Схема сети показана на рис. 8
Рис. 8. Расчетная схема паропровода: I–IV – абоненты; 1–4 – узловые точки
Формулы, используемые для определения гидравлических потерь, как для жидкости, так и для пара являются одинаковыми.
Отличительная особенность паропровода – учет изменения плотности пара.
1. Определяем ориентировочное значение удельных потерь на трение на участках от источника тепла до наиболее удалённого потребителя IV, Па/м:
.
Здесь – суммарная длина участков 1 – 2 – 3 – IV; α –доля потерь давления в местных сопротивлениях, принимаемая равной 0,7 как для магистрали с П–образными компенсаторами со сварными отводами и предполагаемыми диаметрами (табл. 16).
Таблица 16
Коэффициент α для определения эквивалентных длин для паропроводов
| Типы компенсаторов | Условный проход трубы d у ,мм | Значение коэффициента α | |
| Для паропроводов | Для водяных тепловых сетей и конденсатопроводов | ||
| Транзитные магистрали | |||
| Сальниковые П- | ≤1000 | 0,2 | 0,2 |
| образные с отводами: | |||
| гнутыми | ≤300 | 0,5 | 0,3 |
| 200–350 | 0,7 | 0,5 | |
| сварными | 400–500 600–1000 | 0,9 1,2 | 0,7 |
| Разветвленные тепловые сети |
Окончание табл. 16
2. Определяем плотность пара:
3. По номограммам находим диаметр паропровода (прил. 6).
4. Действительные потери давления, Па/м:
(117)
5. Действительная скорость пара:
Сверяем с табл. 17.
Таблица 17
Максимальная скорость движения пара в паропроводах
7. Суммарная эквивалентная длина на участках:
(119)
где – сумма коэффициентов местных сопротивлений (см. табл. 8).
8. Приведенная длина участка:
9. Потери давления на трение и в местных сопротивлениях на участке:
(121)
10. Давление пара в конце участка:
(122)
Данные расчетов свести в табл. 18 по схеме.
Таблица 18
Гидравлический расчет паровой сети
| № участка | Расход пара D | Размеры труб, мм | Длина участка, м | Скорость пара ωТ, м/с | Удельные потери давления на трение Па/м | Предполагаемая средняя плотность ρ ср, кг/м 3 | Скорость движения пара м/с | Потери давления | Конец участка | Средняя плотность пара ρср, кг/м3 | Суммарные потери давления от ТЭЦ,МПа | ||||||||
| Т/ч | Кг/с | Условный проход d у | Наружный диаметр * толщина стенки; dn* S | по плану l | Эквивалентная местным сопротивлениям l Э | приведенная l пр =l+ l Э | давление р Н, МПа | плотность ρ Н, кг/м 3 | удельные Па/м | на участке Па | давление рК, МПа | плотность ρК, кг/м 3 | |||||||
| при ρ= 2,45 кг/ м 3 | при ρ ср | ||||||||||||||||||
Расчет паропровода
α – 0,3 ...0,6. (123)
По формуле находим диаметр трубы:
(124)
Задаемся скоростью пара в трубе. Из уравнения для расхода пара – σ=ωrF находим диаметр трубы по ГОСТу подбирается труба с ближайшим внутренним диаметром. Уточняются удельные линейные потери и виды местных сопротивлений, рассчитываются эквивалентные длины. Определяется давление на конце трубопровода. Рассчитываются потери тепла на расчетном участке по нормируемым потерям тепла :
(125)
где – потери тепла на единицу длины при заданной разности температур пара и окружающей среды с учетом потерь тепла на опорах, задвижках и т.п.
Если определено без учета потерь, тепла на опорах, задвижках и т. п., то
где t ср – средняя температура пара на участке, 0 С, t 0 – температура окружающей среды, зависящая от способа прокладки, 0 С. При наземной прокладке t 0 = = t Н0 , при подземной бесканальной прокладке t 0 = t гр (температура грунта на глубине укладки). При прокладке в проходных и полупроходных каналах t 0 = =40–50°С.
При прокладке в переходных каналах t 0 = 5°С. По найденным потерям тепла определяют изменение энтальпии пара на участке и значение энтальпии пара в конце участка:
По найденным значениям давления и энтальпии пара в начале и конце участка определяется новое значение средней плотности пара (форм. 128).
Если новое значение плотности отличается от ранее заданного более чем на 3 %, то проверочный расчет повторяется с уточнением одновременно и R Л :
(128)
Если нагревать воду в открытом сосуде при атмосферном давлении, то ее температура будет непрерывно повышаться до тех пор, пока вся масса воды не прогреется и не закипит. В процессе нагревания испарение воды происходит с ее открытой поверхности, при кипении пар из воды образуется на нагреваемой поверхности и частично во всем объеме жидкости. Температура воды остается при этом постоянной (равной в рассматриваемом случае около 100 °С), несмотря на продолжающийся извне подвод теплоты к сосуду. Это явление объясняется тем, что при кипении подводимая теплота расходуется на работу по расщеплению частичек воды и образование из них пара.
При нагревании воды в закрытом сосуде ее температура повышается также лишь до тех пор, пока вода не закипит. Выделяющийся из воды пар скапливается в верхней части сосуда над поверхностью уровня воды; его температура равна температуре кипящей воды. Такой пар называют насыщенным.
Если пар из сосуда не отводится, а подвод теплоты к нему (извне) продолжается, то давление во всем объеме сосуда будет увеличиваться. Вместе с увеличением давления станет увеличиваться и температура кипящей воды и образующегося из нее пара. Опытным путем установлено, что каждому давлению соответствуют своя температура насыщенного пара и равная ей температура кипения воды, а также свой удельный объем пара.
Так, при атмосферном давлении (0,1 МПа) вода начинает кипеть и превращается в пар при температуре около 100 °С (точнее при 99,1 °С); при давлении 0,2 МПа - при 120 °С; при давлении 0,5 МПа - при 151,1 °С; при давлении 10 МПа - при 310 °С. Из приведенных примеров видно, что с ростом давления температура кипения воды и равная ей температура насыщенного пара увеличиваются. Удельный объем пара с ростом давления, наоборот, уменьшается.
При давлении 22,5 МПа нагреваемая вода переходит в насыщенный пар мгновенно, поэтому скрытая теплота парообразования при этом давлении равна нулю. Давление пара 22,5 МПа называют критическим.
Если насыщенный пар охлаждать, то он станет конденсироваться, т.е. превратится в воду; при этом он будет отдавать свою теплоту парообразования охлаждающему телу. Указанное явление имеет место в системах парового отопления, в которые насыщенный пар поступает из котельной или паровой магистрали. Здесь он охлаждается воздухом помещения, отдает воздуху свою теплоту, за счет чего последний нагревается, а пар конденсируется.
Состояние насыщенного пара является весьма неустойчивым: даже небольшие изменения давления и температуры приводят к конденсации части пара или же, наоборот, к испарению капелек воды, имеющихся в насыщенном паре. Насыщенный пар, совершенно не содержащий капелек воды, называют сухим насыщенным; насыщенный пар с капельками воды называют влажным.
В качестве теплоносителя в системах парового отопления применяют насыщенный пар, температура которого соответствует определенному давлению.
Системы парового отопления классифицируют по следующим признакам:
По начальному давлению пара - системы низкого давления (р изб
Способу возврата конденсата - системы с самотечным возвратом (замкнутые) и с возвратом конденсата с помощью питательного насоса (разомкнутые);
Конструктивной схеме прокладки трубопроводов - системы с верхней, нижней и промежуточной прокладкой распределительного паропровода, а также с прокладкой сухого и мокрого конденсатопровода.
Схема системы парового отопления низкого давления с верхней прокладкой паропровода показана на рис. 1, а. Насыщенный пар, образующийся в котле 1, пройдя сухопарник (сепаратор) 12, попадает в паропровод 5 и далее поступает в отопительные приборы 7. Здесь пар отдает свою теплоту через стенки приборов воздуху отапливаемого помещения и превращается в конденсат. Последний стекает по возвратному конденсатопроводу 10 в котел 1, преодолевая при этом давление пара в котле за счет давления столба конденсата, который поддерживается высотой 200 мм по отношению к уровню воды в сухопарнике 12.
Рисунок 1. Система парового отопления низкого давления: а - схема системы с верхней прокладкой паропровода; б - стояк с нижней разводкой пара; 1 - котел; 2 - гидравлический затвор; 3 - водомерное стекло; 4 - воздушная трубка; 5 - подающий паропровод; 6 - паровой вентиль; 7 - отопительный прибор; 8 - тройник с пробкой; 9 - конденсатопровод сухой; 10 - конденсатопровод мокрый; 11 - трубопровод подпитки; 12 - сухопарник; 13 - перепускная петля
В верхнюю часть возвратного конденсатопровода 10 вмонтирована трубка 4, соединяющая его с атмосферой для продувки в момент ввода и вывода системы из эксплуатации.
Уровень воды в сухопарнике контролируют с помощью водомерного стекла 3. Для предупреждения повышения давления пара в системе выше заданного уровня устанавливают гидравлический затвор 2 с рабочей высотой жидкости, равной h.
Регулировку системы парового отопления производят паровыми вентилями 6 и контрольными тройниками 8 с пробками, добиваясь, чтобы при работе парового котла в расчетном режиме в каждый отопительный прибор поступало такое количество пара, которое успевало бы полностью в нем сконденсироваться. В этом случае из предварительно открытого контрольного тройника выделение пара практически не наблюдается и вероятность «проскока» конденсата в воздушную трубку 4 ничтожна мала. Потери конденсата в системе парового отопления компенсируют подпиткой барабана котла специально обработанной водой (освобожденной от солей жесткости), подаваемой по трубопроводу 11.
Системы парового отопления, как уже отмечалось, бывают с верхней и нижней разводками паропровода. Недостатком нижней разводки пара (рис. 1, б) является то, что образующийся конденсат в подъемных и вертикальных стояках стекает навстречу пару и иногда перекрывает паропровод, вызывая гидравлические удары. Более спокойный слив конденсата происходит, если паропровод 5 проложен с уклоном в сторону движения пара, а конденсатопровод 9 - в сторону котла. Для слива попутного конденсата из паропровода в конденсатопровод систему снабжают специальными перепускными петлями 13.
Если сеть парового отопления имеет большое разветвление, то самотечный слив конденсата производят в специальный сборный бак 3 (рис. 2), откуда его перекачивают насосом 8 в котел 1. Насос работает периодически, в зависимости от изменения уровня воды в сухопарнике 2. Такую схему отопления называют разомкнутой; в ней для отделения конденсата от пара, как правило, используют конденсатоотводчики (конденсатные горшки) 7. Последние чаще всего имеют поплавковую или сильфонную конструкцию (рис. 3).
Рисунок 2. Схема принудительного возврата конденсата: 1 - котел; 2 - сухопарник; 3 - конденсатосборный бак; 4 - воздушная трубка; 5 - обводная линия; 6 - паровые вентили; 7 - конденсатоотводчик; 8 - подпиточный насос; 9 - обратный клапан
Поплавковый конденсатоотводчик (см. рис. 3, б) работает так. Пар и конденсат через входное отверстие поступают под поплавок 3, который соединен рычагом с шаровым клапаном 4. Поплавок 3 имеет форму колпака. Под давлением пара он всплывает, закрывая шаровой клапан 4. Конденсат заполняет всю камеру конденсатоотводчика; при этом пар под клапаном конденсируется и поплавок тонет, открывая шаровой клапан. Конденсат отводится в направлении, указанном стрелкой, до тех пор, пока новые порции пара, скопившиеся под колпаком, не заставят колпак всплыть. Затем цикл работы конденсатоотводчика повторяется.
Рисунок 3. Конденсатоотводчики: а – сильфонный; б – поплавковый; 1 – сильфон; 2 – легкокипящая жидкость; 3 – поплавок (опрокинутый колпак); 4 – шаровый клапан
На промышленных предприятиях, имеющих производственные потребители пара повышенного давления, системы парового отопления подключают к теплофикационным магистралям по схемам высокого давления (рис. 4). Пар от собственной или районной котельной поступает в распределительную гребенку 1, где давление его контролируют манометром 3. Затем по отходящим от гребенки 1 паропроводам 2 пар направляют к производственным потребителям, а по паропроводам Т1 - к потребителям системы парового отопления. Паропроводы Т1 подсоединены к гребенке 6 парового отопления, а гребенка 6 - к гребенке 1 через редукционный клапан 4. Редукционный клапан дросселирует пар до давления не более 0,3 МПа. Разводку паропроводов высокого давления систем парового отопления выполняют, как правило, поверху. Диаметры паропроводов и поверхности нагрева отопительных приборов этих систем несколько меньше, чем у систем парового отопления низкого давления.
Рисунок 4. Схема парового отопления высокого давления: 1 - распределительная гребенка; 2 - паропровод; 3 - манометр; 4 - редукционный клапан; 5 - байпас (обводная линия); 6 - гребенка системы отопления; 7 - грузовой предохранительный клапан; 8 - неподвижная опора; 9 - компенсаторы; 10 - паровые вентили; 11 - конденсатопровод; 12 - конденсатоотводчики
Недостатком систем парового отопления является трудность регулирования теплопроизводительности отопительных приборов, что, в конечном счете, приводит к перерасходу топлива в течение отопительного сезона.
Диаметры трубопроводов паровых систем отопления рассчитывают отдельно для паропроводов и конденсатопроводов. Диаметры паропроводов низкого давления определяют так же, как в системах водяного отопления. Потери давления в главном циркуляционном кольце системы?р рк, Па, представляют собой сумму сопротивлений (потерь давления) всех участков, входящих в это кольцо:
где n - доля потери давления на трение от общих потерь в кольце; ?I - суммарная длина участков главного циркуляционного кольца, м.
Затем определяют требуемое давление пара в котле р к, которое должно обеспечивать преодоление потерь давления в главном циркуляционном кольце. В системах парового отопления низкого давления разность давлений пара в котле и перед нагревательными приборами расходуется только на преодоление сопротивлений паровой магистрали, а конденсат возвращается самотеком. Для преодоления сопротивления отопительных приборов предусматривают запас давления р пр = 2000 Па. Удельную потерю давления пара можно определить по формуле
где 0,9 - значение коэффициента, учитывающего запас давления на преодоление неучтенных сопротивлений.
Для систем парового отопления низкого давления долю потерь на трение n принимают 0,65, а для систем высокого давления - 0,8. Вычисленное по формуле (3) значение удельной потери давления должно равняться или быть несколько больше значения, определенного по формуле (2).
Диаметры паропроводов определяют с учетом вычисленных удельных потерь давления и тепловой нагрузки каждого расчетного участка.
Диаметры паропроводов можно также определять, используя специальные таблицы в справочниках или номограмму (рис. 5), составленную для средних значений плотности пара низкого давления. При конструировании систем парового отопления скорость пара в паропроводах следует принимать с учетом рекомендаций, приведенных в табл. 1.
Таблица 1. Скорости пара в паропроводах
В остальном методика гидравлического расчета паропроводов низкого давления и сопротивлений циркуляционных колец полностью аналогична расчету трубопроводов водяных систем отопления.
Конденсатопроводы паровых систем отопления низкого давления удобно рассчитывать, используя верхнюю часть приведенной на рис. 5 номограммы.
Рисунок 5. Номограмма для расчета диаметров паропроводов и самотечных конденсатопроводов
При расчете паропроводов систем отопления высокого давления необходимо учитывать изменения объема пара от давления и уменьшение его объема при транспортировании вследствие попутной конденсации.
Расчет диаметров производят при следующих значениях параметров пара: плотность 1 кг/м 3 ; давление 0,08 МПа; температура 116,3 °С; кинематическая вязкость 21 10 6 м 2 /с. Для указанных параметров пара составлены специальные таблицы и построены номограммы, позволяющие подобрать диаметры паропроводов. После выбора диаметров производят пересчет удельной потери давления на трение с учетом действительных параметров проектируемой системы по формуле
где v - скорость пара, найденная по расчетным таблицам или номограмме.
При определении диаметров коротких паропроводов часто пользуются упрощенным методом, производя расчет по предельно допустимым скоростям движения пара.
К эксплуатационным преимуществам систем парового отопления относятся: простота пуска системы в работу; отсутствие циркуляционных насосов; низкая металлоемкость; возможность использования в ряде случаев отработавшего пара.
Недостатками систем парового отопления являются: низкая долговечность трубопроводов из-за повышенной коррозии внутренних поверхностей, вызываемой влажным воздухом в периоды прекращения подачи пара; шум, обусловленный большой скоростью движения пара по трубам; частые гидравлические удары от встречного движения попутного конденсата в подъемных паропроводах; низкие санитарно-гигиенические качества из-за высокой температуры (более 100 °С) поверхности отопительных приборов и труб, пригорания пыли и возможности ожогов людей.
В производственных помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха, а также в жилых, общественных, административных и административно-бытовых зданиях применять паровое отопление нельзя. Системы парового отопления допускается использовать только в непожаро- и невзрывоопасных производственных помещениях с кратковременным пребыванием людей.
Паропровод - трубопровод для транспортировки пара.
Паропроводы монтируется на объектах:
1. предприятиях, использующих пар для технологического пароснабжения (паро-конденсатные системы на заводах железобетонных изделий, паро-конденсатные системы на рыбо-перерабатывающих предприятиях, паро-конденсатные системы на молочных заводах, паро-конденсатные системы на мясоперерабатывающих заводах, паро-конденсатные системы на заводах фармацевтической промышленности, паро-конденсатные системы на заводах по производству косметики, паро-конденсатные системы на фабриках прачечных)
2. в системах парового отопления заводов и промышленных предприятий. Применялось в прошлом но сих пор на многих предприятиях используется. Как правило заводские котельные строились по типовым чертежам с применением котлов ДКВР для технологического пароснабжения и отопления. В настоящее время даже на тех предприятиях и заводах где потребность в технологическом паре стала отсутствовать, отопление так и осуществляется паром. В ряде случаев неэффективно без возврата конденста.
3. на тепловых электростанциях для подачи пара на турбины пара для выработки электроэнергии.
Паропроводы служат для передачи пара от котельной (паровых котлов и парогенераторов) к потребителям пара.
Основными элементами паропровода являются:
1.стальные трубы
2. соединительные элементы (отводы, отводы, фланцы, компенсаторы теплового удлинения)
3.запорная и запорно-регулирующая арматура (задвижки, вентили, клапаны)
4. арматура для удаления конденсата из паропроводов - конденсатоотводчики, сепараторы,
5.Устройства для снижения давления пара до необходимого значения - регуляторы давления
6. Механические фильтры-грязевики со сменными фильтрующими элементами для очистки пара перед редукционными клапанами.
7.элементы крепления - скользящие опоры и неподвижные опоры, подвески и крепления,
8. тепловая изоляция паропроводов – используется температуростойкая базальтовая минеральная вата Роквул или Парок, также применяется асбестовый пухшнур.
9.контрольно-измерительные приборы (КИП) – манометры и термометры.
Требования к проектированию, конструкции, материалам, изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации паропроводов регламентированы нормативными документами.
-На трубопроводы, транспортирующие водяной пар с рабочим давлением более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» (ПБ 10-573-03).
-Расчет на прочность таких паропроводов производится в соответствии с «Нормами расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» (РД 10-249-98).
Трассировка паропроводов производится с учётом технической возможности прокладки по наиболее короткому пути прокладки для минимизации потерь тепла и энергии из-за длины прокладки и аэродинамического сопротивления парового тракта.
Соединение элементов паропроводов производится сварочными соединениями. Установка фланцев при монтаже паропроводов допускаются только для соединения паропроводов с арматурой.
Опоры и подвески паропроводов могут быть подвижными и неподвижными. Между соседними неподвижными опорами на прямом участке устанавливают лирообразные или П-образные компенсаторы], которые снижают последствия деформации паропровода под воздействием нагрева (1 м паропровода удлиняется в среднем на 1,2 мм при нагреве на 100°).
Паропроводы монтируются с уклоном и в нижних точках устанавливают конденсато-отводчики, для отвода конденсата, образующегося в трубах.
Горизонтальные участки паропровода должны иметь уклон не менее 0,004
На входе паропроводов в цеха, на выходе паропроводов из котельных, перед паро-потребляющим оборудованием устанавливают сепараторы пара в комплекте с конденсато-отводчиками.
Все элементы паропроводов должны быть покрыты теплоизолированы. Тепловая изоляция защищает персонал от ожогов. Тепловая изоляция предотвращает избыточное появление конденсата.
Паропроводы являются опасным производственным объектом и должны быть зарегистрированы в специализированных регистрирующих и надзорных органах (в России - территориальном управлении Ростехнадзора). Разрешение на эксплуатацию вновь смонтированных паропроводов выдается после их регистрации и технического освидетельствования.
Толщина стенки паропровода по условию прочностии должна быть не менее
где
P - расчетное давление пара,
D - наружный диаметр паропровода,
φ - расчетный коэффициент прочности с учётом сварных швов и ослабления сечения,
σ - допускаемое напряжение в металле паропровода при расчетной температуре пара.
Диаметр паропровода, как правило, определяют исходя из максимальных часовых расходов пара и допускаемых потерь давления и температур методом скоростей или методом падения давления.
Метод скоростей.
Задавшись скоростью протекания пара в трубопроводе, определяют его внутренний диаметр из уравнения массового расхода, например, по выражению:
D= 1000 √ , мм
Где G-массовый расход пара, т/час;
W-скорость пара, м/с;
ρ- плотность пара, кг/м3.
Выбор скорости пара в паропроводах имеет важное значение.
Согласно СНиП 2-35-76 скорости пара рекомендуются не более:
-для насыщенного пара 30 м/с (при диаметре труб до 200 мм) и 60 м/с (при диаметре труб свыше 200 мм),
-для перегретого пара 40 м/с (при диаметре труб до 200 мм) и 70 м/с (при диаметре труб свыше 200 мм).
Заводы по производству парового оборудования рекомендуют при выборе диаметра паропровода скорость пара принимать в пределах 15-40 м/с.
Поставщики паро-водяных теплообменников со смешением рекомендуют принимать максимальную скорость пара 50 м/с.
Существует так же метод падения давления, основанный на расчете потерь давления, вызванный гидравлическими сопротивлениями паропровода. Для оптимизации выбора диаметра паропровода целесообразно также выполнить оценку падения температуры пара в паропроводе с учетом применяемой теплоизоляции. В этом случае появляется возможность выбора оптимального диаметра по отношению падения давления пара к уменьшению его температуры на единице длины паропровода
(существует мнение, что оптимально если dP/dT=0,8…1,2).
Правильный выбор парового котла и давления пара которое он обеспечивает, выбор конфигурации и диметров паропроводов, парового оборудования по классу и по производителям, это составляющие хорошей работы паро-конденсатной системы в дальнейшем.
Потери энергии при движении жидкости по трубам определяются режимом движения и характером внутренней поверхности труб. Свойства жидкости или газа учитываются в расчете с помощью их параметров: плотности р и кинематической вязкости v. Сами же формулы, используемые для определения гидравлических потерь, как для жидкости, так и для пара являются одинаковыми.
Отличительная особенность гидравлического расчета паропровода заключается в необходимости учета при определении гидравлических потерь изменения плотности пара. При расчете газопроводов плотность газа определяют в зависимости от давления по уравнению состояния, написанному для идеальных газов, и лишь при высоких давлениях (больше примерно 1,5 МПа) вводят в уравнение поправочный коэффициент, учитывающий отклонение поведения реальных газов от поведения идеальных газов.
При использовании законов идеальных газов для расчета трубопроводов, по которым движется насыщенный пар, получаются значительные ошибки. Законы идеальных газов можно использовать лишь для сильно перегретого пара. При расчете паропроводов плотность пара определяют в зависимости от давления по таблицам. Так как давление пара в свою очередь зависит от гидравлических потерь, расчет паропроводов ведут методом последовательных приближений. Сначала задаются потерями давления на участке, по среднему давлению определяют плотность пара и далее рассчитывают действительные потери давления. Если ошибка оказывается недопустимой, производят пересчет.
При расчете паровых сетей заданными являются расходы пара, его начальное давление и необходимое давление перед установками, использующими пар. Методику расчета паропроводов рассмотрим на примере.
|
ТАБЛИЦА 7.6. РАСЧЕТ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ДЛИН (Аэ=0,0005 м)
|
6,61 кг/м3.
(3 шт.)................................... *........................................................ 2,8-3 = 8,4
Тройник при разделении потока (проход) . . ._________________ 1__________
Значение эквивалентной длины при 2£ = 1 при k3 = 0,0002 м для трубы диаметром 325X8 мм по табл. 7.2 /э=17,6 м, следовательно, суммарная эквивалентная длина для участка 1-2: /э = 9,9-17,6= 174 м.
Приведенная длина участка 1-2: /пр і-2=500+174=674 м.
Источником тепла называется комплекс оборудования и устройств, с помощью которых осуществляется преобразование природных и искусственных видов энергии в тепловую энергию с требуемыми для потребителей параметрами. Потенциальные запасы основных природных видов …
В результате гидравлического расчета тепловой сети определяют диаметры всех участков теплопроводов, оборудования и запорно-регули - рующей арматуры, а также потери давления теплоносителя на всех элементах сети. По полученным значениям потерь …
В системах теплоснабжения внутренняя коррозия трубопроводов и оборудования приводит к сокращению срока их службы, авариям и зашламлению воды продуктами коррозии, поэтому необходимо предусматривать меры борьбы с ней. Сложнее обстоит дело …
А. А. Филоненко , директор ЧТСУП «Стим-систем»
Цикл статей ориентирован на техническую поддержку специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией паросилового хозяйства. Первые две публикации посвящены основным понятиям, связанным с широко применяемым на предприятиях и в энергетике водяным паром, его свойствам и их влиянию на работу паровых систем («ЭиМ» № 3) и вопросам отведения конденсата из паровых спутников (ЭиМ № 4–5).
Системы распределения пара соединяют котлы со всевозможным паропотребляющим оборудованием предприятия.
Основными компонентами этих систем являются паровые коллекторы котлов, главные паропроводы, распределительные коллекторы и трубопроводы разводки пара. Каждый из них выполняет определённые функции, присущие этой системе, и совместно с сепараторами и конденсатоотводчиками способствуют эффективному использованию пара.
Колена-отстойники
Общим требованием для всех систем распределения пара является необходимость устройства через различные интервалы по длине паропровода колен отстойников (рис. 1). Они предназначены для:
- стекания конденсата самотёком из пара, движущегося с высокой скоростью;
- накапливания конденсата до тех пор, пока перепад давления не протолкнёт его через конденсатоотводчик.
Для того чтобы конденсат улавливался коленомотстойником, нужно правильно подобрать его размер. Слишком малый диаметр колена-отстойника может вызвать эффект инжекции, когда падение давления из-за высокой скорости пара вытягивает в паропровод конденсат из конденсатоотводчика.
На рис. 1 показаны принцип работы колена-отстойника и его стандартная схема, в табл. 1 — рекомендуемые размеры колен-отстойников для паропроводов.
Рис. 1 . Колено-отстойник (а — принцип работы; б — схема для выбора размера колена-отстойника по табл. 1)
| Диаметр паропровода D, мм |
Диаметр колена-отстойника D1, мм |
Минимальная длина колена-отстойника L, мм | |
| Разогрев под наблюдением |
Автоматический разогрев * |
||
| 15 | 15 | 250 | 710 |
| 20 | 20 | 250 | 710 |
| 25 | 25 | 250 | 710 |
| 50 | 50 | 250 | 710 |
| 80 | 80 | 250 | 710 |
| 100 | 100 | 250 | 710 |
| 150 | 100 | 250 | 710 |
| 200 | 100 | 300 | 710 |
| 250 | 150 | 380 | 710 |
| 300 | 150 | 460 | 710 |
| 350 | 200 | 535 | 710 |
| 400 | 200 | 610 | 710 |
| 450 | 250 | 685 | 710 |
| 500 | 250 | 760 | 760 |
| 600 | 300 | 915 | 915 |
* Под автоматическим разогревом следует понимать разогрев паропровода, при котором дренаж конденсата происходит через конденсатоотводчики в линию возврата конденсата, а не через спускные штуцера в атмосферу. При этом также необходимо наблюдение за процессом разогрева паропровода
Если пар подаётся в среднюю точку коллектора или коллектор не имеет уклона, то рекомендуется устраивать колена-отстойники по обе стороны коллектора с конденсатоотводчиками, имеющими суммарную пропускную способность, равную рассчитанной. При диаметре коллектора до 100 мм диаметр коленаотстойника D1 должен быть равен диаметру коллектора. При диаметре коллектора более 100 мм диаметр колена-отстойника D1 должен быть равен половине диаметра коллектора, но не менее 100 мм.
Пуск паровых сетей состоит из следующих операций:
- прогрева и продувки паропроводов;
- заполнения и промывки конденсатопроводов;
- подключения потребителей.
Перед началом прогрева все задвижки на ответвлениях от прогреваемого участка плотно закрываются. Вначале прогревается магистраль, а затем поочередно ответвления от неё. Небольшие малоразветвлённые паропроводы можно прогревать одновременно по всей сети.
При возникновении гидравлических ударов подача пара немедленно сокращается, а при частых и сильных ударах — прекращается полностью впредь до полного удаления из прогреваемого участка паропровода скопившегося в нём конденсата.
Паровые коллекторы
Главный коллектор котельной — это особый вид паропровода, который может принимать пар от одного или более котлов. Чаще всего он представляет собой горизонтальную трубу большого диаметра, которая заполняется паром сверху и в свою очередь питает паром главные паропроводы. Особенно важен тщательный дренаж коллектора, чтобы любой вынос котловой воды и твёрдых частиц удалялся до распределения пара по системе. Конденсатоотводчики, предназначенные для коллектора, должны обладать способностью выводить крупные порции выносимых паром скоплений сразу же после их образования. При выборе конденсатоотводчиков нужно принимать во внимание также степень их устойчивости к гидравлическим ударам.
Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для коллекторов котла (только для насыщенного пара)
Требуемую пропускную способность конденсатоотводчиков, устанавливаемых на коллекторах котлов, практически всегда определяют как величину ожидаемого выноса котловой воды (10 % от присоединённой к коллектору нагрузки), умноженную на коэффициент запаса 1,5.
Например, к коллектору присоединены два котла общей паропроизводительностью 20 000 кг/ч. Тогда на коллектор необходимо установить конденсатоотводчик с пропускной способностью 20 000 . 10 % . 1,5 = 3000 кг/ч.
Наиболее подходящими для этих условий являются конденсатоотводчики с опрокинутым поплавком, которые способны немедленно срабатывать при залповых поступлениях конденсата, устойчивы к гидроударам, справляются с загрязнениями, сохраняют экономичность при очень малых нагрузках.
Установка конденсатоотводчиков
Если поток пара через коллектор идёт только в одном направлении, то достаточно установить один конденсатоотводчик вблизи выхода. При питании паром через среднюю точку (рис. 2) или при схожей организации двухстороннего потока пара конденсатоотводчики должны устанавливаться на каждом конце коллектора.
Рис. 2 . Коллектор котла разнонаправленными потоками пара (для коллектора с DN < 100 мм, DN колена-отстойника такой же, как у коллектора; для коллектора с DN > 100 мм, DN колена-отстойника должен быть равен 0,5DN коллектора, но не менее 100 мм)
Главные паропроводы
Чтобы обеспечить нормальную работу оборудования, питаемого по этим паропроводам, в них не должно быть ни воздуха, ни конденсата. Неполный отвод конденсата из главных паропроводов часто приводит к гидроударам и образованию пролетающих скоплений конденсата, которые могут повредить трубопроводную арматуру и другое оборудование.
Кроме того, из-за наличия конденсата в паропроводе уменьшается сухость пара, что приводит к его перерасходу.
В процессе охлаждения конденсат, находящийся в паропроводе, активно поглощает углекислый газ, превращаясь в угольную кислоту, которая приводит к ускоренной коррозии трубопроводов, арматуры и теплообменных аппаратов.
Есть два общепринятых способа разогрева главных паропроводов — контролируемый и автоматический.
Контролируемый разогрев широко применяется для первичного нагрева паропроводов большого диаметра и (или) большой протяжённости. Этот способ заключается в том, что спускные клапаны полностью открывают для свободной продувки в атмосферу до тех пор, пока в паропровод не начнёт поступать пар. Клапаны не закрывают до тех пор, пока весь конденсат (или большая его часть), образующийся при разогреве, не будет удалён. После выхода на рабочий режим удаление конденсата берут на себя конденсатоотводчики. При автоматическом режиме котёл разогревается таким образом, что паропроводы и всё оборудование или отдельные его виды постепенно набирают давление и температуру без помощи ручного управления или контроля в соответствии с заданным режимом разогрева.
Предостережение! Независимо от способа разогрева скорость подъёма температуры металла должна определяться регламентом пуска, чтобы минимизировать тепловые напряжения и предотвратить другие повреждения в системе.
Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для главных паропроводов (только насыщенный пар)
Расход конденсата в изолированном или неизолированном трубопроводах при контролируемом или автоматическом методах прогрева может вычисляться по формуле:
где G K — количество конденсата, кг/ч ;
W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);
L 1 — полная длина паропровода, м ;
с — удельная теплоёмкость материала трубопровода (для стали — 0,12 ккал/(кг.°С) );
t 1 — начальная температура, °С ;
t 2 — конечная температура, °С ;
r — cкрытая теплота парообразования, ккал/кг (по таблице свойств пара );
h — время разогрева, мин .
Таблица 2 . Характеристики труб для расчета потерь в окружающую среду
| Диаметр трубопровода, дюйм |
Диаметр трубопровода, мм |
Наружный диаметр, мм |
Наружная поверхность, м 2 /м |
Веc, кг/м |
| 1/8 | 6 | 10,2 | 0,03 | 0,49 |
| 1/4 | 8 | 13,5 | 0,04 | 0,77 |
| 3/8 | 10 | 17,2 | 0,05 | 1,02 |
| 1/2 | 15 | 21,3 | 0,07 | 1,45 |
| 3/4 | 20 | 26,9 | 0,09 | 1,90 |
| 1 | 25 | 33,7 | 0,11 | 2,97 |
| 1,25 | 32 | 42,4 | 0,13 | 3,84 |
| 1,5 | 40 | 48,3 | 0,15 | 4,43 |
| 2 | 50 | 60,3 | 0,19 | 6,17 |
| 2,5 | 65 | 76,1 | 0,24 | 7,90 |
| 3 | 80 | 88,9 | 0,28 | 10,10 |
| 4 | 100 | 114,3 | 0,36 | 14,40 |
| 5 | 125 | 139,7 | 0,44 | 17,80 |
| 6 | 150 | 165,1 | 0,52 | 21,20 |
| 8 | 200 | 219,0 | 0,69 | 31,00 |
| 10 | 250 | 273,0 | 0,86 | 41,60 |
| 12 | 300 | 324,0 | 1,02 | 55,60 |
| 14 | 350 | 355,0 | 1,12 | 68,30 |
| 16 | 400 | 406,0 | 1,28 | 85,90 |
| 20 | 500 | 508,0 | 1,60 | 135,00 |
Для быстрого определения расхода конденсата во время разогрева главного паропровода можно использовать диаграмму на рис. 3. Найденную величину расхода следует умножить на 2 (рекомендуемый коэффициент запаса для всех конденсатоотводчиков, расположенных между котлом и концом паропровода). Для конденсатоотводчиков, установленных у конца паропровода или перед регулирующими и запорными клапанами, которые часть времени находятся в закрытом положении, следует принимать коэффициент запаса 3. Рекомендуется конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком, так как он может выводить загрязнения, залповые выбросы конденсата и противостоять гидравлическим ударам. Если даже он откажет, то обычно остаётся в открытом положении.
Рис. 3 . Диаграмма для определения количества конденсата, образующегося в трубе длиной 20 м при её нагреве от 0 °С до температуры насыщения пара
Расход конденсата при нормальной эксплуатации паропровода (после разогрева) определяется по табл. 3.
Таблица 3 . Скорость образования конденсата в паропроводах при нормальной эксплуатации, кг/час/м 2
Установка
Независимо от способа разогрева колена-отстойники и конденсатоотводчики нужно устанавливать в самых низких точках и в местах естественного дренажа, например:
- перед восходящими стояками;
- в конце главных паропроводов;
- перед компенсаторами и коленами;
- перед регулирующими клапанами и регуляторами.
На рис. 4, 5 и 6 показаны примеры организации дренажей главных паропроводов.
Отводы от главных паропроводов
Отводы от главных паропроводов — это ответвления главного паропровода, подводящие пар к паропотребляющему оборудованию. Система этих трубопроводов должна быть спроектирована и обвязана так, чтобы предотвратить скопление конденсата в любой её точке.
Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса
Расход конденсата определяется по такой же формуле, что и для главных паропроводов. Рекомендуемый коэффициент запаса для отводов главных паропроводов — 2.
Установка
На рис. 7, 8 и 9 показаны соответственно рекомендуемые схемы обвязки отвода от главного паропровода до управляющего клапана при его длине до 3 м, более 3 м и в случае, когда управляющий клапан расположен ниже уровня главного паропровода.
Перед каждым регулирующим клапаном, а также перед регулятором давления, если он имеется, следует установить полнопроходной фильтр-грязевик. На фильтре надо установить продувочный клапан, а также конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Через несколько дней после пуска системы проверьте сетку фильтра, чтобы решить, нужна ли в этом месте очистка от загрязнений.
 |
 |
 |
| Рис. 7 . Обвязка отвода длиной менее 3 м. Если имеется обратный уклон в сторону коллектора питания не менее 50 мм на 1 м, то установка конденсатоотводчика не обязательна | Рис. 8 . Обвязка отвода длиной более 3 м. Перед управляющим клапаном нужно установить колено-отстойник и конденсатоотводчик. Отстойником может служить фильтр, если его продувочную трубку замкнуть на конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Конденсатоотводчик должен быть снабжён встроенным обратным клапаном | Рис. 9 . Независимо от длины отвода колено-отстойник и конденсатоотводчик следует устанавливать перед управляющим клапаном, расположенным ниже питающего паропровода. Если змеевик (потребитель) находится выше управляющего клапана, то конденсатоотводчик следует установить также и со стороны выхода управляющего клапана |
Сепараторы
Сепараторы пара предназначены для выпуска всего конденсата, который образуется в распределительных системах. Чаще всего они применяются перед оборудованием, для которого повышенная сухость пара имеет большое значение. Принято считать полезным их установку на паропроводах вторичного пара.
Рис. 10 . Дренаж сепаратора. Для полного и быстрого стекания конденсата в конденсатоотводчик нужны полнопроходные колено-отстойник и грязевик
Отвод конденсата из паропроводов перегретого пара
Казалось бы, что если в паропроводах перегретого пара конденсат не образуется, то его там нет. Это действительно так, но только в случае, когда температура и давление в паропроводе вышли на рабочие параметры. До этого момента конденсат необходимо удалять.
Свойства и особенности применения перегретого пара
Удельная теплоёмкость вещества — это количество теплоты, требуемое для увеличения температуры 1 кг на 1 °С. Удельная теплоёмкость воды равна 1 ккал.°С, но удельная теплоёмкость перегретого пара зависит от его температуры и давления. Она уменьшается при увеличении температуры и повышается при повышении давления.
Обычно перегретый пар производится в дополнительных секциях трубок, установленных внутри котла, или в зоне выхода дымовых газов, чтобы использовать «теряемую» теплоту котла, а также в пароперегревателе, который устанавливается после котла и соединяется с паропроводом. Принципиальная схема котла с пароперегревателем представлена на рис. 11.
Рис. 11 . Схема энергетической установки с пароперегревателем
Перегретый пар обладает свойствами, которые делают его неудобным теплоносителем для процесса теплообмена и в то же время идеальным для выполнения механической работы и переноса массы, то есть для транспортирования. В отличие от насыщенного пара давление и температура перегретого пара не связаны между собой. Когда перегретый пар производят при таком же давлении, что и насыщенный, его температура и удельный объём увеличиваются.
В котлах с высокой производительностью и относительно малыми барабанами отделение пара от воды является чрезвычайно трудным процессом. Сочетание небольшого количества воды в барабанах и быстрых изменений расхода пара вызывает резкое уменьшение объёма и образование пузырей пара, что приводит к выносу котловой воды. Её можно отвести при помощи сепараторов с конденсатоотводчиками на выходах пара из парогенератора, но это не даёт 100-процентного результата. Поэтому там, где необходим сухой пар, в топке устанавливают дополнительные конвективные пучки трубок. Чтобы испарить вынос воды, к пару добавляется некоторое количество теплоты, создающей небольшой перегрев, гарантирующий получение абсолютно сухого пара.
Так как перегретый пар, возвращаясь в состояние насыщенного, отдаёт очень мало теплоты, он не является хорошим теплоносителем для процесса теплообмена. Однако для некоторых процессов, например, на электростанциях, сухой пар необходим для выполнения механической работы. Независимо от типа энергетической установки перегретый пар уменьшает количество конденсата при её запуске из холодного состояния. Перегрев также повышает производительность этих установок за счёт отсутствия конденсации на ступенях расширения. Сухой пар на выходе энергетической установки увеличивает срок службы лопаток турбины.
В отличие от насыщенного пара, теряя теплоту, перегретый пар не конденсируется, поэтому может транспортироваться по очень длинным паропроводам без существенных потерь теплосодержания на образование конденсата.
Почему нужен дренаж систем перегретого пара?
Основной причиной установки конденсатоотводчиков в системах перегретого пара является образование пусковых расходов конденсата. Они могут быть очень значительными из-за больших размеров главных паропроводов. Во время пуска, скорее всего, будут использоваться ручные спускные клапаны дренажей, так как имеется достаточно времени, чтобы их открыть и закрыть. Этот процесс называется контролируемым разогревом. Другой причиной установки конденсатоотводчиков являются неотложные ситуации, такие как потеря теплоты перегрева или отвод пара по байпасу, когда может потребоваться их срабатывание на насыщенном паре. При этих нештатных ситуациях нет времени на открытие клапанов вручную, поэтому необходимы конденсатоотводчики.
Определение расхода конденсата для конденсатоотводчиков паропроводов перегретого пара
Расход конденсата через конденсатоотводчик паропровода перегретого пара варьируется в широких пределах: от максимального при пуске до отсутствия расхода в рабочем режиме. Следовательно, это и есть те требования, которые должны предъявляться к конденсатоотводчикам любого типа.
Во время пуска очень большие паропроводы заполняются паром в холодном состоянии. На этом этапе в них будет находиться только насыщенный пар при низком давлении, пока температура паропровода не повысится. Её повышают постепенно, длительное время, чтобы не подвергать металл паропроводов резким напряжениям. Большой расход конденсата в сочетании с низким давлением — это начальные условия, требующие применения конденсатоотводчиков с большой пропускной способностью. Затем при эксплуатации паропроводов на перегретом паре требуется, чтобы эти конденсатоотводчики с завышенной пропускной способностью работали при очень высоком давлении и очень малых расходах.
Характерные пусковые расходы конденсата можно приблизительно рассчитать по формуле:
где W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);
r — скрытая теплота парообразования, ккал/кг ;
i — энтальпия перегретого пара при среднем давлении и температуре за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;
i ” — энтальпия насыщенного пара при среднем давлении за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;
0,12 — удельная теплоёмкость стальной трубы, ккал/(кг.°С) .
Пример
Исходные данные
Требуется разогреть паропровод диаметром 200 мм с температуры окружающего воздуха 21 °С до температуры 577 °С при среднем давлении за последний 2-часовой период 8,3 кг/см 2 изб. за 11 часов. Расстояние между дренажными узлами 60 м. Масса трубы по табл. 2 составляет 31 кг/м. Таким образом, масса трубы длиной 60 м составит 1860 кг.
Разогрев происходил по графику, указанному в табл. 4.
Таблица 4 . Режим разогрева паропроводов перегретого пара
| Период времени, ч |
Среднее давление, кг/см 2 изб. |
Температура в конце временного периода,°С |
Энтальпия насыщенного пара I " , ккал/кг |
Скрытая теплота паро- образования r, ккал/кг |
Энтальпия перегретого пара i, ккал/кг |
Количество конденсата, кг/ч |
| С 0 до 2 | 0,46 | 121 | 643,1 | 532,1 | 652,6 | 42,7 |
| С 2 до 4 | 0,97 | 221 | 646,3 | 526,4 | 695 | 46,7 |
| С 4 до 6 | 4,9 | 321 | 658,3 | 498,9 | 741,7 | 53,7 |
| С 6 до 8 | 8,3 | 421 | 662,7 | 484,2 | 790,5 | 62,6 |
| С 8 до 11 | 8,3 | 577 | 662,7 | 484,2 | 868,1 | 124,9 |
Для первых двух часов разогрева:
Для вторых двух часов:
Аналогично рассчитываются расходы пара для других периодов времени.
Чтобы эффективно выводить конденсат из паропроводов перегретого пара, нужно при установке конденсатоотводчиков правильно выбирать размеры колен-отстойников, а также учитывать рекомендации по их обвязке.
Возникает вопрос, нужна ли теплоизоляция колен-отстойников, патрубков конденсатоотводчиков и самих конденсатоотводчиков? Ответ — нет. Если изоляция не является обязательным требованием безопасности, эту часть паровой системы не нужно изолировать. Тогда немного конденсата будет непрерывно формироваться перед конденсатоотводчиком и проходить через него, продлевая срок его службы.
Типы конденсатоотводчиков для перегретого пара
Биметаллические
Биметаллический конденсатоотводчик настроен так, чтобы не открываться, пока конденсат не охладится до температуры ниже температуры насыщения. При данном давлении конденсатоотводчик останется закрытым до тех пор, пока в нём находится пар любой температуры. Когда температура пара повышается, тянущая сила биметаллических пластин увеличивается, повышая усилие уплотнения клапана. Перегретый пар стремится ещё больше увеличить это усилие. Биметаллический конденсатоотводчик хорошо работает при больших пусковых нагрузках и по этой причине является хорошим выбором для перегретого пара.
Во время работы на перегретом паре конденсатоотводчик может открыться, если конденсат в нём охладится ниже температуры насыщения. Если диаметр и длина колена-отстойника перед конденсатоотводчиком не будут соответствующими, то конденсат может пойти обратно в паропровод, вызывая его повреждение, а также трубопроводной арматуры и другого оборудования.
С опрокинутым поплавком
Гидрозатвор в конденсатоотводчике препятствует доступу пара к выпускному клапану, предотвращая утечку пара и обеспечивая продолжительный срок службы конденсатоотводчика. Выпускной клапан в верхней части делает его непроницаемым для посторонних частиц, но позволяет выводить воздух. Он справляется с большими пусковыми расходами и может приспособиться к малым рабочим расходам. Имеющиеся затруднения, связанные с его использованием на перегретом паре, относятся к необходимости сохранять гидрозатвор или производить заправку водой. Для этого необходимо применять конденсатоотводчики, разработанные специально для систем перегретого пара, и следить за их правильной обвязкой.
Правильная обвязка конденсатоотводчика с опрокинутым поплавком для перегретого пара показана на рис. 6. Определяя пропускную способность конденсатоотводчика для перегретого пара, следует рассчитывать её на пусковой расход без применения коэффициента запаса. Материалы корпуса должны выбираться исходя из максимального давления и температуры, включая перегрев.
Литература
- Вукалович М. П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы «МАШГИЗ», 1955.
- Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике // Энергия и Менеджмент. — № 3. — 2013. — С. 22–25.
- Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике (продолжение) // Энергия и Менеджмент. — № 4–5. — 2013. — С. 66–68.