 и судовой журнал водоконтроля. 3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет составляется по результатам выполнения работы. В него необходимо включить: — краткое описание выполненных опытов, результаты анализов в виде табл. 4.1; Фосфатная щелочность, мг/л

Проба 1 Проба 2

117

Таблица 4.1 Содержание хлоридов, мг/л

— полученные результаты необходимо сравнить с рекомендациями фирмы Unitor и требованиями Правил технической эксплуатации паровых котлов на судах флота рыбной промышленности. Сделать выводы о необходимости корректировки водного режима котла для обоих случаев. При необходимости подобной корректировки указать способы изменения величины показателей качества котловой воды. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Чем опасна чрезмерная щелочность котловой воды? Какие причины способствуют росту локальной концентрации щелочей в котловой воде? 2. Сформулируйте понятие "относительная щелочность котловой воды" Щотн. Какого значения не должна превышать величина Щотн и почему? 3. Укажите источники чрезмерного засоления котловой воды. Чем оно опасно для котла? 4. Назовите способы регулирования содержания хлоридов и щелочей в котловой воде. 5. Укажите, каково соотношение между единицами измерения концентраций химических растворов ppm и мг/л? 6. Назовите способы, которыми может быть выражена щелочность котловой воды.

118

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Вязкость топлива в различных единицах при постоянной температуре ν, сСт 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5

о

Вязкость ВУ RI

1,0 1,06 1,12 1,17 1,22 1,26 1,30 1,35 1,40 1,44 1,48 1,52 1,56 1,60

28,5 30,0 31,0 32,0 33,0 34,5 35,5 37,0 38,0 39,5 41,0 42,0 43,5 45,0

SSU

ν,

— — — 34,4 36,0 37,6 39,1 40,7 42,3 43,9 45,5 47,1 48,7 50,3

сСт 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0

о

Вязкость ВУ RI

1,65 1,70 1,75 1,79 1,83 1,88 1,93 2,04 2,12 22,2 2,32 2,43 2,55 2,65

46,0 47,5 49,0 50,5 52,0 53,3 55,0 58,0 61,0 64,5 68,0 71,5 75,0 78,5

SSU

ν,

52,0 53,7 55,4 57,1 58,8 60,6 62,3 66,0 69,6 73,3 77,2 81,1 85,1 89,2

сСт 19,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0 35,0 40,0 45,0 50,0 56,0 60,0

о

Вязкость ВУ RI

2,75 2,90 3,10 3,35 3,60 3,85 4,10 4,35 4,70 5,35 6,00 6,50 7,40 7,90

82,0 86,0 93,0 101 109 117 125 133 144 164 185 205 229 245

SSU 93,3 97,5 106,0 114,6 123,3 132,1 140,9 149,7 163,2 185,7 208,4 231,4 259,0 277,4

Примечание. При более высоких значениях кинематической вязкости перевод вязкости из одних единиц в другие производят по формулам: о ВУ = 0,132ν; RI = 4,05ν; SSU = 4,62ν; ν = 0,247cRI; оВУ = 0,0326RI; SSU = 1,14RI.

119

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Основные технико-экономические показатели судовых вспомогательных котлов Параметры

Тип котла

котла Паропроизводительно сть Dк, кг/с Давление пара Рк, МПа Т-ра питатаельной воды tпв, оС Т-ра уходящих газов tух, оС КПД ηк, % Тепловая нагрузка топочного объема qv, кВт/м3 Объем топки Vт, м3 Площадь испарительной поверхности Нк, м3 Расход топлива В, кг/с Форсунки Кол-во форсунок Сопротивление ГВТ, Δhгвт, Па Масса сухого котла, т Масса котла с водой, т

КАВ 4/7 1,1

КАВ 6,3/7 1,75

КАВ 10/16 2,17

КАВ 16/16 4,4

КВВА 1,5/5 0,42

КВВА 2,5/5 0,69

КВВА 12/15 3,33

VX-125 1,39

0,7 50

0,7 50

1,6 50

1,6 50

0,5 40

0,5 40

1,5 40

1,0 55

372

383

440

460

450

356

380

380

80,7 1840

80,5 2250

87,0 2495

77,5 2900

79,0 1590

82,0 1380

80,0 2250

75,0 890

1,9 98,1

1,82 129,7

2,2 173,8

2,5 234

0,87 39,8

1,61 77,0

4,65 208,0

7,01 149

0,09

0,14

0,17

0,055

0,25

1 3200

1 3250

2 3300

0,034 Паромеханические 2 1 4500 1200

2 1200

3 1800

0,122 Механич. 1 2000

8,3 9,6

12,7 14,4

16,5 19,0

5,6 6,7

15,0 17,5

25,96 34,56

18,3 21,1

Продолжение приложения 2 120

3,3 3,8

Параметры

Тип котла

котла

КВ 1,6/5

КАВ 2,5/7

КВС 30/II-А

КВА 1/5М

КВА 0,63/5

КВА 0,51/5

КВА 0,25/3

0,44

КАВ 1,6/7 0,44

Паропроизводительно сть Dк, кг/с Давление пара Рк, МПа Т-ра питатаельной воды tпв, оС Т-ра уходящих газов tух, оС КПД ηк, % Тепловая нагрузка топочного объема qv, кВт/м3 Объем топки Vт, м3 Площадь испарительной поверхности Нк, м3 Расход топлива В, кг/с Форсунки Кол-во форсунок Сопротивление ГВТ, Δhгвт, Па Масса сухого котла, т Масса котла с водой, т

0,69

0,55

0,28

0,17

0,139

0,069

0,5 70

0,7 70

0,7 70

0,5 40

0,5 40

0,5 40

0,5 65

0,3 40

300

300

300

400

335

378

378

336

81 1150

81 1150

81 1163

74 2100

82 4170

76 4030

73 5110

72 3250

1,17 70,7

1,17 70,7

1,17 97,0

3,9 78,7

0,9 15,0

0,8 9,5

0,82 6,1/1,18

0,6 3,25

0,016 Механ. 1 2200

0,015 Паромех. 1 3250

1,96 2,23

1,4 1,6

0,033

0,033 0,053 Паромеханические 1 1 1 2000 2000 2000 6,4 7,5

5,3 6,4

6,4 7,5

0,051 Механ. 2 1200 6,1 7,4

121

0,025 0,02 Паромеханические 1 1 2000 2870 2,5 3,1

1,7 1,9

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ Первый блок (контрольная работа № 1). Конструкция судовых котлов и их элементов Практическое занятие 1. Конструкция вспомогательных и утилизационных котлов. Состав и схемы судовых котельных установок 5 Практическое занятие 2. Изучение конструкции топочных устройств 8 Практическое занятие 3. Арматура и внутриколлекторные устройства судовых котлов 10 Практическое занятие 4. Корпус, каркас, кожух и теплоизоляция судовых котлов 13 Второй блок (контрольная работа № 2). Основы теории процессов, протекающих в котлах Практическое занятие 5. Материальный баланс процесса сгорания. Определение объемов воздуха и продуктов сгорания 15 Практическое занятие 6. Тепловой баланс вспомогательного котла 26 Практическое занятие 7. Тепловой баланс утилизационной котельной установки 34 Практическое занятие 8. Теплообмен во вспомогательном котле 41 Практическое занятие 9. Определение мощности вентилятора 47 Практическое занятие 10. Расчет дозировки реагентов для внутрикотловой водоподготовки. Определение величины оптимальной продувки котла 55 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Техника безопасности при выполнении лабораторных работ 63 Лабораторная работа 1. Определение показателей качества котельного топлива 64 Лабораторная работа 2. Контроль качества питательной воды и конденсата 74 Лабораторная работа 3. Определение показателей качества котловой воды при ведении фосфатно-щелочного водного режима 79 Лабораторная работа 4. Анализ котловой при помощи экспресс-лаборатории

122

фирмы Unitor 85 Приложение 1. Вязкость топлива в различных единицах при постоянной температуре 88 Приложение 2. Основные технико-экономические показатели судовых вспомогательных котлов 89

123