Расчет котлов и котельных установок

Гидродинамика пароводяного тракта

Движение рабочего тела по элементам пароводяного тракта котла осуществляется по трубам небольшого диаметра. В котлах докритического давления в нагревательных поверхно­стях движется вода (однофазная среда), в испарительных поверх­ностях — пароводяная смесь (двухфазная среда), а в перегрева - тельных — перегретый пар (однофазная среда). В прямоточных котлах сверхкритического давления по трубкам тракта котла про­текает однофазная среда переменной плотности.

Поток пароводяной смеси в обогреваемой трубе может иметь различную структуру и связанный с ней режим течения. Условно у» б* 163

Выделяют следующие четыре1 режима течения: пузырьковый J снарядный, стержневой и эмульсионный (рис. 108). Пу­зырьковый режим характери­зуется наличием в потоке воды отдельных пузырьков пара не­больших размеров (рис. 108, а). Пузырьки образуются на стен­ке обогреваемой трубы в ме­стах, в которых локальная энтальпия среды больше эн­тальпии воды на линии насы­щения. Затем они сносятся к центру трубы. В центральной части трубы пузырьки пара могут объединиться и образо­вать большие соединения в виде «снаряда». В этом слу­чае пузырьковый режим течения переходит в снарядный (рис. 108, б). Слияние паровых «снарядов» в сплошной «стержень» влажного пара в средней части поперечного сечения трубы приводит к возникновению стержневого режима течения (рис. 108, в). При срыве пленки воды со стенки трубы устанавливается эмуль­сионный режим (рис. 108, г), при котором стенка трубы омывается смесью пара и мелких капель. Возникновение того или иного режима течения определяется паросодержанием, скоростью дви­жения, состоянием поверхности стенок и физическими свойст­вами жидкости. Увеличение паросодержания и скорости потока при прочих равных условиях заставляет пароводяную смесь по­следовательно пройти все структуры течения.

Описанные режимы имеют место как в вертикальных, так и в горизонтальных трубах. Однако в горизонтальньйс трубах они наблюдаются при несколько больших скоростях потока, чем в вертикальных. Причем ось потока пара несколько сме­щается вверх по отношению к оси трубы. При малых скоростях движения пароводяная смесь в горизонтальных трубах расслаи­вается: вода течет в нижней части трубы, а пар — в верхней. Если труба наклонена к горизонту более чем на 15°, то расслоения по­тока обычно не происходит. Существенное влияние на расслое­ние оказывают количество пара и диаметр трубы: чем больше эти величины, тем легче происходит расслоение.

Параметрами, характеризующими течение рабочего тела в тру­бах котлов, являются следующие. Массовая скорость среды рw (кг/(м2 • с)) составляет отношение массового расхода G (кг/с) через трубу к площади f (м2) ее поперечного сечения:

Р w = G/f.

Массовая скорость среды характеризует охлаждающую спо­собность потока. Рекомендуемые значения рw для поверхностей нагрева котлов приведены ниже, кг/(м2с). 164

/

Конвективный экономайзер:

Некипящий, котлов типа Е и П......................................................... 500—600

Кипящий, котлов типа Е...... ............................................................ 800

Котлов СКД............................................................................ . 900—1000

Радиационный экономайзер высокого давления.................................. 1000—1200

Переходная зона....................................................................................... 800—1100

Конвективный промежуточный перегреватель................................. 250—350

Перегреватель высокого давления:

Конвективный. ................................................................................. 700—1300

Ширмовый............................................................................................ 800—1300

Радиационный.................................................................................... 1000—1500

НРЧ котлов СКД при сжигании:

Мазута и газа...................................................................................... до 3000

Твердого топлива, включая АШ. . ................................................. 1400—2200

СРЧ котлов при сжигании твердого топлива.......... 1100—1500

ВРЧ котлов при сжигании:

Мазута и газа.......................................................................... 1500—1800

Твердого топлива, включая АШ...................................... 1000—1500

Скорость циркуляции w0 (м/с) — скорость воды при темпера­туре насыщения, соответствующая расходу рабочего тела в трубе:

Щ = <?см/(/р'),

Где G0M — массовый расход пароводяной смеси через трубу, кг/с; р' — плотность воды при температуре насыщения, кг/м3.

Приведенная скорость воды (пара) wo (wl), м/с, — скорость, которую имела бы вода (пар), проходя через полное поперечное сечение трубы:

W'o = G„/(fp'); wi = Gn/(fp"),

Где GB и Gn — массовый расход воды и пара через трубу, кг/с; р" — плотность пара, кг/м3.

При движении пароводяной смеси в вертикальной трубе ис­тинные скорости воды wB и пара wu неодинаковы. В восходящем потоке пар движется быстрее (wn > оув), а при опускном — мед­леннее (wa < wB). Разность а;п — wB называют относительной ско­ростью пара дог.

Скорость пароводяной смеси wCM (м/с) — отношение объем­ного расхода смеси в трубе к площади ее поперечного сечения:

WCM = (У„ + VB)/f = Wo + w"Q,

Где Vn и VB — объемные расходы пара и воды, м8/с.

Массовое паросодержание х — массовая доля расхода пара в потоке пароводяной смеси при wa = а>в:

Х — GJGCM.

Объемное расходное паросодержание р — объемная доля рас­хода пара в потоке пароводяной смеси при шп = ©в:

О Уп _ 1

Р~ Va + v„ S 1-х У 1_t" * р'

6 ДмЬгато» В. А. а др. 185

Истинное (напорное) паросодержание <р — доля сечения трубы,' занятая паром fa:

Ф = full = (©см/ffln) Р - Движение рабочей среды в трубе сопровождается падением полного давления. Потери энергии потока обусловлены следую­щим:

Действием сил вязкости (сопротивление трения); образованием вихрей в потоке, вследствие отрыва погранич­ного слоя при изменении диаметра трубы или ее конфигурации (потери давления в местных сопротивлениях);

Ускорением потока, вызванным изменением его удельного объема при обогреве (потери давления от ускорения);

Потерями напора при подъеме рабочей среды (нивелирная ct* ставляющая потери напора).

Разность полного давления Др (перепад давлений) между двумя фиксированными сечениями трубы обычно представляют в виде суммы перепадов от сопротивления трения дртр, местных сопро­тивлений дрм, ускорения д/?у и нивелирного напора дрн

Др = Д/>тр + Дрм + Дру ± Д/?н. (36)

Сопротивление трения при движении среды в трубе постоянного диаметра

' Д/?тр = 0,5Хо/ш)2р, (37)

Где Я0 = X/d — приведенный коэффициент сопротивления тре­нием, 1/м; I — длина трубы, м; к — коэффициент сопротивления трением, зависящий от шероховатости поверхности трубы.

Потери давления на отдельных участках рассчитывают по зависимости аналогичной (37), с заменой произведения к01 на коэф­фициент местного сопротивления Величина последнего опреде­ляется с помощью экспериментальных данных.

Потери давления от ускорения рабочего тела для установив­шегося потока

Дру = pw (wK - wH) = рw2 (v„ - ун), (38)

Где vK и ун — удельные объемы рабочего тела соответственно в конечном и начальном сечениях трубы, м3/кг.

' Нивелирная составляющая потери напора при движении среды в вертикальной трубе

ДРн = P gh, (39)

Где р — средняя плотность среды, кг/м3, на участке высотой Л.

Величина ее принимается положительной при расчете перепада полных давлений для случая подъемного движения среды и отри­цательной — для опускного движения.

Гидравлическая характеристика контура (рис. 109)— зависи­мость перепада полных давлений, возникающих в трубе (гидравли­ческом контуре) при движении рабочей среды в ней, от ее расхода 166

/

АР — f (Pw)- Эту характеристику широко используют при оценке № устойчивости движения рабочей среды, т. е. сохранении во времени постоянства расхода через трубу в парообразующих трубах котлов.

Движение в трубе (гидравличе­ском контуре) будет устойчивым, если гидравлическая характери­стика ее (его) однозначна (кривая

1) , т. е. каждому перепаду давлений соответствует только один расход рабочей среды. Если перепаду давле - Рис. 109. Гидравлическая ха - ний соответствует два или более раз - рактеристика контура:

_ / — однозначная (устойчивая): 2 —

ЛИЧНЫХ расхода, ТО гидравлическая неоднозначная (неустойчивая); 3 -

Характеристика неоднозначна (кривая тру6ы с дроссельной шайбой

2) , а движение среды в трубе будет

Неустойчиво. Возникновение такого режима связано в вертикаль­ных парообразующих трубах с действием нивелирного напора, а в горизонтальных с большой разностью удельных объемов в ко­нечном и начальном сечениях трубы.

Определяющим фактором вида гидравлической характеристики, а следовательно, устойчивости движения среды, в горизонталь­ных парообразующих трубах является температура рабочей среды на входе в обогреваемую трубу.

При температуре среды на входе, близкой или равной тем­пературе насыщения, гидравлическая, характеристика одно­значна (движение устойчиво) и описывается квадратичным урав­нением вида

Ар = В (pay)2 + С (раї). (40)

При температуре воды на входе, существенно меньшей темпера - туры'насыщения, гидравлическая характеристика может быть как однозначной, так и многозначной, при этом она описывается урав­нением третьей степени

Ар = A (pw)3 + В (рwf + С (рш). (41)

В формулах (40) и (41) коэффициенты А, В, С зависят от дав­ления смеси, конструкции трубы, интенсивности обогрева и эн - ' тальпии воды на входе.

Более сложная зависимость др — f (pw) при tBX < f связана с тем, что парообразование начинается не у входа, как при tBX = = f, а на некотором расстоянии от него. В этом случае условно труба делится на два участка: экономайзерный и парообразующий, протяженность и гидравлическое сопротивление которых меняются в зависимости от соотношения расходов воды и теплоты. Так, при постоянном обогреве трубы по мере увеличения расхода воды в ней удлиняется экономайзерный участок и повышается его

Гидравлическое сопротивление Арт. Одновременно с этим падает сопротивление парообразующего участка Аря. Сочетание ве­личин Арэк и Ари, определяющих суммарное сопротивление трубы, может приводить к тому, что в определенном диапазоне расходов суммарное сопротивление трубы будет возрастать или падать, обусловливая при этом однозначную или многозначную (нестабильную) характеристику. Если характеристика много­значна, то расход в трубе может изменяться с периодической выдачей пароводяной смеси различного паросодержания. Неко­торые из этих режимов могут оказаться опасными, поскольку при них не будет обеспечиваться надежность охлаждения труб.

Вид характеристики можно изменить, если на экономайзерном участке трубы ввести дополнительное сопротивление (обычно это делается путем установки на входе в трубу дроссельной шайбы), изменяющееся с расходом по квадратичному закону (кривая 3, рис. 109). Суммированием исходной и дополнительной характе­ристик получают стабильную характеристику.

В вертикальных трубах (панелях) с подъемным или подъемно - опускным движением и малым числом ходов (П, U и N-образные панели) гидравлическая - характеристика, так же как и у горизон­тальных труб (панелей), определяется величиной недогрева воды до кипения на входе в панель и давлением рабочего тела. При этом существенное влияние на ее вид оказывает величина нивелир­ного напора Ари. Влияние Арн тем больше, чем меньше гидравли­ческое сопротивление трубы, причем в зависимости от конструк­тивной формы панелей и направления движения среды в ней, характер проявления Арн различен.

В одноходовой вертикальной панели нивелирный напор с подъ­емным движением рабочего тела препятствует движению, а с опуск­ным способствует. В первом случае (рис. 110, а) движение устой­чиво, так как каждому значению перепада Ар соответствует только один определенный расход pay. Во втором (рис. 110,6) оно неустойчиво, ибо при одном значении перепада давлений рас­ход рабочего тела может быть разным. Причем зона многозначно­сти в реальных панелях охватывает большой диапазон изменения массовых скоростей [от 1000 до 2000 кг/(м2-с)].

Итак, при подъемном движении нивелирный напор Ари повы-. шает устойчивость движения в трубах, а при опускном, наоборот, ослабляет. В этом отношении U-образная схема лучше П-образной, так как выходной участок с большим паросодержанием имеет подъемное движение, в котором влияние нивелирного напора Аря положительно. У N-образной схемы с нижним расположением входного коллектора, в которой на один опускной участок при­ходится два подъемных, гидравлическая характеристика более стабильна.

В целом панели с малым числом ходов имеют характеристику многозначную или недостаточно устойчивую. С увеличением числа ходов ослабляется влияние нивелирного напора и возрастает влия - 168

Ние гидравлического сопротивления на гидравлическую характе­ристику. При числе ходов 8—10 гидравлическая характеристика многоходовой системы приближается к гидравлической характе­ристике горизонтальных испарительных труб.

В связи с тем, что трубы поверхностей нагрева гидравлически связаны между собой, процессы в них оказывают взаимное влия­ние друг на друга. Для обеспечения надежности работы поверх­ности важно, чтобы все параллельные трубы работали в расчет­ных (средних) условиях. Однако ввиду различий диаметров, длин и шероховатости поверхностей труб, коллекторных эффектов (неравномерность распределения давления по длине входного и выходного коллекторов) расход среды по трубам различен, а сле­довательно, энтальпии потоков на выходе из них неодинаковы.'- В некоторых трубах возможен даже опасный температурный режим. Это наиболее характерно для поверхностей нагрева котлов боль­шой мощности.

Тепловая и гидравлическая неравномерность труб являются одной из причин возникновения опасных температурных условий работы отдельных (разверенных) труб. Отклонение расхода и эн­тальпии среды на выходе от средних значений обычно характе­ризуют с помощью коэффициентов гидравлической и тепловой раз- верки.

Коэффициентом тепловой разверки pg называют отношение приращения энтальпии А/т рабочего тела в отдельной трубе к сред­нему значению приращения энтальпии Atcp в поверхности нагрева:

Р g = Дгт/ДіСр,

Где Д/Ср = /вых -і - £вх; іВЬІХ и г'вх — энтальпия рабочей среды со­ответственно на выходе и входе в данную поверхность нагрева.

Коэффициент гидравлической разверки рг— отношение рас­ходов рабочего тела в отдельной трубе GT к среднему Gcp:

Рр = GT/G0 р.

Если поверхность нагрева выполнена из труб одного диа­метра, то

Рг = (pw)r/(pw)ep.

Разверки между отдельными трубами поверхности могут быть вызваны ошибками проектирования, изготовления и монтажа котла или могут возникать при его работе.

Тепловая неравномерность может быть следствием шлакования отдельных труб поверхностей нагрева (сильно зашлакованная труба получает теплоты значительно меньше, чем чистая), изме­нением обогрева при смещении ядра факела, сопровождающегося перекосом температурных полей в топке и газоходах. Величина тепловой неравномерности оценивается коэффициентом неравно­мерности тепловосприятия Т]т, равным отношению среднего удель­ного тепловосприятия <7Т разверенной трубы к среднему удельному тепловосприятию <7сР трубы поверхности нагрева:

Лт = ^ер-

Гидравлическая неравномерность является следствием неоди­наковых гидравлических сопротивлений труб и коллекторного эффекта. Гидравлическая неравномерность характеризуется коэф­фициентом гидравлической неравномерности rjr, равным отно­шению полного коэффициента гидравлического сопротивления гт разверенной трубы к полному коэффициенту гп гидравлического сопротивления поверхности

Лг = 2т/гп.

Допустимая тепловая разверка устанавливается исходя из конкретных условий работы каждой поверхности нагрева. Так, для пароперегревателей, выходные участки труб которых работают в тяжелых температурных условиях, ее величина не должна пре­вышать 15 % общего тепловосприятия пароперегревателя. Поэ тому для повышения надежности работы металла труб паропере гревателя его трубную систему обычно секционируют по тракт - пара. Для экономайзеров, располагаемых в области умеренны температур, тепловая разверка может достигать 50 % и даже быт больше. Секционирование экономайзера по тракту не обязательно. В парообразующих трубах ввиду опасности ухудшения температур­ного режима, особенно при интенсивном обогреве температурная разверка не должна превышать 20—40 %.

Как уже отмечалось, на равномерность распределения рабочей среды по отдельным трубам поверхности нагрева может влиять способ подвода и отвода рабочего тела к входному (раздающему) и выходному (собирающему) коллекторам. В котлостроении приме­няют сосредоточенный (торцовый) .и рассредоточенный (радиаль­ный) подвод (отвод).

При торцовом соединении подводящих и отводящих труб ста­тическое давление по длине коллектора по мере снижения ско - 170

Рости возрастает. Общий перепад Др давлений в трубах опреде­ляется сопротивлением змеевиков АрзМ и изменением статического давления Ар"* во входном и Ар?"* выходном коллекторах: Ар = = Д/?зм + A Per + Арс"х. Соединение выполняют по двум схе­мам: Z-и П-схеме. В Z-схеме (рис. 111, а) крайние левые трубы ра­ботают с меньшим, а крайние правые с большим перепадом дав­лений. Соответственно, через левые трубы расход среды будет меньше, чем через правые. В П-схеме (рис. 111, б) перепад давле­ний в трубах крайних левых и правых змеевиков будет опреде­ляться разностью статических напоров во входном Ар®ї и выход­ном Ар™х коллекторах. Как правило, их значения невелики. в связи с этим влиянием изменения давления по длине коллектора на распределение среды по трубам пренебрегают.

В схеме с рассредоточенным подводом (отводом) рабочего тела" его скорость ш вдоль коллектора меньше и перепады давлений на трубах отличаются незначительно.

Неравномерность распределения расхода по трубам во всех схемах тем меньше, чем больше сопротивление трубы по сравне­нию с изменением давления в коллекторе. В экономайзерах и па­рообразующих поверхностях нагрева ввиду малого удельного объема воды осевая скорость в коллекторе незначительна, поэтому изменение давления по длине коллектора по сравнению с гидрав­лическим сопротивлением труб получается пренебрежимо малым. Заметное его влияние на равномерность раздачи среды наблю­дается в перегревателях, в первую очередь вторичного пара, по­скольку сопротивление трубной системы относительно невелико, а изменение давления вдоль коллектора значительно ввиду боль­шой скорости пара в нем.

При эксплуатации котла его гидравлический режим подвержен воздействию различных случайных возмущений, способных на­рушить устойчивое движение среды. При этом могут возбуждаться пульсации двух видов: общекотловые и межвитковые.

Общекотловые пульсации представляют собой колебания рас­ходов рабочей среды в отдельных поверхностях нагрева, контуре и в котле в целом. Возникают они при изменении режима обо­грева труб, давления, расхода и температуры питательной воды. В трубах поверхностей параметры рабочего тела изменяются синхронно. Как правило, эти колебания являются затухающими. После устранения возмущения они прекращаются.

В случае межвитковых пульсаций колебания расхода возни­кают в отдельных параллельных трубах поверхности нагрева, причем они сдвинуты по фазе, так что средний расход и перепад давлений между коллекторами поверхности нагрева не изменяются во времени. Межвитковые пульсации возникают в поверхностях нагрева, в которых имеет место сильное изменение плотности ра­бочей среды (парообразующие поверхности). В большинстве слу­чаев эти колебания не затухают во времени. При малых расходах среды и, значительных амплитудах они представляют большую опасность: вызывают периодическое изменение температуры стенки труб, металл при этом испытывает напряжения усталостного ха­рактера. С повышением давления и массовой скорости устойчи­вость поверхности нагрева к возбуждению межвитковых пульса­ций вырастает, однако увеличение теплоотвода, наоборот, ее сни­жает.

Основным средством повышения устойчивости движения в паро­образующих трубах является дросселирование потока на входе.