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

быть получены только за счет эксплуатационных мер, напри­ мер за счет некоторого недогрева котловой воды. На рис. 25 показано влияние недогрева котловой воды на допустимую, скорость понижения давления.

Скорость понижения давления в прямоточных котлах так­ же должна быть несколько меньше скорости перемещения воды в трубах экономайзера и перед переходной зоной. Так как эта скорость составляет обычно около 9—10 м/с, допусти­ мая скорость понижения давления в прямоточных котлах со-

0 г . с кгс/см-

ставляет ~ о 5 —45----------.

Абсолютное понижение давления не рекомендуется до­ пускать больше 10—12% номинального его значения. Лучше всего с известным запасом принять за предельное понижение давления в 10% номинала. Сравнение регулирующих свойств котлов разных типов, проводимое ниже, основывается на пре­ дельном понижении давления в 10%.

Влияние аккумулирующей способности котлов разного давления и разных типов можно видеть на диаграмме рис. 26.

ние давления на 10% при ударной нагрузке разной величины и различных скоростях понижения давления [4].

Например, барабанный котел 100 кгс/см2 при предельной

40

. п кгс/см3

скорости понижения давления в 10 — ----- может допустить-

нагрузку в 25% номинала. При этом давление понизится на

10% за 60 с.

Прямоточный котел с такими же параметрами имеет зна­ чительно меньшую аккумулирующую способность, и его дав­ ление достигает пониженного на 10% значения за те же 60 с при толчке нагрузки всего в 3% номинальной. При ударной нагрузке в 25% давление прямоточного котла 100 кгс/см2 па­

дает со скоростью 30 KrJ,~M и достигает значения 90% номи­ нального приблизительно за 20 с, т. е. втрое скорее.

Но, с другой стороны, прямоточные котлы допускают очень большие скорости понижения давления, доходящие до

них могут быть значительно выше, чем на барабанные котлы, достигая 35—45% номинальной. Если учесть при этом еще их более высокую приемистость, то можно сделать вывод, что при одинаковых топочных устройствах и топливе прямоточные котлы гораздо лучше барабанных приспособлены для покры­ тия кратковременных ударных пиков нагрузки.

Влияние приемистости котла и инерционности топочного устройства на регулирующие свойства барабанных котлов можно определить по диаграммам рис. 27 [4].

На этих диаграммах показано изменение давления в бара­

41'

бане котла рв, за пароперегревателем рщ и у турбины рТурб при ударной нагрузке и различных форсировках топки. Кри­ вые 1 относятся к случаю, когда перестройка топочного ре­ жима вообще не производится. При этом в первые 5 с допол­ нительная нагрузка покрывается за счет аккумулирующей способности парового объема, заключающегося в паропере­ гревателе и паропроводе, соединяющим котел с турбиной.

Vv

Вследствие этого давление пара за перегревателем Рпп и у

турбины /? т у Р б круто падает со скоростью 60— ^ — .

Давление пара в барабане котла остается сначала неиз­ менным, и только спустя 5—6 с, когда вступают в действие паровой и водяной объемы барабана, начинается его пони­ жение.

В связи с увеличением пароводяного объема, участвую­ щего в покрытии дополнительной нагрузки, скорость падения давления с этого момента времени значительно уменьшается и в рассматриваемом на рис. 27 случае составляет около

14 КГ • С такой же приблизительно скоростью понижа­

42

ется с этого времени и давление за пароперегревателем и у турбины.

Так как такой режим длительно недопустим из-за глубо­ кого понижения давления и очень больших скоростей этого понижения, необходимо одновременно с изменением нагрузки начать перестройку топочного процесса. При этом при подаче импульса на увеличение форсировки горения даже одновре­ менно с началом увеличения нагрузки усиление тепловыделе­ ния начнется с некоторым запозданием, определяемым инер­ ционностью топки и измеряемым мертвым временем топки. Мертвое время, с одной стороны, зависит от быстродействия

цией механизмов подачи топли­ ва и может колебаться от 5 до 20 с для топок разных систем.

Само усиление тепловыде­ ления из-за аккумулирующего действия поверхностей нагре­ ва и кладки будет подчи­ няться экспоненциальному за­ кону, и восстановление тепло­ вого баланса в котле будет определяться постоянной вре­ мени топки Г/. Постоянная времени топки учитывает как запаздывание собственно топки (перестройка топочного про­ цесса), так и время, необходи­

мое для восстановления аккумулированного тепла, израсходо­ ванного в период понижения давления (перестройка режима котла).

Постоянную времени топки можно определить при помощи простых испытаний, возможных в любых эксплуатационных условиях. На рис. 28 показаны результаты одного из таких испытаний.

При постоянной подаче питательной воды W и постоянной нагрузке котла скачком повышают подачу топлива. При этом приращение теплового потока AQF вследствие аккумулирую­ щего эффекта топки котла происходит по экспоненциальной зависимости. Так как заполнение котла водой не меняется, по­ вышение тепловыделения вызывает повышение давления из-за повышенного испарения в котле. Кривая повышения давления в ее начальной фазе может быть использована для нахожде­ ния тепловой постоянной времени топки, как это показано на рис. 28.

Кривые 2 (см. рис. 27) относятся к случаю, когда пере­

43

стройка топочного режима начинается одновременно с увели­ чением нагрузки. Как видно, тепловыделение (тепловая мощ­ ность топки) возрастает с постоянной времени Tt и достигает значения Qi, соответствующего новой нагрузке D\, через про­ межуток времени %\ (около 120 с в частном случае диаграммы рис. 27). Средняя скорость понижения давления при этом со-

ставит около 8, а максимальная — около 12---- ----- .

МИН

Для уменьшения опасности нарушения циркуляции, кото­ рая может возникнуть при такой скорости падения давления,, прибегают к еще более быстрой перестройке топочного режи­

нием в барабане, отставая от него на величину потери давле­ ния в пароперегревателе 7 кгс/см2.

Этот известный в технике регулирования прием увеличе­ ния потолка регулируемой величины дает возможность при той же постоянной времени быстрее достигнуть необходимого (заданного) значения этой величины при изменившемсярежиме (рис. 29).

При регулировании паровой нагрузки котла дополнитель­ ным благоприятным обстоятельством является уменьшение по­ стоянной времени при увеличении форсировки топки.

Влияние мертвого времени топки тТО< и постоянной вре­ мени на величину максимального понижения давления в бара­ банном котле при ударном приложении нагрузки показано на рис. 30. Предполагается, что ударная нагрузка ДD* = 0,25 и-, что повышение нагрузки происходит в течение 8 с.

44

Как можно видеть на рис. 30, даже увеличение мертвого

•времени топки с 4 до 8 с почти не сказывается на понижении давления, тогда как увеличение постоянной времени топки в два раза приводит к увеличению падения давления больше чем вдвое.

С другой стороны, увеличение форсировки топки с 1,03 до 1,5 при той же постоянной времени, например 120 с, резко улучшает давление. Максимальное его понижение уменьша­ ется примерно в два раза. Таким образом, увеличение по­ толка форсировки эквивалентно уменьшению постоянной вре-

.■менн топки.

для покрытия более плавных и длительных изменений нагруз­ ки следует применять барабанные котлы также с газо-мазут- -ными топками. Барабанные и .прямоточные котлы с пылевыми камерными топками могут служить для регулирования отно­ сительно плавных изменений нагрузки, а слоевые котлы в со­ временных условиях не годятся для регулирования и должны (работать преимущественно с постоянной нагрузкой или по за­ данной программе с медленными изменениями нагрузки.

В табл. 3 указаны области применения различных типов котлов при регулировании нагрузки, а на рис. 31— их по­ стоянные времени (без топки).

Таблица составлена' для максимального понижения давле­ ния в 10%.

45

П р и м е ч а н и е . Пик. уд. — пиковая ударная нагрузка; б. per.— быстрое регулирование; per. гр. — регулирование графика.

Рис. 31

§ 13. Рабочий диапазон нагрузок парового котла

При изменении нагрузки парового котла существенно знать допускаемые отклонения производительности от номинальной, часто называемые регулировочным диапазоном котла.

Нижний предел нагрузки носит название технического ми­ нимума, так как эта минимальная нагрузка определяется только техническими ограничениями. Технические ограниче­ ния наинизшей нагрузки зависят от конструкции топки, вида сжигаемого топлива и типа котла, и поэтому технические ми­ нимумы различны для различных типов котла.

Наименьшая нагрузка барабанных котлов со слоевой топ­ кой определяется устойчивостью циркуляции и составляет для котлов разной конструкции от 25 до 40% номинальной произ-- водительности. Кроме того, технический минимум слоевых котлов ограничивается минимальной скоростью цепной решет­ ки, при которой еще не происходит оголения хвостовых по­ верхностей решетки и не возникает опасности повреждения этих поверхностей.

46

Технический минимум нагрузки камерных пылевых котлов зависит от устойчивости горения факела, т. е. от реакционной способности топлива и от степени экранирования топки, на­ личия и размеров огневых поясов. Наиболее быстро возникает неустойчивость горения и пульсации факела при сжигании таких трудновоспламеняемых топлив, как АШ, частицы кото­ рого размером 100 мкм выгорают при прочих равных усло­ виях в 2,5 раза дольше, чем частицы бурого назаровского угля. Температура воспламенения АШ около 1000° С (рис. 32) против 900° С для донецкого тощего и 550° С для бурого под­ московного угля. Температура «потухания» откоксованных

Рис. 32

частиц АШ равна 1100° С. Недостаточное при малой нагрузке заполнение факелом топочного объема приводит к неодина­ ковому обогреву включенных параллельно трубных панелей НРЧ, что нарушает устойчивость движения воды. Гидродина­ мическая устойчивость снижается также при выключении части горелок при низкой нагрузке. На рис. 33 показано изме­ нение температуры в топке по длине факела при разных на­ грузках. При сопоставлении этих кривых с рис. 32, где изоб­ ражена реакционная способность в зависимости от выхода ле­ тучих для разных топлив, можно сделать заключение, что кри­ тическая нагрузка, при которой возможно погасание факела,, лежит в пределах 50-—60% номинальной. Дальнейшее пониже­ ние нагрузки возможно только при условии перехода на сжи­ гание мазута—-топлива с очень высокой реакционной способ­ ностью, но так как длительная работа на мазуте на пыле­ угольных станциях не предусматривается, этот режим до­ пускается только как аварийный.

Таким образом, установленный с запасом надежности в 10% технический минимум барабанных и прямоточных котлов с камерной пылевой топкой составляет 60—70% номинальной нагрузки.

47

Барабанные котлы с мазутной или с газо-мазутной топкой могут понижать нагрузку до 30—35% номинальной, причем эти цифры определяются устойчивостью циркуляции.

В крупных многокорпусных и однокорпусных прямоточных котлах типа Еп/640, Пп/950 при низких нагрузках возникает тай называемая гидравлическая разверка (отклонения рас­ хода воды или пароводяной смеси через отдельные витки ш от среднего шср) из-за неодинаковых гидравлических сопротивле­ ний и напоров в начале и конце коллекторов, вызванных пре­ образованием динамического напора в статический, а также разной величины нивелирных напоров в отдельных трубах. По этому признаку ограничивают нагрузку двухкорпусных котлов :35% номинальной (при возможности длительной работы одним корпусом) и до 65—70% номинальной для однокорпус­ ного котла независимо от вида сжигаемого топлива и типа топки.

Прямоточные котлы с мазутной или газовой топкой не имеют ограничений по неустойчивости горения или циркуля­ ции, но зато в них возникает опасность пережога труб при низких нагрузках, так как скорость воды в прямоточных кот­ лах прямо пропорциональна нагрузке. Для защиты поверхно­ стей нагрева от пережога при низких нагрузках потребова­ лась бы очень большая скорость при номинальной нагрузке, что вызвало бы большую потерю давления и неоправданно высокий расход энергии на питательные насосы. Поэтому обычно ограничивают нижний предел нагрузки подобных котлов 30%.

В котлах всех типов при низких нагрузках (менее 30—40% номинальной) возникает также опасность пережога труб па­ роперегревателя из-за резкого уменьшения коэффициента теплоотдачи от металла к пару при низких скоростях пара и вследствие этого ухудшения охлаждения труб пароперегрева­ теля. Поэтому установленный для каждого котла технический минимум нагрузки обязательно должен быть проверен на до­ пустимость этого режима для пароперегревателя.

Верхний предел нагрузки у всех типов котлов принима­ ется равным их номинальной производительности. Вообще говоря, увеличение нагрузки котла сверх номинального значе­ ния способствует повышению надежности работы поверхно­ стей нагрева из-за возрастания скорости рабочей среды. Однако при этом увеличивается гидравлическое сопротивле­ ние котла, которое в котлах закритического давления, напри­ мер, и так составляет 50—60 кгс/см2, и одновременно умень­ шается напор питательных насосов. Возникающее в резуль­ тате этого уменьшение перепада давлений в питательных кла­ панах может затруднить регулирование питания котла. При

48

повышенной нагрузке возрастает расход воздуха и дымовых газов, что приведет к увеличению абразивного износа поверх­ ностей нагрева, пропорционального кубу скорости дымовых газов.

Перегрузка котлов недопустима также из-за шлакования топки при форсировке процесса горения в котлах, работаю­ щих на твердом топливе, и из-за вспенивания котловой воды в барабанных котлах при увеличении их нагрузки сверх номи­ нальной. Как шлакование топки, так и вспенивание котловой воды создают опасное аварийное состояние, и поэтому пере­ грузка котлов воспрещается.

Шлакование топки вызывается повышением температуры в топке при ее форсировке выше температуры плавления золы и превращения золы в жидкий расплавленный шлак. Отдель­ ные составляющие золы сравнительно тугоплавки (кремнекислота БЮг 1600—2500, глинозем А120з 2800, окислы железа

FeO, Fe20 3, Рез04 1400, магнезия MgO 1600, щелочи Na20,

К20 800° С), однако при нагревании золы до высокой темпе­ ратуры возникают восстановительные и окислительные про­ цессы с образованием эвтектических смесей с большой вяз­ костью и пониженной температурой плавления. Шлак пла­ вится, налипает на поверхности нагрева, схватывается с ме­ таллом труб и образует наросты, с катастрофической быстро­ той увеличивающиеся в объеме до многотонных глыб. При этом легко возникают аварийные состояния: падение произво­ дительности котла из-за ухудшения теплопередачи, пережог труб поверхностей нагрева, поломка труб и стенок холодной воронки при обвале глыб шлака.

Вспенивание котловой воды — это бурное образование пузырьков пены, взаимно связанных и содержащих воду. Вспениванию содействуют органические вещества, находя­ щиеся в котловой воде: масла, мыла, щелочи. Механизм вспе­ нивания заключается в «набухании» объема пароводяной смеси в барабане котла при повышенной нагрузке из-за уси­ ления парообразования во всем объеме, повышении уровня и уменьшении объема сепарации в барабане котла, в повыше­ нии солесодержания в паре до sI<p критического значения, что приводит к «взрыву» пенообразования и забросу воды в тур­ бину с последующим гидравлическим ударом и повреждением проточной части турбины. С повышением солесодержания котловой воды процессы набухания и вспенивания усилива­ ются и увеличивают унос влаги с паром.

Таким образом, пределы изменения производительности для различных типов котлов могут быть представлены табл. 4.

Существует также экономический предел минимальной на- ' грузки, который определяется характером изменения к. п. д.