Расчет котлов и котельных установок

ЭКРАНЫ ТОПОК t

Топка котла предназначена для сжигания органиче - 1 ского топлива, частичного охлаждения продуктов сгорания и вы­деления золы. Теплота сгорания топлива передается ограждаю - f щим изнутри топку экранам, в которых движется рабочее тело. 1 Благодаря экранированию топки снижаются потери теплоты j в окружающую среду и обеспечивается достаточная жесткость ■ стен топки при восприятии распределенной нагрузки от перепада,< давлений при работе котла под наддувом или разрежением.

Экраны могут быть гладкотрубными (рис. 42, а), с простав - ками рис. 42, б) и плавниковыми (рис. 42, в). Экраны из плав­никовых труб и труб с проставками являются газонепроницаемыми, их называют газоплотными. В котлах с ЖШУ в зоне активного горения для повышения уровня температур экраны со стороны топки изготовляют из ошипованных труб и покрывают огне­упорной обмазкой 5 (рис. 42, г). С наружной стороны экраны имеют металлическую обшивку I, которая предохраняет обмуровку 2 от внешних воздействий, в котлах с гладкотрубными экранами этим обеспечивается, кроме того, еще герметичность конструкции.

Основными требованиями к конструкции экранов являются следующие. Они должны быть газоплотными, технологичными в изготовлении, по возможности менее металлоемкими, транспор­табельными и поставляться на монтажную площадку в виде за­конченных заводских блоков, готовых к сборке. Конструкция экранов должна обеспечивать свободу теплового расширения труб при нагреве и охлаждении во избежание появления в металле внутренних остаточных напряжений, надежный отвод теплоты от стенки для предотвращения перегрева металла, устойчивый режим течения среды без пульсаций и значительных нердвномер - ностей по расходу в отдельных трубах, малую чувствительность к тепловым неравномерности^ обогрева газами по периметру, и высоте топки.

Экраны барабанных котлов с естественной циркуляцией, в которых полезный движущий напор невелик, для уменьшения сопротивления изготовляют из труб большего диаметра (60x4, 60x5, 50x5 мм) с минимальным числом гибов (рис. 43). Гибы расположены у верхних 2 и нижних 4 сборных коллекторов, 86

Рис. 42. Конструкции эк­ранов:

А — гладкотрубные; б — с про - ставкой; в — плавниковые; г —• гладкие ошипованные; 1 — об­шивка; 2 — обмуровка; 3 — тру­ба; 4 — шипы; 5 — огнеупорная обмазка

В месте расположения горелок, в верхней части топки при наличии верхнего пережима. Следует отметить, что пережим в топке выполняют для более полного заполнения продуктами сгорания топочного объема, лучшего обтекания ими поверхностей нагрева, расположенных на выходе из топки.

Для уменьшения влияния неравномерности обогрева по пери­метру топки на надежность циркуляции, экраны секционируются путем деления их на части — панели 3, каждая из которых обра­зует свой циркуляционный контур.

Нижние сборные коллектора 4 панелей имеют дренаж для полного удаления воды из контура при останове котла на ремонт. По условиям изготовления и транспортировки панели должны быть шириной bn < 3,6 м, а длиной не более 28 м. При большей длине экрана его выполняют с монтажным стыком, расположенным вне зоны максимального тепловыделения в топке или вне зоны активного горения (что еще лучше). Материал труб — сталь 20. Однако для высокофорсированных топок в зоне высоких тепловых потоков применяют трубы и из стали 15ХМ или 12Х1МФ.

Шаг между трубами (см. рис. 42) в гладкотрубных экранах S = d + 4 мм, в плавниковых S/d — 1,33, в экранах с простав - ками 5 = d + б (6 = 14; 16; 20 мм).

В настоящее время экраны всех котлов паропроизводительно­стью D ^ 320 т/ч выполняют газоплотными.

Рассмотрим особенности отдельных узлов экранов. Рассредо­точенный ввод (вывод) экранных труб в коллектора (из кол-

Лекторов) выполняют для уменьшения ослабления стенки отвер стиями.

Схемы узлов верхнего выступа топки показаны на рис. 44 Для топок, сжигающих газ, применима схема рис. 44, а, б. Исполь зование схемы, показанной на рис. 44, а, для пылевидных топли может привести к налипанию золы на участках с увеличенны расстоянием 5Х между изогнутыми трубами выступа.

Рис. 45. Крепление труб экранов при натрубной обмуровке

Для обеспечения жесткости экранов в направлении нормали к их поверхности применяют пояса жесткости 2 (рис. 45). Они фиксируют трубы 1 я 3 в горизонтальной плоскости, но позво­ляют им свободно перемещаться по вертикали при нагреве и охлаждении.

Трубы 3 экранов подвешивают к балкам 1 каркаса котла или здания котельной за верхние коллектора с помощью тяг 2 (рис. 46).

В зависимости от способа шлакоудаления нижняя часть - экранов топки образует либо под, либо холодную воронку. Трубы пода в котлах с ЖШУ должны быть наклонены к горизонту под углом не менее 15°, чтобы не происходило расслоение парово­дяного потока и, следовательно, не возникала опасность пере­грева и разрыва труб. Угол наклона экранов холодной воронки в котлах с ТШУ 52°.

Нижние коллектора противоположных экранов для предотвра­щения распрямления гибов труб в области перехода к поду или экранам холодной воронки жестко связывают между собой.

В котлах, где теплота воспринятая экранами тратится прак­тически только на испарение воды (р с 9,8 МПа), задний экран 1 выполняют с разводкой труб 1 — фестоном (рис. 47). В котлах с более высоким давлением — в виде однорядного фестона с шагом S/d = 3,5 - f - 4 и установкой промежуточного коллектора 2. Диаметр труб однорядного фестона 133 или 159 мм, продольный Шаг многорядного фестона 5а = 150 мм.

Экраны прямоточных котлов конструктивно выполняют в виде ленточной навивки Рамзина, горизонтально-подъемной навивки многоходовых подъемно-опускных и многоходовых подъемных Панелей.

В навивке Рамзина (см. рис. 10)"подъем ленты или лент осу­ществляется по двум или четырем стенам топки на угол 15—20°.

A) f) i)

Рис. 48. Схемы экранов прямоточных котлов

Экраны такой конструкции имеют малое гидравлическое сопро­тивление, нечувствительны к неравномерности обогрева по пери­метру топки, допускают приращение энтальпии рабочей среды без организации ее перемешивания до 1200 кДж/кг, имеют меньшую металлоемкость из-за отсутствия промежуточных коллекторов. Однако ввиду значительного количества сварочных работ при монтаже снижается надежность и увеличивается срок ввода оборудования. Навивка Рамзина применяется в котлах докрити - ческого (D < 1800 т/ч) и сверхкритического давления.

Горизонтально-подъемная навивка (рис. 48, а) мало чувстви­тельна к тепловой неравномерности обогрева по ширине топки, допускает блочное изготовление, обладает хорошими самокомпен­сационными тепловыми свойствами. Однако технологически она сложнее навивки Рамзина, имеет большое гидравлическое сопро­тивление и повышенную металлоемкость. Ввиду значительного числа гибов труб ее не применяют в газоплотных котлах.

Многоходовые подъемно-опускные панели (рис. 48, б) допус­кают расположение входного коллектора как вверху, так и внизу. Изменением числа ходов можно выбрать необходимую ширину па­нели. Экраны этого типа изготовляют в виде блоков, они обладают самокомпенсационными тепловыми свойс+вами. Металлоемкость их меньше, чем металлоемкость горизонтально-подъемных пане­лей, но больше, чем металлоемкость экранов с навивкой Рамзина. Гидравлическое сопротивление такое же, как у горизонтально - - подъемных панелей. Газоплотное изготовление котлов с такими экранами затруднено в связи с наличием большого числа гибов. Тепловосприятие отдельного хода более чувствительно к тепло­вой неравномерности.

Как показала эксплуатация котлов СКД, отсутствие переме­шивания среды в области высоких локальных тепловых потоков приводило к частым разрывам экранных труб в зоне их макси­мального обогрева.

Необходимость организации промежуточного перемешивания среды привела к созданию многоходовых подъемных панелей (рис. 48, в). Они технологичны, допускают блочное изготовление в газоплотном исполнении, хотя и обладают повышенной металло-

90

Емкостью и значительным гидравлическим сопротивлением ввиду наличия дополнительных опускных труб-стояков и промежуточных коллекторов.

Рассмотрим отдельные узлы экранов прямоточных котлов. В газоплотных котлах панели экранов топки не связаны с вер­тикальными балками каркаса котла,' а подвешиваются друг /к другу. Верхние панели тягами крепят к верхним горизонталь­ным балкам каркаса котла или здания котельной.

Сопряжение отдельных участков экранов вертикальных па­нелей унифицировано (рис. 49). Щели между трубами 1 в зоне сопряжения уплотняют проставками 3, а коллектора 2 заключают в уплотнительный короб 5 (теплый ящик).

Тепловое перемещение экранов происходит от места крепле­ния 4 подвески в вертикальном направлении. В ряде случаев верхнюю часть экранов подвешивают к балкам, а. нижнюю опи­рают на каркас. Тепловое расширение нижней части экранов в этом случае происходит снизу вверх.

Устройство 6 предотвращает прогиб экрана.

При организации движения среды в один ход, т. е. при одно­временной подаче среды в количестве, близком к паропроизводи­тельности котла, по всему периметру топки, скорость рабочего тела в трубах тепловых экранов подъемных панелей даже на номинальной нагрузке оказывается малой. Отвод теплоты от стенки трубы в наиболее теплонапряженной части экрана может оказаться недостаточным. Поэтому движение рабочего тела в коли­честве D в НРЧ экранов такой конструкции организуется в два хода (рис. 50). В качестве первого I выбирают наиболее тепло - напряженные панели.

Рабочее тело в количестве DT направляется вначале в централь­ные панели фронтового 1 и заднего 2 экранов и в две центральные

Панели на каждой из боковых стен 3. Последнее объясняется динамическим воздействием на экраны при встречной компо­новке факелов крайних горе­лок, что приводит к более вы­соким локальным значениям 'тепловых потоков. Массовая скорость среды рш = 2500 - f - 3000 кг/(мг-с).

Надежность работы экранов из вертикальных подъемных па­нелей во многом определяется термическими напряжениями в металле, возникающими в месте сварки отдельных панелей между собой. Допускаемый перепад температур стенок должен составлять, А^<30. Рассмотрим температурные условия в местах сварного соеди­нения обогреваемых вертикальных панелей 1, имеющих необогре - - Ваемые перепускные трубы 2 при различных схемах организации движения рабочего тела (рис. 51). В схеме рис. 51, а различие в температурах труб в месте сварки панелей будет максимальным: А= t'{ — t — І2 — t{ и Л4ых = tl — t'{. В схеме рис. 51, б при байпасе 3 части рабочего тела помимо первой панели темпе­ратура t{ на выходе из первого хода будет выше, чем в схеме рис. 51, а (одинаковое количество теплоты воспринимается мень­шим количеством рабочего тела). Значение А^вых при этом меньше, a AtBX будет иметь такое же значение, что следует из условия теп­лового баланса по рабочему телу.

Одновременное уменьшение А^вх и А^вых возможно при вве­дении рециркуляции части среды на вход в первую панель. Для этого устанавливают смеситель 5 и насос 6 на линии 4 рецирку­ляции (рис. 51, в). Температура t[ растет, a t'i остается такой же, как в схемах рис. 51, а, б. Такая схема сложнее, а кроме того, возрастает потребление электроэнергии на собственные нужды.

В котлах СКД распределение тепловосприятия между НРЧ, СРЧ и ВРЧ соответственно 55—45, 30—35 и 15—20 %. Несмотря Йа отсутствие жестких требований по уровню тепловосприятия НРЧ в большинстве котлов СКД энтальпия г'нрч на выходе из НРЧ принимается меньше энтальпии, отвечающей максималь­ному значению теплоемкости ср

(40 - f - 60),

Трубы панелей экранов прямоточных котлов изготовляют из стали 12Х1МФ диаметром 32x6, 42x5 мм и даже 50x5 мм.

Уменьшить высоту топки можно установкой двусветных эк­ранов I по ширине топки (рис. 52, а). Жесткость двусветных экранов обеспечивают путем приварки к трубам 3 нескольких рядов (по высоте) металлических прутков 4 (рис. 52, б) либо 92

И ------- 1-------------- " о

А) •

Рис. 52. Схемы расположения двусветного экрана в топке и при - Варки к трубам прутков

Применением газоплотных панелей. Защитой от прогиба экранд при возможном перепаде давлений газов по его сторонам служа межтрубные зазоры или газосообщающие окна 2.