8. Характеристики и виды движения водного теплоносителя в паровых котлах Гидродинамика водного теплоносителя в паровых котлах
![]()
|
10. Температурный режим поверхностей нагрева паровых котлов10.1.Металл паровых котловУсловия 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 tпр, °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 Sпр, м (S ≥ Sпр), - приведенное напряжение от внутреннего давления σпр, Па, не должно превышать номинальное допустимое напряжение [σ], Па; - допустимое рабочее давление рдоп, Па, должно быть больше действительного рабочего давления р, Па; - температура наружной поверхности стенки tСТНАР, °С, должна быть ниже предельно допустимой температуры tпр . 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 котлаНадежность 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 tствн (tствн 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 tстср(tстср необходима для расчета длительной прочности трубы); на наружной поверхности стенки трубы tстн(по значению tстн 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) qэл, кВт/м2. Из расчета топки известно тепловосприятие топочной камеры Qл кДж/кг, в расчете на 1 кг (м3) топлива, расчетный расход топлива Вр, кг/с (м3/с), лучевоспринимающая поверхность нагрева Hл, м2. По этим данным рассчитывается среднее удельное тепловосприятие поверхностей нагрева топки, кВт/м2,
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 ηст, по высоте топки ηв, по ширине стенки ηш. В случае, когда горелки расположены только на фронтальной стенке топки, для заднего экрана применяется ηст = 1,1, при этом для остальных стенок ηст применяется одинаковым и определяется по тепловому балансу топки (ηст = 0,95). Для всех других случаев расположения горелок применяется ηст = 1. Среднее тепловосприятие настенного экрана
Существенна неравномерность тепловосприятия по высоте топки: максимальные значения коэффициента ηвmax в нижней трети топки, а в верхней трети ηв = 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 ηст = 1,1, для пяти или шести элементов: ηш = 1,2. В итоге среднее удельное тепловосприятие элемента
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
где ηт - коэффициент неравномерности тепловосприятия разверенной трубы элемента. Максимальное значение ηт зависит от количества элементов на стенке: для одного или двух элементов ηтmax=1,3; трех элементов ηтmax=1,2; четырех и более ηтmax=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 Δηт
Для радиационных поверхностей нагрева ∆ηт = 0,15…0,25. Расчет температурного режима труб проводится по максимальному тепловосприятию разверенных труб qtmax, которое определяется по формуле
Если в результате позонного расчета или промышленных испытаний определено среднее удельное тепловосприятие элемента qэл, то можно использовать формулу
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 = dн/dвн. 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
Температура металла разверенной трубы определяется по следующим соотношениям: для внутренней поверхности
для середины стенки
для наружной поверхности
где tр ср - температура рабочей среды (водного теплоносителя) в рассчитываемом сечении разверенной трубы, °С; α2- коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде, кВт/(м2ЧК); δотл, δм - толщина слоя внутритрубных отложений и стенки трубы, м; λотл, λм - 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:
где tэлн - средняя (расчетная) температура на выходе из секции, °С (в сечении II-II, рис.10.1); δtmн - 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 qmmax 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 λм 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 ∆tм, °С, по толщине металла S, мм, определяется по формуле
Расчет Δtм проводится в следующей последовательности: принимают среднюю температуру металла tстср (на 50…100°С выше температуры рабочей среды), по этой температуре из рис.10.2 определяют λм, затем по (10.13) находят Δtм. Рассчитывают tстср по (10.10) и, если расчетная температура отличается от первоначально принятой больше, чем на 100° С, проводят уточнение значений λм и Δtм. |