Теплоэнергетика, 2022, № 8, стр. 56-63

РАСЧЕТ РАСХОДА ПАРА И ДИНАМИЧЕСКОГО НАПОРА СТРУЙ АППАРАТОВ ПАРОВОЙ ОБДУВКИ

С приемлемой для проектных оценок точностью расчетный расход пара через аппарат G, кг/с, который позволяет обеспечить сверхзвуковое течение струи на выходе из него, можно найти по формуле

где φ − коэффициент расхода пара через сопла; n_c – число сопл; ${{p}_{{\text{п}}}}$ – давление пара, подаваемого в обдувочный аппарат, МПа; ${{K}_{t}} = 7.67t_{{\text{п}}}^{{ - 0.34}}$– поправочный коэффициент на температуру пара t_п, °С.

Кривые расхода пара через двухсопловой аппарат паровой обдувки (при t_п = 350–400°С) показаны на рис. 3. Наиболее сильно расход пара зависит от диаметра сопл (квадратичная зависимость) и давления пара (зависимость близка к линейной), температура же пара оказывает существенно меньшее влияние.

Как уже отмечалось, при использовании аппаратов паровой обдувки очистка от золовых отложений осуществляется преимущественно динамическим (механическим) воздействием на них струй. Отложения золы на трубах, расположенных близко к аппарату (к начальному участку струи), могут подвергаться также термическому воздействию струи, имеющей невысокую температуру после расширения в сопле (примерно 100–200°С в зависимости от параметров пара и степени его расширения). При обдувке нежестко закрепленных поверхностей нагрева, в особенности ширмовых, может возникать заметная вибрация труб.

Термическое воздействие и вибрация на удаление загрязнения влияют несущественно, поэтому эффективность практического применения аппаратов может определяться одной обобщенной характеристикой динамического (механического) воздействия паровой струи – ее динамическим напором, зависящим от параметров рабочего агента (пара), типоразмера сопл и схемы расположения аппарата.

Для расчета динамического напора свободно распространяющихся струй аппаратов паровой обдувки могут использоваться результаты исследований [2], которые позже были подтверждены экспериментальными данными [3].

В пределах изменения рассматриваемых параметров глубоковыдвижных аппаратов (давления пара перед соплами ${{p}_{{\text{п}}}}$ = 1–3 МПа и D₂/d = 1.1–1.4) динамический напор струи в выходном сечении сопл Н₂ (на срезе сопла) может изменяться в широком диапазоне – от 300 до 1230 кПа (рис. 4), скорость пара и длина начального участка струи (где сохраняются параметры пара на срезе сопла) разнятся в значительно меньшей степени – от 820 до 950 м/с и от 260 до 330 мм соответственно.

Динамический напор в выходном сечении сопла зависит только от давления пара перед соплами и отношения D₂/d. В этом сечении динамический напор примерно прямо пропорционален давлению пара и обратно пропорционален D₂/d.

По мере удаления от аппарата динамический напор струи резко снижается и по оси свободно распространяющейся паровой струи изменяется обратно пропорционально (L/D₂)^2.4 [2], где L – расстояние от выходного сечения сопла до расчетной точки струи (радиус действия струи), м. Приемлемая эффективность паровой обдувки достигается в том случае, когда по всей области действия струи обеспечиваются динамические напоры не ниже значений Н_эф, необходимых для эффективного удаления золовых отложений [3]. Основываясь на этом факте и используя результаты исследований распространения обдувочных струй, можно оценить эффективную дальнобойность аппаратов и выбрать их оптимальную компоновку.

Минимально эффективные значения динамического напора струи Н_эф в основном зависят от вида отложений, марки сжигаемого угля и температуры дымовых газов в пучке (t_г). В таблице приведены минимально эффективные значения Н_эф (для удаления связанных отложений) по данным [3] и промышленных исследований паровой обдувки. При образовании на трубах сыпучих золовых отложений Н_эф = 2–3 кПа. На конкретных объектах значения Н_эф могут уточняться в процессе наладки и эксплуатации аппаратов паровой обдувки.

Для свободно распространяющихся струй эффективный радиус действия $R_{{эф}}^{0}$ [максимальное расстояние по окружности от глубоковыдвижного аппарата (выходного сечения сопла), где сохраняется приемлемая эффективность паровой обдувки] может быть определен по формуле, предназначенной для расчета изменения динамического напора по длине струи. Значение $R_{{эф}}^{0}$ определяется при динамическом напоре струи равном Н_эф.

Зависимость $R_{{эф}}^{0}$ от давления пара и Н_эф приведена на рис. 5. Изменение $R_{{эф}}^{0}$ почти прямо пропорционально изменению давления пара и обратно пропорционально Н_эф. При увеличении диаметра сопла эффективный радиус действия струи $R_{{эф}}^{0}$ также растет, но в меньшей степени (примерно в степени 0.4).

При распространении струи в пучках труб наблюдается дополнительное затормаживание потока, вследствие чего может происходить большее падение динамического напора, чем при свободно распространяющейся струе. На рис. 6 представлена зависимость динамического напора свободной струи от расстояния от аппарата паровой обдувки до пучка, состоящего из 34 продольных рядов труб с поперечным зазором между ними Е = 65 мм (см. рис. 1). На этом рисунке видно, что, например, при значении динамического напора струи Н_эф = 3 кПа (штриховая линия) эффективная дальнобойность струи сокращается примерно в 1.5 раза (с 2.65 до 1.75 м).

Степень (коэффициент) ослабления динамического напора (по отношению к динамическому напору свободной струи) K_эф при любой конфигурации пучка зависит только от ширины поперечного зазора между трубами Е, количества очищаемых рядов труб по глубине пучка, состоящего из n_тр, и в меньшей степени от относительного продольного шага в трубном пучке s₂/d_тр, где s₂ – продольный шаг в трубном пучке, мм; d_тр – наружный диаметр труб пучка, мм (см. рис. 1). Под n_тр понимается число труб, вдоль которых прошла паровая струя, пока ее динамический напор не достиг значения равного Н_эф. В общем случае n_тр < n₂, если эффективная дальнобойность заторможенной струи меньше глубины пучка (на рис. 6 n_тр = 26, n₂ = 34), и n_тр = n₂, если она равна глубине пучка или больше нее.

Значения коэффициента ослабления динамического напора K_эф, полученные при стендовых и промышленных исследованиях [3], представлены на рис. 7 (при s₂/d_тр ≥ 1.3). Коэффициент K_эф вычисляют при перпендикулярном к трубам пучка положении сопла аппарата (при угле поворота обдувочной струи, равном нулю) как отношение динамических напоров заторможенной и свободной струй. От K_эф зависит радиус эффективной дальнобойности заторможенной струи R_эф в данной точке.

Для пучков с относительным продольным шагом s₂/d_тр ≥ 1.3 затормаживание потока начинает проявляться при ширине поперечного зазора Е < < 200 мм, а также при количестве рядов труб в пучке n_тр > 3. В пучках с меньшими значениями s₂/d_тр (близкими к единице) влияние затормаживания начинает сказываться при меньшей ширине поперечного зазора (менее 140 мм). В более тесных пучках (с поперечным зазором Е < 50 мм) падение динамического напора струи наиболее значительно.

РАЗРАБОТКА СХЕМ ПАРОВОЙ ОБДУВКИ

Для свободной струи, в частности при очистке довольно широких ширм, область эффективной очистки представляет собой окружность радиусом $R_{{эф}}^{0}.$ В то же время при очистке более тесных трубных пучков область эффективной очистки отличается от окружности радиусом, равным радиусу эффективной дальнобойности заторможенной струи R_эф. При угле поворота сопловой головки φ_i > 0° эффективная дальнобойность струи и, следовательно, ширина области эффективной очистки становятся больше R_эф и увеличиваются до максимального значения S, м, по первому ряду очищаемых труб пучка в точке М (рис. 8). Значение максимальной ширины области эффективной обдувки определяется как $S = R_{{эф}}^{0}\cos \left[ {\arcsin \left( {{{{{l}_{{\min }}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{l}_{{\min }}}} {R_{{эф}}^{0}}}} \right. \kern-0em} {R_{{эф}}^{0}}}} \right)} \right].$

Если для расчета струи в тесном трубном пучке применить схему, предназначенную для определения свободной струи, но с радиусом R_эф, то либо площадь зоны обдувки будет меньше реальной, либо потребуется большее число аппаратов. Это следует учитывать при формировании расчетной схемы паровой обдувки. Поэтому по области очистки с окружностью радиусом R_эф можно осуществлять только предварительную разработку схемы обдувки в тесном трубном пучке, которая должна уточняться при построении окончательной расчетной схемы.

При разработке схемы паровой обдувки трубных пучков необходимо учитывать, что при обдувке основное прямое динамическое воздействие струя оказывает на золовые отложения, образующиеся в проходах между трубами, а эффективность очистки заключается в удалении отложений из зазоров для обеспечения прохода газов. При этом для полноты очистки в цикле обдувки струи должны попасть (и лучше не один раз) в каждый поперечный проход между трубами. Это условие выполняется, если шаг перемещения сопла за один оборот обдувочной трубы не превышает поперечного шага труб s₁ (предпочтительней – ширины поперечного зазора Е), а в глубоковыдвижных аппаратах производится смещение траектории струи на полшага в точке реверса обдувочной трубы.

Для разработки систем паровой обдувки в ОАО ВТИ создана специализированная компьютерная программа, с помощью которой можно рассчитать все газодинамические параметры, выполнить анализ влияния различных факторов на эффективность очистки труб от отложений, в интерактивном режиме определять наиболее подходящее расположение, количество и типы аппаратов, конфигурацию и размеры эффективных зон обдувки отдельных аппаратов и общей очищаемой зоны и выбирать оптимальные характеристики аппаратов (типоразмер сопл, частоту вращения, длительность цикла обдувки) и параметры пара (расход, температуру, давление). При разработке программы обобщены результаты исследований обдувки, проведенные в ОАО “ВТИ” и других организациях, а также многолетний опыт эксплуатации аппаратов паровой обдувки на отечественных и зарубежных котлах.

ВЛИЯНИЕ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ НА ПАРАМЕТРЫ ОБДУВОЧНЫХ АППАРАТОВ

По мере удаления от сопла (за пределами начального участка) скорость струи резко падает, несмотря на это, все же может наблюдаться повышенный эрозионный износ труб поверхностей нагрева котлов, в особенности при сжигании многозольных топлив и с абразивной золой. Представительных экспериментальных данных по износу труб при паровой обдувке при сжигании отечественных топлив нет, поэтому при предварительном выборе параметров аппаратов следует ориентироваться на общие рекомендации и уточнять их в процессе эксплуатации конкретного объекта.

При сжигании твердых топлив в большинстве случаев рабочее давление пара принимается не выше 1.6 МПа, для малозольных топлив с невысокой абразивностью золы оно может быть повышено до 3.0 МПа. Для ориентировочных оценок диаметры сопл рекомендуется выбирать в зависимости от значения комплекса

где а – коэффициент абразивности золы, м²/Н; $\mu _{{{\text{зл}}}}^{0}$ – концентрация золы в дымовых газах, г/м³ (значения а и $\mu _{{{\text{зл}}}}^{0}$ определяются в соответствии с [4]).

Далее приведены рекомендуемые диаметры сопл d, мм, при различных значениях комплекса A:

УСЛОВИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПАРОВОЙ ОБДУВКИ

Для эффективного применения паровой о-бдувки необходимо выполнение следующих условий:

температура дымовых газов на входе в обдуваемый трубный пучок не должна превышать температуру начала шлакования летучей золы;

проведение очистки поверхностей нагрева, в особенности для пароперегревателей, состоящих из сравнительно свободных пучков труб;

использование аппаратов с малыми шагами перемещения сопловой головки (для глубоковыдвижных аппаратов);

оптимальные компоновка и число аппаратов (оценка эффективного радиуса действия с максимально полным охватом всей поверхности нагрева очищаемого трубного пучка, последовательная обдувка поверхностей по ходу газов, установка аппаратов перед и за поверхностью для наиболее интенсивно загрязняемых трубных пучков, а также на расстоянии от обдуваемой поверхности, превышающем длину начального участка паровой струи);

выбор оптимальных параметров: типоразмера сопл и давления пара (оценка эффективной дальнобойности струи, расход пара, условия эрозионного износа);

выбор температуры пара (отсутствие влаги в паровой струе в выходном срезе сопла), тщательное и полное дренирование и прогрев трубопроводов подвода пара к аппаратам перед обдувкой и во время ее проведения;

выдерживание выбранного рабочего давления пара для всех нагрузок котла, при которых производится обдувка;

регулярное проведение обдувки с заданной по режимной карте периодичностью.

ВЫВОДЫ

1. Эффективность практического применения аппаратов паровой обдувки определяется одной обобщенной характеристикой динамического воздействия паровой струи – ее динамическим напором, зависящим от параметров пара, типоразмера сопл и схемы расположения аппарата.

2. Приемлемая эффективность паровой обдувки достигается, если в зоне действия аппаратов температура дымовых газов не превышает температуру начала шлакования летучей золы и по всей области действия струи обеспечиваются динамические напоры не ниже значений, которые необходимы для полного удаления золовых отложений.

3. При распространении струи в пучках труб наблюдается дополнительное затормаживание потока, вследствие чего может происходить большее падение динамического напора, чем при свободно распространяющейся струе. Степень (коэффициент) ослабления динамического напора (по отношению к динамическому напору свободной струи) в любой конфигурации пучка зависит прежде всего от ширины поперечного зазора между трубами, количества очищаемых рядов труб по глубине пучка и в меньшей степени от относительного продольного шага труб.

4. Основываясь на оценках газодинамических параметров и эффективной дальнобойности струй аппаратов паровой обдувки, можно устанавливать рабочие параметры пара и формировать оптимальную их компоновку для очистки поверхностей нагрева.