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

котла при изменении нагрузки. Для большей части паровых котлов этот «экономический» минимум лежит в пределах по­ ловинной нагрузки. При снижении нагрузки ниже 50% к. п. д. котла начинает резко падать и с точки зрения экономической работа его становится невыгодной.

§ 14. Растопочная характеристика парового котла

Растопочная характеристика является одной из самых важных для парового котла. Она показывает зависимость из­ менения основных его параметров (давления и температуры пара) от времени растопки.

Растопкой называют не только собственно разжигание фа­ кела и установление устойчивого горения в топке котла, НО' весь процесс доведения котла до рабочего состояния, при ко­ тором его параметры будут иметь нормальные значения и он сможет быть подключен к паропроводу для постоянной ра­ боты.

Основной трудностью растопочного процесса является необ­ ходимость нагрева отдельных разнородных элементов котла от температуры окружающей среды, которую они имели в холодном состоянии, до рабочих значений в 300—600° С. Так

ведении растопки могут привести к аварийным повреждениям котла. Общеизвестно, что больше половины всех аварий на. котлах происходит именно в период их растопки или расхола­ живания.

Процесс растопки делится на два этапа: заполнение котла водой и собственно растопка, сопровождающаяся повышением давления и температуры. Во время обоих этапов возможно по-

50

явление опасных температурных напряжений в металлических элементах котла.

§ 15. Температурные напряжения

Температурные напряжения возникают в стенках металли­ ческих труб, коллекторов, барабанов котла при нагреве их в процессе растопки и продолжают существовать при установив­ шемся тепловом состоянии котла. В обоих случаях эти напря­ жения пропорциональны перепаду температуры в стенке тру­ бы, однако при неправильном ведении растопки котла они могут достигнуть опасных разрушающих значений, так как температурные градиенты зависят от скорости повышения температуры, т. е. от скорости растопки.

Через стенки барабанов и коллекторов котла в установив­ шемся тепловом состоянии передаются лишь потери тепла. При этом основной перепад температуры ложится на тепло­ вую изоляцию и тепловые напряжения в стенках элементов котла при установившемся режиме практически отсутствуют.

Наоборот, тепловая нагрузка кипятильных, экранных и пароперегревательных труб очень велика, и поэтому в их стен­ ках возникают значительные температурные перепады не только при растопке, но и в рабочем режиме.

Температурные напряжения щ накладываются на постоян­ но действующие в рабочем режиме напряжения от внутрен­ него давления ар и, будучи одного знака с ними на внутрен­ ней поверхности труб (растягивающими), увеличивают общее напряжение материала труб во время работы котла: <

а = аГ Т ар-

Напряжения от внутреннего давления ар на внутренней поверхности трубы могут быть подсчитаны по формуле [5]

где |3 — отношение наружного диаметра трубы к внутреннему, а температурные напряжения определятся по выражению

стали; Ест — модуль упругости стали; М° — температурный перепад в стенке трубы.

Рис. 34

На рис. 34 показаны суммарные напряжения на внутрен­ ней поверхности труб при различных их диаметрах, толщине стенки и разной тепловой нагрузке.

Как видно, at значительно повышают общее напряжение материала, в особенности при высоких тепловых нагрузках поверхности нагрева и при наличии накипи. Суммарное на­ пряжение может достигнуть при определенных условиях пре­ дела текучести материала и привести к аварийному разрыву трубы. В особенности велика эта опасность при переходных режимах (при растопке), когда тепловое состояние котла меняется и температурные градиенты, завися от скорости из­ менения температуры (от скорости растопки), становятся переменными по величине. В этом случае для подсчета темпе-

52

ратурного перепада должно применяться не обычное выраже­ ние

Д/° = - Q

Х/8 ’

где Л — теплопроводность и б — толщина стенки, через кото­ рую передается тепловая нагрузка q, а формула

Д* ° = - £ 8 » ° С ,

где w — скорость растопки, град/ч; а — коэффициент темпера­ туропроводности, м2/ч (если с — удельная теплоемкость, а р —■ плотность материала, то коэффициент температуропровод­ ности а = Х/ср) . Если, например, растопка ведется со ско­ ростью w = 200 град/ч, температурное напряжение в стенке барабана, имеющей толщину б = 160 мм, окажется равным:

о ,= 12-10_6-2- 10*--2^щ--0,163= 15,4 кгс/мм2.

Кроме стенок барабана и труб, температурные напряжения могут отрицательно сказаться на развальцованных концах труб, где эти напряжения возникают из-за неодинаковой ско­ рости нагревания толстых стенок барабана и тонких стенок труб.

В этом случае at подсчитывают по формуле

а, = - ^ - £ ст кгс/мм2,

« Н

где d„ — наружный диаметр трубы, мм; AI — разность диамет­ ров трубы и трубного отверстия,

A*=erf„(£p — Q мм.

Вальцованные соединения труб могут расстроиться не только при растопке котла, но и при заполнении котла водой при большой разности температуры воды и металла труб. Особенно опасно заполнение горячего котла относительно хо­ лодной водой. В этом случае питательная вода будет охлаж­ дать барабан и трубы, что неминуемо приведет к ослаблению вальцовки труб и к массовой течи. Именно в связи с этим об­ стоятельством возникло требование ПТЭ, чтобы заполнение котла водой летом продолжалось 1—2 часа при температуре воды, не превосходящей 90° С, а зимой — 2—3 часа при темпе­ ратуре воды не выше 50° С.

Кроме радиальных температурных напряжений в стенках барабанов паровых котлов в период растопки возникают еще аксиальные напряжения из-за неравномерного прогрева верха и низа барабана. Верхняя часть его прогревается значительно

53

пара в несколько раз превышает коэффициент теплоотдачи от

оо

Д £ ° _ Аерх ~~ Ашз O Q

Сжатие

Приведенное напряжение в стенке барабана, обусловлен­ ное совместными механическими и температурными воздейст­ виями, может быть приближенно найдено так:

°пр = V 0 , 5 ( з т — аа) 2 -ф- (о а — ат ) 2 - f - ( а р — ат ) 2,

где (7Т— тангенциальное напряжение в стенке барабана,

ор£)ви .

Т200В ’

оа — аксиальное напряжение в стенке барабана,

Op— радиальное напряжение в стенке барабана,

Подсчитанное по этим формулам приведенное напряжение в стенках барабана котла ТП-170 при его растопке, когда была замерена разность температур между верхом и низом барабана, равная 20° С, оказалось 9,45 кгс/мм2 [6].

При отсутствии разности температур между верхом и ни-

54

зом (которая исчезает при установившемся тепловом режиме) это напряжение было бы всего 5,84 кгс/мм2.

Как можно видеть на рис. 36, иллюстрирующем прогрев барабана котла ТП-170 в период его растопки, наиболее опас­ ными являются первые 1,5—2 часа растопки, когда разность температур превышает 50° С.

Следующим элементом, который требует особого внимания при растопке, является пароперегреватель. На рис. 37 пока­ зана зависимость температуры и давления пара от времени при растопке котла ТП-230. Как видно, перегрев пара растет значительно быстрее давления, и это объясняется относитель­ но небольшим расходом пара через перегреватель во время

растопки. При пониженных скоростях пара коэффициент теп­ лоотдачи от стенки трубы к пару уменьшается по сравнению

сего нормальным значением в 8—10 раз, что может привести

кпережогу труб пароперегревателя во время растопки. Как известно, поэтому при растопке котла требуется усиленная

продувка пароперегревателя паром для его охлаждения.

. Все рассмотренные выше явления ограничивают верхний предел скорости растопки.

Однако очень медленная растопка также неприемлема, так как при этом из-за «ленивой» циркуляции нижние экранные коллекторы будут отставать в нагреве от верхних, что приве­ дет к значительным продольным температурным градиентам в экранных трубах и к их неравномерному удлинению. В ре­ зультате могут возникнуть опасные перекосы экранов, их вы­ пучивание, защемление и другие нежелательные явления.

§ 16. Скорость растопки

Скоростью растопки называют скорость повышения темпе­ ратуры воды в котле. В ПТЭ предписывается производить растопку котлов со скоростью 1,0—1,5°/мин или 60—90°/ч.

55

При этом длительность растопки для котлов до 40 кгс/см2 получается 2—4 ч, до 100 кгс/см2 — 5—6 ч и для котлов свыше 100 кгс/см2 — 8—12 ч. Считается, что такая длительность обес­ печивает надежную растопку без появления опасных темпера­ турных напряжений.

Однако, как видно из графика нормальной растопки котла' ТП-170 (рис. 38), при этой скорости в экранных трубах возни­ кают в отдельные периоды чрезмерные продольные темпера­ турные градиенты, доходящие до 160° С. Это объясняется от­ ставанием нагрева нижнего экранного коллектора, который

догоняет температуру насыщения только на исходе пятого часа растопки.

Ускоренная всего до 1,5°/мин растопка того же котла (рис. 39) дает уменьшение этих опасных температурных гра­ диентов до 75° С, что можно считать уже более допустимым с точки зрения появления деформаций в экранных трубах.

Очевидно, нужно вести растопку с такой скоростью, при которой еще не появляются опасные температурные напряже­ ния в стенках барабана, т. е. при градиентах, не превосходя­ щих 50° С. В этом случае скорость растопки может быть

или ~3°/мин. При этом продолжительность растопки будет сокращена до 2—2,5 часов. Убыстренный пуск барабанных котлов из холодного состояния, как безопасный и рациональ­ ный, все шире применяется в СССР и других странах. В опы­ тах, проведенных в США на котлах высокого давления, ско-

56

рость растопки достигала 220—280° С в час, причем было установлено, что основного внимания требует температурная разность между верхом и низом барабана, а радиальные гра­ диенты в стенке барабана не опасны и с ними в большинстве случаев можно не считаться.

§ 17. Особенности растопки прямоточного котла

Скорость растопки прямоточного парового котла допуска­

(рис. 41). Затем расход воды уменьшают до растопочной на­ грузки, которую обычно принимают равной до 30—35% номи­ нальной производительности котла.

Перегретый пар начинает появляться по истечении 25— 35 минут до начала растопки и достигает номинальной темпе-

57

ратуры перегрева через десять минут. Таким образом, котел можно включать под нагрузку через 40—50 минут, когда дав­ ление и температура пара достигнут номинальных значений.

В последнее время в СССР начали применять схему пуска котлов закритического давления, работающих в блоке с тур­ бинами 300 МВт, обеспечивающую пуск блока и последующую его работу на скользящих параметрах пара (рис. 42).

Как видно из схемы, в перегревательной части котла уста­ новлена встроенная задвижка ВЗ, перед которой присоединя­ ется трубопровод с дроссельными клапанами Др. С помощью

этих клапанов в тракте котла до встроенной задвижки в тече­ ние всего времени пуска поддерживается номинальное давле­ ние, что в совокупности с 30%-ным растопочным расходом пи­ тательной воды обеспечивает надежность температурного и гидравлического режимов поверхностей нагрева до встроен­ ной задвижки. Схема дает возможность пуска блока не только из любого теплового состояния котла, паропроводов и турбины без ущерба для надежности работы оборудования, но и удержания блока в работе при сбросе нагрузки до холо­ стого хода или до нагрузки собственных нужд, а также регу­ лирования нагрузки в широких пределах (регулирование на скользящих параметрах) без опасности для надежности.

§ 18. Прогрев паропровода

Паропроводы, соединяющие котел с магистралью или с турбиной, обычно имеют достаточно большую длину и сложлую конфигурацию, а их отдельные элементы (фланцы,

58

шпильки, стенки труб) значительно разнятся по толщине. По­ этому скорость повышения температуры должна быть такой, чтобы избежать появления опасных температурных напряже­ ний во фланцах, шпильках и стенках труб.

Рекомендуемая ПТЭ скорость повышения температуры со­ ставляет 1—1,5°/мин, и, таким образом, длительность про­ грева паропровода с рабочей температурой, например, 565° С составит 6—10 часов,

Как видно из графика на рис. 43, прогрев стенки 1 самого трубопровода идет достаточно равномерно и опережает про­ грев фланцев 2 и шпилек 3. Возникающие при этом разности

прогрева.

На основании многочисленных экспериментальных исследо­ ваний можно считать безопасными скорости повышения тем­ пературы паропроводов высокого давления в 4—5%шн. На некоторых электростанциях за рубежом применяется скорость прогрева до 10°/мин. Таким образом, можно считать, что в нормах ПТЭ имеется достаточный резерв.

Г Л А В А III РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

И РЕЖИМЫ ПАРОВЫХ ТУРБИН

§ 19. Общие сведения

Паровые турбины, так же как и котлы, могут быть разде­ лены на группы по номинальному давлению: ниже 35 кгс/см2, ■высокого давления (90 и 130 кгс/см2) и закритического

240 кгс/см2.

59