9.2.2.Гидравлические характеристики контура циркуляции.

Контур циркуляции состоит из последовательно включенных элементов. Суммарная гидравлическая характеристика контура представляет собой сумму перепадов давления в этих элементах, взятых при одном и том же расходе G_Ц.

Гидравлическая характеристика опускных труб контура циркуляции

В современных паровых котлах опускные трубы делаются без обогрева, с хорошей тепловой изоляцией, поэтому их теплообмен с окружающей средой близок к нулю и не учитывается. В этом случае температура воды в опускных трубах и энтальпия h_ОПпо высоте изменяться не будут. Поскольку h_ОПблизка к энтальпии насыщения, плотность воды ρ_ОПбудем считать равной ρ'. При h_ОП= const Δp_УСК=0.

Вода в опускные трубы попадает из барабана с энтальпией h_ОП, давление в паровой части барабана p_Б(рис.9.39). Под воздействием гидростатического столба воды (нивелирного напора) давление в барабане повышается, и на входе в опускные трубы нивелирный напор составит

а в нижнем коллекторе

Скорость вертикального движения воды в барабане мала, поэтому ∆p_Г^Б≈ 0. На входе в опускные трубы скорость воды резко возрастает, что требует затраты энергии на ускорение потока. С учетом местного сопротивления (сопротивления входа) потери давления на входе в опускные трубы составляет

Давление на входе в опускные трубы

Давление в нижнем коллекторе

где Z_ОП- суммарный коэффициент сопротивления в опускной трубе.

По уравнению состояния энтальпия воды на линии насыщения h' однозначно зависит от давления. Поэтому, по высоте опускных труб энтальпия насыщения hў_ОПбудет изменяться эквидистантно изменению давления (рис.9.39). Действительная энтальпия воды в опускных трубах зависит от режима работы экономайзера и барабана. Вода, поступающая из барабана в опускные трубы, может быть недогрета до энтальпии насыщения по давлению в барабане hў_БНедогрев в барабане Dh^Б_НЕДопределяется из теплового и материального баланса барабана

где h_ЭК- энтальпия воды за экономайзером.

Недогрев воды в барабане зависит от кратности циркуляции K_Ци энтальпии воды за экономайзером.

Кратность циркуляции в отдельных контурах котлов высокого давления (p = 8…14 МПа) составляет К_Ц= 6…14, сверхвысокого (p = 14…18,5 МПа) - К_Ц=5…8. Повышение энтальпии за экономайзером h_ЭКуменьшает недогрев в барабане. В котлах с кипящим экономайзером недогрев воды в барабане равен нулю. То же - в солевых отсеках котла и в случае подачи всей питательной воды на паропромывочное устройство в чистом отсеке барабана (при этой схеме вода на паро-промывочном устройстве дополнительно нагревается до насыщения за счет теплоты промываемого пара).

Недогрев воды по ходу ее движения в опускной трубе увеличивается за счет роста давления р_ОПи h'_ОП. В нижнем коллекторе недогрев составит

В рассмотренном случае по всей высоте опускной трубы ∆h_НЕД> 0 остается однофазной, плотность ее постоянна, не зависит от расхода воды. Постоянной величиной будет и нивелирный напор ∆p^ОП_НИВ= ∆p*_НИВ(рис.9.40). Гидравлическая характеристика опускной трубы ∆p_ОП= ∆p*_ОП+ ∆p_НИВ^ОПполучается однозначной. При малых расходах (G_Ц< G₀) перепад давления ∆р_ОП= р_Б- р_Н.Котрицателен, т.к. р_Н.К> р_Б, а при G_Ц> G₀положителен. Расходу G₀соответствует w⁰_ОПпорядка 10 м/с. Скорость в опускных трубах котлов w_ОП= 1…3 м/с, т.е. w_ОП< w⁰_ОПи всегда р_Н.К> р_Б

В опускных трубах может появиться пар за счет закипания воды на входе в опускные трубы, сноса пара из барабана и затягивания паровых воронок, образующихся в барабане.

Вскипание воды на входе в опускные трубы (явление кавитации) может произойти, если давление на входе в опускные трубы р_ВХ< р_Ба h'_ВХ< h_Б. При ∆h^Б_НЕД= 0 (h_ОП= h'_Б) это означает, что h'_ВХ< h_ОПи вода будет испаряться.

Вскипание воды на входе в опускные трубыне допускается, т.е. должно быть обеспечено р_ВХ> р_Б. Из (9.105) видно, что это условие соблюдается при выполнении неравенства

или

Воронкообразованиев барабане может возникнуть при малой высоте слоя жидкости над опускными трубами. Минимальная высота уровня воды в барабане для опускных труб диаметром до 200 мм составляет 400…500 мм. При установке на входе в опускные трубы разного типа решеток и крестовин, минимальная высота уменьшается в 2 раза. Современные мощные котлы имеют барабаны с внутренним диаметром 1600…1800 мм, уровень воды 700…800 мм, что создает достаточный запас по недопущению воронкообразования.

Снос пара из барабанапотоком воды в опускные трубы может происходить при близком расположении ввода пароотводящих труб в барабан от входа в опускные трубы. Если вода, направляющаяся в опускные трубы, имеет скорость больше скорости всплывающих пузырьков пара, то может захватить часть из них с собой и унести в опускные трубы. Для предотвращения захвата пара водой вход в опускные трубы должен быть расположен от выхода пароотводящих труб на расстоянии не менее 250…300 мм, между ними при необходимости следует ставить перегородки.

В современных котлах внутрибарабанные устройства выполняются таким образом, что снос пара практически отсутствует, среднее истинное паросодержание в опускных трубах = 0,02…0,03. Такое количество пара при конденсации нагревает воду в опускных трубах на ∆h_СН= 5…8 кДж/кг.

Появление пара в опускных трубах отрицательно сказывается на их работе и работе всего контура циркуляции: увеличивается сопротивление движению потока ∆p*_ОП, снижается нивелирный напор, так как уменьшается плотность среды

На рис.9.40 пунктиром показаны кривые (∆p*_ОП)сн, (∆p^НИВ_ОП)сн, (∆p_ОП)сн, учитывающие снос пара в опускные трубы. Наличие небольшого количества пара в опускных трубах не опасно.

Гидравлическая характеристика подъемных труб контура циркуляции

На рис.9.14 показано распределение давления и энтальпии среды по высоте трубы. Принятые обозначения в конкретном случае подъемных труб контура циркуляции принимают вид

а) ∆h^ВХ_НЕД= ∆h^Н.К_НЕД, расчет ∆h^Н.К_НЕДпроизводится по формуле (9.109);

где Q_ЭКР- тепловосприятие экрана; H_ЭЛ- площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева рассматриваемого контура, м²; - средний тепловой поток, кВт/м², определяемый с учетом неравномерностей тепловосприятия;

г) необходимо учесть ∆h_СН- нагрев воды за счет пара в опускных трубах.

С учетом этих обозначений формула расчета высоты точки закипанияH_Т.Зпримет вид

Формулу (9.113) можно упростить, учитывая, что сопротивление на экономайзерном участке мало (Rv'G²<< ρ'g ). Если под H_ЭКпонимать разность отметок от точки закипания до оси нижнего коллектора, то H_ЭК= H_Т.З+ H_ДОи в скобках в числителе из H_ОПнеобходимо вычесть H_ДО.

Сопротивление подъемных труб ∆p*_ПОДбез нивелирного напора равно сумме сопротивлений

Нивелирный напор рассчитывается как сумма напоров на экономайзерном ∆pэк_НИВи испарительном ∆p^ИСП_НИВучастках.

По данным расчета ∆p_подНИВи ∆p*_ПОДв зависимости от G_Цили w₀строится гидравлическая характеристика, аналогичная характеристике вертикальной трубы (см. рис.9.18), и полная характеристика с учетом подъемного и возможного опускного движения типа рис.9.25.

В отводящие трубы поступает пароводяная смесь с паросодержанием х_ОТВ, равным значению на выходе из подъемных труб. Так как отводящие трубы необогреваемые, то все характеристики двухфазного потока принимаются постоянными. Так как сечение отводящих труб меньше сечения подъемных труб, то скорость пароводяной смеси в них значительно выше.

Сопротивление отводящих труб ∆p*_ОТВрассчитывается с учетом дополнительного слагаемого ∆p_В.У, показывающего потери энергии на подъем пароводяной смеси выше уровня воды в барабане (см.рис.9.37)

Нивелирный напор определяется по высоте отводящих труб

Гидравлическая характеристика отводящих труб показана на рис.9.41.

Гидравлическая характеристика контура естественной циркуляции представляет собой сумму гидравлических характеристик последовательно включенных опускных, подъемных и отводящих труб (рис.9.42)

Решением уравнения движения является расход G⁰_Ц, при котором ∆p_КОНТ= 0. По этому расходу определяются соответствующие значения ∆p⁰_ОП, ∆p⁰_ПОД, ∆p⁰_ОТВи все другие параметры работы контура, проводится проверка надежности работы опускных и подъемных труб и контура в целом.

Контур циркуляции представляет собой U - образную компоновку труб (вверху замкнутую), и, соответственно, его гидравлическая характеристика похожа на характеристику U - образной трубы.

Гидравлическая характеристика контура однозначна, рабочая точка (∆p_КОНТ=0, G_Ц⁰) устойчива. Каждый элемент контура (опускные, подъемные и отводящие трубы) имеет коллектор или барабан на входе и выходе, т.е. гидравлически обособлен. Значения ∆p⁰_ОП, ∆p⁰_ПОД, ∆p⁰_ОТВи являются средними по элементу, но внутри элементов в зависимости от их гидравлической и разверочной характеристик возможна область неоднозначности, межтрубная пульсация, режимы застоя и опрокидывания циркуляции. При возможности возникновения этих режимов необходимо анализировать полные гидравлические и разверочные характеристики подъемных труб.