КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Гидравлическая разверка в элементах котла

Расчет гидравлической разверки можно вести по гидравлическим ха­рактеристикам, построенным для элемента, параметры которого соответ­ствуют данным для средней трубы и разверенной трубы, находящейся в наиболее опасном температурном режиме. Гидравлическая характеристика должна учитывать сопротивления трения Артр, местное Дрм, от ускорения потока Аруск нивелирный напор ДрНИв и сопротивление во входном ДрВх. к и выходном Дрвых. к коллекторах:

Ар = Артр + Дрм + Друск + Дрнив + Дркол? (10.67)

Где

Дркол — Дрвх. к Дрвых. к - С учетом (10.32), (8.88) перепад давления Ар запишем для элемента:

Дрэл = RnCt&n + ^ - „») + ДjC„ + Айл, (10.68)

/ ЭЛ

И разверенной трубы:

Q2

Ар г = R, G% + -1 (v - vA + АртШІВ + A (10.69)

/ T

Где vKi г>„ — удельный объем среды в конце и начале трубы, м3/кг.

Поскольку средняя труба и разверенная труба гидравлически имеют общие точки на входе и выходе панели, то они находятся под одним и тем же перепадом давления, т. е.

Др)л = Др,.

F

Поэтому после построения гид­равлических характеристик ДрЭл = /(G) и Арт = f(G) в пределах G от 2,5 до 150% от номинального зна­чения определяют Дрэл при Сэл = — Сном (рис. 10.26). По условию Дрт = Дрэл находят значение GT и рассчитывают коэффициент гидрав­лической разверки рг:

Рг — Gr/Gin.

Чтобы выявить влияние на гидравлическую разверку теплово­го потока, конструктивного выпол­нения труб, высоты панели и дру­гих факторов, необходимо каждый раз строить гидравлические харак­теристики. Удобнее проводить такого типа анализ не графически, а анали­тически. Для этого приравняем обе зависимости (10.68) и (10.69).

Получаем

Язл^эл + jlivl*

RrVr + jsW-vl)

(10.71)

Где

5АРнпв = AplllB - Ар™в: 5Аркол = Арткоп - Ар™у (10.72)

Гидравлическая разверка зависит от конструктивного выполнения раз­меренной и средней труб (i?,r, Ryл, /) интенсивности их обогрева (уэл, vT, v™, пространственного расположения труб и направления потока (±Др£ив, ІДр-J, сопротивления в коллекторах (Дрк2л> АРкол)- Па нее влияют также Давление среды, энтальпия потока на входе в трубу и другие параметры.

Проведем анализ выражения (10.71) по следующим направлениям: го­ризонтальная поверхность нагрева; влияние нивелирного напора и сопро­тивления в коллекторах (коллекторного эффекта).

Котельные установки

Для горизонтальной трубы нивелирный напор Др^|В — Др^1В — 0 и, соответственно, <!> Дрнив = 0.

Для вертикальных труб разность нивелирных напоров

5Др„„в = ДРн1Ш - ДРж. в - Рт<У#т - Р-упд^я-

Если принять, что Нт = Нзл = Н, то

5Аршв = (рт - рзл)дН = ~(рэл - рт)дН. (10.73)

Из (10.73) видно, что 6Арнив = 0 при рт = рэл. Это условие достаточно хорошо выполняется в некипящих экономайзерах и в выходных пакетах пароперегревателя, где удельный объем воды или пара мало зависит от температуры.

К этому же случаю можно отнести и многоходовые панели, для кото­рых разность нивелирных напоров мала по сравнению с гидравлическим сопротивлением.

Примем, что Друск > ДРуск и ДРкол малы по сравнению с гидравличе­ским сопротивлением Дрг, тогда формула (10.71) для горизонтальных труб примет простой вид:

Где rjr — коэффициент гидравлической неравномерности, показывает отно­шение коэффициентов сопротивления разверенной Яг и средней Rln трубы:

Для необогреваемых труб (перепускные трубы между поверхностями нагрева котла, опускные трубы в барабанном котле и т. д.) vln = vTn гидрав­лическая разверка зависит от коэффициента гидравлической неравномерно­сти. Труба, длина которой больше других, имеющая дополнительные гибы, с большей шероховатостью, у которой больше сварных соединений, имеет увеличенный коэффициент сопротивления RT > R^ и, соответственно, у нее г]Г > 1, а рТ < 1, т. е. расход срсды через такую трубу будет меньше, чем через другие.

При равномерном обогреве (qT — qT/q3n = 1) и при ї)г = 1 гидравличе­ская разверка отсутствует, т. е. рг = 1. Если же в какой-либо трубе /д > 1
(по конструктивному выполнению, из-за отложения примесей и т. п.), то в ней расход будет меньше (рг < 1, DT < чем в других, это, в свою оче­редь, вызовет более высокий нагрев среды в трубе (Д/іт > Д/цЛ> ^т > ^эл) и дальнейшее снижение расхода среды до установления равновесия в систе­ме (уменьшение расхода в трубе ведет к увеличению в других, т. е. к росту общего сопротивления). При равномерном обогреве труб из-за гидравли­ческой неравномерности расход среды по трубам и' температура ее будут различаться.

Неравномерность обогрева даже при г]г = 1 приводит к изменению расхода среды в трубах. В разверенной трубе (г]т > 1, qT > q3n) сред­няя температура водного теплоносителя и его удельный объем vT больше средних величин (г>г > г>эл) по панели, соответственно, появляется гид­равлическая разверка (рг < 1) и расход DT < Д, л. Таким образом, тепло­вая неравномерность в элементе вызывает появление гидравлической раз­верки. Механизм (явление), отражающий эту взаимосвязь, называют теп- логыдравлыческой разверкой, а зависимость коэффициента гидравлической разверки от неравномерности тепловосприятия рГ = /(гут) — разверочной характеристикой.

При увеличении тепловой неравномерности энтальпия и удельный объ­ем среды в разверенной трубе vT растет:

К™ = Кх + AhT = hBX + pq. Ah3J} - hBX + ^ • Д/гэл;

Пп Г Г (10'76>

Д£т = AhT/2 = Ml. Д/Ьл = Mi. ^ . Д/гэл.

Расход среды через разверенную трубу GT влияет на энтальпию среды hT.

Рассмотрим три случая:

А) На входе в панель существенный недогрев воды до температуры кипения (г>вх < vf) или до ЗБТ; в разверенной трубе /гт увеличивается с уменьшением расхода среды GT; при линейной зависимости удельного объ­ема воды от энтальпии (/3 = dv/dh = const) разверочная характеристика рг = /(г/г) монотонно-убывающая (рис. 10.27, кривая 1). Если величина (3 возрастает, то разверочная кривая 2 будет идти ниже кривой 1. Если сред­няя энтальпия воды в разверенной трубе будет меньше энтальпии кипения (ДКД) или в начале ЗБТ (СКД), то разверочная характеристика получается однозначной.

Зависимость рг == /(т? т) может быть однозначной (кривая 3 рис. 10.27) или неоднозначной (кривая 4): в зоне неоднозначности одной величине rjT соот­ветствуют три значения рг. При докритическом давлении при ftT = Ы коэф­фициент /3 изменяется скачком и разверочная кривая будет иметь ломаный характер, характеристика — неоднозначная.

В) В области перегретого пара разверочная характеристика однозначна (кривая 5 рис. 10.27).

Для вертикальной трубы с подъемным движением среды формулу для гидравлической разверки запишем в следующем виде (<5ДрК0Л = 0; Друск = 0):

Где обозначено:

(Рэл - РтЪН Яэл^эл^эл

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 «плюс». В сильнообогреваемой тру­бе (rjT > 1) плотность среды рт меньше, чем в элементе: рт < рэл, ком­плекс В положителен, и, как видно из формулы (10.77), он увеличивает величину рг, расход среды в разверенной трубе будет больше (рис. 10.29, кривая 2) по сравнению с горизонтальной панелью. В слабообогревае - мой трубе (rjT > 1) рт < рэл, комплекс В отрицателен, что приводит к уменьшению расхода среды в этой трубе по отношению к горизонталь­ным элементам. Таким образом, при подъемном движении среды в верти­кальной панели нивелирный напор играет положительную роль: в сильно - обогреваемой трубе расход среды увеличивается, а в слабообогреваемой — уменьшается.

Вклад нивелирной составляющей в гидравлическую разверку зависит от расхода среды в элементе G3J]. При больших расходах среды Gm ком­плекс В уменьшается и разверочная характеристика вертикальных панелей приближается к характеристике горизонтальных панелей. С уменьшением расхода среды нивелирная составляющая играет большую роль (рис. 10.29, кривые 2 и 3).

При опускном движении потока перед комплексом В в (10.77) дол­жен быть знак «—» и влияние нивелирного напора становится обратным: в

Сильнообогреваемых трубах расход среды уменьшается, а в слабообогрева - емых — усиливается (кривые 5 и 6). В этом случае нивелирный напор играет отрицательную роль. Панели с опускным движением делать не следует.

Интересно провести анализ разверочных характеристик в вертикаль­ных панелях (при докритичееком или сверхкритическом давлений, с прину­дительным движением среды или подъемные трубы контура циркуляции — ограничений нет) при малых средних расходах среды в элементе (пане­ли). При подъемном движении среды в слабообогреваемой трубе (кривая 7, рис. 10.29) с r/T = /fry (точка С) расход среды равен нулю (GT7 = 0). Это возможно при условии (рт > р1П):

1 + fa" - yf = о,

Яэп Ущ

Когда

{рт - pJgH - RnVnGi. (10.79)

В этой трубе будет застой движения среды (застой циркуляции). При ?7т < ?7т7 в выражении (10.77) для рг под корнем будет отрицатель­ное число. По графику (кривая 7, рис. 10.29) рг 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, точка jD, рис. 10.29).

При т/т > /fa в разверенной трубе (рэл-рт)дН > R^v^G^ т. е. развив­шийся' в ней нивелирный напор «потянет» расход среды вверх, произойдет опрокидывание движения.

Из этого следует, что в прямоточных и барабанных котлах надо внима­тельно 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. 10.30) по мере отбора среды зме­евиками панели расход среды уменьшается, скорость потока также изме­
няется от максимального значения tuBX на входе в коллектор до нуля у противоположного торца коллектора. При этом динамический напор потока переходит в статическое давление, максимальное приращение статического давления Арст будет в сечении, где w = 0 и составит величину

По ходу среды Дрст растет от нуля до Др^кс (рис. 10.30, а). В то же время увеличивается и гидравлическое сопротивление Дрг — Дртр + 4-Дрм. Следовательно, в раздающем коллекторе давление по ходу среды р£ол определяется как результат действия этих факторов:

РІЛ = РІ + Др* - ДрР. (10.80)

В собирающем коллекторе (рис. 10.30,6), наоборот, скорость потока w возрастает по ходу среды до максимального значения на выходе wBblx; ста­тическое давление уменьшается, его максимальное изменение имеет место на выходе из коллектора:

Дрмакс =

Гидравлическое сопротивление Дрг по ходу среды в коллекторе увеличи­вается. В результате давление в собирающем коллекторе рскоп будет равно величине:

Ркол = Рвых + (АРст + Ар?)макс " АРст " АРп (10-81)

Где (Дрст + АРр)Макс — максимальное значение изменения статического дав­ления и гидравлического сопротивления на выходе из собирающего коллек­тора. Сумма рсвык + (ДРст + Ар?)макс 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, наблюдается большое разнообразие в схемах движения потоков в поверхностях нагрева паровых котлов. Три часто встречающиеся схемы представлены на рис. 10.31: 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. 10.30, на рис. 10.31 показано изменение давления в раздающих и собирающих коллекторах (ркол, Ркол)- Змеевики (трубы) панели работают при перепаде

Давления Арзм, равном разности давлений в раздающем и собирающем коллекторах:

РІП - Ркол = АРзм - Арэл + ДРст - АРп (10.82)

Где Ap3J] — общий перепад давления в элементе котла;

Арэл = Кх - Рвь«; (10.83)

АРст ~~ разность изменения статического давления в раздающем и собира­ющем коллекторах; Артг — разность изменения гидравлического сопротив­ления в коллекторах.

Величины Артст и Артг зависят от расположения трубы по длине коллек­торов, следовательно, и перепад давления Дрзм будет различным для разных труб. В Z-схеме (рис. 10.31, а) максимальный перепад давления приходится на правые трубы, в них будет и максимальний расход среды; в левых тру­бах перепад давления и расход среды минимальны. В П-схеме (рис. 10.31, б) различие перепадов давления по трубам существенно сглажено.

При подводе среды радиальной трубой (перпендикулярно оси коллек­тора) теплоноситель расходится в коллекторе в две стороны от подводящей труби, скорость его уменьшается в два раза, а сопротивление и динами­ческий напор — в 4 раза. Если подводящих труб две (рис. 10.31, в), 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 вынужденном (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 течет вода и Дркол — 0; в собирающих коллекто­рах идет пароводяная смесь с большой скоростью, поэтому для уменьшения влияния коллекторного эффекта отвод делается 3-4 трубами радиально даже из коллектора небольшой длины, в этом случае 5АрК0Л = 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 Аркол = 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 надо рассчитывать 8АрК0Л. 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 Аруск обычно малы сами по. себе, а при расчете гидравлической разверки берется их разность в разверенной трубе и элементе. Поэтому влияние Аруск на гидравлическую разверку может быть заметным только в ЗБТ, в остальных случаях им можно пренебречь.

Влияние конструктивных факторов рассмотрим на примере шайбова - ния трубы и выполнение 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 выровнять расход среды в них (для простоты не рассматриваем влия­ния Др„ив, Аркол, Друск):

(10.84)

(10.85)

= ивх. Дроссельная шайба в разверенной трубе должна

Иметь приведенный коэффициент сопротивления:

_ £эл _ Дт^т ~ Дэл^эл

SU! Sui

В нашем упрощенном примере получается, что приведенные коэффи­циенты сопротивления шайб обратно зависят от удельных объемов: чем больше удельный объем в разверенной трубе vT, тем меньше гидравличе­ское сопротивление шайбы в ней.

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 выходном участ­ке приводит к увеличению его сопротивле­ния и уменьшает гидравлическую разверку; использование малого диаметра на входном участке усиливает разверку, поэтому сту­пенчатая труба выполняется с увеличением диаметра по ходу рабочей среды.

Расчет разверочных характеристик за­ключается в определении по изложенным в данном параграфе формулам коэффициен­тов гидравлической разверки рг, конструк­тивной нетождественности г}к и нерав­номерности теплово сприятия ?7Т, а также температуры рабочей среды на выходе из разверенной трубы

Расчет завершается построением раз­верочных кривых

Рг = /Ы

Пример разверочных характеристик представлен на рис. 10.32. В сильнообогре - ваемых трубах (т7т > 1) с увеличением коэффициента rjT расход среды рг падает, температура среды tBblx растет. Чем больше общее среднее тепло­восприятие элемента Д£Эл> тем круче идут кривые рг — /(77т) и £Вых = /(г/т). Следовательно, увеличение прироста энтальпии в элементе (увеличение по­верхности нагрева или теплового потока) неблагоприятно воздействует на гидравлическую и тепловую разверки.

Разверочные характеристики используют для общего анализа условий работы поверхности нагрева, влияния различных факторов на ее работу. В частности, по известной величине допустимой температуры среды £доп можно определить допустимое значение г)*оп (рис. 10.32) и сравнить его с реальным значением rjT. Должно быть г]т ^ г]*оп. Если же поверхность

Нагрева только проектируется, то вели­чина г]*оп закладывается в проект как необходимое требование, которое долж­но быть обеспечено условиями рабо­ты и конструкцией поверхности нагре­ва. Можно решить и обратную задачу: по известной величине rjT определяются значения pn pq, tTBblx.

Разверочные характеристики ис­пользуют для анализа температурного режима металла труб. Для этого на за­висимости trBblK = f(rjT) строят дополни - 1 ^лоп^ г)т тельные графики: зависимости темпера­

Туры стенки на внутренней поверхности Рис. 10.33. Пример зависимостей трубы t™9 на наружной - t"cr и средней £ых = fM и *ст = /(т7г). П0 толщине стенки tcЈ от неравномер­

Ности тепловосприятия (рис. 10.33). По допустимой температуре наружной поверхности трубы (££т)доп (или средней температуры (^с?)доп) определяется допустимое значение (?7у0П)меТ'