Паровые котлы ТЭС

Компоновка и строительные конструкции

Компоновка парового котла. Компоновкой парового котла называют взаимное располо­жение газоходов и направление движения в них продуктов сгорания. Различают П-, Т-, N-, U-образную, четырехходовую и башенную компоновки (рис. 21.1).

П-образная компоновка — наиболее рас­пространенная (рис. 21.1,а). В подъемной шахте располагается топочная камера, в опускной — конвективные поверхности нагре­ва. Ее преимущество — подача топлива и вы­ход газов производятся в нижней части агре­гата, что удобно для вывода жидкого шлака и установки дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева. Тягодутьевые машины устанавливают на нулевой отметке, что исключает вибрационные нагрузки на каркас котла. Недостатки компоновки: в связи с раз­воротом на 180° возникают неравномерности омывания поверхностей нагрева продуктами сгорания и концентрации золы по сечению конвективной шахты.

. Для уменьшения глубины конвективной

Ф

V

Її

0

IUL

Ж

У

Шахты и высоты соединительного газохода в мощных котлах применяют Т-образную ком­поновку с двумя конвективными шахтами, расположенными по обе стороны топки (рис. 21.1,6). Суммарное сечение обеих кон­вективных шахт увеличивается при сохране­нии обычных габаритов и способов крепления конвективных поверхностей нагрева. Тяго - дутьевые машины также устанавливаются на нулевой отметке. Т-образная компоновка особенно подходит для котлов, работающих на топливе с абразивной золой (типа экиба - стузских), для которых в целях уменьшения золового износа ограничивают скорость про­дуктов сгорания. Однако при такой компонов­ке возникают конструктивные затруднения в отводе продуктов сгорания от двух конвек­тивных шахт. Конструкция Т-образного кот­ла сложнее П-образного, она требует и боль­шего расхода металла.

Иногда применяют, особенно часто в ФРГ, где принята верхняя установка дымососов, трехходовую компоновку (рис. 21.1,в). В этом случае топка и конвективный газоход имеют подъемное движение продуктов сгорания, а соединительный газоход — опускное. При сжигании очень зольных топлив, имеющих легкоплавкую золу (сланцы), применяют четырехходовую компоновку (рис. 21.1г). Ха­рактерная особенность такой компоновки — на­личие промежуточных га­зоходов, в которых во избежание шлакования проходных сечений в зо­не высоких температур размещены разреженные поверхности нагрева (на­пример, ширмы).

В мощных котлах с наддувом иногда при­меняют башенную ком­поновку (рис. 21.1,(3). Здесь продукты сгорания в топке и конвен - тивной шахте движутся только вверх. Такая компоновка обладает следующими достоинст - ствами: минимальная площадь агрегата в плане; равномерное омывание конвектив­ных поверхностей нагрева продуктами сгора­ния из-за отсутствия поворотов газов; мини­мальное газовое сопротивление благодаря от­сутствию опускных газоходов и поворотов га­зов. К недостаткам компоновки этого типа от­носятся: трудность в создании конструкции для опирання конвективных поверхностей на­грева, размещение на большой высоте выход­ных пакетов пароперегревателей, вентилято­ров и дымососов, невозможность применения дробевой очистки конвективных поверхностей. Существуют полубашенные компоновки, в которых регенеративный воздухоподогрева­тель и тягодутьевое оборудование устанавли­ваются внизу, соединяясь с башенной частью котла незаполненным поверхностями нагрева опускным газоходом.

Башенная компоновка более целесообраз­на для газомазутных котлов с наддувом и при установке воздухоподогревателей, воздуходу­вок и дымовой трубы на их каркасе, что тре­бует усиления его конструкции. Башенная компоновка целесообразна и для котлов, сжи­гающих бурые многозольные угли, так как

При такой компоновке удается избежать по­ворота озоленных продуктов сгорания и свя­занного с ним интенсивного золового износа конвективных поверхностей нагрева.

В U-образной двухходовой компоновке (рис. 21.1,е) продукты сгорания *в топке дви­жутся вниз, а в конвективной шахте — вверх (инвертный вариант). Горелки расположены на потолке топочной камеры. Достоинства такой компоновки: факел хорошо заполняет топочную камеру, пароперегреватели распо­ложены низко (короче паропроводы к тур­бинам), аэродинамическое сопротивление воз­душного тракта минимально (воздухоподогре­ватель находится вблизи горелок). Недостат­ки: транспортировка топлива на большую вы­соту и расположение на большой высоте вен­тиляторов, дымососов и золоуловителей. U - образная компоновка с инвертной топкой мо­жет использоваться при сжигании газа, мазу­та, а также твердого топлива при удалении шлака в твердом состоянии.

В котлах большой мощности возникают дополнительные требования к компоновке, выдвигаемые их конструкцией. Эти требова­ния вызваны большими размерами агрегата в плане, необходимостью применения вторич­ного перегрева пара и повышения надеж­ности котла, работающего в блоке с тур­биной.

Уменьшения пролета потолочных балок достигают при разделении топки и конвектив­ной шахты на две части. Образуется паровой котел в виде двух корпусов (каждый со своим каркасом и отдельной обмуровкой), в кото­рых поверхности нагрева расположены сим­метрично (двухкорпусная симметричная ком­поновка). При наличии отключающей армату­ры отдельного корпуса и симметричных обоих корпусов технологическая схема соответству­ет дубль-блоку. В дубль-блоке симметричная компоновка позволяет работать с половинной мощностью блока на одном корпусе при ос­тановленном другом, что несколько улучшает маневренные свойства, но удорожает установ­ку и повышает удельный расход топлива нз 1 кВт-ч, так как при работе на одном кор - пусе с половинной нагрузкой блока гидрав­лическое сопротивление перегревателя соот­ветствует номинальному. Экономичность тур­бины на частичных нагрузках тоже снижа­ется.

В двух - и многоходовых схемах движения газов топку и газоходы выполняют с проме­жутком между ними и самостоятельной об­муровкой или без промежутка с общей разде­ляющей стенкой из плотных экранов Их называют соответственно разомкнутыми (рис. 21.1,а, б, г, е) и сомкнутыми (рис. 21.1,0, ж) газоходами.

Для размещения воздухоподогревателей либо используют нижнюю часть конвектив­ной шахты, либо их выносят за пределы кот­ла или даже за пределы главного здания. Этим освобождается место для установки го­релок или при необходимости для применения дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева. Компоновка отдельных поверхностей нагрева подробно рассмотрена в гл. 17—19.

Каркас парового котла. Современные мощ­ные котлы отечественного производства, как правило, выполняют с П-образной и Т-образ­ной компоновкой. Различие конструкций этих агрегатов и распределение нагрузки, вызы­ваемой их элементами, оказывают непосред­ственное влияние на конструкцию каркаса.

Каркас представляет собой металлическую конструкцию, предназначенную для установ­ки всех элементов котла: барабана, поверхно­стей нагрева и коллекторов, обмуровки, изо­ляции и обшивки, трубопроводов и коробов, помостов и лестниц обслуживания и др. Раз­личают каркасы с самостоятельным фунда­ментом, не связанным со строительной конст­рукцией здания, и каркасы, совмещенные с несущими конструкциями здания.

В конструкциях с самостоятельным фунда­ментом каркас воспринимает всю весовую нагрузку котла и передает ее на фундамент. Нагрузка на фундамент складывается из мас­сы котла и его каркаса и массы рабочего тела — воды и пара. В южных районах, где по климатическим условиям допускают откры­

Рис. 21.3. Совмещенный со зданием каркас газоплотного котла П-67 (£> = = 2650 т/ч).

1 — колонна здания; 2 — рабочая среда к 1-ыу ходу НРЧ; 3 —балки жесткости; 4 — подвесные трубы («горячие» подвески) балок жесткости; 5 — траверса; б — стой­ка; 7 — ферма для подвески боковой стен­ки топки; 8 — «теплый ящик»; 9 — хребто­вые балки; 10 — межхребтовая балка; 11 — подхребтовая балка; 12 — смеситель рабо­чей среды; 13 — рабочая среда к подвес­ным трубам фронтовой (задней) стенки топкн; 14 — то же боковой стенки; 15 — фестон; 16 — выходной коллектор КПП;

17 — выходной коллектор экономайзера;

18 — подвеска к межхребтовым балкам;

19 — подвесная труба («холодная»); 20 — подвесные трубы пароперегревателя и эко­номайзера (совпадают); 21 — экраны кон­вективной шахты; 22 — топочные экраны.

Тую или полуоткрытую компо­новку оборудования, каркас воспринимает еще ветровую, а часто и сейсмическую на­грузку.

На рис. 21.2 показана схема не­совмещенного со зданием каркаса прямоточного котла (П-57, D= 1650 т/ч) при Т-образной компо­новке. Каркас состоит из несущих вертикальных колонн, горизонталь­ных балок и опорных ферм, хребто­вых балок, потолочного перекрытия, связей и стоек. Все соединения эле­ментов каркаса электросварные.

Число несущих колонн зависит от мощности агрегата. Обычно ко­лонны устанавливают только по уг­лам топочной камеры и конвектив­ного газохода. В агрегатах большой паропроизводительности с сильно развитыми поперечными размерами между угловыми устанавливают еще дополнительные колонны. Все колон­ны по высоте обвязаны поперечными балками или фермами. Они увеличи­вают устойчивость каркаса, предот­вращают продольный изгиб колонн, служат для опоры барабана в бара­банном котле, подвески поверхностей нагрева и опорных конструкций для помостов обслу­живания и передают весовую нагрузку от последних на колонны. Вспомогательные стойки и горизонтальные балки имеют меньшее сечение и служат для придания каркасу большей жесткости и крепления топочных эк­ранов, коллекторов, коробов горячего воздуха и пр.

Колонны каркаса передают на фундамент весьма большую сосредоточенную нагрузку. Для уменьшения удельного давления на фундамент нижнюю часть колонн заканчивают опорными башмаками. Расход металла на каркас зависит от мощности агрегата и составляет 0,8—1,2 кг на 1 кг часовой паропроизводительности. Несущие колонны и балки необогреваемы. Этим облег­чаются условия работы металла и предупреждаются большие термические напряжения. Для изготовления каркасов применяют углеродистую сталь, главным обра­зом Ст. 3. В ограниченных количествах для изготовления вспомогательных нерассчитываемых элементов исполь­зуют также Ст. 0.

Применение газоплотных сварных экранов (см. § 17.3) и облегченной обмуровки позволило резко (до

ЗО—50%) уменьшить массу кома. В этих условиях каркас здания способен без особых усилений восприни­мать нагрузку от подвески к нему облегченного котла. Барабан и все поверхности нагрева топки и конвектив­ной шахты вместе с изоляцией, обшивкой и другими элементами подвешивают к мощным перекрытиям зда­ния со свободным расширением вниз. При этом каркас котла служит лишь для обеспечения жесткости конструк­ции агрегата и его подвески к зданию. В таких кон­струкциях каркас обеспечивает жесткость сварных экранных панелей, воспринимает давление газового трак­та (в котлах с наддувом), служит опорой для помостов и лестниц. Пример одного из вариантов совмещенного со зданием каркаса показан на рнс. 21.3. Подвеска кот­ла осуществляется только к хребтовым балкам главного здания, без связи с его стенами, что исключает передачу деформаций здания на конструкции котла. Последний через межхребтовые балки монтируется на большом чис­ле подвесок, выбираемых в соответствии с размещением блоков поверхностей нагрева и поясов жесткости. По­верхности нагрева связаны с каркасом, и для предот­вращения температурных напряжений их температурные перемещения должны быть одинаковыми. Это обеспечи­вается с помощью «горячих» подвесок, выполненных из труб, по которым движется рабочая среда с температу­рой, равной или близкой к температуре среды в соответ­ствующих поверхностях нагрева. В котле с наддувом давление в газовом тракте воспринимается горизонталь­ными балками, установленными с шагом 2,5—3,0 м на всех стенах топки, конвективных и соединительных го­ризонтальных газоходов. Эти балки обеспечивают жест­кость стен котла.

Подвесные конструкции позволяют упраз­днить фундамент котла, освободить место под ним для размещения вспомогательного обору­дования, значительно экономить металл, рас­ходуемый на каркас, ускорить строительные работы.

В холодном состоянии котел и его элемен­ты имеют определенные габариты и занимают определенное пространственное положение, отвечающее температуре окружающего возду­ха. В рабочем состоянии габаритные характе­ристики и их местоположение в пространст­венной системе существенно изменяются. Пе­ремещения определяются температурой ме­талла в рабочем состоянии и длиной элемента от неподвижного места крепления. При вели­чине температурного коэффициента удлине­ния металла 0,012-10~3 м/К перемещения мо­гут достигать 300 мм и более.

На рис. 21.4 показаны тепловые расширения ряда элементов на примере подвесного котла ТГМП-204. Все отметки обозначены в холодном состоянии. Перемеще­ния подсчитаны по температуре металла в эксплуата­ции. Вертикальные перемещения обозначены через Я, горизонтальные /. Соответствующие цифровые индексы для каждого элемента одинаковы. В приведенном при­мере горизонтальные перемещения обозначены только для общего короба топочной камеры Лэ и коллекторов регулирующей ступени промежуточного пароперегревате­ля /20 и /2і.

Для предотвращения возникновения дополнительных напряжений, вызываемых тепловыми деформациями, кон­струкция котла должна предусматривать свободу тепло­вых расширений. Паровой котел связан с внешним обо­рудованием, обеспечивающим его работу: пылепригото - вительной установкой, питательными трубопроводами. Он связан с турбиной паропроводами. Все эти трубо-

Проводы обеспечивают свободу расширения котла обыч­но за счет их самокомпенсации. Исключение составляют пылеприготовительные установки с мельничными венти­ляторами, в которых нет пылепроводов достаточной про­тяженности, и мельницы непосредственно присоединены к горелкам. В этих условиях амбразуры горелок свобод­но перемещаются относительно плоскости неподвижных горелок, а зазоры между ними уплотняются (рис. 21.5).

«Теплый ящик». В мощных паровых котлах через потолок наружу проходит огромное количество труб и подвесок поверхностей нагрева. Обеспечить достаточную плотность прохода через потолок всех элементов в газо - ллотных котлах затруднительно. Поэтому потолок кот­лов покрывают герметичной стальной оболочкой, обра­зующей с ним «теплый ящик», заполняемый горячим воздухом от воздухоподогревателя. Давление воздуха в «теплом ящике» несколько выше давления продуктов сгорания в верхней части топки. Этим предотвращается проникновение через потолок продуктов сгорания на­ружу, но несколько увеличивается присос воздуха.

Количество проходов через «теплый ящик» наружу во много раз меньше, чем через потолок котла, — это главным образом внешние коммуникации и подвески коллекторов поверхностей нагрева. Перечисленные эле­менты конструкции выводятся через сильфоны.

При останове котла расхолаживание топочной каме­ры и газоходов для осмотра и ремонтных работ дости­гается через 5—6 ч. Достаточное естественное остывание «теплого ящика» для указанных целей наступает только через 20—30 ч. Для ускорения расхолаживания «теплый ящик» продувают холодным воздухом.

Обмуровочные ограждения. Обмуровочные ограж­дения являются важным элементом парового котла, тре­бующим большой затраты материалов и труда для их выполнения. Они в значительной мере оказывают влия­ние на режим работы топки и конвективных газоходов. В мощных котлах масса обмуровки столь значительна, что оказывает существенное влияние на конструкцию каркаса и фундамента.

В негазоплотных котлах обмуровка представляет собой сплошные наружные стены, выполненные из кера­мических материалов, отделяющих газовый тракт котла от окружающей среды. Она подвергается воздействию раскаленных топочных продуктов сгорания, в потоке ко­торых содержатся зола, расплавленный шлак и недого- ревшие частицы топлива, изменению давления в топке (при обрыве факела и повторном зажигании топлива), переменным температурным напряжением, возникающим при пуске и останове котла, а также при колебаниях нагрузки, нагрузкам от температурных перемещений элементов котла, воздействию статических нагрузок от вышерасположенных конструкций и др. Наиболее опас­ны температурные напряжения, возникающие при пусках и остановах из-за неравномерности прогрева элементов котла, в результате чего в обмуровке возникают сжи­мающие, растягивающие и срезывающие усилия.

Учесть воздействие всех факторов на обмуровку при ее расчете и конструировании невозможно. Поэтому по­вышения надежности обмуровки достигают выбором материалов, способных работать в указанных тяжелых условиях, и разработкой конструкций, позволяющих уменьшить воздействие этих условий (составная кон­струкция обмуровки, температурные швы, компенсаторы и др.). Масса 1 м3 современной легкой обмуровки со­ставляет около 850 кг. Масса обмуровки, отнесенная к 1 кг часовой паропроизводительности котла, состав­ляет 0,4—0,5 кг и более. Всего на обмуровку котла большой мощности расходуют более 2 тыс. т керамиче­ских материалов. Обмуровка должна быть огнеупорной, механически прочной, высокоплотной, обладать хороши­ми теплоизоляционными свойствами, хорошо сопротив­ляться температурным напряжениям и воздействию золы и расплавленных шлаков. Конструкция обмуровки тесно

A

Ш

Связана с трубной системой поверхности нагрева топоч­ной камеры и конвективных газоходов.

В современных энергетических котлах применяют обмуровку двух типов: натрубную, которую крепят не­посредственно к экранным ограждениям топки и газо­ходов и передают на них нагрузку от обмуровки, и на - каркасную щитовую, которую крепят к каркасу котла. Щитовую обмуровку изготовляют в виде блоков в за­водских условиях и устанавливают одновременно с мон­тажом котла. Обмуровка выполняется многослойной: ближе к газовому тракту — огнеупорный слой с предель­ной рабочей температурой 1500—1800°С, далее два — три слоя теплоизоляционного материала в зоне темпера­туры 500—900°С. Наружную поверхность обмуровки по­крывают уплотняющей газонепроницаемой штукатуркой (допустимая рабочая температура 100—200°С) или ме­таллической обшивкой. При мембранном исполнении экранов газоплотных котлов (см. § 17.3) достаточна легкая натрубная изоляция.

В ряде конструкций применяют комбинированную обмуровку: накаркасную щитовую в области призмати­ческой части топки и натрубную для холодной воронки или наклонного пода. При расширении экранных бло­ков, подвешенных к потолочным балкам каркаса, на­трубная обмуровка перемещается вниз вместе с труба­ми. Во избежание присоса воздуха в месте сочленения обеих частей обмуровки по периметру топки образуют температурный шов (горизонтальная плоскость /—/ на рис. 21.6,а). Для ограждения конвективных газоходов обычно применяют накаркасную обмуровку. При натруб - ной обмуровке топочной камеры по периметру горизон­тального газохода предусматривают температурный шов в вертикальной плоскости (II—II на рис. 21.6,6), соеди­няющий шахты топочной камеры и конвективного газо­хода. В ряде конструкций натрубную обмуровку рас­пространяют и на часть конвективной шахты с располо­жением температурного шва III—III по периметру вер­тикального газохода (рис. 21,6,в). Чем большую часть поверхности котла охватывает натрубная обмуровка, тем при меньшей температуре работает температурный шов и тем проще и надежнее его конструкция.

Тепловая изоляция. Барабан и коллекторы, паро­проводы перегретого пара, питательные трубопроводы, трубопроводы непрерывной продувки, газовоздухопрово­ды н т. д. находятся вне обмуровки и располагаются вокруг агрегата, над потолком или вдоль его стен. Пе­речисленные элементы оборудования имеют температуру 200—600°С, и их покрывают тепловой изоляцией для защиты персонала от ожогов и уменьшения потери теп­лоты в окружающую среду. Допустимая по санитарным условиям температура наружной поверхности изоляции не должна превышать 55°С. Высококачественная тепло­вая изоляция позволяет уменьшить тепловые потери по сравнению с неизолированной поверхностью на 95—97%, что обеспечивает также улучшение санитарно-гигиениче­ских условий труда. Изоляция барабана, коллекторов,
трубопроводов и арматуры, кроме того, улучшает усло­вия работы металла этих элементов, так как уменьшает­ся температурный перепад по толщине металла, а следо­вательно, снижаются и температурные напряжения. На­ружной поверхности изоляции придают гладкую и меха­нически прочную поверхность оклейкой ее хлопчатобу­мажной тканью с последующим окрашиванием либо по­крывают металлическим кожухом и также окрашивают. Окраска позволяет различать по цвету разные потоки.