9.2.4.Показатели надежности работы контура циркуляции.

Скорость циркуляции w₀в контурах барабанных котлов высокого давления не превышает 1…1,5 м/с. При плотности среды ρ' = 590 кг/м³(р = 16 МПа) это составит массовую скорость в трубах ρw₀не выше 1000 кг/(м²∙с). Из гидравлических характеристик U-оразных панелей видно, что при малой скорости среды есть опасность перехода в область неоднозначности. Поэтому после расчета контура циркуляции проводится проверка надежности работы контура по следующим направлениям: температурный режим обогреваемых труб; работа опускных труб; работа подъемных труб; надежность циркуляции при нестационарных режимах котла. Температурный режим обогреваемых труб в котлах на давление менее 11 МПа и невысоких тепловых потоках (q_ЭЛ< 400 кВт/м²) может считаться обеспеченным при кратности циркуляции более 4. В котлах высокого давления (более 11 МПа) необходимо проверять экранные трубы на кризис теплообмена и образование в них режимов ухудшенной теплоотдачи (см.гл.10).

Надежность гидродинамики опускных трубв стационарном режиме обеспечена, если нет вскипания воды на входе в них, отсутствует воронкообразование в барабане и нет сноса паровых пузырей в трубы.

Надежность гидродинамики подъемных трубопределяется по исключению свободного уровня для труб, выведенных в паровое пространство, застоя и опрокидывания циркуляции для труб, выведенных в водяной объем барабана или в верхний коллектор.

Определение неоднозначной области, возможность возникновения застоя или опрокидывания циркуляции по гидравлическим и разверочным характеристикам рассматривалось в § 9.1. Необходимо основные результаты этого раздела отобразить с точки зрения надежности циркуляции. Для анализа надежности подъемных труб используем диаграммы циркуляции (в некоторых литературных источниках диаграммы циркуляции называют также гидравлическими характеристиками, что не совсем корректно).

Построим диаграмму циркуляции простого варианта сложного контура (рис.9.46а), состоящего из опускных труб и трех рядов подъемных труб, введенных непосредственно в барабан выше уровня воды. Ряды труб имеют разную интенсивность обогрева: ряд б - средний тепловой поток q_Б= q_СР, ряд а - сильнообогреваемый (q_а> q_СР), ряд в - слабообогреваемый (q_В< q_СР).

Аналогичное решение будет для труб одного контура циркуляции при различном тепловом напряжении по ширине контура. Для каждого ряда строим зависимость S_ПОЛ= f(G_Ц) на рис.9.46б.

При одном и том же расходе G_Цполезный напор у слабообогреваемого ряда меньше других, т.е. S_ПОЛ^В< S_ПОЛ^Б< S_ПОЛ^А. Поскольку три ряда включены параллельно, сумма их полезных напоров S_ПОЛ^КОНТопределяется по условию: G_Ц^КОНТ= G_Ц^А+ G_Ц^Б+ G_Ц^В; ∆p*_ОП= сonst; S_ПОЛ= const.

Пересечение кривых S_ПОЛ^КОНТ= f(G_Ц) и ∆p*_ОП= f(G_Ц) дает рабочую точку А, по которой оределяются величины: G_Ц^Д, действительные значения G_Ц^А, G_Ц^Б, G_Ц^В, при действительном значении S_ПОЛ^КОНТ= ∆p*_ОП

Количество пара, образовавшегося в трубах, определяется по формуле (считаем ∆h^Б_НЕД= 0)

G_П= qH_л/r.

При одинаковой площади нагрева G_П^А< G_П^Б< G_П^В. Сравним G_П^Ви G_Ц^В:

1) G_П^В< G_Ц^Вкратность циркуляции К_Ц^В= G_Ц^В/G_П^В> 1, работа слабообогреваемой трубы в этом режиме возможна;

2) G_П^В> G_Ц^В, K_Ц^В< 1 режим невозможен;

3) G_П^В= G_Ц^В, K_Ц^В= 1, режим возможен;

В слабообогреваемой трубе при кратности циркуляции, равной 1, поступающая вода полностью испаряется, т.е. на каком-то уровне по высоте трубы устанавливается граница жидкой фазы, выше - только паровая фаза.

Этот уровень называется свободным уровнем. Свободный уровень в трубе, выведенной в паровое пространство барабана, появляется при прекращении движения воды вследствие невозможности поднять ее до высшей отметки трубы.

Примем, что свободный уровень в трубах ряда в образовался на высоте, расположенной ниже уровня в барабане на Н_СВ.У(рис.9.46д).

Максимальная высота свободного уровня Н_СВ.У^МАКСбудет при(при отсутствии обогрева или малом обогреве). Учитывая, что S_ПОЛ^В= p*_ОП, формулу для Н_СВ.У^МАКСзапишем в виде

(9.126)

Высота свободного уровня зависит от давления (ρ′, ρ"), интенсивности обогрева () и сопротивления опускных труб (Δp*_ОП), увеличивается при росте давления и сопротивления опускных труб, при уменьшении тепловой нагрузки.

При образовании в обогреваемой трубе свободного уровня в зоне обогрева происходит резкое ухудшение температурного режима, так как теплоотдача к паровой фазе значительно менее интенсивна, чем к воде или пароводяной смеси. Кроме того, непрерывное колебание уровня и температуры стенки вызывает усталостные напряжения в металле. Если свободный уровень находится выше обогреваемой зоны, то его образование менее опасно, но нежелательно, так как при малой скорости движения пароводяной смеси интенсивность охлаждения трубы может оказаться недостаточной.

По графику S^ДВ_ПОЛ= f(G_Ц) определим полезный напор Н^СВ.У_ПОЛ, при котором возможен режим свободного уровня. Для этого по условию G_Ц^В= G_П^Впроведем вертикальную линию до пересечения с кривой S_ПОЛ^Ви получим S_ПОЛ^СВ.У. Для надежной работы слабообогреваемой трубы должен быть запас по свободному уровню

SПОЛСВ.У/ SПОЛКОНТ>1,1…1,2.

(9.127)

Режимы опрокидывания и застоя циркуляциисопровождаются обратным, опускным движением среды в трубах экрана. Поэтому для их анализа необходимо строить полные диаграммы циркуляции, охватывающие подъемное и опускное движение среды.

Рассмотрим контур циркуляции, в котором подъемные трубы введены в водяной объем барабана (рис.9.47а).

Движущий напор

(9.128)

При G = 0 труба заполнена паром, = 1, H_Т.З= 0, тогда движущий напор

При G_Ц> 0 высота точки закипания H_Т.Зрастет, парообразование в трубе уменьшается. Это приводит к снижению движущего напора S_ДВ(рис.9.47б). При опускном движении (G_Ц< 0) S_ДВпри увеличении расхода снижается, но темп снижения меньше, так как при одном и том же массовом паросодержании истинное паросодержание при опускном движении φ_ОПбольше, чем при подъемном φ_ПОД(φ_ОП> φ_ПОД, см. гл. 8). Полезный напор в трубе

SПОЛ= SДВ- Δp*ПОД

(9.129)

График Δp*_ПОДпоказан на рис.9.47б. При подъемном движении Δp*_ПОДположительно, при опускном - отрицательно. Вычитание по (9.129) дает сложный график зависимости S_ПОЛот расхода циркулирующей среды. Видно (рис.9.47б), что эта зависимость имеет зону неоднозначности, лежащую в диапазоне от S^В_ПОЛдо S^Б_ПОЛ, от G_Ц^опдо G_Ц^ПОД. При G_Ц> G_Цпо^ПОД- устойчивое подъемное движение, при G_Ц< G_Ц^оп- устойчивое опускное движение.

Из формулы (9.122) видно, что движущий напор S_ДВи, соответственно, полезный напор S_ПОЛсильно зависят от давления - с ростом давления они снижаются (рис.9.48). При давлении околокритическом и сверхкритическом эти напоры малы и не обеспечивают достаточной скорости движения среды. Поэтому барабанные котлы выполняются на давление до 18-19 МПа (< 0,85 р_КР).

Полные диаграммы циркуляции для высокого и низкого давления по своему виду несколько различаются (рис.9.49 и рис. 9.50).

Рассмотрим полную диаграмму циркуляции слабообогреваемой трубы S^ТР_ПОЛ= f(G) при низком давлении (рис.9.49). Левая часть графика S^ТР_ПОЛ(при G_Ц< 0) лежит существенно выше правой части. На этом же рисунке показаны графики для S^КОНТ_ПОЛи Δp*_ОП. По точке их пересечения А находим действительные S^КОНТ_ПОЛ, G^Д_Ц, расход среды в трубе G_Ц^ТР. По тепловой нагрузке и площади нагрева определяем количество образовавшегося в слабообогреваемой трубе пара G_П^ТР. При G_П^ТР> G_Ц^ТР- нормальный режим циркуляции; при G_П^ТР= G_Ц^ТРпоступающая в трубу вода испаряется, пар барботирует через слой жидкости и уходит в барабан, верхняя часть трубы, соединенной с водяным объемом барабана, заполнена водой. Скорость подъема пара мала. Возможен и третий случай, когда G_П^ТР< G_Ц^ТР. При этом происходит подпитка трубы водой из барабана в количестве G_ПОДП= G_П^ТР- G_Ц^ТР. Из-за встречного движения воды скорость пара еще снижается.

Застоем циркуляцииназывается медленное перемещение в обогреваемой трубе воды вверх или вниз, а пара - вверх, при котором возможен застой отдельных паровых пузырей в гибах, сварных стыках, отводах и т.п. Такой режим неустойчив, вызывает пульсацию в трубе и контуре, охлаждение трубы ухудшается.

По графику S_ПОЛ^ТР= f(G_Ц) при G_П^ТР= G_Ц^ТРопределяется полезный напор застоя S_ПОЛ^ЗАСТ. Коэффициент запаса на застой циркуляции

SПОЛЗАСТ/ SПОЛКОНТ> 1,1…1,2,

(9.130)

где S_ПОЛ^КОНТ- действительный полезный напор контура.

Нижняя граница зоны многозначности соответствует полезному напору в точке минимума В (рис. 9.49). При этом напоре возможен переход с положительной ветви кривой на отрицательную, т.е. произойдет опрокидывание циркуляции. Напор в точке В поэтому называется полезным напором опрокидывания S_ПОЛ^ОПР. Вода, движущаяся сверху вниз, препятствует подъему пара, и пар скапливается в трубе, происходит запаривание трубы, что может привести к аварийному пережогу трубы. Такой режим недопустим. Проверка на опрокидывание проводится по формуле

SПОЛОПР/ SПОЛКОНТ> 1,1…1,2.

(9.131)

Из рис.9.49 видно, что при низком давлении запас на опрокидывание циркуляции больше, чем на застой, поэтому при нарушении режима в контуре в слабообогреваемой трубе может быть застой циркуляции. При высоком давлении (рис.9.50) левая часть графика S_ПОЛ^ТР= f(G) расположена ниже, чем при среднем и низком давлении.

Полезный напор опрокидывания может оказаться меньше, чем S_ПОЛ^ЗАСТтогда при нарушении режима работы контура в слабообогреваемой трубе произойдет опрокидывание циркуляции.

Аналогичную проверку надежности работы контура циркуляции можно проводить и по полным гидравлическим характеристикам вертикальных труб и контура в целом (рис.9.51).

Надежность циркуляции при нестационарных режимахкотла определяется скоростью изменения давления в котле. Изменение давления в контуре может быть вызвано резким изменением нагрузки, расхода топлива, давления, уровня в барабане.

Максимальная скорость изменения давления в котле возможна при мгновенном прекращении отбора пара турбинами при неизменном расходе топлива или при прекращении подачи топлива при неизменном отборе пара и в первую минуту времени составляет (для котлов с давлением 10…20 МПа) 0,03…0,05 МПа/с, через 5 мин скорость падает в 2 раза, а через 10 мин - в 4 раза.

При падении давления в опускных трубах возможно вскипание воды за счет теплоты, аккумулированной металлом труб, их изоляцией и водой. Кипение воды не допускается при скорости потока менее 0,8 м/с. Если скорость потока более 0,8 м/с, то кипение воды допускается в пределах, не приводящих к застою и опрокидыванию циркуляции в подъемных трубах. Дело в том, что при вскипании воды в опускных трубах сопротивление Δp*_ОПувеличивается, увеличивается и действительное значение S_ПОЛ^КОНТ, запас на застой и опрокидывание в слабообогреваемой трубе уменьшается (при постоянных S_ПОЛ^ЗАСТи S_ПОЛоп) (рис.9.52).