Паровые котлы ТЭС

Воздухоподогреватели

Условия работы и классификация воздухо­подогревателей. Воздухоподогреватель являет­ся обязательным элементом современного мощного парового котла. Роль воздухоподо­гревателя возрастает с повышением единичной мощности агрегата. Это связано с тем, что температура продуктов сгорания за экономай­зером еще значительна (350—400°С). Утили­зация этой теплоты в воздухоподогревателе снижает температуру уходящих газов до 120—160°С. Подогрев воздуха повышает КПД котла.

Вместе с тем сам воздухоподогреватель работает в зоне наиболее низких температур продуктов сгорания, и это приводит к тому, что часть его поверхности (холодная часть) приобретает температуру, равную или мень­шую температуры точки росы продуктов сгора­ния. В этих условиях холодная часть воздухо­подогревателя покрывается влажной агрес­сивной пленкой и подвергается коррозии и загрязнениям. Эти отрицательные явления усиливаются особенно при сжигании высоко­сернистых мазутов при больших избытках воз­духа. В газоплотных котлах, позволяющих сжигать топливо с малыми избытками возду­ха, скорость коррозии меньше (см. § 16.3).

По принципу действия различают рекупе­ративные и регенеративные воздухоподогрева­тели. Рекуперативные воздухоподогреватели работают с неподвижной поверхностью нагре­ва, через которую непрерывно передается теп­лота от продуктов сгорания или другого источника к воздуху. В регенеративных воз­духоподогревателях поверхность нагрева омы­вается попеременно то продуктами сгорания, нагреваясь при этом, то воздухом, отдавая ему теплоту.

По способу обогрева различают воздухо­подогреватели, обогреваемые продуктами сго­рания непосредственно (рис. 19.9,а), обогре­ваемые продуктами сгорания, теплота которых переносится воздуху с помощью промежуточ­ного теплоносителя — твердой насадки (рис. 19.9,6), и воздухоподогреватели, в кото­рых источником теплоты для предварительно­го подогрева воздуха является горячая вода

(рис. 19.9,г) или пар реге­неративных отборов турбин (рис. 19.9,в, д).

Прямой нагрев воздуха продуктами сгорания. Ос­новным типом рекуператив­ных воздухоподогревателей является стальной трубча­тый воздухоподогреватель (ТВП), который прост в из­готовлении, но требует большого расхода металла и занимает большой объем.

Обычно ТВП выполняют в виде вертикальной трубной си­стемы (рис. 19.10). Трубы сталь­ные наружным диаметром 30— 40 мм при толщине стенки 1,2— 1,5 мм своими концами приваре­ны к трубным доскам и располо­жены в шахматном порядке. Тол­щина нижней трубной доски 20—25 мм, верхней 15—20 мм.

Внутри труб проходят про­дукты сгорания (продольное омы - вание), теплота которых переда­ется воздуху, движущемуся меж­ду трубами (поперечное омы - вание). При этом образуется перекрестный ток рабо­чих сред. Известно, что наиболее компактный тепло­обменник получается при чисто противоточной схеме движения сред, однако для такого теплообменника, ка­ким является ТВП, ее реализация невозможна. При-

Близиться к противоточной схеме можно, направив воз­дух в межтрубном пространстве с многократным пере­крестным движением. Делением воздухоподогревателя промежуточными перегородками — досками на ряд по­следовательных по воздуху ходов достигается опти­мальная по условиям теплопередачи скорость воздуха. В местах поворота воздуха из одного хода в другой установлены воздушные перепускные короба. Возду­хоподогреватель имеет наружную стальную обшивку и нижней трубной доской опирается на раму, связанную с колоннами каркаса котла. Трубная система расши­ряется кверху, причем верхнюю трубную доску соеди­няют с расположенным выше газоходом линзовым ком­пенсатором (рис. 19.11), обеспечивающим свободу тер­мического расширения с сохранением герметичности. Трубчатый воздухоподогреватель выполняют в виде от­дельных кубов (секций), удобных для транспорта и монтажа.

В котлах средней мощности в ТВП при однопоточной схеме подают воздух по его ши­рокой стороне (рис. 19.10). В агрегатах боль­шой мощности этого сечения недостаточно, и при однопоточной схеме высота воздушного

Рис. 19.13. Волнистая труба.

Хода достигает больших размеров. При этом уменьшается число ходов в каждой ступени воздухоподогревателя, что приводит к сниже­нию температурного напора. Двухпоточная по воздуху схема (рис. 19.12,а) позволяет умень­шить высоту хода, увеличить число ходов и со­ответственно повысить температурный напор. Такая компоновка в совокупности с трубами малого диаметра и тесным шагом привела к созданию относительно малогабаритных ТВП. При очень большой мощности и двусто­роннего подвода воздуха может оказаться не­достаточно, тогда переходят к многоканально­му подводу (рис. 19.12,6).

При одинаковых акоростях продуктов сгорания и воздуха коэффициент теплоотдачи по газовой стороне ai (продольное обтекание) ниже коэффициента тепло­отдачи С воздушной стороны СІ2 (поперечное обтека­ние). Интенсификации теплообмена можно добиться путем увеличения коэффициента ai при продольном об­текании. Это достигается в поверхностях нагрева, вы­полненных из волнистых труб, характеризующихся по­стоянной по значению и переменной по направлению кривизной (рис. 19.13). Во избежание забивания таких труб загрязнениями из газового потока этот воздухо­подогреватель выполняют обращенным. В нем воздух движется внутри труб (продольное омывание), а про­дукты сгорания между ними (поперечное омывание).

Расчеты и первый опыт эксплуатации рекуператив­ных воздухоподогревателей обращенного типа из вол­нистых труб показывают, что их поверхность нагрева и масса меньше примерно в 2 раза по сравнению с тра­диционными ТВП. Хотя стоимость производства вол­нистых труб выше, но с учетом уменьшения их коли­чества стоимость воздухоподогревателя ниже примерно в 1,5 раза. ТВП просты по конструкции, надежны в ра­боте, значительно более плотны в сравнении с возду­хоподогревателями других систем.

Нагрев воздуха продуктами сгорания с при­менением промежуточного теплоносителя.

С точки зрения теплотехники безразлично, ка­ким образом осуществляется передача тепло­ты от продуктов сгорания к воздуху: непо­средственно через стенку или сначала про­межуточному теплоносителю, а далее от него к воздуху. В последнем случае каждый из процессов можно организовать независимо и поставить в оптимальные условия.

Для подогрева воздуха в качестве проме­жуточного теплоносителя применяются твер­дые насадки, обычно стальные листы, получаю­щие теплоту от продуктов сгорания. Этот принцип реализуется в регенеративных возду­хоподогревателях (РВП) имеющих широкое применение на электростанциях. Для уста­новок с промежуточным теплоносителем характерно отсутствие влияния коррозионных

Повреждений поверхностей нагрева воздухо­подогревателя на присосы воздуха в газовый тракт котла.

Регенеративные воздухоподогреватели. Наиболее употребительны на электростанциях вращающиеся РВП, у которых поверхностью теплообмена служит набивка из тонких гофрированных и плоских стальных листов, образующих каналы малого эквивалентного диаметра (d3=6н-9 мм) для прохода продуктов сгорания и воз­духа (рис. 19.14). Набивкой заполняют цилиндрический пустотелый ротор, разделенный глухими радиальными перегородками на изолированные друг от друга секторы. Ротор воздухоподогревателя, показанный на рис. 19.15, медленно (с частотой вращения 0,008—0,065 с~4) вра­щается на валу приводом от электродвигателя через шестеренчатую или цевочную передачу.

Верхней и нижней секторными плитами корпус разделен на две части. В одну из них через горло­вину в крышке поступают продукты сгорания, а в дру­гую, также через горловину, — воздух. Движение газо­вого и воздушного потоков раздельное и непрерывное, а набивка попеременно проходит эти потоки. При непре­рывном вращении ротора в металлической набивке ка­кого-либо сектора теплота аккумулируется, а затем отдается при прохождении через него воздушного пото­ка. Тот же процесс повторяется при перемещении сле­дующего сектора с набивкой. В итоге организуется не­прерывный нагрев воздуха переносом теплоты, аккуму­лированной набивкой в газовом потоке. Взаимное дви­жение потоков противоточное. Набивка укладывается в виде пакетов листов разного профиля с радиальным или тангенциальным расположением.

Основные требования, предъявляемые к набивкам: возможно большая интенсивность теплообмена и мини­мальное аэродинамическое сопротивление. Из большого многообразия наиболее эффективны набивки, показан­ные на рис. 19.14. Профиль набивки зависит от темпе­ратурных условий. Для горячей части применяют интен­сифицирующую набивку (рис. 19.14,а), состоящую из листов двух типов: волнистых и дистанционирующих, имеющих на поверхности между гофрами волны, на­клоненные под углом 30° к направлению потока. Для холодной части РВП применяют упрощенный профиль набивки (рис. 19.14,6), состоящий из чередующихся гладких дистанционирующих и прямых листов. Соответ­ствующее взаимное расположение листов набивки тур- булизирует поток и усиливает теплопередачу.

Во всех конструкциях набивки поверхность нагрева РВП состоит из системы шероховатых каналов, в кото­рых шероховатость создается высотой волн дистанцио­нирующих и волнистых листов. Следовательно, интенси­фикация конвективного теплообмена в РВП осуществ­ляется значительно проще, чем в ТВП. В отличие от последних создание набивки РВП с волнистыми канала­ми сложной формы технологически проще и выполняет­ся прокаткой или штамповкой больших листов.

Качество укладки набивки в роторе оказывает су­щественное влияние на коэффициент использования по­верхности нагрева. При плохом заполнении ротора воз­можно шунтирование части продуктов сгорания и воз­духа мимо теплообменной поверхности.

Поверхность нагрева 1 м3 набивки составляет 300— 340 м2. Длительность пребывания набивки в газовом и воздушном потоках ограничена (менее 30 с). От набив­ки требуется быстрый нагрев в газовом потоке и столь же быстрое охлаждение в воздушном потоке. При тол­щине набивочного материала всего лишь 0,6—1,2 мм пе­реносится достаточно много теплоты. Тонкие листы на­бивки удобные еще тем, что в процессе обдувки возду­хом они вибрируют и легче освобождаются от загрязнений. Эффективны также шариковые набивки из металла, керамики или стекла.

Недостатки набивки из гофрированных металличе­ских листов: тонкие листы быстро корродируют и изна­шиваются, коэффициенты теплопередачи при продольном обтекании поверхности нагрева сравнительно невелики.

Регенеративные воздухоподогреватели выполняют обычно с вертикальной осью вращения диаметром до 10 м, а в очень мощных установках — 15—17 м. Повы­шение их мощности требует изготовления сверхтяжелого упорно-радиального подшипника качения. Регенератив­ные воздухоподогреватели с горизонтальной осью позво­ляют распределить нагрузку ротора на два сферических подшипника меньших размеров; они также лучше ком-

Рис. 19.15. Регенера­тивный вращающийся воздухоподогреватель. в — продольный разрез. б — ротор; в — места пе­ретока воздуха; 1 — ро­тор; 2 — неподвижный корпус; 3 — набивка; 4 — большая шестсрня (ве­нец): 5 —малая (привод­ная) шестерня; Є — ре­дуктор; 7 — электропри­вод; S, и — верхняя и нижняя секторные пли­ты, разделяющие газо­вый и воздушный пото­ки; перетоки воз­духа.

' — стенка газоподводящего патрубка; 2— фланец крышки корпуса; 3 — колодка; 4— пружина; 5 — направляющая планка, привинченная к фланцу; 6 — колпачок, привинченный к флан - цу; 7 — фланец ротора; 8 — цилиндрический наружный кожух; д — зазор.

Понуются с котлом и позволяют упростить газовоздуш­ные тракты.

Воздушный и газовый потоки в элементах РВП со­здают значительный перепад давления. Этот перепад одинаков для газовоздушного тракта с уравновешенной тягой н с наддувом н составляет 7—8 кПа. При значи­тельных размерах мест сопряжения ротора с неподвиж­ными конструкциями перепад давления приводит к пе­ретоку части воздуха на сторону продуктов сгорания. Кроме того, наблюдаются присос холодного воздуха по периферии газовой части РВП и аналогичная потеря воздуха в воздушной части РВП (см. рис. 19,15,в).Сум­марные нормированные присосы в РВП составляют око­ло 20%. В эксплуатации они могут быть выше. Защита от перетоков достигается уплотнениями, устанавливае­мыми во входной и выходной частях ротора. Уплотне­ния различают; периферийное кольцевое на внешней по­верхности ротора, внутреннее кольцевое вокруг вала РВП и радиальное, разделяющее воздушный и газовый потоки. На рис. 19.16 показано периферийное уплотне­ние серийного РВП. Оно выполняется в виде разрезного уплотнительного кольца, элементы которого образуют с вращающимся фланцем ротора очень малый зазор б. Зазор регулируется натягом пружин, закрываемых гер­метичными колпачками. Аналогично выполняют внутрен­нее кольцевое и радиальное уплотнения. Заметное зна­чение составляет перенос воздуха в газовый тракт (и газов в воздушный тракт) за счет объема между пла­стинами во вращающемся роторе. Для борьбы с присо­сами иногда применяют отсос воздуха, перетекающего через уплотнения. Этот воздух возвращают в воздуш­ный тракт на всас дутьевого вентилятора.

Регенеративные воздухоподогреватели по­лучили широкое применение на крупных энер­гоблоках. Эти воздухоподогреватели конст­руктивно сложнее, но они компактны, требуют меньшего расхода металла, имеют невысо­кое аэродинамическое сопротивление, корро­зия поверхностей нагрева не приводит к уве­личению присосов воздуха. Регенеративные воздухоподогреватели имеют конструктивные и эксплуатационные недостатки: наличие вра­щающихся элементов (ротора), сложность уплотнений, разделяющих газовый и воздуш-

Рис. 19.17. Регенеративный Продукты Горячий

Г сгорания доз

Воздухоподогреватель с разде­ленными потоками подогрева воздуха.

/ — горячая набивка; 2 — холодная набивка; 3 — первичный воздух; 4 — вторичный воздух; 5 — шибер; I н Л — отсекн первичного и вторично­го воздуха.

Ный потоки, и повышен­ный переток воздуха в газовый поток. Сущест­венным недостатком РВП с гофрированной набив­кой является невозмож­ность подогрева воздуха выше 300—350° С из-за ее коробления.

В ряде установок, например, при сжигании топлив с малым выходом летучих (типа АШ) или высоковлаж­ных топлив (типа Б) целесообразно первичный воздух нагревать до более высокой температуры, чем вторич­ный. В других установках, например пылесистемах с про­межуточным бункером, бывает существенно различное аэродинамическое сопротивление трактов первичного и вторичного воздуха. В этих случаях целесообразны РВП с разделением потоков воздуха и продуктов сгорания на секции (рис. 19.17). В аппарате предусматривают раз­делительное кольцо с соответствующим дополнительным уплотнением. Место установки разделительного кольца определяется соотношением сечений, необходимых для расходов первичного и вторичного воздуха. Кольцевое разделение охватывает как воздушный, так и газовый потоки. Для регулирования темературы воздуха преду­смотрены шиберы в газовом потоке, а его расхода — шиберы в воздушном потоке.

Комбинированный нагрев воздуха. В отли­чие от традиционного подогрева воздуха низ­котемпературной теплотой продуктов сгора­ния, при паровом обогреве воздух подогрева­ется в калориферах (теплообменниках) низ­котемпературной теплотой пара системы ре­генерации турбины. Это облегчает борьбу с низкотемпературной коррозией и загрязне­ниями при сжигании высокосернистых топлив. В калорифере используется скрытая теплота парообразования отработавшего в турбине пара, благодаря чему уменьшаются потери теплоты в цикле. Воздух можно подогревать и горячей водой, получаемой за счет низко­температурной теплоты уходящих продуктов сгорания в экономайзере низкого давления. Калориферные установки и экономайзеры низкого давления обычно применяются для предварительного подогрева воздуха, а до необходимой температуры его доводят в тра­диционных воздухоподогревателях.

В современных котлах большой мощности предварительный подогрев воздуха обеспечи­вается в паровых калориферах (трубчатых теплообменниках), размещаемых между на­порной стороной дутьевого вентилятора и входной ступенью воздухоподогревателя (рис. 19.18). Внутрь трубчатой системы по­дают пар из отбора турбины при температуре

Около 120°C, снаружи она омывается попе­речным потоком воздуха.

В зимнее время при значительной отрица­тельной температуре атмосферного воздуха (—15°С и ниже) на входных трубах калори­фера образуется иней, замораживаются дре­нажные линии конденсата. Разработаны схе­мы предварительного подогрева воздуха для работы в энергетических блоках при различ­ных климатических условиях.

В системе экономайзер низкого давле­ния — калорифер воздух подогревают в ка­лорифере водой экономайзера низкого давле­ния. Такие системы работают по замкнутой схеме, в которой происходит предварительный подогрев воздуха, а окончательный его подо­грев осуществляется в ТВП, обогреваемом продуктами сгорания (рис. 19.19). Достоин­ство схемы — резкое сокращение присоса воз­духа. Во избежание загрязнения конденсата продуктами коррозии систему выполняют замкнутой, в которой с помощью насоса цир­кулирует деаэрированная вода. Температура воды несколько выше ^т. р, что исключает кор­розию экономайзера низкого давления.

В каскадном воздухоподогревателе (КВП) все кубы, кроме выходного, по газам обогре­ваются полным расходом продуктов сгорания и охлаждаются полным расходом воздуха. Для предотвращения или ослабления корро­зии низкотемпературной его части создаются

Рис. 19.19. Система предварительного по­догрева воздуха эко­номайзер низкого дав­ления — калорифер, я — экономайзер низкого " ідавлення; 2 — экономай­зер высокого давления; 3 — калорифер; 4 — цир­куляционный насос; 5 — воздухоподогреватель; 6— питательный насос; 7 — продукты сгорания; 8 — воздух.

Условия работы, при которых температура ме­талла превышала бы точку росы продуктов сгорания. Эти. условия создаются выделением выходного по газам и входного по воздуху куба, работающего на полном расходе про­дуктов сгорания и малом расходе воздуха (рис. 19.20,а). Холодный воздух делится на два потока. Меньший (30—40% расхода) про­ходит через калорифер и последовательно включенную с ним каскадную ступень возду­хоподогревателя; второй поток больший (70— 60% расхода), байпасируется и смешивается с первым потоком после каскадной ступени. После смешения суммарный поток воздуха движется противопотоком через горячие сту­пени квп.

Упрощенный температурный график КВП показан на рис. 19.20,6. Видно, что в калори­фере и каскадной ступени температура возду­ха растет быстрее в связи с малым расходом через них воздуха. Поэтому поверхности на­грева этих элементов достаточно компактны. Продукты сгорания в каскадной ступени ох­лаждаются меньше, а их температура выше.