Metodická příručka stručně nastiňuje základy teorie přirozené cirkulace v kotlích a parogenerátorech, poskytuje metodiku pro provádění hydraulických výpočtů kotlů s přirozenou cirkulací a posuzování ukazatelů spolehlivosti přirozené cirkulace. Příloha manuálu obsahuje grafy, tabulky a nomogramy potřebné pro absolvování kurzu. Pro provedení výpočtů je nutné mít teoretický výkres kotlového tělesa, proto je součástí žádosti výkres tělesa vysokotlakého kotle typu KVN-98/64 (KVG-3).
Nutnost vydání této metodické příručky je dána tím, že v literatuře popisující principy a způsoby výpočtu parních kotlů jsou uvedeny pouze obecné zásady provádění výpočtů ES, bez popisu samotné metodiky výpočtu.
Při psaní příručky byla jako základ brána metoda výpočtu přirozené cirkulace stanovená v učebnici A.I.Indeikina a Yu.V.Aleksandrovského. a další.“ Lodní parní kotle. Základy teorie a výpočtů“, nakladatelství Leningradské vyšší námořní inženýrské školy pojmenované po. V A. Lenina (nyní Námořní inženýrský institut) a na základě výpočtové metody vyvinuté Ústředním ústavem pro kotelně-turbíny v Petrohradě. V příručce je metoda výpočtu uvedena v tabulkové formě, která je pro studentské publikum pohodlnější.
Absolvování kurzu práce na hydraulickém výpočtu parního kotle vám umožní lépe porozumět podstatě fyzikálních procesů probíhajících při provozu parního kotle a jejich závislosti na různých faktorech.
Základní pojmy a definice přirozené cirkulace
Při provozu moderních parních kotlů a spalování kapalného paliva v topeništích parních kotlů vznikají plyny o vysoké teplotě cca 2000 o C. Při průchodu topnými plochami kotle v procesu výměny tepla s ohřívaného média, teplota plynů na výstupu z kotle klesá na hodnoty 350 – 500 o C. Měrné tepelné toky působící na topné plochy se počítají ve stovkách tisíc kilojoulů na metr čtvereční za hodinu.
Každá třída oceli má maximální přípustnou teplotu, nad kterou je dlouhodobý spolehlivý provoz trubky nemožný. Se zvyšující se teplotou stěny potrubí se zvyšuje intenzita korozních procesů (okují) a snižuje se pevnost materiálu. Čím více teplota stěny trubky překročí přípustnou mez, tím dříve dojde k její destrukci. K poškození může dojít i tehdy, pokud teplota stěny potrubí nepřekročí maximální přípustnou hodnotu, ale osciluje s významnou amplitudou a velkým počtem změn v cyklech tepelného zatížení. Výsledná destrukce je únavového charakteru, má podobu podélných trhlin a nazývá se tepelná nebo korozní únava.
Ve ztížených teplotních podmínkách, které vznikají v topeništích a kouřovodech parních kotlů, je provoz výhřevných ploch kotlů možný pouze při organizované cirkulaci pracovní tekutiny a intenzivním odvodu tepla ze stěn potrubí omývaných horkými plyny. Při dobře organizované cirkulaci je teplota vnějších stěn trubek otopné plochy jen o několik stupňů vyšší než teplota média, které v nich proudí. Se zhoršujícími se cirkulačními podmínkami se intenzita přenosu tepla snižuje, zvyšuje se pravděpodobnost krizí přenosu tepla jak prvního, tak druhého typu a s tím související zvýšení teploty kovu vnější stěny trubek. Jinými slovy, spolehlivý provoz topných ploch kotle je dán teplotním režimem kovového potrubí.
Pohyb vody a směsi páry a vody v potrubích odpařovací části kotle lze organizovat následujícími způsoby:
− vlivem vnějších sil (tlak napájecího nebo speciálního oběhového čerpadla);
− v důsledku rozdílu měrných hmotností vody a směsi páry a vody vzniklé při jejím odpařování.
Podle popsaných způsobů organizace pohybu vody a směsi páry a vody lze všechny parní kotle a parní generátory rozdělit do dvou velkých skupin: kotle a parní generátory s nuceným oběhem a kotle a parní generátory s přirozeným oběhem.
Schéma nejjednoduššího cirkulačního okruhu kotle s přirozenou cirkulací je na Obr. 1. Nejjednodušší cirkulační okruh se skládá z parního rozdělovače, vodního rozdělovače a vyhřívaných a nevytápěných trubek, které je spojují. Když je teplo přiváděno do vyhřívaného potrubí, voda uvnitř něj se odpařuje. Výsledná směs páry a vody plní ohřívanou trubku a o hustotě nižší než je hustota vody stoupá ze sběrače vody nahoru do sběrače páry. Voda v nevyhřívaném potrubí padá dolů z parního potrubí do vodního potrubí. Trubky kotle, kterými stoupá směs páry a vody, se nazývají zdvihání. Trubky, kterými voda klesá, se nazývajíklesající. Pohyb pracovní tekutiny vyplývající z rozdílu měrných hmotností (hustot) vody ve spouštěcích trubkách a směsi páry a vody ve stoupacích trubkách se nazývápřirozený oběh, a uzavřený hydraulický systém sestávající z postupně zapojených zvedacích a spouštěcích trubek spojených rozdělovači je tzv.přirozený oběhový okruh.
Rýže. 1. Schéma nejjednoduššího obvodu přirozené cirkulace
Voda vstupuje do cirkulačního okruhu (do stoupacího potrubí) o teplotě nižší, než je bod varu vody při provozním tlaku v kotli. Teplotní rozdíl je charakterizován hodnotou přihřívat k varu – Di, což je rozdíl mezi entalpií vody při teplotě nasycení a entalpií vody v určitém bodě cirkulačního okruhu. Při pohybu nahoru vyhřívaným potrubím se voda ohřívá a na místě А jeho teplota dosáhne teploty nasycení. Tento bod se nazývá bod varu. Ta část stoupacího potrubí, kterou se pohybuje voda podchlazená na bod varu, se nazývá část ekonomizéru. Vyznačuje se délkou – lekv a výška – hekv sekce ekonomizéru. Zbytek stoupacího potrubí, kterým se pohybuje směs páry a vody, se nazývá část obsahující páru. Vyznačuje se délkou – lpára a výška – hpára část obsahující páru. Spodní část obrysu je také charakteristická svou délkou – lop a výška – hop sestupová oblast.
Rozdíl mezi tlaky vodního sloupce ve spádovém potrubí a směsi páry a vody ve stoupacím potrubí se nazývá hnací tlak přirozené cirkulace:
Pokud vyjádříme tlak sloupců pracovních kapalin ve zvedacích a spouštěcích částech cirkulačního okruhu měrnou hmotností (hustotou) vody a směsi páry a vody, pak výraz pro hnací tlak lze přepsat následovně :
nebo [Pa] (2)
– měrná hmotnost (hustota) vody v okruhu, rovná se měrné hmotnosti (hustotě) vody v bodě varu pro daný provozní tlak v parním kotli – pк;
– měrná hmotnost (hustota) suché syté páry pro daný provozní tlak v parním kotli – pк;
– část objemu potrubí obsahujícího páru, kterou zabírá suchá nasycená pára.
Z výrazu (2) je zřejmé, že hnací tlak přirozené cirkulace závisí na výšce části stoupacího potrubí obsahující páru a na rozdílu měrných hmotností (hustot) vody a směsi páry a vody.
Směs páry a vody procházející stoupacím potrubím se skládá z vody ohřáté na bod varu a suché syté páry. Jak se směs pohybuje stoupacím potrubím, množství nasycené páry se v místě mění od nuly А maximálně ve výstupní části potrubí. Poměr hmotnosti suché syté páry ve směsi k hmotnosti celé směsi se nazývá hmotnostní obsah par nebo stupeň suchosti páry – х. Poměr hmotnosti vody – G, vstupující do stoupacího potrubí okruhu, na váhu páry, která se v něm vytvořila za stejnou dobu – Dse nazývá cirkulační poměr – К.
Cirkulační poměr je převrácená hodnota hmotnostního obsahu páry ve výstupní části stoupacího potrubí.
Na rozdíl od uvažovaného nejjednoduššího cirkulačního okruhu, skládajícího se z jedné stoupací a jedné jímky a kolektorů, které je spojují, sestávají cirkulační okruhy skutečných parních kotlů z mnoha paralelně zapojených odpařovacích (náběhových) a jímkových trubek. V tomto případě může mít parní kotel jak jeden cirkulační okruh (například cirkulační okruh dvoukolektorového kotle), tak několik jednoduchých nebo složitých cirkulačních okruhů navzájem spojených nebo nepropojených (například cirkulační okruhy clony). a svazek hlavních odpařovacích trubek pro tříkolektorové kotle typu KVG -25).
U dvoukolektorového parního kotle typu KVG-3, uvažovaného v tomto návodu, se okruh přirozené cirkulace skládá ze stoupacích trubek, včetně jedné řady sítových trubek a devíti řad konvekčního odpařovacího svazku, a čtyř řad spouštěcích trubek umístěných v nevytápěné části kotle za svazkem clonových trubek.
Stoupací trubky umístěné v různých řadách dostávají různá množství tepla. Výsledkem je, že v každé řadě trubek vzniká jiné množství páry a každá řada trubek má svůj vlastní cirkulační poměr. V tomto případě, aby bylo možné určit rychlost cirkulace pro celý cirkulační okruh kotle, je zaveden koncept průměrná rychlost cirkulace okruhu. Průměrná rychlost cirkulace okruhu je chápána jako poměr hmotnosti vody vstupující do všech stoupacích trubek okruhu k hmotnosti suché syté páry vytvořené za stejnou dobu v okruhu (tj. k celkovému parnímu výkonu kotle obvod):
Ze vzorce pro stanovení hnacího tlaku přirozené cirkulace (2) je zřejmé, že pro zjištění hnacího tlaku je nutné určit výšku části stoupacího potrubí obsahující páru a skutečný obsah páry. Obvykle se vycházejí z následujících předpokladů:
všechny trubky každé konkrétní řady vnímají stejné množství tepla;
tepelné zatížení je rovnoměrně rozloženo po výšce potrubí výparníku.
Hnací tlak přirozené cirkulace se vynakládá na překonání hydraulického odporu vůči pohybu pracovního média ve spouštěcích a stoupacích potrubích:
Rozdíl mezi hnacím tlakem a odporem zvedacích trubek okruhu se nazývá užitečný (redundantní) tlak přirozeného oběhu:
Užitečný tlak přirozené cirkulace se tedy vynakládá na překonání odporu dolní části okruhu a podmínkou pro ustavení přirozené cirkulace v okruhu je, že užitečný tlak je roven odporu sekce po proudu:
Pokud je narušena rovnost užitečného tlaku s odporem spouštěcí části okruhu, dochází buď k přebytku hnací síly, nebo ke zvýšenému odporu. Vlivem těchto dvou sil se mění cirkulační režim, cirkulační rychlosti se snižují nebo zvyšují, dokud nenastane nová rovnost.
V průmyslu a tepelných elektrárnách jsou rozšířeny kotle na výrobu vodní páry různých parametrů s přirozeným nebo nuceným oběhem. Někdy se k výrobě páry používají kotle speciální konstrukce a specializovaného účelu: kotle s mezichladicími kapalinami, kotle s tlakem v cestě plynu; reaktory a parogenerátory jaderných elektráren; kotle, které využívají teplo plynů z technologických a energetických technologických celků apod.
Stacionární kotle určené k výrobě páry využívané technologickými a domácími spotřebiteli i v turbínových jednotkách pro výrobu elektřiny jsou parametricky a výkonově standardizovány (GOST 3619-82). Plánuje se výroba následujících stacionárních kotlů:
– nízkotlaké kotle s přirozeným a nuceným oběhem včetně kotlů s tlakem páry 0,88 MPa (9 kg/cm2), výkonem 0,16-1 t/h syté páry, teplotou napájecí vody 50 °C; pára je využívána průmyslovými a domácími spotřebiteli;
– středotlaké kotle, které zahrnují kotle s přirozenou cirkulací s tlakem páry na výrobu syté a mírně přehřáté páry o tlaku 1,36 MPa (14 kgf/cm2), výkonu 2,5÷160 t/h a teplotě napájecí vody 105 °C;
– kotle s přirozenou cirkulací na výrobu nasycené a mírně přehřáté páry o tlaku 2,36 MPa (24 kgf/cm2), produktivitě 50-160 t/h a teplotě napájecí vody 105 °C;
– středotlaké kotle 3,9 MPa (40 kgf/cm 2 ), s přirozenou cirkulací, vyrábějící přehřátou páru o tlaku 3,9 MPa (40 kgf/cm 2 ), teplota 440°C, výkonnost těchto kotlů je 10÷160 t/h při teplotě napájecí vody 150 °C;
vysokotlaké kotle s přirozeným i nuceným oběhem o výkonu 220÷820 t/h. Tyto kotle vyrábějí přehřátou páru o tlaku 9,8 MPa (100 kgf/cm2), teplotě 540 °C s teplotou napájecí vody 215 °C;
– vysokotlaké kotle – 13,8 MPa (140 kgf/cm2), teplota přehřáté páry 540÷560°C, výkon 210÷1000 t/h, teplota napájecí vody 215°C;
– přímoproudé nadkritické tlakové kotle, o výkonu 1000÷3950 t/h, vyrábějící páru o tlaku 25 MPa (255 kgf/cm2), s teplotou přehřáté páry 540÷560°C, teplotou napájecí vody 270 °C.
Označení typů kotlů: přirozený oběh – E, s mezipřehřevem – EPР, přímoproudé – P, s mezipřehřevem – PPР.
Mezi hlavní parametry parních kotlů GOST patří jmenovitý výkon D, kg/s; jmenovitý tlak páry p, MPa (kgf/cm2); teplota přehřáté páry tnn, °C; jmenovitá teplota napájecí vody v, °C; Hrubá účinnost.
První stupeň parametrů páry (3,90 MPa, 440 °C) byl přijat na základě možnosti vyrobit přehřívák a vysokotlaké stupně turbíny z uhlíkové oceli. Teplota potrubí přehříváku by neměla překročit 500°C. Tlak 3,90 MPa je akceptován podle podmínky přípustné konečné vlhkosti páry v nízkotlakých stupních turbíny 10÷12 %. Tlak 9,80 MPa odpovídá maximální dovolené vlhkosti páry v turbíně při přijaté teplotě páry 540 °C, která v tomto případě nepřesahuje 12 %.
Parametry 13,8 MPa, 560°C byly zvoleny na základě podmínek pro možné zvýšení počátečního tlaku za přítomnosti mezipřehřátí páry a při zachování přípustné konečné vlhkosti páry. Hodnoty ultravysokých parametrů páry jsou dány podmínkami pro spolehlivý provoz moderních jakostí legovaných ocelí. Pracuje se na použití páry a vyšších parametrů. Jsou zde poloprovozy s tlakem páry 29,4 MPa a teplotou 600 °C.
Kotle na výrobu vysokotlaké a nadkritické (25 MPa) páry jsou určeny pro tepelné elektrárny středního a vysokého výkonu. Stupnice tlaku a produktivity energetických kotlů v GOST jsou převzaty podle parametrů páry a výkonu normalizovaných turbínových jednotek na základě instalace jednoho nebo dvou kotlů na turbínovou jednotku.
Standardizace parametrů páry a výkonu stacionárních kotlů, zavedená u nás již v předválečných letech, umožnila organizovat hromadnou výrobu energetických zařízení, což výrazně snížilo náklady na výrobu kotlů a pomocných zařízení k nim nezbytných, a také zajistila využití nejracionálnějších řešení v energetice.
Kotle s přirozeným a nuceným oběhem, převážně používané v průmyslu, se zásadně liší pouze organizací hydrodynamiky v odpařovacích výhřevných plochách. Schémata pro organizaci pohybu vody, směsi páry a vody a páry v těchto kotlích jsou znázorněna na obr. 17.1.
U kotlů s přirozenou cirkulací (obr. 17.1, a) je napájecí voda čerpána do ekonomizéru az něj do horního bubnu. Při procesu přirozené cirkulace, ke kterému dochází v odpařovacích topných plochách, je výsledná směs páry a vody směrována do bubnu, ve kterém dochází k separaci páry a vody. Z bubnu je pára směrována do přehříváku k přehřátí a poté ke spotřebičům. Při kritickém tlaku v kotli není přirozená cirkulace možná. Tato situace, stejně jako podmínky spolehlivosti oběhu, zvyšování hmotnosti a nákladů na konstrukci s rostoucím tlakem v kotli předurčily použití kotlů s přirozenou cirkulací při tlacích do 13,8 MPa. Nízkotlaké a středotlaké kotle jsou převážně konstruovány s přirozenou cirkulací, což je vysvětleno především méně přísnými požadavky na kvalitu napájecí vody, jednodušším systémem automatizace spalovacích a energetických procesů a absencí energetických nákladů na pohyb pracovního média. v odpařovacím systému.
U kotlů s vícenásobným nuceným oběhem (obr. 17.1,6) je napájecí voda čerpána do ekonomizéru a následně do bubnu. V odpařovacích topných plochách je cirkulace prováděna nuceně v důsledku provozu čerpadla zařazeného do cirkulačního okruhu. K oddělení páry a vody dochází v bubnu, ze kterého je pára směrována do přehříváku a dále ke spotřebičům.
Kotle s vícenásobným nuceným oběhem se používají především k využití tepla plynů technologických a energetických technologických celků k výrobě páry nízkých a středních parametrů. Při vysokém tlaku v takových kotlích se komplikují konstrukce a provozní podmínky oběhových čerpadel pracujících na vodu o teplotě vyšší než 300 °C. Při tlaku 13,8 MPa a vyšším se v dálkových tepelných elektrárnách a teplárnách obvykle používají průtočné kotle. U kotlů s přímým prouděním (obr. 17.1, c) jsou ekonomizér, odpařovací topná plocha a přehřívák konstrukčně spojeny a jejich průchodem v sérii se voda ohřívá, odpařuje a výsledná pára se přehřívá, načež se posílá do spotřebitelů. K úplnému odpaření vody dochází při jediném přímém průtoku vody v odpařovací části otopné plochy. Absence bubnu u vysokotlakých průtočných kotlů výrazně (o 8÷10 %) snižuje kovové náklady na výrobu kotle ve srovnání s bubnovým kotlem stejného výkonu a tlaku. Kotle o tlaku 25 MPa jsou vyráběny pouze jednorázové.
Existuje celá řada provedení všech typů kotlů, což je dáno mnoha faktory, které ovlivňují volbu konkrétního technického řešení: parametry páry, produktivita, druh paliva a způsob spalování, vlastnosti napájecí vody, požadované ukazatele výkonu. Obecné trendy ve vývoji konstrukcí kotlů jsou určovány požadavky na zvyšování spolehlivosti a provozní účinnosti, tj. zvyšování hrubé a čisté účinnosti, snižování jednotkových kovových nákladů, výrobních a instalačních nákladů, snižování škodlivých emisí, zajišťování bezpečnosti provozu a usnadnění práce personálu.
