Учебник - Котельные установки часть 2
Подождите немного. Документ загружается.
сопротивления). При равномерном обогреве труб из-за гидравлической неравномерности
расход среды по трубам и температура ее будут различаться.
Неравномерность обогрева даже при η
Г
= 1 приводит к изменению расхода среды в
трубах. В разверенной трубе (η
т
> 1, q
т
> q
ЭЛ
) средняя температура водного теплоносителя
и его удельный объем больше средних величин по панели, соответственно
появляются гидравлическая разверка (ρ
Г
< 1) и расход D
т
< D
ЭЛ
. Таким образом, тепловая
неравномерность в элементе вызывает появление гидравлической разверки. Механизм
(явление), отражающий эту взаимосвязь, называют теплогидравлической разверкой, а
зависимость коэффициента гидравлической разверки от неравномерности
тепловосприятия ρ
Г
= f(η
т
) - разверочной характеристикой.
Построим разверочные характеристики для горизонтальной поверхности нагрева
(примем η
Г
= 1, ∂∆p
КОЛ
= 0, Δp
УСК
= 0). Для разверенной трубы η
т
> 1. Такую трубу будем
называть также сильнообогреваемой в отличие от слабообогреваемой, у которой η
т
< 1.
Энтальпия среды на выходе из разверенной трубы и приращение энтальпий
определяются по формуле
(9.76)
Затем определяется среднее значение энтальпии в разверенной трубе, удельный
объем среды и другие величины.
Вид разверочной характеристики зависит не только от удельного объема, но и от
интенсивности изменения удельного объема с увеличением энтальпии среды.
Рассмотрим три случая:
а) на входе в панель набдюдается существенный недогрев воды до температуры
кипения (v
ВХ
< v') или до ЗБТ. В разверенной трубе v
ВХ
< v' увеличивается с уменьшением
расхода среды G
т
; при линейной зависимости удельного объема воды от энтальпии (β = dv
/dh = const) разверочная характеристика ρ
Г
= f(η
т
) монотонно убывающая (рис.9.27, кривая
7).
Если β возрастает, то разверочная кривая 2 будет идти ниже кривой 1. Если средняя
энтальпия воды в разверенной трубе будет меньше энтальпии кипения (докритическое
давление, DKD) или в начале ЗБТ (сверхкритическое давление, CKD), то разверочная
характеристика однозначна; б) энтальпия соответственно в зоне большой теплоемкости
(при СКД), где коэффициент β резко возрастает (рис.9.28), а затем падает. Зависимость ρ
Г
= f(η
т
) может быть однозначной (кривая 3) или неоднозначной (кривая 4): в зоне
неоднозначности одному значению η
т
соответствует три значения ρ
Г
. При докритическом
давлении при коэффициент β изменяется скачком и разверочная кривая будет
иметь ломаный характер, характеристика - неоднозначная; в) в области перегретого пара
разверочная характеристика однозначна (кривая 5).
Для вертикальной трубы с подъемным движением среды (∂∆p
КОЛ
= 0; Δp
УСК
= 0)
формулу гидравлической разверки запишем в следующем виде
(9.77)
где
(9.78)
Комплекс А характеризует отношение гидравлических сопротивлений и удельных
объемов в элементе и разверенной трубе.
Комплекс В учитывает влияние разности нивелирных напоров в элементе и
разверенной трубе на гидравлическую разверку. Для подъемного движения среды перед В
стоит знак +. В сильнообогреваемой трубе (η
т
> 1) плотность среды меньше, чем в
элементе . Комплекс В положителен и, как видно из формулы (9.77),
увеличивает ρ
Г
, расход среды в разверенной трубе больше (рис.9.29, кривая 2) по
сравнению с горизонтальной панелью.
В слабообогреваемой трубе (η
т
< 1), где , комплекс В отрицателен, что
приводит к уменьшению расхода среды в этой трубе по отношению к горизонтальной
трубе. Таким образом, при подъемном движении среды в вертикальной панели
нивелирный напор играет положительную роль (в сильнообогреваемой трубе расход
среды увеличивается, а в слабообогреваемой - уменьшается).
Вклад нивелирной составляющей в гидравлическую разверку зависит от расхода
среды в элементе G
ЭЛ
. При больших расходах среды G
ЭЛ
комплекс В уменьшается и
разверочная характеристика вертикальных панелей приближается к характеристике
горизонтальных панелей. С уменьшением расхода среды нивелирная составляющая играет
большую роль (кривые 2 и 3, рис.9.29).
Перед комплексом В (9.77) при опускном движении потока должен быть знак минус.
Влияние нивелирного напора становится обратным, в сильнообогреваемых трубах расход
среды уменьшается, а в слабообогреваемых - увеличивается (кривые 5 и 6, рис.9.29). В
этом случае нивелирный напор играет отрицательную роль. Поэтому панели с опускным
движением выполнять не следует.
Интересно провести анализ разверочных характеристик в вертикальных панелях (при
докритическом или сверхкритическом давлении, с принудительным или естественным
движением среды) при малых средних расходах среды в элементе (панели). При
подъемном движении среды в слабообогреваемой трубе (кривая 7, рис.9.29) с η
т
= η
т7
расход среды равен нулю (G
т7
= 0). Это возможно при условии
или
(9.79)
В этой трубе будет застой движения среды (застой циркуляции). При η
т
< η
т7
в
выражении (9.77) для ρ
Г
под корнем отрицательное число. По графику (кривая 7, рис.9.29)
ρ
Г
меняет знак на минус; это означает, что меняется направление движения среды -
происходит опрокидывание режима движения (опрокидывание циркуляции).
В панелях с опускным движением среды аналогичная картина может происходить в
сильнообогреваемых трубах при малых расходах среды (кривая 6, рис.9.29).
При η
т
> η
т6
в разверенной трубе, т.е. развившийся в ней нивелирный напор "потянет"
расход среды вверх, произойдет опрокидывание движения.
Из этого следует, что в прямоточных и барабанных котлах необходимо
анализировать режимы работы панелей при малых расходах среды (пуск, останов, работа
на малых нагрузках) на предмет возможного застоя или опрокидывания движения среды в
разверенных трубах, чтобы избежать повышения температуры металла труб и их
разрушения.
Коллекторный эффект - влияние гидродинамических процессов в коллекторах
поверхности нагрева на гидравлическую разверку - обусловлен не только изменением
сопротивления трения и местного сопротивления по длине коллектора, но и изменением
давления по ходу среды. Так, по длине раздающего коллектора (рис.9.30) по мере отбора
среды змеевиками панели расход среды уменьшается, скорость потока также изменяется
от максимального значения w
ВХ
на входе в коллектор до нуля у противоположного торца
коллектора. При этом динамический напор потока переходит в статическое давление,
максимальное приращение статического давления ∆p
СТ
будет в сечении, где w = 0, и
составит
По ходу среды ∆p
СТ
растет до Δp
СТ
МАКС
(рис.9.30а).
В то же время увеличивается и гидравлическое сопротивление ∆p
Г
= Δp
ТР
+ Δp
М
.
Следовательно, в раздающем коллекторе давление по ходу среды р
Р
КОЛ
определяется как
результат действия этих факторов
(9.80)
В собирающем коллекторе (рис.9.30б) наоборот, скорость потока w возрастает по
ходу среды до максимального значения на выходе w
ВЫХ
; статическое давление
уменьшается, максимальное изменение его имеет место на выходе из коллектора:
Гидравлическое сопротивление Δp
Г
по ходу среды в коллекторе увеличивается. В
результате давление в собирающем коллекторе
(9.81)
где - максимальное значение изменения статического давления и гидравлического
сопротивления - на выходе из собирающего коллектора. Сумма
представляет собой давление среды в торце коллектора, где w = 0.
Изменение давления в коллекторах зависит от места присоединения к ним
подводящих и отводящих труб: трубы могут быть подсоединены с одного или с обоих
торцов коллектора; по длине коллектора (одна труба или несколько). Учитывая, что
подвод труб к раздающему коллектору и отвод от собирающего могут быть различно
выполнены, можно отметить большое разнообразие в схемах движения потоков в
поверхностях нагрева паровых котлов. Три часто встречающиеся схемы представлены на
рис.9.31: схемы Z- и П-образные с торцевым подводом и отводом среды и схема с двумя
подводами и отводами по длине коллекторов. С учетом графиков рис.9.30 на рис.9.31
показано изменение давления в раздающих и собирающих коллекторах .
Змеевики (трубы) панели работают при перепаде давления Δp
зм
, равном разности
давлений в раздающем и собирающем коллекторах:
(9.82)
где Δp
ЭЛ
- общий перепад давления в элементе котла;
(9.83)
Δp
СТ
m
- разность изменения статического давления в раздающем и собирающем
коллекторах; Δp
m
Г
- разность изменения гидравлического сопротивления в коллекторах.
Δp
СТ
m
и Δp
m
Г
зависят от расположения трубы по длине коллекторов, следовательно, и
перепад давления Δp
зм
будет различным для разных труб.
В Z-схеме (рис.9.31а) максимальный перепад давления приходится на правые трубы,
в них будет и максимальный расход среды; в левых трубах перепад давления и расход
среды минимальны. В П-схеме (рис.9.31б) различие перепадов давления по трубам
существенно сглажено.
При подводе среды радиальной трубой (перпендикулярно оси коллектора)
теплоноситель расходится в коллекторе в две стороны от подводящей трубы, скорость его
уменьшается в 2 раза, а сопротивление и динамический напор - в 4 раза. Если проводящих
труб две (рис.9.31в), то максимальная скорость уменьшится в 4 раза, а сопротивление и
динамический напор - в 16 раз. Аналогичная картина наблюдается и в собирающем
коллекторе при отводе среды трубами по длине коллектора. В этой схеме давление среды
по длине коллекторов мало изменяется и расход среды по змеевикам будет более
равномерным. Следовательно, для снижения влияния коллекторного эффекта на
гидравлическую разверку лучше делать рассредоточенный подвод и отвод среды по длине
коллектора, а при вынужденом (конструктивно) торцевом подводе и отводе - П-схему.
В коллекторах экономайзеров скорость воды мала, поэтому коллекторный эффект
обычно не учитывают. В испарительных поверхностях прямоточного котла или котла с
многократной принудительной циркуляцией сопротивление в коллекторах мало по
сравнению с полным гидравлическим давлением и им можно пренебречь.
В раздающих коллекторах контуров естественной циркуляции скорость воды мала и
Δp
КОЛ
P
≈ 0; в собирающих коллекторах пароводяная смесь движется с большой скоростью,
поэтому для уменьшения влияния коллекторного эффекта отвод делается 3…4 трубами
радиально даже из коллектора небольшой длины, в этом случае ∂∆p
КОЛ
≈ 0.
Конструктивное выполнение пароперегревателей может быть различным.
Если подвод и отвод пара выполняется рассредоточенным по длине коллектора, то
даже при большой скорости пара можно принимать ∂Δp
КОЛ
= 0. Часто входной (или
выходной) коллектор сочленяется с впрыскивающим устройством, при этом подвод пара к
последующей (от предыдущей) поверхности будет торцевым. Такая же схема получается,
если коллектор используют для переброса пара с левой стороны газохода в правую, и
наоборот. В этих случаях необходимо рассчитывать ∆p
КОЛ
.
Промежуточные пароперегреватели выполняются с малым гидравлическим
сопротивлением, что достигается за счет уменьшения скорости пара в змеевиках и
коллекторах, при этом сопротивление в коллекторах вносит существенный вклад в общее
сопротивление пакета и его необходимо учитывать.
Потери на ускорение потока Δp
УСК
обычно малы, а при расчете гидравлической
разверки принимается их разность в разверенной трубе и элементе. Поэтому влияние
Δp
УСК
на гидравлическую разверку может быть заметным только в ЗБТ, в остальных
случаях им можно пренебречь.
Влияние конструктивных факторов рассмотрим на примере шайбования трубы и
выполнения так называемой ступенчатой трубы. Шайбование на входе трубы
существенно уменьшает разверку, особенно при неблагоприятных разверочных
характеристиках. Путем установки в трубах шайб с разными диаметрами (с разными
коэффициентами сопротивления) можно выравнять расход среды в них (для простоты не
рассматриваем влияния Δp
НИВ
, Δp
КОЛ
, Δp
УСК
)
(9.84)
Приняв как исходное условие ρ
Г
= 1, получим
(9.85)
На входе . Дроссельная шайба в разверенной трубе должна иметь
приведенный коэффициент сопротивления
(9.86)
Таким образом, приведенные коэффициенты сопротивления шайб находятся в
обратной зависимости от удельных объемов: чем больше удельный объем в разверенной
трубе, тем меньше должно быть гидравлическое сопротивление шайбы.
Ступенчатая труба (когда трубы панели выполняются из участков с разным
внутренним диаметром) изменяет распределение по длине трубы потерь на трение, а в
месте изменения диаметра появляется дополнительное местное сопротивление.
Уменьшение диаметра на входном участке приводит к увеличению его сопротивления и
уменьшает гидравлическую разверку; использование малого диаметра на выходном
участке усиливает разверку, поэтому ступенчатая труба выполняется с увеличением
диаметра по ходу рабочей среды.
Расчет разверочных характеристик заключается в определении по изложенным в
данном разделе формулам коэффициентов гидравлической разверки ρ
Г
, конструктивной
нетождественности η
К
и неравномерности тепловосприятия ρ
т
, а также температуры
рабочей среды на выходе из разверенной трубы t
ВЫХ
m
.
Расчет завершается построением разверочных кривых
.
Пример разверочных характеристик представлен на рис.9.32. В сильнообогреваемых
трубах (η
т
> 1) с увеличением коэффициента η
т
расход среды падает, температура среды t
ВЫХ
растет. Чем больше общее среднее тепловосприятие элемента η
ЭЛ
, тем круче идут
кривые ρ
Г
= f(η
т
) и t
ВЫХ
= f(η
т
). Следовательно, увеличение прироста энтальпии в элементе
(увеличение поверхности нагрева или теплового потока) неблагоприятно воздействует на
гидравлическую и тепловую разверки.
Разверочные характеристики используются для общего анализа условий работы
поверхности нагрева, влияния различных факторов на ее работу. В частности, по
известной допустимой температуре среды t
доп
можно определить η
т
ДОП
(рис.9.32) и
сравнить его с реальным η
доп
. Должно быть η
т
≤ η
т
ДОП
. Можно решить и обратную задачу:
по известному η
т
определяются ρ
Г
, ρ
q
, t
m
ВЫХ
Разверочные характеристики используются для анализа температурного режима
металла труб. Для этого на зависимости t
m
ВЫХ
= f(η
т
) строятся дополнительные графики:
зависимости температуры стенки на внутренней поверхности трубы t
СТ
ВН
, на наружной -
t
СТ
Н
и средней по толщине стенки t
СТ
СР
от неравномерности тепловосприятия (рис.9.33). По
допустимой температуре наружной поверхности трубы (t
СТ
Н
)
ДОП
, или средней температуре
(t
СТ
СР
)
ДОП
, определяется допустимое значение (η
т
ДОП
)
МЕТ
.
При анализе разверочных характеристик может оказаться, что для заданных
начальных условий температура металла труб выше допустимого значения. Снизить
температуру водного теплоносителя и, соответственно, температуру металла труб можно
за счет теплоприращения Δh
ЭЛ
в элементе. Для этого необходимо сократить обогреваемую
длину трубы в элементе, т.е. установить дополнительные промежуточные коллекторы.
При этом количество последовательно включенных элементов (панелей) по пароводяному
тракту котла возрастает, в частности радиационные поверхности прямоточных котлов
разбивают на 2…3 элемента, а пароперегревательные поверхности барабанных и
прямоточных котлов на 3…5 элементов.
9.1.6.Пульсация потока в системах труб парового котла
При работе парового котла в переходных режимах и при постоянном режиме всегда
имеет место колебание параметров: расход топлива, переход с одного топлива на другой,
включение и отключение горелок, изменение давления и расхода среды из-за работы
питательных насосов, при повышении или снижении нагрузки, изменение температуры
питательной воды, при включении или отключении ПВД и т.д. В конечном итоге все
возмущения сказываются на расходе водного теплоносителя и могут вызвать
общекотловые или межтрубные пульсации.
Общекотловые пульсации представляют собой колебания расхода среды в ряде
последовательно включенных элементов котла (контуры циркуляции, экономайзер или
пароперегреватель в барабанном котле, участки между впрыскивающими
пароохладителями или промежуточный пароперегреватель в прямоточном котле) или во
всем котле.
В параллельно включенных элементах котла расход среды изменяется синхронно.
Общекотловые пульсации могут возникать при резких колебаниях расхода топлива, воды
и пара, давления в котле, при неустойчивой работе системы регулирования основных
параметров. Эти пульсации являются затухающими (рис.9.34а), прекращаются после
устранения возмущения. Если амплитуда колебаний велика, то может произойти
аварийный разрыв какой-либо трубы. Амплитуда колебаний зависит от амплитуды
возмущения, следовательно, основной путь борьбы с вредными последствиями
общекотловой пульсации - уменьшение амплитуды и частоты возмущений.
Межтрубная (межвитковая) пульсация заключается в периодическом изменении
расхода среды на входе и выходе трубы, причем колебания расхода на входном и
выходном участках трубы находятся в противофазе. Колебания расхода в данной трубе
компенсируются колебанием расхода в других параллельных трубах элемента, т.е. эти
колебания расхода охватывают практически все трубы элемента. Пульсации потока в
параллельных трубах сдвинуты по фазе, поэтому общий расход среды через элемент котла
и перепад давления в нем остаются почти постоянными.
Межтрубная пульсация самопроизвольно не затухает, имеет автоколебательный
характер. На рис.9.34б показано изменение расхода среды на входе и выходе трубы после
нанесения возмущения параметром N. В первом полупериоде расход среды на входе
трубы уменьшается до минимального значения, а затем возрастает до максимального
значения во втором полупериоде. Расход среды на выходе трубы, наоборот, увеличивается
в первом полупериоде, а во втором - принимает минимальное значение. Температура
металла стенки при снижении расхода возрастает, при увеличении - уменьшается, т.е.
находится в противофазе с расходом среды (рис.9.34б).
Межвитковые пульсации могут возникать в трубах с резким изменением удельного
объема среды: в испарительных поверхностях при ДКД и в зоне большой теплоемкости
при СКД. При этом в металле труб возникают переменные температурные напряжения;
критические тепловые потоки q
кр
резко падают; в горизонтальных трубах возможно
периодическое (при малых расходах) расслоение двухфазного потока с повышением
температуры на верхней образующей; ухудшаются условия отвода теплоты от
поверхности трубы - все это резко ухудшает температурный режим трубы и может
привести к аварийному разрыву ее. Поэтому межтрубная пульсация в испарительных
поверхностях нагрева и в ЗБТ не допускается.
Межтрубная пульсация может возникнуть в элементе, трубы которого имеют
неоднозначную гидравлическую характеристику. Следовательно, первое требование,
предъявляемое к трубам для предотвращения межтрубной пульсации - трубы должны
иметь однозначные гидравлические или разверочные характеристики.
Второе требование - крутизна гидравлической характеристики.
На рис.9.35 показано три вида гидравлических характеристик: многозначная (а), с
пологим участком (б) и крутая однозначная (в).