Расчет электропарогенератора (ЭПГ)

3.1 Электропарогенератор представляет собой электродный паровой котел, в котором парообразование происходит в межэлектродном пространстве.

Типовая технологическая схема парогенераторной установки включает в себя электропарогенератор (1), питательный насос с регулируемой подачей (2) и питательный бак (3).

Функциональная схема установки приведена на рис. 3.1.

Элементы парогенератора связаны питательным и продувочным трубопроводами (4). Теплообменник (5) встроен непосредственно в питательный бак (6) и служит для подогрева питательной воды. На продувочном трубопроводе установлен электромагнитный вентиль (ЭВМ) – (7) и сетчатый фильтр (8).

На трубопроводе добавочной воды для очистки от взвешенных частиц и предотвращения накипеобразования установлены сетчатый фильтр (8) и противонакипный магнитный аппарат (9). Уровень воды в питательном баке регулируется клапаном и поплавковым устройством (6).

Рис.3.1.

3.1.Управление мощностью ЭПГ.

При работе в автоматическом режиме мощность, а, следовательно, и паропроизводительность регулируется изменением глубины погружения электродов в питательную воду. Система автоматики обеспечивает четырехступенчатое ограничение мощности: 25, 50, 75, 100% номинальной мощности. Давление пара регулируется в пределах 0 – 0,6 МПА. Температура пара достигает 165⁰С.

Кроме мощности и давления пара автоматически регулируется также продувка парогенератора. Благодаря продувке удается поддерживать на заданном уровне солесодержание питательной воды в ЭПГ, а, следовательно, ее удельное электросопротивление в допустимых пределах. Автоматическое регулирование продувки осуществляется одновременно с регулированием по мощности и давлению. Подача насоса (2) равна сумме паропроизводительности ЭПГ на заданном уровне мощности и расчетной величины продувки.

В начале цикла регулирования ЭМВ (7) закрыт. Поскольку подача насоса превышает паропроизводительность, уровень воды в ЭНГ увеличивается и соответственно увеличивается потребляемая мощность. Когда мощность достигнет заданного максимального значения (сигнал формируется по каналу измерения тока через токовое реле типа РТ-40), по сигналу от системы управления, ЭМВ откроется, уровень воды в результате продувки снизится. При достижении заданного минимального уровня мощности ЭВМ закрывается и цикл повторяется. Аналогичным образом с помощью продувки поддерживается и необходимое давление пара.

ЭПГ имеет следующие приборы измерения и контроля:

- манометры 0 – 1 МПА (один электроконтактный), всего 2;

- термометр 0 – 200⁰С;

- датчики уровня верхний и нижний;

- клапан предохранительный механический 0,6 МПА.

Сигналы на регулирование мощности и отключение электропитания при ее аварийном повышении формируется с помощью токовых трансформаторов и токовых реле.

Один из опытных образцов ЭПГ демонстрировался на выставке «Электро – 82».

Р_ном – 160 кВт;

G_пара – 200 кг/час;

Р_{пара макс} – 0,6 МПА;

t_{макс пара} – 164⁰С;

Номинальное и минимально допустимое удельное сопротивление питательной воды при температуре 20⁰С - 60 и 15 Ом.м, напряжение сети – трехфазное частотой 50 гЦ, КПД ЭПГ – 0,95.

3.2.Особенности конструкции ЭПГ.

Электроды выполнены в виде пластин из нержавеющей стали (либо СТ-3) толщиной 4 – 5 мм. Конфигурация электродной группы зависит от схемы подключения к сети: звездой или треугольником.

Электродная группа может крепиться либо к нижней, либо к верхней обечайке ЭПГ.

Рис. 3.2. Конфигурация электродов при подключении:

а) в треугольник;

б) в звезду.

3.3.Электрический расчет ЭПГ.

До последнего времени отсутствовали удовлетворительные способы расчета удельного сопротивления двухфазных сред. Именно такая среда находится внутри ЭПГ. Она состоит из нагретой до температуры кипения при данном давлении питательной воды и рассредоточенных по ее объему пузырьков пара, причем объем паровой фазы изменяется по высоте электродной группы от 0 в нижней ее части до максимума в верхней.

Разработанная во ВНИИЭТО методика электрического расчета ЭПГ основана на соотношении

(3.1.)

где Н_П – действительная глубина погружения электродов в питательную воду (уровень пароводяной смеси);

Н_В – глубина погружения электродов при отсутствии парообразования (уровень воды);

φ_ср – средняя по высоте электродов часть сечения, занятая паром (среднее объемное паросодержание в электродной группе).

Соотношение (3.1) отражает тот факт, что в электродной группе ЭПГ рис.3.3 из-за парообразования происходит так называемое набухание водяного объема. В результате этого уровень вода (а точнее пароводяной смеси) между электродами будет выше, будет выше, чем в остальном объеме. Уровень воды при отсутствии паровых пузырей называют еще массовым. Разница действительного и массового уровней определяется паросодержанием в электродной группе.

С одной стороны, при прочих равных условиях справедливо выражение:

(3.2.)

где ρ_П и ρ_В – удельные электрические сопротивления пароводяной смеси и воды при температуре кипения, Ом∙м. Из совместного рассмотрения соотношений (3.1) и (3.2) следует базовая формула для электрического расчета ЭПГ:

Рис. 3.3. Эскиз ЭПГ к выводу

расчетного соотношения для ρ_П = ρ_В /(1-φ_СР) (3.3)

ρ пароводяной смеси.

Часть верхнего сечения электродной группы, занятая паром, может быть определена по известной формуле:

(3.4)

где - приведенная скорость пара на выходе из электродной группы (скорость, отнесенная к полному сечению электродной группы), м/с;

ρ - давление пара.

Средняя в электродной группе часть сечения φ_СР, занятая паром, равна половине значения, найденного из (3.4).

В остальном методика электрического расчета ЭПГ ничем не отличается от традиционной методики расчета электродного водонагревателя.

Пример.

Пусть дано рассчитать ЭПГ, паропроизводительностью G=400кг/час, Р_макс=0,6 МПа, напряжение сети трехфазное, 380 В, частота 50 Гц. Соединение электродной группы в треугольник (см. рис. 3.1, а). Необходимо найти площадь электродов и расстояние между ними, если ρ₁₀₀⁰_С ~ 490 Ом см. Расстояние δ выбираем из расчета – на 100-110 В – 1 см.

Порядок расчета.

1. Находим теплопроизводительность нагрева Q _н:

с – теплоемкость воды, 4,2 кДж/кг ⁰С;

t_н – принимаем начальную температуру питающей воды примерно 35⁰С;

t_к – температура кипения воды 165⁰С при давлении насыщенного пара Р=0,6 МПа..

2. Мощность, потребляемая на нагрев G, кВт.

3. Находим теплопроизводительность источника тепла для получения 400 кг/час пара.

i – энтальпия пара (при р=0,6 МПА, i=2080 кДж/кг)

4. Мощность, потребляемая на парообразование:

,

к_сн – коэффициент, учитывающий расход пара на собственные нужды электрокотельной (принимается 1,02 – 1,05);

η_с – КПД тепловой сети (принимается 0,9 – 0,94)

5. Мощность потребляемая из сети:

Р=Р_Н+Р_П=70,07+284=354 кВт

6. Расчетный ток линии:

7. Сопротивление фазное:

8. Находим площадь фазного электрода, задавшись расстоянием между электродами 2 см

Если принять электрод квадратным, то сторона а=28,3 см

9. Для того, чтобы определить хотя бы приближенно увеличение высоты пароводяной смеси, найдем из формулы (3.4) φ:

где υ – удельный объем насыщенного пара (0,32 м³/кг при Р=0,6 МПа) [3].

10. Находим φ_ср=φ/2=0,099.

11. Находим Н_П из формулы (3.1)

Окончательные размеры электрода фазы 28 х 34 см, принимаем с небольшим запасом.

В случае соединения электродов в звезду (рис.3.1.б)

Так как электроды работают с обоих сторон, то истинная площадь одного электрода

Примечание: для напряжения 380 В расстояние δ надо выбирать 3,5 см, для напряжения 220 В – 2 см.

При квадратном исполнении - а=34,6 см

Принимая запас примерно 15% по высоте, получим окончательные размеры электрода

а х в = 34 х 40см.

Как видим, второй вариант исполнения электродов на одну и ту же мощность оказался более металлоемким.