Теплоотдача в закризисной зоне течения пароводяной смеси в трубе

 Теплоотдача в закризисной зоне для прямой трубы при q<4 10⁵ Вт/м² рассчитывается по формулам:

;

 

; .

 

Для проведения расчетов теплоотдачи с учетом испарения капель в пристенном перегретом слое следует использовать зависимость, справедливую для q>4 10⁵ Вт/м²:

 

 

Величины с индексом «ст» берутся для пара при температуре стенки.

Расчетные зависимости рекомендуются для следующего диапазона режимных параметров: p=7÷22 МПа, ρω =350÷5300 кг/(м²с) и . 

 

Лекция 15

Гидродинамический расчет ПГ (2часа)

Расчет ПГ включает в себя определение гидрав­лических сопротивлений в трактах теплоносителя и рабочего тела, а также характеристик естествен­ной циркуляции. Наиболее важные составляющие гидравлического сопротивления — сопротивления трения, местные, нивелирное, ускорения. При этом необходимо иметь в виду, что ре­жим течения теплоносителя турбулентный с квад­ратичным законом сопротивления трения имеет место при однофазных средах.

Абсо­лютная шероховатость для электрополированных труб из нержавеющей стали может быть принята 0,002 мм. Значения коэффициентов местного со­противления приведены в табл.7.

  При поперечном обтекании пучка труб гидравличе­ское сопротивление включает в себя сопротивле­ние трения и местное сопротивления:

_,

где ζ_П — коэффициент сопротивления попереч­ного пучка, зависящий от режима течения и харак­теристик пучка — шага в поперечном направлении S₁, шага в продольном направлении (в направлении движения среды) S₂, числа рядов труб в пучке в на­правлении движения Z₂^

   для шахматных пучков:

ζ_П = (4 + 6,6.Z₂)Re^-0,28 при (S₁ / d_H) < (S₂/d_H);

для коридорных пучков:

ζ_П = (5,4 + 3,4Z₂)Re ^{– 0,28} при (S₁ / d_H) > (S₂/d_H);

 

 Таблица 7. Значения коэффициентов местного сопротивления ζ_М

Вид местного сопротивления             Значение

Вход в трубу из коллектора:

d_В > 350 мм                                                                0,5

d_В < 350                                                                  1(при S_ТР >S_K)

                                                                                  1,4 (при S_ТР <S_K)

 

Выход из трубы в собирающий                                1,2

коллектор

Выход из раздающих труб в меж-                               1

трубное пространство

Поворот на 90° в межтрубном про-                      1

странстве

Плавный поворот в трубах (змее-                       0,5

виках)

Пароприемный щит(скорость пара                       1,5

в отверстиях щита в 1,45 раза выше скорости

в пароотводящих трубах)

Жалюзийный сепаратор (зависит                       3—10

от геометрических характеристик

 проходных каналов)

 ε_β — коэффициент, учиты­вающий угол набегания потока на трубы (угол атаки) β потока:

 

β, град...... 90    80  70   60   50   40   30 10

ε_{β...............} 1,0  1,0  0,95   0,83   0,69  0,53  0,38  0,15

Контур естественной циркуляции в вертикаль­ном ПГ включает в себя опускной уча­сток— кольцевой канал между корпусом и кожухом трубного пучка и подъемный — участок парообразо­вания (трубный пучок) и циклоны. Задача расчета — определение кратности циркуляции:

k = G_В/D;

G_В — расход воды по опускному участку;  D— паропроизводителъность ПГ. И скорости циркуляции в контуре и в разверенных трубах.

Гидравлическое сопротивление опускного участка ∆Р_ОП включает в себя сопротивление тре­ния и местные сопротивления — сужения, измене­ния направления движения, входа в опускной уча­сток и выхода из него — в соответствии с геомет­рией, определяемой конструкцией. Движущий напор естественной циркуляции зависит от истинного  паросодержания на участке парообразования φ.

Для определения движущего напора целесообразно участок парообразования разбить по вертикали на интервалы  и для каждого из них определить ис­тинное объемное паросодержание на выходе:

_,

где — соответственно приведенные скоро­сти пара и воды, м/с, рассчитываемые по расходам пара Dи воды G_B, геометрическим характеристи­кам поперечного сечения, определяющим проход­ные площади межтрубных зазоров; w_a — параметр относительного движения фаз, м/с, определяемый по формуле ВТИ для давлений P =1,1—12,5 МПа:

w_a = (0,65 – 0,039P) ,

где Р — давление, МПа; d_T — гидравлический диа­метр, м.

Гидравлический диаметр рассчитывают по формуле:

,

где f – площадь проходного сечения трубы; П – смоченный периметр канала и трубчатки, расположенной в нем.

Среднее паросодержание на участке парообра­зования определяется по формуле:

 

Расчет гидравлического сопротивления при движении пароводяной смеси в межтрубном про­странстве необходимо выполнять по участкам с одинаковым характером омывания труб потоком (продольное, поперечное), с равными площадями живых сечений, если эти характеристики изменяют­ся по высоте пучка. Если для принятой в ПГ конструкции пучка труб теплопере-дающей поверхности отсутствуют данные по расче­ту коэффициента гидравлического сопротивления, то расчет выполняется для гомогенной структуры двухфазного потока; подъемный участок контура включает также циклоны-сепараторы, если они предусмотрены в проекте.

Если в результате расчета контура кратность циркуляции будет отличаться от рекомендуемой, то следует изменить геометрические характеристи­ки опускного участка (ширину опускного зазора), а возможно, и характеристики трубного пучка так, чтобы кратность циркуляции равнялась 6…8.

В случае параллельно включенных парогенерирующих труб, на входе в которые вода недогрета до температуры насыщения, например в модуле испа­рителя ПГ для блока БН-600, важнейшей частью гидравлического расчета является определение устойчивости двухфазного потока в трубах. Для этой цели необходимо построить гидравлическую характеристику труб испарителя, т.е. зависимость ∆Р = f (D).

Лекция №16

Схемы включения подогревателей (2 часа)

В паротурбинных установках электростанций на органическом и ядерном топливе применяется многоступенчатый регенеративный подогрев питательной воды, осуществляемый последовательно в подогревателе низкого давления (ПНД), деаэраторе и подогревателе высокого давления (ПВД) теплотой пара, отбираемого из ступеней турбины. Существуют различные принципиальные тепловые схемы турбин. Принципиальная тепловая схема турбины К-800-240-4 приведена на рис.27.

Рисунок 27. Принципиальная схема системы регенеративного подогрева питательной воды турбины К-800-240:

К-конденсатор; СП₁, СП₂- сальниковые подогреватели; П₁-П₄ – подогреватели низкого давления; Д-деаэратор; ПТН- питательный турбонасос; П₅-П₇- подогреватели высокого давления; КН-1, КН-2, КН-3 – конденсатные насосы первой, второй и третьей ступеней

Особенностью схем является наличие в них двух (или трех в схеме турбины К-800-240) групп (ступеней) конденсатных насосов, причем во всех случаях насосы первой ступени служат для прокачки питательной воды через систему фильтров БОУ. Число последовательно включенных ПНД составляет 4-5. Система регенерации низкого давления турбины К-800-240 по проекту НПО ЦКТИ выполнена комбинированной: подогреватели с давлением пара в корпусе ниже атмосферного являются аппаратами смешивающего типа. Отвод конденсата греющего пара в системе ПНД осуществляется либо по каскадной схеме, либо с применением сливных насосов, с помощью которых этот конденсат подается в линию основного конденсата (питательной воды).

Отдельные зоны поверхностей теплообмена подогревателей работают в разных условиях: в одних теплота передается воде за счет снятия перегрева пара, в других – за счет изменения его агрегатного состояния (конденсации), в третьих – за счет охлаждения образовавшегося конденсата греющего пара.

Площадь поверхностей теплообмена зон подогревателей зависит от количества передаваемой теплоты при номинальном режиме и разности температур, которые, в свою очередь, определяются необходимой температурой подогрева питательной воды в аппаратах при существующих условиях теплообмена на этих поверхностях.

В зависимости от изменения режима работы турбины фактическое распределение по зонам величин поверхностей, участвующих в процессе теплообмена (границы зон), может меняться, что влияет на конструктивное исполнение этих зон.

Названия отдельных зон поверхности нагрева подогревателя определяются характером процесса теплоотдачи со стороны греющей среды. Принята следующая терминология для отдельных зон поверхностного подогревателя (ПП): зона конденсации пара (КП) – наибольшая по площади, обязательная во всех ПП поверхность теплообмена, на которой теплоотдача происходит при конденсации пара на наружной поверхности труб; охладитель конденсата (ОК) – та часть поверхности теплообмена ПП, на которой происходит конвективное охлаждение конденсата греющего пара; охладитель пара (ОП) – часть поверхности теплообмена, на которой осуществляется конвективная теплоотдача от перегретого пара к стенке труб с температурой выше температуры насыщения греющего пара.

Конструктивно зоны ОП, КП и ОК, как правило, размещаются в одном корпусе. Такое их расположение является предпочтительным; в отдельных случаях зоны охлаждения пара и конденсата могут выполняться в виде самостоятельных аппаратов – охладителей пара или конденсата.

В турбоустановках с высокой начальной температурой (более 450  ) острого пара (энергоблоки с промежуточным перегревом пара или даже без него) греющий пар, поступающий в последние по ходу основного конденсата подогреватели высокого давления, имеет достаточно высокий перегрев относительно его температуры насыщения, соответствующей давлению пара в корпусах таких аппаратов. Для использования перегрева пара в этих подогревателях часть их поверхности выделяется под встроенный охладитель пара.

В настоящее время получили распространение четыре принципиально различные схемы включения ОП по нагреваемой воде:

1. Параллельная схема включения ОП (схема Рикара-Некольного), характеризующаяся включением этой зоны по питательной воде параллельно всем или части последующих по ходу воды подогревателей (рис.28). Включение зоны ОП по такой схеме влияет на распределение подогрева питательной воды между остальными ПВД. Определение расхода питательной воды через эту зону при такой схеме ее включения производится на основе теплового баланса по предварительно принятому значению температуры питательной воды за этим участком, которая не должна быть ниже температуры основного потока в точке смешения за группой ПВД.

Рисунок 28. Параллельная схема включения охладителя пара (схема Рикара-Некольного):

1-питательный насос; 2-первый ПВД после деаэратора; 3- последующий ПВД; 4-охладитель пара; 5-ЦВД турбины; 6-промежуточный перегреватель пара; 7-ЦСД (или ЦНД) турбины; 8-генератор

2. Схема с концевой зоной ОП (схема Виолена), в которой греющий пар данного подогревателя охлаждается питательной водой после всех регенеративных подогревателей (рис.29).

Рисунок 29. Схема включения концевого охладителя пара (схема Виолена):

1-питательный насос; 2- первый ПВД после деаэратора; 3- охладитель пара; 4- последующий ПВД; 5- ЦВД турбины; 6- промежуточный перегреватель пара; 7 –ЦСД (или ЦНД) турбины; 8 - генератор

3. Последовательная схема, в которой зона ОП данного подогревателя включена после зоны КП этого подогревателя и поток питательной воды после зоны ОП смешивается с основным потоком перед следующим по ходу воды подогревателем (рис.30). Эта схема получила наиболее широкое распространение, как в Советском Союзе, так и за рубежом, хотя по экономичности она уступает предыдущим. При этом минимальная поверхность нагрева требуется в случае пропуска всего потока воды через зону. Наиболее просто такое включение осуществляется в подогревателях камерного типа с пучками из U- или П- образных труб путем заключения выходного участка всего трубного пучка в герметичный кожух, куда поступает перегретый пар.

Рисунок 30. Последовательная схема включения охладителя пара за ПВД:

1- питательный насос; 2- первый ПВД после деаэратора; 3-охладитель пара; 4- последующие ПВД; 5- ЦВД турбины; 6- промежуточный перегреватель пара; 7- ЦСД (или ЦНД) турбины; 8- генератор

 

4. Комбинированное включение зоны ОП, например в схеме ЛМЗ, в которой часть зоны ОП первого по ходу питательной воды ПВД охлаждается потоком воды, отбираемым за группой ПВД, другая часть получает питательную воду после зоны КП этого ПВД.

Конкретная схема включения зоны ОП выбирается на основе технико-экономических расчетов, проводимых турбинными заводами, и указывается в техническом задании на проектирование группы поверхностных подогревателей.

В зоне КП происходит основной нагрев питательной воды. Эффективность нагрева воды в каждом регенеративном подогревателе принято оценивать величиной недогрева. Под недогревом понимается разность между температурой насыщения пара, определенной по давлению его на входе в данный подогреватель или в зону его конденсации, и температурой питательной воды на выходе из подогревателя или из зоны КП.

ОК необходим для снижения термодинамических потерь от смешения потоков и для улучшения условий отвода конденсата в подогреватель с более низким давлением пара в корпусе (при каскадном сливе конденсата).

Рекомендуется охлаждать конденсат до температуры, не превышающей более чем на 10  температуру питательной воды на входе в подогреватель.

В зоне охлаждения конденсата может нагреваться вся питательная вода (рис.31, а) или ее часть (рис.31,б,в). Наиболее целесообразным является последовательное (по всему потоку питательной воды) включение зоны ОК перед зоной КП (рис.31, а). Варианты включения, показанные на рис.31,б,в, позволяют достаточно полно использовать температурный напор в этой зоне подогревателя и также допускаются ждя применения. Выбор конкретной схемы включения ОК производится на основе соответствующих технико-экономических расчетов, что оговаривается в техническом задании.

Рисунок 31. Схемы включения зоны охлаждения конденсата по питательной воде:

а- последовательная; б- с байпасированием через диафрагму; в- параллельная первому ходу питательной воды; 1- зона конденсации пара; 2- зона охлаждения конденсата; 3- дроссельная диафрагма

Температура питательной воды в точке смешения двух параллельных потоков из ОК и КП в эксплуатационных условиях будет значительно отличаться от расчетной при нарушении расчетного соотношения расходов питательной воды через эти зоны.

Лекция №17

Рекомендации по проектированию подогревателей (2 часа)

Рекомендации по проектированию относятся к подогревателям следующих типов:

ПВД коллекторного типа вертикального исполнения с поверхностью нагрева, набранной из гладких труб, свитых в плоские, расположенные горизонтально или под углом к горизонту спирали, присоединенные к вертикальным коллекторам. Зоны ОП, КП и ОК скомпонованы в общем корпусе.

ПНД камерного типа вертикального исполнения с трубной системой из гладких U- и П- образных и прямых труб, концы которых развальцованы в трубной доске или развальцованы и приварены к ней; число ходов воды в трубной системе большей частью равно 4, реже 2 или 6 (пучок параллельно включенных U- или П-образных труб соответствует двум ходам воды).

ПНД камерного типа вертикального исполнения с трубной системой из гладких прямых труб, концы которых развальцованы в трубных досках (в ПНД для турбоустановок АЭС концы труб дополнительно могут привариваться к трубным доскам). Схема ПНД камерного типа горизонтального исполнения с пучком из U- образных труб представлена на рис.32.

Рисунок 32. Принципиальная схема горизонтального ПНД:

1- корпус; 2- поверхность нагрева зоны ОП; 3- трубная доска; 4- водяная камера; 5- поверхность нагрева зоны ОК; 6- поверхность нагрева зоны КП; А- вход пара; Б, В- подвод и отвод основного конденсата; Г- отвод конденсата греющего пара

 

Подогреватели низкого давления

1. Расположение отверстий в трубной доске в вершинах равностороннего треугольника с шагом 21 или 22 мм является типовым, при этом диаметр отверстий под унифицированный диаметр труб для поверхностей нагрева  (  мм составляет 16,2^{+0,24 мм. На рис.33 приведена такая схема расположения труб с шагом} .

Рисунок 33. Типовая схема расположения труб в пучках (отверстий в трубных досках) ПНД

2. Для предотвращения развития щелевой коррозии в местах соединения труб с трубной доской вальцовку труб рекомендуется производить на всю толщину трубной доски (рис.34), либо выполнять рассверловку отверстий в трубной доске на длину невальцуемой части труб.

Рисунок 34. Вальцовка труб на всю толщину вварной трубной доски:

1- обечайка водяной камеры; 2- трубная доска; 3- обечайка корпуса; 4- труба

3. При расчете и проектировании подогревателя следует предусматривать 10%- ный запас поверхности нагрева на случай выхода из строя части труб и для дальнейшего исключения их из работы путем глушения, при этом материал труб и величина гидравлического сопротивления должны допускать соответствующее повышение скорости питательной воды.

4. С целью снижения парового сопротивления в зоне КП ПНД, работающие как под вакуумом, так и при избыточном давлении пара в корпусе, рекомендуется выполнять по схеме с прямоточным движением пара, при которой воздухоотсасывающее устройство размещается вблизи холодных поверхностей нагрева по всей высоте трубного пучка. Эта схема обеспечивает поперечное омывание труб пучка паром и позволяет устанавливать промежуточные перегородки по всему сечению пучка на достаточно близком и одинаковом расстоянии друг от друга.

5. Во всех типах трубных пучков необходимо организовать отвод конденсата греющего пара из каждого входящего в зону конденсации отсека пучка. Для отвода конденсата пара с промежуточных перегородок рекомендуется использовать трубы каркаса трубной системы.

6. При проектировании зоны ОП следует принимать меры для максимального снижения протечек перегретого пара в зону КП. Для этого трубный пучок зоны ОП необходимо заключить в кожух и, по возможности, следует предусматривать уплотнение перегородок, отделяющих паровпускной патрубок от зоны конденсации. Один из вариантов выполнения подвода пара к зоне ОП, заключенной в кожух, представлен на рис.35.

Рисунок 35. Узел соединения паропровода и кожуха зоны ОП в ПНД:

1- кожух зоны ОП; 2- корпус ПНД; 3- шпилька; 4- крестовина соединительного патрубка; 5- крестовина кожуха; 6- паропровод

7. Зону ОК рекомендуется проектировать на пропуск всего расхода питательной воды. Это позволяет повысить величину температурного напора в зоне ОК и снизить потребную поверхность теплообмена. Встроенные в подогреватели зоны ОК следует выполнять в начале первого хода питательной воды по всему его сечению. Возможная конструктивная схема ПНД с встроенными зонами ОК, размещенными по всему сечению трубного пучка первого хода, приведена на рис.36.

Рисунок 36. Схема ПНД с встроенным ОП (водяная камера внизу):

1- корпус; 2- охладитель пара; 3- трубная доска; 4- охладитель конденсата; 5- поверхность нагрева зоны конденсации; А- вход пара; Б, В- подвод и отвод основного конденсата; Г- отвод конденсата греющего пара

8. При проектировании встроенной в подогреватель зоны ОК вертикального типа необходимо расчетом проверить возможность вскипания конденсата в ее межтрубном пространстве, которое возникает при определенном снижении давления за счет падения гидростатического давления и сопротивления пучка. Указанное вскипание конденсата в пределах аппарата не должно допускаться.