Паровые котлы ТЭС

Классификация обогрева и охлаждения поверхностей нагрева

Деления температуры металла поверхностей нагрева, работающих в сложных и напряжен­ных условиях.

Для оценки надежности парового котла В котлах, использующих органическое очень важно располагать данными для опре - топливо, условно можно выделить три области теплообмена. Первая область Теплообме­на охватывает поверхности, расположенные в топочной камере — топочные экраны, полу­чающие теплоту излучением. Важнейшим фактором теплообмена в этой области явля­ется характер распределения теплового пото­ка по высоте топочной камеры (см. рис. 20.2) и по периметру сечения экранных труб (см. § Ю.4).

Вторая область теплообмена охватывает полурадиационные поверхности, располагае­мые в зоне достаточно высоких газовых тем­ператур (1200—800°С), где еще существенно излучение газовых объемов. Это главным об­разом ширмовые поверхности нагрева и на­стенные экраны поворотной камеры.

Характерной особенностью третьей обла­сти является тепловосприятие поверхностей нагрева преимущественно конвекцией. В этой зоне с относительно невысокой температурой продуктов сгорания (800—900°С на входе в конвективную шахту и до 100—150°С на вы­ходе из нее) располагаются конвективные по­верхности нагрева: экономайзер, воздухоподо­греватель, отдельные пакеты пароперегрева­теля. Эти поверхности нагрева конструируют­ся с плотным шагом труб — малыми газовыми объемами между ними. В этих условиях доля лучистого межтрубного излучения продуктов сгорания мала.

В парогенерирующих установках АЭС раз­личают две области теплообмена. Первая об­ласть теплообмена охватывает поверхности, расположенные в активной зоне реактора. Источником теплоты в реакторе является энергия, выделяемая при делении ядер в виде теплоты в очень ограниченном объеме около места, где происходит деление. Это позволяет считать, что практически все тепловыделение активной зоны сосредоточено в объеме теп­ловыделяющих элементов (твэлов).

Максимум тепловыделения <7макс через по­верхность твэлов лежит на середине их высо­ты, нулевое значение (при отсутствии отра­жателей)— на торцевых границах. Отража­тели в значительной мере выравнивают интен­сивность тепловыделения.

Во второй области теплообмен протекает в условиях конвективного переноса теплоты при умеренной температуре теплоносителя (воды, жидкого металла или газа). Так, при обогреве водой первого контура и давлении 13—15 МПа ее температура не превышает 330—350°С, при обогреве жидким металлом или газом эта температура выше и достигает 700—800°С. В этих условиях еще не возника­ет непосредственной опасности пережога труб при некотором ухудшении теплообмена, хотя возможны режимы, приводящие к понижению

Надежности металла поверхностей нагрева и аварийным ситуациям.

Современное состояние техники позволяет выделять в топочной камере и в активной зо­не энергетического ядерного реактора огром­ное количество теплоты. Независимо от рода энергетической установки выделяемая тепло­та должна интенсивно отводиться через по­верхность нагрева. Это обеспечивается непре­рывным движением рабочей среды с опреде­ленной скоростью.

Движение пароводяной смеси, а следова­тельно, и охлаждение парообразующих труб паровых котлов и парогенераторов различных систем организуется по-разному (рис. 10.1). В агрегатах с естественной циркуляцией па­роводяная смесь перемещается в результате движущего напора естественной циркуляции, возникающего при обогреве труб. Массовая скорость на входе в парообразующие трубы с увеличением нагрузки сначала резко возрас­тает и после достижения максимального зна­чения почти стабилизируется или даже не­сколько уменьшается из-за того, что увеличи­вающееся парообразование при большом удельном объеме пара приводит к повышению сопротивления труб (кривая 1 на рис. 10.1).

В установках с многократной принуди­тельной циркуляцией движение воды и паро­водяной смеси в парообразующих трубах осу­ществляется насосом принудительной цирку­ляции, поэтому независимо от нагрузки мас­совая скорость рабочего тела почти постоянна (кривая 2).

В агрегатах прямоточного типа массовая скорость пропорциональна нагрузке (кривая 3). При малой нагрузке массовая скорость может оказаться недопустимо низкой, что мо­жет привести к повреждению труб из-за их перегрева. Приходится ограничивать сниже­ние нагрузки не ниже 30% номинальной па - ропроизводительности.

Кривая 4 соответствует характеристике агрегата, в котором движение рабочего тела организовано по принципу многокртной при­нудительной циркуляции при малой на­грузке и принципу прямоточности при большой нагрузке. В режиме многократной принудительной циркуляции массовая ско­рость выражается суммой ординат аб — мас­совой скорости, соответствущей рециркуляции через парообразующие поверхности, и бв— массовой скорости в экономайзере и паропе­регревателе по прямоточной схеме. С перехо­дом на прямоточный режим массовая ско­рость одинакова во всех поверхностях нагрева водопарового тракта — ордината а'в'. Та­ким образом, комбинированная система цир­куляции обеспечивает надежное охлаждение всех поверхностей нагрева независимо от на­грузки. В экономайзерах и пароперегревате­лях соответственно вода и пар движутся при­нудительно и однократно.

Тепловое состояние труб водопарового тракта парового котла и парогенератора уста­навливается в зависимости от соотношения количества подведенной теплоносителем теп­лоты к наружной поверхности и отведенной теплоты с рабочей средой от внутренней по­верхности. В результате одновременно проте­кающих процессов подвода и отвода теплоты в каждой точке поверхности нагрева устанав­ливается свое тепловое состояние, обусловли­вающее соответствующий уровень температу­ры. В совокупности температура поверхности нагрева в различных точках образует темпе­ратурное поле.

Различают температурное поле вдоль дви­жения рабочей среды, т. е. по длине труб, полагая их обогрев равномерным по всему периметру, и температурное поле в попереч­ном сечении этих труб, имея в виду неодина­ковый обогрев или неодинаковый отвод теп­лоты по периметру.

10.2. кризисы теплообмена в парообразующих трубах

Температурный режим парообразующей трубы при заданном обогреве определяется главным образом паросодержанием, массовой скоростью потока и давлением.

В парообразующих трубах могут возни­кать ухудшенные температурные режимы, со­провождающиеся значительным, иногда опас­ным для металла повышением температу­ры стенки. Различают ухудшенные темпера­турные режимы при пузырьковом и дисперс­но-кольцевом режимах течения.

При пузырьковом течении пароводяной смеси, характеризующемся умеренным паросо­держанием, когда на стенке находится боль­шое количество жидкости (рис. 10.2,а), ее температура сохраняется на достаточно низ­ком уровне (участок 1—2). Даже при интен­сивном обогреве она превышает температуру насыщения всего лишь на несколько десятков градусов.

Чі

Рис. 10.2. Общая картина температурного режима паро­образующей трубы при пузырьковом (а) и дисперсно - кольцевом (б) режимах течения пароводяной смеси.

По мере движения и обогрева на стенке образуется все большее количество пузырь­ков пара, которые затем, сливаясь друг с дру­гом, образуют сплошную паровую пленку, от­деляющую поток жидкости от обогреваемой стенки и резко ухудшающую теплоотдачу. Явление резкого ухудшения теплоотдачи при смене пузырькового режима кипения пленоч­ным называют кризисом кипения, а тепловую нагрузку, соответствующую этой смене режи­мов, — критической <7кр-

С наступлением кризиса кипения (точка 2) увеличивается слой перегретого пара у теплообменной стенки, резко падает коэф­фициент теплоотдачи и потому этот процесс сопровождается стремительным повышением температуры стенки. Обычно такой режим за­вершается разрывом парообразующей трубы (точка 3). Описанная температурная характе­ристика парообразующей трубы наблюдается при больших тепловых нагрузках и значи­тельной толщине парового слоя у перегретей стенки при пузырьковом режиме кипения.

Дисперсно-кольцевая форма характеризу­ется движением насыщенного пара, в кото­ром капельки жидкости распределены в по­токе пара, а вдоль стенки течет водяная плен­ка (рис. 10.2,6). В отсутствие обогрева тол­щина водяной пленки устанавливается соот­ношением расходов воды и пара, количеством влаги, орошающей стенку и выделяющейся из ядра потока, и количеством влаги, удаляе­мой со стенки вследствие срыва и механиче­ского уноса потоком пара. Для обогреваемой трубы на толщину водяной пленки сильное влияние оказывает, кроме того, интенсивность обогрева. Сплошная водяная пленка еще обеспечивает нормальный отвод теплоты от поверхности нагрева, благодаря чему темпе­ратура стенки поддерживается на допусти­мом уровне (линия Г-2'). С дальнейшим обогревом водяная пленка сначала утоня­ется вследствие выпаривания и срыва — на стенке остается микропленка. При определен­ной тепловой нагрузке микропленка разруша­ется, появляются отдельные островки и ру­чейки на стенке, число и размеры которых в процессе парообразования уменьшаются. На стенке образуется сплошной паровой слой, а в ядре потока движется слабо перегретый пар, содержащий капли воды, концентрация которых по мере движения уменьшается. В этих условиях капли жидкости могут уже не достигать стенки. Кроме того, капля, по­падая в более горячую зону, испаряется. Уси­ление испарения с более горячей стороны (у стенки) выталкивает каплю в поток. Те­перь теплота передается через сплошной па­ровой слой, резко уменьшается коэффициент теплоотдачи, а температура стенки соответст­венно резко увеличивается (точка 2' на рис. 10.2,6). Наступает кризис кипения. В от­личие от предыдущего кризиса, возникающего в результате перехода пузырькового кипения в пленочное при пузырьковом течении и уме­ренном паросодержании, этот кризис вызыва­ется сменой дисперсно-кольцевого течения дисперсным и полным высыханием пленки при высоком паросодержании потока. Кри­зис кипения с полным высыханием пленки может быть даже при малой тепловой нагруз­ке и сравнительно высоком коэффициенте теп­лоотдачи, так как в этом режиме течения поч­ти вся жидкая фаза превращается в пар. По­следний имеет большой удельный объем, и потому линейная скорость потока существен­но увеличивается. Кризис кипения, связанный с высыханием пленки, не приводит к столь значительному повышению температуры стен­ки (линия 2'-3'), как в предыдущем случае.

Кризис кипения в условиях одностороннего обогрева парообразующих труб. Изложенные выше механизм возникновения кризиса кипе­ния и закономерности его протекания отно­сятся к вертикальным трубам при подъемном движении в них рабочей среды и равномер­ном обогреве по всему периметру труб.

В современных мощных паровых котлах основные парообразующие поверхности пред­ставляют собой настенные топочные экраны, обогреваемые неравномерно по периметру. Характер распределения тепловой нагрузки по периметру трубы настенного топочного экрана показан на рис. 10.3. Наиболее интенсивный

Обогрев приходится на лобовую образующую, обращенную в топочную камеру, наименьший обогрев — на тыльную часть периметра, обра­щенную к обмуровке. Неравномерный обогрев вызывает поперечную циркуляцию, способст­вующую перетеканию рабочей среды из обла­сти слабообогреваемых участков периметра к интесивно обогреваемым участкам, возникает также растечка теплоты по периметру за счет теплопроводности металла. Оба обстоятельст­ва активизируют охлаждающее действие рабо­чей среды и потому тормозят возникновение кризиса кипения. Поэтому в неравномерно обогреваемых по периметру трубах кризис ки­пения возникает при значительно более вы­соких значениях qKp, чем в трубах, обогревае­мых по всему периметру равномерно. Это означает, что при проектировании поверхно­стей нагрева с односторонним обогревом мож­но предусматривать большие форсировки и принимать (см- Рис - Ю-З). Повы­

Шению допустимых нагрузок без наступления кризиса теплообмена способствует также ис­кусственная турбулизация потока с помощью винтовых вставок, спиральной нарезки на внутренней поверхности трубы и т. д.