Расчет котлов и котельных установок

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

В барабанных котлах отвод теплоты от экранов топки осуществляется путем организации циркуляции воды в замкну­той гидравлической системе (контуре), состоящей из обогревае­мых труб, объединенных вверху барабаном, а внизу коллектором (см. рис. 6). Непрерывное движение рабочей среды в контуре обеспечивается естественной циркуляцией, создаваемой движу­щим напором 5ДВ. Последний возникает в циркуляционном кон­туре в результате обогрева подъемных труб. Вода, заполняющая нижнюю часть контура (коллектор), с одной стороны, находится под напором Hqp' столба воды высотой Я в необогреваемой трубе, а с другой, — под давлением Hpnq столба пароводяной смеси, заполняющей обогреваемые трубы (при условии закипания воды в обогреваемой трубе).

Испарение воды и создание разности давлений (движущий напор) вызывают, движение среды в контуре. Движущий напор

5ДВ = Я (р' — рs)q. (136)

При установившемся течении движущий напор уравновеши вается суммой гидравлических сопротивлений, возникающих при движении рабочего тела в элементах гидравлического контура. Обычно общее сопротивление контура представляют в виде суммы сопротивлений Ар0 опускных и Ара подъемных труб контура. С учетом этого

TOC o "1-3" h z 5дв = Ар0 + Арп. (137)

Разность движущего напора и сопротивления подъемных труб называют полезным напором циркуляции

Sn = S„B - Арп. (138)

Из сопоставления уравнений (137) и (138) следует, что

Sn = А р0. (139)

Таким образом, полезный напор затрачивается на преодоление сопротивления в опускных трубах контура. Соотношение (139) называют основным уравнением циркуляции. Движение рабочей среды в циркуляционном контуре многократное, поскольку в про­цессе одного цикла прохождения по обогреваемым трубам вода испарятся частично и в барабан поступает пароводяная смесь. Процесс этот происходит непрерывно. Поскольку в барабан подается вода, а отводится пар в таком же количестве, то расход циркулирующей в контуре воды остается постоянным. Отношение массового расхода GB циркулирующей воды, кг/с, к расходу Gn образующегося в контуре пара называют кратностью циркуляции.

Кратность циркуляции зависит от конструкции контура, давления, тепловой нагрузки обогреваемых труб и некоторых других факторов. В экранах котлов кратность циркуляции может изменяться в широких пределах от 4 до 30.

Выражение (136) получено в предположении, что подъемные трубы циркуляционного контура по всей высоте заполнены паро­водяной смесью. В действительности развитое кипение воды на­чинается выше входа воды в обогреваемые трубы. В соответствии с этим подъемные трубы по высоте условно делят на два участка: экономайзерный На и парообразующий #п. Высота парообра-, зующего участка

#п = Н — #э.

Ее подставляют в уравнение (136) для определения движущего напора циркуляции. Высоту экономайзер ного участка Нэ нахо­дят исходя из баланса теплоты: количества теплоты, которую необходимо передать в единицу времени воде для подогрева ее до кипения на экономайзерном участке, и количества теплоты, полученной за то же время трубами этого участка из топки.

Контуры естественной циркуляции делят на простые и слож­ные. В простом контуре все звенья (барабан, опускные трубы, коллектор, подъемные трубы) включены последовательно, причем все подъемные трубы имеют одинаковые размеры (диаметр, длину),

Конфигурацию и условия обогрева. Слож­ный контур отличается различием гео­метрических характеристик и обогревов ' подъемных труб. Общими элементами такого контура являются опускные трубы.

Циркуляционный контур работает на­дежно, если обеспечено достаточное ох­лаждение всех обогреваемых труб, что полностью определяется условиями дви - Vfl жения пароводяной смеси. Поэтому при

Рис 139. Зависимости Sn Расчете Циркуляционного контура необ - и Др0П от ш0 В контуре ее - ходимо определить характеристики дви - тественной циркуляции жения рабочего тела как в подъемных,

Так и в опускных трубах. Для проведе­ния расчета необходимо знать все конструктивные размеры кон­тура, количество теплоты, передаваемой обогреваемой трубе, эн­тальпии воды на выходе из экономайзера и др. Эти величины определяются тепловым расчетом котла, который предшествует расчету циркуляции.

Расчет естественной циркуляции при установившихся режи­мах базируется на использовании двух положений: равенстве массовых расходов воды и пароводяной смеси в опускной и подъ­емной части контура, а также сопротивлений в опускной части контура полезному напору:

£ ^пРсм/п = 2 WoP'/o.

Sn = АРо.

Где wn и w0 —средняя скорость соответственно в подъемных и опускных трубах, м/с; /п и /0 — площадь для прохода рабочего тела подъемных и опускных труб, м2.

Решение этих уравнений может быть найдено с помощью ЭВМ, графоаналитического способа построением диаграммы цир­куляции. Последний основан на том, что обе части основного урав-' нения циркуляции являются функцией скорости циркуляции Щ/Sn ~ f (м>о) и ДРо — / (®о)- С увеличением w0 полезный напор в контуре циркуляции уменьшается. Сопротивление опускных труб растет пропорционально wl. Точка пересечения кривых 5п = / (ш0) и &Ро = f (wo) (рис. 139) дает искомые значения w0; S„ и Др0.

Для построения зависимостей Sa — f (о>0) и Др0 = f (w0) задают несколько значений скорости ш0 циркуляции (обычно w0 — 0,5; 1,0; 1,5 м/с). Затем последовательно рассчитывают ги­дравлическое сопротивление опускных труб, высоту экономай - зерного участка, движущий напор циркуляции, сопротивление подъемных труб, полезный напор циркуляции. По найденной величине w0 определяют расход циркулирующей воды через кон­тур, полезный напор, кратность К циркуляции. 234

Целью расчетов является оценка надежности работы парооб­разующих труб, входящих в контур естественной циркуляции. Как правило, снижение надежности работы контура связано с на­рушением нормального охлаждения парообразующих труб. Опас­ные явления в контуре — застой или опрокидывание циркуля­ции, образование свободного уровня.

Застой циркуляции возникает в контуре с парообразующими трубами, включенными в водяной объем барабана, т. е. ниже уровня в нем воды. Сущность его заключается в барботаже пара, поднимающегося вверх через столб воды, движущейся вверх или вниз в обогреваемых трубах с малой скоростью. Если полезный напор недостаточен для преодоления сопротивления опускных труб и подъема среды до внешней отметки подъемных труб, то в подводящей трубе образуется свободный уровень. Процесс перехода от подъемного движения в трубе к опускному происходит с изменением скорости (через нулевую скорость) и носит название опрокидывания.

Рассмотренные явления приводят к нарушению устойчивого отвода теплоты от внутренней стенки парообразующих труб. В результате создаются условия их перегрева. Возникновение застоя или образование свободого уровня обычно связано с тепло­вой и гидравлической неравномерностью работы параллельно включенных труб. Эти режимы имеют место в слабообогреваемых трубах, работающих параллельно с сильнообогреваемыми. Для их исключения следует ограничивать сопротивление опускных труб. Полезный напор подъемных труб не должен превышать следующих перепадов давлений в подъемных трубах: Sn. 3 при застое; 5П. 0 при опрокидывании. Их значения определяют в со­ответствии с рекомендациями.

Надежность циркуляции проверяют для труб контура с наи­меньшим обогревом по критериям надежности. Обычно вводится 10 %-ный запас. Для исключения застоя циркуляции должно вы­полняться неравенство,

Для исключения опрокидывания циркуляции

'-'п. о

/5П> 1,1;

Для исключения образования свободного уровня

(S„.a-UAp,.y)/S„>l, lv

Где Арв. у —потери напора на подъем смеси выше уровня воды в барабане.

Одной из задач гидравлического расчета прямоточного котла является определение общего сопротивления его пароводяного тракта, . состоящего из параллельно включенных прямоточных контуров, в которых движется пароводяная смесь и перегретый пар.

8* 236

Расчет потерь проводится последовательно от выходной части к входной с использованием зависимости

Арк = Е Арэл + Ц Дра + Др0х + Арр.

Где 21 ДРэл — сумма перепадов давлений во всех элементах пароводяного тракта; 2 ДРа — сумма перепадов давлений в арма­туре котла; Дрох — потери давления в пароохладителе котла; Дрр — перепад давлений в регулирующем питательном клапане котла.

Расчет выполняется для всех разнотипных контуров и тех однотипных, которые находятся в наихудших условиях по обо­греву и конструктивным особенностям.

Потери давления в элементах определяют как сумму перепадов давлений на отдельных участках (ходах)

АРэл = Е Ару.

Перепад давлений Дру, Па, на участке (ходе)

Ар, = Дрш + Артр + Дрм ± Арн + Ар,, где Дрш — потери давления в дроссельных шайбах, Па.

Величины Артр, Дрм, Дрн и Ар, рассчитывают. При этом Дртр и Дрм экономайзерного испарительного и перегревательного участков для котлов докритического давления определяют от­дельно. Расчет выполняют для номинальной и наименьшей га­рантированной заводом-изготовителем нагрузок, а также для нагрузок при растопочных режимах.

Оценка надежности работы прямоточного котла проводится на основании его гидравлической характеристики Ар = f (рш) — суммарной характеристики составляющих его элементов. Строят ее по зависимостям перепадов давлений в элементах от расхода среды. При многозначной гидравлической характеристике рас­считываемого контура определяют необходимое сопротивление и диаметр устанавливаемых для избежания нарушения устой­чивости движения рабочей среды дроссельных шайб.