Analiza układów zawór-dysza wtryskowa w schładzaczach międzystopniowych kotła OP-650

Konrad ADAMOWICZ

Instytut Techniki Cieplnej, Łódź

ANALIZA UKŁADÓW ZAWÓR - DYSZA WTRYSKOWA W SCHŁADZACZACH MIĘDZYSTOPNIOWYCH

KOIŁA O P -650

S tr esz c z en ie . Omówiono zagadnienia doboru zespołów zawór - dy­

sza w tryskow a do m iędzystopniowych schładzaczy p a ry przegrzanej w kotłach energetycznych. Przedstaw iono pom iary bilansow e kotła OP—

650 i podano w ybrane ich wyniki. Opisano m etodykę doboru zaworów i dysz oraz sposób w yznaczania w artości współczynników przepływu tych elem entów dla wymienionego kotła.

ANALYSIS OF VALVE - IN JEC TIO N NOZZLE UN ITS FO R INTERSTAGE ATTEMPERATORS IN BOILERS O P-650

Summary. The p ap er refers to problem s of selecting valve-injection nozzle u n its for in te rsta g e atte m p e rato rs of su p e rh e a te d steam in power boilers. Balance m easu rem en ts of th e O P -650 boiler have been discussed and th e ir selected re su lts have been given. M ethod of selecting valves and nozzles h as been p resen ted an d th e values of blow coefficient determ ined for th ese com ponents in th e O P -650 boiler have been given.

AHAJIH3 CHCTEMOB K JIA IIA H -B n P b lC K H B A IO IIIE E COIIJIO RJIÍI MEJKCTYriEHRATblX nAPOOXJIARHTEJIEfî KOTJIA OP-650

Pe3K)Me. OócjiyacąeHH npoóJieMu n o ą ó o p a rp y n n KjianaH— B n p u p K H B a i o m e e c o n a o ąjia M O K C T y n e H H a T L i x iiapooxjia^HTejieH b 3 H e p r e rr n a e c K n x KOTjiax.

npeflCTaBjieHH óajiaHCHtie H 3 M e p e H H a KOTjia OP—650 h HCKOTopsie n x pe3yjibTaTbi. O n a c a n a M e T O g H K a n o ą ó o p a KjianaHOB h coneji a T a o s e c n o c o ó onpeaejieHHH Koacjx hu gH e HT OB n p o T e x a H H a s t h x a n e M C H T O B ąjra B H m e H a 3 B a H H o r o KOTjia.

Regulowanie te m p e ra tu ry p ary świeżej i w tórnej w kotłach OP—650, pracu­

jących w energetyce zawodowej, odbywa się przez w tryskiw anie do pary rozpylonej wody. W międzystopniowych schładzaczach p ary świeżej do tego celu służą dysze z rozpyleniem parowym, tzw. dwuczynnikowe, a w schładza­

czach pary wtórnej ciśnieniowe dysze wirowe. N atężenie przepływu wody, podawanej do dysz, regulowane je s t zaworam i, stanow iącym i człony nadaw ­ cze w układzie autom atycznej regulacji tem p e ra tu ry pary. Prawidłow y dobór zaworu i dyszy zapew nia popraw ną pracę u k ład u regulacji i um ożliwia uzy­

skanie wym aganej w artości tem peratury.

N a zlecenie jednej z krajowych elektrow ni In sty tu t Techniki Cieplnej w Łodzi przeprow adził pom iary spraw dzające i w ykonał analizę doboru zespo­

łów w tryskowych w międzystopniowych schładzaczach p a ry kotła OP-650.

2. DANE TECHNICZNE ZESPOŁÓW WTRYSKOWYCH BĘDĄCYCH PRZEDMIOTEM ANALIZY

Dane techniczne dysz, zainstalow anych w m iędzystopniowych schładza­

czach pary i współpracujących z nim i zaworów, zestawiono w tablicach 1 i 2.

T ab lica 1 D a n e te c h n ic z n e za w o r ó w i d y sz w sc h ła d z a c z a c h p a ry św ieżej

Schładzacz I stopnia Schładzacz II stopnia Zawór w tryskowy

Typ 20000

DN, mm 50

PN, M Pa 25

Kvz> m 3/h 21,5 10,3

H, mm 25,4

C h arak tery sty k a stałoprocentow a Dysza

Typ Z rozpyleniem parowym

Kv j). m /h 16,8 7,9

W spółczynnik przepływ u zespołu zaw ór-dysza

Kyzo, m 3/h 13,24 6,27

T a b lic a 2 Dane te c h n ic z n e za w o r ó w i d y sz w sc h ła d z a c z a c h p a ry w tó r n ie p rze g rz a n e j

Schładzacz I stopnia Schładzacz II stopnia Zawór w tryskow y

Typ 20000

DN, mm 50

PN, M Pa 16

K v z i m 3/h 10,3 4,5

H, mm 25,4

C h a ra k te ry sty k a stałoprocentow a Dysza

Typ Ciśnieniowa w irowa

K y n , m 'V h 1,6 2,5

W spółczynnik przepływ u zespołu zaw ór-dysza

Kv z d> m 3/ h 1,58 2,18

3. POMIARY SPRAWDZAJĄCE

Pomierzono p a ra m etry p ary i wody przy obciążeniach bloku wynoszących 140,150, 160,180 i 195 MW, przy stabilizacji term icznej kotła. W ykorzystano do tego celu istniejący w elektrow ni system kom puterow y, rejestru jąc w arto­

ści wielkości m ierzonych w 10 m inutow ych okresach pomiarowych.

Dokonano rejestracji następujących wielkości:

moc bloku tem peratury ciśnienia przepływu

stopień otw arcia zaworów

1 p k t pomiarowy, 24 pkt. pomiarowe,

9 pkt. pomiarowych, 10 pkt. pomiarowych, 8 pkt. pomiarowych.

Schem aty rozpływów p ary i wody z oznaczeniem punktów pomiarowych podano n a rys. 1 i 2.

W celu zweryfikowania wyników pom iarów d la średnich w artości wielkości mierzonych wykonano obliczenia bilansowe schładzaczy. Pozwoliło to dodat­

kowo wyznaczyć brakujące dane, np. stru m ienie m asy p a ry rozpylającej do dysz dwuczynnikowych. U zyskane w yniki zilustrow ano w ykresam i, z których część przedstaw iono n a rys. 3-7.

Rys. 1. Schem at rozpływów p ary i wody wtryskowej do p ary świeżej, z oznaczeniem p u n ­ któw pomiarowych

Fig. 1. Schem atic diagram of steam and w ate r injection into live steam an d designation of m easuring points

Rys. 2. Schem at rozpływów pary i wody wtryskowej do p ary w tórnie przegrzanej, z ozna­

czeniem punktów pomiarowych

Fig. 1. Schem atic d iagram of steam and w ate r injection into re -su p e rh e a te d steam and designation of m easuring points

pn-pi t r t ' i [MPa] [ C ]

10 -

30 -

20 -

100 120 110 160 180 200 Ń[ MNj

Rys. 3. P ara m e try p ary i wody w obrębie schładzacza I stopnia p ary świeżej. T em p eratu ra w tryskiw anej wody tw — 230°C

Fig. 3. P ara m e te rs of steam an d w ate r w ith in first stag e a tte m p e ra to r of live steam . T em p eratu re of injected w a te r t w = 230°C

4. ANALIZA PRAWIDŁOWOŚCI DOBORU ZESPOŁU ZAWÓR-DYSZA Przepustowość zaworów regulacyjnych ok reślana je s t w artością współczyn­

nika przepływ u KVz, odpowiadającego strum ieniow i objętości w m 3/h czynnika o gęstości ok. 1000 kg/m3, przepływającego przez otw arty zawór przy ciśnieniu przed i za zaworem różniącym się o ok. 1 M Pa (1 at). T ak sam o definiuje się współczynnik przepływ u Kvd ciśnieniowych dysz wirowych. W przypadku dysz dwuczynnikowych n a natężenie przepływ u wody m a również wpływ p a ra rozpylająca, działająca w k ieru n k u zm niejszenia stru m ie n ia objętości wody.

W rozw ażaniach ogólnych zjawisko to m ożna pominąć.

Sum aryczny współczynnik przepływu zawór - dysza określa zależność:

K■VZD - ^{K-VZ R V Dv7. K}

+ Kvd

(

)

Rys. 4. P aram e try p ary i wody w obrębie schładzacza II stopnia p ary świeżej. T em peratu­

ra w tryskiw anej wody t w = 230°C

Fig. 4. P aram e ters of steam and w ate r w ithin second stage attem p e ra to r of live steam . T em perature of injected w ate r t w = 230°C

Dla dyspozycyjnego spadku ciśnienia (różnica w artości ciśnienia w miejscu poboru wody i w miejscu w trysku) pomiędzy strum ieniem m asy wody mw i sum arycznym współczynnikiem przepływu KVzd zachodzą zależności:

mw - 0,1Kvzd VApd p (2)

10mw KvzD~ V A i ^

gdzie:

m w - t/h Kvzd - m 3/h Apd - M Pa P - kg/m:

Pi [tlPa]

11

12

10 L

Fig. 5. P aram e ters of live steam a t th e boiler outlet

Ze wzoru (3) wynika, że znając zapotrzebow anie wody m w dla danego schładzacza oraz dyspozycyjny spadek ciśnienia Apd wyznacza się w ym aganą wartość K V z d - Do dalszych obliczeń przyjm uje się w spółczynnik przepływu zawór - dysza powiększony o 20 + 30%, co zapew nia proces regulow ania tem p eratu ry p ary również przy przeciążeniu kotła.

Przyjm ując dyszę w tryskow ą o danej w artości Kyn, z zależności (4), uzyska­

nej z przekształcenia (1), wyznacza się w ym aganą w artość Kvz:

Kvz = K y z n K y o

KyZD (4)

-VD '

Dysze należy dobrać w ta k i sposób, aby w przew idyw anym zakresie pracy w artość różnicy ciśnienia przed dyszą i w m iejscu w try sk u nie zm niejszała się poniżej granicy dobrego rozpylenia. D la typoszeregu ciśnieniowych dysz wiro-

Pw-Pi

[Mfb]

Rys. 6. P a ram e try p ary i wody w obrębie schładzacza I stopnia p ary w tórnie przegrzanej.

T em peratura w tryskiw anej wody t w= 160°C

Fig. 6. P aram eters of steam and w ate r w ithin first stage attem p e ra to r of re-su p e rh e a te d steam . T em perature of injected w ate r t w = 160°C

wych wg norm y zakładowej CBKK w Tarnow skich Górach ZN-76/1314—1501, zaprojektowanych w Instytucie Techniki Cieplnej w Łodzi, granicę tę wyzna­

czono doświadczalnie n a poziomie 0,3 MPa.

W celu zapew nienia poprawnego działania autom atycznej regulacji tem pe­

ra tu ry p ary przegrzanej w kotle należy dążyć do tego, aby współczynnik wzm ocnienia K obwodu regulacji składającego się z wtryskowego schładzacza pary, zespołu zawór - dysza i wylotowego przegrzew acza pary zachowywał s ta łą wartość. W spółczynnik K je s t iloczynem współczynników wzmocnienia wymienionych zespołów:

k = k sk zdk p (5)

P3

DlPa]

Rys. 7. P a ram e try p ary w tórnie przegrzanej n a wylocie z kotła Fig. 7. P aram e ters of re -su p e rh e a te d ste am a t th e boiler outlet

gdzie:

Ks h - iw Cpimj + mw)

Kzd -

Kp = Amw

AH Ątą At,

(6)

(7)

(

)

W związku z tym, że w artość w spółczynnika Ks m a tendencję m alejącą ze wzrostem obciążenia kotła, stosuje się zawory regulacyjne o stałoprocentowej charakterystyce przepływu, zapew niające progresyw ny przyrost strum ien ia m asy wody w funkcji skoku grzyba.

N a podstaw ie przeprowadzonych obliczeń zaproponowano zm ianę ciśnie­

niowych dysz wirowych w schładzaczach p ary w tórnie przegrzanej, w stosun­

ku do podanych w tablicy 2:

Schładzacz I stopnia - dysza Kyo = 4,0 m 3/h zam iast Kyo = 1,6 m 3/h.

Schładzacz II stopnia - dysza Kyu = 1,6 m 3/h zam iast Kyo = 2,5 m 3/h.

O statecznie dla dysz z rozpyleniem parowym zainstalow anych w schładza­

czach pary świeżej i dysz ciśnieniowych po proponowanej zm ianie uzyskano następujące wyniki obliczeń:

P a ra św ie ż a

P a ra w tó rn a

I stopnia Kvd — 16,80 Kvzd = 13,43 Kyz = 22,35 II stopnia Kyo = 7,90 Kvzd = 3,67 Kyz = 4,14 I stopnia Kyo = 4,0

Kvzd = 3,55 Kyz = 7,70 II stopnia Kvd = 1,6

Kvzd = 1,36 Kvz = 2,58

Przyjm ując, że elektrow nia w ykorzysta zawory regulacyjne produkcji krajowej, wzięto pod uwagę zawory z serii 10000 i 20000 z charaktery stykam i stałoprocentowymi, produkow ane w Zakładach A utom atyki POLNA S.A. w Przem yślu. W edług m ateriałów katalogowych w zakresie wym aganych prze­

pustowości i średnic nom inalnych DN 32, 40 i 50 mm, do dyspozycji są następujące zawory regulacyjne:

- seria 20000 jednogniazdowe, nieodciążone KVz = 2,9; 4,5; 10,3; 15,4;

21,5 m 3/h,

- seria 10000 dwugniazdowe, odciążone, z przelotem pełnym KVz = 15,4;

24,0 m 3/h,

- seria 10000 dwugniazdowe, odciążone, z przelotem zredukow anym KVz = 6,0; 9,4; 16,3 m 3/h.

Dla każdego z wymienionych zaworów sprawdzono, ja k i opór m usi pokonać w spółpracujący z nim siłownik.

Do obliczeń przyjęto w arunki ekstrem alne:

- m aksym alną w artość różnicy ciśnienia przed i za zaworem stw ierdzoną podczas pomiarów,

- założenie, że w zaworze w ystępują równocześnie: siła ta rc ia w dławnicy (mom ent dojścia grzyba do gniazda), siła od różnicy w artości ciśnienia po obydwu stro nach grzyba i niezbędna siła docisku grzyba do gniazda. Siłę docisku przyjęto do obliczeń, pomimo że zawory regulacyjne nie m uszą zapewniać pełnej szczelności zam knięcia.

Wyliczone, w ym agane w artości sił zaw ierają się w przedziale 800 - 4300 N.

W arunek te n spełniają produkow ane w k ra ju elektryczne siłowniki liniowe.

Ostateczny wybór zaworów pozostawiono zleceniodawcy ze względu n a ekono­

miczny asp ek t przedsięw zięcia (ceny zaworów, siłowników i koszty zm iany przyłączy w istniejących rurociągach).

6. WNIOSKI

Obecnie trw a w drażanie omówionych rozw iązań doboru zespołów w trysko­

wych w schładzaczach. Do końca bieżącego roku przew iduje się wyposażenie schładzaczy p ary świeżej i w tórnie przegrzanej w nowe zawory regulacyjne oraz w ym ianę ciśnieniowych dysz wirowych.

Po próbnym okresie eksploatacji zo staną przeprow adzone pom iary spraw ­ dzające, pozwalające n a zweryfikowanie dokonanego doboru zespołów zawór - dysza wtryskow a.

LITERATURA

[1] Adamowicz K.: A naliza doboru układów zawór - dysza w tryskow a w schładzaczach m iędzystopniowych k o tła O P-650. Łódź 1993. Sprawoz­

danie In sty tu tu Techniki Cieplnej (nie opublikowane).

[2] M üller J., M üller R.: Stellein richtu n gen für Stoffström e. VEB Verlag, Berlin 1966.

[3] Rakowski J.: A utom atyka cieplnych u rząd zeń elektrow ni. WNT, W ar­

szaw a 1976.

[4] Stelm ach J.: Dobór zaworów i dysz w tryskow ych do autom atycznej regu ­ lacji tem p e ra tu ry p ary przeg rzan ej. B iuletyn In s ty tu tu E nergetyki. N r 11/12, 1967.

Recenzent: Prof. d r hab. inż. Ludw ik CWYNAR

Wpłynęło do Redakcji 6. 08. 1994 r.

Controlling th e tem p e ra tu re of live and re -su p e rh e a te d steam in power boilers is effected by th e injection of sprayed w a te r into steam . For this, nozzles for steam spraying are used in liv e-steam in te rsta g e attem perators and rotatio nal p ressure nozzles in re-su p e rh e a te d steam attem p erato rs. The flow ra te of injected w ater is controlled by valves. P roper operation of th e superh eated steam tem p e ra tu re control depends on appropiate selection of th e valve-nozzle unit.

The pap er refers to selecting of injection u n its for th e in terstag e attem p erato rs of th e O P-650 boiler.

Technical d a ta of th e installed valves and nozzles, schem atic diagram s of steam and w ater flow, and designations of m easu ring points have been given.

Balance investigations of th e boiler have been carried out and discussed an d th e ir selected resu lts given. M ethods of selecting valves and nozzles have been presented as well as equations from w hich flow coefficient values for valve (KVz), spraying nozzle (Kyn) and injection u n it ( K V z d ) a re calculated. On th e ground of m easurem ent results, required KVz, KVd values w ere calculated and th e u se r of th e boiler w as suggested to change th e previously installed fittings.