Переходные процессы в котле при изменении нагрузки.

По условиям эксплуатации часто приходится изменять режим работы парового котла, связанный с переходом от одной стационарной нагрузки к другой. При этом временно могут изменяться тепловые характеристики поверхностей и выходные параметры пара (его давление и температура). Режимы работы котла в процессе изменения нагрузки называют переменными. Каждый из этих режимов через какой-то период времени становится установившимся. Период перехода от одного установившегося режима к другому называют переходным (неустановившимся или нестационарным).

В нестационарном режиме часть массы вещества (вода, пар) и энергия (тепловая энергия) временно накапливается (аккумулируется) или расходуется в элементах парового котла, увеличивая (или уменьшая) его внутреннюю энергию Q_ВН и массу вещества G_ВН.

Уравнения теплового и материального балансов для нестационарных процессов записываются в следующем виде

7.8

7.9

где G_ПОСТ и Q_ПОСТ - количество поступившей в котел воды и выделившейся в нем теплоты; D_ОТД, Q_ОТД - количество отданного котлом пара и теплоты с этим паром; G_ПОТ - потери вещества (рабочей среды) из тракта котла.

Паровой котел в любом рабочем режиме содержит в себе определенное количество воды, пара, массу металла поверхностей нагрева и других элементов водопарового тракта при рабочей их температуре, т.е. обладает известной тепловой энергией, аккумулированной в указанных его элементах. Долю аккумулированной теплоты по отношению к тепловой мощности котла называют аккумулирующей способностью котла.

Количество аккумулированной в котле теплоты в стационарном режиме составляет

7.10

где индексы м, в, п обозначают соответственно металл, воду и пар; V, ρ - объем, м³, и плотность, кг/м³, воды и пара в трубной системе в пределах котла; с - теплоемкость; G_М - общая масса металла котла, кг.

При переходе от одного стационарного режима к другому изменяется тепловой режим котла и при этом выделяется или поглощается теплота в количестве ±ΔQ_ВН.

Аккумулирующая способность различных типов паровых котлов неодинакова. Так, котел с естественной циркуляцией имеет барабан, обладающий большой массой металла (до 100 т и более), и развитую систему опускных труб. При высокой кратности циркуляции паросодержание в экранных трубах невелико, а масса воды в барабане, опускных и экранных трубах весьма значительна. В то же время экранные трубы прямоточного котла заметно меньшего диаметра (меньше масса металла) и массовое содержание в них рабочей среды существенно меньше.

Дополнительно в условиях прямоточного движения в трубах экранных поверхностей существенно выше паросодержание, а пар, как известно, имеет меньшую плотность и теплоемкость, т.е. заметно меньший запас теплоты в единице массы.

Проведенные расчеты показывают, что полная аккумулирующая способность барабанного парового котла примерно в 3 раза превосходит аккумулирующую способность прямоточного котла, причем в барабанном котле 70% Q_ВН заключено в воде, а остальное содержат примерно в равных долях пар и металл поверхностей. В прямоточном котле СКД около 70% Q_ВН приходится на металл (в трубах малого диаметра 32…42 мм при толщине стенки 4…6 мм масса рабочей среды внутри трубы много меньше массы металла) и оставшаяся часть в основном определяется водосодержанием котла.

Большая аккумулированная теплота обеспечивает известную стабилизацию режима работы котла и снижает быстроту реакции на изменение внешней нагрузки. Но, с другой стороны, при любых неожиданных отказах оборудования позволяет в течение достаточного времени поддерживать режим работы, чтобы произвести необходимые переключения. Так, барабанный котел ТП-100 (блок 200 МВт) при погасании факела обеспечивает паропроизводительность, близкую к номинальной, в течение 50 с за счет допустимого (до 15%) снижения давления пара, а при переводе блока в режим собственных нужд (снятие внешней электрической нагрузки) - с небольшим расходом пара на турбину - поддерживает этот режим в течение 17-18 мин, достаточных для проверки причин ложного срабатывания автоматики. Прямоточный котел ПК-47 такой же мощности поддерживает режим собственных нужд при погасании факела в течение 4 мин.

Рис. 7.6. Переходные процессы в тракте прямоточного котла: а - нормальный режим; б - режим с повышенным тепловосприятием экранов; в - изменение параметров в переходном процессе

Различие процессов, протекающих в барабанных и прямоточных котлах в переходных режимах работы, связано с еще одним важным отличием этих котлов - барабан в котле естественной циркуляции фиксирует границы экономайзерной, испарительной и перегревательной поверхностей. В прямоточном котле этих границ нет, зоны фазовых превращений при нарушении стационарного режима работы будут перемещаться вдоль тракта рабочей среды в котле. Рассмотрим в качестве примера режим увеличения

тепловыделения в прямоточном котле (увеличение подачи топлива В_К) при неизменном расходе питательной воды G_П.В (рис. 7.6). В этих условиях из-за роста теплового напряжения топочных экранов и теплообмена в конвективных поверхностях пароперегревателя происходит сокращение длины экономайзерного и испарительного трактов (рис. 7.6, б), их границы смещаются навстречу движению потока, а размер перегревательных поверхностей возрастает. В результате заполнение поверхностей котла рабочей средой (по количеству массы) уменьшается, так как во втором случае

или

где V_В1, V_В2 - объем тракта, заполненного водой, соответственно при нормальном и повышенном тепловыделении в топке, м³; V_П1, V_П2 - то же по паровой части тракта, м³; , - средняя плотность воды и пара в тракте, кг/м³.

Уменьшение водосодержания приведет к временному увеличению выхода пара (рис. 7.6, в), большему, чем поступает G_П.В

7.11

Когда стабилизируется положение новых границ фазовых превращений, установится равновесие расходов D_П = G_П.В. Но теперь (без воздействия органов регулирования) температура пара на выходе из котла будет существенно выше, т.е. произошло отклонение выходных параметров пара в результате теплового

возмущения. Для того чтобы исключить такой характер процессов в прямоточном котле и практически зафиксировать положение границ фазовых превращений, необходимо соблюдать пропорциональность изменения тепловыделения (расход топлива) и подачи питательной воды в котел, т.е. соблюдать условие B_К/G_П.В = const. В этом случае увеличение тепловыделения с газовой стороны сопровождается повышением расхода рабочей среды в поверхностях нагрева, что стабилизирует тепловое состояние тракта и выходные параметры пара.

Рис. 7.7. Переходные процессы в барабанном паровом котле: I - начальный; II - переходный; III - установившийся режимы В барабанном котле при увеличении расхода топлива процесс будет протекать несколько иначе (рис. 7.7). В результате повышения тепловыделения в топке произойдет дополнительное увеличение парообразования в экранных трубах, при этом увеличится среднее паросодержание .

Но так как объем пара многократно больше объема испарившейся воды, произойдет вытеснение части воды из труб в барабан, в результате чего в нем начнется повышение уровня воды. В дальнейшем из-за превышения расхода пара над подачей воды в барабан уровень начнет снижаться и при достижении его нормального значения регулятор питания увеличит подачу воды в котел. Температура перегретого пара вначале несколько снизится из-за резкого увеличения расхода пара, а затем выйдет на новый режим с несколько повышенной (без воздействия регулятора перегрева) температурой пара, что соответствует конвективной характеристике тепловосприятия от нагрузки (см. § 7.2).

Наличие барабана в котле с естественной циркуляцией снижает скорость набора нагрузки в сравнении с прямоточным котлом, особенно в режиме пуска из холодного состояния, из-за появления в барабане высоких температурных напряжений трех видов:

по толщине стенки барабана в верхней (паровой) части из-за конденсации насыщенного пара на внутренней поверхности с большой отдачей теплоты металлу;

из-за разности температур между верхней и нижней частями барабана, поскольку температура водяного объема достаточно медленно изменяется, а парового - растет по мере увеличения давления насыщенного пара;

из-за разности температур по длине нижней части барабана при двухступенчатой схеме испарения, поскольку циркуляция в солевом отсеке начинается позднее, чем в основном (чистом), и до этого времени в отсеках имеет место разная температура воды.

Как показал опыт эксплуатации и испытания барабанов котлов, скорость повышения температуры насыщения среды в барабане не должна превышать 2,0…2,5°С/мин, перепад температур между верхом и низом барабана и по длине барабана не должен превышать 70°С.

На характер и быстроту изменения параметров в переходном режиме сильное влияние оказывает аккумулирующая способность котла. Аккумулирующая способность определяет инерцию объекта (при большой Q_ВН) и тем тормозит переход с одного режима на другой, снижает приемистость котла, т.е. быстроту его реагирования на внешние возмущения.

Так, при резком увеличении электрической нагрузки энергоблоком система регулирования турбины сразу увеличивает потребление пара, однако топочный режим котла не может быстро увеличить его производство. Возникает разбаланс производства и потребления пара, в результате чего падает давление пара в магистрали и в тракте рабочей среды котла. При большой аккумулирующей способности котла сразу произойдет дополнительное вскипание части кипящей воды, которая оказывается перегретой при понижении давления. Этим на короткое время поддерживается переход на повышенную нагрузку, а затем после форсировки режима работы топки большие затраты теплоты потребуются на повышение температуры металла, воды и пара и восстановление потерянного давления. Это обстоятельство заметно задерживает взятие энергоблоком новой повышенной нагрузки. На прямоточном котле такой переход произойдет много быстрее, хотя в первый момент времени падение давления перегретого пара произойдет в большей мере.

Способность парового котла изменять выработку пара в соответствии с изменением внешней (электрической) нагрузки называется маневренностью котла. Маневренность котла тем выше, чем меньше его аккумулирующая способность. Но это обстоятельство требует использования на таком котле более чувствительной системы автоматики, чтобы изменения нагрузок не вызывали глубоких отклонений параметров рабочей среды. Каждый котел по своим конструктивным характеристикам и значению аккумулирующей способности имеет оптимальную скорость изменения нагрузки, при которой суммарные тепловые потери в переходном процессе будут наименьшими.

Рис. 7.8. Маневренные характеристики барабанного котла: а - скорость изменения давления при сбросе нагрузки и разном номинальном давлении р_ном; б - изменение уровня воды в барабане во времени при разном номинальном давлении р_ном и подъеме нагрузки турбины; H^пр_ур - предельное значение подъема уровня; в - влияние недогрева воды в барабане Δh_б на допустимую скорость понижения давления при разных значениях скорости в опускных трубах w_оп.

Индикатором скорости изменения нагрузки является изменение давления в рабочем тракте котла dp/dt , МПа/мин, поэтому обычно эту характеристику выражают в форме допустимой скорости изменения давления (рис. 7.8). Обычно допустимые скорости изменения номинального давления 1,2…5,5 МПа/мин.

Скорость изменения давления в барабанных котлах ограничивается двумя факторами - подъемом уровня воды в барабане за счет дополнительного вскипания воды в трубах и вытеснения части ее в барабан (рис. 7.8, б) и вскипанием воды в опускных трубах при быстром сбросе давления, что нарушает циркуляцию (рис. 7.8, в). Обычно эти значения составляют 1,0…1,2 МПа/мин при высоком давлении пара (14…18 МПа).

В прямоточных котлах предельная скорость понижения давления ограничивается недопустимостью перемещения зоны влажного пара (при испарении пленки воды на поверхности трубы) в НРЧ и составляет 3,5…4,5 МПа/мин. Из-за малой аккумулирующей способности котла падение давления в нем происходит быстрее и глубже за более короткое время, чем в барабанном.

Оптимальное изменение нагрузки энергоблока во времени dN/dt = 3% номинальной мощности блока составляет 5…10 МВт/мин. Для блоков СКД номинальной мощностью 500…800 МВт скорость изменения мощности ограничивается 7…10 МВт/мин. Указанные скорости существенно меньше предельных значений для турбины (20% номинальной мощности в минуту). Таким образом, маневренность энергоблока ограничена возможностями парового котла.