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)

"Ф

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)

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.

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

З ГГ

-у

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.

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

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)