КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Принципы компоновки поверхностей парового котла

Как известно из гл. 1, паровой котел состоит из трех основных эле­ментов: топочная камера с развитым радиационным теплообменом, газоход пароперегревателя (горизонтальный) со смешанным радиационно-конвек- тивным теплообменом и конвективная шахта с развитым конвективным теплообменом. Взаимное расположение газоходов и направление движе­ния в них продуктов сгорания определяет профиль парового котла. Наибо­лее распространенным является П-образный профиль котла, но возможны и другие варианты, о чем будет сказано ниже. Последовательность располо­жения поверхностей нагрева вдоль газового тракта объединяется понятием компоновка поверхностей нагрева парового котла.

Компоновка поверхностей в газоходах котла оказывает непосредствен­ное влияние на общие размеры котла, расход высококачественного металла для выполнения его поверхностей и надежность работы котла. Поверхность нагрева с определенной средней температурой рабочей среды может быть размещена в разных температурных зонах газового тракта. Выгоднее поме­стить ее в зоне с более высокой температурой продуктов сгорания, тогда за счет более интенсивного теплообмена в этой зоне заметно уменьшается размер поверхности нагрева, но одновременно растет рабочая температура металла, и для обеспечения надежности потребуется использовать более высококачественный и дорогой металл для труб поверхности. С учетом различной температуры рабочей среды в поверхностях нагрева и различ­ной интенсивности отвода теплоты от металла, что определяет его мак­симальную температуру, возможны многочисленные варианты размещения поверхностей вдоль газового тракта, т. е. многочисленные варианты ком­поновок. Отсюда возникает задача оптимизации компоновки поверхностей с целью снижения металлоемкости и стоимости парового котла в целом.

Основные принципы оптимизации конструкции парового котла сводят­ся к следующим положениям.

В топочной камере парового котла имеют место самые высокие теп­ловые потоки на экранные поверхности, но за счет плотного расположения труб у стен топки этот тепловой поток воспринимает только лобовая сторо­на трубы, т. е. «работает» на тепловосприятие примерно половина наружной поверхности трубы. В зоне конвективного теплообмена заметно ниже ин­тенсивность тепловых потоков, но здесь в тепловосприятии участвует вся наружная поверхность трубы. К тому же надо учесть, что радиационный теплообмен резко снижается с понижением температуры, а конвективный — зависит от скорости газов и величины температурного напора между газо­вым потоком и рабочей средой. Раздел между поверхностями с преимуще­ственным радиационным и конвективным теплообменом находится в зоне выхода из топки.

В итоге оптимальное соотношение доли радиационного и конвективно­го теплообмена в котле определяется выбором температуры газов на выходе из топки при которой удельное тепловосприятие единицы поверхности трубы примерно одинаково как от радиационного, так и конвективного теп­лообмена. В зависимости от технологии производства поверхностей, сред­ней стоимости металла, используемого для поверхностей котла, значение - 1 250 - f - 1 300°С. Указанное оптимальное значение д" можно иметь только при сжигании топлив, не имеющих золы (газ, мазут). В остальных случаях (твердые топлива) для исключения шлакования плотных радиаци - онно-конвективных поверхностей, расположенных на выходе из топки, при­ходится снижать эту температуру до значения 1 050-1 150°С и, тем самым, развивать топочные экраны (или сильно разреженные ширмы) в верхней части топки, работающие в этой области температур с низкой эффективно­стью.

Поверхности нагрева вдоль газового тракта (с учетом снижения темпе­ратуры газов по тракту) следует размещать таким образом, чтобы в каждой из них существовал достаточный перепад температур между греющими газами и тепловоспринимающей рабочей средой, что обеспечивает ее теп­ловую эффективность. Это положение формулируется следующим образом: поверхности нагрева располагают вдоль газового тракта по мере уменьше­ния средней температуры рабочей среды в них (рис. 6.8). Действительно, средняя температура £0.пе > *п. пе > ^эк > t. Bl]. Таким образом, обеспечи­вается общее противоточное движение греющей газовой среды и рабочей сРеды в котле в целом, что требует минимальной затраты поверхностей н^грева. Исключение из этого общего принципа имеет место в поверхно-

УГ

У а

Оп

Рис. 6.8. Компоновка поверхностей вдоль газового тракта: ТЭ - топочные экраны; ОП — основной перегреватель; ПГ — промежуточный перегреватель; ЭК — эконо­майзер; ВП — воздухоподогреватель; Тл — топливо; УГ — уходящие газы.

Сти топочных экранов. Как правило, в них поступает рабочая среда после конвективного экономайзера и выходит либо в виде кипящей воды и пара (котлы с естественной циркуляцией), либо частично перегретого (прямо­точные котлы). Здесь самые высокие тепловые напряжения поверхности и температура продуктов сгорания. Поэтому на первое место выступает за­дача надежности работы металла поверхностей. При размещении в топке поверхностей пароперегревателя (согласно общему принципу) невозможно обеспечить надежность работы металла, так как теплоотвод к пару заметно слабее, чем к кипящей жидкости.

Уменьшение размеров каждой поверхности можно обеспечить при со­хранении противоточного движения газовой и рабочей среды в пределах поверхности. Так делают во всех конвективных поверхностях, пока тем­пература металла не достигнет предельного значения для данной марки стали. В поверхностях, где достигается наиболее высокая температура рабо­чей среды (ОП, ПП) по условиям надежности металла, приходится частич­но (на части поверхности) переходить на прямоточное движение сред (см. рис. 6.8), размещая самые «горячие» трубные змеевики в зоне пониженных температур газов и тепловых потоков и обеспечивая тем самым надежную работу металла. Варианты взаимного расположения пакетов пароперегре­вателей в разных типах паровых котлов (компоновки пароперегревателей) показаны в § 2.3.