Глава вторая
ЧАСТИЧНЫЕ НАГРУЗКИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Возможность снижения нагрузки оборудования ТЭС до требуемого значения является важной составной частью маневренности ТЭС в целом. В зависимости от конструкции котлов, вида сжигаемого топлива и способа шлакоудаления, маневренных возможностей турбин и вспомогательного оборудования минимальная нагрузка для различных агрегатов ТЭС различная. Предел минимальной нагрузки агрегатов ТЭС в основном ограничивается надежной работой котлов и турбин. Анализ исследований, выполненных в этой области, показывает, что ограничение по надежной работе котлов можно разделить на две основные части:
устойчивость топочного процесса и поддержание расчетных параметров пара с обеспечением надежного шлакоудаления;
надежность гидравлического и температурного режимов работы экранов котлов.
При возникновении ограничений по топочному режиму и шлакоудалению возможность снижения нижнего предела нагрузки агрегатов следует искать в совершенствовании топ очно-горел очных устройств, переводе котла на другой вид топлива или совместном сжигании двух видов топлива, т. е. уголь—газ (мазут), в организации эффективного сжигания топлива с обеспечением надежного шлакоудаления.
Надежность гидравлического и температурного режимов работы котлов закладывается еще на стадии разработки гидравлических схем котлов, при этом, если минимальная нагрузка по условиям топочного режима и надежного шлакоудаления не зависит от режима работы энергоблока (на скользящих или номинальных параметрах пара), надежность экранов котлов в первую очередь зависит от режима работы энергоблока.
Как правило, все энергоблоки по условиям гидродинамики и температурного режима экранов рассчитаны на минимальную нагрузку, равную 30% номинального значения при поддержании номинальных или близких к ним параметров пара. В случае перевода энергоблока в режим скользящего или комбинированного давления минимальная нагрузка может быть ограничена устойчивостью гидродинамики и температурным режимом экранов котла, причем для различных типов котлов минимальная нагрузка может быть различной.
Перевод энергоблоков с одного режима работы на другой приводит не только к изменению условий работы и эксплуатации, но и их экономичности. Так, например, при частичных нагрузках более экономичным режимом является режим со скользящим давлением среды, а при номинальной и близкой к ней — с номинальным давлением пара. Поэтому для определения режима работы энергоблоков и, в частности, котлов проводятся специальные исследования по выявлению критериев, ограничивающих минимальную нагрузку, и условий работы оборудования на минимальных нагрузках. При этом обязательно учитывается также изменение экономичности работы оборудования и маневренности.
НАДЕЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЧАСТИЧНЫХ НАГРУЗКАХ ЭНЕРГОБЛОКОВ
Многолетний опыт эксплуатации оборудования ТЭС показал, что наиболее эффективным способом работы энергоблоков на частичных нагрузках является способ с применением скользящего давления среды во всем тракте.
Работа при скользящем давлении среды благоприятно сказывается на надежности и экономичности турбин, паропроводов, снижает расход энергии на собственные нужды энергоблока. В то же время разгрузка энергоблоков и внедрение скользящего давления среды на барабанных и прямоточных котлах сопряжены с определенными трудностями, заключающимися в нарушениях температурного и гидравлического режимов работы поверхностей нагрева.
Оценка работы экранов барабанных котлов определяется следующими показателями [87, 151] отсутствием застоя циркуляции среды, вихревых воронок над опускными трубами, сноса пара в опусных трубах и.) барабана, расслоения пароводяной смеси в парообразующих трубах, надежностью работы барабанов, кратностью циркуляции циркуляционных контуров.
Нарушение температурного и гидравлического режимов в барабанных котлах носит несколько другой характер, чем у прямоточных. Главной особенностью барабанных котлов является то, что они проектируются на давление пара ниже критического значения, а ухудшение работы котла вызвано, в первую очередь, изменением температурного режима экранов.
Причинами нарушения температурного режима экранов барабанных котлов может быть быстрое увеличение нагрузки котла, вызывающее интенсивное увеличение парообразования в барабане котла и заброс воды в пароперегреватель, резкое изменение расхода топлива, т. е. тепловосприятия экранов, и, следовательно, температуры металла и пара, нарушение работы регуляторов или плотности арматуры пароохладителей.
Для барабанных котлов с естественной циркуляцией возможны появления нарушения гидродинамики в виде расслоения пароводяной смеси, низкая скорость циркуляции, а следовательно, ухудшение гидродинамики в циркуляционных трубах, застой и опрокидывание ее при резких изменениях давления среды.
Отсутствие застоя циркуляции определяется для котлов с естественной циркуляцией по скорости среды в экранных трубах.
Так, в стационарных режимах работы котлов расчетные значения скоростей среды, м/с, составляют 187, 151] для экранов, введенных в барабан, 0,5—1,5, экранов с верхними коллекторами 0,2—1,0, двухсветных экранов 0,5-2, экранов котлов малой мощности 0,2-0,8.
Низкая скорость циркуляции может иметь место не только во всем контуре, а также в отдельных змеевиках. Причинами изменения циркуляции среды могут являться большие тепловые разверни, неравномерность тепловосприятия труб, неудачная с точки зрения конструкции компоновка экранов. Для надежной работы экранов котлов с естественной циркуляцией средние значения кратности циркуляции должны находиться [151] в пределах М = 5-8 и 6—14 для котлов производительностью от 200 до 650 т/ч и давлением свежего пара 14—18,5 МПа и котлов производительностью от 80 до 250 т/ч и давлением свежего пара 3,5-8 МПа соответственно.
Для барабанных котлов предельными случаями снижения кратности циркуляции являются застой и опрокидывание. Застоем циркуляции называется медленное движение в обогреваемой трубе воды вверх или вниз, а пара вверх, при котором возможен застой отдельных паровых пузырей в благоприятных для этого участках трубы [151]. Застой пузырей может появляться и в трубах с принудительным движением потока. При застое и далее опрокидывании потока происходит запаривание труб. Это явление появляется вследствие скопления в трубе большого количества пара и невозможности преодоления им кинетической энергии движущегося вниз потока воды. Такой режим, как правило, приводит к перегреву экранных труб и их повреждению. Для обеспечения нормального температурного режима обогреваемых труб следует рассчитывать условия возможности появления в них ухудшенного теплообмена [151].
Свободный уровень в трубах, которые соединены с паровым пространством барабана, появляется при прекращении движения воды в связи с невозможностью поднятия ее уровня. В таких случаях на отметке выше уровня в трубе имеется насыщенный или перегретый пар. Нарушение гидродинамики в барабанных котлах возможно также при резком снижении давления среды, приводящем к самоиспарению части воды в обогреваемых или даже в необогреваемых трубах. В дальнейшем при исследовании надежности работы барабанных котлов энергоблоков будет показана сложность решения поставленной задачи при переводе энергоблоков с барабанными котлами на минимальные нагрузки.
В прямоточных котлах основными элементами являются панели, которые представляют собой систему труб, объединяющихся с помощью коллекторов, раздатчиков, соединительных труб в единый тракт, поэтому оценка работы экранов прямоточных котлов определяется несколько другими показателями, такими, как коэффициенты температурной, тепловой и гидравлической разверки, максимально допустимая по условию окалинообразования температура металла экранов, отсутствие общекотловой, межпоточной, межпанельной, межвитковой пульсаций массовых скоростей в экранах и т. д.
При переводе прямоточных котлов сверхкритического давления в режим скользящего давления движение кипящей жидкости сопровождается непрерывным изменением структуры потока, характеризующегося увеличением паровой и уменьшением жидкой фаз.
Как будет показано ниже, распределение рабочего тела по трубам панелей прямоточных котлов различно, и энтальпия рабочего тела на выходе из отдельных труб отличается от среднего значения, при этом неравномерность тепловосприятия вызывается неодинаковыми тепловыми характеристиками параллельно включенных труб, а гидравлическая неравномерность — их неодинаковыми гидравлическими характеристиками.
Из всех причин, вызывающих гидравлическую неравномерность и, следовательно, тепловую разверку, рассмотрим влияние нестабильности гидравлической характеристики и пульсации потоков. Гидравлическая характеристика, т. е. зависимость Ар = f(w, р) прямоточных элементов с парообразующими участками, многозначна, когда одному перепаду давлений Ар соответствуют несколько значений расхода D. Многозначность характеристики является следствием различной закономерности гидравлического сопротивления в экономайзерном и парообразующем участках. Гидравлическая нестабильность при принудительном движении рабочего тела может быть только в парогенерирующих трубах, имеющих экономайзерный участок.
При неустойчивой гидравлической характеристике одному перепаду давлений соответствуют различные расходы пароводяной смеси с разным паросодержанием на выходе из змеевиков. Поскольку режимы течения потока при этом неустойчивы, расход через трубу может изменяться с периодической выдачей пароводяной смеси резко различного паросодержания. Такие условия работы приводят обычно к повреждению парообразующих труб. Так как основной причиной нестабильности характеристики является большая разность удельных объемов пара и воды, то с повышением давления характеристика становится более устойчивой. Повышению устойчивости гидравлической характеристики способствуют повышение энтальпии воды на входе в змеевики и увеличение сопротивления экономайзерного участка. При неустойчивой гидравлической характеристике под действием возмущений может возникнуть пульсирующий расход рабочего тела через парообразующие трубы, при этом периодическое увеличение расхода воды через одни трубы связано с периодическим снижением его через другие при сохранении общего перепада давлений между коллекторами. Это явление, получившее название межвитковой пульсации, наблюдается даже при постоянном общем расходе на выходе из параллельно работающих труб.
