3.8. Расчеты паровых котлов

При проектировании паровых котлов с целью достижения заданных параметров и характеристик работы котла и обеспечения надежности его работы на всех возможных режимах производятся различные виды расчетов: тепловые, аэродинамические, гидравлические и прочностные. Целью расчетов является создание наивыгоднейшей конструкции котла при заданных типе судна, параметрах работы энергетической установки, марки используемого топлива.

Тепловой расчет котла является основным видом расчета и обычно состоит из двух частей: расчета теплообмена в топке котла (лучистого теплообмена), и расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева (конвективного теплообмена).

Основными задачами расчета теплообмена при проектировании паровых котлов являются:

• определение количества тепла, переданного от теплоносителя (горячих газов) нагреваемой среде в топке котла и в каждой конкретной поверхности нагрева;

• определение температуры газов на выходе из топки и из каждой конкретной поверхности нагрева.

Исходными данными для теплового расчета котлов являются:

• полная заданная паропроизводительность котла – , [кг/с]; (в том числе паропроизводительность по насыщенному (или охлажденному) пару , [кг/с] );

• заданные параметры перегретого пара за главным стопорным клапаном – [^oC]; [МПа];

• заданное рабочее давление пара в котле – , [МПа];

• заданная температура насыщенного (или охлажденного) пара – (), [^oC];

• заданная температура питательной воды – , [^oC];

• заданная температура подаваемого в топку воздуха – , [^oC];

• марка и теплота сгорания топлива – , [МДж/кг].

Для утилизационных котлов, работающих от теплоты выхлопных газов других типов двигателей, дополнительно задаются следующими значениями:

• температурой выхлопных газов ДВС (ГТД) перед котлом – , [^oC];

• средним коэффициентом избытка воздуха для данного двигателя – ;

• мощностью двигателя – , [кВт];

• удельным расходом топлива в двигателе – [кг/кВтч];

• маркой топлива для данного типа двигателя – , [МДж/кг].

Целью расчета теплообмена в топке котла является определение количества теплоты, переданной излучением факела радиационным поверхностям нагрева котла и определение температуры газов на выходе из топки при известной площади лучевоспринимающей поверхности. Иногда может стоять обратная задача: определение площади лучевоспринимающей поверхности, достаточной для восприятия заданного количества теплоты. Искомой величиной при расчете теплообмена в топке является температура газов на выходе из топки.

Расчет теплообмена в топке очень сложен. Излучение горящего факела и физическая структура пламени настолько сложны и многообразны, что учесть все факторы, влияющие на распределение тепла факела в топке, и создать точную математическую модель для этих явлений практически невозможно. В настоящее время используются несколько приближенных методов расчета теплообмена в топке, основным из которых является метод ЦКТИ. Температура газов на выходе из топки, определенная в результате теплового расчета топки, является исходными данными для расчета конвективного теплообмена.

Целью расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева является:

• определение количества теплоты, переданной от теплоносителя нагреваемой среде, и температуры продуктов сгорания за каждой конкретной конвективной поверхностью нагрева;

• определение наивыгоднейшей компоновки и размеров поверхностей нагрева.

Основными уравнениями, решаемыми при расчетах теплообмена в конвективных пучках труб, являются:

уравнение теплопередачи: , [кДж/ч];

уравнение теплового баланса: , [кДж/ч].

где:

– количество теплоты, переданной через поверхность нагрева,

[кДж/с];

– коэффициент теплопередачи, [кДж/м²с^оС];

– средний температурный напор (разность температур) между

продуктами сгорания и нагреваемой средой, [^оС];

– площадь расчетной поверхности нагрева, [м²];

– коэффициент удержания тепла для каждой конкретной

поверхности нагрева;

– расход топлива, [кг/с];

и – энтальпии продуктов сгорания перед поверхностью нагрева и

после нее.

Данные, полученные в ходе теплового расчета котла, служат основой для аэродинамического, гидравлического расчетов котлоагрегата и являются необходимыми при расчетах котла на прочность.

Целью и задачами аэродинамического расчета парового котла являются:

• определение аэродинамических показателей топки;

• определение аэродинамических сопротивлений воздушно-газового тракта котла на различных его участках;

• определение скоростей движения газов в трубных системах котла;

• определение напора, производительности и мощности воздухоподающего устройства (вентилятора или компрессора).

Для проведения аэродинамического расчета весь воздушно-газовый тракт котла разбивают на отдельные участки, имеющие однородное строение: воздухоподводящие трубы, короб котла, фронты, ВНУ и фурмы, топку, трубные пучки одинакового строения и т.д. Для каждого отдельного участка определяется значение местного сопротивления. Часто значения сопротивлений определяют экспериментальным методом с помощью продувки модели участка в аэродинамических устройствах. Полная величина сопротивления (полная потеря давления) ВГТ парового котла определяется как сумма всех сопротивлений, определенных на отдельных его участках.

Результатом аэродинамического расчета является аэродинамическая характеристика котла – зависимость аэродинамического сопротивления ВГТ котла от расхода топлива: , построенная для различных режимов работы котлоагрегата. Обычно аэродинамический расчет выполняют для трех режимов работы котла: стояночного, ходового и форсированного. Результат аэродинамического расчета оформляется в виде графика, который позволяет определить требуемые характеристики воздухоподающих устройств для обеспечения заданных режимов работы котла.

Вслед за тепловым и аэродинамическим расчетами обычно производят гидравлический расчет котла. Необходимость гидравлического расчета вытекает из условий соблюдения температурного режима труб при работе котла. В топках современных высоконапряженных котлов температура газов при сгорании топлива достигает 1800 ÷ 2000 ^оС. В таких условиях повышение температуры металла котельных труб выше допустимой величины приведет к повреждению и перегоранию труб и выходу из строя котлоагрегата. Стабильная и длительная работа котла может быть обеспечена только при условии надежного охлаждения поверхностей нагрева. Надежность охлаждения обеспечивается непрерывным движением рабочей среды в трубных системах котла. Если в экономайзерах и пароперегревателях движение рабочей среды всегда является принудительным: в экономайзере – за счет напора питательного насоса, а в пароперегревателе – за счет разности давлений пара в паровом коллекторе и за ГСК, то в трубных системах испарительной части котла с естественной циркуляцией движение рабочей среды осуществляется только за счет разности удельных весов воды и образующейся пароводяной смеси. Такое движение рабочей среды называется естественной циркуляцией.

Таким образом, надежность работы котла в целом неразрывно связана с обеспечением надежности естественной циркуляции в циркуляционном контуре.

Расчет ЕЦ выполняется для оценки конструктивного выполнения контуров циркуляции котла, проверки надежности испарительных поверхностей нагрева, и разработки мероприятий по повышению надежности.

Исходными данными для расчета циркуляции являются:

• рабочее давление пара в котле , МПа;

• температура питательной воды , ^оС (температура воды на выходе из экономайзера , ^оС);

• данные теплового расчета котла;

• теоретический чертеж котла.

Для начала расчета ЕЦ по данным теплового расчета определяется тепловосприятие трубных пучков испарительной части и тепловосприятие каждого ряда труб. Общее тепловосприятие ряда труб выражается как сумма тепла, воспринятого рядом при лучистом и конвективном видах теплообмена.

Расчет ЕЦ основан на совместном решении системы уравнений, выражающих условия установившейся естественной циркуляции:

[кг/сек]

[Па]

где:

– скорости движения среды в опускных и подъемных трубах;

– площади сечения опускного и подъемного участков контура;

– полезный напор естественной циркуляции;

– гидравлическое сопротивление опускного участка контура.

Решение производится графо-аналитическим способом, предложенным ЦКТИ. Этот способ предусматривает расчет и построение гидравлических характеристик каждого подъемного ряда, суммарной гидравлической характеристики подъемной части контура и гидравлической характеристики опускной части контура (рис. 41). Гидравлическая характеристика подъемного ряда труб представляет собой зависимость полезного напора ЕЦ от расхода среды через ряд:

Рис. 41. Графическое определение условий установившейся циркуляции в контуре

(к гидравлическому расчету котла)

Гидравлическая характеристика подъемной части контура представляет собой зависимость полезного напора естественной циркуляции от расхода воды через все подъемные ряды контура:

, где

Гидравлическая характеристика опускной части контура представляет собой зависимость гидравлического сопротивления опускного участка от расхода среды через него:

.

Графическим решением системы уравнений является точка пересечения гидравлических характеристик опускной и подъемной частей контура. Этой точке соответствуют: фактический расход среды через контур циркуляции ; значение фактического полезного напора для подъемной части контура и значение гидравлического сопротивления опускного участка (рис. 41).

По значению полезного напора ЕЦ находятся (графически) фактические расходы среды через каждый ряд подъемных труб контура . По значениям фактических расходов среды через подъемные трубы определяются:

• паропроизводительность контура циркуляции;

• кратность циркуляции каждого ряда труб;

• средняя кратность циркуляции контура.

После проведения расчета производится оценка надежности естественной циркуляции на предмет отсутствия явлений застоя и опрокидывания циркуляции, расслоения пароводяной смеси, и достижения значения предельной кратности циркуляции.

Прочностной расчет производится как при проектировании нового котлоагрегата, так и при установлении Регистром допустимого рабочего давления пара в котлах, находящихся в эксплуатации. Целью прочностных расчетов является обеспечение условий надежной эксплуатации и безопасной работы котла на всех режимах его работы.

Детали работающего котла испытывают значительные механические напряжения от воздействия давления пара. В современных судовых паровых котлах давление пара достигает значений 3,5 ÷ 10,0 МПа. Детали котла подвержены также воздействию высоких температур. Даже у котлов низкого давления температура стенок труб испарительной части доходит до 200 ÷ 220 ^оС, а у пароперегревателей – до 450 ÷ 500 ^оС и выше. Следовательно материалы, используемые при постройке котла, должны сохранять достаточную механическую прочность в условиях воздействия на них высоких температур.

В водотрубных котлах условия общей надежности определяются прежде всего достаточной прочностью тех элементов, которые находятся под внутренним давлением воды и пара. К их числу относятся паровые и водяные коллекторы, цилиндрические камеры, коллекторы пароперегревателей и экономайзеров, трубы большого диаметра и поверхностей нагрева.

При оценке надежности котла по прочностным показателям необходимо выполнять также расчеты конструктивных элементов котла, не испытывающих нагрузок от давления пара. Этими элементами являются опоры, каркас и обшивка котла, лазы, элементы крепежных соединений, арматуры и т.д.

Детальные расчеты элементов котлов обычно выполняют с преимущественным использованием эмпирических методов конструкторских бюро и заводов-строителей котлоагрегатов. Расчетные формулы периодически корректируются на основании данных, накопленных опытом проектирования котлов, их постройки и эксплуатации. При этом используются также результаты последних исследований в области конструктивных расчетов и определения механических свойств материалов, применяемых для постройки котла.

судовые паровые ТУРБИНЫ