8. Характеристики и виды движения водного теплоносителя в паровых котлах Гидродинамика водного теплоносителя в паровых котлах

• Название: 8. Характеристики и виды движения водного теплоносителя в паровых котлах Гидродинамика водного теплоносителя в паровых котлах
• Дата: 24.01.2020
• Размер: 4.43 Mb.
• Имя файла: 5132c44.doc
• Тип: Документы; #105614
• страница: 24 из 39

10. Температурный режим поверхностей нагрева паровых котлов

10.1.Металл паровых котлов

Условия работы металла в паровых котлах отличаются большим разнообразием: температура изменяется от комнатной до 1000°С и более, давление - от атмосферного до 35 МПа, активность рабочей среды - от нейтральной до химически активной.

В наиболее простых условиях работает металл каркаса котла, его обшивка - при атмосферном давлении, температуре, незначительно превышающей комнатную, среда - воздух. Элементы воздухоподогревателя (трубы, трубные доски, уплотнения, крепление) также работают при давлении, близком к атмосферному, но температура значительно выше. С учетом большого расхода металла на изготовление воздухоподогревателей и низких нагрузок (тепловых и механических) для их изготовления используется дешевая углеродистая сталь. В некоторых случаях приходится ограничивать температуру горячего воздуха и дымовых газов таким образом, чтобы температура металла не превышала допустимой для углеродистой стали. Металл воздухоподогревателя подвергается воздействию сернокислотной коррозии и абразивному износу летучей золой при сжигании твердого топлива. В условиях высоких температур (1000°С и более) и интенсивной коррозии работают неохлаждаемые стойки и подвески труб, их крепежные элементы, детали горелок.

К другой группе элементов конструкции парового котла относятся поверхности нагрева, включающие обогреваемые трубы и коллекторы, трубопроводы между поверхностями нагрева, барабан, работающие под воздействием не только высокой температуры, но и высокого внутреннего давления рабочей среды. Кроме того, поверхности нагрева подвергаются коррозии с газовой стороны и со стороны водного теплоносителя, абразивному износу летучей золой. Конкретные условия работы металла поверхностей нагрева существенно различаются и для их выполнения необходимо использовать металл соответствующего качества.

Работоспособность металла определяется комплексом его механических, технологических и приданных ему специальных свойств. Специальные свойства металла обеспечивают его рабочее состояние в особо напряженных условиях. Так, для поверхностей нагрева паровых котлов, работающих при высоких температурах, важное значение имеют жаропрочность и окалиностойкость металла.

Жаропрочность - способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенных температурах. Жаропрочность отражает свойство стали сохранять прочность, пластичность и стабильность структуры при высоких температурах в условиях ползучести металла в течение расчетного срока службы в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием окислительной газовой среды при высоких температурах. Критерием окалиностойкости служит удельная потеря массы при окислении металла за определенный период времени.

Для каждой стали, используемой в паровых котлах, устанавливается предельная температура наружной поверхности по жаропрочности и окалинообразованию, превышение которой приводит к интенсивной коррозии стали в газовой среде и изменению структуры металла с резким ухудшением его механических свойств.

Коррозия металла поверхностей нагрева парового котла с внешней (газовой) и внутренней (водопаровой) стороны снижает прочностные характеристики металла элементов конструкции котла и для достижения надежной службы этих элементов необходимо использовать металл соответствующего качества.

Перечень марок сталей, используемых в паровых котлах, предельно допустимая температура наружной поверхности металла t_пр, °С, по жаропрочности, высокотемпературной наружной коррозии и окалинообразованию представлены в табл. 10.1.

При тепловом расчете парового котла предварительно выбираются марка стали, диаметр и толщина стенки труб.

После теплового расчета проводится расчет элементов котла на прочность, в результате которого могут быть определены (в зависимости от целей расчета):

- толщина стенки (трубы, коллектора, барабана) S, м, сравнивается с предварительно принятой толщиной S_пр, м (S ≥ S_пр),

- приведенное напряжение от внутреннего давления σ_пр, Па, не должно превышать номинальное допустимое напряжение [σ], Па;

- допустимое рабочее давление р_доп, Па, должно быть больше действительного рабочего давления р, Па;

- температура наружной поверхности стенки t_СТ^НАР, °С, должна быть ниже предельно допустимой температуры t_пр .

Если предварительно принятые конструктивные характеристики элемента не удовлетворяют условиям прочности, тепловой расчет котла повторяется с новыми исходными данными.

Методика расчета элементов теплоэнергетического оборудования, необходимые характеристики металла приведены в соответствующих нормах, а также в справочной литературе.

10.2.Расчет температурного режима обогреваемых труб парового котла

Надежность температурного режима обогреваемых труб определяется их механической прочностью, отсутствием окалинообразования или изменения структуры металла. На надежность работы труб оказывают отрицательное влияние резкие колебания температуры металла, вызванные колебанием теплового потока, расхода и температуры водного теплоносителя, изменением коэффициента теплоотдачи от стенки к среде и т.п. Колебания температуры металла вызывают разрушение защитных оксидных пленок, что интенсифицирует окалинообразование и появление усталостных трещин в металле.

При расчете температурного режима обогреваемой трубы определяют значения температуры металла:

• 
  на внутренней поверхности стенки трубы t_ст^вн (t_ст^вн используется при расчете коэффициента теплоотдачи от стенки к водному теплоносителю и для анализа физико-химических процессов, протекающих на этой поверхности и вблизи нее);
  
• 
  средняя по толщине (сечению) стенки трубы t_ст^ср(t_ст^ср необходима для расчета длительной прочности трубы);
  
• 
  на наружной поверхности стенки трубы t_ст^н(по значению t_ст^н производится оценка вероятности окалинообразования и изменения структуры металла).
  

Методику расчета температурного режима труб рассмотрим на примере одного из элементов парового котла - вертикальной панели НРЧ, расположенной на боковой стенке топочной камеры (рис. 10.1). При этом геометрические размеры рассчитываемой панели должны быть заданы (число, диаметр, длина труб и т.д.).

Прежде всего определим среднее удельное тепловосприятие панели (элемента поверхностного нагрева) q_эл, кВт/м². Из расчета топки известно тепловосприятие топочной камеры Q_л кДж/кг, в расчете на 1 кг (м³) топлива, расчетный расход топлива В_р, кг/с (м³/с), лучевоспринимающая поверхность нагрева H_л, м². По этим данным рассчитывается среднее удельное тепловосприятие поверхностей нагрева топки, кВт/м²,

(10.1)

Тепловыделение в топочной камере имеет сложный объемный характер, что приводит к значительной неравномерности тепловосприятия между стенками топки, по высоте и ширине стенки. При расчете удельных тепловосприятий элементов топки это учитывается коэффициентами неравномерности тепловосприятия: стен топки η_ст, по высоте топки η_в, по ширине стенки η_ш.



В случае, когда горелки расположены только на фронтальной стенке топки, для заднего экрана применяется η_ст = 1,1, при этом для остальных стенок η_ст применяется одинаковым и определяется по тепловому балансу топки (η_ст = 0,95).

Для всех других случаев расположения горелок применяется η_ст = 1. Среднее тепловосприятие настенного экрана

(10.2)

Существенна неравномерность тепловосприятия по высоте топки: максимальные значения коэффициента η_в^max в нижней трети топки, а в верхней трети η_в = 0,6…0,8.

Коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине стенки зависит от количества элементов (пакетов, панелей). Если на стенке находятся три или четыре элемента, то для наиболее обогреваемого элемента η_ст = 1,1, для пяти или шести элементов: η_ш = 1,2. В итоге среднее удельное тепловосприятие элемента

(10.3)

Любая поверхность нагрева котла (элемент его) представляет собой систему параллельно включенных труб, каждая из которых характеризуется своим расходом среды, тепловосприятием, приращением энтальпии среды, распределением температуры по ее длине и т.д.

В результате определенного сочетания этих показателей одна или несколько труб будут иметь наиболее высокую температуру металла. Трубы, работающие с более высокой температурой металла, чем средняя по поверхности, называются разверенными.

Среднее удельное тепловосприятие разверенной трубы элемента (панели) определяется по формуле

(10.4)

где η_т - коэффициент неравномерности тепловосприятия разверенной трубы элемента.

Максимальное значение η_т зависит от количества элементов на стенке: для одного или двух элементов η_т^max=1,3; трех элементов η_т^max=1,2; четырех и более η_т^max=1,1.

При эксплуатации паровых котлов возможны местные (локальные) изменения обогрева элементов (выход отдельных участков труб из общего ряда, несимметричное включение и отключение горелок, переход на другой вид топлива и т.п.).

Расчет на так называемое временное повышение неравномерности тепловосприятия проводится с учетом дополнительного коэффициента Δη_т

(10.5)

Для радиационных поверхностей нагрева ∆η_т = 0,15…0,25. Расчет температурного режима труб проводится по максимальному тепловосприятию разверенных труб q_t^max, которое определяется по формуле

(10.6)

Если в результате позонного расчета или промышленных испытаний определено среднее удельное тепловосприятие элемента q_эл, то можно использовать формулу

(10.7)

Рассмотренные значения удельного тепловосприятия относятся к наружной поверхности труб. Как отмечено в §8.2, пересчет теплового потока на внутреннюю поверхность производится с помощью коэффициента β = d_н/d_вн.

Особенностью теплообмена в топочной камере парового котла является неравномерный обогрев труб по периметру (рис.10.1, сечение 1-1), что приводит к перетоку теплоты от обогреваемой стороны, которая также называется лобовой стороной, к тыльной, необогреваемой. Снижение максимального теплового потока на лобовой стороне трубы и выравнивание его значения по внутреннему периметру трубы за счет растечки теплоты по металлу характеризуется коэффициентом растечки теплоты μ. Для большинства поверхностей нагрева парового котла коэффициент растечки теплоты составляет 0,85…1,0.

Максимальный тепловой поток на внутренней поверхности разверенной трубы находится по формуле

(10.8)

Температура металла разверенной трубы определяется по следующим соотношениям:

для внутренней поверхности

(10.9)

для середины стенки

(10.10)

для наружной поверхности

(10.11)

где t_{р ср} - температура рабочей среды (водного теплоносителя) в рассчитываемом сечении разверенной трубы, °С; α₂- коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде, кВт/(м²ЧК); δ_отл, δ_м - толщина слоя внутритрубных отложений и стенки трубы, м; λ_отл, λ_м - коэффициент теплопроводности отложений и металла, кВт/(м∙К).

В общем случае (а) для установления разверенной трубы и наиболее опасного сечения необходимо учитывать влияние параметров, входящих в формулы (10.9)-(10.11), на температуру стенки:

(10.12)

где t_эл^н - средняя (расчетная) температура на выходе из секции, °С (в сечении II-II, рис.10.1); δt_m^н - превышение температуры среды в разверенной трубе над средней, °С, и определяется неравномерностью обогрева труб, конструктивным выполнением поверхности нагрева, расходом среды по трубам (см. гл.9);

б) для радиационных поверхностей нагрева необходимо учитывать, что наивысшая тепловая нагрузка соответствует ядру факела, поэтому максимальный тепловой поток в панели q_m^max будет, как правило, в трубе, расположенной ближе к середине стены, на которой расположена панель, и в сечении трубы, находящемся ближе всего к ядру факела.

В ширмах максимальный тепловой поток приходится на нижний участок первой трубы, обращенный в сторону факела, в конвективных пароперегревателях - на первый ряд (по ходу газов);

в) коэффициент теплоотдачи α₂ по длине трубы изменяется, при определенном сочетании теплового потока и скорости среды в трубе возможно значительное уменьшение коэффициента α₂ при этом температура металла резко возрастает;

г) внутритрубные отложения примесей водного теплоносителя обладают плохой теплопроводностью, поэтому даже незначительное их количество может привести к существенному росту температуры металла. Факторы, влияющие на количество отложений, их месторасположение, структуру и другие характеристики, рассмотрены в гл.11;

д) толщина стенки трубы определяется из расчета на прочность. Теплопроводность металла λ_м зависит от состава стали и температуры стенки (рис.10.2).



Температурный режим обогреваемой трубы рассчитывается в том месте, где температура рабочей среды или тепловой поток максимальны, коэффициент α₂ минимален, значительны внутритрубные отложения.

Изменение температуры ∆t_м, °С, по толщине металла S, мм, определяется по формуле

(10.13)

Расчет Δt_м проводится в следующей последовательности: принимают среднюю температуру металла t_ст^ср (на 50…100°С выше температуры рабочей среды), по этой температуре из рис.10.2 определяют λ_м, затем по (10.13) находят Δt_м.

Рассчитывают t_ст^ср по (10.10) и, если расчетная температура отличается от первоначально принятой больше, чем на 100° С, проводят уточнение значений λ_м и Δt_м.