Гидравлический расчет контура с естественной циркуляцией парового котла

Исходными данными к расчету являются результаты теплового расчета и конструкторская проработка котла.

В ходе расчета будет выполнено:

• определение тепловосприятия панелей;
• выбор расчетного контура;
• расчет контура циркуляции;
• оценка надежности контура циркуляции

Проблема надежности охлаждаемых рабочей средой поверхностей нагрева котельных агрегатов является одной из важнейших в современной теплоэнергетике. С увеличением мощности котельного агрегата и его размеров возрастают неизбежные отклонения режимов его отдельных частей от расчетных, увеличивая тем самым вероятность их повреждений. Выполнение оборудования электростанций в виде отдельных блоков приводит к остановке энергоблока практически при каждом повреждении трубной системы котельного агрегата.

Развитие современной теплоэнергетики и энергомашиностроения характеризуется широким внедрением в практику мощных энергетических блоков с паровыми котлами большой паропроизводительности на докритические и сверхкритические давления пара. Для инженеров-теплоэнергетиков очень важно знать законы гидродинамики и теплообмена, для того, чтобы обеспечить надежную работу котельных агрегатов. Знание закономерностей протекания этих процессов позволит вырабатывать и поддерживать надежные режимы работы паровых котлов в эксплуатационных условиях, которые становятся сложнее с каждым годом. Это связано с использования различных топлив, в том числе низкосортных.[1]

Расчет начинается с разделения экранов топочной камеры на испарительные панели.

Для этого определяем:

• Количество экранных труб, принадлежащих одной плоскости фронтового (тыльного) экрана

• Количество экранных труб фронтового экрана

z_ф=z₁+2·z_ск, шт.

• Количество экранных труб тыльного экрана

z_тыл=z_ф, шт.

• Расстояние по осям крайних труб бокового экрана

С= b_т–2 А, мм.

• Количество труб одного бокового экрана

• Общее количество экранных труб, расположенных в топочной камере

Разделение стен топочной камеры на испарительные панели показано на рисунке 1.

Рисунок 1- Разделение стен топочной камеры на панели

 

Экран делим на число панелей и определяем количество экранных труб, принадлежащих каждой панели в  отдельности.

Согласно [2, стр. 81] при эскизном проектировании для котлов среднего давления рекомендуется принимать площадь внутреннего поперечного сечения опускного звена в диапазоне

Распределение тепловой нагрузки по контурам

Исходные данные для расчета естественной циркуляции

Исходными данными для расчета естественной циркуляции являются результаты тепловых расчетов испарительных поверхностей нагрева котла.

Величины а_т, b_т, h₂, l_под, F_гор-л, l_фр, l_тыл, h₁, b_л были найдены ранее в расчете топочной камеры.

Находим площади экранов F (фронтового, тыльного, боковых стен, потолка, выходного окна), коэффициент тепловой эффективности для поверхности нагрева ψ. Отсюда определяем эффективную тепловоспринимающую поверхность потолочного пароперегревателя

Суммарная тепловоспринимающая эффективная поверхность

Средняя удельная тепловая нагрузка радиационных поверхностей нагрева топки [3, стр. 223]

Выбираем тип горелок и расположение на стенах топки

Тепловая нагрузка потолочного экрана (пароперегревательная поверхность)

Определяем распределение тепловосприятий по стенам топочной камеры, где необходимо учесть расположение горелочных устройств, тепловая нагрузка по стенам должна быть равномерной   [1, стр. 32].

Коэффициент неравномерности тепловосприятий по стенам топочной камеры (для тыльной, фронтовой и боковых стен равны), [1, стр. 31]

Тепловая нагрузка экрана

q_л.в^шпп – удельная тепловая нагрузка выходного окна, в этой величине учитывается неравномерность тепловосприятия по высоте и коэффициент тепловой эффективности выходного окна.

Проверка тепловых нагрузок в экранах топочной камеры

Невязка:

Определение тепловосприятия панелей фронтового экрана, тыльного и боковых панелей

Фронтовой экран состоит из четырех панелей рис 1.

Согласно [1, стр. 33], коэффициент неравномерности тепловой нагрузки по ширине стены топочной камеры, составит.

Эффективная тепловоспринимающая поверхность нагрева панели экрана

Поскольку котел симметричен, панели эффективные поверхности нагрева.

Тепловосприятие экрана

Определение тепловосприятий панелей боковых экранов

Эскиз бокового экрана представлен на рисунке 2

Рисунок 2 — Эскиз бокового экрана

Проверка паропроизводительности котла

Суммарное тепловосприятие

Паропроизводительность всех контуров

Так как вся питательная вода после экономайзера поступает на промывочный щит, часть пара пойдет на подогрев воды в барабане до кипения. Поэтому в пароперегреватель будет поступать

Разверка паропроизводительности экранов

Обоснование выбора расчетного контура циркуляции

 

Выбираем по тепловосприятию и ожидаемому сопротивлению панели.

Применяем следующую градацию по ожидаемым гидравлическим сопротивлениям: среднее, очень высокое.

Чем меньше расход в контуре, тем менее он надежен. Проведя анализ выбираем для расчета контур экрана который является самым ненадежным.

Эскиз расчетного контура циркуляции на рисунке 3

Рисунок 3 — эскиз расчетного контура

Расчет естественной циркуляции в расчетном контуре

Согласно [1, стр. 10], участок звена выделяется в отдельный, если:

1. угол наклона отличается более чем на 20^о от угла наклона остальной части трубы при высоте участка не менее 10% высоты контура;
2. удельные тепловосприятия отличаются более чем на 30% от среднего значения при высоте такого участка не менее 10% высоты контура;
3. диаметр участка отличается от остальной части трубы, или раздающие и собирающие тройники;
4. есть не обогреваемые участки высотой более 5% высоты контура.

Если эти условия не выполняются, то участок в отдельный не выделяется, а примыкает к участку выше.

Тепловая нагрузка расчетного контура циркуляции

Согласно [1, стр. 11] полной высотой циркуляционного контура  называется высота от уровня воды в барабане до оси нижнего коллектора, отделяющего подъемное звено от опускного

Н_оп, м

Примечание – В расчете принято, что средний уровень воды в барабане ниже его горизонтальной оси на 150 мм (Рисунок 3).

4.8 Высота экранных труб до обогрева (рисуно 3)

Н_до, м.

Отношение H_до/H_оп

Если высота участка до обогрева меньше чем 5%, то он   не выделяется в отдельный, если больше то выделяется в отдельный.

Аналогично проверяются отношение всех участков к высоте опускного звена: Н_под, H_уч , Н₂, Н₃, Н₄, H₅, H₆

Рассчитываем распределение тепловосприятий по участкам расчетного контура.

Для определения сопротивления расчетного контура находим шероховатость труб и коэффициенты сопротивления опускного звена.

Материал, из которого изготовлены трубы циркуляционного контура (принимается по прототипу) – углеродистая сталь марки 20.

Далее расчеты производим для скоростей 1; 1,5; 2 м/с, где определяем:

— движущий напор в экранных и пароотводящих трубах;

— потери давления в экранных и пароотводящих трубах;

Разница между движущим напором и потерями давления, дает полезный напор звена S_зв.

 

Графическое определение полезного напора в экране и расхода в контуре представлено на рисунке №4.

Рисунок 4 — определение полезного напора в экране и расхода в контуре.

На основании проведенных расчетов, строятся циркуляционные характеристики экрана, пароотводящих труб, подъемного звена в целом в координатах S – G_ц; строятся характеристики сопротивлений опускного звена и водоперепускных труб в координатах . Точка пересечения циркуляционной характеристики звена с характеристикой сопротивлений опускного звена дает расчетный расход в контуре G_ц, которому будет соответствовать расчетный полезный напор в экране S_расч (рисунок 4).

Определение надежности естественной циркуляции в расчетном контуре

Согласно [1, ст.84,85] полученные при расчётах циркуляции, значения расчётного полезного напоров в экранных трубах и расхода воды в контуре не определяют надёжность работы контура, они лишь позволяют провести проверку ряда положений и критериев, к которым относятся:

• Отсутствие застоя и опрокидывания циркуляции;
• Отсутствие нарушений нормальной работы опускных звеньев каждого контура;
• Обеспечение надежной циркуляции при нестационарных режимах работы котла;
• Допустимые температурные режимы обогреваемых участков контуров.

Оценка последних двух критериев в данной работе не проводится.

Появление свободного уровня в слабообогреваемой трубе невозможно, т.к. имеется верхний собирающий коллектор у экранных труб, а также экранные трубы не располагаются выше уровня воды в циклоне.

Проверка отсутствия застоя в слабообогреваемой экранной трубе.

Находим Среднюю приведенную скорость пара на участках

Определяем расчетную высоту экономайзерного участка и средняя приведенная скорость пара в экране

 

Находим среднее напорное паросодержание застоя [1, с.89], φ_заст и полезный напор застоя

Коэффициент запаса по застою

Если  >1,1 то согласно [2, с.23] застоя циркуляции в слабообогреваемой трубе экрана не будет, если меньше то будет.

 

Проверка отсутствия опрокидывания циркуляции в слабообогреваемой экранной трубе

Средняя приведенная скорость пара в подъемном звене при обратном движении среды

Средняя приведенная скорость пара в подъемном звене при обратном движении среды

Суммарный коэффициент сопротивления экрана

Удельный коэффициент сопротивления экранных труб

Z_экр/H_экр

Удельный напор опрокидывания в слабообогреваемой экранной трубе [2, ном.14] S_уд^опр

Полезный напор опрокидывания в слабообогреваемой экранной трубе

S_опр= S_уд^опр хН_экр, Па

Коэффициент запаса по опрокидыванию циркуляции

Если k_опр>1,1 [2, с.24] опрокидывание циркуляции в слабообогреваемой трубе не будет.

 

Ввиду того, что вся питательная вода подается на барботажную промывку пара, недогрев в барабане принимается равным нулю.

Максимально допустимая скорость входа в опускные звенья

Где =0,65м — высота уровня воды в барабане,

=0,25- средний коэффициент сопротивления входа в трубу из барабана [1, стр. 211].

Действительная скорость входа в опускные трубы при расчетном режиме

Если w^пр_оп>w_опд, то кавитации на входе в опускные трубы не будет.

Отношение минимальной высоты уровня воды в барабане над входом в опускную трубу к диаметру трубы

h_ур/d_оп

должно превышать допустимые значения по [1, рис. 6.9]. Чтобы опасность захвата пара вихревыми воронками отсутствовала при всех режимах.

 Список использованных источников

1. И.К.Лебедев Гидродинамика паровых котлов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 240 с., ил.

2. Гидравлический расчет котельных агрегатов (Нормативный метод)/ О.М.Балдина, В.А.Локшин, Д.Ф.Петерсон и др. – М.: Энергия, 1978. – 256 с., ил.

3. С.Л.Ривкин, А.А.Александров Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980. – 424 с.,ил.

4. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод / Издание 3-е, переработанное и дополненное – СПб: Издательство НПО ЦКТИ, 1998г. – 257 с., с ил.