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

Таким образом, давление в нижнем сечении опускной трубы будет отличаться от давления в верхнем сечении на ве­ личину

ву0п— скорость среды в опускной трубе; Н — высота опускной трубы.

На рис. 14 эта зависимость показана графически. Обычно скорость среды в опускных трубах не превосходит по усло­ виям кавитации значения 3 м/с и поэтому предельно допусти­ мая скорость понижения давления в барабанных котлах рав­ на 12—13 кгс/см2 в минуту.

При больших скоростях воды и возникновении вскипания в опускных трубах возможен застой циркуляции в подъемных трубах. Зависимость предельно допустимой скорости измене­ ния давления от скорости воды в опускных трубах по условию отсутствия застоя циркуляции в подъемных трубах показана на рис. 14.

Другим важным ограничением скорости изменения давле­ ния в барабанных котлах является процесс «набухания» уровня, который может привести к забросу воды в турбину. Известно, что объем пара, содержащегося в котловой воде, за­ висит от величины нагрузки (рис. 15). При понижении давле-

30

ния в системе из-за повышения нагрузки и вскипании воды во всем объеме этот объем также растет и вместе с ним повыша­ ется уровень в барабане котла (рис. 16). Это явление полу­ чило название «набухания» уровня.

Вообще при внезапном скачке нагрузки нарушается и ма­ териальный баланс, вследствие чего начинается линейное сни­ жение уровня во времени. Но одновременно действующий механизм «набухания» уровня из-за увеличения паросодержания воды приводит к росту уровня по экспоненциальному за­ кону. Результирующее поведение уровня определяется обоими процессами, причем сначала возникает довольно ощутимый скачок уровня вверх из-за «набухания» и только потом уро­ вень начинает постепенно снижаться.

Величина «заброса» уровня вследствие «набухания» зави­ сит в основном от скорости понижения давления, т. е. от вели­ чины внезапного наброса нагрузки.

Соотношение между скоростью изменения уровня, измене­ нием расхода пара, скоростью изменения давления, свойст­ вами рабочей среды и конструкцией котла может быть пред­ ставлено следующим образом [3]:

Здесь Fz — площадь зеркала испарения, м2; V" — объем пара

а также при неизменности расходов питательной воды и топ-

31

лива можно получить приближенное решение в следующем виде:

h -- Лд -(- Ст -f- Кг" — У;"

F3

■где

1

С = Д,(р' — р")

L — средневзвешенная длина испарительной зоны, м; w02 — скорость циркуляции в конце процесса, м/с.

Рис. 17

Диаграмма рис. 17 иллюстрирует результирующее измене­ ние уровня в барабанном котле при набросе и сбросе нагруз­ ки. Здесь кривая 1 показывает уход (возрастание) уровня из-за нарушения материального и теплового балансов, кри­ вая 2 — влияние «набухания» уровня и кривая 3 — результи­ рующее изменение уровня.

Так как постоянная времени «набухания» Тп невелика (всего несколько секунд) и «набухание» уровня стабилизиру­ ется в течение короткого промежутка времени, за который на­ рушения материального и теплового балансов еще не ска­ жутся ощутимо на изменении уровня, то заброс уровня вслед­ ствие «набухания» +ДЛН можно с небольшим запасом при­ ближенно определить по упрощенной формуле

В прямоточных котлах нарушения материального и тепло­ вого балансов сопровождаются перемещением границ между переходной зоной, расположенной, как правило, в конвектив­ ной шахте, и экономайзерной зоной, расположенной в нижней радиационной части котла (НРЧ). Поэтому уравнения мате-

32 .

риального и теплового балансов должны учитывать протека­ ние переходных процессов не только во времени, но и по всей длине трубной системы котла:

рабочей среды, кг/с; qt — линейная удельная тепловая нагруз­ ка, Дж/м • с; F.гр — сечение труб пакета, м2.

На рис. 18 приведено упрощенное графическое изображе­ ние переходного процесса в прямоточном котле при набросе нагрузки +AD. Как видно, в

течение промежутка времени

часть переходной зоны переме­ щается в экономайзерную зону и в дальнейшем процесс стаби­ лизируется при новом располо­ жении границ между этими зо­ нами. Однако такое перемеще­ ние, вызванное большой ско­ ростью понижения давления в системе при набросе нагруз­ ки, недопустимо по условиям надежности работы металла труб НРЧ.

Перемещение границ пере­ ходной зоны в НРЧ не произой­

дет, если скорость понижения давления будет ниже скорости движения воды в экономайзерной зоне. При скорости движе­ ния воды около 10 м/с, соответствующей нагрузке, близкой к полной, и запасе надежности 1,5 допустимая скорость пони-

кгс/см-

жения давления с?Ар/йтдоп= 4 5 —^ — , при меньших нагруз­

ках dAp/dTBon=30—35 КГ^ М~ •

Недопустимость перемещения переходной зоны в НРЧ объясняется особыми условиями теплообмена в наиболее теп­ лонапряженной части прямоточного котла, какой является НРЧ. При постепенном переходе воды сначала в двухфазное состояние, а затем в пар возникают два кризиса теплообмена с резким ухудшением теплоотдачи и повышением температуры стенок труб.

Первый кризис наступает при переходе к пленочному ре­ жиму кипения при прекращении обмена дисперсной влаги па­ рового ядра с пристенной пленкой воды. Ухудшение теплоот­ дачи и повышение температуры будут при этом тем больше, чем больше тепловое напряжение. Кризис может начаться при

<7= 400—650 МДж/м2 ■ч; при 1600—2000 МДж/м2-ч возни­ кает опасность разрушения труб. Этому содействуют одно­ временно наступающий кризис гидравлического сопротивле­ ния и интенсификация образования накипи, также приводя­ щие к ухудшению теплообмена.

При дальнейшем движении рабочей среды по трубам НРЧ

ница между двумя фазами — жидкой и паровой.

В действительности, как показал опыт, в довольно широкой зоне температур (от 350 до 400°С), называемой зоной боль­ шой теплоемкости (ЗБТ), происходит скачок теплофизических

34

возникают кризисы теплообмена с ухудшением теплоотдачи и повышением температуры стенок труб.

Можно условно различать на диаграмме процесса в ЗБТ три зоны: «подогрева», «псевдокипения» и «перегрева»

Рис. 20

(рис. 20). Так как при нормальных режимах вода на выходе из НРЧ имеет температуру около 360° С, то необходимо сле­ дить, чтобы при всех режимах температура на выходе из НРЧ не достигала критического значения, а граница перехо­ да в паровую фазу всегда находилась в СРЧ (ВРЧ).

На рис. 21 показано измене­ ние температурных границ ЗБТ в зависимости от дав­ ления среды.

§ 11. Влияние топки на режимы котла

Полное представление о регулирующих свойствах', котла можно получить лишь при совместном рассмотре­ нии переменных режимов собственно котла и его топочного устройства. При

этом допустимо без большой погрешности топочные про-^ цессы представлять качественно, не стремясь к точному описа*- нию их сложными уравнениями газодинамики и теплообмена в трехмерном пространстве.

Изменение температуры в топке у поверхности нагрева при внесении дополнительного количества топлива A.QB может

быть получено из следующего уравнения:

+ c =

Здесь постоянная времени процесса

'т _ гкл£/кл

зависит от теплоемкости кладки скл, массы кладки GItJl, по­ верхности нагрева S и коэффициента теплоотдачи от газов к обмуровке а.

Коэффициент

,_ tg dQ

зависит от исходной температуры процесса t0°, аккумулирую­ щей емкости кладки Лкл и скорости изменения теплового по­ тока dQ/dx.

Решение этого уравнения дает закон изменения темпера­ туры в топке

*° = 6,.4QB [ l - e x p ( - - ^ - ) ] .

Чтобы выяснить полное время запаздывания топки, надо учесть еще тТОш( — мертвое время топки, которое складывается из собственного времени регулирующих устройств т рСг, тран­ спортного времени (времени подачи топлива) хв и времени воспламенения топлива Твосшь

Ч опк ^рег "Ь '-д “Г 'Чоспл-

Мертвое время топки зависит от типа топки и способа топливоприготовления. Если трСг практически одинаково для всех типов топок, а т ВОспл можно пренебречь, так как это время из­ меряется долями секунды, то транспортное время тв сильно влияет на тТ0ш<- Для газового и мазутного топлив это время исчезающе мало, для пылевых котлов с промежуточным бун­ кером транспортное время может составить до 5 с, а для пря­ моточных топок (без промбункера) — даже до 20 с. Особня­ ком стоят топки с шахтными мельницами, транспортаое время которых может достигать 100—250 с.

Постоянная времени Г,°, характеризующая инерционность топки после воспламенения топлива, сильно зависит от сте­ пени ее экранирования. Чем больше степень экранирования топки, тем меньше постоянная времени процесса повышения температуры. В газо-мазутных топках стенки полностью за­ экранированы, и повышение температуры в них происходит с постоянной времени Tt = 2—5 с. В пылевых котлах с трудновоспламеняющейся пылью из-за наличия зажигательных по-

36

яоов (тех частей экрана, которые закрыты шамотными пояса­ ми для более устойчивого горения АШ, тощего угля или фре­ зерного торфа) эта постоянная времени достигает 20—25 с.

Динамические свойства различных топок показаны в табл. 2.

Чтобы не иметь дела со сложными уравнениями процессов в котле с учетом топочных устройств, прибегают к представ­ лению топки запаздывающим звеном со временем запаздыва­ ния т3 = Ттош! + Т(°. Это упрощение облегчает анализ и, не внося особой погрешности в результаты, позволяет учесть ка­ чественную картину понижения и последующего восстановле­ ния давления при изменении нагрузки котла.

§ 12. Регулировочные характеристики парового котла

Регулировочной характеристикой котла называют зависи­ мость изменения его паропроизводительности во времени при скачкообразном изменении нагрузки. Так как в первый мо­ мент времени увеличенная нагрузка покрывается за счет акку­ мулирующей способности котла и сопровождается пониже­ нием давления, важной является также характеристика изме­ нения давления во времени. При этом существенно знать не только скорость изменения давления, но и абсолютную вели­ чину его понижения, которая за время перестройки топочного режима не должна быть выше определенного, допустимого для каждого данного типа котла значения.

Таким образом, регулирующие свойства котла будут опре­ деляться величиной нагрузки, при которой скорость и абсо­ лютное понижение давления не выйдут за допускаемые пре­ делы.

Практически мгновенного изменения давления быть не

37

В абсолютных значениях это составляет для котлов с номи­

оказаться нежелательными или неприемлемыми с точки зре­ ния надежности работы котла.

Скорость изменения давления зависит не только от вели­ чины сброса или наброса нагрузки, но и от типа котла и его номинальных параметров. На рис. 22 приведена диаграмма, из

допустимым перемещением переходной зоны в зону НРЧ. Заброс уровня будет тем больше, чем выше аккумулирую­

щая способность котла, т. е. чем ниже его номинальное дав­ ление. Например, как это можно видеть на рис. 23, для котлов

много превышает допустимые 100 мм, в то время как для кот­ лов 180 кгс/см2 приемлема даже скорость 12 ~СГ^ 1 , при ко­

торой заброс уровня не превышает 30 мм.

Циркуляция в барабанных котлах будет нарушена в том случае, если понижение давления происходит со скоростью, при которой вода в опускных трубах будет вскипать одновре­ менно по всей высоте. Чтобы этого не произошло, вода, пере­ мещаясь в опускных трубах вниз, должна достигать зоны по­ вышенных статических давлений по крайней мере с такой же скоростью, с какой происходит понижение давления в котле.

38

Скорость перемещения воды в опускных трубах зависит от конструкции котла и, в частности, от числа опускных труб и их диаметра (рис. 24). Обычно эта скорость находится в пре­

делах 1,5—2 м/с и, следовательно, допустимые с этой точки зрения скорости понижения давления составляют 10—

J2 кгс/см2

мин

Скорость Ь.оды 6 опускных трубах

Рис. 24

Дальнейшее повышение скорости воды в опускных трубах ограничено кавитацией, и дополнительные возможности для увеличения допустимых скоростей изменения давления могут