logo
Лекции по котлам

9.1.5.Гидравлическая разверка в системе труб парового котла.

Расчет гидравлической разверки можно вести по гидравлическим характеристикам, построенным для элемента, параметры которого соответствуют данным для средней трубы, и разверенной трубы, находящейся в наиболее опасном температурном режиме. Гидравлическая характеристика должна учитывать сопротивления трения Δртр, местное ΔрМ, от ускорения потока ΔрУСК, нивелирный напор ΔрНИВи сопротивление во входном ΔрВХ.Ки выходном ΔрВЫХ.Кколлекторах

(9.67)

где

С учетом (9.23) перепад давления Δp запишем для элемента

(9.68)

и разверенной трубы

(9.69)

где vК, vН- удельный объем среды в конце и начале трубы, м3/кг. Поскольку средняя труба и разверенная труба гидравлически имеют общие точки на входе и выходе панели, то они находятся под одним и тем же перепадом давления, т.е.

ΔpЭЛ=Δpт

(9.70)

Поэтому после построения гидравлических характеристик ΔpЭЛ= f(G) и Δpт=f(G) в пределах G от 2,5 до 150% от номинального значения определяют ΔpЭЛпри GЭЛ= Gном(рис.9.26).

По условию Δpт= ΔpЭЛнаходят значение Gти рассчитывают коэффициент гидравлической разверки ρГ

ρГ= Gт/GЭЛ.

Для того чтобы выявить влияние на гидравлическую разверку теплового потока, конструктивного выполнения труб, высоты панели и других факторов, необходимо каждый раз строить гидравлические характеристики. Удобнее проводить такого типа анализ не графически, а аналитически. Для этого приравняем обе зависимости (9.68) и (9.69).

Получаем

(9.71)

где

(9.72)

Гидравлическая разверка зависит от конструктивного выполнения разверенной и средней труб (Rт, RЭЛ, f), интенсивности их обогрева,пространственного расположения труб и направления потока (±pНИВm, ± pНИВЭЛ), сопротивления в коллекторах (ΔpКОЛm, ΔpКОЛЭЛ).

На гидравлическую разверку влияют также давление среды, энтальпия потока на входе в трубу и другие параметры.

Проведем анализ выражения (9.71) по следующим направлениям: горизонтальная поверхность нагрева; влияние нивелирного напора и сопротивления в коллекторах (коллекторного эффекта). Для горизонтальной трубы нивелирный напор ΔpНИВm= ΔpНИВЭЛ= 0 и соответственно ΔpНИВ= 0. Для вертикальных труб разность нивелирных напоров

Если принять, что Hт≈ HЭЛ= H, то

(9.73)

Из (9.73) видно, что DpНИВ≈ 0, при. Это условие достаточно хорошо выполняется в некипящих экономайзерах и в выходных пакетах пароперегревателя, где удельный объем воды или пара мало зависит от температуры.

К этому же случаю можно отнести и многоходовые панели, для которых разность нивелирных напоров мала по сравнению с гидравлическим сопротивлением.

Примем, что ΔpУСКЭЛ, ΔpУСКmи ∂∆pКОЛмалы по сравнению с гидравлическим сопротивлением ∆pГ, тогда формула (9.71) примет простой вид

(9.74)

где ηГ-коэффициент гидравлической неравномерности, он показывает отношение коэффициентов сопротивления раверенной Rти средней RЭЛтруб

(9.75)

Для необогреваемых труб (перепускные трубы между поверхностями нагрева котла, опускные трубы в барабанном котле и т.д.) и гидравлическая разверка зависит от коэффициента гидравлической неравномерности. Труба, длина которой больше других, имеющая дополнительные гибы, с большей шероховатостью, у которой больше сварных соединений, имеет увеличенный коэффициент сопротивления Rт> RЭЛи, соответственно, у нее ηГ> 1, а ρГ< 1, т.е. расход среды через такую трубу будет меньше, чем через другие.

При равномерном обогреве (ηт= qт/ qЭЛ= 1) и при ηГ= 1 гидравлическая разверка отсутствует, т.е. ρГ= 1. Если же в какой-либо трубе ηГ> 1 (по конструктивному выполнению, из - за отложения примесей и т.п.), то в ней расход будет меньше (ρГ< 1, Dт< DЭЛ), чем в других, это, в свою очередь, вызовет более высокий нагрев среды в трубе ( Δhт> ΔhЭЛ,) и дальнейшее снижение расхода среды до установления равновесия в системе .(уменьшение расхода в трубе ведет к увеличению в других, т.е. к росту общего сопротивления). При равномерном обогреве труб из-за гидравлической неравномерности расход среды по трубам и температура ее будут различаться.

Неравномерность обогрева даже при ηГ= 1 приводит к изменению расхода среды в трубах. В разверенной трубе (ηт> 1, qт> qЭЛ) средняя температура водного теплоносителя и его удельный объембольше средних величинпо панели, соответственно появляются гидравлическая разверка (ρГ< 1) и расход Dт< DЭЛ. Таким образом, тепловая неравномерность в элементе вызывает появление гидравлической разверки. Механизм (явление), отражающий эту взаимосвязь, называюттеплогидравлической разверкой, а зависимость коэффициента гидравлической разверки от неравномерности тепловосприятия ρГ= f(ηт) -разверочной характеристикой.

Построим разверочные характеристики для горизонтальной поверхности нагрева (примем ηГ= 1, ∂∆pКОЛ= 0, ΔpУСК= 0). Для разверенной трубы ηт> 1. Такую трубу будем называть также сильнообогреваемой в отличие от слабообогреваемой, у которой ηт< 1.

Энтальпия среды на выходе из разверенной трубы и приращение энтальпий определяются по формуле

(9.76)

Затем определяется среднее значение энтальпии в разверенной трубе, удельный объем среды и другие величины.

Вид разверочной характеристики зависит не только от удельного объема, но и от интенсивности изменения удельного объема с увеличением энтальпии среды.

Рассмотрим три случая:

а) на входе в панель набдюдается существенный недогрев воды до температуры кипения (vВХ< v') или до ЗБТ. В разверенной трубе vВХ< v' увеличивается с уменьшением расхода среды Gт; при линейной зависимости удельного объема воды от энтальпии (β = dv /dh = const) разверочная характеристика ρГ= f(ηт) монотонно убывающая (рис.9.27, кривая 7).

Если β возрастает, то разверочная кривая 2 будет идти ниже кривой 1. Если средняя энтальпия воды в разверенной трубе будет меньше энтальпии кипения (докритическое давление, DKD) или в начале ЗБТ (сверхкритическое давление, CKD), то разверочная характеристика однозначна; б) энтальпия соответственно в зоне большой теплоемкости (при СКД), где коэффициент β резко возрастает (рис.9.28), а затем падает. Зависимость ρГ= f(ηт) может быть однозначной (кривая 3) или неоднозначной (кривая 4): в зоне неоднозначности одному значению ηтсоответствует три значения ρГ. При докритическом давлении прикоэффициент β изменяется скачком и разверочная кривая будет иметь ломаный характер, характеристика - неоднозначная; в) в области перегретого пара разверочная характеристика однозначна (кривая 5).

Для вертикальной трубыс подъемным движением среды (∂∆pКОЛ= 0; ΔpУСК= 0) формулу гидравлической разверки запишем в следующем виде

(9.77)

где

(9.78)

Комплекс А характеризует отношение гидравлических сопротивлений и удельных объемов в элементе и разверенной трубе.

Комплекс В учитывает влияние разности нивелирных напоров в элементе и разверенной трубе на гидравлическую разверку. Для подъемного движения среды перед В стоит знак +. В сильнообогреваемой трубе (ηт> 1) плотность средыменьше, чем в элементе. Комплекс В положителен и, как видно из формулы (9.77), увеличивает ρГ, расход среды в разверенной трубе больше (рис.9.29, кривая 2) по сравнению с горизонтальной панелью.

В слабообогреваемой трубе (ηт< 1), где, комплекс В отрицателен, что приводит к уменьшению расхода среды в этой трубе по отношению к горизонтальной трубе. Таким образом, при подъемном движении среды в вертикальной панели нивелирный напор играет положительную роль (в сильнообогреваемой трубе расход среды увеличивается, а в слабообогреваемой - уменьшается).

Вклад нивелирной составляющей в гидравлическую разверку зависит от расхода среды в элементе GЭЛ. При больших расходах среды GЭЛкомплекс В уменьшается и разверочная характеристика вертикальных панелей приближается к характеристике горизонтальных панелей. С уменьшением расхода среды нивелирная составляющая играет большую роль (кривые 2 и 3, рис.9.29).

Перед комплексом В (9.77) при опускном движении потока должен быть знак минус. Влияние нивелирного напора становится обратным, в сильнообогреваемых трубах расход среды уменьшается, а в слабообогреваемых - увеличивается (кривые 5 и 6, рис.9.29). В этом случае нивелирный напор играет отрицательную роль. Поэтому панели с опускным движением выполнять не следует.

Интересно провести анализ разверочных характеристик в вертикальных панелях (при докритическом или сверхкритическом давлении, с принудительным или естественным движением среды) при малых средних расходах среды в элементе (панели). При подъемном движении среды в слабообогреваемой трубе (кривая 7, рис.9.29) с ηт= ηт7расход среды равен нулю (Gт7= 0). Это возможно при условии

или

(9.79)

В этой трубе будет застой движения среды (застой циркуляции). При ηт< ηт7в выражении (9.77) для ρГпод корнем отрицательное число. По графику (кривая 7, рис.9.29) ρГменяет знак на минус; это означает, что меняется направление движения среды - происходит опрокидывание режима движения (опрокидывание циркуляции).

В панелях с опускным движением среды аналогичная картина может происходить в сильнообогреваемых трубах при малых расходах среды (кривая 6, рис.9.29).

При ηт> ηт6в разверенной трубе, т.е. развившийся в ней нивелирный напор "потянет" расход среды вверх, произойдет опрокидывание движения.

Из этого следует, что в прямоточных и барабанных котлах необходимо анализировать режимы работы панелей при малых расходах среды (пуск, останов, работа на малых нагрузках) на предмет возможного застоя или опрокидывания движения среды в разверенных трубах, чтобы избежать повышения температуры металла труб и их разрушения.

Коллекторный эффект- влияние гидродинамических процессов в коллекторах поверхности нагрева на гидравлическую разверку - обусловлен не только изменением сопротивления трения и местного сопротивления по длине коллектора, но и изменением давления по ходу среды. Так, по длине раздающего коллектора (рис.9.30) по мере отбора среды змеевиками панели расход среды уменьшается, скорость потока также изменяется от максимального значения wВХна входе в коллектор до нуля у противоположного торца коллектора. При этом динамический напор потока переходит в статическое давление, максимальное приращение статического давления ∆pСТбудет в сечении, где w = 0, и составит

По ходу среды ∆pСТрастет до ΔpСТМАКС(рис.9.30а).

В то же время увеличивается и гидравлическое сопротивление ∆pГ= ΔpТР+ ΔpМ. Следовательно, в раздающем коллекторе давление по ходу среды рРКОЛопределяется как результат действия этих факторов

(9.80)

В собирающем коллекторе (рис.9.30б) наоборот, скорость потока w возрастает по ходу среды до максимального значения на выходе wВЫХ; статическое давление уменьшается, максимальное изменение его имеет место на выходе из коллектора:

Гидравлическое сопротивление ΔpГпо ходу среды в коллекторе увеличивается. В результате давление в собирающем коллекторе

(9.81)

где - максимальное значение изменения статического давления и гидравлического сопротивления - на выходе из собирающего коллектора. Сумма представляет собой давление среды в торце коллектора, где w = 0.

Изменение давления в коллекторах зависит от места присоединения к ним подводящих и отводящих труб: трубы могут быть подсоединены с одного или с обоих торцов коллектора; по длине коллектора (одна труба или несколько). Учитывая, что подвод труб к раздающему коллектору и отвод от собирающего могут быть различно выполнены, можно отметить большое разнообразие в схемах движения потоков в поверхностях нагрева паровых котлов. Три часто встречающиеся схемы представлены на рис.9.31: схемы Z- и П-образные с торцевым подводом и отводом среды и схема с двумя подводами и отводами по длине коллекторов. С учетом графиков рис.9.30 на рис.9.31 показано изменение давления в раздающих и собирающих коллекторах.

Змеевики (трубы) панели работают при перепаде давления Δpзм, равном разности давлений в раздающем и собирающем коллекторах:

(9.82)

где Δp ЭЛ- общий перепад давления в элементе котла;

(9.83)

ΔpСТm- разность изменения статического давления в раздающем и собирающем коллекторах; ΔpmГ- разность изменения гидравлического сопротивления в коллекторах. ΔpСТmи ΔpmГзависят от расположения трубы по длине коллекторов, следовательно, и перепад давления Δpзмбудет различным для разных труб.

В Z-схеме (рис.9.31а) максимальный перепад давления приходится на правые трубы, в них будет и максимальный расход среды; в левых трубах перепад давления и расход среды минимальны. В П-схеме (рис.9.31б) различие перепадов давления по трубам существенно сглажено.

При подводе среды радиальной трубой (перпендикулярно оси коллектора) теплоноситель расходится в коллекторе в две стороны от подводящей трубы, скорость его уменьшается в 2 раза, а сопротивление и динамический напор - в 4 раза. Если проводящих труб две (рис.9.31в), то максимальная скорость уменьшится в 4 раза, а сопротивление и динамический напор - в 16 раз. Аналогичная картина наблюдается и в собирающем коллекторе при отводе среды трубами по длине коллектора. В этой схеме давление среды по длине коллекторов мало изменяется и расход среды по змеевикам будет более равномерным. Следовательно, для снижения влияния коллекторного эффекта на гидравлическую разверку лучше делать рассредоточенный подвод и отвод среды по длине коллектора, а при вынужденом (конструктивно) торцевом подводе и отводе - П-схему.

В коллекторах экономайзеров скорость воды мала, поэтому коллекторный эффект обычно не учитывают. В испарительных поверхностях прямоточного котла или котла с многократной принудительной циркуляцией сопротивление в коллекторах мало по сравнению с полным гидравлическим давлением и им можно пренебречь.

В раздающих коллекторах контуров естественной циркуляции скорость воды мала и ΔpКОЛP≈ 0; в собирающих коллекторах пароводяная смесь движется с большой скоростью, поэтому для уменьшения влияния коллекторного эффекта отвод делается 3…4 трубами радиально даже из коллектора небольшой длины, в этом случае ∂∆pКОЛ≈ 0.

Конструктивное выполнение пароперегревателей может быть различным.

Если подвод и отвод пара выполняется рассредоточенным по длине коллектора, то даже при большой скорости пара можно принимать ∂ΔpКОЛ= 0. Часто входной (или выходной) коллектор сочленяется с впрыскивающим устройством, при этом подвод пара к последующей (от предыдущей) поверхности будет торцевым. Такая же схема получается, если коллектор используют для переброса пара с левой стороны газохода в правую, и наоборот. В этих случаях необходимо рассчитывать ∆pКОЛ.

Промежуточные пароперегреватели выполняются с малым гидравлическим сопротивлением, что достигается за счет уменьшения скорости пара в змеевиках и коллекторах, при этом сопротивление в коллекторах вносит существенный вклад в общее сопротивление пакета и его необходимо учитывать.

Потери на ускорение потокаΔpУСКобычно малы, а при расчете гидравлической разверки принимается их разность в разверенной трубе и элементе. Поэтому влияние ΔpУСКна гидравлическую разверку может быть заметным только в ЗБТ, в остальных случаях им можно пренебречь.

Влияние конструктивных фактороврассмотрим на примере шайбования трубы и выполнения так называемой ступенчатой трубы. Шайбование на входе трубы существенно уменьшает разверку, особенно при неблагоприятных разверочных характеристиках. Путем установки в трубах шайб с разными диаметрами (с разными коэффициентами сопротивления) можно выравнять расход среды в них (для простоты не рассматриваем влияния ΔpНИВ, ΔpКОЛ, ΔpУСК)

(9.84)

Приняв как исходное условие ρГ= 1, получим

(9.85)

На входе. Дроссельная шайба в разверенной трубе должна иметь приведенный коэффициент сопротивления

(9.86)

Таким образом, приведенные коэффициенты сопротивления шайб находятся в обратной зависимости от удельных объемов: чем больше удельный объем в разверенной трубе, тем меньше должно быть гидравлическое сопротивление шайбы.

Ступенчатая труба (когда трубы панели выполняются из участков с разным внутренним диаметром) изменяет распределение по длине трубы потерь на трение, а в месте изменения диаметра появляется дополнительное местное сопротивление. Уменьшение диаметра на входном участке приводит к увеличению его сопротивления и уменьшает гидравлическую разверку; использование малого диаметра на выходном участке усиливает разверку, поэтому ступенчатая труба выполняется с увеличением диаметра по ходу рабочей среды.

Расчет разверочных характеристик заключается в определении по изложенным в данном разделе формулам коэффициентов гидравлической разверки ρГ, конструктивной нетождественности ηКи неравномерности тепловосприятия ρт, а также температуры рабочей среды на выходе из разверенной трубы tВЫХm.

Расчет завершается построением разверочных кривых

.

Пример разверочных характеристик представлен на рис.9.32. В сильнообогреваемых трубах (ηт> 1) с увеличением коэффициента ηтрасход среды падает, температура среды tВЫХрастет. Чем больше общее среднее тепловосприятие элемента ηЭЛ, тем круче идут кривые ρГ= f(ηт) и tВЫХ= f(ηт). Следовательно, увеличение прироста энтальпии в элементе (увеличение поверхности нагрева или теплового потока) неблагоприятно воздействует на гидравлическую и тепловую разверки.

Разверочные характеристики используются для общего анализа условий работы поверхности нагрева, влияния различных факторов на ее работу. В частности, по известной допустимой температуре среды tдопможно определить ηтДОП(рис.9.32) и сравнить его с реальным ηдоп. Должно быть ηт≤ ηтДОП. Можно решить и обратную задачу: по известному ηтопределяются ρГ, ρq, tmВЫХ

Разверочные характеристики используются для анализа температурного режима металла труб. Для этого на зависимости tmВЫХ= f(ηт) строятся дополнительные графики: зависимости температуры стенки на внутренней поверхности трубы tСТВН, на наружной - tСТНи средней по толщине стенки tСТСРот неравномерности тепловосприятия (рис.9.33). По допустимой температуре наружной поверхности трубы (tСТН)ДОП, или средней температуре (tСТСР)ДОП, определяется допустимое значение (ηтДОП)МЕТ.

При анализе разверочных характеристик может оказаться, что для заданных начальных условий температура металла труб выше допустимого значения. Снизить температуру водного теплоносителя и, соответственно, температуру металла труб можно за счет теплоприращения ΔhЭЛв элементе. Для этого необходимо сократить обогреваемую длину трубы в элементе, т.е. установить дополнительные промежуточные коллекторы. При этом количество последовательно включенных элементов (панелей) по пароводяному тракту котла возрастает, в частности радиационные поверхности прямоточных котлов разбивают на 2…3 элемента, а пароперегревательные поверхности барабанных и прямоточных котлов на 3…5 элементов.