Лекции по ТМ и ВО ТЭС

Рис. 3. Деформация элемента трубопроводной трассы в предположении перемещения конца В при отсутствии его поворота

f — прогиб; l — длина элемента: Р — поперечное усилие

Рассматривая неразветвленную пространственную трассу с неподвижными опорами на концах при ее нагреве от монтажной tH до рабочей tp температуры, будем полагать, что тепловые расширения трассы в заданном направлении поглощаются только элементами, перпендикулярными этому направлению, за счет их изгиба. Предполагается, что изгиб этих элементов происходит без поворота их концов. Собственный вес трубопровода по этому методу расчета не учитывается. За счет температурного удлинения элементов в направлении каждой координатной оси при нагреве трассы возникает усилие, передающееся от элемента к элементу. Это усилие Р можно для всех элементов трассы считать одинаковым, и тогда при одинаковых поперечных сечениях элементов (I = const) для перемещений в направлении оси i можно получить соотношения

где i, j, k — условные обозначения координатных осей; т, п — условные номера элементов, ориентированных по направлениям осей j и k соответственно. Аналогичные соотношения получаются для перемещений в направлениях остальных координатных осей. Отсюда следует, что прогибы элементов, расположенных перпендикулярно рассматриваемому направлению, пропорциональны кубам их длин.

1.4. Расчет гидравлических и тепловых потерь трубопроводов

Внутренний диаметр, м, трубопровода определяется по принятой скорости движения среды, исходя из максимального возможного в эксплуатации ее расхода:

где D — расход среды, кг/с; w — скорость движения среды, м/с; ρ - плотность, кг/м3.

Скорость перегретого пара принимается в зависимости от его параметров в пределах 30 — 70 м/с, насыщенного 20 — 40 м/с, в паропроводах к РОУ, БРОУ, предохранительным клапанам 80 — 100 м/с. Скорость воды в нагнетательных трубопроводах принимается 2,5 — 6 м/с, во всасывающих 0,5 — 1,5 м/с. Повышение скорости среды приводит к

уменьшению необходимого диаметра и числа параллельных ниток трубопроводов, т. е. капиталовложений. Одновременно увеличиваются гидравлические потери в трубопроводе, что отражается на снижении тепловой экономичности установки и приводит к увеличению расхода топлива, т. е. эксплуатационных расходов. Чрезмерное повышение скорости среды может вызвать быстрый износ уплотнительных поверхностей арматуры и вибрацию трубопровода. При небольших перепадах давления, когда отношение удельных объемов среды в конце и в начале трассы не превышает 1,2, потери давления в трубопроводе определяются по формуле

где ρср — средняя плотность среды, кг/м3; l - длина трубопровода, м; λ — коэффициент трения прямых участков; ξм — коэффициент местных сопротивлений. Для вентилей при полном открытии ζм = 3÷5, для задвижек 0,4 — 0,7, для обратных клапанов типа «захлопка» 1,5 — 3, для гибов ξм зависит от радиуса гиба и угла поворота и составляет 0,06 — 0,1, для тройников в зависимости от направления потока ξм = 0,14÷0,6.

Коэффициент трения прямых участков λ зависит от относительной шероховатости внутренней поверхности труб и от характера движения потока среды в трубе, определяемого числом Рейнольдса Re = wdв/v. При Re > 2300 поток является турбулентным и коэффициент трения можно определить по формуле

где Ш — эквивалентная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, которую для стальных бесшовных труб можно принять равной 0,18— 0,22 мм (большие значения при сварке с подкладными кольцами).

При скорости среды больше 130 — 150 м/с и при больших перепадах давления в трубопроводах, когда отношение удельных объемов среды в конце и в начале трассы превышает 1,2, применяются специальные методы расчета.

Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду и обеспечения безопасности труда обслуживающего персонала все трубопроводы, имеющие температуру среды выше 45 °С (расположенные внутри помещений) и выше 60 °С (расположенные вне помещений), должны защищаться тепловой изоляцией. Потери теплоты через изоляцию на 1 м длины трубопровода, Вт/м, могут быть определены по формуле

где t1 — температура протекающей среды, °С; t2 — температура окружающего воздуха, принимаемая для помещений равной 25 — 30 °С; α2

— коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху, Вт/(м2 ·°С); dн и dиз — наружные диаметры трубы и поверхности теплоизоляции, м; λиз - коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/(м·°С).

К числу наиболее употребительных теплоизоляционных материалов для трубопроводов относятся минераловатные прошивные в проволочной обертке маты с объемной массой 100 — 200 кг/м3, имеющие λиз = 0,046÷0,058 Вт/(м·°С) и применяющиеся до температуры 600 °С, совелитовые изделия с объемной массой 350 — 400 кг/м3 и λиз = 0,089÷0,093 Вт /(м·°С), с

предельной рабочей температурой 500 °С, асбомагнезиальный шнур, для которого λиз = 0,11 Вт/(м·°С) и предельная температура 400 °С.

Вформуле (35) не учитываются тепловые сопротивления стенки трубы

ипограничного слоя между средой и стенкой, имеющие малые значения. Потери теплоты через изоляцию на 1 м трубы, Вт/м, связаны уравнением теплоотдачи с температурой наружной поверхности изоляции tиз, которая не должна превышать 50 °С:

Совместное решение уравнений (35) и (36) позволяет определить необходимую толщину слоя теплоизоляции. Для определения коэффициента теплоотдачи α2 от поверхности изоляции к окружающему воздуху при свободном турбулентном его движении можно рекомендовать формулу

Грасгофа; Pr = v/a - критерий Прандтля; λв — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·°С); (βв -температурный коэффициент объемного расширения воздуха, °С-1; g = 9,81 м/с2; v — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; а — коэффициент температуропроводности, м2/с. Индекс «в» обозначает воздух за пределами движущегося слоя, индекс «с» — наружную поверхность слоя изоляции.

Развитое турбулентное движение наступает при числах GrB · PrB ≥ 6 · 1010. В качестве определяющего размера /, м, для вертикальных участков трубопроводов принимается высота участка, для горизонтальных — наружный диаметр изоляции. Для вертикальных участков А = 0,15; п = 1/3; для горизонтальных А = 0,5; п = 1/4.

Для уменьшения теплопотерь излучением теплоизоляцию трубопроводов закрывают снаружи листовым алюминием.

Лекция №11

1. Насосы тепловых электростанций

1.1. Основные типы насосов и их характеристики

Насосы предназначены для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. В трубопроводах ТЭС перемещаются жидкости при различных давлениях и температурах: вода, масло, мазут, пульпа, реагенты.

По назначению насосы ТЭС подразделяются на две группы: насосы

основного технологического назначения и вспомогательные. В тепловой схеме электростанций насосы используются для перемещения воды и в основном располагаются в помещении турбинного отделения.

К первой группе относятся питательные, бустерные, конденсатные, дренажные, циркуляционные (охлаждающей воды конденсаторов), сетевые и подпиточные насосы.

Во вторую группу входят насосы технической воды, пожарные, насосы сырой и химически очищенной воды, дозаторы реагентов, подъемные насосы водоструйных эжекторов и газоохладителей генераторов, перекачивающие насосы баков запаса конденсата и обессоленной воды, дренажных и других баков, насосы смывной и эжектирующей воды, багерные и шламовые насосы систем гидравлического шлакозолоудаления, мазутные насосы, маслонасосы систем смазки главных и приводных турбин, электрических генераторов, питательных насосов и мельниц и некоторые другие насосы.

По принципу действия насосы можно разделить на две группы:

объемные и динамические.

Внасосах объемного типа определенный объем перекачиваемой жидкости отсекается и перемещается от входного патрубка к напорному, и ей сообщается дополнительная энергия, главным образом, в виде энергии давления. Насосы объемного типа подразделяются на две группы: вовратно-

поступательного действия и ротационные.

При дальнейшей детализации в первую группу входят поршневые и плунжерные насосы, а во вторую — шестеренчатые (зубчатые), винтовые и пластинчатые.

Внасосах динамического действия приращение энергии жидкости происходит в результате взаимодействия потока жидкости с вращающимся рабочим органом. Принято подразделять эти насосы на две группы: лопастные и вихревые. В лопастных насосах жидкость получает приращение энергии за счет взаимодействия с вращающимися лопастями рабочего колеса. В энергетике преобладающее распространение получили лопастные насосы, которые по направлению потока в рабочем колесе подразделяются на центробежные (радиальные и диагональные) и осевые (рис.1).

Особую группу составляют струйные насосы (эжекторы, инжекторы, гидроэлеваторы). Для перекачки воды в основном применяются лопастные насосы, для масла — лопастные (центробежные) и ротационные (зубчатые и винтовые), для мазута — лопастные и объемные (поршневые). Для дозировки реагентов в питательную и котловую воду используются насосы плунжерного типа.

Струйные насосы (эжекторы) применяются, главным образом, для отсоса воздуха из систем, находящихся под вакуумом, и для откачки воды из затопляемых помещений.

Вбольшинстве случаев объемные и динамические насосы имеют электропривод от двигателей трехфазного тока асинхронного типа, не позволяющих непосредственно осуществлять регулирование производительности плавным изменением частоты вращения. Иногда используются двухскоростные электродвигатели со ступенчатым изменением частоты вращения. Насосы большой мощности и с высокой частотой

резервуар; 12 — приводной электродвигатель; 13 — муфта; МВ — мановакуумметр на всасывающей стороне насоса; М — манометр на нагнетании; G — расходомер

Устройство, состоящее из насоса, двигателя, соединительной муфты (или вариатора частоты вращения) и измерительных приборов, называется насосным агрегатом и входит в состав насосной установки (рис. 2).

Жидкая среда из приемного резервуара по подводящему трубопроводу подводится к насосу, который посредством муфты соединен с приводным электродвигателем. Среда, получив приращение энергии, по напорному трубопроводу подается в напорный резервуар. На напорном трубопроводе установлены запорно-регулирующая задвижка и сужающее устройство расходомера. Для защиты насоса от обратного тока жидкости при случайном отключении двигателя на напорном трубопроводе может быть установлен обратный клапан. Приемный резервуар может располагаться как выше насоса, так и ниже его оси (на рис. 2 второй случай изображен штриховыми линиями). В первом случае на подводящем трубопроводе перед насосом устанавливается задвижка, во втором на нижнем конце подводящей трубы в большинстве случаев располагают обратный (приемный) клапан, обеспечивающий заполнение (заливку) корпуса насоса водой, необходимое для нормального пуска насоса в работу. При отсутствии на всасе обратного клапана при низком расположении приемного резервуара приходится для заливки насоса перед пуском применять специальное (обычно струйное) воздухоотсасывающее устройство. Для предотвращения попадания в насос твердых частиц вход в подводящий трубопровод защищают сеткой. В состав насосной установки могут быть включены дополнительная запорнорегулирующая арматура, предохранительные устройства, приборы для измерения гидравлических и электрических параметров.

Различают объемную и массовую подачу насоса.

Объемная подача Q есть объем жидкости, подаваемой насосом через напорный патрубок в единицу времени, и измеряется в м3/с. Массовая подача Qм измеряется в кг/с и представляет собой массу жидкости, подаваемой насосом через напорный патрубок в единицу времени. Между объемной и массовой подачами существует соотношение

где ρ — плотность жидкости, кг/м3.

Важнейшей энергетической характеристикой насоса является давление

— давление, которое создается насосом и которое характеризует энергию, сообщаемую жидкости в насосе. Энергия, измеряемая в Дж/м3, равнозначна Па [Н/м2 = Н·м/м3]. Давление насоса определяется по формуле

Здесь рн и рв — абсолютные давления на нагнетании и всасе насоса, Па; сн и св — скорость жидкости на нагнетании и всасе, м/с; zн и zв — высоты, м, точек измерения давления, отсчитываемые от произвольной горизонтальной плоскости сравнения (плоскость 0 — 0 на рис. 2).

В практике широко используется понятие «напор насоса», также связанное с давлением и определяемое зависимостью

С энергетической точки зрения напор насоса, как видно из выражения (4), представляет собой сумму удельных энергий перекачиваемой жидкости на выходе и входе насоса: энергии давления (рн — рв)/ρg, кинетической (сн2 св2)/(2g) и энергии положения zн — zB.

Обычно ZH - ZB и (сн2 св2)/(2g) пренебрежимо малы по сравнению с энергией давления и поэтому напор насоса ориентировочно можно оценить по показаниям манометров на его выходе и входе:

Напор, развиваемый насосом, расходуется на преодоление сопротивления сети Нс, под которым понимают сумму гидравлических потерь Н, повышения давления р1 — р2 изменения кинетической энергии потока (с22 c12)2g и поднятия z = Ннаг - Нпод жидкости (при приемном резервуаре ниже оси насоса z = (Ннаг Нвс ):

Здесь индексы 2 и 1 относятся к двум сечениям — в конце нагнетательного и в начале всасывающего трактов. При работе насоса на конкретную сеть в установившемся режиме соблюдается равенство Н = Нс.

При определении мощности насоса различают полезную мощность,

Коэффициент полезного действия насоса выражается как произведение трех частных КПД, характеризующих отдельные виды потерь энергии в насосе:

Здесь ηг — гидравлический КПД насоса или отношение полезной мощности к сумме мощностей полезной и затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе, он может составлять от 0,8 до 0,96; ηоб — объемный КПД насоса, учитывающий дополнительные потери энергии вследствие внутренних протечек через зазоры и концевые уплотнения насоса, составляющий 0,96—0,98; ηмех - механический КПД, характеризующий потери энергии на трение в подшипниках и уплотнениях насоса и от трения

нерабочих поверхностей колес насоса о жидкость (в зависимости от конструкции насоса ηмех, = 0,80÷0,94). Значения КПД современных насосов лежат в пределах ηн = 0,7÷0,9.

Характеристикой насоса динамического типа называется зависимость его основных параметров от подачи Q при постоянной частоте вращения п и при заданных вязкости и плотности жидкости и размерах его рабочих колес

(рис. 3).

Важнейшей считается напорная характеристика H(Q) насоса. Кривые N(Q) и ηн(Q) характеризуют энергетические качества насоса. Кривая Нвс.доп (Q) дает представление о всасывающей способности насоса.

Рис. 3. Характеристика насоса динамического (лопастного) типа

Н — напор, развиваемый насосом; N потребляемая мощность; ηн — КПД насоса; Нвс.доп — допустимая высота всасывания; Q — подача насоса; п и d2 — частота вращения и наружный диаметр рабочего колеса; ηн.макс -точка максимального КПД насоса; Нмакс — точка максимального напора насоса; Qэк — подача насоса при максимальном КПД; Qн.макс

— подача насоса при максимальном напоре

На характеристике выделяется рабочая часть — зона, в пределах которой рекомендуется длительная эксплуатация насоса, определяемая допустимым снижением его КПД (на 2—3 % его максимального значения). На характеристике насоса выделяются режимы экономический, соответствующий наибольшему КПД, и номинальный, обеспечивающий заданные технические параметры работы. Оба эти режима находятся в пределах рабочей части характеристики.

Характеристики насосов обычно получают экспериментальным путем. Форма характеристики насоса зависит от конфигурации его проточной части, соотношения кинематических параметров потока в проточной части, вязкости жидкости и от некоторых других факторов. Различают два вида напорных характеристик (рис. 4): стабильную и нестабильную. При стабильной характеристике напор непрерывно снижается от его значения при

Q = 0 на всем диапазоне подач. В этом случае каждому значению напора соответствует единственное значение подачи.

При нестабильной характеристике лишь на определенной части кривой напор уменьшается с увеличением подачи. Точка максимума Hмакc делит напорную характеристику на две ветви: западающую Q < Q и ниспадающую Q > QHмакс. При нестабильной форме характеристики одному значению напора Нi в диапазоне от H0 до Hмакс соответствуют два значения подачи Qi1 и Qi2.

График N (Q) называется кривой мощности, его вид зависит от типа насоса. В центробежных насосах с увеличением подачи мощность непрерывно возрастает от N0 ≈ (0,4÷0,6) Nэк до Nмакс. В диагональных насосах максимальное значение мощности достигается в режиме Qэк, а при дальнейшем увеличении подачи мощность уменьшается. Осевые насосы потребляют максимальную мощность при нулевой подаче (Q = 0), и с увеличением Q потребляемая мощность уменьшается. В связи с этим во избежание перегрузки электродвигателя центробежные насосы следует запускать в работу при закрытой задвижке на напорном трубопроводе, а диагональные и осевые — при открытой.

Рис. 4. Формы напорных характеристик насосов а — стабильная; б — нестабильная (западающая); Нмакс — максимальный напор; Н0 —

напор при нулевой подаче; Qн.макс — подача насоса при максимальном напоре; Hэк и Qэк — напор и подача в точке оптимального режима работы наcoca (при наибольшем КПД).

Характеристика ηH (Q) имеет максимум (экономический режим; см. рис.3). Для центробежных насосов характеристика имеет пологую форму, благодаря чему рабочая часть получается достаточно широкой. Характеристика допустимой вакуумметрической высоты всасывания Нвс.доп = f(Q) представляется непрерывно падающей кривой. Падение Нвс.доп, при увеличении Q у диагональных и осевых насосов менее значительно, чем у центробежных радиальных.

Для взаимного сравнения лопастных насосов различных конструкций и с различными размерами удобны безразмерные характеристики. В этом случае пользуются характеристиками двух типов: относительными и коэффициентными.

Относительные характеристики (рис. 5, а) удобны для сравнения насосов различных конструкций.

В этих характеристиках текущие значения параметров отнесены к

Коэффициентные характеристики (рис.5, б) удобны для сравнения геометрически подобных насосов. Обычно для серии подобных насосов дается одна группа безразмерных характеристик. В нее входят безразмерные коэффициенты подачи φ, напора ψ и мощности μ, определяемые соотношениями

Здесь d2, и l2 — наружный диаметр и ширина канала на выходе рабочего колеса, м; и2 — окружная скорость на выходной кромке колеса, м/с.

В зависимости от соотношения параметров (Q, H, п) изменяется форма проточной части рабочего колеса насоса. Для ее характеристики в соответствии с заданными параметрами применяется критерий — коэффициент быстроходности насоса:

где j — количество потоков жидкости, соединяемых в рабочих колесах параллельно; i — количество ступеней рабочих колес, соединяемых последовательно.

Рис. 5. Безразмерные характеристики насоса

а — относительная; б — коэффициентная; Q,H,N, н — относительные подача, напор,

мощность и КПД, отнесенные к параметрам оптимального режима; φ, ψ, μ — безразмерные коэффициенты подачи, напора и мощности

Коэффициент быстроходности ns — частота вращения эталонного насоса, мин-1, работающего на воде (ρ = 103 кг/м3) с полезной мощностью 736 Вт при напоре 1 м и максимальном значении КПД. Коэффициент быстроходности определяет тип проточной части насоса при оптимальном режиме.

Для ряда энергетических насосов, например питательных, приходится применять относительную малую быстроходность (ns = 35÷70 мин-1) с целью получения высокого напора при относительно малых подачах.