Ludwik CWYNAR
Instytut M aszyn i U rządzeń Energetycznych, Politechnika Śląska, Gliwice
WPŁYW SCHEMATU PRZEPŁYWOWEGO
PRZEGRZEWACZA PARY NA ROZKŁAD TEM PERATUR W KOMORACH WYLOTOWYCH STO PNI
S tr e sz c z e n ie . W referacie przedstaw iono nierów nom ierności tem pe
ra tu ry m ate ria łu w ystępujące w rozm aitych m iejscach kom ór wyloto
wych stopni przegrzewaczy, uw arunkow ane rozrzutem te m p e ra tu r p a ry n a wylocie z poszczególnych wężownic i schem atem przepływowym przegrzew acza. P rzedstaw iona an aliza pozw ala w yjaśnić przypadki zróżnicowanego zużycia się pozornie podobnych elem entów , je d n a k p ra cujących w innym układzie przepływowym.
THE INFLU ENCE OF TH E FLOW SYSTEM OF TH E SU PERH EATER ON THE TEM PERATURE DISTRIBUTION IN END HEADERS
Sum m ary. The pap er p resen ts th e irre g u la ritie s of th e tem p eratu re of h ead ers caused by th e differences of steam te m p e ra tu re on th e o utlet of th e coils. The analysis explains w hy seem ingly th e sam e elem ents have different service life.
EINFLUß DER DURCHFLUßSCHEM E DES ÜBERHITZERS AUF DIE TEM PERATURVERTEILUNG IN DEN HEIßDAM PFSAM M LERN
Z u sa m m en fa ssu n g . Die U n g leich m äß ig k eiten der M a te ria lte m p e ra tu r von H eißdam pfsam m ler, die durch eine ungleichm äßige D am pftem p eraturen in R ohrschlangen hervorgerufen sind, w urden beschrieben. Die durchgeführte A nalyse e rle u te t w arum scheinbar ähnliche E lem ente verschiedene L ebensdauer aufw eisen, w as durch eine andere D urchflußschem e v e ru rsa c h t ist.
118 Ludwik Cwynar
1. WPROWADZENIE
Podstawowym p aram etrem decydującym o czasie bezpiecznej eksploatacji kom ór przegrzewaczy pary pracujących w w aru n k ach pełzania je s t rzeczywi
sta tem p e ra tu ra pracy. T em p eratu ra ta pow inna być niższa od obliczeniowej, wyznaczonej n a podstaw ie obliczeń cieplnych kotła, z uw zględnieniem nadwy
żek wynikających z tolerancji obliczeń czy możliwego zw iększenia jej rzeczy
wistej wartości przy zm ianie w arunków pracy kotła. Nadw yżki te wynikają również z możliwości korekty te m p e ra tu ry n a dolocie do stopnia, przez schła
dzanie p ary (w przypadku przew ym iarow ania I stopnia przegrzewacza - przed pierwszym schładzaczem p ary — nie m a możliwości korygow ania tempe
ra tu ry p ary za stopniem i wówczas rzeczyw ista te m p e ra tu ra pracy komór wylotowych może znacznie przewyższać tem p e ra tu rę obliczeniową; naddatek obliczeniowy m usi być tu znaczny).
Tak określona te m p e ra tu ra determ inuje dobór m ateriału , ja k również war
tości dopuszczalnych n aprężeń roboczych.
W referacie przedstaw iono nierównom ierności te m p e ra tu ry m ateriału wy
stępujące w rozm aitych m iejscach kom ór wylotowych stopni przegrzewaczy uw arunkow ane rozrzutem te m p e ra tu r p ary n a wylocie z poszczególnych wę- żownic i schem atem przepływowym przegrzew acza.
2. SFORMUŁOWANIE PROBLEMU
Czas bezpiecznej eksploatacji komory, a więc i szybkość jej zużycia jest funkcją przebiegu rzeczywistej te m p e ra tu ry pracy. B adając sta n zaawanso
w ania zużycia eksploatacyjnego m ateriału należy kontrolować m iejsca (odcin
ki), gdzie tem p e ra tu ra komory je s t najwyższa. N a podstaw ie licznych badań oraz analizy przepływu i m ieszania strum ieni p ary wypływających z poszcze
gólnych wężownic m ożna stwierdzić, że w ystępuje istotne zróżnicowanie tem
p e ra tu ry ścian komory zarówno wzdłuż długości, ja k i n a obwodzie, które wywołuje dodatkowe naprężenia nie uw zględniane podczas obliczeń wytrzy
małościowych. Jednym z czynników, k tóre trzeb a uw zględnić przy określaniu rzeczywistej tem p e ra tu ry pracy komory wylotowej stopnia przegrzewacza, je s t rozrzut tem p e ra tu ry p a ry w ynikający z rozkładów obciążenia cieplnego n a szerokości stopnia i rozw iązania konstrukcyjnego stopnia (w tym schematu przepływowego). Zgodnie z [1] rozrzu t te n 8Atix określa zależność:
gdzie:
Atisr - średni przyrost tem p e ra tu ry p ary w stopniu, nqix = — - nierównom ierność obciążeń cieplnych wężownic,
Oisr
H-
n Hix = 7 7 ^ - nierównom ierność powierzchni ogrzewalnych,
Hisr
nmix = ~ nierównom ierność stru m ien i p ary w wężownicach.
h^isr
O czasie bezpiecznej eksploatacji kom ory decyduje odcinek, k tóry pracuje w najwyższej tem p eratu rze. D odatnia nadw yżka te m p e ra tu ry p a ry n a wylocie z wężownic stopnia bardzo często p rzekracza o 20°C w artość śre d n ią tem p era
tury pary za stopniem .
3. W Y N IK I A N A L IZ Y
Na rys. 1 pokazano dwa identyczne stopnie przegrzew acza różniące się sposobem odbioru pary. Przyjm ijmy, że śred n ia w artość te m p e ra tu ry pary w obydwu przypadkach je s t jednakow a, a rozkład obciążenia cieplnego n a szero
kości kotła (nqix) kom pensuje zróżnicowanie masowego przepływ u p ary (nmix);
w związku z powyższymi założeniam i rozrzut te m p e ra tu ry p a ry n a szerokości stopni (8Atix) je s t ta k i sam . Powyższe naszkicowano n a rys. 2.
a ) b )
TTTTT1
] [T łT łT T m T T T T łT T T f
o ś k o tła . o ś k o t ł a
Rys. 1. S chem aty przepływowe analizow anych stopni przegrzew aczy Fig. 1. Flow system s of analyzed s u p e rh e a te r sections
120 Ludwik Cwynar
Rys. 2. Rozkłady te m p e ra tu r p ary (tx) i te m p eratu ry m a teria łu komory (0 k ) dla rozwiąza
n ia ja k n a rys. 1
Fig. 2. S team tem p eratu rę distribution (tx) an d th e te m p eratu rę of h ea d er m ateriał (0k) for th e system from fig. 1
W przypadku rozw iązania odbioru pary ze stopnia po stronie niższych w artości tem p e ra tu r n a wylocie z wężownic (rys. 2a) m aksym alna tem p eratu ra pracy (występuje w części przy osi kotła) wynosi:
maxi = tsr,i dAt^
Prędkość pary wzdłuż komory je s t w tej części (środkowej) nieznaczna i stru m ien ie p ary o wyższej tem p eratu rze wypływającej z wężownic dobrze om ywają ścianę n a całym obwodzie komory.
W tej c z ę ś c i n a le ż y b a d a ć sto p n ie ń z u ż y c ia m a teria łu .
W części skrajnej komory (przy wylocie p ary z komory) notujem y zróżnico
w anie te m p e ra tu ry n a obwodzie. Przy króćcach wlotowych p ary z wężownic te m p e ra tu ra je s t niższa. U kształtow ane pole te m p e ra tu r zależy nie tylko od
zróżnicowania średnich w artości tem p e ra tu ry p a ry w danym przekroju i n a wylocie z wężownic, ale również od współczynników w nik an ia ciepła (odnoś
nych prędkości pary i jej ciśnienia) oraz bardzo silnie od króćców, powstaje bowiem strefa „zastoju” determ inow ana stosunkiem : energii kinetycznej pary wypływającej z wężownic do energii wzdłuż osi komory. Z agadnienie je s t bardzo tru d n e do m odelowania m atem atycznego. Przybliżone w nioski m ożna sformułować n a podstaw ie wyników b a d ań n a m odelach fizycznych przepro
wadzonych w Instytucie E nergetyki [4].
W przypadku drugim (rys. Ib, 2b) - odbiór p a ry po stronie wyższych wartości te m p e ra tu ry p ary z wężownic - m ak sy m aln a w artość tem p eratu ry ścianki kom ory nie przekracza średniej w artości te m p e ra tu ry p a ry za sto
pniem:
_ -j-
w k maxi Lsr,i
Energia stru m ien ia p a ry wzdłuż osi kom ory je s t duża i „słabsze” strum ienie pary o wyższej tem p eratu rze wypływające z wężownic nie om ywają ścian komory. Od str o n y n iż sz e j te m p e r a tu r y p a r y z w ę ż o w n ic tem p e r a tu ra ścianki k o m o ry j e s t n iż sz a i w tej str e fie n ie n a le ż y p r o w a d z ić b ad a ń d ia g n o sty czn y ch s ta n u te c h n ic z n e g o m a te r ia łu .
Należy jeszcze zwrócić uwagę, że przy króćcach dolotowych p a ry (z wężow
nic), gdzie w ystępuje dodatnia odchyłka ro zrzu tu te m p e ra tu ry (+8At), lokalnie tem peratura ścianki je s t wyższa od w artości średniej te m p e ra tu ry pary. Podo
bnie ja k w poprzednim przypadku w ystępują określone pola te m p e ra tu r i naprężeń term icznych; są one tru d n e do w yznaczenia, je d n a k przy analizie termicznych i wytrzymałościowych w arunków pracy kom ór wylotowych o dużym rozrzucie te m p e ra tu r p ary w stopniu (8At) trz e b a ta k ą analizę przepro
wadzić. (Najlepiej ta k zmodernizować stopnień przegrzew acza, żeby wyelim i
nować duże rozrzuty te m p e ra tu ry p ary n a wylocie z wężownic).
4. PODSUMOWANIE
1. J a k w ykazano w referacie, schem at przepływowy stopnia przegrzew acza pary wpływa nie tylko n a rozrzut te m p e ra tu r p ary n a wylocie z poszczegól
nych wężownic, a więc i n a tem p e ra tu rę pracy wężownic w przestrzeni ogrzewanej, ale również n a w artości i rozkłady te m p e ra tu r pracy komór wylotowych.
2. Droższe rozw iązanie wg schem atu lb je s t pod każdym względem korzyst
niejsze.
3. Przy ocenie w arunków pracy i zużyw ania się kom ór wylotowych stopni m usi być przeprow adzona przynajm niej an aliza rozkładów tem p e ra tu r, w
122 Ludwik Cwynar
celu wyboru miejsc n a przeprow adzenie b ad ań diagnostycznych (miejsca najwyższych tem peratur).
4. Pokazana analiza w yjaśnia występujące w praktyce eksploatacyjnej przy
padki zróżnicowanego zużyw ania się pozornie podobnych elem entów pra
cujących jed n a k w innym układzie przepływowym.
LITERATURA
[1] Cwynar L.: Analityczne wyznaczenie rozkładu tem p e ra tu ry pary w wę- żownicach stopnia przegrzewacza. E nergetyka, 1969, n r 5, (Biul. Inst.
Energ.)
[2] Cw ynar L., Florkiewicz R.: Ocena konstrukcji i efekty modernizacji przegrzewaczy pary kotłów O P -650-050. Dozór Techniczny 5/1975.
[3] Cw ynar L., Św irski J.: B adania term icznych w arunków pracy schładza- czy pary kotła Bensona w El. Blachownia. Opracowanie IE n n r ewid.
4061, W arszaw a, 9/1964.
[4] Cw ynar L., K rak A.: Modelowanie rozkładu ciśnień i przepływów w stopniach przegrzewaczy. E nergetyka, 1973, n r 11, (Biul. Inst. Energ.).
Recenzent: Prof. dr hab. inż. J a n TALER
Wpłynęło do Redakcji 3. 09. 1994 r.
A b stract
The pap er presen ts th e irreg u larities of th e tem p e ra tu re of head ers caused by th e differences of steam tem p eratu re on th e o utlet of th e coils. It h as been shown, th a t th e flow system of th e su p e rh e a te r affects not only the tem p eratu re of th e coils b u t th e h eaders tem p e ra tu re too. Two flow system s have been compared - figs. l a and lb. From th is com parison resu lts th a t the more expensive system lb is b e tte r from th e technical point of view. Before th e evaluation of th e service life of head ers m u st be carried out th e analysis of tem p eratu re distribuction to find th e places w ith hig h est tem p eratu res, w here have to be carried out th e diagnostic investigations. The analysis m akes it possible to m odernize th e su p e rh e a te r for elim ination of dangerous tem p e ra tu re peaks in tubes and explains w hy seem ingly th e sam e (but w ith o ther flow system ) elem ents have different service life.
