Паровые котлы ТЭС

Методы повышения надежности топочных экранов и их конструкции

Гладкотрубные экраны применяют в кот­лах всех систем, работающих под разреже­нием (с уравновешенной тягой). При естест­венной циркуляции топочные экраны распола­гают почти исключительно вертикально и в от­дельных случаях круто наклонно. Учитывая возможность организации движения пароводя­ной смеси со скоростью, предотвращающей нарушение гидравлических режимов, парооб­разующие поверхности котлов прямоточных и с многократной принудительной циркуляцией можно ориентировать в пространстве любым способом, выполняя топочные экраны верти­кальными, горизонтальными и подъемно-опуск­ными.

В соответствии с особенностями естествен­ной циркуляции и принудительного движения рабочей среды ниже рассматриваются методы повышения надежности топочных экранов кот­лов с естественной циркуляцией и прямоточ^ ных котлов и их конструкции.

Методы повышения надежности циркуля­ции. В правильно спроектированных и выпол­ненных контурах циркуляции при нормальной эксплуатации котлов обычно не возникает трудностей в отношении надежной их работы. Напомним, однако, что с повышением давле­ния движущий напор циркуляции падает (см. § 12.1). Рост единичной паропроизводительно­сти котла связан с увеличением ширины пане­лей циркуляционных контуров, а следователь­но, с большими неравномерностями обогрева параллельно работающих труб, отрицательно влияющими на циркуляцию. Существенно по­вышается интенсивность обогрева парообразу­ющих труб с увеличением мощности.

Переход к мощным энергетическим уста­новкам на высокие параметры пара в усло­виях постоянного развития теплоэнергетики повышает требования к надежности котла в целом и надежности контуров циркуляции в особенности.

Основным источником нарушения циркуля­ционных режимов является неравномерность обогрева по ширине контура. Неравномерность обогрева по высоте труб контура играет мень­шую роль, так как при этом все параллельно включенные и вертикально расположенные трубы получают одинаковое количество тепло­ты и охлаждаются одинаковым количеством проходящей через них воды. Неравномерность обогрева по ширине вызывается конструктив­ными особенностями контура циркуляции (см. рис. 12.11) и условиями эксплуатации (см. рис. 12.12). Неравномерности обогрева, вызы­ваемые конструктивными особенностями кон­тура, с той или иной полнотой всегда могут быть учтены в процессе проектирования. Ме­нее определенные неравномерности возникают в процессе эксплуатации. Главным фактором неравномерности тепловосприятия является шлакование. Шлакование никогда не бывает равномерным по всей поверхности экрана, оно зависит от мнцріх факторов и, в частности, от воздушного режима в топке, равномерности подачи топлива через горелки в топочную ка­меру и др. Сильно зашлакованные и потому слабообогреваемые трубы получают в целом меньше теплоты по сравнению с чистыми тру­бами, и поэтому у них и меньший движущий напор, и через них проходит и меньше охлаж­дающей (циркулирующей) воды. Такие трубы плохо охлаждаются; они могут перегреваться в оголенных участках вследствие интенсивного подвода к ним теплоты.

С повышением давления, особенно при р>16 МПа, полезный напор циркуляции за­метно снижается (см. рис. 12.3). Пгдает и средняя кратность циркуляции, оказывающая весьма существенное влияние на температур­ный режим металла обогреваемых труб. По­этому обеспечение достаточной кратности циркуляции является важным этапом проек­тирования циркуляционных контуров.

Основными методами повышения надежно­сти циркуляции являются повышение кратно­сти циркуляции и секционирование широких панелей подъемных труб.

Увеличение кратности циркуляции. Конту­ры циркуляции выполняются с непосредствен­ным присоединением парообразующих труб к барабану или через коллектор с помощью пароотводящих труб.

При данной производительности контура кратносТь - циркуляции обеспечивается доста­точным (по условиям надежного охлаждения обогреваемых труб) расходом через него во­ды — соответствующим сечением водоподво­дящих труб и пароотводящих труб контура циркуляции (рис. 17.3).

Ца рис. 17.4 видно, что для контура с не­посредственным вводом парообразующих труб - в барабан (рис. 17.3,а) при малом сечении опускных труб кривая, выражающая их гид­равлическое сопротивление Аропь проходит круто и в пересечении с характеристикой по­лезных напоров контура 5пол образует рабо­чую точку А диаграммы циркуляции. В это» точке гидравлическое сопротивление чрезмер­но велико, а скорость циркуляции и расход во­ды ограничены. В таких условиях резко сокра­щается запас по застою циркуляции, а огра­ниченный расход воды может не обввнечнть»

Надежного отвода теплоты парообразующих труб.

Увеличение сечения опускных труб умень­шает их гидравлическое сопротивление ДрОП2, понижает полезный напор циркуляции (рабо­чая точка А2) и потому увеличивает запас по застою циркуляции. При этом существенно увеличивается не только общий расход воды через подъемные трубы, но, что очень важно, и через слабообогреваемые трубы, улучшая их температурный режим.

Необходимое сечение опускных труб опре­деляется расчетом циркуляции и для высоко­го давления составляет для настенных экра­нов 0,4—0,5, двусветных экранов 0,7—0,9 сече­ния подъемных труб.

В контуре циркуляции, изображенном на щіс. 17.3,6 с пароотводящими трубами, надо уменьшить гидравлическое сопротивление так­же пароотводящих труб, что достигается уве­личением сечения и уменьшением их длины. Обычно общее сечение отводящих труб со­ставляет 30—60% сечения парообразующих труб.

Секционирование экранов. Поскольку ос­новной причиной возникновения опасных ре­жимов является неравномерный обогрев паро­образующих труб, включенных в общую систе­му, панели топочных экранов секционируют с целью уменьшения неоднородности их ра­боты; в каждую секцию выделяют примерно одинаково обогреваемые трубы с самостоя­тельным питанием.

На рис. 17.5 показано распределение ско* ростей в экране, имеющем неравномерный обогрев по ширине. Угловые трубы получают существенно меньше теплоты, чем средние, и преодолеть полезный напор контура 5пол= =Др0п, который создается главным образом сильнообогреваемыми трубами, угловые трубы не способны, поэтому в них может появиться застой циркуляции, свободный уровень или опрокидывание циркуляции. Выделение угло­вых труб в самостоятельный контур циркуля­ции разделением верхнего и нижнего коллек­торов перегородками позволяет примерно вы­ровнять скерости циркуляции в пределах каждого контура, что создает благоприятные для них условия. При этом полезный напор в выделенном контуре несколько уменьшится, однако запасы против застоя и опрокидыва­ния циркуляции возрастут при прежней не­равномерности обогрева по ширине экрана, и скорость циркуляции увеличится (рабочая точка А' на рис. 17.5,6). В контуре с интен­сивно обогреваемыми трубами полезный напор возрастет, и несколько уменьшится скорость циркуляции, но запасы против застоя и опро­кидывания циркуляции в нем также будут достаточно велики (рабочая точка А" на рис. 17.5,6).

Обычно топочные экраны котлов с естест­венной циркуляцией выполняют гладкотруб - ными, сплошными по всем стенам топочной камеры. Для котлов высокого и сверхвысоко­го давлений применяют трубы внутренним диаметром 40—50 мм. Опускные трубы выпол­няют диаметром 60—160 мм и более. Иногда в качестве опускной системы мощных котлов применяют стояки большого диаметра (600— 800 мм).

На рис. 17.6 показано примерное расположение на­стенных топочных экранов и их элементов в котле вы­сокого давления. Настенные топочные экраны 1, 6, 7 представляют собой систему параллельно включенных вертикальных труб. Исходя из конструктивных осо­бенностей топочной камеры, допускают крутонаклонные участки (трубы холодной воронки 9, места разводки труб для амбразур 8 и т. п.). В установках высокого давления, когда располагаемая радиационная теплота в топке больше необходимой для парообразования, в топочной камере частично освобождаются стены для размещения других поверхностей нагрева. При этом парообразующие поверхности располагают на верти­кальных стенах, а потолок служит для размещения на нем пароперегревателя 3. Радиационные пароперегре­ватели располагают также в верхней части фронтовой стенки или по всей высоте фронта, иногда перемежая перегревательные панели с испарительными.

Все верхние коллекторы располагают примерно на одном уровне и подвешивают к каркасу котла. Топоч­ные экраны обрамляют поясами жесткости 12 из про­фильной стали, вместе с которыми они перемещаются по вертикали. К топочным экранам часто крепят об­муровку, которая снаружи почрыта обшивкой (см. § 21.1). Таким образом, к каркасу подвешивают не только трубную систему экранов, но вместе с ней так­же обмуровку и обшивку. Узел крепления экранных

И опускных труб к подвижным поясам жесткости по­казан отдельно на рлс. 17.6 (узел 1). Вся трубная си­стема экранов вместе с крепящейся к ней обмуровкой свободно расширяется вниз.

В котлах большой мощности устанавливают дву­светные экраны, разделяющие топку на отдельные ка­меры (см. § 7.1). Двусветные экраны подвешивают так же, как и настенные экраны. Для выравнивания дав­ления в камерах топки и предотвращения прогиба труб экрана в случае «хлопка» в верхней части двусветного экрана или по всей его высоте разводкой труб обра­зуют окна (рис. 17.7).

Методы повышения надежности топочных экранов прямоточных котлов. В прямоточных котлах топочные экраны располагаются вер­тикально и горизонтально (см. рис. 11.1). В зависимости от расположения трубы этих экранов получают различное количество теп­лоты как по высоте топочной камеры, так и по ее ширине и глубине.

В котлах с горизонтальным или слабона - 1К лонным контуром парообразующие трубы непрерывно и неоднократно обходят весь пе­риметр топочной камеры (рис. 17.8). Если ка­кая-либо стенка обогревается сильнее осталь­ных, то эта неоднородность по ширине или глубине топки (или что то же самое по трак­ту рабочей среды) не сказывается, так как трубы ленты обходят все стенки, и эта неод­нородность обогрева сохранится для всех параллельно включенных труб ленты.

В целях уменьшения массы трубной систе­мы топочные экраны мощных котлов высокого

Рис. 17.9. Влияние ширины ленты горизонтальной на­вивки на неравномерность обогрева. а — одноходовая навивка; б — двухходовая навивка.

Давления изготавливают из труб небольшого внутреннего диаметра (25—40 мм). Уменьше­ние диаметра труб при сохранении массовой скорости потока требует увеличения числа параллельных труб. Оба обстоятельства: уве­личение мощности котла и уменьшение диа­метра труб — приводят к увеличению ширины ленты. Чем шире горизонтальная лента, тем больше влияние неравномерности обогрева по высоте топки параллельных труб, образующих эту ленту. Поэтому, желая сохранить малый диаметр труб, мощные котлы выполняют не с одним потоком рабочей среды — не с одной лентой, а с двумя (или даже с четырьмя) па­раллельными потоками — лентами. При этом ширина каждой ленты и неравномерность обо­грева уменьшаются пропорционально числу параллельных потоков (рис. 17.9). Независи­мо от числа лент (потоков) каждая труба воспринимает один и тот же падающий теп­ловой поток. Ленты непрерывно и винтообраз­но навивают на все четыре стены топочной камеры, обеспечивая восходящее движение потоці. Применяют различные схемы навив­ки. Обычно наклонные трубы ленты распола­гают на двух боковых стенах топки. Фронто­вая и задняя стены имеют горизонтальные трубы (рис. 17.8). В иных конструкциях лен­та поднимается только на задней стене либо на всех четырех стенах. Угол наклона ленты зависит от ее ширины (числа и диаметра тру­бы) и ширины стен топочных экранов, на ко­торых осуществляют подъем ленты, и обычно составляет 12—15°. Число труб в ленте опре­деляется мощностью котла и массовой ско­ростью в трубах, которая в зоне интенсивного обогрева принимается около 1000 кг/(м2-с) при /э<10 МПа и 1500—2000 кг/(м2-с) при более высоком давлении. Чрезмерная массо­вая скорость вызывает большие гидравличе­ские сопротивления.

Во избежание прогиба горизонтальные трубы на прямолинейных участках крепят в трех точках: посередине неподвижно, а на угловых участках предусматривается свобод­ное их расширение (рис. 17.10). При горизон­тальной навивке упрощается конструкция со­членения топочных экранов, расположенных на смежных стенах топки, снимаются вопросы затененности угловых участков труб и улуч­шаются условия равномерности обогрева от­дельных труб, так как ленты охватывают топ­ку по всему периметру. Однако горизонталь­ная навивка затрудняет изготовление топочных экранов в виде блоков и увеличивает коли­чество сварных стыков. Разновидностью гори­зонтальной навивки является расположение горизонтальных змеевиковых труб с подъем­ным движением среды в пределах части ши­рины экранов — система меандр (рис. 17.11). Такие системы менее чувствительны к нерав - номерностям обогрева, особенно при больших поперечных размерах топки, и применяются для негазоплотных экранов. Крепление труб здесь более сложное.

Вертикальные топочные экраны прямоточ­ных котлов по внешнему виду напоминают топочные экраны контуров естественной цир­куляции и также занимают все стены топоч­ной камеры. В целях уменьшения неравномер­ности обогрева топочные экраны секциони­руют по ширине топки, а секции между собой соединяют последовательно, получая многохо­довую систему (рис. 17.12). Появляются опускные трубы, в которых при перемешива­нии потока устраняется тепловая разверка, но

Конструкция экранов и условия их работы усложняются.

Для узких панелей неравномерность обо­грева меньше. В мощных котлах узкие верти­кальные панели с малой неоднородностью обогрева по ширине объединяют в параллель­ные блоки, соединяемые между собой последо­вательно (рис. 17.13).

Вертикальные экраны удобно выполнять в виде блоков, представляющих собой систему вертикальных труб, объединяемых на концах общими коллекторами. Крепление экранов и свобода их термических удлинений обеспечи­ваются различными методами (рис. 17.14). Обычно трубная система экрана подвешивает­ся за верхний коллектор и свободно расширя­ется вниз (рис. 17.14,а). В котлах большой мощности топочные экраны обычно имеют разъем (см. рис. 22.4 и 22.5). В таких конст­рукциях (рис. 17.14,6) трубы верхней части экрана через коллектор также подвешиваются к каркасу. Трубы нижней части экрана у ска­та холодной воронки крепятся к каркасу. Обе части экрана расширяются в сторону разъема, зазор между которыми в холодном состоянии бх~ 2004-300 мм выбирается с расчетом их сближения до минимальной величины 6г в горячем (рабочем) состоянии. Золовые отло­жения в области разъема периодически удаля­ются обдувкой воздухом.

В целях уменьшения неравномерности обо­грева по ширине вертикально расположенных панелей иногда срезают углы топки, получая восьмигранную в плане топочную камеру (рис. 17.15). Такая форма топочной камеры конструктивно недостаточно удобна, но хоро­ша в отношении организации в ней верти­кального вихря при тангенциальной компонов­ке угловых горелок.

Часто гидравлическую систему выполняют с вертикальными подъемно-опускными труба­ми в U-, П-, N-образных и многоходовых пане­лях (см. § 11.3). В них зону с неодинаковым обогревом по высоте проходят все параллель­ные трубы, и потому они получают примерно одинаковое количество теплоты.