Котельные установки

Классификация и конструкция пароперегревателей

Пароперегреватели можно классифицировать по ряду признаков.

Признак 1. По месту установки пароперегреватели можно разделить на центральные и индивидуальные. Центральные пароперегреватели, независимо от котлоагрегата, имеют свою топку. Индивидуальные - расположены в газо­ходах котла. Центральные пароперегреватели распространения не получили. Их устанавливают:

В котлах малой мощности, когда пар к потребителю приходит очень влажный;

Для вторичного перегрева пара. Один из способов - газовый перегрев либо в котельной, либо в машинном зале.

Признак 2. По расположению труб змеевиков. Различают пароперегре­ватели:

С вертикальным расположением змеевиков;

С горизонтальным расположением змеевиков.

В котельных агрегатах отечественных конструкций змеевики паропере­гревателей в большинстве случаев располагают вертикально, что упрощает крепления и дает экономию жароупорных сталей, необходимых для изготов­ления подвесок. Иногда гибы змеевиков пароперегревателя помещают в обму­ровку потолочного перекрытия, избегая тем самым применения подвесок из легированных сталей.

Основным недостатком вертикально расположенных змеевиков является невозможность дренирования влаги, конденсирующейся после остановки кот­ла. Наличие влаги вызывает коррозию труб, растворение солей, осевших на стенки, и постепенное накопление в нижней части ""калачей" солей и продук­тов коррозии, что может привести к пережогу труб.

Пакеты с горизонтально расположенными змеевиками хорошо дрениру­ются, но их крепление конструктивно сложнее и требует большого количества жаропрочных сталей.

При горизонтальном расположении змеевиков для фиксации положения отдельных змеевиков один относительно другого между ними устанавливают дистанционные гребенки.

Недостаток вертикального расположения - образование водяных пробок и при растопке - отсутствие циркуляции в отдельных змеевиках.

В современных мощных котлоагрегатах с высотой газохода, доходящей до 6-8 м, тепловая нагрузка верхней и нижней части змеевиков может разли­чаться на 20 % и более. При вертикальном расположении змеевиков эта нерав­номерность отрицательного влияния не оказывает.

В то же время существует неравномерность температур по ширине газохода. В мощных котлоагрегатах в результате этой неравномерности тепло­
вая нагрузка отдельных змеевиков может превышать среднюю более чем на 30 %. Змеевики конвективного вертикального пароперегревателя обычно распо­лагают в коридорном порядке, что уменьшает опасность шлакования при сжи­гании высокозольных углей.

Высота газохода котла, а следовательно, и змеевиков превышает 3-5 м, поэтому змеевики достаточно гибкие. Для увеличения жесткости и дистанцио - нирования на нижние петли змеевиков укладывают дистанционирующие гре­бенки из жаростойкого чугуна и скрепляют при помощи хомутов из жаростой­кой стали.

Змеевик пароперегревателя мо­жет быть выполнен из одной, двух и более труб (параллельно выходящих из одного сечения коллектора). Он назы­вается одно - или многониточным (рис. 12.1). Увеличение количества парал­лельных труб в змеевике позволяет разместить большую поверхность на­грева в одних и тех же габаритах газо­хода.

Скорость пара в трубах паропе­регревателя выбираются из условия температурного режима труб. В первичных пароперегревателях она обычно

2 "I—Г u u

Находится в пределах 500-1200 кг/м"с. При этом с большей весовой скоростью выполняют последние по ходу пара ступени, а также радиационные, а иногда и ширмовые пароперегреватели. Во вторичных пароперегревателях, располо­женных в конвективных газоходах, весовая скорость пара снижается до 250- 400 кг/м"с с целью уменьшения гидравлического сопротивления.

Фестонирование парных по ходу газов петель пароперегревателя выполняют для уменьшения опасности шлакования. Этого достигают увели­чением продольного шага нечетных петель змеевиков. Предельный шаг каж­дого четного змеевика - меньше. В результате этого нечетные змеевики ока­зываются выдвинутыми в топку. При фестонировании трубы располагают в шахматном порядке с удвоенным шагом по ширине газохода. В схемах паро­перегревателей с горизонтальным расположением змеевиков плоскость змее­вика может быть как горизонтальной, так и вертикальной. В горизонтальных газоходах может использоваться только первый тип, так как плоскости змее­виков должны быть ориентированы в направлении потока. В противном слу­чае неравномерность в обогреве отдельных змеевиков будет чрезмерной. По этой же причине в вертикальных газоходах используют горизонтальные паро­перегреватели с расположением змеевиков в вертикальной плоскости (чтобы змеевик начинался в зоне минимальной температуры газов, а заканчивался в зоне максимальной).

Горизонтальные пароперегреватели образуют чаще всего шахматный пучок. Горизонтально расположенные змеевики обычно выполняют однони-
точными. При многониточных образуются горизонтальные ""полочки", на ко­торых накапливается зола.

Признак 3. По условиям теплообмена пароперегреватели разделяются:

1) конвективные;

2) радиационные;

3) полурадиационные (комбинированные).

Выбор схемы пароперегревателя является одной из сложных технических задач. Конструкция и компоновка перегревателя зависят от параметров пара, способов сжигания, свойств топлива, условий регулирования и эксплуатации, профиля и назначения котельного агрегата. При этом должна быть обеспечена высокая надежность его работы при минимальной стоимости. Часто конвек­тивный пароперегреватель применяют в котлах с умеренной величиной темпе­ратуры пара.

Повышение параметров пара приводит к повышению доли тепла, идущей на перегрев пара. Пароперегреватель увеличивается и перемещается в зону бо­лее высоких температур (для повышения разности температур).

Исследования, проведенные проф. С. Я. Корницким, показали, что при параметрах выше 10 МПа и 500 °С применение пароперегревателя только кон­вективного типа нецелесообразно.

Для уменьшения поверхно­сти нагрева часть перегревателя целесообразно перенести в топку. Такое же решение следует при­нять и при рассмотрении регули­ровочной характеристики паро­перегревателя. При конвективном пароперегревателе зависимость температуры перегрева от нагруз­ки представлена кривой 2 (рис. 12.2). При радиационном пароперегревателе эта зависи­мость представлена кривой 1 (^уменьшается с ростом Д). Кривая 3 представляет изменение tne от Д при комбинированном пароперегревателе. По кривой видно, что с изменением на­грузки температура перегрева почти не изменяется.

Таким образом, в котлах с высокими и сверхвысокими параметрами пара появляются радиационные и полурадиационные поверхности нагрева. Распре­деление тепловосприятия между радиационной, полурадиационной (ширмо - вой) конвективными частями перегревателя определяется при компоновке котлоагрегата. В современных конструкциях котлов приращение энтальпии пара в радиационном и полурадиационном пароперегревателях доходит до 50 % и более ее общей величины.

Радиационные пароперегреватели выполняют в виде горизонтальных либо вертикальных лент, размещаемых на стенках или потолке топки.

В отечественных прямоточных котлах радиационный пароперегреватель выполняют в виде настенных горизонтальных экранов (в верхней части топки) и потолочных труб.

Радиационный пароперегреватель барабанных котлов изготавливают иногда в виде вертикальных экранов, которые лучше, чем горизонтальные, со­четаются с вертикальными испарительными экранами. Радиационные паропе­регреватели могут быть выполнены в виде вертикальных экранов, занимаю­щих либо верхнюю часть стенки, либо на всю высоту. Второе более предпоч­тительно, так как расположение пароперегревателя на верхней части стен топ­ки снижает высоту соответствующего испарительного экрана, что приводит к ухудшению циркуляции в нем.

Часто пароперегревательные трубы размещают между испарительными.

Радиационные пароперегреватели работают с высокими тепловыми на­грузками, особенно в области ядра факела. Это повышает требование к метал­лу труб и усложняет растопку котла, особенно в первый период, в связи с трудностями в обеспечении допустимой температуры стенки при небольшом расходе пара. Способы охлаждения поверхности пароперегревателя при рас­топке будут подробно рассмотрены ниже.

Полурадиационные (ширмовые) пароперегреватели устанавливают на выходе из топки с расстоянием между соседними ширмами 500-2000 мм (рис. 12.3). Шаг труб в ширме S2/d = 1,1. Изготовляют из труб 32-42 мм.

Трубы, образующие ширмы, располагают как вертикально, так и горизонтально. Преимущества и не­достатки того или иного способа вы­полнения ширм такие же, как и соот­ветствующих конструкций конвек­тивных пароперегревателей.

Ширмовые поверхности нагре­ва меньше шлакуются, чем конвек­тивные, поэтому их можно ставить в области с более высокой температу­рой газа.

Для предотвращения выгибания плоскости ширм и нарушения дис­танции между ними, соседние ширмы соединяют отдельными трубами, при помощи хомутов (см. рис. 12.3). В нижней части средние трубы перевязывают остальные.

Расчеты и исследования показывают, что ширмовые поверхности нагре­ва целесообразно применять в газоходах с температурой газа более 1000-1050
°С, их тепловая эффективность быстро растет при дальнейшем повышении температуры газа.

Признак 4. По характеру теплообмена различают пароперегреватели различных схем (рис. 12.4): прямоточные (а); противоточные (б); смешанного тока (в).

Сі г)

Ч=г/

Ічччччччччччччччччі

Рис. 12.4. Схемы включения конвективных пароперегревателей

В газовый поток

С точки зрения теплопередачи наиболее выгодна противоточная схема (рис. 12.4, б), так как получается более высокое значение температурного на­пора (A t). Однако в противоточном перегревателе выходная часть змеевиков имеет наиболее высокие тепловые нагрузки. В результате этого температура стенки может быть такой, что потребуется применение более дорогих высоко­легированных сталей. Поэтому в тех случаях, когда использование противото­ка приводит к значительному удорожанию поверхности нагрева (применение более дорогих сталей), используют схемы смешанного тока. Получается ""спрятанная" петля (рис. 12.4, б'). Зачастую в современных котлоагрегатах вы­сокого и сверхвысокого давления первую ступень пароперегревателя выпол­няют противоточной, а вторую - почти полностью прямоточной.