Паровые котлы ТЭС

Гидродинамическая устойчивость потока, в вертикальных парообразующих трубах

В вертикальных панелях с восходящим или подъемно-опускным движением и малым числом ходов [П-, U - и N-образные панели (рис. 11.1)], у которых высота соизмерима с развернутой длиной трубы, гидравлическая характеристика также определяется недогре - вом воды до кипения на входе в панель и дав­лением. Особенностью гидравлики этих пане­лей является сильное влияние нивелирного - напора Дрнив. Нивелирная составляющая пол­ного перепада давления оказывает воздейст­вие как при ДКД, так и при СКД. Принципи­альной разницы в значении нивелирной со­ставляющей нет. Однако более сильное влия» НИЄ Дрнив проявляется при ДКД.

В одноходовой вертикальной панели с подъемным движением рабочей среды (рис. 11.11) приходится преодолевать и ги­дравлическое сопротивление и нивелирный напор, поэтому они в формуле (11.3) положи­тельны и перепад давления между нижним и верхним коллекторами определяется их сум­мой

Нив - (11.17)

При данном обогреве и расходах среды, близких к нулю, трубы заполнены паром, плотность которого мала и потому ниве­лирной составляющей в этой зоне расходов пренебрегают.

Из рис. 11.11 следует, что гидравлическая характеристика такой панели стабильна: каж­дому значению перепада соответствует толь­ко один определенный расход.

При опускном движении (рис. 11.12) ги­дравлическое сопротивление Лрг положитель­но, а нивелирный напор Дрнив способствует движению, поэтому он в формуле (11-3) от­рицателен, в связи с чем перепад давления между коллекторами определяется их разно­стью

Ар=Арг—Арнив - (11.18)

При опускном движении имеет место не­устойчивость в расходе рабочей среды: одно­му значению перепада соответствуют два рез-

Ко различных расхода. Зона многозначности в реальных панелях охватывает большой диа­пазон изменения расходов (до 1000— 2000 кг/(м2-с)).

Из сопоставления рис. 11.11 и 11.12 следу­ет, ЧТО В восходящем потоке Арнив улучшает гидравлическую характеристику, при опуск­ном движении, наоборот, ухудшает ее.

В трубных системах с подъемно-опускным движением (П-образная панель) гидравличе­ское сопротивление преодолевается в обоих направлениях движения и потому определя­ется суммой сопротивлений в восходящем Арпол и опускном Арон участках: 2Арт= =АрПод + Ароп. Нивелирная составляющая для подъемного элемента Д/рпод (кривая До"03, на

Г инэ v 1 г нив

Рис. 11.13,а) аналогична рассмотренной выше на рис. 11.11, так как энтальпия среды на входе Z'bx для упрощения условно принята не зависящей от расхода и потому является по­стоянной величиной. Начало опускного эле­мента канала является продолжением преды­дущего — восходящего элемента, в котором энтальпия і'пром изменяется в соответствии с расходом при заданном обогреве. Чем мень­ше расход среды, тем выше £пром (кривая / на рис. 11.13,6), в связи с чем энтальпия рабо­чей среды резко возрастает в опускном эле­менте канала (кривая //), особенно на вы­ходном участке. При уменьшении расхода это приводит к существенному снижению плотно­сти потока и соответствующему уменьшению нивелирнои составляющей дртъ.

Суммированием нивелирных составляющих на подъемном Д/?под и опускном элементах Др™в получаем нивелирный напор 2Д/?нив9П-об - разной панели.

Полная гидравлическая характеристика П- образной панели

2Др=2Дрг+ЕАрниБ (11.19)

В широком диапазоне расходов рабочей сре­ды многозначна (рис. 11.13,а).

На рис. 11.14 показана суммарная гидрав­лическая характеристика и ее составляющие U-образной панели, построенные описанным выше методом. Гидравлические сопротивле­ния в опускном и подъемном движении поло­жительны и потому суммируются ЕДрг. Ниве­лирная составляющая на опускном участке

Д/?™8 отрицательна, и на его входе энтальпия среды ївх принята условно постоянной и не завиящей от расхода. Начало подъемного дви­жения совпадает с концом опускного. Ниве­лирная составляющая при подъемном движе­нии положительна, но на входе в подъемный участок (в точке перехода от опускного в подъемный) имеет энтальпию іПр0м, завися­щую от расхода. При малых расходах энталь­пия іпром велика, а плотность среды мала, что тормозит рост нивелирного напора с увеличе­нием расхода в этой зоне. И только в зоне больших расходов, при которых количество теплоты, приходящейся на единицу расхода Среды не СТОЛЬ существенно, іпром меньше, а нивелирный напор Днамного больше.

Суммирование характеристик, выражающих нивелирные напоры, показано ЕДрнив - Видно, что для U-образной схемы суммарная гидрав­лическая характеристика многозначна в ши­роком диапазоне расходов рабочей среды.

Аналогично строятся гидравлические ха­рактеристики N-образных и более сложных многоходовых систем. Из приведенного ана­лиза следует, что в восходящем потоке ниве­лирный перепад давления улучшает гидрав­лическую характеристику, при опускном, на­оборот, ухудшает ее. В этом отношении U-об - разная схема лучше П-образной, так как выходной участок с большим паросодержа - нием, а следовательно, с меньшей плотностью потока имеет подъемное движение, в котором, влияние нивелирного напора положительно. Для N-образной системы с нижним располо­жением входного коллектора и верхним рас­положением выходного коллектора, кроме то­го, на один опускной приходится два подъем­ных участка, что еще в большей степени' улучшает гидравлическую характеристику. В целом панели с малым числом ходов име­ют либо многозначную характеристику, либо характеристику, недостаточно устойчивую.

С увеличением числа ходов гидравличе­ской системы влияние нивелирной составляю­щей в общем перепаде давления уменьшает­ся. При этом возрастает роль гидравлическо­го сопротивления. Уже при числе ходов более 8—10 гидравлическая характеристика много­ходовой системы приближается к гидравли­ческой характеристике горизонтальных паро - генерирующих труб.

Нестабильная гидравлическая характери­стика одиночной трубы (канала) с восходя­щим и опускным движением среды, возникаю­щая под действием нивелирного напора, реа­лизуется во всей области многозначности (рис. 11.5,а, кривая 2-3-4-5), так как расход среды задается внешними условиями — пода­чей насоса. Реально поверхности нагрева со­стоят из большого числа параллельных труб. В многотрубных системах суммарный расход, среды также задается подачей насоса, но рас­ходы через параллельные трубы могут ока­заться различными. Экспериментально уста­новлено и опытом эксплуатации подтвержде­но, что для таких систем гидравлические ха­рактеристики реализуются только на восхо­дящих ветвях (левой ветви — участке 1-2-3 и правой ветви — участке 4-5-6, рис. 11.15,6). Уменьшение расхода в трубе в области точки 4 минимума характеристики вызывает стре­мительное падение расхода среды и выход на режим, соответствующий точке 2. Превыше­ние расхода в области точки 3 максимума характеристики может привести к стреми­тельному увеличению расхода в отдельных

Трубах контура и выходу их на режим, соот­ветствующий точке 5. Нисходящая ветвь ха­рактеристики (участок 3-4) не реализуется, кроме случаев ограниченного числа парал­лельных труб (около трех-четырех). Одно­значное движение в этой области расходов не обеспечивается и совершается перескок либо в область малых расходов среды (на левую ветвь), либо в область больших расхо­дов (на правую ветвь) при неизменном сум­марном расходе среды.

Работа на левой ветви характеристики обычно не обеспечивает требуемого темпера­турного режима металла труб при интенсив­ном обогреве. Единственно реальной обла­стью работы прямоточного контура является правая ветвь характеристики, включающая участки однозначности и многозначности. На участке однозначности 5-6 этой ветви ско­рость среды настолько велика, что часто ока­зывается непригодной для практического при­менения. Поэтому возникает необходимость работы на участке многозначности 4-5, что требует определения границ надежности. Для контуров, состоящих из параллельных труб одинаковой конструкции и обогреваемых оди­наково, устойчивость в области многозначно­сти гидравлической характеристики обеспечи­вается на всей внешней (восходящей) ветви характеристики (участок 4-5 на рис. 11.15,6).

В системе параллельно работающих труб всегда возможны различные тепловосприятия с учетом их конструктивной и гидравлической нетождественности (см. § 11.4). Поэтому тру­бы, условия работы которых отличаются от труб, работающих в средних условиях (раз- веренные трубы), имеют гидравлические ха­рактеристики, отличные от средней для си­стемы труб. Видно (рис. 11.16), что даже при однозначных характеристиках возникают различные, но вместе с тем постоянные ста­бильные расходы рабочей среды в элементе и разверенной трубе.

При параллельной работе системы труб с различными многозначными характеристи­ками возможны три случая: когда перепад давления между коллекторами системы в ми­нимуме гидравлической характеристики раз-

Веренной трубы меньше перепада давления в контуре (рис. 11.17,а), больше него (рис. 11.17,6) или-равен ему (рис. 11.17,в). Все они рассматриваются при постепенно, уменьшающемся общем расходе рабочей сре­ды и, следовательно, при снижающемся рабо­чем перепаде давления между коллекторами гидравлической системы.

Для первого случая, когда перепад давле­ния в системе превышает перепад давления в точке минимума характеристики наиболее разверенной трубы Арраб>Армин, именно той разверенной трубы, минимум характеристики которой располагается выше минимума ха­рактеристики основной массы труб, формаль­но возможны по три рабочих точки на каж­дой кривой (/', 1" и Ґ" — на характеристике основной массы труб и 2', 2" и 2"' — на ха­рактеристике разверенной трубы). Точки 1" и 2" на нисходящей ветви характеристик не реализуются (см. рис. 11.15,6). Точки левой восходящей ветви характеристики 1' и 2' так­же не реализуются, пока выдерживается усло­вие Дрраб>Дршщ. Это означает, что для пре­дупреждения появления режимов в элементе с малым расходом среды необходимо создать расход, при котором перепад давления по характеристике основной массы труб будет выше, чем перепад давления в точке миниму­ма гидравлической характеристики разверен­иой трубы, (шр)Раб1> (аур)гр.

При ДрРаб<'АРмин ДЛЯ разверениой трубы нет рабочих точек на нисходящей и правой восходящей ветвях характеристики. Для этого режима остаются рабочие точки 2' и /"', от­вечающие двум различным расходам среды. В одной из них (точка Ґ") устанавливается большой расход, обеспечивающий надежную работу основной массы труб контура. В точ­ке 2' расход очень мал, недостаточен по усло­виям охлаждения трубы, находящейся в наи­более неблагоприятных условиях. Поэтому в целом система труб ненадежна.

При ДрРаб=Дрмин в минимуме характери - стики разверениой трубы расход среды не­устойчив. Здесь одному перепаду давления в системе труб соответствуют два расхода, один из которых в разверениой трубе имеет малое значение 2', недостаточное по условиям охлаждения, а другой Ґ" на характеристике основной массы труб — обеспечивает их нор­мальное охлаждение. Расходы в точке 1' и 1" в среднем для элемента нереальны по ука­занным выше причинам. Режим Арраб=АРмин является предельным, до которого еще можно обеспечить устойчивую работу всего контура, и является границей устойчивости разверен­иой трубы.

Минимально допустимая по условиям устойчивости массовая скорость в системе вы­ражается неравенством

(®р)раб>т(и)р)гр, (11.20)

Где (®р)гр — массовая скорость в системе труб (каналов )на внешней ветви гидравличе­ской характеристики в точке, соответствую­щей перепаду давления, равному минимуму гидравлической характеристики разверениой трубы; (шр)раб — массовая скорость в систе­ме; т — коэффициент запаса, равный 1,5.

Устойчивость к разверкам в области мно­гозначности гидравлических характеристик обеспечивается не только дросселированием потока с помощью шайб или ступенчатого витка. Она достигается и рациональным вы­бором средней wр рабочей среды при номи­нальной нагрузке панели рассматриваемого типа, обеспечивающей надежное охлаждение труб при заданной минимальной нагрузке с учетом тепловой и конструктивной нетож­дественности, т. е. работой контура на внеш­ней восходящей ветви гидравлической харак­теристики d(Ap) / d(wp) >0. Последнее более предпочтительно, поскольку оно не требует шайбования труб гидравлической системы. Необходимость в установке шайб большей частью возникает для выравнивания расхо­дов среды через параллельные гидравличе­ские элементы, например секции топочных экранов. Иногда в целях достижения устой­чивости потока выгоднее изменить схему па­нели путем исключения опускных труб.

На стабильность гидравлической характе­ристики оказывают влияние не только обогре­ваемые панели, но и отводящие необогревае­мые трубы. Так, в результате неудачного подключения внешних необогреваемых отводя­щих труб с нижним расположением собираю­щего коллектора, в которых нивелирный набор отрицателен, образуется П-образная си­стема с многозначной гидравлической харак­теристикой (рис. 11.18). При наличии развер - ки и недостаточных скоростей рабочей среды, возникающих из-за низкого перепада Арі, многозначность характеристики привезет в разверениой панели 2 к малому расходу на ее левой ветви 2'. Это не обеспечивает надеж­ной работы труб в панели 2 при полном бла­гополучии в панелях 1 и 3 (соответствующие расходы обозначены /' и 3'). Надежная ра­
бота контура достигается созданием такого перепада Крг, при котором рабочие точки ди­аграммы находятся на внешних ветвях харак­теристик всех панелей с достаточно близкими в них скоростями, либо, если это позволяет конструкция, установкой верхнего смеситель­ного коллектора, устраняющего многознач­ность гидравлических характеристик.

При анализе работы сложных контуров, включающих ряд прямоточных элементов, не­обходимы суммарные гидравлические харак­теристики. Их получают графическим сумми­рованием характеристик отдельных элементов с учетом схемы соединения. В последователь­но соединенных элементах расходы рабочей среды одинаковы. Поэтому общую характе­ристику получают суммированием характери­стик элементов при одинаковых расходах сре­ды (рис. 11.19,а). Гидравлическое сопротив­ление такой системы выше, чем сопротивле­ние каждой из них. В сложных прямоточных контурах, состоящих из нескольких парал­лельных элементов, их гидравлические сопро­тивления постоянны. Общую характеристику такой системы строят суммированием харак­теристик всех элементов контура при оди­наковых перепадах в нем давления (рис. 11.19,6). В этом случае гидравлическое сопротивление контура меньше сопротивления каждого из его элементов.