Пульсация потока в системах труб парового котла.

При работе парового котла в переходных режимах и при постоянном режиме всегда имеет место колебание параметров: расход топлива, переход с одного топлива на другой, включение и отключение горелок, изменение давления и расхода среды из-за работы питательных насосов, при повышении или снижении нагрузки, изменение температуры питательной воды, при включении или отключении ПВД и т.д. В конечном итоге все возмущения сказываются на расходе водного теплоносителя и могут вызвать общекотловые или межтрубные пульсации.

Общекотловые пульсации представляют собой колебания расхода среды в ряде последовательно включенных элементов котла (контуры циркуляции, экономайзер или пароперегреватель в барабанном котле, участки между впрыскивающими пароохладителями или промежуточный пароперегреватель в прямоточном котле) или во всем котле.

В параллельно включенных элементах котла расход среды изменяется синхронно. Общекотловые пульсации могут возникать при резких колебаниях расхода топлива, воды и пара, давления в котле, при неустойчивой работе системы регулирования основных параметров. Эти пульсации являются затухающими (рис.9.34а), прекращаются после устранения возмущения. Если амплитуда колебаний велика, то может произойти аварийный разрыв какой-либо трубы. Амплитуда колебаний зависит от амплитуды возмущения, следовательно, основной путь борьбы с вредными последствиями общекотловой пульсации - уменьшение амплитуды и частоты возмущений.

Межтрубная (межвитковая) пульсация заключается в периодическом изменении расхода среды на входе и выходе трубы, причем колебания расхода на входном и выходном участках трубы находятся в противофазе. Колебания расхода в данной трубе компенсируются колебанием расхода в других параллельных трубах элемента, т.е. эти колебания расхода охватывают практически все трубы элемента. Пульсации потока в параллельных трубах сдвинуты по фазе, поэтому общий расход среды через элемент котла и перепад давления в нем остаются почти постоянными.

Межтрубная пульсация самопроизвольно не затухает, имеет автоколебательный характер. На рис.9.34б показано изменение расхода среды на входе и выходе трубы после нанесения возмущения параметром N. В первом полупериоде расход среды на входе трубы уменьшается до минимального значения, а затем возрастает до максимального значения во втором полупериоде. Расход среды на выходе трубы, наоборот, увеличивается в первом полупериоде, а во втором - принимает минимальное значение. Температура металла стенки при снижении расхода возрастает, при увеличении - уменьшается, т.е. находится в противофазе с расходом среды (рис.9.34б).

Межвитковые пульсации могут возникать в трубах с резким изменением удельного объема среды: в испарительных поверхностях при ДКД и в зоне большой теплоемкости при СКД. При этом в металле труб возникают переменные температурные напряжения; критические тепловые потоки q_кр резко падают; в горизонтальных трубах возможно периодическое (при малых расходах) расслоение двухфазного потока с повышением температуры на верхней образующей; ухудшаются условия отвода теплоты от поверхности трубы - все это резко ухудшает температурный режим трубы и может привести к аварийному разрыву ее. Поэтому межтрубная пульсация в испарительных поверхностях нагрева и в ЗБТ не допускается.

Межтрубная пульсация может возникнуть в элементе, трубы которого имеют неоднозначную гидравлическую характеристику. Следовательно, первое требование, предъявляемое к трубам для предотвращения межтрубной пульсации - трубы должны иметь однозначные гидравлические или разверочные характеристики.

Второе требование - крутизна гидравлической характеристики.

На рис.9.35 показано три вида гидравлических характеристик: многозначная (а), с пологим участком (б) и крутая однозначная (в).

Номинальный перепад давления ∆p_НОМ одинаков во всех случаях (сделано для удобства построения графиков, на самом деле Δp_НОМ для разных поверхностей различен). Допустим, в какой-то трубе началась пульсация, которая вызывает дополнительные потоки среды вдоль коллекторов, статические давления в коллекторах также пульсируют, и перепады давлений в трубах колеблются около среднего значения ∆p_НОМ ± δ∆p. Расход среды в трубах колеблется от G₁ до G₂. При неоднозначной характеристике (рис.9.35а) в этих пределах возможны большие изменения расходов G₁ << G₂,что может привести к перегреву трубы. Эта характеристика недопустима. Вторая характеристика (рис.9.35б) такова, что на пологом участке изменение перепада давления от ∆p₁ до ∆p₂ вызывает существенное изменение расхода среды от G₁ до G₂. На графике заштрихован диапазон изменения расхода G_НОМ ± δG, составляющий 1/3 от диапазона изменения перепада давления .

Этот диапазон находится внутри участка G₁ - G₂.Следовательно, такая гидравлическая характеристика не препятствует развитию межтрубной пульсации.

Третья, крутая, (рис.9.35в) гидравлическая характеристика допускает изменение расхода среды от G₁ до G₂, причем G₁ и G₂ находятся внутри диапазона колебаний расхода G_НОМ ± ∆G. В этом случае гидравлическая характеристика такова, что межтрубные пульсации затухают.

Из проведенного анализа вытекает второе требование к гидравлической характеристике труб для предотвращения межтрубной пульсации: производная ∂Δр / ∂G должна быть не только положительной, но и удовлетворять неравенству

(9.87)

Практически крутизна гидравлической характеристики может оцениваться по отношению изменения перепада давления к перепаду расхода в элементе

(9.88)

Крутизна определяется по участку характеристики с наименьшим углом наклона. Приемлемые значения гидравлической разверки и пульсаций получаются при крутизне не менее 2.

На развитие межтрубных пульсаций значительное влияние оказывает соотношение Δp_эк и Δp_исп и для предотвращения межтрубных пульсаций сопротивление экономайзерного участка должно быть больше сопротивления испарительного участка

(9.89)

В действительности, из-за инерционности системы, сил трения и местного сопротивления и других факторов ограничение (9.89) является завышенным.

Вероятность пульсации зависит от массовой скорости (расхода) среды, давления, недогрева воды на входе, теплового потока, гидравлического сопротивления, пространственного расположения элемента. Повышение массовой скорости снижает вероятность пульсаций, вероятность пульсаций возрастает с ростом тепловой нагрузки.

Расчетная массовая скорость при всех режимах работы котла должна быть больше граничной скорости (ρw)^н_ГР, при которой появляются межтрубные пульсации. На основании опытных данных граничную массовую скорость в горизонтальном элементе рекомендуется определять по формуле

(9.90)

где - средняя тепловая нагрузка на внутреннюю поверхность трубы, кВт/м²; l, d - длина и внутренний диаметр трубы, м; (ρw)^Н_ГР граничная массовая скорость, кг/(м²·с). Граничная массовая скорость (ρw)^Н_ГР и, следовательно (ρw)^Г_ГР зависят от давления р и недогрева ∆h_НЕД среды, а также от гидравлического сопротивления начального участка трубы до обогрева, включая дроссельную шайбу

Из рис.9.36 видно, что с увеличением сопротивления на входе x_нач граничная массовая скорость снижается. Если в какой-либо трубе и элементе возможно возникновение пульсации, то путем установки на входе дроссельной шайбы можно уйти из опасной зоны. Влияние недогрева ∆h_НЕД на (ρw)^Н_ГР неоднозначно: с увеличением Δh_НЕД длина экономайзерного участка и ∆pэк растут, что уменьшает вероятность пульсации, но гидравлическая характеристика становится менее крутой, что увеличивает вероятность пульсации. Оптимальное ∆h_НЕД = 80…100 кДж/кг.

С повышением давления гидравлические характеристики становятся более стабильными, возможность возникновения межвитковых пульсаций снижается и величина граничной массовой скорости уменьшается. При сверхкритическом давлении межтрубные пульсации могут появляться при энтальпии среды на входе менее 2000…2100 кДж/кг и приращения энтальпии в элементе более 1400 кДж/кг.

В вертикальных трубах нивелирная составляющая изменяется главным образом на испарительном участке за счет колебания x_ВЫХ, нo так как процессы идут не мгновенно, а протекают во времени, то изменение ∆p_НИВ запаздывает по сравнению с изменением расходов и x_ВЫХ, что усиливает пульсацию и увеличивает ее амплитуду. Поэтому в вертикальных трубах межтрубная пульсация более вероятна, чем в горизонтальных, и возникает при более высоких значениях граничной массовой скорости

(9.91)

где коэффициент С зависит от давления и энтальпии на входе (от недогрева). При р = 16 МПа коэффициент С с увеличением недогрева до 160…200 кДж/кг увеличивается до 1,5, а затем снижается (при ∆h_НЕД = 400 кДж/кг С = 1,35). С ростом давления коэффициент С и (ρw)^Н_ГР уменьшаются.

При расчете паровых котлов необходимо обеспечить беспульсационный режим работы поверхностей нагрева во всем диапазоне нагрузок - от растопочных (пусковых) до номинальных. Следовательно, при пуске прямоточного котла должен быть обеспечен такой расход среды через испарительные поверхности нагрева и зону больших теплоемкостей и выбрано давление в элементах таким образом, чтобы (ρw)_пуск > (ρw)_гр. Практически это означает, что при пуске котла давление в этих поверхностях нагрева близко к номинальному, расход среды составляет не менее 30% от номинального расхода.

Пример, р = 16 МПа; вертикальная панель; Δh_НЕД= 80 кДж/кг; l = 10 м; d = 0,020 м; q = 500 кВт/м²; x_вх = 80.

Решение: (ρw)^Н_ГР = 300 кг/(м²·с);

Отсюда если принять, что при пуске (ρw)_n = 0,3(ρw)_ном, (ρw)_n = (ρw)^в_гр, то (ρw)_НОМ = 577,5/0,3 = 1925 кг/(м²·с).