Критерии надежности естественной циркуляции. Кратность циркуляции парового котла
Критерии надежности естественной циркуляции
Надежность работы поверхностей нагрева котла зависит от температурного режима работы каждой трубы контура. Если хотя бы одна труба работает ненадежно, то становится ненадежной работа всей поверхности нагрева и самого котла в целом. Оценка надежности естественной циркуляции является важной задачей как при проектировании котла, так и при его эксплуатации, так как на характер работы циркуляционного контура и самой естественной циркуляции и оказывают влияние многие эксплуатационные факторы.
Как показывает опыт, в циркуляционном контуре парового котла возможно возникновение явлений, нарушающих работу контура и приводящих к срыву естественной циркуляции. Такие явления могут возникать как в подъемной, так и в опускной части контура.
Для подъемной части контура к явлениям, приводящим к нарушению режима естественной циркуляции и температурного режима испарительных труб, относят: застой циркуляции; опрокидывание циркуляции; режим предельной кратности циркуляции; расслоение пароводяной смеси.
Для опускной части контура к явлениям, приводящим к срыву естественной циркуляции, относят: парообразование в опускных трубах; кавитацию в опускных трубах; захват пара в опускные трубы.
Застоем циркуляции называется режим медленного движения воды в подъемной трубе вверх или вниз с кратностью циркуляции К≈1. При этом режиме вода в трубе практически неподвижна, а в ней медленно всплывают пузыри пара, которые могут скапливаться и застаиваться на благоприятных для этого участках труб, например, в местах гиба. Режим движения воды в этом случае неустойчив, а скорость поступления воды в подъемную трубу практически равна нулю - w0 ≈ 0 . Режим застоя циркуляции опасен тем, что скапливающийся в застойных зонах пар образует паровые пробки, препятствующие движению пароводяной смеси в подъемной трубе. При малых значениях давлений и тепловых нагрузок ухудшения температурного режима металла трубы, входящей в паровой коллектор ниже уровня воды в нем, при режиме застоя практически не наблюдается. Однако при больших значениях давлений и высоких тепловых нагрузках режим застоя становится опасным.
Опрокидыванием циркуляции называется такой режим, при котором в слабообогреваемых трубах среда начинает двигаться сверху вниз, т.е. подъемная труба начинает работать в режиме опускной.
В зависимости от скорости движения воды вниз, образующийся пар может подниматься вверх, преодолевая встречный поток воды. При этом скорость движения воды вниз настолько мала, что не может препятствовать подъему паровых пузырей против движения основного потока. При этом паровые пузыри могут скапливаться в застойных зонах контура циркуляции (на гибах труб), образуя паровые пробки и ухудшая температурный режим работы подъемной трубы. Такой режим работы подъемной трубы называется режимом опрокидывания с запариванием. Дальнейшее увеличение скорости опускного движения воды приводит к тому, что весь образующийся пар сносится потоком воды вниз. Наступает режим работы подъемной трубы с полностью опрокинутым движением.
Исследования температурных режимов труб показали, что наиболее неблагоприятными являются режимы застоя циркуляции и опрокидывания с запариванием, как обеспечивающие наихудшие условия охлаждения стенки обогреваемой трубы по сравнению с режимом полностью опрокинутого движения.
Режимы застоя и опрокидывания характеризуются величиной полезного напора застоя - S3, и полезного напора опрокидывания - Sonp. Поскольку эти режимы работы подъемных труб являются опасными и могут вызвать повреждения труб испарительной поверхности нагрева, после расчета естественной циркуляции обязательно проводится проверка на отсутствие режимов застоя и опрокидывания.
Происшедшее в последние годы повышение теплонапряженности поверхностей нагрева судовых, и в особенности корабельных паровых котлов, а также создание различных типов парогенераторов для атомных энергетических установок, вызвало необходимость проведения детального исследования температурного режима парогенерирующих труб. Для оценки надежности работы труб испарительной части важно знать значения паросодержаний, при которых возникает ухудшение теплоотдачи (кризис теплообмена второго рода). В котлах и парогенераторах с ЕЦ величина весового паросодержания в любой из труб испарительной части котла должна быть ниже некоторого граничного значения: х<хгр. При увеличении паросодержания выше граничного значения на стенках труб начинают осаждаться легкорастворимые соли, уменьшается толщина слоя водяной пленки, ухудшается теплообмен и режим охлаждения стенки трубы.
Принято считать, что граничное паросодержание, при котором начинается ухудшенный теплообмен, составляет значение хГР≥0,5. Для обеспечения безнакипного режима работы трубы и надежного ее охлаждения, паросодержание в выходном сечении любой трубы должно удовлетворять условию х<хгр. С учетом неравномерности обогрева труб испарительной части котла и некоторого запаса по надежности, можно записать условие, что паросодержание любой трубы должно быть: xi<0,25. Учитывая связь между паросодержанием и кратностью циркуляции, можно сделать вывод, что надежное охлаждение труб испарительной части котла обеспечивается при предельном значении кратности циркуляции: КПРЕД = 4. Т.е. кратность циркуляции для любого ряда подъемных труб должна быть выше предельной кратности циркуляции: K≥4.
Расслоением пароводяной смеси называется такой режим движения двухфазного потока в горизонтальных или слабонаклоненных трубах, при котором происходит хотя бы частичное осушение стенок в верхней части трубы.
Расслоение вызывает неравномерный теплоотвод по периметру трубы и неравномерный нагрев стенки трубы. В той части трубы, которая омывается водой, температура стенки намного ниже, чем в части трубы, омываемой паром. Кроме того, при частичном осушении стенок трубы, при движении паровых пузырей в верхней части трубы возникают циклические колебания температуры стенки, приводящие к быстрому разрушению металла из-за термической усталости.
Исследования показали, что расслоение пароводяной смеси возникает в трубах, имеющих наклон к горизонту < 15°. Предотвратить расслоение пароводяной смеси можно увеличением скорости движения среды выше некоторого предельного значения: w0 > wПРЕД, а также проектированием наклона подъемных труб в котлах с ЕЦ со значением более 30° к горизонту (с учетом возможных кренов и дифферентов судна).
Все явления, возникающие в опускной части контура, способные привести к расстройству и срыву естественной циркуляции, связывает один признак: появление пара в опускных трубах. При появлении пара увеличивается гидравлическое сопротивление опускной части контура циркуляции - , что приводит к нарушению условия установившейся естественной циркуляции: .
Появление пара в опускных трубах может произойти по следующим причинам:
- из-за парообразования в опускных трубах, если опускные трубы получают количество тепла, превышающее значение величины недогрева до кипения: ;
из-за возникновения явления кавитации в опускных трубах. Кавитацией в данном случае называется явление парообразования в опускных трубах вследствие падения давления во входном участке трубы ниже давления насыщения при данной температуре;
из-за захвата пара в опускные трубы, который может происходить как из парового пространства парового коллектора (возникновения вихревых воронок над входом в опускные трубы), так и из водяного пространства парового коллектора за счет сноса пара потоком воды, направляющимся к опускным трубам.
а б
Рис. 2. Явление захвата пара в опускные трубы:
а) из парового пространства парового коллектора;
б) из водяного пространствапарового коллектора.
Появление пара в опускных трубах уменьшаетвес столба воды в них, что приводит к снижению движущего напораестественной циркуляции. Учитывается это уменьшение движущего напора увеличениемсопротивления опускана величинунивелирного сопротивления:
(8)
Таким образом, полное сопротивление опускной части контура при движении по ним пароводяной смеси вычисляется как сумма их гидравлических сопротивлений и величины нивелирного сопротивления .
studfiles.net
3.2. Классификация паровых котлов
В соответствии с законами фазового перехода получение перегретого пара характеризуется последовательным протеканием следующих процессов подогрева питательной воды до температуры насыщения, парообразования и, наконец, перегрева насыщенного пара до заданной температуры Эти процессы имеют четкие границы протекания и осуществляются в трех группах поверхностей нагрева. Подогрев воды до температуры насыщения происходит в экономайзере, образование пара— в парообразующей (испарительной) поверхности нагрева, перегрев пара—в пароперегревателе.
В целях непрерывного отвода теплоты и обеспечения нормального температурного режима металла поверхностей нагрева рабочее тело в них — вода в экономайзере, пароводяная смесь в парообразующих трубах и перегретый пар в пароперегревателе — движется непрерывно. При этом вода в экономайзере и пар в пароперегревателе движутся однократно относительно поверхности нагрева (рис. 1 6). При движении воды в экономайзере возникают гидравлические сопротивления, преодолеваемые напором, создаваемым питательным насосом. Давление, развиваемое питательным насосом, должно превышать давление в начале зоны парообразования на гидравлическое сопротивление экономайзера. Аналогично движение пара в пароперегревателе обусловлено перепадом давления, возникающим между зоной парообразования и турбиной.
В парообразующих трубах совместное движение воды и пара и преодоление гидравлического сопротивления этих труб в котлах различных типов организовано по-разному. Различают паровые котлы с естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией и прямоточные.
Паровые котлы с естественной циркуляцией. Рассмотрим работу замкнутого контура (рис 1.6,а), состоящего из двух систем труб: обогреваемых 6 и необогреваемых 4, объединенных вверху барабаном 3, а внизу — коллектором 5. Замкнутая гидравлическая система, состоящая из обогреваемых и необогреваемых труб, образует циркуляционный контур Объем барабана, заполненный водой, называют водяным объемом, а занятый паром— паровым объемом. Поверхность, разделяющую паровой и водяной объем, называют зеркалом испарения. Водяной объем барабана и парообразующие трубы заполнены котловой водой.
В обогреваемых трубах 6 вода закипает, и поэтому они заполнены пароводяной смесью плотность рн. Необогреваемые трубы 4 заполнены водой, имеющей плотность р при давлении в барабане. Следовательно, нижняя точка контура — коллектор, с одной стороны, подвержена давлению столба воды, заполняющей необогреваемые трубы, равному Hp'g, а с другой— давлению столба паровотяной смеси, заполняющей обогреваемые трубы, равному Hpyg. Создающаяся в результате образования пара разность давлений Н(р'~pr,)g вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции
Sдв=H(р'-pn)g, (1.1)
где SДВ — движущий напор естественной циркуляции, Па; Н — высота контура, м р' и рм— соответственно плотность воды и пароводяной смеси, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.
По обогреваемым трубам вверх движется пароводяная смесь, в связи с чем они получили название подъемных труб, а по необогреваемым трубам движется вниз вода—это опускные трубы.
Агрегаты, в парообразующих трубах которых движение рабочего тела создается под воздействием напора циркуляции, естественно возникающего при обогреве этих труб, получили название паровых котлов с естественной циркуляцией.
В отличие от движения воды в экономайзере и пара в пароперегревателе, в которых рабочий процесс заканчивается при однократном прохождении рабочего тела через поверхность нагрева, движение рабочего тела в циркуляционном контуре многократное. Это значит, что в процессе одного цикла прохождения через парообразующие трубы вода испаряется не полностью, а лишь частично и поступает в барабан в виде пароводяной смеси. При естественной циркуляции массовое паросодержание на выходе из парообразующих труб составляет 3—25%. При паросодержании на выходе, равном, например, 20%, для полного испарения вола должна совершить движение через контур циркуляции пять раз.
Поскольку процесс образования пара происходит непрерывно и питательная вода в барабан также поступает непрерывно в соответствии с расходом пара, в контуре все время циркулирует вода и количество се не изменяется. Отношение массового расхода циркулирующей воды GB, кг/с, к количеству образовавшегося пара в единицу времени С„, кг/с, называется кратностью циркуляции
k=GB/Gu. (1 2)
В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции находится в пределах 4—30 и более.
В парообразующих трубах можно организовать движение рабочего тела принудительно, например насосом, включенным в контур циркуляции. Такие агрегаты получили название котлов с многократной принудительной циркуляцией (рис. 1.6,6). Движущий напор циркуляции в этом случае в несколько раз превышает движущий напор при естественной циркуляции. Это позволяет расположить парообразующие трубы любым образом, исходя из условий конструирования котла, и организовать в нем циркуляцию не только с вертикальным подъемным движением, но также с горизонтальным и даже опускным движением пароводяной смеси. В паровых котлах этого типа кратность циркуляции составляет 3—10.
Отличительной особенностью паровых котлов с естественной и многократной принудительной циркуляцией является наличие барабана— емкости, позволяющей организовать циркуляцию в замкнутой гидравлической системе и обеспечить отделение воды от пара. Барабан фиксирует все зоны котла: экономайзерную, парообразующую и пароперегревательную.
Барабанные котлы работают при докритическом давлении (ДКД), p<pкр.
Прямоточные паровые котлы не имеют барабана, и через парообразующие трубы рабочее тело проходит однократно (рис. 1.6,0), так что кратность циркуляции k=l. Прямоточный котел представляет собой разомкнутую гидравлическую систему. Отличительной особенностью прямоточных котлов также является отсутствие четкой фиксации экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон. В парообразующих поверхностях нагрева прямоточных котлов происходит безостановочное превращение воды в пар. Прямоточные котлы работают на ДКД и сверхкритическом давлении (СКД), р≡ркр.
В паровых котлах с комбинированной циркуляцией (рис. 1.6,г) при пуске обратный клапан 10 открыт и агрегат работает по схеме (рис. 1.6,6). При достижении определенной нагрузки циркуляционный насос отключается, обратным клапан автоматически закрывается и паровой котел переключается на работу по прямоточной схеме (рис. 1 6,в).
studfiles.net
Котлы с принудительной циркуляциеи малой кратности
Судовые паропроизводящие установки
Основным и самым существенным недостатком прямоточных котлов является отложение накипи на стенках труб в переходной зоне испарительной части, где испаряется примерно 15 ^ 20 % воды. Так как четких границ между экономайзерной, испарительной и перегревательной частями в прямоточном котле нет, а их положение меняется в зависимости от нагрузки котла, то отложение солей происходит на довольно значительной по протяженности части трубной системы.
Этот недостаток прямоточного котла можно устранить, если в его конструктивной схеме, в районе переходной зоны с повышенной концентрацией солей, где влажность пара составляет 15 ^ 30 %, организовать продувание некоторой части воды с повышенным солесодержанием. Применение такого продувания позволяет снизить концентрацию солей, вызывающих накипеобразование в испарительной и перегревательной частях котла, и могущих привести к пережогу теплонапряженных трубных систем.
Общая компоновка поверхностей нагрева и принцип их включения в котле с ПЦ МК (рис. 13) практически совпадают со схемой прямоточного котла, с той разницей, что пароводяная смесь из испарительной части котла с паросодержанием 70 ^ 85 % направляется в сепарационную копилку. В сепарационной копилке происходит разделение паровой и водяной фаз пароводяной смеси. Часть воды, скапливающейся в нижней части сепарационной копилки, и содержащая повышенную концентрацию солей, продувается, а насыщенный пар из верхней части сепарационной копилки поступает в трубную систему пароперегревателя.
1 - раздающий коллектор
Экономайзера;
2 - смесительный коллектор
Экономайзера;
3 - раздающий коллектор
Испарительной части;
4 - смесительный коллектор
Испарительной части;
5 - раздающий коллектор
Пароперегревателя;
6 - смесительный коллектор
Пароперегревателя;
ПН - питательный насос;
ГСК - главный стопорный клапан; СК - сепарационная копилка;
Э - экранная часть испарительной поверхности нагрева;
Т - топка котла;
Тл - подача топлива;
В - подача воздуха;
ДГ - дымовые газы;
Опв - подача питательной воды; Опр - расход продувочной воды;
ВПЕ - отбор перегретого пара;
Таким образом паропроизводительность паровых котлов с ПЦ МК по перегретому пару равна расходу питательной воды, подаваемой в котел, за вычетом расхода продувочной воды:
D ПЕ ~ G ПВ ~ G ПР
Так как величина Gnp составляет 15 ^ 30 % от величины GnB, то кратность циркуляции в таких котлах близка к единице и принимает значение:
G
K = = 1,15 * 1,30
D ПЕ
По этому признаку котлы рассмотренной конструкции называют котлами с принудительной циркуляцией малой кратности. Количество продуваемой воды Gnp устанавливается несколько большим, чем требуется для сохранения солевого равновесия, поэтому часть продуваемой воды обычно возвращается на всасывание питательного насоса, а остальная продувочная вода удаляется за борт.
Основным преимуществом котлов с ПЦ МК по сравнению с прямоточными является тот факт, что они допускают борьбу с повышенной соленостью котловой воды путем продувания. Это увеличивает надежность работы испарительных витков и снижает требования к качеству питательной воды. Такие котлы можно питать не
20
Чистым конденсатом или дистиллированной водой, а химически очищенной водой.
Недостатками котлов с ПЦ МК по сравнению с прямоточными являются: некоторое утяжеление за счет применения копилки-сепаратора; невозможность отбора насыщенного пара.
ТЛ о о о
Гидравлические испытания проводятся с целью проверки прочности и плотности узлов и соединений котла, работающих под повышенным давлением пара и воды. Котел подвергается гидравлическим испытаниям в следующих случаях: - при освидетельствовании; …
Поддержание котла в горячем резерве осуществляется периодическим подъемом давления пара с последующим естественным охлаждением котла при выключенном горении. Максимальное и минимальное давление пара, а также номера котлов для нахождения в …
При эксплуатации паровых котлов различают нормальный и экстренный вывод котельной установки из действия. Для автоматизированной котельной установки, когда в эшелоне остается в действии второй котел, при нормальном выводе котла из …
msd.com.ua
.jpg)
