ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Сравнительный анализ двух экспериментов, проведенных в разные годы на мазутных котлах
Холщев В. В., инж.
АО “Фирма ОРГРЭС”
Температурный режим труб топочных экранов определяется, в первую очередь, величиной теплового потока. Чем он выше, тем выше перепад температур по толщине стенки
(1)
тем выше температура наружной стенки. Одновременно тепловой поток влияет на процесс образования внутренних отложений. Эмпирическая зависимость имеет вид
(2)
где jFe - скорость (интенсивность) образования отложений; CFe - концентрация железа в воде.
Из формулы (2) видно преобладающее влияние теплового потока q на интенсивность отложений. Поскольку максимальные значения как температуры стенки, так и количества отложений представляют главный эксплуатационный интерес, то при установке температурных вставок и вырезке контрольных образцов необходимо иметь достаточно четкое представление о возможном распределении теплового потока относительно экранов, в первую очередь, по высоте топки.
Существуют различные способы измерения теплового потока, среди которых наибольшее распространение нашли температурные (иногда радиометрические) вставки. Гораздо реже применяется метод калориметрирования, заключающийся в установке в топке измерительных контуров. Результаты подобного определения тепловых потоков рассмотрим на примере экспериментальных работ, проведенных в разное время ВТИ и ОРГРЭС. Испытания проводились на мазутных котлах с односторонним двухъярусным расположением горелок, тепловые нагрузки определялись методом калориметрирования. Измерительный циркуляционный контур позволяет получить наиболее полную и достоверную картину распределения тепловых потоков по высоте топки, однако крайне редко применяется из-за трудоемкости организации подобного измерения в производственных условиях. Вероятно, рассматриваемые далее опыты были единственными для котлов, сжигающих мазут. Аналогичные измерения выполнялись, но на пылеугольных котлах (экраны некоторых из них к тому же были частично закрыты зажигательным поясом), а также на прямоточном котле СКП с циклонным предтопком.
Схема обвязки контурных труб была различной, однако это отличие не принципиальное и позволяет напрямую сравнивать результаты между собой. Измерительным контуром на котле ТГМЕ-464 были выбраны центральные трубы заднего, бокового и фронтового экранов (диаметр труб 60/48 мм), оснащенные гильзовыми термопарами и расходомерной диафрагмой. На котле ТМ-200 (паропроизводительность 200 т/ч, давление в барабане 3,4 МПа) отдельные циркуляционные экранные трубы на боковом и фронтовом экранах были заменены на точно такие же калориметрические (диаметр труб 83/76 мм) с автономным питанием их химочищенной водой от специального насоса и с установкой гильзовых термопар и расходомерных диафрагм.
При таком способе определения тепловосприятия большое значение имеет точность измерения температуры среды. Чем дальше отстоят друг от друга две смежные термопары, тем выше точность измерения, но, с другой стороны, тем меньше “разрешающая способность”, тем приблизительнее результат. На котле ТГМЕ-464 “плотность” установки термопар была заметно выше, одновременно были приняты возможные меры для повышения точности замеров [1].
Далее рассматриваются результаты испытаний обоих котлов на максимальной нагрузке. Конструкция топочных камер тождественна как в расположении горелочных устройств (одностороннее двухъярусное), так и в наклоне подовой части противоположной стены с подъемом в сторону развития факелов.
На котле ТМ-200 исследовались боковая и фронтовая стены топки (на каждой по несколько труб), на котле ТГМЕ-464 - центральные трубы боковой, фронтовой и задней стен топки.
Рис. 1. Тепловосприятие по высоте бокового экрана котлов ТГМЕ-464 и ТМ-200
На боковой стене котла ТМ-200 было установлено три калориметрических контура [2]. На рис. 1 показаны тепловые нагрузки по участкам трубы 21 и построенная соответственно эпюра тепловосприятия по высоте. Здесь же для сравнения показаны эпюры соседних труб 38 и 48. Отсутствие измерений в самой нижней части топки (ниже термопары t1) вынудило авторов эксперимента оборвать эпюру трубы 21 на максимальной нагрузке, которая составила 560 кВт/м2. Из рис. 1 видно, что максимум теплового потока по высоте топки располагается на отметке ниже оси нижнего яруса горелок. По ходу факела на следующих трубах 38 и 48 максимум перемещается вверх, одновременно снижаясь по абсолютной величине.
На боковой стене котла ТГМЕ-464 калориметрический контур чуть сдвинут от оси топки к горелкам и был разбит по высоте на 12 участков (участок между термопарами t11 и t12 затенен лентами радиационного пароперегревателя). На левом графике представлены тепловые потоки как по участкам, так и в виде эпюры. И здесь максимум теплового потока расположен ниже отметки оси нижнего яруса горелок и составляет 450 - 470 кВт/м2. Характер распределения тепловых нагрузок с максимумом на обоих котлах, соответствующим отметке нижнего яруса горелок и ниже, может быть объяснен развитием нижних факелов в ограниченном пространстве: сверху их сдерживают факелы верхних горелок, снизу - раскаленное огнеупорное покрытие подового экрана с его обратным излучением в сторону горелок. На коротком участке в 1 м от пода тепловой поток составляет всего 100 кВт/м2 с последующим резким увеличением до максимума - 460 кВт/м2.
Рис. 2. Тепловосприятие по высоте заднего экрана котла ТГМЕ-464 и фронтового экрана котла ТМ-200
Поскольку горелки на котлах установлены на разных стенах, то логично сравнивать результаты измерений тепловых нагрузок по высоте топки на задней стене в отношении котла ТГМЕ-464 и на фронтовой - относительно котла ТМ-200 (рис. 2). В том и другом случае калориметрическим контуром служат центральные трубы, а на котле ТМ-200 также крайняя труба 3. На котле ТМ-200 контуры были поделены всего на четыре участка с расположением пяти термопар примерно через каждые 2 м при общей высоте топки 10 м. Такая разбивка с малым числом участков может дать лишь приблизительную картину тепловосприятия по высоте трубы. Как и на боковой стене, на фронтовой эпюра также обрывается в самой нижней части топки из-за отсутствия измерений. Тем не менее, можно уверенно утверждать, что максимальный локальный тепловой поток превышает среднее значение нижнего участка трубы 410 кВт/м .
На этом участке явно не хватает промежуточного замера, аналогичного температуре t2 на трубе 21 бокового экрана (рис. 1), поэтому эпюра получилась такой монотонной, явно не отражающей реальной картины тепловосприятия в эпицентре мазутных факелов.
Более подробная и более полная информация получена в другой работе по центральной трубе заднего экрана на котле ТГМЕ-464. Построенная эпюра имеет резко выраженный максимум теплового потока на оси нижнего яруса горелок, превышающий по абсолютному значению 500 кВт/м2. Подобного максимума не отмечено на котле ТМ-200. Если бы на центральной трубе заднего экрана котла ТГМЕ-464 в районе горелок число измерений было ограничено термопарами t2 и t8, то средний тепловой поток этого участка q^ составил бы 400 кВт/м2, как на котле ТМ-200 между термопарами t1 и t2 он составил 410 кВт/м2.
Из-за недостаточной представительности измерения на фронтовой стене топки котла ТМ-200 эпюру, полученную на заднем экране котла ТГМЕ-464, приходится сравнивать с эпюрой боковой стены котла ТМ-200, т.е. левый график рис. 2 с правым графиком рис. 1. Как видно, обе эпюры имеют одинаково резко выраженный максимум, расположенный в районе отметки нижнего яруса горелок и близкий по абсолютным значениям (530 и 560 кВт/м2 соответственно).
Рис. 3. Тепловосприятие по высоте фронтового экрана котла ТГМЕ-464
Распространено мнение, что с переходом на изготовление котлов газоплотного исполнения тепловые потоки в топочной камере повысились. Как видно из проведенного анализа, справедливость такого представления не подтверждается. Подтверждается иное: большие значения тепловых нагрузок в топках мазутного котла.
Далее рассматривается еще одна эпюра, полученная на котле ТГМЕ-464. Центральная труба фронтового экрана была обвязана как калориметрическая с установкой по ее высоте 10 термопар. На графике рис. 3 показаны средние тепловые нагрузки по участкам и эпюра текущего значения локальной плотности теплового потока. В полном соответствии с двумя ярусами горелок, расположенными напротив (на заднем экране топки), на фронтовой стене явно наблюдаются два ярко выраженных максимума воспринятых тепловых потоков. Обнаружить их помогло применение калориметрического контура. Ходовыми средствами (температурные, радиометрические вставки) из-за их низкой точности, дискретности измерения полной картины распределения тепловых нагрузок по высоте экранной трубы обнаружить невозможно.
Каждой стене топки котла ТГМЕ-464 соответствует своя эпюра тепловых нагрузок. Каждый из приведенных графиков отличается индивидуальностью своего рисунка. Обращает на себя внимание резкое изменение теплового потока в зоне максимального тепловосприятия, расположение максимума на оси и ниже оси нижнего яруса горелок. Полученные графики расходятся со стереотипным представлением о распределении теплового потока по высоте топки, которому более отвечают графики, полученные на трубах 38 и 48 котла ТМ-200 (рис. 1). В то же время графики, полученные на котле ТГМЕ-464, следует воспринимать как графики конкретного котла, которые, наверно, выглядели бы несколько иначе при другом конструкторском оформлении топки: обратном наклоне пода, встречном расположении горелок и других отличиях.
Калориметрический контур позволил бы выявить эти различия, но, к сожалению, применение этого способа измерения так и не нашло распространения. Экспериментаторы предпочитают более легкий способ, ограничиваясь установкой температурных вставок.
Совпадение результатов измерения тепловых потоков с помощью калориметрического контура в экспериментах, выполненных когда-то ВТИ на мазутном котле среднего давления и позже ОРГРЭС на мазутном котле высокого давления, конфигурация топки и расположение горелочных устройств которых пространственно подобны, позволяет сделать следующие выводы.
- Для мазутного топлива локальный максимум теплового потока превышает 500 кВт/м2.
- Указанное значение, определенное при испытаниях на обычном котле и совпавшее при испытаниях на современном газоплотном, не подтверждает точку зрения, что переход на газоплотное исполнение способствовал повышению тепловых нагрузок.
- Эпюра теплового потока для котлов с односторонним расположением горелок, топка которых выполнена с контруклоном наклонной подовой части в сторону развития факелов, имеет смещение максимума к оси нижнего яруса горелок. Противоположная горелкам стена топки имеет два максимума в соответствии с двумя ярусами горелок и, возможно, три в соответствии с тремя и т.д.
Список литературы
- Холщев В. В. Определение тепловых нагрузок парогенерирующих экранных труб. - Теплоэнергетика, 1985, № 4.
- Пржиялковский М. М., Дик Э. П. Распределение тепловых нагрузок в котле с мазутным факелом. - Теплоэнергетика, 1956, № 6.
