Расчет котлов и котельных установок

ПЕРЕГРЕВАТЕЛИ

Радиационные перегреватели размещают на стенах1 топки, они воспринимают теплоту излучением (рис. 53). Полу­радиационные перегреватели — ширмы устанавливают на выходе из топки. Они получают теплоту как излучением, так и конвек­цией. Конвективные перегреватели располагают в соединительном (горизонтальном) и опускном газоходах котла.

По давлению перегреватели делят на перегреватели высокого давления (р 13,8 МПа), среднего (р = 9,9 - f - 13,8 МПа) и низ­кого (р с 9,8 МПа).

В котле различают первичные и вторичные перегреватели пара. Первичные перегреватели пара независимо от давления называют перегревателями высокого давления. Вторичные пере - ґреватели называют перегревателями низкого давления или про­межуточными перегревателями.

Ширмовые перегреватели (ширмы) представляют систему труб 3 с малым шагом, образующую плоскую ленту 4, имеющую входной 1 и выходной 2 коллекторы (рис. 54). По расположению в топке ширмы делят на горизонтальные и вертикальные. Начиная с середины 1970-х г. практически на всех отечественных котлах устанавливают ширмы вертикальной конструкции. Это объясняется следующим:

Рис. 55. Схемы расположения ширм в котле и организация движения пара и газов

Рис. 56. Схемы ширм с уменьшенной тепловой неравномерностью

А) В)

Простотой крепления, не требующего применения охлаждае - , мых подвесных труб, упрощающего трассировку паро - и водопро­водов в пределах котла; меньшей загрязняемостью поверхностей золовыми отложениями;

Удобством монтажа (ширмы вводят в газоход через отверстия в панелях потолочного перегревателя).

В горизонтальных ширмах котлов нижние трубы подвержены воздействию прямого излучения из топки. Отсюда не только больший нагрев в них пара, но и более высокая температура стенки металла.

Часть поверхностей нагрева горизонтальных ширм плохо омывается потоком газа, что снижает эффективность их тепло­восприятия.

Недостатками ширм вертикальной конструкции можно считать их недренируемость, большую склонность к забиванию труб продуктами коррозии, различную длину труб 5. Через трубы большей длины будет передаваться большее количество теплоты. В первую очередь это относится к наружным трубам, воспри­нимающим теплоту из топки за счет излучения.

Вертикальные ширмы выполняют одно - и многоходовыми (рис. 55, а, б), одно - и двухступенчатыми (рис. 55, а, в), с прямо­точной (рис. 55, г), противоточной (рис. 55, д) или параллельно смешанной (рис. 55, е) организацией движения среды по отно­шению к направлению движения газа по ширине газохода.

Выбор конструкции ширмы во многом зависит от разности температур газов до ширмы и после нее, числа ширм, особенно­стей сжигаемого топлива. Температуру "Ov газов перед ширмой Можно выбирать по табл. 13. Температура газов за ширмой при­нимается по условию отсутствия шлакования (налипания золы на трубы) первых по ходу газа конвективных перегревателей, находящихся в соединительном газоходе.

Шаг Sx между ширмами зависит от шлакующих свойств топ­лива. Для газа и мазута = 0,35 0,6 м, нешлакующих углей

13. Допустимая средняя температура газов перед ширмами (на выходе из топки), °С

Топливо

Донецкие угли АШ, ПА, Т, Г, Д

Подмосковный Б, кизеловский Г Экибастузский уголь

Назаровский, ирша-бородинский,

Березовский (.4е < 6 %) Березовский (Ас > 6 %) Кузнецкий Г, Т, СС Ангренский Б Фрезерный Т

Сланцы северо-западных место-

' рождений

Примечание. Допустимые температуры справедливы при средне тепловой развертке по ширине газохода (Av ^ 100 °С).

14. Рекомендуемые шаги труб в ширмах и конвективных поверхностях нагрева

Шаг труб

Фестонированная часть перегревателя •

Перегреватель в гори­зонтальном газоходе Ширма в верху топки

Ширма в газоходе

Перегреватель и эко­номайзер в конвектив - > ной шахте

Шахматное

Коридорное Коридорное

Коридорное

Шахматное 1 Коридорное

Si > 250 - = 2,5-5-3,5 [2] Si > 550

St •= 350-і- 400

Sjd^ 3-«-3,5 [3] SJd = 2-h3 [4]

Sa> 150 Sa = 150 2 - 1,1-ї-1,25 1,1-4-1,25

S2 — d > 20 S, — d > 30

(типа экибастузского) Si = 0,5 Ч - 0,65 м и шлакующих > > 0,65 м (табл. 14).

Продольный шаг труб в ленте обычно принимается S2 = = (1,1 ч - 1,25) d. Ширмы изготовляют из труб диаметром 32x4, 32x5, 42x5 при Р — 11ч-14МПаи 32x6, 32x7, 38 .-.6, 42x5,42x6 для котлов СКД - Материал — сталь 12Х1МФ. Внутренний диа­метр коллектора выбирают из условия, что площадь его попереч­ного сечения близка суммарной площади проходного сечения труб ширмы.

Уменьшение тепловой неравномерности достигаетсй укора­чиванием труб /, подверженных прямому излучению из топки (рис. 56, а). В ряде случаев для наиболее теплонапряженных труб применяют легированную сталь или ширму с, торца экрани­руют трубами 2, в которых протекает среда с более низкой тем­пературой (рис. 56, б).

Для обеспечения необходимого теплоотвода от стенки мас­совая скорость пара рw = 800 ч - 1300 кг/(ма-с). Большие значения характерны для ширм котлов СКД.

По тепловосприятию поверхности ширм менее эффективны, чем конвективные поверхности перегревателей. В теплообмене участвует лишь часть поверхности ширмы Нт = 252 (пш — 1) їх, в то время как полная площадь поверхности Яш. п — ndnml (I — средняя длина трубы в ленте, м; х — угловой коэффициент ширмы; пт — число труб в ленте). Поэтому при одинаковом расходе металла расчетная площадь поверхности ширмы получается в 1,5 раза меньше, чем та же величина в конвективном перегре­вателе.

К недостаткам ширмы по сравнению с конвективным перегре­вателем следует отнести меньшую площадь поверхности, сосредо­точенную в единице занимаемого ею объема. Несмотря на отме­ченное, ширмы являются неотъемлемой частью котлов давлением р ^ 10,8 МПа, так как они допускают большие значения

По условиям работы ширмы барабанных и прямоточных котлов отличаются между собой. Так, в барабанных котлах, имеющих до ширм только потолочный перегреватель, при сни­жении нагрузки температура на входе в ширмы меняется незна­чительно. Аналогичное явление наблюдается и при установке перед ширмой (по пару) конвективной ступени перегревателя. При развитом предвключенном радиационном перегревателе при­ращение энтальпии пара в нем А і — Q/D при снижении нагрузки котла возрастает. Происходит это потому, что излучение в топке уменьшается сравнительно мало, а поглощается оно меньшим количеством пара, проходящим через радиационный перегре­ватель/

В результате пар поступает в ширмы с большей температурой. И хотя само тепловосприятие ширмы Дгш слабо зависит от на­грузки D (рис. 57), дополнительный перегрев пара в радиационном перегревателе может привести к недопустимому повышению тем-,

Пературы стенки труб. Поэтому при развитых радиационных поверхностях нагрева перегревателей в котлах с естественной циркуляцией необходимо предусматривать меры по снижению температуры пара на входе в ширму до значений безопасных по условиям работы металла.

Повышение тепловосприятия радиационной части перегрева­теля при уменьшении нагрузки наблюдается и на котлах СКД. Ряд мер обеспечивает надежность ширм: снижение температуры питательной воды при уменьшении паропроизводительности, пере­дача избыточного количества теплоты пара высокого давления в промежуточный перегреватель и др. 1

Конвективные перегреватели имеют змеевиковую поверхность нагрева с входным и выходным коллекторами 1 (рис. 58, а). Число труб 2 в одном змеевике может достигать шести. Трубы 2 при­варивают к коллектору 1. При большом их числе в змеевике выполняют соединение перчаточного типа (рис. 58, б). При числе труб в змеевике пзм ^ 5 для исключения снижения прочности стенки коллектора 1 отверстиями применяют схему с двумя вход­ными и выходными коллекторами (рис. 58, в).

Располагают змеевиковые поверхности перегревателя в гори­зонтальном и опускном газоходах. В первом расположение труб вертикальное, во втором — горизонтальное. Обтекание змеевиков газами поперечное. В соединительном газоходе допускается только коридорное расположение труб. В этом случае трубы в меньшей Степени подвержены липким золовым загрязнениям, и очистка от них труб проще. В опускном газоходе возможна как шахмат­ная компоновка труб, так и коридорная, что зависит от свойств минеральной части топлива и уровня температур газов (табл. 15).

Размещение труб в опускном газоходе определяется следу­ющим. При повороте газов ввиду действия центробежных сил поля скоростей и концентраций золы на входе в опускной газоход неравномерны. При расположении труб перпендикулярно фронту котла все змеевики оказываются в зоне максимальных концентра­ций золы и подвергаются повышенному абразивному изнашива­нию. При расположении змеевиков параллельно фронту котла

В зоне максимальных концентраций золы находится только их часть. Такая компоновка более целесообразна при работе котла на твердом топливе. При сжигании газа и мазута, не имеющих твердой фазы в продуктах сгорания, трубы могут быть располо­жены по любому варианту.

По характеру организации движения продуктов сгорания и пара различают противоточную, прямоточную и смешанную схемы движения (рис. 59). При противотоке обеспечивается боль­ший температурный напор и, следовательно, требуется меньшая площадь поверхности. Однако применение противотока оправдано лишь в том случае, если температура стенки металла с учетом тепловой и гидравлической неравномерности по трубам не будет превосходить допускаемой величины. Обычно по противоточной схеме работает часть конвективного перегревателя, находящаяся в области температур продуктов сгорания 600—850 °С.

Чаще всего выходную часть перегревателя при t ^ 540 °С выполняют по прямоточной, в крайнем случае, по смешанной схеме. При этом змеевики с максимальной температурой пара располагают в области умеренных температур продуктов сгорания.

Для повышения надежности перегревателя осуществляют пере­брос пара по ширине газохода (уменьшается влияние тепловой неравномерности продуктов сгорания). Полное перемешивание среды по ходу движения пара достигают делением перегревателя на отдельные ступени (снижается неравномерность поля темпера­тур пара в отдельных змеевиках). В пределах одной ступени Движение пара в пакетах может происходить по одной из схем рис. 59.

Для уменьшения влияния тепловой неравномерности по про­дуктам сгорания осуществляется движение среды несколькими (двумя-четырьмя) параллельными автономными потоками с обя­зательным полным их перемешиванием после отдельных ступеней.

По условиям отвода теплоты от стенки в перегревателях вы­сокого давления рекомендуемое значение массовой скорости пара рw— 1100-М850 кг/(м2-с). Большие значения принимаются для котлов СКД.

В промежуточном перегревателе поддержание такой массовой скорости невозможно, так как перепад давлений в нем ДР < < 0,2-г-0,25 МПа. Получить такое значение можно только при снижении массовой скорости до рw — 250-J-300 кг/(м2-с). Дости­гается это применением труб большого диаметра. Температурный режим металла, особенно в выходной части промежуточного перегревателя, в этих условиях оказывается близким к предель­ному. Это приводит к необходимости размещения перегревателя в зоне температур по газам, не превосходящих 800—850 °С.

Надежная работа перегревателей в ряде случаев достигается только при выполнении выходной части труб из легированной стали. Для перегревателей применяют трубы из стали 12Х1МФ, а для выходной части — трубы из высоколегированной стали, например, 12Х18Н12Т. Диаметр труб перегревателей высокого давления 32x6, 32x7 и 42x6 мм; а низкого давления 50x4, 57x4, 60x4, 60x5 и 42x4 мм. Геометрические размеры трубных пучков перегревателей приведены в табл. 14. Рассмотрим кон­струкцию перегревателя, показанную на рис. 60. Стрелкой дано направление тепловых расширений от закрепленных коллекторов. В соединительном газоходе коллектора 7 и 8 перегревателя и змеевики 1 подвешены тягами 6 к каркасу котла или здания. Дистанционирование труб осуществляется гребенками 10, вы­полненными из жаростойкой стали. В месте выхода труб змееви­ков имеется уплотнительный ящик 4 с теплоизоляцией 3.

В опускном газоходе дистанционирование труб 2 перегревателя осуществляют с помощью стоек 1, опирающихся на балки 3, или подвесных труб 4 (рис. 61). Опора труб по схеме рис. 61, б до­пустима при температуре газов в области коллекторов, выполня­ющих функцию несущих конструкций, до 600 °С.

Для обеспечения блочности, ремонтопригодности и транспор­тировки ступени перегревателей выполняют из отдельных пакетов. 100

Рис. 60. Конструкция перегревателя в соединительном газоходе: 1 і— труба перегревателя; 2 —. гнбв труб; 3 — теплоизоляция; 4 — уплотнительный ящик; 5 — хомут; 6 — тяга; 7 и 8 — кол­лектора; 9 — проушина; 10 = днстанци - онирующие гребенки

Размеры пакета по ходу газов по условиям ремонта не должны превышать 1,2x3,2x10 м.

Схемы перегревателя и величину тепловосприятия каждой его ступени выбирают из условия надежной работы поверхности и обеспечения требуемой температуры пара. Число ступеней перегревателя определяется параметрами пара и типом котла. При давлении р = 4 МПа перегреватель котла с естественной циркуляцией обычно состоит из двух ступеней. Выходную ступень выполняют по прямоточной или по смешанной схеме (см. рис. 59, б, в).

С ростом давления и температуры перегрева число ступеней (рис. 62, а) увеличивается с трех (потолочная 2, конвективные ступени 3 и 4) при р = 10.8-М3.8 МПа и t = 5104-560 °С до че­тырех при р = 13,8 МПа и / = 560 °С. Начиная с давления Р = = 10,8 МПа, устанавливают ширмовую поверхность нагрева 5 (рис. 62, б).

Включение ширмы 5 возможно после потолочного перегрева­теля 2 и после «холодной» конвективной ступени 3. В первом случае металл ширмы находится в более благоприятных усло­виях, так как температура пара меньше. Поверхность ширмы при одном и том же тепловосприятии получается меньше ввиду боль­шого температурного напора. Однако при этом снижается тем­пературный напор в конвективных поверхностях перегревателя и возрастает их металлоемкость. Во втором случае после потолоч­ного перегревателя 2 пар направляется в конвективную ступень 3. Температурный напор в ней больше, чем в ступени 3 схемы рис. 62, б. Площадь поверхности получается меньше, но если сохранить постоянным приращение энтальпии пара в ширме, то
возрастет ее площадь по­верхности (снизится темпе­ратурный напор). Темпера­тура стенки труб ширмы, увеличивается. На практике обе схемы с барабаном 1 при­менимы в равной степени. Выбор варианта зависит от результатов технико-экономических расчетов, учитывающих суммарную стоимость конструкции и затраты на преодоление сопротивления по пароводяному тракту.

В прямоточных котлах высокого давления число ступеней перегревателя высокого давления равно трем-четырем. Обычно это ВРЧ, потолочная, две конвективные или конвективная и полу­радиационная ступени.

В газоплотных котлах СКД число ступеней перегревателя еще больше: СРЧ, ВРЧ 6, потолочная 2, экраны соединительного и опускного газоходов 7, ширмы 5 одна 4 или две 3, 4 конвектив­ные ступени (рис. 62, в).