книги из ГПНТБ / Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций

Обычно для систем городского типа (Ленэнерго, Мос­ энерго) величина мощности саморегулирования находится в пределах 1,5 — 2,0%, что соответствует статизму характери­ стики саморегулирования в 33 — 25% соответственно.

Скорость изменения режима при внезапных набросах на­ грузки и при отсутствии регулирования мощности турбины (реальный случай при отсутствии резерва в системе) опреде­ ляется следующим образом. Так как

Д Я = Д Ж ш = У — ш,

ах 9

где J — момент инерции турбины, то rfco _ _др_

dx /ю

Умножив числитель и знаменатель правой части на со/2, по­ лучим

машин системы, в том числе и двигателями потребителя. Так как состав нагрузки не остается постоянным в течение суток, то и кинетическая энергия системы меняется на протяжении дня. .

Другой характеристикой кинетической энергии системы яв­ ляется инерционная постоянная

•J' WKин

Физический смысл инерционной постоянной системы можно уяснить, решив уравнение движения машины

du>

M a = J di

20

Разделив переменные и проинтегрировав это уравнение, по­ лучим

rj-\ Ум

ИЛИ

Ta = 2Tj.

Другими словами, время разгона машины от нуля до син­ хронной скорости при приложении к ее валу номинального мо­ мента вращения равно удвоенной инерционной постоянной этой машины.

Инерционная постоянная может быть легко определена для различных условий работы системы опытным путем. Если, например, при отключении генератора (при отсутствии резер­ ва) мощностью АР МВт частота уходит со скоростью df/dx, то инерционная постоянная системы

где Ри— включенная мощность системы.

Закон изменения частоты в нерегулируемой системе может быть определен из выражения (2):

если, учитывая, что АР изменяется от значения дР0 при f= f0 до дР = 0 при установившейся частоте f ь заменить в этом вы­

21

Таким образом, как во всяком процессе, связанном с ис­ пользованием аккумулированной энергии, изменение частоты в системе происходит по экспоненциальному закону с постоян­ ной времени процесса Г, зависящей от кинетической энергии системы.

Г Л А В А II

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

§7. Общие сведения

Сточки зрения изучения рабочих характеристик паровые котлы удобно разделить на несколько групп, эксплуатацион­ ные свойства которых близки. Такая классификация прово­ дится обычно по нескольким признакам, основными из кото­ рых являются параметры котла. При этом, хотя основным па­ раметром является температура перегрева пара f , принято характеризовать котлы их номинальным давлением. Так как каждому давлению, как правило, отвечает определенная так называемая «сопряженная» температура пара, такой способ не вносит недоразумений.

По величине давления котлы делят обычно на три группы.

К первой группе относят котлы с давлением ниже 40 кгс/см2. Такие котлы работают на старых установках, а в последнее время начинают широко применяться на ТЭЦ для покрытия пиковой тепловой нагрузки.

Вторая группа включает котлы двух давлений: 100 кгс/см2 при температуре пара 540° С и 140 кгс/см2 при температуре 570° С, последние, как правило, с вторичным перегревом пара до 570° С. Эту группу называют обычно котлами высокого давления.

В третью группу входят котлы сверхкритического давления 255 кгс/см2 при температуре 565° С с вторичным перегревом пара до 570° С.

Другим объединяющим котлы признаком служит способ циркуляции. По этому признаку котлы делятся на две боль­ шие группы: барабанные котлы с естественной циркуляцией и прямоточные котлы с принудительной циркуляцией.

Наконец, существенное влияние на регулировочные свой­ ства котлов оказывает тип топочного устройства. Сходные ди­ намические свойства имеют газовые и мазутные топки, в дру­ гую группу входят пылеугольные топки с промежуточным бун­ кером пыли, отдельно должны рассматриваться пылеугольные топки без промбункера, и, наконец, четвертую группу состав­ ляют наиболее инертные шахтно-мельничные топки.

22

§ 8. Аккумулирующая емкость

При нарушениях теплового баланса котла, сопровождаю­ щихся изменениями давления, производительность котла в те­ чение некоторого времени сохраняется за счет тепла, запасен­ ного в аккумулирующих емкостях. Такое самовыравнивание режима очень помогает регулированию нагрузки котла и объясняется физическими свойствами пароводяной смеси, на­ ходящейся в состоянии насыщения.

При увеличении, например, нагрузки котла его тепловой баланс становится отрицательным. Это происходит потому, что в первые моменты после наброса нагрузки

{D+ AD) топочный режим еще не перестроен и поступление тепла QF меньше, чем его расход с паром, потребляемым турбиной,

Qr - ( D + D) i" = -A Q ,

пароводяная смесь ока­ жется перегретой по отно­

шению к этому новому давлению и во всем водяном объеме испарится дополнительное количество пара, которое и будет компенсировать дополнительную нагрузку котла.

При этом в образовании добавочного пара будет участво­ вать еще избыточное тепло металлических элементов котла (труб, коллекторов, барабана), которые при новом режиме) окажутся также перегретыми по отношению к пониженному давлению.

Наконец, пространство, заполненное насыщенным паром, также выдаст добавочное количество тепла за счет уменьше­ ния температуры насыщения ts° при понижении давления.

Переход к новому режиму с пониженными параметрами пара растягивается во времени за счет использования аккуму­ лированного тепла на несколько десятков секунд и, следова­ тельно, облегчает задачу регулирования при перестройке ре­ жима горения и питания котла в соответствии с новой нагруз­ кой котла.

Таким образом, для котла существует статическая зависи­ мость р = <р(£)). Эта зависимость нелинейна (рис. 8), но для

23

малых отклонений давления можно принять, что

AD = Акр.

Коэффициент пропорциональности А имеет размерность

-^ е ы » или (если он относится к единице объема) ■

и называется аккумулирующей емкостью котла. Обычно выра­ жают аккумулирующую емкость не в джоулях, а в килограм­ мах нормального пара, так как при этом непосредственно видна связь между давлением и производительностью котла.

Чем больше аккумулирующая емкость, тем положе кривая р — cp (D)' и тем меньше колебания давления при набросах на­ грузки.

Аккумулирующая емкость

Полная аккумулирующая емкость соответствует всему теплу, запасенному в котле,

A0 = Ap0 = k D - ^ - кг.

Время, в течение которого был бы получен полный расход пара за счет аккумулированного тепла при изменении давле­ ния на 1 кгс/см2, называется постоянной времени аккумулиро­ вания:

Чаще пользуются постоянной времени, соответствующей полной аккумулирующей емкости котла,

Здесь Т0•—время, в течение которого был бы получен пол­ ный расход пара за счет аккумулированного тепла при изме­ нении давления на величину полного давления котла ро.

На рис. 9 приведена зависимость Го от номинального дав­ ления для барабанных котлов, а на рис. 10 — такая же зависи­ мость для прямоточных котлов.

Аккумулирующая емкость котла А равна сумме аккуму­ лирующих емкостей пара, воды и металла:

А — A D A w -f- Am.

Величина аккумулирующей емкости зависит также от кон­ струкции котла и его параметров (рис. 11). Аккумулирующая емкость прямоточных котлов в три с лишним раза меньше, чем

24

барабанных, так как их водяной объем при равной произво­ дительности значительно меньше.

На рис. 12 можно видеть относительное распределение аккумулированного тепла в паре, воде и металле барабанных и прямоточных котлов. Как видно, аккумулирование тепла в

них в воде меньше 10%).

С повышением номинального давления аккумулирующая емкость падает, однако отнесенная к 1 м3 аккумулирующая емкость за пределами номинального давления 170 кгс/см2 быстро растет за счет повышения удельного веса пара, а также за счет увеличения поверхности пароперегревателя (рис. 13).

§ 9. Колебания давления

Аккумулирующая емкость играет положительную роль, компенсируя нарушения теплового баланса в котле при коле­ баниях нагрузки и способствуя самовыравниванию режима котла.

При этом возникают колебания давления, пропорциональ­ ные изменениям нагрузки, однако в известных пределах эти колебания допустимы.

Вообще говоря, в условиях установившегося режима ра­ боты котла происходят непрерывные колебания давления около его среднего значения. Эти колебания вызываются, с одной стороны, некоторой нестабильностью процесса горе­ ния и генерации пара. Вследствие несовершенства механизмов происходят непрерывные колебания давления газового топли­ ва в газовых котлах, пульсация питателей пыли в пылевых котлах, изменения подачи первичного воздуха и питательной воды, неравномерная работа тяго-дутьевых устройств.

С другой стороны, эти колебания обусловлены непрерыв­ ными флуктуационными изменениями нагрузки турбин, кото­ рые не регулируются регуляторами частоты и мощности, но непрерывно меняют нагрузку котла. Так как тепловой режим топки остается при этом неизменным, а если даже изменяется в силу указанных выше причин, то часто в обратном смысле,

отклонения давления одного знака за пределы 2—3%. Такие отклонения давления вызывают понижение надежности ра­ боты не только котлов, но и всей станции.

При длительном повышении давления возникает опас-

26

ностъ ускорения ползучести металла в котельных и турбинных элементах, находящихся под воздействием высоких темпера­ тур, возможны повреждения прокладок паропроводов и про­ гиб диафрагм турбин, нарушающий их надежную работу.

Длительное понижение давления, с одной стороны, приво­ дит к понижению надежности работы котла, ухудшая цирку­ ляцию или даже вызывая ее застой и опрокидывание, а с дру­ гой— обусловливает усиленную эрозию последних ступеней турбины из-за повышенной влажности пара.

Кроме того, понижению давления сопутствует уменьшение к. п. д. турбины, а следовательно, и всей станции. Понижению давления на 10% соответствует уменьшение теплового пере­ пада в 1% и внутреннего относительного к. п. д. турбины на 0,5%.

Кратковременные аварийные толчки давления при сбросах и набросах нагрузки допускаются в более широких пределах. Например, понижение давления в зависимости от типа котла может быть допущено до 10—15%. Однако при этом следует учитывать, что скорость понижения давления или, что то же самое, повышения нагрузки должна быть ограничена, в про­ тивном случае произойдет заброс воды в паропровод и тур­ бину из-за явления так называемого «набухания» и вспенива­ ния котловой воды.

При резком понижении давления может быть также нару­ шена циркуляция в котле. Поэтому не следует допускать по­ нижение давления более 10%•

Резкие повышения давления при толчкообразных сбросах нагрузки опасны для прокладок паропроводов. Поэтому на котлах устанавливаются контрольные и рабочие предохрани­ тельные клапаны импульсного типа.

Изменение давления во всех случаях происходит по экспо­

Гг

пара; г — скрытая теплота парообразования.

§ 10. Скорость изменения давления

Очень важным показателем режима является скорость изменения давления dpjdx, в конечном счете определяющая величину допустимых набросов нагрузки.

27

В переходном режиме после наброса нагрузки возникает нарушение материального баланса [3]

энтальпия питательной и котловой воды и пара, Дж/кг; Gm, ст, tm° — соответственно масса и теплоемкость металла и его тем­ пература.

Уравнения (3) и (4) существенно нелинейны, так как плот­ ности пара и воды, а также их энтальпия зависят от давле­ ния, однако при малых отклонениях давления, обычно наблю­ дающихся на практике, возможна линеаризация этих уравне­ ний без внесения особых погрешностей в результаты.

Линеаризуя уравнения (3) и (4), т. е. заменяя в них зна­ чение функции через ее величину в стационарном режиме и линейное приращение, и решая их совместно, получим для искомой скорости изменения давления следующее выраже­ ние [3]:

воды; бD = a D/Dq— относительное изменение расхода пара.

28

стей по пару, воде и металлу от давления показана на рис. 13. Обычно принимают, что постоянные времени TQ и Т0 не меняются при отклонениях режима давления от начального. Их значения близки друг к другу и для котлов различных ти­ пов находятся в пределах от 190 до 420 с. Постоянная времени 7V стремится к бесконечно большому значению при уменьше­ нии недогрева питательной воды. Это означает, что изменения подачи питательной воды почти не оказывают влияния на

давление.

Учитывая, что последним членом уравнения (5) можно пренебречь ввиду его малости, максимальную скорость изме­ нения давления, например при полном сбросе нагрузки, опре­ делим в предположении, что 6D = —1.

В этом случае подвод тепла и питательной воды постоянен, т. е.

8 Q = 3 1 1 7 = О,

п скорость

5А.акс=1/^о.

т. е. бДмакс = 0,0002 — 0,009 с~\ что соответствует абсолют­ ным значениям dp/dx для котлов среднего давления 6 — 18 и

для котлов высокого давления 24—30-к-С|/см ■. Такая скорость

может оказаться недопустимой для барабанных котлов по условиям надежной циркуляции, которая может быть наруше­ на при вскипании воды в опускных трубах. По мере движения частицы воды вниз по опускной трубе действующее на нее давление, с одной стороны, увеличивается из-за возрастания нивелирного напора, а с другой — уменьшается из-за общего понижения давления в системе, вызванного скачком нагрузки, а также из-за возрастания потерь в гидравлических сопротив­ лениях.

29