Статические характеристики парового котла в нерасчетных режимах работы.

При работе парового котла в режимах, отличных от расчетного, за счет различий тепловых характеристик отдельных его элементов происходит перераспределение тепловосприятий между радиационными и конвективными поверхностями нагрева. Это может привести к изменению параметров перегрева пара, температуры горячего воздуха, поступающего в топку, нагрева воды в экономайзере. Проанализируем изменения показателей работы котла при переходе от одного стабильного режима работы к другому. Характеристики, соответствующие любому стабильному режиму работы парового котла, называются статическими.

Тепловой режим топочной камеры при переходе на другую нагрузку изменяется не так заметно, как нагрузка, и определяется законами радиационного (лучистого) теплообмена, в котором определяющими являются адиабатная (максимальная) температура газов в ядре факела θ_а и температура газов на выходе из топки θ"_Т.

Адиабатная температура горения θ_а,°С характеризует максимальную теоретическую температуру газов, когда все тепловыделение в топке Q_Т (см. § 6.5) расходуется на нагрев газов

7.4

где (Vc)_г - усредненная теплоемкость газов при адиабатной температуре, кДж/(кг·К), θ_а практически не зависит от нагрузки, поскольку определяется в расчете на 1 кг (м³) топлива и несколько уменьшается при снижении нагрузки лишь из-за незначительного изменения Q_Г.В, которое составляет около 10% Q^Р_Н.

Температура на выходе из топки θ"_Т определяется размером тепловоспринимающих поверхностей экранов топки F^э_СТ и значением воспринятого теплового потока рабочей средой в топочных экранах q_Л.

Так, при изменении нагрузки ΔN на 10% температура газов на выходе из топки изменяется примерно на Δθ"_Т = 0,025θ"_Т (при обычной θ"_Т = 1150…1200°С). В итоге средняя эффективная температура газов в топочной камере, зависящая в большой мере от θ_а , изменяется незначительно. Средний воспринятый тепловой поток поверхностью топочного экрана изменяется с нагрузкой следующим образом

7.5

где индексы “н” и “х” относятся соответственно к номинальной и любой пониженной нагрузке: - относительная нагрузка.

Расход рабочей среды в топочных экранах прямоточного котла изменяется пропорционально нагрузке , поэтому теплоприращение рабочей среды в экранах топки

7.6

изменится при пониженной нагрузке в зависимости

7.7

Если принять снижение нагрузки, например, до 0,5N_Н, то значение

Таким образом, в радиационной поверхности при принудительном движении рабочей среды по мере снижения нагрузки имеет место повышение тепловосприятия (рис. 7.3, а).

Рис. 7.3. Зависимость удельного тепловосприятия рабочей среды Δh в поверхностях нагрева от тепловой нагрузки котла: а - радиационные поверхности; б - конвективные поверхности; в - полурадиационные поверхности; 1 - равенство радиационной и конвективной составляющих теплообмена; 2 - превалирует конвективный теплообмен; 3 - превалирует радиационный теплообмен; - относительная нагрузка

В барабанном паровом котле при снижении нагрузки увеличивается недогрев жидкости до кипения в нижних коллекторах экранов, что обеспечивает пропорциональное нагрузке уменьшение выхода насыщенного пара.

Другой характер имеет эта зависимость в конвективных поверхностях нагрева. Основное уравнение конвективного теплообмена имеет вид

7.8

где k - коэффициент теплопередачи в поверхности нагрева F_К; Δt - температурный напор между греющей газовой средой и рабочей средой в трубах поверхности.

В конвективных поверхностях нагрева происходит одновременное снижение температурного напора за счет снижения температуры газов на входе в поверхность и коэффициента теплоотдачи за счет уменьшения скоростей газов в газоходах. В связи с этим тепловосприятие конвективной поверхности Q_К заметно снижается, причем в большей мере, чем изменяется расход среды с нагрузкой. В результате этого приращение энтальпии рабочей среды в конвективной поверхности Δh = Q_К/D_К уменьшается с понижением нагрузки (рис. 7.3, б) и температура пара (воды, воздуха) на выходе из соответствующих поверхностей нагрева снижается.

В полурадиационных поверхностях нагрева на выходе из топки (ширмовые поверхности перегревателя, разведенные ряды труб с повышенным шагом) радиационный и конвективный теплообмен одинаково развиты, тогда теплоприращение , и с учетом изменения этих характеристик при снижении нагрузки полное тепловосприятие рабочей среды Δh_Р-К постоянно или мало в зависимости от превалирования одного вида теплообмена над другим (рис. 7.3, в).

На основе различия тепловых характеристик поверхностей парового котла при изменении нагрузки можно проследить, как будет изменяться температура газового потока вдоль всего тракта котла при снижении нагрузки от номинальной (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Изменение температуры газов вдоль газового тракта котла: 1 - при номинальной нагрузке без рециркуляции газов; 2 - то же при сниженной нагрузке; 3 - при номинальной нагрузке и рециркуляции газов в топку Наибольшее снижение температуры газов имеет место на выходе из топки Δθ"Т. В связи с тем, что каждая из конвективных поверхностей в дальнейшем воспринимает меньше теплоты, чем при номинальной нагрузке, наклон температурной характеристики становится более пологим и температура газов на

выходе из конвективной поверхности приближается к температуре при номинальной нагрузке (рис. 7.4, кривая 2).

Происходит процесс постепенного выравнивания температур. В конечном итоге изменение температуры уходящих газов составит примерно 1/10 от изменения ее на выходе из топки, т.е. Δθ_УХ = 0,1Δθ"_Т . При этом увеличивается доля радиационного тепловосприятия и снижается доля тепловосприятия конвективных поверхностей котла. Рассмотрим зависимость от избытка воздуха и рециркуляции газов в топку. Увеличение избытка воздуха, подаваемого через горелки, имеет такое же воздействие на тепловой режим парового котла, как и рециркуляция в зону горения через горелки. При этом увеличивается объем газов в зоне горения при сохранении практически одинакового тепловыделения. В результате заметно снижается адиабатная (теоретическая) температура горения θ^РЦ_а (рис. 7.4, кривая 3), расчетная эффективная температура факела в топке, что приводит к снижению интенсивности лучистого теплообмена в топке и тепловосприятия экранов.

Поверхности нагрева горизонтального газохода мало изменяют свое тепловосприятие, так как лучистый теплообмен ослаблен, а конвективный за счет увеличения скоростей газов несколько растет. В итоге температура газов в поворотной камере оказывается выше исходной при номинальной нагрузке на Δθ"_ПЕ. Это создает условия для заметного повышения тепловосприятия поверхностей, находящихся в верхней части конвективной шахты (промежуточный пароперегреватель), поскольку увеличивается как температурный напор, так и коэффициент теплоотдачи, особенно при использовании рециркуляции газов.

В дальнейшем каждая из последующих поверхностей по тракту газов также получает больше теплоты, а температура газов постепенно приближается к исходной, оставаясь все же несколько большей. При этом потери теплоты с уходящими газами возрастают в случае рециркуляции газов только за счет некоторого повышения температуры θ^РЦ_УХ, а при повышении избытка воздуха в топке потери увеличиваются более существенно из-за роста как температуры, так и объема уходящих газов.

Таким образом, увеличение избытка воздуха, введение рециркуляции газов в топку, так же как возрастание влажности сжигаемого топлива и шлакование топочных экранов, приводят к перераспределению тепловосприятия поверхностей нагрева парового котла. Во всех указанных случаях снижается доля радиационной передачи теплоты в топке и возрастает конвективное тепловосприятие. При этом температура уходящих газов, а также температуры горячего воздуха и воды после конвективного экономайзер несколько возрастут.

При работе блочной энергоустановки изменение (снижение) нагрузки приводит к перераспределению давлений в отборах турбины и соответствующему изменению (снижению) энтальпии и температуры питательной воды. Однако этот процесс в сочетании с характером изменения КПД парового котла (повышением его) не ведет к существенным отклонениям от нормального расчетного режима. Другое дело, когда происходит отключение подогревателей высокого давления и температура питательной воды резко снижается. Так, при работе блока СКД отключение этих подогревателей с целью повышения электрической мощности ведет к понижению температуры на входе в экономайзер с 260…270°С до 160°С. При сохранении той же температуры газов перед экономайзером возрастает температурный напор в поверхности и тепловосприятие экономайзера заметно повышается, а температура газов за ним снижается (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Изменение температур газов, воздуха, воды в поверхностях экономайзера и воздухоподогревателя при снижении температуры питательной воды: индексы н - номинальный режим; х - режим с пониженной температурой питательной воды При этом в последующей поверхности воздухоподогревателя уменьшаются тепловосприятие и уровень tГ.В из-за снижения температурного напора. В результате температура θхУХ все же окажется ниже исходной, что свидетельствует о некотором росте КПД котла. Такое явление нельзя считать нормальным, так как

отключение подогревателей высокого давления сопровождается более заметным снижением КПД турбинной установки и, следовательно, всего энергоблока в целом.

Отключение подогревателей приводит к изменению теплового режима поверхностей котла. Снижение энтальпии питательной воды h_П.В при сохранении параметров (давления и температуры) перегретого пара и его энтальпии h_П.П ведет к росту удельного тепловосприятия 1 кг рабочей среды в котле Δh_К = h_П.П - h_П.В и соответствующему увеличению расхода топлива на котел.

В случае аварийного отключения подогревателей без необходимости повысить электрическую мощность работающей турбины одновременно с понижением температуры t_П.В должно произойти снижение расхода пара в голову турбины примерно на 17%, что обеспечивается сохранением на том же уровне расхода сжигаемого топлива. При этом в прямоточном котле нарушается поддержание нормально установленного соотношения B_К/G_П.В из-за работы котла в нерасчетном режиме.