КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Показатели надежности работы контура циркуляции

Скорость циркуляции шо в контурах барабанных котлов высокого дав­ления не превышает 1 - f 1,5 м/с. При плотности среды р' — 590 кг/м3 (р = 16 МПа) это составит массовую скорость в трубах pwo не выше 1000 кг/(м2-с). Из гидравлических характеристик [/-образных панелей вид­но (гл. 10), что при малой скорости среды есть опасность перехода в об­ласть неоднозначности. Поэтому после расчета контура циркуляции прово­дится проверка надежности работы контура по следующим направлениям: температурный режим обогреваемых труб; работа опускных труб; рабо­та подъемных труб; надежность циркуляции при нестационарных режи­мах котла.

Температурный режим обогреваемых труб в котлах на давление менее 11 МПа и невысоких тепловых потоках (qn < 400 кВт/м2) может считать­ся обеспеченным при кратности циркуляции более 4. В котлах высокого давления (более 11 МПа) необходимо проверять экранные трубы на кризис теплообмена и образования в них режимов ухудшенной теплоотдачи (гл. 9).

Надежность гидродинамики опускных труб в стационарном режиме обеспечена, если нет вскипания воды на входе в них, отсутствует воронко - образование в барабане и нет сноса паровых пузырей в трубы (§ 11.3).

Надежность гидродинамики подъемных труб определяется по исклю­чению свободного уровня для труб, выведенных в паровое пространство, застоя и опрокидывания циркуляции для труб, выведенных в водяной объем барабана или в верхний коллектор.

Определение неоднозначной области, возможность возникновения за­стоя или опрокидывания циркуляции по гидравлическим и разверочным ха­рактеристикам рассматривалось в гл. 10. Необходимо его повторить. В этом параграфе для анализа надежности подъемных труб используем диаграммы циркуляции (в литературе диаграммы циркуляции называют еще гидравли­ческими характеристиками, что не совсем корректно).

Построим диаграмму циркуляции простого варианта сложного контура (рис. 11.10, а), состоящего из опускных труб и трех рядов подъемных труб, введенных непосредственно в барабан выше уровня воды. Ряды труб имеют разную интенсивность обогрева: ряд б — средний тепловой поток (q^ = = (/Ср), ряд а — сильнообогреваемый (ga > дср), ряд в — слабообогреваемый (<?В < (/ср)- Аналогичное решение будет для труб одного контура циркуляции при различном тепловом напряжении по ширине контура. Для каждого ряда строим зависимость Snол = f(Glx) на рис. 11.10,6. При одном и том же расходе Gu полезный напор у слабообогреваемого ряда меньше других, т. е. ^пол < SL < ^пол - Поскольку три ряда включены параллельно, сумма их полезных напоров S™)? определяется по условию: GЈ0HT = G* - f Gft - f G®; Др*п = const, 5пол = const. Пересечение кривых = f(Gn) и Др*п = — f{Gц) дает рабочую точку А, по которой определяются величины: GJ, действительные значения G®, Gjj, G® при действительном значении = = АРоп-

Количество пара, образовавшегося в трубах, определяется по формуле (считаем А/^нед = 0)

Бп - qHJr.

При одинаковой поверхности нагрева G® < G^ < G^. Возьмем слабо - обогреваемую трубу и сравним G® и GJJ. Возможны три случая:

1) G® < С®, кратность циркуляции if® = G®/G® > 1; работа этого ряда возможна, надо проверить температурный режим;

2) G® > G®, ifц < 1 — режим невозможен;

3) G® = Сц, і^ц = 1; этот режим возможен; особенность его в том, что поступающее количество воды по мере подъема испаряется и на ка­ком-то уровне жидкая фаза кончается, выше — паровая фаза. Этот уровень называется свободным уровнем. Свободный уровень в трубе, выведенной в паровое пространство барабана, появляется при прекращении движения воды вследствие невозможности поднять ее до высшей отметки трубы.

Примем, что свободный уровень в трубах ряда «в» образовался на высоте, расположенной ниже уровня в барабане на Нсв у (рис. 11.10, а).

Максимальная высота свободного уровня Н™™0 будет при ^под == 0 (при отсутствии обогрева или малом обогреве). Учитывая, что S*on = Ар*п, формулу для запишем в виде

TOC o "1-3" h z Св д^* Ов

Ггмакс _ ^пол _ _ дв /1 і

С0У (Р'-Р")9 (Р'-Р")9 {p'-p")g { }

Высота свободного уровня зависит от давления (р р"), интенсивности обогрева (^под) и сопротивления опускных труб (Ар*п). Она увеличивает­ся при росте давления и сопротивления опускных труб, при уменьшении тепловой нагрузки.

При образовании в обогреваемой трубе свободного уровня в зоне обо­грева происходит резкое ухудшение температурного режима, так как тепло­отдача к паровой фазе значительно менее интенсивна, чем к воде или паро­водяной смеси. Кроме того, непрерывное колебание уровня и температуры стенки вызывает усталостные напряжения в металле. Если свободный уро­вень находится выше обогреваемой зоны, то его образование менее опасно, но нежелательно, так как при малой скорости движения смеси интенсив­ность охлаждения трубы может оказаться недостаточной.

По графику 5®ол = /(Gu) определяем полезный напор при кото­ром возможен режим свободного уровня. Для этого по условию Сц = G® проведем вертикальную линию до пересечения с кривой 5®ол и полу­чим 5полУ. Для надежной работы слабообогреваемой трубы должен быть запас по свободному уровню:

5полУ/5оТ>1,1-1,2. (11.36)

Режимы опрокидывания и застоя циркуляции сопровождаются обрат­ным, опускным движением среды в трубах экрана. Поэтому для их анализа необходимо строить полные диаграммы циркуляции, охватывающие подъ­емное и опускное движение среды.

Возьмем контур, аналогичный рассмотренному, но подъемные трубы введем в водяной объем барабана (рис. 11.11, а). Движущий напор равен величине

5лв = ^под(р' - р")9(Нк - ят.,). (11.37)

При Gxx — 0 труба заполнена паром, Tpnojy = 1, Ят>3 — 0, движущий напор

5дв = (р' - р")дНк.

При Gn > 0 высота точки закипания iJT3. растет, парообразование в трубе уменьшается и Tpn0R также уменьшается. Это приводит к снижению движу­щего напора 5ДВ (рис. 11.11,6). При опускном движении (Gl{ < 0) 5ДВ при увеличении расхода снижается, но темп снижения меньше, т. к. при одном и

Том же массовом паросодержании истинное паросодержание при опускном движении (/?оп больше, чем при подъемном с^пол (^оп > ^под* СМ. ГЛ. 8). Полезный напор в трубе

(11.38)

График Дрпод показан на рис. 11.11,6. При подъемном движении Ар*т положительно, при опускном — отрицательно. Вычитание по (11.38) дает сложный график зависимости 5П0л от расхода циркулирующей среды. Видно

(рис. 11.11,6), что эта зависимость име­ет зону неоднозначности, лежащую в диапазоне от S*on до S*on, от G™ до G™R. При Gn > С? ц0Д — устойчивое подъемное движение, при С? ц < С? ц0Л — устойчивое опускное движение. I

Из формулы (11.31) видно, что дви­жущий напор 5ДВ и, соответственно, по­лезный напор 5пол сильно зависят от давления — с ростом давления они сни­жаются (рис. 11.12). При давлении око­локритическом и сверхкритическом эти напоры малы и не обеспечивают доста­точной скорости движения среды. По­этому барабанные котлы делаются с дав­лением до 18-19 МПа (< 0,85 • ркр).

Ар S

Полные диаграммы циркуляции для высокого и низкого давления по своему виду несколько отличаются (рис. 11.13 и 11.14).

Рассмотрим полную диаграмму циркуляции слабообогреваемой трубы Slln — f(Gix) при низком давлении (рис. 11.13). Левая часть графика Sllл (при Gц < 0) лежит существенно выше правой части. На этом же рисунке показаны графики для S™"T и Ар*п. По точке их пересечения А находим действительные G*, расход среды в трубе СцР. По тепловой нагрузке и площади нагрева определим количество образовавшегося в слабообогре­ваемой трубе пара Gj, p. При Gj, p < СцР — нормальный режим циркуляции; при Gj, p = G'iP поступающая в трубу вода испаряется, пар барботирует че­рез слой жидкости и уходит в барабан, верхняя часть трубы, соединенной с водяным объемом барабана, заполнена водой. Скорость подъема пара мала. Возможен и третий случай, когда GJJ3 < GnP. При этом происходит подпитка трубы водой из барабана в количестве Gnofln — Gnp — Gup. Из-за встречного движения воды скорость пара еще снижается. Застоем циркуляции называ­ется медленное перемещение в обогреваемой трубе воды вверх или вниз, а пара — вверх, при котором возможен застой отдельных паровых пузырей в гибах, сварных стыках, отводах и т. п. Такой режим неустойчив, вызывает пульсацию в трубе и контуре, охлаждение трубы ухудшается.

По графику S'nojі — /(Gu) при Gj3 = G„ определяется полезный напор застоя Проверка на застой определяется по формуле

Сзаст / qkoht і і • і о пол / пол 1 ~ х> z>

Где определяется для всего контура.

Нижняя граница зоны многозначности соответствует полезному напо­ру в точке минимума В (рис. 11.13). При этом напоре возможен переход с положительной ветви кривой на отрицательную, т. е. произойдет опрокиды­вание циркуляции. Напор в точке В поэтому называется полезным напором
опрокидывания 5п"л • Вода, двигающаяся сверху вниз, препятствует подъему пара, он скапливается в трубе, происходит ее запаривание, что может при­вести к аварийному пережогу трубы. Такой режим недопустим. Проверка на опрокидывание проводится по формуле

SZ/SnT>M-l,2. (11.40)

Из рис. 11.13 видно, что при низком давлении запас на опрокидыва­ние циркуляции больше, чем на застой, поэтому при нарушении режима в контуре в слабообогреваемой трубе может быть застой циркуляции. При высоком давлении (рис. 11.14) левая часть графика Siол = /(Gu) лежит ниже, чем при малом давлении. Полезный напор опрокидывания может оказаться меньше, чем тогда при нарушении режима работы контура в слабообогреваемой трубе произойдет опрокидывание циркуляции.

Аналогичную проверку надежности работы контура циркуляции мож­но проводить и по полным гидравлическим характеристикам труб и контура в целом (рис. 11.15).

Надежность циркулягщи при нестационарных режимах котла оп­ределяется скоростью изменения давления в котле. Изменение давления в контуре может быть вызвано резким изменением нагрузки, расхода топлива, давления, уровня в барабане.

Максимальная скорость изменения давления в котле возможна при мгновенном прекращении отбора пара турбинами при неизменном расхо­де топлива или при прекращении подачи топлива при неизменном расходе пара. В первую минуту времени она составляет (для котлов с давлением 10-20 МПа) 0,03 - г 0,05 МПа/с, через пять минут скорость падает в 2 раза, а через 10 минут — в 4 раза.

При падении давления в опускных трубах возможно вскипание воды за счет теплоты, аккумулированной металлом труб, их изоляцией и водой. Кипение воды не допускается при скорости потока менее 0,8 м/с. Если скорость потока более 0,8 м/с, то кипение воды допускается в пределах, не приводящих к застою и опрокидыванию циркуляции в подъемных тру­бах. Дело в том, что при вскипании воды в опускных трубах сопротивле­ние их Дроп Растет> увеличивается действительное значение а запас на застой и опрокидывание в слабообогреваемой трубе уменьшается (при постоянных и jSnoii) (см. рис. 11.16). Нормами гидравлического рас­чета ограничивается допустимая скорость падения давления, при которой не нарушается работа контура циркуляции. Для р — 15 МПа она порядка 0,025 МПа/с при гооп = 1 м/с и 0,04 МПа/с при won — 2 м/с. Эти значе­ния такого же порядка, что и максимально достижимые при предельных аварийных случаях. При нормальной эксплуатации они не достигаются.

Допустимая скорость подъема давления определяется для наименее обогреваемой трубы контура с минимальным запасом надежности по застою или опрокидыванию циркуляции. В этой трубе при повышении давления (h' увеличивается) существенно снижается парообразование и, следовательно, уменьшаются БЦ и в том числе снижаются SnS? (рис. 11.16).

При постоянном значении б^ол1 это пРиводит к снижению запасов на опро­кидывание и застой циркуляции. Проверку допустимой скорости подъема давления проводят для всех котлов с давлением менее 14 МПа, а при более высоком давлении — при неравномерности тепловосприятия rjT < 0, 5.