Паровые котлы ТЭС

Закономерности естественной циркуляции

В топочной камере паровых котлов с есте­ственной циркуляцией обычно располагаются парообразующие трубы циркуляционных кон­туров. В контурах организуется непрерывное движение воды и пароводяной смеси (цирку­ляция), благодаря чему обеспечивается непре­рывный и достаточно эффективный отвод теп­ла от поверхности нагрева. Это позволяет поддерживать температуру металла поверхно­сти нагрева на допустимом уровне, следова­тельно, обеспечивать надежную длительную работу контуров циркуляции.

Естественная циркуляция создается движу­щим напором циркуля­ции 5дВ, возникающим при обогреве подъемных вертикальных труб [см. (1.1)].

Запишем уравнение Бернулли для каждого звена циркуляционного контура. Здесь принято (рис. 12.1), что на уча­стке 3-4 движется паро­водяная смесь плот­ностью рн, а на остальном пути, т. е. на участках 4-1-2-3 — вода плотно­стью р' при давлении в барабане. Плоскость сравнения принята на уровне коллектора

(2-3).

Звено 1-2 (опускные трубы)

(Н - h) P'g + Л + ^ р' = Л + р' + А/>,-2.

(12.1)

Аналогично для звеньев 2-3 (нижний кол­лектор), 3-4 (подъемные трубы) и 4-1 (водя­ной объем барабана) можно записать:

Рг + -2-* р' = Р,'+ ^ Р' + A/W (12.2) Р. + £ Р' = ЯРн£ + /V+ £ РнЧ - АРз-v (J 2.3)

Ffp'g + P. + 'Јp. = (ff-A)p'g+pl +

+ (12.4)

Суммируя перепады давления в звеньях циркуляционного контура и учитывая форму­лу (1.1), получаем:

Н (р' — 7'н) g = 2Д/7Г = 5ДВ. (12.5)

При установившемся движении разность давлений столбов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах урав­новешивается суммой гидравлических сопро­тивлений, возникающих вследствие движения рабочей среды в контуре. Отнеся все сопро­тивления к опускным и подъемным звеньям контура, получаем:

5дв=Арпод+Ароп. (12.6)

Разность движущегося напора циркуляции и сопротивления подъемных труб называют полезным напором циркуляции

5пол=5дв—Ардод. (12.7)

Из сопоставления (12.6) и (12.7) получаем основное уравнение циркуляции

5пол=Ароп, (12.8)

Т. е. полезный напор циркуляции расходуется на преодоление сопротивления в опускных звеньях.

На движущий напор циркуляции, а следо­вательно, и полезный напор циркуляции силь­ное влияние оказывает относительная скорость пара (wr). Это влияние выражается в том, что относительная скорость пара при данном его массовом расходе в подъемных трубах приво­дит к уменьшению доли сечения, занятого па­ром ф, и соответствующему увеличению доли сечения, занятого водой (1—ф), в связи с чем плотность пароводяной смеси в подъемных трубах возрастает. В свою очередь относитель­ная скорость пара, а следовательно, ср, рсм И 5пол ЗавИСЯТ ОТ СКОРОСТИ ЦИрКулЯЦИИ Wo,

Приведенной скорости пара w"о, давления р и диаметра труб й:

PcM=f(w0; w"0; р; d);

Saon=f(w0; w"0; p; d).

Эти зависимости сложные, и их аналити­ческое решение пока не найдено. Ввиду боль­шого числа параметров невозможно также и графическое изображение на плоскости. По­этому 5пол изображают на плоскости как функцию wq при различных значениях w"о и постоянных значениях остальных параметров (р; d). На рис. 12.2 показаны зависимости 5пол от wo при различных значениях приве­денной скорости пара w"о. С усилением обо-

Рис. 12.3. Влияние дав­ления на полезный напор

Циркуляции. 1 — без учета ®г; 2 — с уче­том WT.

Грева (йу"0)2> (w"o) і и неизменной скорости циркуляции Wo плотность пароводяной смеси в подъемных трубах уменьшается, а 5П0Л воз­растает.

При прочих равных условиях полезный на­пор циркуляции зависит от давления в конту­ре (рис. 12.3). Чем выше давление, тем боль­ше плотность пароводяной смеси в подъемных трубах и потому Snon меньше. По мере при­ближения к критическому давлению 5П0л уменьшается и приобретает сравнительно не­большое значение. В этих условиях естествен­ная циркуляция малоэффективна. Предельное давление, при котором еще обеспечивается на­дежная естественная циркуляция в котлах, 18—19 МПа. Вместе с тем даже при СКД, но при малых потерях на трение в контуре прямоточного котла естественная циркуляция достаточна для того, чтобы вести растопку котла с вдвое уменьшенным растопочным рас­ходом воды с отключенным рециркуляцион­ным насосом.

Влияние относительной скорости пара за­висит от давления в контуре. При низком дав­лении, характеризующемся снарядным движе­нием потока, крупные образования пара вы­зывают большую относительную скорость па­ра. С повышением давления и температуры насыщения уменьшается поверхностное натя­жение, пузыри пара становятся малопрочными и мелкими, относительная скорость пара при этом уменьшается. При р/ркр>0,7 (см. рис. 12.3) влиянием относительной скорости пара можно пренебречь.

Напомним, что напорная плотность паро­водяной смеси зависит от истинного объемно­го паросодержания ср [см. (9.40)]. Используя равенство (12.5), получаем удобную для рас­чета формулу движущего напора циркуляции

■5дв = Я(р' — 7н)£= Н<р(рг — Р") І - 02.9)

Формула (12.9) выведена в предположе­нии, что подъемные трубы циркуляционного контура содержат пароводяную смесь на всей их высоте. В действительности развитое кипе­ние в подъемных трубах начинается выше входа, в соответствии с чем вся высота труб делится на экономайзерный Яэк и парообра­зующий //дар участки.

Сечение, в котором начинается развитое кипение, называют сечением закипания [3]. Вы­сота парообразующего участка подъемных труб

Япар=Я-Яэ„, (12.10)

Которая и подставляется в (12.9) для опреде­ления движущего напора циркуляции.

При некипящем экономайзере энтальпия воды на выходе из него і"ж<і' и потому тем­пература воды в барабане ниже температуры кипения. Количество поступающей из подъем­ных труб кипящей воды в барабан больше, чем питательной воды, на величину, опреде­ляемую кратностью циркуляции К, и потому недогрев до кипения в барабане

Следовательно, на входе в опускные трубы вода в общем случае недогрета до кипения[4]. Недогрев до кипения возрастает по мере дви­жения воды в опускных трубах за счет увели­чения гидростатического давления воды и до­стигает наибольшего значения в нижнем кол­лекторе циркуляционного контура

= О212)

A If

Здесь j— р'g — изменение энтальпии воды на

1л у

Единицу высоты, кДж/(кг-м); Ар0п — гидрав­лическое сопротивление опускных труб, Па.

С таким недогревом вода поступает в подъемные трубы, по мере движения в них до сечения закипания гидростатическое дав­ление уменьшается и потому соответствующий недогрев уменьшится на величину

И2-13)

Следовательно, недогрев воды на единицу расхода (1 кг) до сечения закипания состав­ляет:

^ + ~ P'g (Я0П - , (12.14)

А на общий расход циркулирующей воды G, кг/ч,

АгБ + 7'р p'g (я™ ~ Yj) ~ НэкР'ё if IG-

(12.15)

При условии постоянного тепловосприятия по высоте рассматриваемого контура за этот же период времени на экономайзерном участ­ке передается теплота

(12.16)

Где Qkoht — тепловосприятие контура, кДж/ч; Яконт — обогреваемая высота контура, м.

Высота экономайзерного участка опреде­ляется исходя из баланса теплоты на этом участке: количества теплоты, которую необхо­димо передать в единицу времени воде для подогрева ее до кипения на экономайзерном участке (12.15), и количества теплоты, полу­ченной за то же время из топки на экономай­зерном участке (12.16), откуда

ЬРоп

At' f

A/s + xj; v'e (Ho

(12.17)

Qkoht. aЈ'^ ;

H^GThft®

12.2. методика расчета контуров циркуляции

Различают простые и сложные контуры естественной циркуляции. В простом контуре циркуляции (рис. 12.4,а, б) все подъемные

Трубы имеют одинаковые геометрические ха­рактеристики— диаметр, длину и конфигура­цию труб и одинаковые условия обогрева. Простые контуры циркуляции не имеют общих элементов с другими контурами. Примером такого контура может служить топочный экран. Отличительными особенностями слож­ного контура (рис. 12.4,s) являются различие геометрических характеристик подъемных труб и их обогрева. Общими элементами являются опускные трубы, обеспечивающие питание подъемных звеньев всех циркуляцион­ных контуров, образующих сложный кон­тур [2].

Простой контур циркуляции. Основное уравнение циркуляции (12.8) решают графо­аналитически. Обе части уравнения зависят от расхода воды (скорости циркуляции): Snoa=f(wo) И Apon-f(wo). С уВЄЛИЧЄНИЄМ W0 полезный напор циркуляции уменьшается (см. рис. 12.2), а гидравлическое сопротивление опускных звеньев контура растет пропорцио­нально квадрату расхода. Пересечение кривых 5пол и Дроп определяет рабочую точку А диа­граммы циркуляции (рис. 12.5,а), координаты которой удовлетворяют уравнению циркуля­ции (12.8).

Для построения диаграммы циркуляции обычно задаются тремя значениями скоростей циркуляции: woь ш02", wos- В ходе выполнения расчета циркуляции последовательно опреде­ляют: гидравлическое сопротивление опускных труб, по которым движется вода [см. форму­лы (9.43) и (9.50)]; высоту экономайзерного участка (12.17) и соответственно высоту паро­образующего участка (12.10), относительное сечение, занятое паром (9.34), движущий на­пор циркуляции (12.9), сопротивление подъем­ного участка, по которому движется пароводй - ная смесь (9.49), полезный напор циркуля­ции (12.7).

По результатам расчета строят диаграмму циркуляции (рис. 12.5,а), включающую зави­симости 5пол=/(йуо) и Ар0п=/(аУо). В рабочей точке диаграммы определяют действительную скорость циркуляции шдо, которая в совокуп­ности с количеством образующегося в контуре пара Gn позволяет определить кратность цир­куляции К в контуре.

В современных паровых котлах контуры циркуляции, как правило, выполняются про­стыми в виде панелей топочных экранов с па - роотводящими трубами (рис. 12.4,6). В таком контуре движущий напор образуется и в обо­греваемых экранных трубах, и необогреваемых пароотводящих трубах, поскольку они также заполнены пароводяной смесью (12.5,6).

Соответствующие им полезные напоры в обогреваемых и пароотводящих S°™ тру­бах. Суммарный полезный напор контура SK0"T=

3kp і (-«этв

Пол-г,->по затрачивается на преодоление гид­равлического сопротивления опускных трубД/?оп. Координаты точки А пересечения кривых дают действительный расход воды в контуре GA0 и полезный напор SK0HT. Действительные полез-

Пол

Ньге напоры экранных и пароотводящих труб выражаются ординатами точек на соответст­вующих кривых при Ga0. Суммарное сечение пароотводящих труб меньше сечения экран­ных, поэтому при больших расходах (G>GK) их сопротивление может оказаться больше того полезного'напора, который в них выра­батывается. В итоге S^ частично затрачи­вается на преодоление гидравлического сопро­тивления пароотводящих труб.

Сложный контур циркуляции. Для слож­ного контура циркуляции с общей опускной системой (рис. 12.4, в) в рекомендованной по­следовательности строят кривые полезных на­поров S, = (S3Kp4-S0T, S Іг — С5экр_1_

1 пол 1 * пол 1 под/ і пол II ■ гюл

+ Оп и 5полШ = (5поКл + Ош для каждого подъемного звена сложного контура (рис. 12.6). Поскольку все звенья сложного контура ра-

Ботают параллельно в общем перепаде давле­ния, их циркуляционные характеристики сум­мируют сложением расходов воды при одина­ковых значениях полезных напоров (по абсциссам) и находят суммарную характери­стику DB. Строят также кривую ОС сопротив­ления опускного (водоподводящего) участка контура, общего для всех подъемных звеньев. Пересечение кривых DB и ОС определяет ра­бочую точку А диаграммы циркуляции, по ко­торой находят суммарный расход воды в сложном контуре EG и полезный напор 5П0Л.

Расход воды в звеньях находят по точкам пересечения горизонтали, проведенной через рабочую точку диаграммы, с кривыми полез­ного напора циркуляции для каждого звена контура. По расходу воды и количеству полу­ченного пара в каждом звене (панели) нахо­дят действительные значения соответственно Wo и К, а также подсчитывают W0п и общую кратность циркуляции сложного контура.

В настоящее время расчеты циркуляции выполняют на ЭВМ. Это позволяет без боль­шой затраты времени производить вариантные расчеты циркуляции для различных конструк­тивных и режимных параметров котла.

На АЭС с ВВЭР применяются вертикаль­ные и горизонтальные парогенераторы (см. § 24.2). В обоих типах парогенераторов паро­образующей поверхностью нагрева являются трубные пучки, погруженные в большой объем кипящей воды. Механизм и гидродинамика та­ких систем отличаются от гидродинамики цир­куляционных систем паровых котлов ТЭС (в которых кипящая вода движется внутри труб) и недостаточно изучены. Для них отсут­ствуют надежные данные для расчета движу­щих и полезных напоров циркуляции, нет достоверных моделей механизма циркуляции воды через трубные пучки, не выражены чет­ко звенья опускного и подъемного движения воды.

Между тем циркуляция воды в межтруб­ном пространстве получила широкое примене­ние как в горизонтальных, так и в вертикаль­ных парогенераторах АЭС отечественных кон­струкций и за рубежом. В вертикальных паро­генераторах трубный пучок огражден обечай­кой и потому с некоторыми допущениями можно выделить конструктивно оформленные опускной и подъемный звенья циркуляционно­го контура. Составление расчетной схемы контура циркуляции проще, и для нее еще можно применить описанную выше Норматив­ную методику расчета циркуляции паровых котлов.

В горизонтальных парогенераторах отсут­ствуют конструктивно оформленные элементы циркуляционного контура. Циркуляция орга­низуется в объеме с погруженным трубным
пучком. Поэтому необходим предварительный анализ характера циркуляции среды через свободно погруженные пакеты конкретной кон­струкции с целью определения конфигурации расчетного контура.