Переходные процессы в котле при изменении Нагрузки

По условиям эксплуатации часто приходится изменять режимы работы парового котла, переходя от одной 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. Переход во времени от одного установившегося режима к другому установившемуся режиму называют переходным (неустановившимся или нестационарным).

В нестационарном режиме часть массы вещества (вода, пар) и энергии (тепловая энергия) временно накапливается (аккумулируется) или расходу­ется в элементах парового котла, увеличивая (или уменьшая) его внутрен­нюю энергию Qbh и массу рабочего вещества GBH. Уравнения теплового и материального балансов для нестационарных процессов записываются в следующем виде:

GnoCT ^ОТД GnOT — "Т~(^вн)5

D (7-8)

^кСпост — Qo-ГД — "^{Q вн)э

Где GnocT И Qnocr — количество ПОСТУПИВШИХ В КОТЄЛ ВОДЫИ теплоты; Д)Тд, <Зотд — количество отданных котлом пара и теплоты; GBH и QBH — количество массы вещества и теплоты, содержащихся в котле; Gn0T — 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. Количество аккумулированной в котле теплоты в стационарном режиме составляет:

Qbh — GniCmЈm + VBpBcBtB + VnPnCrA, (7-9)

Где индексы «м», «в», «п» обозначают соответственно металл, воду и пар; У, р — объем, м3, и плотность, кг/м3, воды и пара в трубной системе в пределах котла; с — теплоемкость; GM — 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 ±AQbh.

Аккумулирующая емкость различных типов паровых котлов неодина­кова. Так, в состав котла с естественной циркуляцией входит барабан с очень
большой массой металла (до 100 т и более) и развитой системой опускных труб. При высокой кратности циркуляции паро содержание 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 паросо - держание, 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°/oQBh заключено в воде, а остальное содержат примерно в равных до­лях пар и металл поверхностей. В прямоточном котле СКД около 70%QBH 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 большей мере определяется водо содержанием котла.

Большая аккумулирующая емкость обеспечивает известную стабилиза­цию режима работы котла, затрудняет его быструю реакцию на изменение внешней нагрузки, но, с другой стороны, при любых неожиданных отказах оборудования позволяет в течение определенного времени поддерживать режим работы, чтобы произвести необходимые переключения. Так, бара­банный котел ТП-100 (блок 200 МВт) при погасании факела может обес­печить 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 может удержать блок в режиме собственных нужд при погасании факела не бо­лее 4 мин.

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, они не изменяются при переходе с одной нагрузки к другой. В прямоточном котле этих границ нет, зоны фазовых превращений при нарушении стационарного режима работы будут перемещаться вдоль тракта рабочей среды в котле.

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

Рассмотрим в качестве примера режим увеличения тепловыделения в прямоточном котле (увеличение подачи топлива Вк) при неизменном рас­ходе питательной воды Gn в (рис. 7.6). В этих условиях, ввиду роста теп­лового напряжения топочных. экранов и теплообмена в конвективных по­верхностях пароперегревателя (qn 4- Aqn), произойдет сокращение длины экономайзерного и испарительного трактов (рис. 7.6,6), их границы смеща­ются навстречу движения потока, а размер перегревательных поверхностей возрастает. В результате массовое заполнение поверхностей котла рабочей средой уменьшается, так как во втором случае

Vb2Pb + Vn2pn < ^віЛз 4- VnlPn

Или

Gвн2 < Gвні И AGBH = GBH1 — GBH2>

Где Ki, VB2 — объем тракта, заполненного водой, соответственно при нор­мальном И повышенном тепловыделении В топке, М3; УпЬ Уп2 — ТО по паровой части тракта, м3; рв, ри — средняя плотность воды и пара в трак­те, кг/м3.

(Уменьшение водосодержания котла приведет к временному увеличе­нию выхода пара Dn (рис. 7.6, в), большему, чем поступает Gn_B:

А{Вп) = Спв + А{АСвн)_ (7.10)

В результате на какой-то период времени (И этап) на выходе из кот­ла увеличивается расход пара. Когда стабилизируется положение новых границ фазовых превращений, снова устанавливается материальное рав­новесие Dn = Gn. B. Но теперь (без воздействия органов регулирования) температура пара на выходе из котла существенно возрастает, произо­шло отклонение выходных параметров пара в результате теплового возму­щения.

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 BK/Gn. B = const. В этом случае увеличение тепловыделения с газовой сто­роны воспринимается большим расходом рабочей среды, что стабилизирует тепловое состояние тракта и параметры пара.

В барабанном котле в рассматриваемом случае процесс будет протекать несколько иначе (рис. 7.7). В результате повышения тепловыделения в топке произойдет дополнительный рост парообразования в экранных трубах, уве­личится паросодержание, а 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). Для приведения £п. п к номиналь­ному значению включится система автоматического поддержания темпера­туры пара (см. § 7.4).

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 в период конденсации насыщенного пара на внутренней поверхности барабана 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 запаз­дывании прогрева торцевых его частей.

І Как показал опыт эксплуатации и испытания барабанов котлов, ско­рость повышения температуры насыщения среды в барабане не должна превышать 2,0 — 2, 5°С/мин, а 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 будет оказывать аккумулирующая способность отдельных элементов котла. Она замедляет начало переходного процесса, создает плав­ность изменения характеристик, что облегчает автоматике выравнивать от­клонения параметров. С другой стороны, она обуславливает более высокую инерцию объекта (при большом QBH) и тем тормозит переход с одного ре­жима на другой, снижает, как говорят специалисты, приемистость котла, т. е. быстроту его реагирования на внешние возмущения.

Так, при резком увеличении электрической нагрузки энергоблоком си­стема регулирования турбины тут же увеличивает потребление пара, однако топочный режим котла еще не перестроен и 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 в барабане и экранных трубах. Этим на короткое время поддерживает­ся переход на повышенную нагрузку, а затем после форсирования режима работы топки дополнительные 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. Последняя тем выше, чем меньше аккумулирующая способ­ность котла. 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 оптимальное значение скорости изменения на­грузки, при которой суммарные тепловые потери, в переходном процес­се будут наименьшими и значение максимальнодопустимой скорости из­менения нагрузки, выше которой возможна аварийная ситуация на кот­ле. Индикатором скорости изменения нагрузки является изменение дав­ления в рабочем тракте котла dp/dr, МПа/мин, поэтому обычно эту ха­рактеристику выражают в форме допустимой скорости изменения давления (рис. 7.8,а). Обычно допустимые скорости изменения давления находятся

Рис. 7.8. Маневренные характеристики барабанного котла: а — скорость изменения давления при сбросе нагрузки и разном номинальном давлении рном за одинаковое время (5 мин); б — изменение уровня воды в барабане во времени при разном номи­нальном давлении рном и подъеме нагрузки турбины; АЯуПр — предельное значение подъема уровня; в — влияние недогрева воды в барабане Д/іб на допустимую ско­рость понижения давления при разных значениях скорости в опускных трубах Won.

В пределах 0,2-0,9% изменения номинального давления в секунду или в пе­ресчете 1,2-3,0% 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. 7.8,6) и вскипанием воды в опускных трубах при быстром сбро­се давления, что нарушает циркуляцию (рис. 7.8, в). Обычно эти значе­ния составляют 1-1,2 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. Ввиду 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/dr — 3% номинальной мощности блока в минуту составляет 5—10 МВт/мин. Для блоков СКД номинальной мощностью 500-800 МВт скорость изменения мощности ограничивается значениями 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.