Паровые котлы ТЭС

Расчет теплообмена излучением в топочной камере

Передача теплоты от факела к располо­женным на стенах топочной камеры поверх­ностям нагрева представляют собой наиболее сложный случай теплообмена. Здесь процесс теплообмена идет параллельно с горением топлива, создающим в излучающей среде внутренние источники теплоты. Уровень тем­ператур газов в сечениях по высоте топки определяется соотношением интенсивности тепловыделения и теплоотвода, при этом ме­няются также тепловые характеристики на­ружного загрязнения экранных труб.

В начальном периоде после воспламенения интенсивное горение топлива обеспечивает рост температуры газовой среды. Одновре­менно с этим нарастает поток тепловой энер­гии к экранам. На некотором удалении от го­релок температура достигает максимума, ко­торому соответствует равенство между тепло­выделением и теплоотводом. В дальнейшем тепловыделение быстро падает и становится меньше уровня теплоотвода, в результате че­го температура газов монотонно снижается. Темп снижения температуры зависит от уров­ня максимума температуры в ядре факела, наличия или отсутствия догорания топлива в верхней части топки, степени загрязнения экранов.

Советскими учеными создан метод расчета теплообмена в топке, основанный на совмест­ном использовании результатов аналитиче­ского и эмпирического исследований [8]. Этот метод исходит из возможности применения теории подобия, удовлетворительно описы­вающей основные тепловые показатели рабо­ты топочной камеры и их связь с конструктив­ными харакеристиками топок.

В основу теплового расчета положена по­луэмпирическая формула НПО ЦКТИ (А. М. Гурвич), записанная в безразмерном виде:

6"т =----- П(Р°°'6 Nfi, (20.16)

Т Во0'6 + Ма°т-6 V '

Связывающая безразмерную температуру газов на выходе из топки 0"т с числом Больц - мана Во, характеризующим отношение тепло­выделения при горении топлива к максималь­ной интенсивности теплоотвода к поверхности настенных экранов. Учитывается также ха­рактер температурного поля в объеме топоч­ной камеры, выраженный через коэффици­ент М. Безразмерная температура газов ре горения 7*а, К - Она всегда меньше единицы и характеризует степень снижения температу­ры газов в топочном объеме за счет теплооб­мена.

Число Больцмана в формуле (20.16) в за­висимости от способа задания исходных ве­личин определяется по следующим формулам:

<еВгУтсг

Рассмотрим более подробно методику теп­лового расчета и роль входящих в формулы (20.16) —(20.18) показателей.

Основными тепловыми характеристиками топки являются полезное тепловыделение QТ и этальпия газов на выходе из топки /"т. По­лезное тепловыделение в топке слагается из располагаемой теплоты сжигаемого топлива Qрр с учетом потерь в пределах топочной ка­меры (7з, 74, 7в), из теплоты, вносимой в топ­ку горячим и холодным (присосанным) воз­духом QB=Q'r. b + Qx. b, а также из теплоты ча­сти дымовых газов, возвращаемых из конвективной шахты котла в топку (газы ре­циркуляции) Q рц:

Q __ qp 100 — — <74"

Qb. bhui) ~г qpiv

(20.19)

Количество теплоты Qr. в рассчитывается по температуре горячего воздуха на выходе из воздухоподогревателя. При предваритель­ном подогреве воздуха перед входом в возду­хоподогреватель за счет внешнего источника теплоты (например, пара из отбора турбины) значение Q'B должно быть уменьшено на зна­чение этого подогрева Qb. bhiu, поскольку эта теплота входит в значение Qpp (см. § 7.2).

Энтальпия газов на выходе из топочной камеры I"т определяется с помощью /, диаграммы или таблицы по заранее выбран­ной температуре газов ^"т (см. § 8.1).

Если бы все полезное тепловыделение в топке QT можно было полностью передать образующимся продуктам сгорания, т. е. ис­ключить теплообмен с поверхностями нагрева (адиабатные условия), то мы получили бы максимально возможную (теоретическую) температуру сгорания, которая чаще называ­ется адиабатической температурой горения топлива:

Qt

(20.20)

Op

Є"т=Г'т/Та

Есть отношение температуры газов на выходе из топки Г'т, К, к адиабатической температу - где (Vc) cP=Q't /Фа — средняя суммарная теп­лоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур 0—Оа, кДж/(кг-К). Как видно, нахождение адиабатической тем-
tr?

Уравнение Валанса тепла

Bp а-л

Уравнение лучистого теплообмена

Г ст ♦

Размеры топки

Рнс. 20.5. Последовательность выполнения конструктив­ного теплового расчета топки.

Пературы требует предварительной ее оцен­ки. Значение адиабатической температуры га­зов зависит от вида топлива (его теплоты сгорания) и избытка воздуха и составляет 1700—1850°С для бурых углей и торфа и 1850—2100°С для каменных углей, антраци­тов, мазута и природного газа.

Характерными температурами топочной камеры являются адиабатическая температу­ра и температура газов на выходе из топки. Они представляют собой опорные температу­ры при расчете теплообмена в топке. После­довательность конструктивного расчета то­почной камеры можно представить в следую­щем виде (рис. 20.5): на основе определения значений QT и I"т находят теплоту, передан­ную излучением в топке <2л, кДж/кг, а затем, используя закон лучистого теплообмена, уста­навливают величину поверхности топки с на­стенными экранами FCT, которая воспринима­ет общее количество теплоты Вр<5л при задан­ных температурных условиях (-0а и и степени тепловой эффективности экранов. В заключение определяются конкретные раз­меры топочной камеры, на стенах которой должны быть размещены экранные поверх­ности.

Таким образом, расчет теплообмена в топ­ке основан на составлении двух основных уравнений:

Уравнения теплового баланса

&. = <P(Qt-/"t) = <p(Vc)r(fta-$"t); (20.21)

Уравнения лучистого теплообмена

BpQn=c0aTxFCT (Г*ф—7.з) ■ 10"», (20.22)

Где Г™ — температура поверхности наружно­го загрязнения экранов, К; <р — коэффициент сохранения теплоты (см. § 6.2); (Ус)г — усредненная теплоем­кость газов в интервале температур (Фа— кДж/,кг-К). Уравне­ние (20.22) можно не­сколько преобразовать:

BvQn = c0a, xFCTT*Ji -

Т

10-п. (20.23)

Выражение в скобках — условный коэффи­циент загрязнения экранов £; тогда оконча­тельно, имея В ВИДУ, ЧТО ■фэ—Х^, получим:

BpQx=c0(htyFc*Ti<b • 10-11> (20.24)

И расчетная поверхность стен топочной каме­ры составит:

10''£„<?,

FCT =----- JgL. (20.25)

Ст с0агФэ7"1ф v >

Точность конструктивного расчета топочной камеры существенно зависит от правильного усреднения расчет­ной эффективной температуры газов в топке Тф. Дей­ствительное поле температуры газов по высоте топочной камеры имеет сложный характер (рис. 20.6). Это изме­нение температуры факела удовлетворительно описы­вается трехпараметрической формулой

Т 7а -^~АХ'е-РХ, (20.26)

Охватывающей все многообразие температурных полей в топках паровых котлов. В этой формуле A, t, р — па­раметры температурного поля в топке; Т и — теку­щая и адиабатическая температуры газов, К; X — отно­сительная высота расположения зоны факела с макси­мальной температурой горения, взятая по отношению к расчетной высоте топкн. Решение уравнения (20.26) довольно сложно и приводится в специальной литерату­ре, например [16].

Трудности, связанные с математическим описанием температурных полей в топках, призели в инженерных расчетах к поискам полуэмпирических решений для определения Тф, основанных на использовании двух ха­рактерных температур топочной камеры Т"т и Та. Наи­более удачной в этом отношении оказалась формула, предложенная Г. Л. Поляком и С. Н. Шориным и запи­санная в виде зависимости безразмерных относительных температур газов

= (20-27)

Здесь 6ф = Гф/Та — безразмерная средняя эффек­тивная температура газов; m и п — эмпирические коэф­фициенты, зависящие от условий горения и охлаждения газов в топке.

После подстановки выражений безразмерных темпе­ратур газов запишем уравнение (20.27) в следующем виде:

Г4ф = т7'а4<1-">(7",т)4". (20.28)

Расчет теплообмена излучением в топочной камере

Рис. 20.6. Поле температур газов по высоте топочной камеры.

Гор 1, Гор 2 — уровни располо­жения горелок в топочной ка­мере; Хі, Хг — высота располо­жения горелок.

Гор.2_ Тор./

Макс

АЬ,

Данные многочисленных экспериментальных иссле­дований теплообмена в топочных камерах показали, что коэффициент т, характеризующий подобие температур­ных полей в топках при разных условиях сжигания топ-

Рис. 20.7. Изменение показателя степени п в зависимости от от­носительного местопо­ложения максимума температур газов в топке X.

О, г цч о, б о,8 т

Лива, слабо зависит от условий работы топок, но связан с коэффициентом п. Он близок к единице и для приня­того значения п является постоянным. Показатель сте­пени п является функцией относительного местоположе­ния максимума температур газов в топке (рис. 20.7). Наиболее характерные значения X для топок паровых вдтлов (Х=0,15н-0,30) находятся как раз в области сильной зависимости n = j(X). В связи с этим методика расчета теплообмена в топочных камерах раз в несколь­ко лет подвергается уточнению при внедрении новых типов паровых котлов.

Для расчета теплообмена в небольших по размерам топках и в камерах сгорания двух­камерных и полуоткрытых топок котлов боль­шой мощности принимают «=0,5. Тогда сред­няя расчетная температура газов определя­ется по формуле

Гф = 0,925 УТаТ"т. (20.29)

При расчете открытых однокамерных то­пок паровых котлов электростанций прини­мают я=2/3 и т=1, что соответствует Х= =0,33. Однако при более низком расположе­нии горелок в топке, а следовательно, и зоны максимальной температуры газов (рис. 20.6) температура газов на выходе из топки с за­данной конструкцией будет ниже, а при рас­чете до ранее принятой Т' высота топки должна быть уменьшена.

Для учета отклонения уровня расположе­ния максимума температур факела в дейст­вительных условиях в расчетную формулу (20.25) дополнительно вводят параметр тем­пературного поля топки

М=А—ВХ,

Где А и В — эмпирические коэффициенты, раз­личные при сжигании разных видов топлив.

Относительное местоположение зоны мак­симума температур в топке X в большинстве случаев совпадает по высоте с уровнем рас­положения горелок Хг, так как при их гори­зонтальной установке максимум температуры ядра факела находится на горизонтальном участке развития факела. Во всех случаях затягивания горения или задержки воспламе­нения (прямоточные горелки, многоярусные го­релки) к добавляется поправка АХ, фикси­рующая более высокий уровень действитель­ного расположения ядра факела, тогда Х= =ХТ+АХ.

V>

0,3 0,6 0,4 0,2 О

В итоге расчетная формула для определе­ния поверхности стен топочной камеры при конструктивном расчете имеет следующий окончательный вид:

З ГГ

(20.30)

С0ат*эМТ"тТ}а

При выполнении поверочного расчета теп­лообмена в топочной камере заданных разме­ров также пользуются безразмерной форму­лой (20.16), которая после преобразований приводится к следующему виду:

------ у—^тв— 273. (20.31)

Доля теплоты, воспринимаемой поверхно­стями нагрева топочной камеры за счет излу­чения, по отношению к полезному тепловыде­лению в топке называется коэффициентом прямой отдачи топки:

HT=Qn/C'T. (20.32)

Раскрыв величину фл из (20.21), получим:

(20.33)

Прямая отдача теплоты к поверхностям топки составляет около половины QT. Она более высока при сжигании сухих твердых топлив, а также газа и мазута, обладающих высокой температурой горения (рт=0,45-ь - 0,55), ниже для влажных бурых углей (рт= =0,38-5-0,45), а для сильновлажных топлив с Wn>7 прямая отдача может быть менее 0,35. Во всех случаях рт снижается с уве­личением как это следует из (20.33).

Позонный расчет топки. Общий тепловой расчет по­зволяет установить только среднее тепловосприятие стен топки. Часто, особенно для прямоточных котлов, важно знать тепловосприятие в отдельных зонах топки для оценки температурного режима труб (например, НРЧ, СРЧ, ВРЧ). Для этого используют методику позонного расчета. Для выполнения такого расчета топка условно разбивается по высоте на несколько (четыре — шесть) зон. Первой является зона максимального тепловыделе­ния (зона расположения горелок), остальная часть топ­ки разбивается на зоны, каждая высотой 3—6 м.

Тепловой расчет зон состоит в определении темпера­тур газов на выходе из каждой зоны, на основании ко­торых определяют затем тепловые потоки в зоне. При расчете зоны максимального тепловыделения исходят из составления теплового баланса зоны и определения теп­лоты газов на выходе из зоны:

Q"i = Bp(^)"0"i = Sp(PcrQPH+QT„ +

+Qb+Qp4—Qe)—BpQ лі, (20.34)

Где рСг=0,92ч-0,98 — степень выгорания топлива в зо­не; Оді — воспринятая теплота излучения газовой среды экранами, а также верхним и нижним сечениями, огра­ничивающими зону.

Расчет Врфлі производят по формуле (20.22), где Тфі предварительно принимают с последующим уточне­нием. Из уравнения (20.34) определяют температуру га­зов на выходе из зоны ■б,"і.

10 >'ЈdQ,

Р^л

Во второй и последующих зонах также находя г температуру газов на выходе с учетом дополнительной теплоты догорания топлива в зоне Д|ЗсгС2рн и отдачи теплоты экранам топки за счет излучения. На основании проведенного расчета по всем зонам строят график

Расчет теплообмена излучением в топочной камере

Рис. 20.8. Графики результатов позонного расчета то­почной камеры.

А — изменение температуры газов по высоте топочной камеры; б — изменение относительных величин воспринятых тепловых потоков.

Изменения температуры газов по высоте топки (рис. 20.8,а). По данным температурного режима зон топки находят воспринятые радиационные тепловые по­токи в каждой зоне qn.3 [по формуле (20.15)]. Отноше­ние 9л. з к среднему воспринятому тепловому потоку для всей топки в целом 9л (рис. 20.8,6) называют коэффи­циентом распределения тепловосприятия по высоте топки

11в = 9л. з/9л. (20.35)

Паровые котлы ТЭС

Режимы останова и сброса нагрузки котла

Нормальному (неаварийному) останову котла (блока) предшествует его разгрузка. При останове в резерв на короткое время (на­пример, на ночь) стремятся в наибольшей степени сохранить тепловое состояние обору­дования, в связи с чем …

Режимы растопки котла и пуска блока

Рассматриваемые режимы можно разде­лить на три основных этапа: подготовитель­ные операции, собственно растопки котла и повышение нагрузки до заданной. Рассмо­трим их применительно к наиболее современ­ному оборудованию — блочным установкам. В течение …

Классификация парогенераторов аэс и их особенности

В соответствии с тепловой схемой АЭС пар выраба­тывается либо непосредственно в ядерных реакторах кипящего типа, либо в парогеиераторах-теплообменни - ках, в которых осуществляется передача теплоты от теп­лоносителя, поступающего из реактора, …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.