Критерии надежности естественной циркуляции

Болдырев О.Н. Гидравлический расчет паровых котлов с естественной циркуляцией.

Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию.

Северодвинск: Севмашвтуз, 2007. – 63 с.

Ответственный редактор: Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой

№ 7 Севмашвтуза

Рецензенты: Кондрашов Ю.В., Главный инженер ФГУП «ПО «Севмаш»;

Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой № 7

Севмашвтуза;

В пособии приведена методика расчета естественной циркуляции, приведена методика расчета естественной циркуляции в паровых котлах и парогенераторах, а также методика оценки показателей надежности естественной циркуляции.

Пособие предназначено для использования в качестве руководства при выполнении курсового проекта по теме «Основы гидродинамики паровых котлов с естественной циркуляцией» студентами механических специальностей, изучающими курс «Судовые энергетические установки».

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД. № 01734 от 11 мая 2000 г.

ISBN 5-7723-0403-8 © Севмашвтуз, 2007 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие. 4

Основные понятия и определения естественной циркуляции. 5

Критерии надежности естественной циркуляции. 11

Исходные данные для гидравлического расчета котла. 16

Определение тепловосприятий по рядам труб. 19

Расчет и построение гидравлических характеристик подъемной и опускной частей контура циркуляции. 28

Проверка правильности выполненного гидравлического расчета котла. 40

Оценка полученных значений показателей надежности естественной циркуляции. 41

Оформление курсовой работы.. 44

ПРИЛОЖЕНИЕ: Табличные и графические материалы.. 45

Литература. 61

Предисловие

В методическом пособии кратко изложены основы теории естественной циркуляции в котлах и парогенераторах, приведена методика проведения гидравлического расчета котлов с естественной циркуляцией и оценки показателей надежности естественной циркуляции. В приложении пособия приведены графики, таблицы и номограммы, необходимые для выполнения курсовой работы. Для проведения расчетов необходимо наличие теоретического чертежа корпуса котла, поэтому в состав приложения включен чертеж корпуса высоконапорного котла типа КВН-98/64 (КВГ-3).

Необходимость выпуска данного методического пособия обусловлена тем, что в литературе, описывающей принципы и методы расчета паровых котлов, излагаются только общие принципы проведения расчетов ЕЦ, без описания самой методики расчета.

При написании пособия за основу была принята методика расчета естественной циркуляции, изложенная в учебнике Индейкина А.И., Александровского Ю.В. и др. «Корабельные паровые котлы. Основы теории и расчетов», издательства Ленинградского Высшего Военно–морского инженерного училища им. В.И. Ленина (ныне Военно-морской инженерный институт) и основанная на методике расчета, разработанной Центральным котлотурбинным институтом, г. Санкт-Петербург. В пособии методика расчета приведена в табличную форму, более удобную для работы студенческой аудитории.

Выполнение курсовой работы по гидравлическому расчету парового котла позволит более полно понять суть физических процессов, происходящих при работе парового котла, и их зависимость от различных факторов.

Основные понятия и определения естественной циркуляции

При работе современных паровых котлов и сжигании жидкого топлива в топках паровых котлов образуются газы, имеющие высокую температуру порядка 2000 оС. При прохождении через поверхности нагрева котла в процессе теплообмена с нагреваемой средой температура газов снижается до значений 350 – 500 оС на выходе из котла. Удельные тепловые потоки, воздействующие на поверхности нагрева, исчисляются сотнями тысяч килоджоулей на квадратный метр в час.

Каждая марка стали имеет предельно допустимую температуру, при превышении которой длительная надежная работа трубы становится невозможной. При повышении температуры стенки трубы увеличивается интенсивность протекания коррозионных процессов (окалинообразование) и происходит снижение прочности материала. Чем больше превышена температура стенки трубы сверх допустимой, тем скорее произойдет ее разрушение. Повреждение может произойти также в том случае, если температура стенки трубы не превышает предельно допустимой, но имеют место колебания ее со значительной амплитудой и большим количеством смен циклов тепловых нагрузок. Возникающее при этом разрушение носит усталостный характер, имеет вид продольных трещин и носит название тепловой или коррозионной усталости.

В сложных температурных условиях, возникающих в топках и газоходах паровых котлов, работа поверхностей нагрева котла возможна только при организованной циркуляции рабочего тела и интенсивном теплоотводе от стенок труб, омываемых горячими газами. При хорошо организованной циркуляции температура наружных стенок труб поверхностей нагрева лишь на несколько градусов превышает температуру среды, протекающей внутри них. При ухудшении условий циркуляции снижается интенсивность теплообмена, увеличивается вероятность возникновения кризисов теплообмена как первого, так и второго рода, и сопутствующее им повышение температуры металла наружной стенки труб. Иначе говоря, надежная работа поверхностей нагрева котла определяется температурным режимом металла труб.

Движение воды и пароводяной смеси в трубах испарительной части котла может быть организовано следующими способами:

− за счет воздействия внешних сил (напора питательного или специального циркуляционного насоса);

− за счет разности удельных весов воды и образующейся при ее испарении пароводяной смеси.

По описанным способам организации движения воды и пароводяной смеси все паровые котлы и парогенераторы можно разделить на две большие группы: котлы и парогенераторы с принудительной циркуляцией, и котлы и парогенераторы с естественной циркуляцией.

Схема простейшего циркуляционного контура котла с естественной циркуляцией показана на рис. 1. Простейший циркуляционный контур состоит из парового коллектора, водяного коллектора и соединяющих их обогреваемой и необогреваемой труб. При подведении теплоты к обогреваемой трубе происходит испарение находящейся внутри нее воды. Образовавшаяся пароводяная смесь заполняет обогреваемую трубу и, имея плотность меньшую, чем плотность воды, поднимается из водяного коллектора вверх в паровой коллектор. Вода в необогреваемой трубе опускается вниз из парового коллектора в водяной. Трубы котла, по которым пароводяная смесь поднимается вверх, называют подъемными. Трубы, по которым вода опускается вниз, называют опускными. Движение рабочей жидкости, возникающее вследствие разности удельных весов (плотностей) воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах, называют естественной циркуляцией, а замкнутая гидравлическая система, состоящая из последовательно включенных подъемных и опускных труб, соединенных коллекторами, называется контуром естественной циркуляции.

Рис. 1. Схема простейшего контура естественной циркуляции

Вода в контур циркуляции (в подъемные трубы) поступает с температурой меньшей, чем температура кипения воды при рабочем давлении в котле. Разность температур характеризуется величиной недогрева до кипения – Δ i, которая представляет собой разницу энтальпии воды при температуре насыщения и энтальпии воды в конкретной точке контура циркуляции. При движении вверх по обогреваемой трубе вода нагревается и в точке А ее температура достигает температуры насыщения. Эта точка называется точкой закипания. Та часть подъемной трубы, по которой движется недогретая до кипения вода, называется экономайзерной частью. Она характеризуется длиной – l_эк и высотой – h_эк экономайзерного участка. Остальная часть подъемной трубы, по которой движется пароводяная смесь, называется паросодержащей частью. Она характеризуется длиной - l_пар и высотой – h_пар паросодержащей части. Опускная часть контура также характеризуется длиной - l_оп и высотой - hоп опускного участка.

Разность между давлениями столба воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе носит название движущего напора естественной циркуляции:

[Па] (1)

Если выразить давления столбов рабочих тел в подъемной и опускной частях контура циркуляции через удельные веса (плотности) воды и пароводяной смеси, то выражение для движущего напора можно переписать в следующем виде:

или [Па] (2)

где:

- удельный вес (плотность) воды в контуре, принятый равным удельному весу (плотности) воды при температуре кипения для данного рабочего давления в паровом котле – p_к;

- удельный вес (плотность) сухого насыщенного пара для данного рабочего давления в паровом котле – p_к;

- доля объема паросодержащей трубы, занятая сухим насыщенным паром.

Из выражения (2) видно, что движущий напор естественной циркуляции зависит от высоты паросодержащей части подъемной трубы и от разности удельных весов (плотностей) воды и пароводяной смеси.

Движущаяся по подъемной трубе пароводяная смесь состоит из нагретой до температуры кипения воды и сухого насыщенного пара. По мере движения смеси по подъемной трубе количество насыщенного пара изменяется от нулевого значения в точке А до максимального в выходном сечении трубы. Отношение веса находящегося в смеси сухого насыщенного пара к весу всей смеси называется весовым паросодержанием или степенью сухости пара - х. Отношение веса воды - G, вошедшей в подъемную трубу контура, к весу образовавшегося в ней за это же время пара - D, называется кратностью иркуляции - К.

(3)

Кратность циркуляции является величиной, обратной весовому паросодержанию в выходном сечении подъемной трубы.

В отличие от рассмотренного простейшего контура циркуляции, состоящего из одной подъемной и одной опускной трубы и соединяющих их коллекторов, контуры циркуляции реальных паровых котлов состоят из множества параллельно включенных испарительных (подъемных) и опускных труб. При этом паровой котел может иметь как один контур циркуляции (например, контур циркуляции двухколлекторного котла), так и несколько связанных или не связанных друг с другом простых или сложных контуров циркуляции (например, контуры циркуляции экрана и основного испарительного пучка труб для трехколлекторных котлов типа КВГ-25).

Для двухколлекторного парового котла типа КВГ-3, рассматриваемого в данном пособии, контур естественной циркуляции состоит из подъемных труб, включающих один ряд труб экрана и девять рядов конвективного испарительного пучка, и четырех рядов опускных труб, расположенных в необогреваемой части котла за экранным пучком труб.

Подъемные трубы, расположенные в различных рядах, получают неодинаковое количество тепла. Вследствие этого в каждом ряду труб генерируется различное количество пара, и каждый ряд труб имеет свою величину кратности циркуляции. В этом случае, для того, чтобы определить кратность циркуляции для всего циркуляционного контура котла, вводят понятие средней кратности циркуляции контура. Под средней кратностью циркуляции контура понимают отношение веса воды, поступившей во все подъемные трубы контура, к весу сухого насыщенного пара, сгенерированного за то же самое время в контуре (т.е. к суммарной паропроизводительности контура котла):

(4)

Из формулы для определения движущего напора естественной циркуляции (2) видно, что для того, чтобы найти движущий напор, необходимо определить высоту паросодержащей части подъемной трубы и истинное паросодержание. Обычно при этом принимают следующие допущения:

- все трубы каждого конкретного ряда воспринимают одинаковое количество теплоты;

- тепловая нагрузка равномерно распределена по высоте испарительной трубы.

Движущий напор естественной циркуляции затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений движению рабочей среды в опускных и подъемных трубах:

[Па] (5)

Разность между движущим напором и сопротивлением подъемных труб контура называется полезным (избыточным) напором естественной циркуляции:

[Па] (6)

Таким образом, полезный напор естественной циркуляции затрачивается на преодоление сопротивления опускного участка контура, а условием установившейся естественной циркуляции в контуре является равенство полезного напора сопротивлению опускного участка:

[Па] (7)

При нарушении равенства полезного напора сопротивлению опускного участка контура существует либо избыточная движущая сила, либо повышенное сопротивление. Под воздействием этих двух сил режим циркуляции изменяется, уменьшаются или увеличиваются скорости циркуляции до тех пор, пока не наступит новое равенство.

Критерии надежности естественной циркуляции

Надежность работы поверхностей нагрева котла зависит от температурного режима работы каждой трубы контура. Если хотя бы одна труба работает ненадежно, то становится ненадежной работа всей поверхности нагрева и самого котла в целом. Оценка надежности естественной циркуляции является важной задачей как при проектировании котла, так и при его эксплуатации, так как на характер работы циркуляционного контура и самой естественной циркуляции и оказывают влияние многие эксплуатационные факторы.

Как показывает опыт, в циркуляционном контуре парового котла возможно возникновение явлений, нарушающих работу контура и приводящих к срыву естественной циркуляции. Такие явления могут возникать как в подъемной, так и в опускной части контура.

Для подъемной части контура к явлениям, приводящим к нарушению режима естественной циркуляции и температурного режима испарительных труб, относят: застой циркуляции; опрокидывание циркуляции; режим предельной кратности циркуляции; расслоение пароводяной смеси.

Для опускной части контура к явлениям, приводящим к срыву естественной циркуляции, относят: парообразование в опускных трубах; кавитацию в опускных трубах; захват пара в опускные трубы.

Застоем циркуляции называется режим медленного движения воды в подъемной трубе вверх или вниз с кратностью циркуляции К≈1. При этом режиме вода в трубе практически неподвижна, а в ней медленно всплывают пузыри пара, которые могут скапливаться и застаиваться на благоприятных для этого участках труб, например, в местах гиба. Режим движения воды в этом случае неустойчив, а скорость поступления воды в подъемную трубу практически равна нулю - w₀ ≈ 0. Режим застоя циркуляции опасен тем, что скапливающийся в застойных зонах пар образует паровые пробки, препятствующие движению пароводяной смеси в подъемной трубе. При малых значениях давлений и тепловых нагрузок ухудшения температурного режима металла трубы, входящей в паровой коллектор ниже уровня воды в нем, при режиме застоя практически не наблюдается. Однако при больших значениях давлений и высоких тепловых нагрузках режим застоя становится опасным.

Опрокидыванием циркуляции называется такой режим, при котором в слабообогреваемых трубах среда начинает двигаться сверху вниз, т.е. подъемная труба начинает работать в режиме опускной.

В зависимости от скорости движения воды вниз, образующийся пар может подниматься вверх, преодолевая встречный поток воды. При этом скорость движения воды вниз настолько мала, что не может препятствовать подъему паровых пузырей против движения основного потока. При этом паровые пузыри могут скапливаться в застойных зонах контура циркуляции (на гибах труб), образуя паровые пробки и ухудшая температурный режим работы подъемной трубы. Такой режим работы подъемной трубы называется режимом опрокидывания с запариванием. Дальнейшее увеличение скорости опускного движения воды приводит к тому, что весь образующийся пар сносится потоком воды вниз. Наступает режим работы подъемной трубы с полностью опрокинутым движением.

Исследования температурных режимов труб показали, что наиболее неблагоприятными являются режимы застоя циркуляции и опрокидывания с запариванием, как обеспечивающие наихудшие условия охлаждения стенки обогреваемой трубы по сравнению с режимом полностью опрокинутого движения.

Режимы застоя и опрокидывания характеризуются величиной полезного напора застоя - S₃, и полезного напора опрокидывания - S_onp. Поскольку эти режимы работы подъемных труб являются опасными и могут вызвать повреждения труб испарительной поверхности нагрева, после расчета естественной циркуляции обязательно проводится проверка на отсутствие режимов застоя и опрокидывания.

Происшедшее в последние годы повышение теплонапряженности поверхностей нагрева судовых, и в особенности корабельных паровых котлов, а также создание различных типов парогенераторов для атомных энергетических установок, вызвало необходимость проведения детального исследования температурного режима парогенерирующих труб. Для оценки надежности работы труб испарительной части важно знать значения паросодержаний, при которых возникает ухудшение теплоотдачи (кризис теплообмена второго рода). В котлах и парогенераторах с ЕЦ величина весового паросодержания в любой из труб испарительной части котла должна быть ниже некоторого граничного значения: х<х_гр. При увеличении паросодержания выше граничного значения на стенках труб начинают осаждаться легкорастворимые соли, уменьшается толщина слоя водяной пленки, ухудшается теплообмен и режим охлаждения стенки трубы.

Принято считать, что граничное паросодержание, при котором начинается ухудшенный теплообмен, составляет значение х_ГР≥0,5. Для обеспечения безнакипного режима работы трубы и надежного ее охлаждения, паросодержание в выходном сечении любой трубы должно удовлетворять условию х<х_гр. С учетом неравномерности обогрева труб испарительной части котла и некоторого запаса по надежности, можно записать условие, что паросодержание любой трубы должно быть: x_i<0,25. Учитывая связь между паросодержанием и кратностью циркуляции, можно сделать вывод, что надежное охлаждение труб испарительной части котла обеспечивается при предельном значении кратности циркуляции: К_ПРЕД = 4. Т.е. кратность циркуляции для любого ряда подъемных труб должна быть выше предельной кратности циркуляции: K≥4.

Расслоением пароводяной смеси называется такой режим движения двухфазного потока в горизонтальных или слабонаклоненных трубах, при котором происходит хотя бы частичное осушение стенок в верхней части трубы.

Расслоение вызывает неравномерный теплоотвод по периметру трубы и неравномерный нагрев стенки трубы. В той части трубы, которая омывается водой, температура стенки намного ниже, чем в части трубы, омываемой паром. Кроме того, при частичном осушении стенок трубы, при движении паровых пузырей в верхней части трубы возникают циклические колебания температуры стенки, приводящие к быстрому разрушению металла из-за термической усталости.

Исследования показали, что расслоение пароводяной смеси возникает в трубах, имеющих наклон к горизонту < 15°. Предотвратить расслоение пароводяной смеси можно увеличением скорости движения среды выше некоторого предельного значения: w₀ > w_ПРЕД, а также проектированием наклона подъемных труб в котлах с ЕЦ со значением более 30° к горизонту (с учетом возможных кренов и дифферентов судна).

Все явления, возникающие в опускной части контура, способные привести к расстройству и срыву естественной циркуляции, связывает один признак: появление пара в опускных трубах. При появлении пара увеличивается гидравлическое сопротивление опускной части контура циркуляции - , что приводит к нарушению условия установившейся естественной циркуляции: .

Появление пара в опускных трубах может произойти по следующим причинам:

- из-за парообразования в опускных трубах, если опускные трубы получают количество тепла, превышающее значение величины недогрева до кипения: ;

- из-за возникновения явления кавитации в опускных трубах. Кавитацией в данном случае называется явление парообразования в опускных трубах вследствие падения давления во входном участке трубы ниже давления насыщения при данной температуре;

- из-за захвата пара в опускные трубы, который может происходить как из парового пространства парового коллектора (возникновения вихревых воронок над входом в опускные трубы), так и из водяного пространства парового коллектора за счет сноса пара потоком воды, направляющимся к опускным трубам.

а б

Рис. 2. Явление захвата пара в опускные трубы:

а) из парового пространства парового коллектора;

б) из водяного пространства парового коллектора.

Появление пара в опускных трубах уменьшает вес столба воды в них, что приводит к снижению движущего напора естественной циркуляции. Учитывается это уменьшение движущего напора увеличением сопротивления опуска на величину нивелирного сопротивления:

(8)

Таким образом, полное сопротивление опускной части контура при движении по ним пароводяной смеси вычисляется как сумма их гидравлических сопротивлений и величины нивелирного сопротивления .

Поиск по сайту: