Файл: Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций.pdf

В переходном режиме после наброса нагрузки возникает нарушение материального баланса [3]

энтальпия питательной и котловой воды и пара, Дж/кг; Gm, ст, tm° — соответственно масса и теплоемкость металла и его тем­ пература.

Уравнения (3) и (4) существенно нелинейны, так как плот­ ности пара и воды, а также их энтальпия зависят от давле­ ния, однако при малых отклонениях давления, обычно наблю­ дающихся на практике, возможна линеаризация этих уравне­ ний без внесения особых погрешностей в результаты.

Линеаризуя уравнения (3) и (4), т. е. заменяя в них зна­ чение функции через ее величину в стационарном режиме и линейное приращение, и решая их совместно, получим для искомой скорости изменения давления следующее выраже­ ние [3]:

воды; бD = a D/Dq— относительное изменение расхода пара.

28

стей по пару, воде и металлу от давления показана на рис. 13. Обычно принимают, что постоянные времени TQ и Т0 не меняются при отклонениях режима давления от начального. Их значения близки друг к другу и для котлов различных ти­ пов находятся в пределах от 190 до 420 с. Постоянная времени 7V стремится к бесконечно большому значению при уменьше­ нии недогрева питательной воды. Это означает, что изменения подачи питательной воды почти не оказывают влияния на

давление.

Учитывая, что последним членом уравнения (5) можно пренебречь ввиду его малости, максимальную скорость изме­ нения давления, например при полном сбросе нагрузки, опре­ делим в предположении, что 6D = —1.

В этом случае подвод тепла и питательной воды постоянен, т. е.

8 Q = 3 1 1 7 = О,

п скорость

5А.акс=1/^о.

т. е. бДмакс = 0,0002 — 0,009 с~\ что соответствует абсолют­ ным значениям dp/dx для котлов среднего давления 6 — 18 и

для котлов высокого давления 24—30-к-С|/см ■. Такая скорость

может оказаться недопустимой для барабанных котлов по условиям надежной циркуляции, которая может быть наруше­ на при вскипании воды в опускных трубах. По мере движения частицы воды вниз по опускной трубе действующее на нее давление, с одной стороны, увеличивается из-за возрастания нивелирного напора, а с другой — уменьшается из-за общего понижения давления в системе, вызванного скачком нагрузки, а также из-за возрастания потерь в гидравлических сопротив­ лениях.

29

Таким образом, давление в нижнем сечении опускной трубы будет отличаться от давления в верхнем сечении на ве­ личину

ву0п— скорость среды в опускной трубе; Н — высота опускной трубы.

На рис. 14 эта зависимость показана графически. Обычно скорость среды в опускных трубах не превосходит по усло­ виям кавитации значения 3 м/с и поэтому предельно допусти­ мая скорость понижения давления в барабанных котлах рав­ на 12—13 кгс/см2 в минуту.

При больших скоростях воды и возникновении вскипания в опускных трубах возможен застой циркуляции в подъемных трубах. Зависимость предельно допустимой скорости измене­ ния давления от скорости воды в опускных трубах по условию отсутствия застоя циркуляции в подъемных трубах показана на рис. 14.

Другим важным ограничением скорости изменения давле­ ния в барабанных котлах является процесс «набухания» уровня, который может привести к забросу воды в турбину. Известно, что объем пара, содержащегося в котловой воде, за­ висит от величины нагрузки (рис. 15). При понижении давле-

30

ния в системе из-за повышения нагрузки и вскипании воды во всем объеме этот объем также растет и вместе с ним повыша­ ется уровень в барабане котла (рис. 16). Это явление полу­ чило название «набухания» уровня.

Вообще при внезапном скачке нагрузки нарушается и ма­ териальный баланс, вследствие чего начинается линейное сни­ жение уровня во времени. Но одновременно действующий механизм «набухания» уровня из-за увеличения паросодержания воды приводит к росту уровня по экспоненциальному за­ кону. Результирующее поведение уровня определяется обоими процессами, причем сначала возникает довольно ощутимый скачок уровня вверх из-за «набухания» и только потом уро­ вень начинает постепенно снижаться.

Величина «заброса» уровня вследствие «набухания» зави­ сит в основном от скорости понижения давления, т. е. от вели­ чины внезапного наброса нагрузки.

Соотношение между скоростью изменения уровня, измене­ нием расхода пара, скоростью изменения давления, свойст­ вами рабочей среды и конструкцией котла может быть пред­ ставлено следующим образом [3]:

Здесь Fz — площадь зеркала испарения, м2; V" — объем пара

а также при неизменности расходов питательной воды и топ-

31

лива можно получить приближенное решение в следующем виде:

h -- Лд -(- Ст -f- Кг" — У;"

F3

■где

1

С = Д,(р' — р")

L — средневзвешенная длина испарительной зоны, м; w02 — скорость циркуляции в конце процесса, м/с.

Рис. 17

Диаграмма рис. 17 иллюстрирует результирующее измене­ ние уровня в барабанном котле при набросе и сбросе нагруз­ ки. Здесь кривая 1 показывает уход (возрастание) уровня из-за нарушения материального и теплового балансов, кри­ вая 2 — влияние «набухания» уровня и кривая 3 — результи­ рующее изменение уровня.

Так как постоянная времени «набухания» Тп невелика (всего несколько секунд) и «набухание» уровня стабилизиру­ ется в течение короткого промежутка времени, за который на­ рушения материального и теплового балансов еще не ска­ жутся ощутимо на изменении уровня, то заброс уровня вслед­ ствие «набухания» +ДЛН можно с небольшим запасом при­ ближенно определить по упрощенной формуле

В прямоточных котлах нарушения материального и тепло­ вого балансов сопровождаются перемещением границ между переходной зоной, расположенной, как правило, в конвектив­ ной шахте, и экономайзерной зоной, расположенной в нижней радиационной части котла (НРЧ). Поэтому уравнения мате-

32 .

риального и теплового балансов должны учитывать протека­ ние переходных процессов не только во времени, но и по всей длине трубной системы котла:

рабочей среды, кг/с; qt — линейная удельная тепловая нагруз­ ка, Дж/м • с; F.гр — сечение труб пакета, м2.

На рис. 18 приведено упрощенное графическое изображе­ ние переходного процесса в прямоточном котле при набросе нагрузки +AD. Как видно, в

течение промежутка времени

часть переходной зоны переме­ щается в экономайзерную зону и в дальнейшем процесс стаби­ лизируется при новом располо­ жении границ между этими зо­ нами. Однако такое перемеще­ ние, вызванное большой ско­ ростью понижения давления в системе при набросе нагруз­ ки, недопустимо по условиям надежности работы металла труб НРЧ.

Перемещение границ пере­ ходной зоны в НРЧ не произой­

дет, если скорость понижения давления будет ниже скорости движения воды в экономайзерной зоне. При скорости движе­ ния воды около 10 м/с, соответствующей нагрузке, близкой к полной, и запасе надежности 1,5 допустимая скорость пони-

кгс/см-

жения давления с?Ар/йтдоп= 4 5 —^ — , при меньших нагруз­

ках dAp/dTBon=30—35 КГ^ М~ •

Недопустимость перемещения переходной зоны в НРЧ объясняется особыми условиями теплообмена в наиболее теп­ лонапряженной части прямоточного котла, какой является НРЧ. При постепенном переходе воды сначала в двухфазное состояние, а затем в пар возникают два кризиса теплообмена с резким ухудшением теплоотдачи и повышением температуры стенок труб.