Лекция 30. Нестационарные режимы работы в котельных установках и парогенераторах.

Рассмотрим основные нестационарные про­цессы, протекающие в котлах при наиболее характерных возмущениях режима их работы. В соответствии с законами сохранения массы и энергии для нестационарного режима котла запишем уравнения материального и теплово­го балансов:

где и —количество поступивших в котел воды и теплоты; — количество отданных котлом пара и теплоты; к — количество воды и теплоты, содержа­щихся в котле.

Величина равна массе воды и пара, содержащихся в котле (часто ее называют массовым заполнением). Величина определяется количеством аккумулирование в котле теплоты:

где —теплоемкость, а индексы и обозначают соответственно металл, воду и пар.

Особенности процессов, протекающих в ба­рабанных и прямоточных котлах, определяют­ся наиболее существенными отличиями этих типов котлов: положением границ парообра­зующей части, ее массовым заполнением и тепловой аккумуляцией. Следует, в частности, напомнить, что парообразующая часть бара­банного котла имеет границы, фиксированные барабаном, а прямоточного котла — нефикси­рованные. Вследствие многократной циркуля­ции на выходе из экранной системы барабан­ного котла паросодержание незначительно и соответственно велико массовое заполнение. В то же время у прямоточного котла ввиду однократной циркуляции среды и роста паро-содержания меньше массовое заполнение. Кроме того, по условиям циркуляции среды на барабанных котлах применяют экранные трубы большего диаметра, чем на прямоточ­ных, что в свою очередь способствует повышению как массового заполнения, так и аккумуляции теплоты металлом. Барабан котла также способствует их увеличению, поэтому здесь больше

Изложенное позволяет понять основные различия нестационарных процессов, проте­кающих в рассматриваемых двух основных типах котлов.

Рис. 23.2. Изменение режима работы прямоточного кот­ла при увеличении расхода топлива.

а — перемещение границ парообразующей части; б — изменение расхода и температуры пара.

Рассмотрим режим увеличения расхода топлива В (тепловыделения в топке) при не­изменном расходе питательной воды На

прямоточном котле (рис. 23.2) поверхность труб, необходимая для нагрева воды до тем­пературы кипения, уменьшается и соответст­венно граница конца зкономайзерной части перемещается навстречу потоку (от до ). Поверхность нагрева парообразующей части также уменьшается (от до ), и, кроме

того, смещается граница ее начала. В связи с этим граница завершения парообразования в большей мере, чем граница зкономайзерной части, перемещается навстречу потоку. При этом массовое заполнение котла уменьшается (см. заштрихованную площадь на рис. 23,2,а), а пароперегревательная часть котла увеличи­вается (от до ). Перемещение указан­ных границ происходит постепенно. Сначала перемещается граница начала парообразовавания, и вследствие испарения части воды, содержащейся в котле, расход пара в те­чение некоторого времени превышает расход воды В этот период сохраняется пропорциональность соотношения и температура свежего пара не изменяется (рис. 23. 2,6). В дальнейшем по мере переме­щения границы конца парообразующей части, а также увеличения аккумуляции теплоты в среде и металле труб возрастает. В котле СКД протекающие процессы можно предста­вить аналогично, если в качестве парообразу­ющей части рассматривать зону максималь­ной теплоемкости (ЗМТ) среды.

В барабанном котле в рассматриваемом случае процесс протекает иначе (рис. 23.3). Массовое заполнение котла в несколько раз больше, чем прямоточного, и поэтому в тече­ние некоторого времени расход пара оказы­вается больше расхода питательной воды и уровень воды в барабане снижается. Вме­сте с тем, поскольку при росте давление в экранной системе и барабане возрастает, затрачивается теплота на подогрев содержа­щейся в котле воды до соответствующей тем­пературы кипения. Поэтому рост происхо-

Рис. 23.3. Изменение режима работы барабанного кот­ла при увеличении расхода топлива.

Рис. 23.4. Изменение положения границ парообразующей части прямоточного котла при резком увеличении рас­хода топлива.

а — режим до нанесения возмущения; б — после нанесения воз­мущения; в — конечный установившийся режим.

Рис. 23.5. Изменение уровня в барабане котла при рез­ком увеличении расхода топлива.

ходит замедленно, и в течение некоторого вре­мени пропорция между и нарушается, вследствие чего растет _. По мере приближения к новому статическому значению рост температуры пара прекращается, а затем она снижается до прежнего или иного уров­ня, определяемого статической характеристи­кой пароперегревателя, размеры которого в рассматриваемом режиме не изменяются. Естественно, что представленная картина про­текания процесса справедлива лишь в период снижения уровня воды в барабане до ниж­него допустимого предела.

В случае уменьшения расхода питательной воды в прямоточном котле при сохранении В процесс протекает так же, как показано на рис. 23.2. В барабанном котле в таком случае уменьшается затрата теплоты на подогрев воды в барабане и соответственно возрастают паропроизводительность экранов и расход па­ра через пароперегреватель. Поскольку раз­меры и тепловая нагрузка пароперегревательной части не изменяются, температура пара несколько снижается. Этот процесс, как и рассматриваемый выше, протекает лишь в пе­риод снижения уровня воды в барабане до нижнего предела. По-иному протекает процесс в случае резкого увеличения расхода сжигае­мого топлива (резкая форсировка топки). На прямоточном котле при этом происходит так называемое явление «выброса» вследствие бурного парообразования части влаги паром вперед по ходу среды. При этом парообразую­щая часть резко возрастает (рис. 23.4,б), вследствие чего уменьшается размер пароперегревательной части и температура свежего пара снижается. В дальнейшем по мере вы­хода из котла дополнительно образовавшего­ся пара температура свежего пара начинает возрастать со значительным превышением ис­ходного уровня (рис. 23.4,в). Некоторая аналогия этому процессу наблюдается и на ба­рабанном котле. Здесь происходит так назы­ваемое «набухание» уровня воды в барабане. При этом рост

уровня может достигать сотен миллиметров. Нарушение материального ба­ланса и набухание воды в циркуляционной системе влияют на изменение уровня в про­тивоположных направлениях (рис. 23.5). Пре­вышение над приводит к снижению (кривая 1), а набухание приводит к резкому росту с последующей его стабилизацией (кривая 2). Пользуясь методом суперпозиции, можно получить результирующее изменение (кривая 3). Кривая иллюстрирует влияние на­бухания в начальный период процесса, а из­менения материального баланса — в конеч­ный. В отличие от рассмотренного процесса в прямоточном котле здесь барабан является ловушкой выбрасываемой влаги, и изменяется так же, как при обычном увеличении расхода топлива.

По-разному проявляется на рассматривае­мых котлах и изменение температуры пита­тельной воды На прямоточном котле уве­личение при прочих неизменных условиях приводит к перемещению границ парообразующей части аналогично показанному на рис. 24.2, и возрастает. На барабанном котле в рассматриваемом случае уменьшается количество теплоты, расходуемой на догрев воды в барабане, в связи с чем увеличивается расход пара через пароперегревательную часть и соответственно снижается Про­цессы при увеличении расхода питательной воды и снижении ее температуры протекают аналогично изложенному, но в обратном на­правлении. Исключение составляет процесс «выброса» влаги на прямоточном котле, кото­рый наблюдается лишь при резком увеличении тепловыделения в топке. При

внешнем возмущении режима процессы в прямоточном и барабанном котлах протекают аналогично. Так, при увеличении открытия регулирующих клапанов турбины энергоблока давление свежего пара снижается и соответственно сни­жается температура насыщения. Вследствие этого массовое заполнение котла уменьшает­ся, паропроизводительность увеличивается и температура перегретого пара снижается (рис. 23.6). В барабанном котле этот процесс длительнее, так как больше изменение его массового заполнения. Глубина изменения больше в прямоточном котле, так как, помимо увеличения расхода пара, происходит умень­шение пароперегревательной части (граница парообразующей части перемещается по ходу среды вследствие роста энтальпии сухого па­ра со снижением давления).

При обеспечении заданной рассмотренный процесс позволяет благодаря использованию аккумулирую­щей способности котла получить быстрое изменение на­грузки турбогенератора, необходимое для регулирования частоты и перетоков мощности в энергосистеме. Опре­деленное влияние этот процесс оказывает и на эксплуа­тацию блока в режиме так называемого скользящего давления свежего пара. При этом разгрузку блока ве­дут сначала с постоянным давлением свежего пара пу­тем прикрытия регулирующих клапанов турбины. При дальнейшей разгрузке блока положение регулирующих клапанов турбины остается неизменным, и давление све­жего пара снижается. Такой режим дает ряд эксплуата­ционных преимуществ. Повышается, в частности, эконо­мичность работы блока за счет уменьшения дросселиро­вания пара в регулирующих клапанах турбины и умень­шения расхода энергии на привод питательного насоса. Расширяется диапазон нагрузок блока, в котором тем­пература вторично-перегретого пара может поддержи­ваться на уровне, близком к номинальному, поскольку при разгрузке блока температура пара на входе в промперегреватель не снижается, а возрастает. Перечислен­ные преимущества в основном проявляются при СКД. Наряду с этим скорость увеличения нагрузки котла при скользящем давлении пара уменьшается, так как часть теплоты затрачивается на увеличение его аккумуляции в среде и металле труб. Этот недостаток, однако, лишь в единичных случаях оказывает влияние на выбор режима. Совокупность рассмотренных процессов определяет динамические свойства котла. Следует подчеркнуть решающую роль в этой области переменной составляющей массового заполнения котла и его аккумулирующей спо­собности. Если предположить их отсутствие , то, как следует из выражений (23.2) и (23.3), в любой мо­мент времени расход пара должен быть ра­вен расходу питательной воды, а температура перегретого пара безынерционно должна сле­довать за изменением тепловыделения в топ­ке. При таких условиях управление котлом оказалось бы невозможным. В реальных усло­виях инерционность переходных процессов со­здает некоторый запас времени, необходимый для осуществления процесса управления.

Изменение нагрузки барабанного котла достигается одновременным изменением расхода топлива и произво­дительности тягодутьевых машин с последующим соот­ветствующим изменением расхода питательной воды. По­следний регулируется по уровню воды в барабане с опе­режающими импульсами от изменения расходов пара и питательной воды. Нагрузку прямоточного котла мож­но изменять проведением аналогичных операций, с тем лишь отличием, что расход питательной воды регули­руется по температуре среды в промежуточной части тракта. В системе автоматического управления прямо­точным котлом часто применяют иную последователь­ность: сначала в соответствии с требуемой нагрузкой изменяют расход питательной воды, а пропорционально ему изменяют расходы топлива и воздуха с их коррек­цией по температуре среды в промежуточной части тракта. В блочных установках применяют два варианта изменения нагрузки. При плановых ее изменениях на­грузку турбины изменяют в соответствии с паропроизводительностью котла, исходя из поддержания постоян­ного давления свежего пара (регулятором «до себя»). При работе блока в регулирующем режиме под воздей­ствием регулятора мощности сначала изменяется нагруз­ка турбогенератора, а по ней ведется коррекция нагруз­ки котла. Поддержание заданных температур свежего и вторично-перегретого пара, а также температур пара по тракту котла осуществляется регулированием.