28 Вопрос

При работе парового котла в режимах, отличных от расчетного за счет различий тепловых характеристик его элементов, происходит перераспре­деление теплово сприятий между радиационными и конвективными поверх­ностями нагрева. Это может привести к изменению параметров перегретого пара, температуры горячего воздуха, поступающего в топку, нагрева воды в экономайзере. В данном параграфе мы подвергнем анализу изменения по­казателей работы котла при переходе от одного выдержанного во времени стабильного режима работы к другому. Характеристики, соответствующие любому стабильному режиму работы парового котла, называются статиче­скими.

Зависимость от нагрузки. Тепловой режим топочной каме­ры при переходе на другую нагрузку изменяется не так заметно, как на­грузка. Он определяется законами радиационного (лучистого) теплообмена, в котором определяющими являются адиабатная (максимальная) темпера­тура газов в ядре факела 0а и температура газов на выходе из топки

Адиабатная температура горения характеризует максимальную теоре­тическую температуру газов, когда все тепловыделение в топке QT (см. 6.5) расходуется на нагрев газов. Она практически не зависит от нагрузки, по­скольку определяется по уцловиям расчета на 1 кг (м3) топлива и несколько уменьшается при снижении нагрузки лишь из-за незначительного измене­ния Qr. B, которое в целом составляет около 10%Q? r

Температура на выходе из топки д" определяется уменьшением массо­вого потока газов в сечении топки с уменьшением нагрузки при сохранении размера тепловоспринимающих поверхностей, в результате чего происхо­дит заметное снижение 0".

Так, при изменении нагрузки на AN = 10% температура газов на вы­ходе из топки изменяется примерно на АО" ~ 2,5% от уровня обычной 7.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВОГО KOTJIA

Температуры = 1 150-1 200°С. В итоге средняя эффективная температу­ра газов в топочной камере, зависящая в большей мере от да, изменяется незначительно. Средний воспринятый тепловой поток поверхностью топоч­ного экрана изменяется с нагрузкой следующим образом:

= (7.4)

Где индексы «н» и «х»_относятся соответственно к номинальной и любой пониженной нагрузке; N = Nx/Nu — относительная нагрузка.

Расход рабочей среды в топочных экранах прямоточного котла изме­няется пропорционально нагрузке: Dx — DHN, поэтому теплоприращение рабочей среды в экранах топки

А^л = (7.5)

Изменится при пониженной нагрузке в зависимости

Д^л _ ЇУ°'6 _ 1 А К N n°a'

Если принять снижение нагрузки, например, до 0,5 iVH, то значение

Акн N

Таким образом, в радиационной поверхности при принудительном движе­нии рабочей среды имеет место повышение ее тепловосприятия по мере снижения нагрузки (рис. 7.3, а).

Другой характер имеет эта зависимость в конвективных поверхностях нагрева. Основное уравнение конвективного теплообмена имеет вид:

QK = kAtFK, (7.7)

Где к — коэффициент теплопередачи в поверхности нагрева FK; At. — темпе­ратурный напор между греющей газовой средой и рабочей средой в трубах поверхности.

199

(7.6)

При снижении нагрузки происходит одновременное уменьшение тем­пературного напора в результате падения температуры газов на входе в по­верхность и уменьшения коэффициента теплоотдачи за счет снижения ско­рости газов в газоходах. В связи с этим тепловосприятие конвективной

Рис. 7.3. Зависимость удельного тепловосприятия рабочей среды Д/г в поверхностях нагрева от тепловой нагрузки котла: а — радиационные поверхности; б— конвектив­ные поверхности; в — полурадиационные поверхности; 1 — равенство радиационной и конвективной составляющих теплообмена; 2 — превалирует конвективный тепло­обмен: 3 — превалирует радиационный теплообмен; N — относительная нагрузка.

Поверхности QK заметно снижается, причем в большей мере, чем изменя­ется расход среды с нагрузкой. В результате этого приращение энтальпии рабочей среды в конвективной поверхности Д/гк = QK/DK уменьшается с понижением нагрузки (рис. 7.3,6) и температура пара (воды, воздуха) на выходе из соответствующих поверхностей нагрева снижается.

В полурадиационных поверхностях нагрева на выходе из топки (шир - мовые поверхности перегревателя, разведенные ряды труб с увеличенным шагом между трубами) радиационный и конвективный теплообмен соизме­римы, тогда полное теплоприращение Д/г*.к = Д/г* + Д/г* и с учетом разной зависимости этих характеристик при снижении нагрузки тепловосприятие рабочей среды Д/гр. к останется постоянным или мало изменится в зависи­мости от превалирования одного вида теплообмена над другим (рис. 7.3, в).

На основе различия тепловых характеристик поверхностей парового котла при изменении нагрузки можно проследить, как будет изменяться тем­пература газового потока вдоль всего тракта котла при снижении нагрузки от номинальной (рис. 7.4). Наибольшее снижение температуры газов имеет место на выходе из топки — д". В связи с тем, что каждая из конвективных поверхностей в дальнейшем воспринимает меньше теплоты, чем при но­минальной нагрузке, крутизна температурной характеристики уменьшается и температура газов на выходе каждой из них постепенно приближается к. уровню номинальной нагрузки (рис. 7.4, кривая 2), но не достигает ее. Происходит процесс постепенного выравнивания температур. В конечном итоге снижение температуры уходящих газов составит примерно 1/10 от изменения ее на выходе из топки, т. е. Д^ух = 0,При этом увели­чивается доля радиационного тепловосприятия в котле и снижается доля тепловосприятия конвективных поверхностей котла.

Рис. 7.4. Изменение температуры газов вдоль газового тракта котла: 1 — при номи­нальной нагрузке без рециркуляции газов; 2 — то же при сниженной нагрузке; 3 — при номинальной нагрузке и рециркуляции газов в топку.

Зависимость от избытка воздуха и рециркуяции газов в топку. Увеличение избытка воздуха, подаваемого через горел­ки, имеет такое же воздействие на тепловой режим парового котла, как и рециркуляция газов в зону горения через горелки. При этом увеличива­ется объем газов в зоне горения при сохранении практически одинакового тепловыделения. В результате заметно снижается адиабатная (теоретиче­ская) температура горения да (рис. 7.4, кривая 3), расчетная эффектив­ная температура факела в топке, что приводит к снижению интенсивно­сти лучистого теплообмена в топке и тепловосприятия экранов. Послед­нее ведет к приближению температуры газов на выходе из топки к ис­ходному значению при номинальном режиме. Поверхности нагрева гори­зонтального газохода мало изменяют свое тепловосприятие, так как лучи­стый теплообмен ослаблен, а конвективный за счет увеличения скоростей газов несколько растет. В итоге температура газов в поворотной камере оказывается выше исходной при номинальной нагрузке на Д$пе. Это со­здает условия для заметного повышения тепловосприятия поверхностей, находящихся в верхней части конвективной шахты, поскольку здесь уве­личивается как температурный напор, так и коэффициент теплоотдачи. Обычно здесь помещают промежуточный перегреватель, а рециркуляция газов используется для регулирования температуры вторично перегревае­мого пара.

В дальнейшем каждая из последующих поверхностей по тракту газов также получает больше теплоты, а температура газов постепенно прибли­жается к исходной, оставаясь все же несколько большей. При этом потеря теплоты с уходящими. газами возрастает в случае рециркуляции газов только за счет некоторого повышения температуры fly*, а при повышенном избыт­ке воздуха в потоке газов потеря увеличивается более существенно ввиду роста как температуры, так и объема уходящих газов.

Таким образом, увеличение избытка воздуха, введение рециркуляции газов в топку, так же как возрастание влажности сжигаемого топлива, про­цесс шлакования топочных экранов приводят к перераспределению теп­ловосприятия поверхностей нагрева парового котла. Во всех указанных случаях снижается доля радиационной пёредачи теплоты в топке и воз­растает конвективное тепловосприятие. При этом температура уходящих газов, а также температуры горячего воздуха и воды после конвективного экономайзера несколько возрастут.

Влияние изменения температуры питательной воды. При работе блочной энергоустановки изменение (снижение) нагрузки приводит к перераспределению давлений в отборах турбины и соответствующему изменению (снижению) энтальпии и температу­ры питательной воды. Однако этот процесс в сочетании с характером изменения КПД парового котла (повышением его) не ведет к суще­ственным отклонениям от нормального расчетного режима. Другое дело, когда происходит отключение подогревателей высокого давления (ПВД) и температура питательной воды резко снижается. Так, при ра­боте блока СКД отключение этих подогревателей ведет к понижению температуры на входе в экономайзер с 260-270°С до ~ 160°С. При сохранении той же температуры газов перед экономайзером возрастает температурный напор в поверхности и тепловосприятие экономайзера заметно повышается, а температура газов за ним снижается (рис. '7.5). При этом в последующей поверхности воздухоподогревателя уменьшаются тепловосприятие и уровень в из-за снижения температурного напора. В результате температура г)ух все же окажется ниже исходной, что свиде­тельствует о некотором росте КПД котла. Такое явление нельзя считать нормальным, так как отключение ПВД сопровождается более заметным снижением КПД турбинной установки и, следовательно, всего энергоблока в целом.

Рис. 7.5. Изменение температур газов, воздуха, воды в поверхностях экономайзера и воздухоподогревателя при снижении температуры питательной воды: н — номи­нальный режим; х — режим с пониженной температурой питательной воды.

ЭК

ВП

Отключение ПВД приведет к изменению теплового режима поверх­ностей котла. Снижение энтальпии питательной воды /гп, в при сохранении параметров (давлениям температуры) перегретого пара и его энтальпии /іп. п ведет к росту удельного тепловосприятия 1 кг рабочей среды в котле AhK = — ^п. п ~ /іпв и соответствующему увеличению расхода топлива на котел. В случае аварийного отключения ПВД без необходимости повысить элек­трическую мощность работающей турбины одновременно с понижением температуры £п. в должно произойти снижение расхода пара в голову тур­бины примерно на 17%, что обеспечивается сохранением на барабанном котле расхода сжигаемого топлива. В прямоточном котле изменяется уста­новленное соотношение BK/GU в ввиду работы котла в нерасчетном режиме, которое увеличится (возрастает расход топлива на 1 кг поступающей пита­тельной воды).

29-30-31 вопрос

В котлах, использующих органическое очень важно располагать данными температуры металла поверхностей нагрева, работающих в сложных и напряженных условиях. Для оценки надежности парового котла топливо, условно можно выделить три

 

 

 

 

Рис. 10.1. Влияние на­грузки котла на массо­вую скорость.

1 — естественная циркуля­ция; 2 —- многократно-прину­дительная циркуляция;

3 — прямоточное движение; 4 — комбинированная циркуля­ция.

 

поверхности 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.

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 q_макс 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 паропроизводительности.

Кривая 4 соответствует характеристике агрегата, в котором движение рабочего тела организовано по принципу многократной при­нудительной циркуляции при малой на­грузке и принципу прямоточности при большой нагрузке. В режиме многократной

 

 

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

 

принудительной циркуляции массовая ско­рость выражается суммой ординат  — мас­совой скорости, соответствущей рециркуляции через парообразующие поверхности, и  — массовой скорости в экономайзере и паропе­регревателе по прямоточной схеме. С перехо­дом на прямоточный режим массовая ско­рость одинакова во всех поверхностях нагрева водопарового тракта — ордината  , 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.

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.

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

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 перегретой 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  ). 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 пленкиможет 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 ), как в предыдущем случае.

Кризис кипенияв 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

Рис. 10.3. Распределение теплоты при одностороннем обогреве гладкой трубы.

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