Гидродинамический расчет

В барабанных котлах отвод теплоты от экранов топки осуществляется путем организации циркуляции воды в замкнутой гидравлической системе (контуре), состоящей из обогреваемых труб, объединенных вверху барабаном, а внизу коллектором (см. рис. 6). Непрерывное движение рабочей среды в контуре обеспечивается естественной циркуляцией, создаваемой движущим напором S_пв. Последний возникает в циркуляционном контуре в результате обогрева подъемных труб. Вода, заполняющая нижнюю часть контура (коллектор), с одной стороны, находится под напором H_qp' столба воды высотой Н в необогреваемой трубе, а с другой, - под давлением Hp_nq столба пароводяной смеси, заполняющей обогреваемые трубы (при условии закипания воды в обогреваемой трубе).

Испарение воды и создание разности давлений (движущий напор) вызывают, движение среды в контуре. Движущий напор

При установившемся течении движущий напор уравновеши вается суммой гидравлических сопротивлений, возникающих при движении рабочего тела в элементах гидравлического контура. Обычно общее сопротивление контура представляют в виде суммы сопротивлений Δр₀ опускных и Δр_п подъемных труб контура. С учетом этого

Разность движущего напора и сопротивления подъемных труб называют полезным напором циркуляции

Из сопоставления уравнений (137) и (138) следует, что

Таким образом, полезный напор затрачивается на преодоление сопротивления в опускных трубах контура. Соотношение (139) называют основным уравнением циркуляции. Движение рабочей среды в циркуляционном контуре многократное, поскольку в процессе одного цикла прохождения по обогреваемым трубам вода испарятся частично и в барабан поступает пароводяная смесь. Процесс этот происходит непрерывно. Поскольку в барабан подается вода, а отводится пар в таком же количестве, то расход циркулирующей в контуре воды остается постоянным. Отношение массового расхода GB циркулирующей воды, кг/с, к расходу Gn образующегося в контуре пара называют кратностью циркуляции.

Кратность циркуляции зависит от конструкции контура, давления, тепловой нагрузки обогреваемых труб и некоторых других факторов. В экранах котлов кратность циркуляции может изменяться в широких пределах от 4 до 30. Выражение (136) получено в предположении, что подъемные трубы циркуляционного контура по всей высоте заполнены пароводяной смесью. В действительности развитое кипение воды начинается выше входа воды в обогреваемые трубы. В соответствии с этим подъемные трубы по высоте условно делят на два участка: экономайзерный Н_э и парообразующий Н_п. Высота парообразующего участка

Ее подставляют в уравнение (136) для определения движущего напора циркуляции. Высоту экономайзерного участка Нэ находят исходя из баланса теплоты: количества теплоты, которую необходимо передать в единицу времени воде для подогрева ее до кипения на экономайзер ном участке, и количества теплоты, полученной за то же время трубами этого участка из топки. Контуры естественной циркуляции делят на простые и сложные. В простом контуре все звенья (барабан, опускные трубы, коллектор, подъемные трубы) включены последовательно, причем все подъемные трубы имеют одинаковые размеры (диаметр, длину), конфигурацию и условия обогрева. Сложный контур отличается различием геометрических характеристик и обогревов, подъемных труб. Общими элементами такого контура являются опускные трубы.

Циркуляционный контур работает надежно, если обеспечено достаточное охлаждение всех обогреваемых труб, что полностью определяется условиями движения пароводяной смеси. Поэтому при расчете циркуляционного контура необходимо определить характеристики движения рабочего тела как в подъемных, так и в опускных трубах. Чтобы провести гидродинамический расчет необходимо знать все конструктивные размеры контура, количество теплоты, передаваемой обогреваемой трубе, энтальпии воды на выходе из экономайзера и др. Эти величины определяются тепловым расчетом котла, который предшествует расчету циркуляции. Гидродинамический расчет естественной циркуляции при установившихся режимах базируется на использовании двух положений: равенстве массовых расходов воды и пароводяной смеси в опускной и подъемной части контура, а также сопротивлений в опускной части контура полезному напору:

где w_п и w_о - средняя скорость соответственно в подъемных и опускных трубах, м/с; f_п и f₀ - площадь для прохода рабочего тела подъемных и опускных труб, ма. Решение этих уравнений может быть найдено с помощью ЭВМ, графоаналитического способа построением диаграммы циркуляции. Последний основан на том, что обе части основного урав-' нения циркуляции являются функцией скорости циркуляции w_о/ S_п = f (w_о) и Δр_о = (w_о). С увеличением w0 полезный напор в контуре циркуляции уменьшается. Сопротивление опускных труб растет пропорционально w%. Точка пересечения кривых S_п = f (w_о) и Δр_о = (w_о) (рис. 139) дает искомые значения w_о; S_п и Δр_о.

Для построения зависимостей S_п = f (w_о) и Δр_о = (w_о) задают несколько значений скорости w_о циркуляции (обычно w_о - 0,5; 1,0; 1,5 м/с). Затем последовательно рассчитывают гидравлическое сопротивление опускных труб, высоту экономай- зерного участка, движущий напор циркуляции, сопротивление подъемных труб, полезный напор циркуляции. По найденной величине w_о определяют расход циркулирующей воды через контур, полезный напор, кратность к циркуляции.

Целью расчетов является оценка надежности работы парообразующих труб, входящих в контур естественной циркуляции. Как правило, снижение надежности работы контура связано с нарушением нормального охлаждения парообразующих труб. Опасные явления в контуре - застой или опрокидывание циркуляции, образование свободного уровня. Застой циркуляции возникает в контуре с парообразующими трубами, включенными в водяной объем барабана, т. е. ниже уровня в нем воды. Сущность его заключается в барботаже пара, поднимающегося вверх через столб воды, движущейся вверх или вниз в обогреваемых трубах с малой скоростью. Если полезный напор недостаточен для преодоления сопротивления опускных труб и подъема среды до внешней отметки подъемных труб, то в подводящей трубе образуется свободный уровень. Процесс перехода от подъемного движения в трубе к опускному происходит с изменением скорости (через нулевую скорость) и носит название опрокидывания.

Рассмотренные явления приводят к нарушению устойчивого отвода теплоты от внутренней стенки парообразующих труб. В результате создаются условия их перегрева. Возникновение застоя или образование свободого уровня обычно связано с тепловой и гидравлической неравномерностью работы параллельно включенных труб. Эти режимы имеют место в слабообогреваемых трубах, работающих параллельно с сильнообогреваемыми. Для их исключения следует ограничивать сопротивление опускных труб. Полезный напор подъемных труб не должен превышать следующих перепадов давлений в подъемных трубах: Sп.а при застое; S_п.о при опрокидывании. Их значения определяют в соответствии с рекомендациями.

Надежность циркуляции проверяют для труб контура с наименьшим обогревом по критериям надежности. Обычно вводится 10 %-ный запас. Для исключения застоя циркуляции должно выполняться неравенство,

где Δр_{в. у} - потери напора на подъем смеси выше уровня воды в барабане.

Одной из задач гидравлического расчета прямоточного котла является определение общего сопротивления его пароводяного тракта, состоящего из параллельно включенных прямоточных контуров, в которых движется пароводяная смесь и перегретый пар. Гидродинамический расчет потерь проводится последовательно от выходной части к входной с использованием зависимости

где Σ Δр_Эл - сумма перепадов давлений во всех элементах пароводяного тракта; Σ Δр_а -сумма перепадов давлений в арматуре котла; Σ Δр_ох - потери давления в пароохладителе котла; Σ Δр_п - перепад давлений в регулирующем питательном клапане котла.

Гидродинамический расчет выполняется для всех разнотипных контуров и тех однотипных, которые находятся в наихудших условиях по обогреву и конструктивным особенностям. Потери давления в элементах определяют как сумму перепадов давлений на отдельных участках (ходах)

Перепад давлений Δр_у, Па, на участке (ходе)

где Δр_ш - потери давления в дроссельных шайбах, Па.

Величины Δр_тр, Δр_м, Δр_н и Δр_у рассчитывают. При этом Δр_тр и Δр_м экономайзерного испарительного и перегревательного участков для котлов докритического давления определяют отдельно. Гидродинамический расчет выполняют для номинальной и наименьшей гарантированной заводом-изготовителем нагрузок, а также для нагрузок прн растопочных режимах. Оценка надежности работы прямоточного котла проводится на основании его гидравлической характеристики Δр = f (рw) - суммарной характеристики составляющих его элементов. Строят ее по зависимостям перепадов давлений в элементах от расхода среды. При многозначной гидравлической характеристике рассчитываемого контура определяют необходимое сопротивление и диаметр устанавливаемых для избежания нарушения устойчивости движения рабочей среды дроссельных шайб.