Для покрытия полупиковых нагрузок энергосети выявилась необходимость создания специальных энергоблоков, приспособленных к частым пускам и остановам. Котел Пп-1800/140 м (мод. ТМП-501) блока 500 МВт является первым отечественным прямоточным котлом, спроектированным для работы в нестационарных условиях.
Для более свободного маневрирования рабочее давление блока принято равным 14,0 МПа, а температура первичного н вторичного пара ограничена 515 °С.
При компоновке котла приняты решения, уменьшающие неравномерность обогрева труб нижней радиационной части (НРЧ) н способствующие равномерной раздаче среды по экранам верхней радиационной части (ВРЧ). НРЧ выполнена из газо-плотных трубных элементов со слабонаклонной навивкой. Трубы подового экрана без промежуточных коллекторов переходят под углом 9°44' в навивку, образующую три обхода по высоте топки. Диаметр труб 50X5 мм. На входе в змеевики установлены дроссельные шайбы.
В слабо обогреваемой ВРЧ применена одноходовая схема- с подъемным движением среды. Пароводяная смесь с весовым паро-содержанием более 80 % поступает через смешивающие коллекторы в экраны ВРЧ, которые собраны из плавниковых труб диаметром 32X6 мм. Фронтовые и боковые экраны ВРЧ вертикальные, задний экран огибает аэродинамический выступ в верхней части топки и через промежуточные коллекторы включается в фестон, состоящий из 32 труб диаметром 89X14 мм.
В процессе проектирования надежность гидравлической схемы котла проверялась по нормативному методу при стационарных режимах во всем диапазоне рабочих параметров и нагрузках от 30 %-ной до номинальной при скользящем давлении. В практике же эксплуатации имелись случаи повреждения поверхностей нагрева примоточных котлов при переходных режимах. Это было вызвано особенностями изменения параметров рабочей среды в паро-генерирующем тракте, в частности, при пусках блоков, причем гидравлические расчеты при стационарных условиях показывали надежность этих элементов.
Возможность проверки нестационарных процессов, связанных с возмущениями расходом среды, тепловой нагрузкой, давлением, а также пусковыми режимами, появилась после разработки математической модели, описывающей динамику потока в испарительных трубных элементах и позволяющей определять изменения тепловых и гидродинамических параметров потока во времени и по длине средних и разверенных труб. Основные положения расчета переходных режимов в паро-генерирующих элементах прямоточных котлов и котлов с принудительной циркуляцией, обоснование выбора модели, сравнение с данными экспериментального исследования на стенде высокого давления с целью оценки погрешностей математилеского описания физической модели процесса приведены в работе [4]. Паро-генерирующий тракт представляется в виде расположенных последовательно в цепочку отдельных элементов. Некоторые участки могут иметь вид параллельно включенных конструктивно отличающихся цепочек трубных элементов, имеющих общие входные и выходные коллекторы. Расчетная гидравлическая схема топочных экранов котла ТМП-501 приведена на рис. 1.
Математическая модель представляет систему уравнений в частных производных, выражающих законы сохранения массы, количества движения и энергии в одномерном приближении для одно- и двухфазных потоков с соответствующими начальными и граничными условиями и замыкающими алгебраическими зависимостями. Системы уравнений, описывающие гомогенный поток рабочего тела и двухфазный поток с учетом скольжения, приведены к единому виду. При этом были приняты допущения: одномерная модель течения; неоднородность распределения параметров по сечению учитывается косвенно; величины напорного паро-содержания, коэффициентов гидравлического сопротивления, энтальпии, плотности воды и пара вычисляются в зависимости от расчетного давления, расхода среды и средней энтальпии потока; пароводяная смесь считается термодинамически равновесной; аккустические эффекты не учитываются.