Учебник - Котельные установки часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

В диапазоне скорости пара w

" и влажности пара ω = 0,01 - 0,1%, в котором работают

промышленные агрегаты, расчет влажности можно вести по формуле

(9.147)

Коэффициент С зависит от давления и характеризует физические свойства пара и

жидкости (рис.9.61). С увеличением давления коэффициент поверхностного натяжения s

снижается, соответственно уменьшается размер капель воды, скорость витания падает, а

количество капель увеличивается. Кроме того, увеличивается несущая способность пара

за счет роста его плотности. Поэтому при изменении давления от 10 до 16 МПа

коэффициент С и влажность пара о изменяются в 5 раз. Отсюда вытекает необходимость

снижения приведенной скорости пара у зеркала испарения (нагрузки зеркала испарения)

при проектировании парового котла на более высокое давление (рис.9.62), что вызывает

увеличение размеров барабана. Второй путь снижения влажности пара - использование

сепарационных установок внутри барабана.

Влияние примесей на динамический двухфазный слой и унос влаги определяется

наличием в котловой воде (воде барабана и контура циркуляции) поверхностно-активных

веществ. Эти вещества концентрируются в жидкой пленке вокруг парового пузыря,

увеличивают силы поверхностного натяжения.

При температурах 300…360°С (давление свыше 9 МПа) основную роль в

образовании адсорбционных структур в жидкой пленке играют неорганические вещества -

продукты коррозии конструкционных материалов, в первую очередь оксиды железа.

Коллоидно-дисперсные частицы гидратов оксидов железа имеют вытянутую форму

и при коагуляции образуют пространственную структуру. При низкой концентрации

электролитов эти структуры непрочные, распадаются под влиянием других примесей и

турбулизации потока. В этом случае поверхностное натяжение s изменяется

незначительно, процессы барботажа пара и уноса его практически не претерпевают

изменений.

При концентрациях электролитов выше критических С

КР

происходит упрочнение

структуры, в жидкой пленке (поверхностном слое) частицы гидратированных оксидов

железа образуют упорядоченную структуру в виде сетки, повышающую вязкость и

прочность пленки; поверхностное натяжение резко возрастает.

Упрочнение жидкой пленки, повышение s приводит к тому,что при выходе из

погруженного дырчатого листа образуются мелкие пузырьки пара, количество их

возрастает. Все это приводит к изменению (увеличению) паросодержания φ

БАРБ

на

стабилизированном участке двухфазного слоя (рис.9.63). При низких концентрациях

электролитов в котловой воде С

К.В

, мг/кг, паросодержание φ

БАРБ

не изменяется по

сравнению с чистой водой: при концентрации выше критического значения С

КР

начинается набухание двухфазного слоя, φ

БАРБ

увеличивается. При дальнейшем

повышении концентрации С

К.В

, значения φ стабилизируются на новом, более высоком

значении (примерно в 2 раза выше).

Разрушение жидкой пленки вокруг парового пузырька из-за повышения s

происходит при меньшей толщине пленки. Замедленное разрушение пузырей пара

приводит к их скоплению в переходной зоне двухфазного слоя, в верхней части этой зоны

образуется высокодисперсная пароводяная эмульсия (пена), состоящая из паровых

пузырей, окруженных тонкой пленкой воды. Доля пара в ней превышает 90…95%. Такое

явление называют вспениванием уровня.

На рис.9.64 показано увеличение действительного уровня двухфазного слоя в

зависимости от С

К.В

". На рисунке видно, что увеличение уровня достигает 200…300 мм.

С увеличением давления в барабане котла С

КР

снижается, т.е. процессы набухания и

вспенивания начинаются при более низких концентрациях, следовательно, для их

предотвращения требуется более чистая вода.

При разрыве более мелких паровых пузырей с тонкой жидкой пленкой образуется

большое количество мелких капель воды, их доля возрастает в потоке капель влаги.

Оба процесса, имеющие место при высокой концентрации примеси (С

К.В

> С

КР

уменьшение высоты парового пространства и увеличение доли мелких капель воды -

приводят к резкому возрастанию уноса влаги паром.

На рис.9.65,а показана зависимость влажности пара ω от концентрации примеси в

воде. Видно, что при С

К.В

> С

КР

влажность сильно возрастает. На рис.9.65,б приведен

график изменения концентрации примеси в насыщенном паре C

УН

, поступающей в него с

уносимой влагой, ( ω - в %)

УН

= 0,01С

К.В

При ω = const концентрация примесей C

УН

пропорциональна С

К.В

, а при С

К.В

> С

КР

зависит и от ω. Из графиков рис.9.65 можно определить по предельно допустимой

концентрации (C

УН

)

ПР

допустимые значения (С

К.В

)

ПР

и ω

ПР

. Способы воздействия на С

К.В

рассмотрены в гл.11 и 12. Выполнить условие w ≤ w

ДОП

можно за счет ограничения

нагрузки на зеркало испарения (R

или R

На рис.9.66 показано, что при С

К.В

< С

КР

нагрузку на зеркало испарения можно

поддерживать на высоком уровне, при этом ω = ω

ПР

При С > С

К.В

для выдерживания условия ω = ω

ПР

нагрузку приходится снижать, при

(С

К.В

)

ПР

получаем значение (R

)

ПР

, обеспечивающее предельно допустимый режим по

УН

)

ПР

. Кривая на рис.9.66 разделяет плотность R

- C

К.В

на две части, в которых ω

меньше или больше ω

ПР

. Влажность пара, уходящего из барабана, можно уменьшить по

сравнению с уносом влаги путем организации сепарационных устройств.

10. Температурный режим поверхностей нагрева паровых

котлов

10.1.Металл паровых котлов

Условия работы металла в паровых котлах отличаются большим разнообразием:

температура изменяется от комнатной до 1000°С и более, давление - от атмосферного до

35 МПа, активность рабочей среды - от нейтральной до химически активной.

В наиболее простых условиях работает металл каркаса котла, его обшивка - при

атмосферном давлении, температуре, незначительно превышающей комнатную, среда -

воздух. Элементы воздухоподогревателя (трубы, трубные доски, уплотнения, крепление)

также работают при давлении, близком к атмосферному, но температура значительно

выше. С учетом большого расхода металла на изготовление воздухоподогревателей и

низких нагрузок (тепловых и механических) для их изготовления используется дешевая

углеродистая сталь. В некоторых случаях приходится ограничивать температуру горячего

воздуха и дымовых газов таким образом, чтобы температура металла не превышала

допустимой для углеродистой стали. Металл воздухоподогревателя подвергается

воздействию сернокислотной коррозии и абразивному износу летучей золой при

сжигании твердого топлива. В условиях высоких температур (1000°С и более) и

интенсивной коррозии работают неохлаждаемые стойки и подвески труб, их крепежные

элементы, детали горелок.

К другой группе элементов конструкции парового котла относятся поверхности

нагрева, включающие обогреваемые трубы и коллекторы, трубопроводы между

поверхностями нагрева, барабан, работающие под воздействием не только высокой

температуры, но и высокого внутреннего давления рабочей среды. Кроме того,

поверхности нагрева подвергаются коррозии с газовой стороны и со стороны водного

теплоносителя, абразивному износу летучей золой. Конкретные условия работы металла

поверхностей нагрева существенно различаются и для их выполнения необходимо

использовать металл соответствующего качества.

Работоспособность металла определяется комплексом его механических,

технологических и приданных ему специальных свойств. Специальные свойства металла

обеспечивают его рабочее состояние в особо напряженных условиях. Так, для

поверхностей нагрева паровых котлов, работающих при высоких температурах, важное

значение имеют жаропрочность и окалиностойкость металла.

Жаропрочность - способность материала выдерживать механические нагрузки без

существенной деформации и разрушения при повышенных температурах. Жаропрочность

отражает свойство стали сохранять прочность, пластичность и стабильность структуры

при высоких температурах в условиях ползучести металла в течение расчетного срока

службы в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность материала противостоять

химическому разрушению поверхности под воздействием окислительной газовой среды

при высоких температурах. Критерием окалиностойкости служит удельная потеря массы

при окислении металла за определенный период времени.

Для каждой стали, используемой в паровых котлах, устанавливается предельная

температура наружной поверхности по жаропрочности и окалинообразованию,

превышение которой приводит к интенсивной коррозии стали в газовой среде и

изменению структуры металла с резким ухудшением его механических свойств.

Коррозия металла поверхностей нагрева парового котла с внешней (газовой) и

внутренней (водопаровой) стороны снижает прочностные характеристики металла

элементов конструкции котла и для достижения надежной службы этих элементов

необходимо использовать металл соответствующего качества.

Перечень марок сталей, используемых в паровых котлах, предельно допустимая

температура наружной поверхности металла t

пр

, °С, по жаропрочности,

высокотемпературной наружной коррозии и окалинообразованию представлены в табл.

10.1.

При тепловом расчете парового котла предварительно выбираются марка стали,

диаметр и толщина стенки труб.

После теплового расчета проводится расчет элементов котла на прочность, в

результате которого могут быть определены (в зависимости от целей расчета):

- толщина стенки (трубы, коллектора, барабана) S, м, сравнивается с предварительно

принятой толщиной S

пр

, м (S ≥ S

пр

- приведенное напряжение от внутреннего давления σ

пр

, Па, не должно превышать

номинальное допустимое напряжение [σ], Па;

- допустимое рабочее давление р

доп

, Па, должно быть больше действительного рабочего

давления р, Па;

- температура наружной поверхности стенки t

СТ

НАР

, °С, должна быть ниже предельно

допустимой температуры t

пр

Если предварительно принятые конструктивные характеристики элемента не

удовлетворяют условиям прочности, тепловой расчет котла повторяется с новыми

исходными данными.

Методика расчета элементов теплоэнергетического оборудования, необходимые

характеристики металла приведены в соответствующих нормах, а также в справочной

литературе.

10.2.Расчет температурного режима обогреваемых труб

парового котла

Надежность температурного режима обогреваемых труб определяется их

механической прочностью, отсутствием окалинообразования или изменения структуры

металла. На надежность работы труб оказывают отрицательное влияние резкие колебания

температуры металла, вызванные колебанием теплового потока, расхода и температуры

водного теплоносителя, изменением коэффициента теплоотдачи от стенки к среде и т.п.

Колебания температуры металла вызывают разрушение защитных оксидных пленок, что

интенсифицирует окалинообразование и появление усталостных трещин в металле.

При расчете температурного режима обогреваемой трубы определяют значения

температуры металла:

 на внутренней поверхности стенки трубы t

ст

вн

ст

вн

используется при расчете

коэффициента теплоотдачи от стенки к водному теплоносителю и для анализа

физико-химических процессов, протекающих на этой поверхности и вблизи нее);

 средняя по толщине (сечению) стенки трубы t

ст

ср

ст

ср

необходима для расчета

длительной прочности трубы);

 на наружной поверхности стенки трубы t

ст

(по значению t

ст

производится оценка

вероятности окалинообразования и изменения структуры металла).

Методику расчета температурного режима труб рассмотрим на примере одного из

элементов парового котла - вертикальной панели НРЧ, расположенной на боковой стенке

топочной камеры (рис. 10.1). При этом геометрические размеры рассчитываемой панели

должны быть заданы (число, диаметр, длина труб и т.д.).

Прежде всего определим среднее удельное тепловосприятие панели (элемента

поверхностного нагрева) q

эл

, кВт/м

. Из расчета топки известно тепловосприятие топочной

камеры Q

кДж/кг, в расчете на 1 кг (м

) топлива, расчетный расход топлива В

, кг/с (м

/с),

лучевоспринимающая поверхность нагрева H

, м

. По этим данным рассчитывается

среднее удельное тепловосприятие поверхностей нагрева топки, кВт/м

(10.1)

Тепловыделение в топочной камере имеет сложный объемный характер, что

приводит к значительной неравномерности тепловосприятия между стенками топки, по

высоте и ширине стенки. При расчете удельных тепловосприятий элементов топки это

учитывается коэффициентами неравномерности тепловосприятия: стен топки η

ст

, по

высоте топки η

, по ширине стенки η

В случае, когда горелки расположены только на фронтальной стенке топки, для

заднего экрана применяется η

ст

= 1,1, при этом для остальных стенок η

ст

применяется

одинаковым и определяется по тепловому балансу топки (η

ст

= 0,95).

Для всех других случаев расположения горелок применяется η

ст

= 1. Среднее

тепловосприятие настенного экрана

(10.2)

Существенна неравномерность тепловосприятия по высоте топки: максимальные

значения коэффициента η

max

в нижней трети топки, а в верхней трети η

= 0,6…0,8.

Коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине стенки зависит от

количества элементов (пакетов, панелей). Если на стенке находятся три или четыре

элемента, то для наиболее обогреваемого элемента η

ст

= 1,1, для пяти или шести

элементов: η

= 1,2. В итоге среднее удельное тепловосприятие элемента

(10.3)

Любая поверхность нагрева котла (элемент его) представляет собой систему

параллельно включенных труб, каждая из которых характеризуется своим расходом

среды, тепловосприятием, приращением энтальпии среды, распределением температуры

по ее длине и т.д.

В результате определенного сочетания этих показателей одна или несколько труб

будут иметь наиболее высокую температуру металла. Трубы, работающие с более

высокой температурой металла, чем средняя по поверхности, называются разверенными.

Среднее удельное тепловосприятие разверенной трубы элемента (панели)

определяется по формуле

(10.4)

где η

- коэффициент неравномерности тепловосприятия разверенной трубы элемента.

Максимальное значение η

зависит от количества элементов на стенке: для одного

или двух элементов η

max

=1,3; трех элементов η

max

=1,2; четырех и более η

max

=1,1.

При эксплуатации паровых котлов возможны местные (локальные) изменения

обогрева элементов (выход отдельных участков труб из общего ряда, несимметричное

включение и отключение горелок, переход на другой вид топлива и т.п.).

Расчет на так называемое временное повышение неравномерности тепловосприятия

проводится с учетом дополнительного коэффициента Δη

(10.5)

Для радиационных поверхностей нагрева ∆η

= 0,15…0,25. Расчет температурного

режима труб проводится по максимальному тепловосприятию разверенных труб q

max

которое определяется по формуле

(10.6)

Если в результате позонного расчета или промышленных испытаний определено

среднее удельное тепловосприятие элемента q

эл

, то можно использовать формулу

(10.7)

Рассмотренные значения удельного тепловосприятия относятся к наружной

поверхности труб. Как отмечено в §8.2, пересчет теплового потока на внутреннюю

поверхность производится с помощью коэффициента β = d

вн

Особенностью теплообмена в топочной камере парового котла является

неравномерный обогрев труб по периметру (рис.10.1, сечение 1-1), что приводит к

перетоку теплоты от обогреваемой стороны, которая также называется лобовой стороной,

к тыльной, необогреваемой. Снижение максимального теплового потока на лобовой

стороне трубы и выравнивание его значения по внутреннему периметру трубы за счет

растечки теплоты по металлу характеризуется коэффициентом растечки теплоты μ. Для

большинства поверхностей нагрева парового котла коэффициент растечки теплоты

составляет 0,85…1,0.

Максимальный тепловой поток на внутренней поверхности разверенной трубы

находится по формуле

(10.8)

Температура металла разверенной трубы определяется по следующим

соотношениям:

для внутренней поверхности

(10.9)

для середины стенки

(10.10)

для наружной поверхности

(10.11)

где t

р ср

- температура рабочей среды (водного теплоносителя) в рассчитываемом сечении

разверенной трубы, °С; α

- коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде,

кВт/(м

ЧК); δ

отл

, δ

- толщина слоя внутритрубных отложений и стенки трубы, м; λ

отл

, λ

коэффициент теплопроводности отложений и металла, кВт/(м∙К).

В общем случае (а) для установления разверенной трубы и наиболее опасного

сечения необходимо учитывать влияние параметров, входящих в формулы (10.9)-(10.11),

на температуру стенки:

(10.12)

где t

эл

- средняя (расчетная) температура на выходе из секции, °С (в сечении II-II,

рис.10.1); δt

- превышение температуры среды в разверенной трубе над средней, °С, и

определяется неравномерностью обогрева труб, конструктивным выполнением

поверхности нагрева, расходом среды по трубам (см. гл.9);

б) для радиационных поверхностей нагрева необходимо учитывать, что наивысшая

тепловая нагрузка соответствует ядру факела, поэтому максимальный тепловой поток в

панели q

max

будет, как правило, в трубе, расположенной ближе к середине стены, на

которой расположена панель, и в сечении трубы, находящемся ближе всего к ядру факела.

В ширмах максимальный тепловой поток приходится на нижний участок первой трубы,

обращенный в сторону факела, в конвективных пароперегревателях - на первый ряд (по

ходу газов);

в) коэффициент теплоотдачи α

по длине трубы изменяется, при определенном сочетании

теплового потока и скорости среды в трубе возможно значительное уменьшение

коэффициента α

при этом температура металла резко возрастает;

г) внутритрубные отложения примесей водного теплоносителя обладают плохой

теплопроводностью, поэтому даже незначительное их количество может привести к

существенному росту температуры металла. Факторы, влияющие на количество

отложений, их месторасположение, структуру и другие характеристики, рассмотрены в

гл.11;

д) толщина стенки трубы определяется из расчета на прочность. Теплопроводность

металла λ

зависит от состава стали и температуры стенки (рис.10.2).

Температурный режим обогреваемой трубы рассчитывается в том месте, где

температура рабочей среды или тепловой поток максимальны, коэффициент α

минимален, значительны внутритрубные отложения.

Изменение температуры ∆t

, °С, по толщине металла S, мм, определяется по формуле

(10.13)

Расчет Δt

проводится в следующей последовательности: принимают среднюю

температуру металла t

ст

ср

(на 50…100°С выше температуры рабочей среды), по этой

температуре из рис.10.2 определяют λ

, затем по (10.13) находят Δt

Рассчитывают t

ст

ср

по (10.10) и, если расчетная температура отличается от

первоначально принятой больше, чем на 100° С, проводят уточнение значений λ

и Δt

10.3.Условия теплообмена на стенке прямолинейной части

трубы парового котла

Из курса по тепломассобмену известно, что на теплоотдачу от стенки к водному

теплоносителю α

влияют режимные параметры (ρw, q), теплофизические свойства воды и

пара (с

, λ, μ и др.), структура потока, геометрические характеристики трубы, ее

пространственное расположение. Рассмотрим изменение коэффициента теплоотдачи α

по длине прямолинейного вертикального канала (трубы) для условий работы

прямоточного и барабанного паровых котлов при докритическом и сверхкритическом

давлении водного теплоносителя.

10.3.1.Теплообмен при докритическом давлении водного

теплоносителя

При докритическом давлении паровые котлы могут выполняться как прямоточного,

так и барабанного типа. С точки зрения условий теплоотдачи от стенки к рабочей среде и