Расчет пароперегревателя и низкотемпературных поверхностей нагрева паровых котлов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
А.В. Гиль 
 
 
 
 
 
РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ  
И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 
НАГРЕВА ПАРОВЫХ КОТЛОВ 
 
 
 
Рекомендовано в качестве учебно-методического пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2017 

УДК 621.184.3.001.24(075.8) 
ББК 31.361я73 
Г47 

Гиль А.В. 
Г47  
Расчет пароперегревателя и низкотемпературных поверхностей нагрева паровых котлов : учебно-методическое пособие / 
А.В. Гиль ; Томский политехнический университет. – Томск : 
Изд-во Томского политехнического университета, 2017. – 136 с. 

ISBN 978-5-4387-0757-8 

Пособие содержит методику теплового расчета пароперегревателя, водяного экономайзера и воздухоподогревателя, а также нормативно-справочный 
материал, рекомендации по компоновке и конструированию отдельных элементов и поверхностей нагрева парового котла в горизонтальном газоходе и 
конвективной шахте. 
Предназначено для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлению 13.04.03 «Энергетическое машиностроение». 

УДК 621.184.3.001.24(075.8) 
ББК 31.361я73 

Рецензенты 

Доктор технических наук, 
профессор кафедры теплоэнергетики  
Омского государственного университета путей сообщения 
В.М. Лебедев 

Доктор технических наук 
заведующий кафедрой теплогазоснабжения 
Томского государственного архитектурно-строительного университета 
Н.А. Цветков 

ISBN 978-5-4387-0757-8
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2017 
© Гиль А.В., 2017 
© Оформление. Издательство Томского 
    политехнического университета, 2017 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие ................................................................................................... 5 

Введение ......................................................................................................... 6 

1.  РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАДЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ   
ПО СТУПЕНЯМ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ ......................................... 7 

2.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ПАРА  В СТУПЕНЯХ 
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ ........................................................................ 9 

3.  ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ШИРМОВОГО   
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ ...................................................................... 10 

4.  ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВПРЫСКИВАЮЩИХ  
ПАРООХЛАДИТЕЛЕЙ ......................................................................... 27 

5.  ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПАРООТВОДЯЩИХ ТРУБ .......................... 30 

6.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОГО ТЕПЛОВОСПРИЯТИЯ 
КОНВЕКТИВНОГО И РАДИАЦИОННОГО 
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ  В ПРЕДЕЛАХ  
ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ГАЗОХОДА ................................................... 37 

7.  РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОСПРИЯТИЯ   
ПО ЭЛЕМЕНТАМ ОПУСКНОЙ КОНВЕКТИВНОЙ ШАХТЫ ...... 41 

8.  СВЕДЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КОТЛА ................................ 46 

9.  РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ СТУПЕНИ  КОНВЕКТИВНОГО 
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ ...................................................................... 47 

10. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ   
ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ............................................................................. 61 

11. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ   
ВТОРОЙ СТУПЕНИ ............................................................................. 72 

12. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОДЯНОГО ЭКОНОМАЙЗЕРА   
ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ............................................................................. 80 

13. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОДЯНОГО ЭКОНОМАЙЗЕРА   
ВТОРОЙ СТУПЕНИ ............................................................................. 90 

14. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВХОДНОЙ СТУПЕНИ   
КОНВЕКТИВНОГО ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ   
И РАДИАЦИОННОГО ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ .......................... 100 

3

 

Заключение ................................................................................................. 114 

Список сокращений и условных обозначений ....................................... 115 

Список литературы .................................................................................... 116 

Приложение А  
УГЛОВЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА .... 117 

Приложение Б  
КОЭФФИЦИЕНТЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ  
ТЕПЛОВОСПРИЯТИЯ ПО ВЫСОТЕ КАМЕРНЫХ ТОПОК   
С ВСТРЕЧНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГОРЕЛОК ......................... 118 

Приложение В  
УГЛОВЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ И ИХ СУММЫ ............................. 119 

Приложение Г  
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ КОНВЕКЦИЕЙ ПРИ 
ПРОДОЛЬНОМ ОМЫВАНИИ ДЛЯ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА ........ 122 

Приложение Д  
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ КОНВЕКЦИЕЙ  
ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОМЫВАНИИ ТРУБНЫХ ПУЧКОВ 
ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ ..................................................................... 123 

Приложение Е  
СОРТАМЕНТ И МАРКИ СТАЛЕЙ ТРУБ, ПРИМЕНЯЕМЫХ   
В ОТЕЧЕСТВЕННОМ КОТЛОСТРОЕНИИ .................................... 132 

Приложение К  
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ МАССОВЫЕ СКОРОСТИ (ωρ ) 
ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПАРОВОГО КОТЛА ............. 134 

Приложение Л  
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАПОР ПРИ СХЕМЕ  
ПЕРЕКРЕСТНОГО ТОКА .................................................................. 135 
 
 
 

4

 

Предисловие 

Выполнение проекта котельного агрегата на основе теплового расчета представляется нетривиальной задачей, поскольку на начальном 
этапе расчета имеется большое количество параметров, которые являются неизвестными, и для получения наиболее оптимальной компоновки 
необходимо прибегать к методу последовательных приближений. Тем 
самым процесс расчета является весьма трудоемким и существенно затягивается по времени. Выполнение ряда рекомендаций позволит снизить 
трудоемкость и повысить качество выполняемого проекта. 
В пособии представлены рекомендации и методика выполнения 
расчета пароперегревателя, водяного экономайзера и рекуперативного 
воздухоподогревателя котельного агрегата с естественной циркуляцией. 
Изложенный материал учебно-методического пособия основывается 
на нормативном методе теплового расчета котлов [1], учебных пособиях 
И.Д. Фурсова [2], Ю.М. Липова [3]. 
 

5

 

Введение 

Пароперегреватели современных энергетических котлов среднего и 
высокого давления эксплуатируются при высоких температурах рабочего 
тела и обогревающих продуктов сгорания. Данный факт отражается на 
усложнении компоновочных решений ступеней пароперегревателя с целью обеспечения надежности работы при номинальных параметрах пара. 
Называемые низкотемпературными поверхностями нагрева водяной 
экономайзер и воздухоподогреватель в ходе выполнения расчета и проектирования также должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих их надежную и эффективную работу. Несмотря на кажущуюся 
простоту предъявляемых требований к данным поверхностям, зачастую 
расчет именно водяного экономайзера и воздухоподогревателя занимает 
наибольшее время вследствие рассогласования расчетных рекомендаций 
с геометрическими параметрами поверхности и конвективной шахты. 
В пособии изложен систематизированный материл теплового расчета пароперегревателя и низкотемпературных поверхностей нагрева, а 
также рекомендации по их компоновке, позволяющие качественно и в 
достаточно короткие сроки выполнить их проект. 
Пособие предназначено для студентов направления подготовки бакалавров и магистров 13.04.03 «Энергетическое машиностроение» при 
изучении дисциплин: «Паровые котлы», «Современные энергетические 
технологии», «Научно-исследовательская работа» и подготовки выпускных квалификационных работ. 

6

 

1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАДЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ  
ПО СТУПЕНЯМ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ 

1.1. 
Для проведения теплового расчета пароперегревателя необходимо определить значения давления пара на входе и выходе из его 
ступеней. В качестве расчетного примера предлагается следующая компоновка пароперегревателя (рис. 1.1): пар из барабана по пароперебросным трубам (1) поступает в радиационный пароперегреватель (РПП), 
затем в конвективный пароперегреватель первой ступени (КПП1), далее 
перебрасывается в ширмовый пароперегреватель (ШПП), а из него в 
выходную ступень – конвективный пароперегреватель второй ступени 
(КПП2) – и затем пар направляется в паросборную камеру. Небольшая 
доля пара по пароперебросным трубам (2) поступает в поверхностный 
теплообменник для получения собственного конденсата, который 
направляется во впрыскивающие пароохладители первой (ВПО1) и второй (ВПО2) ступени. Пароохладители установлены в рассечку. ВПО1 
между КПП1 и ШПП, а ВПО2 между ШПП и КПП2. 
 

 
Рис. 1.1. Принципиальная схема компоновки пароперегревателя котла  
с естественной циркуляцией 

7

 

Для котлов с естественной циркуляцией перепад давления по пароперегревателю составляет примерно 12 %. Наибольшие гидравлические 
потери приходятся на ширмовый пароперегреватель и змеевики конвективных ступеней пароперегревателя. В соответствие с этим ниже приведены рекомендации по определению изменения давления пара при 
прохождении ступеней пароперегревателя. 
1.2. 
Давление в барабане (принимается по заданию) 

б
МПа
,
.
Р
 

1.3. 
Давление перегретого пара (принимается по заданию) 

пп, МПа.
Р
 

1.4. 
Распределение падения давления по ступеням пароперегревателя. 
1.4.1. Суммарное падение давления в пароперегревателе 

пп
б
пп, МПа.
Р
Р
Р



 

1.4.2. В потолочном (радиационном) пароперегревателе 

рпп
пп,
0,1
МПа.
Р
Р



 

1.4.3. В конвективном пароперегревателе первой ступени 

кпп1
пп
0,3
, МПа.
Р
Р



 

1.4.4. В ширмовом пароперегревателе 

шпп
пп
0,3
, МПа.
Р
Р



 

1.4.5. В конвективном пароперегревателе второй ступени 

кпп2
пп
0,3
, МПа.
Р
Р



 

1.5. 
Давление пара на границах ступеней пароперегревателя (рис. 1.1). 
1.5.1. На входе в потолочный (радиационный) пароперегреватель 

рпп
б, МПа.
P
Р


 

1.5.2. На выходе из потолочного пароперегревателя 

рпп
рпп
рпп, МПа.
P
Р
Р

 


 

1.5.3. На входе в первую ступень конвективного пароперегревателя 

кпп1
рпп, МПа.
Р
Р



 

8

 

1.5.4. На выходе из первой ступени конвективного пароперегревателя 

кпп1
кпп1
кпп1, МПа.
Р
Р
Р

 


 

1.5.5. На входе в ширмовый пароперегреватель 

шпп
кпп1, МПа.
P
Р



 

1.5.6. На выходе из ширмового пароперегревателя 

шпп
шпп
шпп, МПа.
P
P
P

 


 

1.5.7. На входе во вторую ступень конвективного пароперегревателя 

кпп2
шпп, МПа.
P
P



 

1.5.8. На выходе из второй ступени конвективного пароперегревателя 

кпп2
кпп2
кпп2, МПа.
Р
Р
Р

 


 

1.5.9. Правильность расчета можно оценить по зависимости 

кпп2
пп, МПа.
Р
Р


 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ПАРА  
В СТУПЕНЯХ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ 

2.1. 
Согласно рис. 1.1 небольшая часть пара из барабана направляется в поверхностный теплообменник (конденсатор) и далее на 
впрыскивающие пароохладители, а оставшаяся часть пара направляется 
в РПП. Поэтому расход пара через РПП не будет равен паропроизводительности котельного агрегата. Расход пара в пароперегревателе будет 
расти при прохождении через каждую из ступеней пароохладителя и в 
конечном итоге достигнет проектной паропроизводительности. 
2.2. 
Расход перегретого пара (принимается по заданию) 

пп, кг/c
D
. 

2.3. 
Общий расход пара на впрыск (принимается из рекомендованного диапазона) 

впр
пп
(0,06
0,08)
, кг/c.
D
D


 

2.3.1. Расход впрыскиваемого конденсата через пароохладитель 
первой ступени (как правило принимается по следующей зависимости) 

впр1
впр
.
0,6
, кг/c
D
D


9

 

2.3.2. Расход впрыскиваемого конденсата через пароохладитель 
первой ступени (как правило, принимается по следующей зависимости) 

впр2
впр
0,4
, кг/c.
D
D

 

2.4. 
Расход пара через радиационный пароперегреватель 

рпп
пп
впр, кг/c.
D
D
D


 

2.5. 
Расход пара в ширмовом пароперегревателе 

шпп
пп
впр1, кг/c.
D
D
D


 

2.6. 
Расход пара в первой ступени конвективного пароперегревателя 

кпп1
рпп, кг/c.
D
D

 

2.7. 
Расход пара во второй ступени конвективного пароперегревателя 

кпп2
пп, кг/c.
D
D

 

2.8. 
Правильность расчета можно оценить по зависимости 

шпп
пп
впр2, кг/c.
D
D
D


 

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ШИРМОВОГО  
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ 

3.1. 
Целью поверочного теплового расчета ширмового пароперегревателя является определение значений пара и продуктов сгорания 
на входе и выходе из ШПП при известных основных конструктивных 
параметрах ШПП и топки (рис. 3.1). При выборе поперечного шага 
ШПП в диапазоне 
1
500
700
S


 мм, ширмовый пароперегреватель является полурадиационной поверхностью и соответственно получает тепло 
как за счет излучения из топочного объема, так и конвективное тепло от 
продуктов сгорания, омывающих ленты ШПП. 
3.1.1. Диаметр и толщина стенки обогреваемых труб ширмового 
пароперегревателя (принимается из расчета топочной камеры) 

шпп, м
d
; , м

. 

3.1.2. 
Поперечный шаг ширм (принимается из расчета топочной камеры) 

1, м.
S
 

10