Основы теплового расчета подогревателя сетевой воды




МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное

Образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Практического занятия по дисциплине

«Специальные вопросы централизованного теплоснабжения»

 

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА СЕТЕВОЙ И ПОДПИТОЧНОЙ ВОДЫ, СОСТАВА И КОЛИЧЕСТВА ОТЛОЖЕНИЙ В ТЕПЛОВОЙ СЕТИ НА ПЕРЕРАСХОД ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫТЭС

 

 

140100.62 Теплоэнергетика и теплотехника

 

Направление подготовки

(указывается код и наименование)

Тепловые электрические станции

 

Профиль подготовки

 

 

магистр

Квалификация (степень) выпускника

 

 

очная

Форма обучения

(очная, очно-заочная, заочная)

Казань 2013


Содержание

 

1. Формулировка цели занятия, задачи освоения материала дисциплины.

2. Введение.

3. Условия образования отложений при нагревании воды в трубчатых теплообменниках.

4. Основы теплового расчета подогревателя сетевой воды.

5. Расчет энергетических показателей работы турбоустановки с теплофикационными турбинами.

6. Заключение.

7. Контрольные вопросы.

8. Литература.

9. Задание для самостоятельной подготовки.

 

© Чичирова Н.Д., Ляпин А.И., 2013

© Казанский государственный энергетический университет, 2013


Методические материалы для выполнения практического занятия на тему: «Влияние качества сетевой и подпиточной воды, состава и количества отложений в тепловой сети на перерасход органического топлива и эффективность работы ТЭС»

 

Формулировка цели занятия

Целью занятияявляется анализ влияния накипных отложений на теплообменных поверхностях оборудования систем «Источник теплоты – тепловая сеть» на перерасход органического топлива и эффективность работы ТЭС.

Задачи освоения материала дисциплины

 

Задача состоит в практическом (расчетном) определении удельного расхода условного топлива тепловой электрической станции на производство и отпуск тепловой энергии в зависимости от количества и свойств карбонатно-кальциевой накипи теплосетевого и водогрейного оборудования.

 

 

Введение. Условия образования отложений при нагревании воды в трубчатых теплообменниках

 

Авторами [1] проведен анализ интенсивности образования карбонатно-кальциевых отложений при нагревании в условиях максимально приближенных к эксплуатационному режиму работу теплообменников систем централизованного теплоснабжения. Все исследования проводились на экспериментальных установках.

Принятый недогрев воды составил ∆t = 8,5-10 ºС, малый температурный линейный градиент 1 ºС/м при удельных тепловых нагрузках 17-40 кВт/м2.

Влияние температуры воды как основного фактора, определяющего интенсивность образования карбонатных отложений показано на рис 1 и 2.

Исследования проводились с водой разного состава, протекающей по трубкам со скоростью 0,65-0,80 м/с, нагреваемой до 65-70 ºС. В результате выявлено значительное влияние на интенсивность накипеобразования химического состава исходной воды и прежде всего ее карбонатной жесткости (щелочности) и общей жесткости (содержание иона кальция).

Возрастание в нагреваемой воде концентрации иона кальция в условиях практически полного отсутствия свободной углекислоты (рН = 8,4-8,5) приводит к увеличению интенсивности выделения карбонатных отложений на порядок и более. При любом составе нагреваемой воды характер распределения отложений по длине трубки теплообменника одинаков и определяется постепенным ростом температуры воды ускоряющей процесс термодинамического распада бикарбонатов.

Рис. 1. Влияние температуры воды и химического состава воды на интенсивность накипеобразования

1 – волжская вода (Що = 2,0 мг-экв/л; Жо = 3,11 мг-экв/л; S = 150 мг/л; рН = 7,1); 2 – москворецка вода (Що = 5,2 мг-экв/л; Жо = 4,56 мг-экв/л; S = 200 мг/л; рН = 7,5); 3 – вода Терновского водохранилища (Що = 3,14 мг-экв/л; Жо = 25,51 мг-экв/л; S = 3000 мг/л; рН = 8,5)

 

 

Рис. 2. Интенсивность карбонатного накипеобразования в зависимости от температурного градиента нагревания grad t

1 – вода с j = 2 (Що = 2,75 мг-экв/л; Са2+ = 230 мг/л; S = 3000 мг/л; рН = 8,3); 2 – вода с j = 1,6 (Що = 5,2 мг-экв/л; Са2+ = 52,1 мг/л; S = 700 мг/л; рН = 8,3)

 

Температура, при которой начинают появляться отложения на поверхности трубок, зависит от солевого состава нагреваемой воды. Если вода относится к категории вод повышенной накипеобразующей способности, то выделение карбоната кальция происходит уже при 20 ºС с интенсивностью 0,15 г/(м2·ч). При использовании воды типа Москворецкой названная интенсивность достигается только при нагреве выше 20 ºС, а трубки соприкасающиеся с водой при температуре ниже 25 ºС, не имеют отложений.

Следует отдельно сказать, что в процессах осадкообразования участвуют все естественные примеси природных водоисточников. Когда упоминают естественные примеси воды, то из числа катионов, в первую очередь, имеют в виду Na+, Ca2+, Mg2+.

Все натриевые соединения относятся к числу веществ, обладающих высокой растворимостью в воде, называемых потому легкорастворимыми. Они относятся к типу соединений с положительным температурным коэффициентом растворимости, т.е. их растворимость с ростом температуры увеличивается. Поэтому при организации водного режима поведения натриевых соединений по тракту обычно не рассматривают.

Соединения кальция и магния относятся к числу труднорастворимых. Растворимость соединений кальция и магния зависит от температуры и анионного состава воды.

Хлориды CaCl2 и MgCl2 обладают относительной высокой растворимостью в воде и имеют положительный температурный коэффициент растворимости.

CaCO3 и особенно CaSO4 имеют отрицательный температурный коэффициент растворимости (рис. 3):

 

 

Рис. 3. Зависимость растворимости кальциевых соединений в воде от

Температуры

 

Как видно из рис. 3 при температурах более 300 °С растворимости CaSO4 и СaСO3 примерно одинаковы, но при низких температурах они отличаются уже на два порядка.

Естественно поэтому ожидать в трубках конденсаторов отложений карбоната кальция, а не сульфата кальция.

Условием предотвращения кальциевых отложений является соотношение:

 

[Ca2+]×[An-] < ПРСаAn2,

 

где ПР – произведение растворимости.

Произведение активностей ионов труднорастворимой соли в насыщенном растворе называется произведением растворимости и обозначается ПР.

В разбавленных растворах, к числу которых относится вода теплоэнергетических установок, активности могут быть заменены их концентрациями.

Содержание кальция в природных водах обычно превалирует над содержанием магния, поэтому при рассмотрении поведения труднорастворимых соединений обычно ограничиваются кальциевыми соединениями.

Анионами-никипеобразователями могут быть SiO , CO , SO . Значения ПР для CaSiO3, CaSO4, CaSO3 для условий котловой воды при давлении в барабане 11,0 МПа (t = 310°С) составляет 10 -10 – 10 -8 (моль/кг)2. Для качественного рассмотрения условий предотвращения отложений кальциевых соединений принимают следующее соотношение:

 

[Ca2+][SiO +SO +CO ] < 10 - 8(моль/кг)2

 

Интенсивность карбонатного накипеобразования существенно зависит от скорости, повышения температуры воды по длине трубок при выбранной и постоянно поддерживаемой степени нагрева жидкости. Этот показатель может быть определен температурный линейный градиент нагревания в подогревателе. Градиент выражается:

 

grad t = (t 2t 1)/ l = ∆ t / l

 

где t 1и t 2 – температура воды в подогревателе и на выходе из него, l – длина отдельной трубки теплообменника.

Характер влияния температурного градиента на интенсивность карбонатного накипеобразования не изменяется с переходом на воду другого химического состава (кривые 1 и2, рис. 2). По обеим кривым прослеживается возрастание интенсивности при переходе к нагреванию в условиях увеличенного температурного градиента. Количественные показатели зависимости скорости накипеобразования от температурного градиента определяются накипеобразующими свойствами нагреваемой воды.

Связь между скоростью образования отложений карбоната кальция и температурным градиентом, определяющим характер нагревания в условиях движущейся жидкости, должна учитываться при выборе типа теплообменника для нагревания воды. В общем виде положение может быть сформулировано в следующем виде: Чем выше накипеобразующая способность исходной воды и чем больше степень нагрева жидкости, тем меньше должен быть температурный градиент. Применение для таких вод теплообменников с низким температурным градиентом (меньше 1 ºС/м) позволяет снизить интенсивность выделения карбонатных отложений и увеличить рабочий период эксплуатации между очистками поверхностей нагрева.

Влияние воздействия удельных тепловых нагрузок на интенсивность карбонатного накипеобразования представлено в графическом виде на рис. 4 и 5. Рабочие параметры исследований: степень нагрева воды ∆ t = 10 ºС, температура воды на входе 18±1 ºС, на выходе 28±1 ºС. Качество воды: Що = 3,8 мг-экв/л; Жо = 23,5 мг-экв/л; рН = 8,5). Длительность исследований 1700 ч.

Рис. 4. Соотношение между интенсивностью накипеобразования отложений и удельной тепловой нагрузкой q трубок теплообменника

1 – теплонапряженность рабочей поверхности теплообмена; 2 – интенсивность образования отложений.

 

Рис. 5. Скорость образования карбонатных отложений на поверхности трубок теплообменника, загрязненных накипью

1 – трубка с чистой поверхностью; 2 – трубка с загрязненной поверхностью перед опытом; 3 – трубка с загрязненной поверхностью после опыта; F 1 – количество отложений, образующихся во время опыта на загрязненной поверхности; F 2 – количество отложений, образующихся во время опыта на чистой поверхности.

 

Таким образом, авторы [1] делают вывод о косвенном влиянии теплонапряженности поверхностей нагрева на интенсивность накипеобразования на них при повышении или понижении температуры воды, соприкасающейся с этими поверхностями.

Не менее важным фактором, определяющим интенсивность карбонатного накипеобразования, является состояние самой поверхности трубок, непосредственно омываемой нагреваемой водой. Практика эксплуатации трубчатых теплообменников показывает, что на поверхности трубок со временем могут появляться неровности и шероховатости, вызванным коррозионным воздействием воды, отложением частиц взвешенных веществ, содержащихся в ней.

Далее на рисунках 6 и 7 представлены зависимости интенсивности карбонатных отложений от различных факторов, полученных авторами [1] в результате экспериментальных исследований.

Из рис. 6 и 7 видно, что любой фиксированный уровень отложений υ ОТЛ может достигаться при различной температуре и карбонатной жесткости воды.

В случае когда в подпиточной воде тепловых сетей ЖНК > 1,5 мг-экв/л (наиболее часто встречающийся в практике случай), интенсивность карбонатного накипеобразования можно оценивать по следующей формуле:

 

υ ОТЛ = 0,01 · e 0,0047 Ж (Са) t

 

Для практических расчетов удобнее пользоваться зависимостью интенсивности карбонатных отложений от общей жесткости воды при заданной температуре.

 

υ ОТЛ 150 °С = 0,02 · e 0,57 Ж (Са)

 

υ ОТЛ 140 °С = 0,0175 · e 0,6 Ж (Са)

 

υ ОТЛ 120 °С = 0,01 · e 0,57 Ж (Са)

 

υ ОТЛ 100 °С = 0,0074 · e 0,52 Ж (Са)

 

    Рис. 7. Зависимость интенсивности карбонатных отложений от температуры воды при различных значениях карбонатной жесткости воды  
Рис. 6. Зависимость интенсивности карбонатных отложений от температуры воды при различных значениях плотности теплового потока  

Основы теплового расчета подогревателя сетевой воды

 

Сетевые подогреватели служат для подогрева паром из отбора турбин сетевой воды, используемой для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения тепловых потребителей. В зависимости от температурного графика тепловых сетей подогрев воды в сетевых подогревателях осуществляется от 40 – 70 °С до 70 – 120 °С. Поэтому в качестве греющей среды используется пар из двух совместно регулируемых теплофикационных отборов турбин с интервалом давлений в нижнем отборе от 0,05 до 0,2 МПа, а в верхнем – от 0,06 до 0,25 МПа. Алгоритм расчета принят в соответствии с [2 и 3].

Значение теплового потока, получаемого сетевой водой определятся по формуле:

 

Q = ср · G В (t 1t 2),

 

где ср – удельная теплоемкость воды, G В – расход сетевой воды, t 1 и t 2 – температуры сетевой воды на входе и выходе из сетевого подогревателя.

 

Расход отборного пара, подаваемого в подогреватель для нагрева сетевой воды:

 

D П = Q / (h Пh К),

 

где h П и h К – соответственно энтальпии отборного (греющего) пара турбины и конденсата.

 

Средняя плотность теплового потока:

 

q = k · Δ t · 10–3,

 

где k – коэффициент теплопроводности через трубку подогревателя сетевой воды; Δ t – температурный напор (разность температур).

Коэффициент теплопередачи трубы с накипью.

 

 

где α1,2 – коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к теплообменной стенке и от стенки трубки сетевого подогревателя к среде нагреваемой (к сетевой воде); λ – коэффициент теплопроводности стенки теплообменной трубки подогревателя (λ с индексом n – коэффициент теплопроводности у слоя накипи); d 1,2 – внутренний и наружный диаметр трубки (d с индексом n – внутренний диаметр накипи).

Площадь поверхности нагрева сетевого подогревателя:

 

F = Q / q

 

Задачу можно решить в «обратную» сторону. Зная параметры и технические характеристики сетевого подогревателя, и задаваясь толщиной слоя накипи на теплообменных трубках, а также значениями коэффициента теплопроводности накипи (как правило, это данные, получаемые в результате экспериментальных исследований), можно определить значение тепловой нагрузки отборов паровой турбины на сетевую подогревательную установку.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-30 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: