книги из ГПНТБ / Андрющенко А.И. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС учеб. пособие

б) при определении коэффициента теплопередачи — по (4-28)

Как уже было отмечено, если в парогенераторе применяется рецир­ куляция газов, то для поверхностей нагрева, располагаемых до места отбора рециркулирующих газов, к произведению fwiBNi необходимо прибавить произведение величин /viEpi, определяемых по приведенным выше формулам. В соответствии с этим (4-37) примет вид

В том случае, когда в рассматриваемом газоходе располагается только одна поверхность нагрева, конечные зависимости (4-37) и (4-40) с учетом (4-35) легко приводятся к виду (4-26) и (4-26'). После определения оптимальной величины сечения газоходов можно найти по (4-35) соответствующие ему оптимальные скорости газов в каждой поверхности нагрева.

Прим ер 4-3. Определим оптимальное сечение опускной шахты однокорпус­

в нижнюю часть топки. В данном варианте парогенератора в опускной шахте последовательно по ходу газов располагаются весь второй промежуточный пере­ греватель, входная ступень первого промежуточного перегревателя и водяной эко­ номайзер. Второй промежуточный перегреватель имеет прямоточную схему вза­ имного движения греющей и обогреваемой сред, остальные поверхности — противоточную. Все поверхности нагрева имеют шахматное расположение труб, поэтому г = 0,60; р = — 0,27. Остальные конструктивные характеристики ука­ занных поверхностей нагрева приведены в табл. 4-4. Там же приводятся основ­ ные результаты тепловых, аэро-и гидродинамических расчетов.

Расчетные стоимости 1 м2 поверхности нагрева экономайзера, первого (вход­ ная ступень) и второго промежуточных перегревателей соответственно составляют 48,5 и 48,2 руб/м2. При определении годовых расходов на 1 ма каждой поверх­ ности нагрева и на 1 кВт дополнительной мощности вентиляторов, рециркуля­

ПО

IV . О кончательны е рез ультаты о г т ш и з а ц и и

111

глубину указанной шахты. В приведенном примере при ширине, равной 31,25 м, оптимальная глубина опускной шахты получается 9,68 м.

Расчеты, проведенные применительно к различным вариантам га­ зомазутного парогенератора, позволяют выявить влияние наддува, фактора надежности, температуры газов, сопротивлений по паровому тракту и скоростей пара на величину шопт, а также установить до­ пустимые пределы отклонения скорости газов от оптимального значе­ ния. В результате можно отметить следующее:

1. Применение наддува повышает оптимальную скорость газов по сравнению с ее значением в парогенераторах с уравновешенной тягой на 12ч-19%.

2. При прочих равных условиях снижение средней температуры газов в пакете приводит к уменьшению оптимальной скорости газов до 4ч-8% на каждые 100° С.

3.Неучтенные изменения гидравлического сопротивления по па­ ровому тракту промежуточных перегревателей обусловливают зна­ чительные ошибки при определении ^ 0пт:11ч-14% для пакетов из аустенитной стали и 20ч-30% — из перлитной стали. Неучтенные же изменения гидравлического сопротивления по водяному тракту эко­ номайзеров дают несущественное занижение &уопт (не более чем на 1,5%).

4.В коридорных пучках труб величина оптимальной скорости существенно выше, чем в шахматных.

5.Снижение скорости пара в 2,5ч-3,0 раза приводит к уменьшению оптимальной скорости газов на 10ч-12%.

6.Отклонение скорости газов от оптимального значения на 20ч25% вызывает возрастание расчетных затрат всего лишь на 2ч-3% . Допустимые широкие пределы изменения скоростей газов дают воз­

можность конструктору выбирать скорости газов в отдельных пакетах

сучетом требований унификации газоходов.

§4-2. ОПТИМАЛЬНЫЕ СКОРОСТИ ПАРА В ПЕРВИЧНЫХ

ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯХ

Скорости пара в пароперегревателях парогенераторов wn опреде­ ляют температурные условия работы металла поверхностей нагрева, капиталовложения в них и затраты энергии на преодоление гидравли­ ческих сопротивлений в цикле паротурбинной установки. Выбор ско­ рости пара существенно зависит от особенностей тепловой схемы паро­ генератора и турбоустановки, а также от температурной зоны разме­ щения отдельных пакетов основного и промежуточных пароперегре­ вателей. Ступени нагрева первичного перегревателя, размещаемые в зо­ не высоких температур газов (1000ч-1300° С), выполняются, как пра­ вило, в виде ширм. Для них температуры tn и массовые скорости пара рwn выбираются из условий надежного охлаждения металла поверх­

112

ностей нагрева. Здесь наиболее целесообразной является прямоточ­ ная схема взаимного движения газов и пара. Поэтому наибольший температурный напор (до 900° С) получается в первых ширмах, наи­ меньший (500-у600° С) — в последних. Причем массовая скорость пара в ширмах достигает значений pwu = 1700-^2100 кг/(м2-с).

Конвективные ступени первичного перегревателя располагаются в зоне более низких температур газов (< 1100° С). В них повышение скорости пара приводит к уменьшению толщины стенок труб поверхностей нагрева и капиталовложений в них. Причем сами по­ верхности нагрева меняются несущественно. В этом случае оптималь­ ная скорость пара определяется по минимуму годовых расчетных затрат на рассматриваемый пакет пароперегревателя, турбоустановку и заме­ щаемую мощность электростанции. Тогда условие оптимума аналити­ чески выражается так:

Каждая из величин К и N представляет определенную функцию от wn. Зависимость капиталовложений К от wn найдем с учетом изме­ нения температуры tcт и толщины б стенок труб пароперегревателя, а также размеров его поверхности нагрева и стоимости металла Цм, руб./кг. При заданном внутреннем диаметре труб dB перегревателя с увеличением wu поверхность нагрева F будет уменьшаться как за счет роста коэффициента теплопередачи k, так и вследствие уменьшения наружного диаметра труб d.

Для сокращения записи воспользуемся общеизвестными норматив­

^= (6AM)[1/(P + 1)), (м2-°С)/Вт;

Яи> = (1/Рн-)[8 + 1/(«к + «л)]. (м2-°С)/Вт;

km — коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине га­

р — отношение наружного диаметра трубы к внутреннему; р — ко­

113

где аб и be — коэффициенты, характеризующие результаты линеари­ зации зависимости допускаемого напряжения от температуры. Чис­ ленные значения этих коэффициентов для различных марок сталей и температурных условий их работы приведены в табл. 4-5.

Т а б л и ц а 4-5

Используя уравнения теплообмена и теплопередачи и известные геометрические соотношения между толщиной стенки и весом металла,

где tnq — множитель, зависящий от плотности металла рм, среднего температурного напора Atcv и повышения энтальпии пара Агп в иссле­ дуемом пароперегревателе (или его пакете), а также от наружного диаметра труб, кВт-руб./(м4 • °С):

114

где

^ £ £ MH -(3 /8 )(V f№ fn );

/п — проходное сечение по пару, м2; | мг — коэффициент местного сопротивления.

Используя дифференциальную зависимость (2-121), можно записать

dwni ЗАщ

Здесь и в дальнейшем дополнительным индексом «1» будем обозначать величины, относящиеся к паровому тракту основного (первичного) пароперегревателя.

Используя (2-123) и (3-44), можно найти величину производной dN/dApx. Для наиболее распространенной схемы блока, показанной на рис. 3-8,

пара на деаэратор и в системе ПНД.

Заметим, что в сравнительно узком диапазоне изменения величины

ченное значение dN/dwnl и выражение (4-47) в (4-41), после несложных преобразований окончательно получаем

вичного пароперегревателя газомазутного парогенератора для блока мощностью 1200 МВт с параметрами пара рп е -= 25 МПа = 255 кгс/см2; Т пе — 545/545/545° С. Указанный пакет запроектирован из труб 42x8 мм (сталь Х18Н12Т)с коридор­ ным расположением и размещается в горизонтальном газоходе.

По данным теплового и гидродинамического расчетов парогенератора и проч­ ностного расчета выходного пакета первичного пароперегревателя известны сле­

После подстановки приведенных выше величин в (4-54) окончательно полу­ чаем а»®"1- = 11,7 м/с.

115

§ 4-3. ОПТИМАЛЬНЫЕ СКОРОСТИ ПАРА В ПРОМЕЖУТОЧНЫХ

ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯХ

К выбору скоростей пара в промежуточных пароперегревателях должны предъявляться особые требования. Если в основных паропере­ гревателях изменение скорости пара приводит к изменению толщины стенок труб поверхностей нагрева и капиталовложений в них, то в про­ межуточных пароперегревателях толщина стенок труб очень часто не зависит от скорости пара и выбирается по технологическим сооб­ ражениям больше толщины стенок, рассчитанных по условиям проч­ ности. В зависимости от температурной зоны размещения отдельных пакетов промежуточных перегревателей задача выбора скоростей пара в них должна решаться по-разному.

Для выходных пакетов промежуточных перегревателей, размещае­ мых в области высоких температур газов, скорость пара должна обе­ спечивать надежное охлаждение стенок труб и не допускать увеличе­ ния температуры металла выше предельного значения для данной стали. При этом рассчитанные по условиям прочности толщины стенок труб оказываются нетехнологичными и их приходится принимать зна­ чительно большими. В этих условиях экономически наивыгоднейшим

вкачестве расчетной.

Впромежуточных пакетах промежуточных перегревателей повы­ шение скорости пара приводит к уменьшению толщины стенок труб поверхностей нагрева и капиталовложений в них. В этом случае

станции.

Поскольку входные пакеты промежуточных перегревателей раз­ мещаются в области умеренных температур газов, толщина стенок их труб всегда больше толщины стенок, рассчитанных по условиям проч­ ности, а температура металла — ниже предельных значений. Необ­ ходимость увеличения скорости пара в трубах для надежного охлаж­ дения их стенок отпадает. В указанных пакетах скорость wu и коэффи­ циент теплооотдачи от стенки к пару а а имеют низкие значения. При­ чем коэффициент а 2 становится соизмеримым с коэффициентом тепло­ отдачи от газов к стенке а х и существенно влияет на коэффициент теп­ лопередачи k и на величину поверхности нагрева F. В данном случае увеличение скорости пара приводит, с одной стороны, к уменьшению поверхности нагрева и связанных с ней расчетных затрат и, с другой стороны, к возрастанию расчетных затрат на преодоление гидравли­ ческих сопротивлений рассматриваемого промежуточного перегрева­ теля. Очевидно, в этих условиях имеется оптимальное значение ско­ рости пара.

Рассмотрим теперь кратко методику расчета минимально необхо­ димых и оптимальных скоростей пара в промежуточных пароперегре­ вателях.

116

Минимально необходимая скорость пара

Величину минимального коэффициента теплоотдачи от стенки к паРУ a 2min> Вт/(м2 • СС), обеспечивающего заданную максимальную температуру стенки, можно найти по известной [26] зависимости

При а 2 = а 2т1п температура стенки достигает предельного для данной стали значения /"?. В результате получаем

где tmax — температура пара на выходе из наиболее обогреваемого змеевика рассчитываемого пакета, °С; qmax—тепловая нагрузка в точке максимального тепловосприятия наиболее нагруженной трубы, Вт/ма.

Из критериальной зависимости [26] между скоростью пара и коэф­ фициентом теплоотдачи от стенки к пару находим

Я, — коэффициент теплопроводности пара, Вт/(м • СС); v — коэффи­ циент кинематической вязкости пара, м2/с; dB— внутренний диаметр труб, м; Рг — критерий Прандтля; С, и С, — поправочные коэффи­ циенты, определяются по [26].

По (4-55) и (4-56) построена номограмма (рис. 4-3), позволяющая определить с точностью до 5% значения a 2raln и » Imin в зависимости

но к выходным пакетам промежуточных перегревателей перспектив­ ных парогенераторов с одно- и двукратным промежуточным перегре­ вом пара.

Пример 4-5. Определим минимально необходимую скорость пара в выходном пакете промежуточного пароперегревателя газомазутного парогенератора типа ТГМП-324, предназначенного для работы в блоке мощностью. 300 МВт. Пакет за­ проектирован из труб 0 42 x 3 ,5 мм (сталь Х18Н12Т) с шахматным расположе­ нием труб и размещается в опускной шахте парогенератора.

117

Оптимальная скорость пара

Повышение скорости пара в каждом пакете промежуточного паро­ перегревателя ffi'n приводит к снижению капитальных вложений К в его поверхность, расхода топлива В в парогенераторе и полезной мощности блока N. Соответственно увеличивается замещаемая мощ­ ность КЭС. Условие оптимума:

Дополнительные гидравлические сопротивления в промежуточ­ ных перегревателях можно преодолевать либо путем увеличения дав­ ления пара на входе в перегреватель при постоянном давлении на вы-

118

ходе из него, либо, наоборот, за счет снижения давления пара за пере­ гревателем при постоянном давлении на входе. Первый случай пред­ ставлен на рис. 4-4 и 4-5 штриховыми, а второй — штрих-пунктир­ ными линиями. Указанные случаи следует рассматривать как ограничи­

вающие ряд промежуточных случаев, когда одновременно оба давле­ ния (до и после перегревателя) изменяются в различных соотноше­

ниях.

Изменение давления в точке 2 на рис. 4-4 или 4 на рис. 4-5.

где g — относительный расход пара в соответствующем цилиндре турбины (до отвода на промежуточный перегрев).

Применительно к тепловой схеме блока, приведенной на рис. 3-8, для первого промежуточного перегревателя g = 1, для второго

8 = 1 — ^1-

119