КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Классификация поверхностей нагрева и их характеристики

Поверхности нагрева парового котла по виду теплоотдачи к ним от дымовых газов разделяются на три группы (рис. 10.1): радиационные, по­лурадиационные, конвективные.

Радиационные поверхности нагрева расположены на стенках, поде и потолке топочной камеры, горизонтального газохода и конвективной шахты.

Полурадиационные поверхности (ширмы) располагаются в топке (в верхней ее части) и в горизонтальном газоходе (в особых случаях — в опуск­ной шахте). Ширмы являются ступенью пароперегревателя. Они могут быть вертикальными или горизонтальными (рис. 10.1)).

Конвективные поверхности находятся в горизонтальном газоходе и в конвективной шахте и делаются с горизонтальным и вертикальным распо­ложением труб (рис. 10.1)).

Конструктивное выполнение поверхностей нагрева, их крепление, об­муровка и другие аналогичные вопросы рассматриваются в других главах. В данной главе нас интересуют характеристики и параметры работы, вли­яющие на их надежность с точки зрения температурного режима, условий охлаждения труб, устойчивости гидравлического режима.

В гл. 9 отмечено, что испарительные поверхности барабанных котлов выполняются в топке в виде вертикальных панелей с подъемным движени­ем, а у прямоточных котлов докритического давления, кроме того, можно делать горизонтальные или слабонаклонные панели, но в них приходится идти на большие массовые скорости для предотвращения расслоения паро­водяной смеси. Панели с опускным движением потока при ДКД не делают­ся. При сверхкритическом давлении высокий коэффициент теплоотдачи (2 можно обеспечить при любом движении среды, поэтому в паровых котлах

Поверхность нагрева

Полурадиационные (ширмовые)

П:

И)

^ 1 А

К) л)

Д)

Рис. 10.1. Основные схемы гидравлических контуров поверхностей нагрева с при­нудительным движением рабочего тела: а — горизонтальная навивка экранов; 6 — вертикальные панели; в — П - и U-образные панели; г — N-образная панель; д — многоходовая панель с вертикальными трубами; е — многоходовая панель с гори­зонтальными трубами; ж — L-образная ширма; з — двойная L-образная ширма; и — горизонтальная ширма; к — U-образная ширма; л — многоходовая вертикальная ширма; л/ — вертикальный конвективный пакет; я — горизонтальный конвективный пакет.

СКД можно встретить любую из представленных на рис. 10.1 схем радиаци­онных поверхностей нагрева. Но, учитывая, что для горизонтальных труб и участков поверхности для обеспечения необходимого Стребуется более высокая скорость, панели с такими элементами не рекомендуется распола­гать в области высоких тепловых потоков, особенно при сжигании мазута. Кроме того, U-, П-, iV-образные панели (см. рис. 10.1)), как будет показано в данной главе, имеют меньшую гидравлическую устойчивость.

Важной характеристикой конструкции любой поверхности нагрева (элемента котла) является общая поверхность нагрева ее Нш, а также по-

" Котельные установки

Верхность нагрева каждой из труб Нт. Если в элементе параллельно вклю­чено п труб, то средняя поверхность нагрева одной трубы будет равна

Нср = Нэп/п. (10.1)

В действительности, трубы элемента имеют различную длину LT и, соответственно, разную поверхность нагрева Нт. Отношение обогреваемой поверхности отдельной трубы #т к средней обогреваемой поверхности труб элемента Нср называется коэффициентом конструктивной нетождествен­ности TjK

RjK = НТ/НС р. (10.2)

Поверхность нагрева можно выразить через обогреваемую длину дан­ной трубы LT и средней по конструктивному элементу Lcp: радиационная поверхность

Нт = Ьтс£г(!)т ' Яср = Lcpdcp(f )ср ' Хср' (10,3)

Где хт, хср — угловой коэффициент труб; S — шаг труб; конвективная по­верхность

Ят = Ljirdj; Яср = Lcp7rdcp; (10.4),

Полурадиационная поверхность

Ят - LT • 2dr(|)T • хт; Яср = Lcp • 2<icp(|)cp • *ср. (Ю.5)

При dT = dcp; ^^ = ( d) ' Хт = х°р К0ЭФФиЧиент Vk будет равен

Щ = LT/Lcp. (10.6)

Наименьшую величину коэффициент г/к имеет у одноходовых верти­кальных панелей, горизонтальной навивки, многоходовых панелей (с гори­зонтальными или вертикальными трубами), в конвективных змеевиковых поверхностях, где длина труб большая и отличие LT и Lcp мало проявля­ется (?7к = 0,95 - т - 1,05). В U-, П-, L-образных панелях, горизонтальных ширмах конструктивная нетождественность значительна (г/к = 0, 8 - т - 1.2 и больше). Следует иметь в виду, что при обводке труб вокруг горелок, лазов, лючков, взрывных клапанов и т. д. их длина увеличивается. В этом случае коэффициент г)к рассчитывается для конкретных условий.

Неравномерности тепловосприятия панелей зависят от места их распо­ложения. Например, горизонтальная навивка Рамзина (рис. 10.1,а) проходит

По всем четырем стенам топки и, следовательно, интегрирует неравномер­ности по ширине стен и между стенами. Вертикальная панель, располо­женная по всей высоте топки, наоборот, сглаживает неравномерность теп­ловосприятия по высоте. Таким образом, чем больше поверхность нагрева, тем ближе к единице коэффициенты т]ст, г]ш и 77в, по которым определяют среднее удельное тепловосприятие элемента <7эл- Но при этом увеличивает­ся разность в удельных тепловосприятиях отдельных труб в элементе qT и коэффициент неравномерности тепловосприятия г]Т = q1 /qln.

По водному теплоносителю поверхности нагрева представляют собой параллельно включенные каналы, имеющие общие входные (раздающие) и выходные (собирающие) коллектора. Гидравлический режим системы па­раллельных труб и каждой отдельной трубы в ней существенно отличается °т гидравлического режима одиночной трубы. На рис. 10.2 изображена схе­ма обогреваемого элемента из п труб. На вход подается рабочая среда с эн - 'альиией /?вх, давлением р. Расход среды через элемент (панель) Gт. Сред-
няя длина (высота) обогреваемой части Lcp; q3n — qcp — средняя плотность теплового потока. Суммарная поверхность нагрева (обогреваемая) — Яэл.

Среднее приращение энтальпии среды в элементе Д/ізл определится из формулы

Д/Ъл = (Ю.7)

В расчете на одну условную, усредненную трубу

#ср — Яэл/п; Сср = Сэл/п; q3л — qcp-

Приращение энтальпии среды в этой средней трубе Д/гср будет равно

Д/1ср = «silk = АНэл. (10.8)

С^ср

Энтальпия среды на выходе (после собирающего коллектора) из эле­мента /гВых может быть определена по Д/гэл или по Д/гср:

^ВЫХ = ^ВХ Д^ЭЛ = ^ВХ Ahcp.

Поэтому при анализе элемента котла (поверхности нагрева) пользу­ются понятием средней трубы, к которой относятся все средние данные элементы, хотя, фактически, такой трубы в элементе может и не быть.

В действительности, параметры работы каждой трубы в элементе от­личаются от средних. Будем считать, что вторая труба слева (рис. 10.2) находится в наиболее опасных температурных условиях — разверенная тру­ба (§ 9.2). Поверхность нагрева ее Ят = г/кЯср, тепловой поток qT = r}Tq->n, энтальпия на входе /гвх. Давление на входе в разверенную трубу будет меньше давления среды на входе в раздающий коллектор р на сопротивле­ние движению среды в ЭТОМ коллекторе ДРвХ к:

І - Дй, к. (10.9)

Величина ДРвХ>к зависит от места подсоединения трубы к коллектору, т. е. для каждой трубы имеет свое значение, и, следовательно, давление на входе в трубы будет различаться. Аналогично, на выходе из труб в соби­рающий коллектор давление также различно и зависит от сопротивления в ЭТОМ коллекторе Дрвх. к - Для разверенной трубы

РГ = Р2 f дР;,

Перепад давления в разверенной трубе Ар1

Apr - Р? - рГ = (pi - АРвх к) - (Р2 + АртВЬ1ХЖ) =

= (Pi - Р2) - (Артвх к + АрзЬ]Х К) (10.11)

Давления pi и р2 и их разность pi — р2 = Ара относятся ко всему эле­менту и для всех труб остаются постоянными и одинаковыми величинами, а сопротивления во входном и выходном коллекторах зависят от располо­жения труб. Поэтому перепады давления в трубах Арт будут различаться. Для средней трубы элемента запишем выражение, аналогичное (10.11):

Арэл = (pi ~ Р2) ~ (ДЙ, + АрЭвЛых. к).

Формула (10.12) используется для расчета сопротивления поверхности нагрева Ара по сопротивлению средней трубы Арэл и среднему сопротив­лению в коллекторах:

А Ра = Pi - Р2 = а Рэл + (Арэвлх. к + Ар? ЬІХЖ). (10.13)

Итак, мы установили, что в параллельных трубах элемента перепад давления будет различным. Очевидно, это приведет к перераспределению рабочей среды между трубами и в каждой трубе установится свой расход среды Gi. Введем обозначения: расход среды в разверенной трубе GT, а в средней — Gcp. Отношение расхода среды в отдельной трубе к среднему расходу в элементе называется коэффициентом гидравлическойразверки рГ:

Pr = GT/Gср - GT/((3Vn),

А само это явление — гидравлической разверкой.

Для расчета рг надо знать зависимости АрТ = f(GT) и Ар-)Л = f(Gcp). Зависимость между расходом рабочей среды G и перепадом давления Ар, возникающим при ее движении, называется гидравлической характеристи­кой трубы и выражается в виде Ар = f{G). Следовательно, анализ гид­равлической разверки и ее расчет можно проводить по гидравлическим характеристикам разверенной и средней трубы.

Определим приращение энтальпии среды в разверенной трубе и эн­тальпию на выходе из нее:

(10.1.5)

(10.16)

Отношение приращения энтальпии в отдельной трубе Д/гт к средне­му приращению ее в элементе Д/гЭл называется коэффициентом тепловой разверки ря:

Pq = AhT/Ahin. (10.17)

Преобразуем формулу (10.17), выразив AhT и Ah3n через (10.15) и (10.7):

_ qTHT д1пНзп _ qT НТ G3Jl _ Г]ТГ]К

(10Л8)

Полученная зависимость показывает связь между коэффициентами тепловой и гидравлической разверок с учетом неравномерности тепловос - приятия и конструктивной нетождественности.

Общий подход к анализу надежности работы поверхностей нагрева (рис. 10.1) заключается в следующем: определяют трубы элемента, на кото­рые приходятся максимальные значения % и г]т и минимальные значения рг, для этих труб рассчитывают pq, для трубы с наибольшей тепловой развер - кой проводят проверку надежности температурного режима; если макси­мальные значения г]к и г]т и минимальное значение рг приходятся на одни и те же трубы или распределение неравномерностей неизвестно, надеж­ность определяется по тепловой разверке, рассчитанной по наихудшему их сочетанию.

При понижении нагрузки котла, нарушении гидравлического режима и в аварийных ситуациях необходимо обращать внимание не только на сильнообогреваемые трубы, но и на слабообогреваемые.