Учебник - Котельные установки часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

Формулу (9.113) можно упростить, учитывая, что сопротивление на экономайзерном

участке мало (Rv'G

<< ρ'g ). Если под H

ЭК

понимать разность отметок от точки закипания

до оси нижнего коллектора, то H

ЭК

= H

Т.З

+ H

ДО

и в скобках в числителе из H

ОП

необходимо

вычесть H

ДО

Сопротивление подъемных труб ∆p*

ПОД

без нивелирного напора равно сумме

сопротивлений

∆p*

ПОД

=∆p

ЭК

+ ∆p

ПО

. (9.114)

Нивелирный напор рассчитывается как сумма напоров на экономайзерном ∆pэк

НИВ

испарительном ∆p

ИСП

НИВ

участках.

По данным расчета ∆p

подНИВ

и ∆p*

ПОД

в зависимости от G

или w

строится

гидравлическая характеристика, аналогичная характеристике вертикальной трубы (см.

рис.9.18), и полная характеристика с учетом подъемного и возможного опускного

движения типа рис.9.25.

В отводящие трубы поступает пароводяная смесь с паросодержанием х

ОТВ

, равным

значению на выходе из подъемных труб. Так как отводящие трубы необогреваемые, то все

характеристики двухфазного потока принимаются постоянными. Так как сечение

отводящих труб меньше сечения подъемных труб, то скорость пароводяной смеси в них

значительно выше.

Сопротивление отводящих труб ∆p*

ОТВ

рассчитывается с учетом дополнительного

слагаемого ∆p

В.У

, показывающего потери энергии на подъем пароводяной смеси выше

уровня воды в барабане (см.рис.9.37)

(9.115)

Нивелирный напор определяется по высоте отводящих труб

(9.116)

Гидравлическая характеристика отводящих труб показана на рис.9.41.

Гидравлическая характеристика контура естественной циркуляции представляет

собой сумму гидравлических характеристик последовательно включенных опускных,

подъемных и отводящих труб (рис.9.42)

∆p

КОНТ

=∆p

ОП

+∆p

ПОД

+ ∆p

ОТВ

. (9.117)

Решением уравнения движения является расход G

, при котором ∆p

КОНТ

= 0. По

этому расходу определяются соответствующие значения ∆p

ОП

, ∆p

ПОД

, ∆p

ОТВ

и все другие

параметры работы контура, проводится проверка надежности работы опускных и

подъемных труб и контура в целом.

Контур циркуляции представляет собой U - образную компоновку труб (вверху

замкнутую), и, соответственно, его гидравлическая характеристика похожа на

характеристику U - образной трубы.

Гидравлическая характеристика контура однозначна, рабочая точка (∆p

КОНТ

=0, G

)

устойчива. Каждый элемент контура (опускные, подъемные и отводящие трубы) имеет

коллектор или барабан на входе и выходе, т.е. гидравлически обособлен. Значения ∆p

ОП

∆p

ПОД

, ∆p

ОТВ

и являются средними по элементу, но внутри элементов в зависимости от их

гидравлической и разверочной характеристик возможна область неоднозначности,

межтрубная пульсация, режимы застоя и опрокидывания циркуляции. При возможности

возникновения этих режимов необходимо анализировать полные гидравлические и

разверочные характеристики подъемных труб.

9.2.3.Расчет контуров циркуляции

Прежде всего определим связь двух подходов к расчету контура - по гидравлическим

характеристикам и по S

ПОЛ

. Сумма нивелирных напоров ∆p

НИВ

КОНТ

, входящих в

гидравлическую характеристику контура

(9.118)

Проведем разделение слагаемых для опускных и подъемных участков

(9.119)

< подъемных на плотность среднюю>

(9.120)

где H

ЭК

+ H

ИСП

+ H

ОТВ

= H

ОП

= H

Тогда формула (9.119) примет вид

(9.121)

Движущий напор контура циркуляции определен (см.гл.8) в следующем виде

(9.122)

Сопоставление (9.121) и (9.122) показывает, что

(9.123)

В гидравлической характеристике перепад давления в контуре определяется как

сумма всех сопротивлений

Проведем преобразование

(9.124)

Таким образом, получим связь между ∆p

КОНТ

, S

ДВ

и S

ПОЛ

. В рабочей точке контура

∆p

КОНТ

= 0, из (9.124) получим другую форму этого равенства: ∆p*

ОП

= S

ПОЛ

Из (9.124) выразим зависимость S

ПОЛ

от ∆p

КОНТ

, и ∆p*

ОП

(9.125)

Следовательно, для определения S

ПОЛ

можно взять сумму всех сопротивлений в

контуре, кроме ∆p*

ОП

, и поменять знак на обратный.

На рис.9.43 показано соотношение между величинами S

ПОЛ

, ∆p*

ОП

, ∆p

КОНТ

и - S

ПОЛ

Таким образом, для определения S

ДВ

и S

ПОЛ

проводятся те же расчеты, что и при

построении гидравлической характеристики. Если к сумме

из (9.125) прибавим ∆p*

ОП

, то получим формулу для гидравлической характеристики

контура ∆р

КОНТ

= f(G

). Но можно проводить совместный анализ двух зависимостей S

ПОЛ

f(G

) и ∆р *

КОНТ

= f(G

)

Первый способ более удобен для алгоритмизации расчетов при использовании ЭВМ,

второй способ лучше приспособлен для ручного расчета, он используется давно и для

него более разработана система проверки надежности работы контура.

Рассмотрим методику расчета простого контура циркуляции (рис.9.44а).

Известно: геометрические характеристики контура, давление, h

ЭК

, q

экранов. Расчет

ведется параллельно для трех (минимум) значений скорости циркуляции w

или расхода

циркуляционной воды G

. Для экранов, непосредственно введенных в барабан (рис.9.44a),

= 0,5…1,5 м/с; а имеющих верхние коллекторы (рис.9.45a) w

= 0,2…1,2 м/с. Задаются

кратностью циркуляции К

, определяют недогрев в барабане (∆h

НЕД

)

и ((∆h

НЕД

)

- ∆h

СН

По уравнению сплошности рассчитывают скорости потока в опускных трубах w

ОП

;

принимая ρ

ОП

≈ ρ', определяют ∆р*

ОП

. Строят график ∆р*

ОП

= f(w

) рис.9.44б. Сечение

опускных труб (суммарное) при высоком давлении среды в 2…2,5 раза меньше сечения

подъемных труб.

Рассчитывают H

Т.З

, H

ЭК

и H

ИСП

, определяют паропроизводительность контура G

. Затем находят S

ДВ

и строят график S

ДВ

.=f(w

)

Сопротивление подъемных труб Δр*

ПОД

определяется как сумма сопротивления на

экономайзерном и испарительном участках. Строят график ∆р*

ПОД

= f(w

) .Вычитая Δр*

ПОД

из S

ДВ

, определяют полезный напор контура S

ПОЛ

(рис.9.44б). Точка пересечения А кривых

ПОЛ

и Δр*

ПОД

дает решение уравнения движения - действительную скорость циркуляции

, расход среды G

, действительный полезный напор S

ПОЛ

. По w

определяют

действительное парообразование G

и кратность циркуляции K

После проведения расчета необходимо проверить правильность принятой

предварительно К

, при большом расхождении расчет повторяется при другом значении

В современных котлах большой производительности подъемные трубы имеют

верхний коллектор (рис.9.45а), из которого отводящие трубы транспортируют

пароводяную смесь в барабан или выносной циклон. Суммарное сечение отводящих труб

выбирают в пределах 30…60% сечения испарительных труб. Желательно вводить

отводящие трубы по условиям сепарации в паровое пространство барабана, но при этом

следует стремиться, чтобы верхняя точка труб была возможно ближе к уровню воды в

барабане (уменьшается Δp

В.У

Расчет сложного контура циркуляции ведется почти так же, как в предыдущем

случае. Отличие заключается в том, что определяется полезный напор контура S

ПОЛ

КОНТ

как сумма полезных напоров экрана (испарительных труб) S

ПОЛ

ЭКР

и отводящих труб

ПОЛ

ОТВ

. Движущий напор отводящих труб S

ДВ

ОТВ

невелик, так как мала высота H

ОТВ

, а

сопротивление этих труб Δр*

ОТВ

значительно из - за большой скорости пароводяной смеси

и дополнительного сопротивления Δр

В.У

. Поэтому S

ПОЛ

ОТВ

значительно меньше S

ПОЛ

ЭКР

может быть отрицательным при G

> G

, (рис.9.45а).

Суммирование S

ПОЛ

ЭКР

и S

ПОЛ

ОТВ

ведется при G = const.

Рабочей точкой контура А является точка пересечения кривых S

ПОЛ

КОНТ

= f(G

) и

Δр*

ОП

= f(G

), которая дает нам действительные значения G

и S

ПОЛ

КОНТ

Действительные

значения S

ПОЛ

ОТВ

и S

ПОЛ

ЭКР

определяются по соответствующим кривым при G

. В нашем

случае (рис.9.45б) S

ПОЛ

ОТВ

при G

отрицателен, т.е. часть полезного напора экрана

затрачивается на преодоление сопротивления отводящих труб. В принципе, это

допустимо, если надежность работы контура обеспечена. Иначе надо принимать меры по

обеспечению надежности, в том числе и уменьшать сопротивление отводящих труб.

Расчет более сложных контуров циркуляции выполняется по аналогичной схеме,

различные детали расчета приведены в нормативном методе гидравлического расчета

паровых котлов.

9.2.4.Показатели надежности работы контура циркуляции

Скорость циркуляции w

в контурах барабанных котлов высокого давления не

превышает 1…1,5 м/с. При плотности среды ρ' = 590 кг/м

(р = 16 МПа) это составит

массовую скорость в трубах ρw

не выше 1000 кг/(м

∙с). Из гидравлических характеристик

U-оразных панелей видно, что при малой скорости среды есть опасность перехода в

область неоднозначности. Поэтому после расчета контура циркуляции проводится

проверка надежности работы контура по следующим направлениям: температурный

режим обогреваемых труб; работа опускных труб; работа подъемных труб; надежность

циркуляции при нестационарных режимах котла. Температурный режим обогреваемых

труб в котлах на давление менее 11 МПа и невысоких тепловых потоках (q

ЭЛ

< 400 кВт/м

)

может считаться обеспеченным при кратности циркуляции более 4. В котлах высокого

давления (более 11 МПа) необходимо проверять экранные трубы на кризис теплообмена и

образование в них режимов ухудшенной теплоотдачи (см.гл.10).

Надежность гидродинамики опускных труб в стационарном режиме обеспечена,

если нет вскипания воды на входе в них, отсутствует воронкообразование в барабане и нет

сноса паровых пузырей в трубы.

Надежность гидродинамики подъемных труб определяется по исключению

свободного уровня для труб, выведенных в паровое пространство, застоя и

опрокидывания циркуляции для труб, выведенных в водяной объем барабана или в

верхний коллектор.

Определение неоднозначной области, возможность возникновения застоя или

опрокидывания циркуляции по гидравлическим и разверочным характеристикам

рассматривалось в § 9.1. Необходимо основные результаты этого раздела отобразить с

точки зрения надежности циркуляции. Для анализа надежности подъемных труб

используем диаграммы циркуляции (в некоторых литературных источниках диаграммы

циркуляции называют также гидравлическими характеристиками, что не совсем

корректно).

Построим диаграмму циркуляции простого варианта сложного контура (рис.9.46а),

состоящего из опускных труб и трех рядов подъемных труб, введенных непосредственно в

барабан выше уровня воды. Ряды труб имеют разную интенсивность обогрева: ряд б -

средний тепловой поток q

= q

СР

, ряд а - сильнообогреваемый (q

> q

СР

), ряд в -

слабообогреваемый (q

< q

СР

Аналогичное решение будет для труб одного контура циркуляции при различном

тепловом напряжении по ширине контура. Для каждого ряда строим зависимость S

ПОЛ

f(G

) на рис.9.46б.

При одном и том же расходе G

полезный напор у слабообогреваемого ряда меньше

других, т.е. S

ПОЛ

< S

ПОЛ

< S

ПОЛ

. Поскольку три ряда включены параллельно, сумма их

полезных напоров S

ПОЛ

КОНТ

определяется по условию: G

КОНТ

= G

+ G

; ∆p*

ОП

сonst; S

ПОЛ

= const.

Пересечение кривых S

ПОЛ

КОНТ

= f(G

) и ∆p*

ОП

= f(G

) дает рабочую точку А, по

которой оределяются величины: G

, действительные значения G

, G

, при

действительном значении S

ПОЛ

КОНТ

= ∆p*

ОП

Количество пара, образовавшегося в трубах, определяется по формуле (считаем

∆h

НЕД

= 0)

= qH

/r.

При одинаковой площади нагрева G

< G

. Сравним G

и G

1) G

< G

кратность циркуляции К

= G

> 1, работа слабообогреваемой трубы в

этом режиме возможна;

2) G

> G

, K

< 1 режим невозможен;

3) G

= G

, K

= 1, режим возможен;

В слабообогреваемой трубе при кратности циркуляции, равной 1, поступающая вода

полностью испаряется, т.е. на каком-то уровне по высоте трубы устанавливается граница

жидкой фазы, выше - только паровая фаза.

Этот уровень называется свободным уровнем. Свободный уровень в трубе,

выведенной в паровое пространство барабана, появляется при прекращении движения

воды вследствие невозможности поднять ее до высшей отметки трубы.

Примем, что свободный уровень в трубах ряда в образовался на высоте,

расположенной ниже уровня в барабане на Н

СВ.У

(рис.9.46д).

Максимальная высота свободного уровня Н

СВ.У

МАКС

будет при (при

отсутствии обогрева или малом обогреве). Учитывая, что S

ПОЛ

= p*

ОП

, формулу для

СВ.У

МАКС

запишем в виде

(9.126)

Высота свободного уровня зависит от давления (ρ′, ρ"), интенсивности обогрева (

) и сопротивления опускных труб (Δp*

ОП

), увеличивается при росте давления и

сопротивления опускных труб, при уменьшении тепловой нагрузки.

При образовании в обогреваемой трубе свободного уровня в зоне обогрева

происходит резкое ухудшение температурного режима, так как теплоотдача к паровой

фазе значительно менее интенсивна, чем к воде или пароводяной смеси. Кроме того,

непрерывное колебание уровня и температуры стенки вызывает усталостные напряжения

в металле. Если свободный уровень находится выше обогреваемой зоны, то его

образование менее опасно, но нежелательно, так как при малой скорости движения

пароводяной смеси интенсивность охлаждения трубы может оказаться недостаточной.

По графику S

ДВ

ПОЛ

= f(G

) определим полезный напор Н

СВ.У

ПОЛ

, при котором

возможен режим свободного уровня. Для этого по условию G

= G

проведем

вертикальную линию до пересечения с кривой S

ПОЛ

и получим S

ПОЛ

СВ.У

. Для надежной

работы слабообогреваемой трубы должен быть запас по свободному уровню

ПОЛ

СВ.У

/ S

ПОЛ

КОНТ

>1,1…1,2. (9.127)

Режимы опрокидывания и застоя циркуляции сопровождаются обратным,

опускным движением среды в трубах экрана. Поэтому для их анализа необходимо строить

полные диаграммы циркуляции, охватывающие подъемное и опускное движение среды.

Рассмотрим контур циркуляции, в котором подъемные трубы введены в водяной

объем барабана (рис.9.47а).

Движущий напор

(9.128)

При G = 0 труба заполнена паром, = 1, H

Т.З

= 0, тогда движущий напор

При G

> 0 высота точки закипания H

Т.З

растет, парообразование в трубе

уменьшается. Это приводит к снижению движущего напора S

ДВ

(рис.9.47б). При опускном

движении (G

< 0) S

ДВ

при увеличении расхода снижается, но темп снижения меньше, так

как при одном и том же массовом паросодержании истинное паросодержание при

опускном движении φ

ОП

больше, чем при подъемном φ

ПОД

(φ

ОП

> φ

ПОД

, см. гл. 8). Полезный

напор в трубе

ПОЛ

= S

ДВ

- Δp*

ПОД

(9.129)

График Δp*

ПОД

показан на рис.9.47б. При подъемном движении Δp*

ПОД

положительно, при опускном - отрицательно. Вычитание по (9.129) дает сложный график

зависимости S

ПОЛ

от расхода циркулирующей среды. Видно (рис.9.47б), что эта

зависимость имеет зону неоднозначности, лежащую в диапазоне от S

ПОЛ

до S

ПОЛ

, от G

оп

до G

ПОД

. При G

> G

по

ПОД

- устойчивое подъемное движение, при G

< G

оп

- устойчивое

опускное движение.

Из формулы (9.122) видно, что движущий напор S

ДВ

и, соответственно, полезный

напор S

ПОЛ

сильно зависят от давления - с ростом давления они снижаются (рис.9.48). При

давлении околокритическом и сверхкритическом эти напоры малы и не обеспечивают

достаточной скорости движения среды. Поэтому барабанные котлы выполняются на

давление до 18-19 МПа (< 0,85 р

КР

Полные диаграммы циркуляции для высокого и низкого давления по своему виду

несколько различаются (рис.9.49 и рис. 9.50).

Рассмотрим полную диаграмму циркуляции слабообогреваемой трубы S

ТР

ПОЛ

= f(G)

при низком давлении (рис.9.49). Левая часть графика S

ТР

ПОЛ

(при G

< 0) лежит

существенно выше правой части. На этом же рисунке показаны графики для S

КОНТ

ПОЛ

Δp*

ОП

. По точке их пересечения А находим действительные S

КОНТ

ПОЛ

, G

, расход среды в

трубе G

ТР

. По тепловой нагрузке и площади нагрева определяем количество

образовавшегося в слабообогреваемой трубе пара G

ТР

. При G

ТР

> G

ТР

- нормальный

режим циркуляции; при G

ТР

= G

ТР

поступающая в трубу вода испаряется, пар

барботирует через слой жидкости и уходит в барабан, верхняя часть трубы, соединенной с

водяным объемом барабана, заполнена водой. Скорость подъема пара мала. Возможен и

третий случай, когда G

ТР

< G

ТР

. При этом происходит подпитка трубы водой из барабана

в количестве G

ПОДП

= G

ТР

- G

ТР

. Из-за встречного движения воды скорость пара еще

снижается.

Застоем циркуляции называется медленное перемещение в обогреваемой трубе

воды вверх или вниз, а пара - вверх, при котором возможен застой отдельных паровых

пузырей в гибах, сварных стыках, отводах и т.п. Такой режим неустойчив, вызывает

пульсацию в трубе и контуре, охлаждение трубы ухудшается.

По графику S

ПОЛ

ТР

= f(G

) при G

ТР

= G

ТР

определяется полезный напор застоя

ПОЛ

ЗАСТ

. Коэффициент запаса на застой циркуляции

ПОЛ

ЗАСТ

/ S

ПОЛ

КОНТ

> 1,1…1,2, (9.130)

где S

ПОЛ

КОНТ

- действительный полезный напор контура.

Нижняя граница зоны многозначности соответствует полезному напору в точке

минимума В (рис. 9.49). При этом напоре возможен переход с положительной ветви

кривой на отрицательную, т.е. произойдет опрокидывание циркуляции. Напор в точке В

поэтому называется полезным напором опрокидывания S

ПОЛ

ОПР

. Вода, движущаяся сверху

вниз, препятствует подъему пара, и пар скапливается в трубе, происходит запаривание

трубы, что может привести к аварийному пережогу трубы. Такой режим недопустим.

Проверка на опрокидывание проводится по формуле

ПОЛ

ОПР

/ S

ПОЛ

КОНТ

> 1,1…1,2. (9.131)

Из рис.9.49 видно, что при низком давлении запас на опрокидывание циркуляции

больше, чем на застой, поэтому при нарушении режима в контуре в слабообогреваемой

трубе может быть застой циркуляции. При высоком давлении (рис.9.50) левая часть

графика S

ПОЛ

ТР

= f(G) расположена ниже, чем при среднем и низком давлении.

Полезный напор опрокидывания может оказаться меньше, чем S

ПОЛ

ЗАСТ

тогда при

нарушении режима работы контура в слабообогреваемой трубе произойдет

опрокидывание циркуляции.

Аналогичную проверку надежности работы контура циркуляции можно проводить и

по полным гидравлическим характеристикам вертикальных труб и контура в целом

(рис.9.51).

Надежность циркуляции при нестационарных режимах котла определяется

скоростью изменения давления в котле. Изменение давления в контуре может быть

вызвано резким изменением нагрузки, расхода топлива, давления, уровня в барабане.

Максимальная скорость изменения давления в котле возможна при мгновенном

прекращении отбора пара турбинами при неизменном расходе топлива или при

прекращении подачи топлива при неизменном отборе пара и в первую минуту времени

составляет (для котлов с давлением 10…20 МПа) 0,03…0,05 МПа/с, через 5 мин скорость

падает в 2 раза, а через 10 мин - в 4 раза.