Расчет котлов и котельных установок

ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛИ

Как уже отмечалось, по принципу действия воздухо­подогреватели делят на рекуперативные и регенеративные. В ре­куперативных трубчатых воздухоподогревателях передача те­плоты от газов к воздуху осуществляется непрерывно через 106

Неподвижную металлическую стенку трубы. В регенеративных поверхность нагрева омывается попеременно то дымовыми газами, то воздухом. При омывании дымовыми газами поверхность нагре­вается, а воздухом охлаждается.

Трубчатые воздухоподогреватели (ТВП) осуществляют прямой нагрев воздуха продуктами сгорания. ТВП — поверхность на­грева, состоящая из отдельных секций (кубов), каждая из которых представляет набор вертикальных стальных труб 3 диаметром 28—51 мм и толщиной стенки б = 1,5 мм (рис. 66). ТВП опи­рается на балки 1, соединенные с каркасом 7 котла. Концы труб герметично закреплены в отверстиях горизонтальных трубных досок 2. Секции соединены коробами 5 с компенсаторами 4. Дымо­вые газы движутся сверху вниз внутри труб, а воздух обтекает трубы в горизонтальном направлении. При такой схеме движения продуктов сгорания внутренняя поверхность труб меньше за­грязняется золовыми частицами. Для топлив с большей золь­ностью применяют трубы большего диаметра. Их располагают в шахматном порядке (рис. 67). Продольный шаг труб SJd — ~ (l,2-f-l,5). Меньшие значения принимают для сухих и мало - абразивных топлив. Поперечный шаг выбирают из условия ра­венства скоростей газа в сечениях АА и ББ:

По характеру движения продуктов сгорания и воздуха ТВП относятся к теплообменникам с многократным пере­крестным потоком сред. Из нижних сек­ций в верхние воздух подается по пере­пускным коробам или вертикальным ка­налам, расположенным между секциями. Снаружи воздухонагреватель имеет тепло­изоляцию и стальную обшивку. Нижняя трубная доска ТВП опирается на рам-, ную конструкцию, связанную с каркасом котла, поэтому тепловое расширение ТВП происходит снизу вверх. Для обеспечения герметичности и сво­боды теплового расширения имеется линзовый компенсатор.

По организации движения воздуха различают одно-, двух - и многопоточные воздухоподогреватели (рис. 68). Однопоточная схема (рис. 68, а, в) при подаче воздуха по стороне большей длины ТВП применяется для котлов средней мощности. С ростом паро­производительности котла использование однопоточной схемы приводит к увеличению высоты секции 1. Двухпоточная схема имеет (рис. 68, б) в 2 раза меньшую высоту хода, хотя приводит к некоторому увеличению глубины конвективной шахты. Много­ходовые схемы с тремя-шестью ходами применяют на мощных котлах.

При принятых значениях и d и известной ширине газохода высота хода зависит от скорости воздуха и продуктов сгорания. В ТВП среднюю скорость газа принимают равной 9—11 м/с (большие значения для „малозольных малоабразивных топлив).

I ' і

О

ОС

Б)

Рис. 68. Схемы компоновки ТВП:

А — одноступенчатый однопоточный; б — одноступенчатый двухпоточный; « — двух­ступенчатый однопоточный; г — одноступенчатый четырехпоточный; 1 — вход воздуха; 2 — ТВП; 3 — перепускной короб; 4 — выход воздуха; 5 — экономайзер

Tr,

A) S)

Рис. 69. Схемы защиты трубной доски и входных участков труб

Скорость воздуха до„ = (0,4-ь0,6) wr. При таком соотношении обеспечивается равенство интенсивностей теплоотдачи от газа к стенке и от стенки к воздуху.

Воздух в ТВП может нагреваться несколько выше 400 °С. До 320 °С воздух подогревается в одноступенчатом воздухо­подогревателе (рис. 68, а, б), а свыше 320 °С — в двухступенчатом • (рис. 68, в).

Вторую ступень ТВП устанавливают в рассечку между паке­тами экономайзера 2 (рис. 68, в). Для обеспечения минимально допустимого температурного напора на холодном конце эконо­майзера и получения умеренных скоростей воздуха во второй ступени ТВП температура воздуха на выходе из первой ступени воздухоподогревателя

Tin і = Ц + (30 -=- 40). (31)

Температура газов перед второй ступенью ТВП не должна превышать 530 °С для исключения процесса окалинообразования металла трубной доски. Обычно при температуре газов перед воздухоподогревателем до 515—525 °С трубную доску 1 покрывают защитной тепловой изоляцией 2 (рис. 69, а). При температуре газов выше 530 °С трубную доску выполняют из легированной стали или ее охлаждают воздухом (рис. 69, б) температурой tB = = 30 °С. При работе на абразивном топливе для защиты входных участков труб 4 от изнашивания используют съемные защитные вставки 3.

Регенеративные воздухоподогреватели (РВП) включают ци­линдрический ротор 4, вращающийся на валу 1 внутри неподвиж­ного стального корпуса 2 (рис. 70). Ротор состоит из секторов 5, заполненных вертикальными стальными пластинами толщиной 0,8—1,2 мм. Для увеличения площади поверхности в единице объема часть пластин 7 гофрируют. Верхняя и нижняя секторные плиты делят корпус на две части — газовую I и воздушную //. Газы / движутся сверху вниз, а воздух // — снизу вверх. При вращении ротора 4 отдельные сектора 5 то нагреваются в потоке

Газов, то охлаждаются в потоке воздуха. Вращение обеспечи­вается электродвигателем 3, установленным на вертикальной части наружного корпуса. Шестерня, соединенная с электродвигателем через редуктор, перемещает расположенные по окружности ротора вертикальные валики 6 (цевки). Частота вращения ротора 2 об/мин.

Гофрированная форма листов позволяет получать до 300— 400 м2 поверхности в 1 м3 объема. Форма набивки зависит от температурных условий. Для горячей части РВП применяют интенсифицирующую набивку с более плотным расположением листов.

Небольшая толщина листа способствует не только быстрому; прогреву и охлаждению пластины, но и некоторой вибрации листов при прохождении через них воздушного потока, приводя - ; щей к частичному удалению золовых загрязнений. Гофрированные • листы изготовляют штамповкой или прокаткой.

К недостаткам РВП можно отнести сравнительно быстрый износ и коррозию листов и относительно невысокую теплопере­дачу при продольном обтекании листов газом.

В газовом тракте РВП давление меньше чем в воздушном. Перепад давлений составляет около 7—8 кПа. Это приводит к необходимости уплотнять места сопряжения подвижных и не­подвижных частей. Различают периферийное, радиальное и акси­альное уплотнения. Периферийные и радиальные уплотнения расположены на верхней и нижней частях ротора, а аксиальные — по боковым поверхностям.

В аксиальном уплотнении (рис. 71) снижение перетока воздуха! достигается уменьшением зазора 8 между фланцем ротора 1 и колодкой 2, положение которой регулируется пружинным устрой­ством 3.

Благодаря наличию уплотнений снижаются присосы воздуха в. газовый тракт. Однако присосы воздуха в РВП (АавП = 0,15-г 0,2) выше, чем в ТВП (Аавп = 0,03 на ступень). ПО

Скорости газов и воздуха в РВП близ­ки: wT = 9—11 м/с, wB — 6-н9 м/с. Боль­шие значения wr и wB принимают для мало - ' абразивных и сухих топлив.

РВП отличаются большей компактно­стью, меньшей металлоемкостью, чем ТВП, возможностью осуществления вы­носной компоновки. Поэтому они получили широкое распространение в газомазутных и некоторых котлах, работающих на твер­дом топливе. Ограниченное применение РВП обусловлено наличием в золе оксида кальция (СаО < 15-^20 %), величиной балласта топлива Ар + Wp < 30 %, фрак­ционным составом золы R90 < 20 %. Характеристика РВП приведена в табл. 16.

В РВП воздух может быть нагрет до 360 °С. Кроме того, можно нагревать два параллельных потока воздуха до различ­ных температур. РВП можно применять в качестве первой ступени при tr„ ^ 400 °С. При работе котла на газе возможна схема с горизонтальным расположением ротора. Число устанавливаемых воздухоподогревателей на котел зави­сит от его мощности. Обычно с котлом устанавливают не менее двух РВП. С уменьшением числа РВП экономятся капиталовложе­ния и эксплуатационные затраты, но снижается надежность работы котельной установки.

Рассмотрим некоторые особенности воздухоподогревателей. Из уравнения теплового баланса по газам и воздуху следует, что

.. VBCB (trB — ^вп) = VrCr ($вп— фух),

Где VB и Fr — объем соответственно воздуха и газов, м8/кг; св и ег — теплоемкость соответственно воздуха и газа, МДж/(кг-°С); tra, t'B„, - вух и ^вп — температура соответственно воздуха и газа на выходе и входе воздухоподогревателя, °С.

Подогрев воздуха

^гв tBn — ,,Г Г (Фцп ^yx)

' в^в

При ПОСТОЯННЫХ значениях ^вп, ^вп, Фух зависит от отношения водяных эквивалентов газа и воздуха Vrcr/(VBcB). Теоретический объем продуктов сгорания Vr больше, чем теоретический объем воздуха VB ввиду наличия водяных паров. Кроме того, тепло­емкость продуктов сгорания сг больше теплоемкости воздуха св, так как в них присутствуют трехатомные газы R02 и Н20. В дей­ствительности в связи с наличием присосов воздуха по газовому тракту отношение Vrcrl{VBcB) еще больше и составляет 1,25 для маловлажных топлив (АШ) и 1,6 для высоковлажных углей.

— и

Проходит часть газов. Остальное количество газов пропу­скается через газоход, в котором расположены поверхности экономайзеров высокого 2 и низкого 3 давления. Вода экономай­зера низкого давления 3 используется для предварительного подогрева питательной воды в системе регенеративных подогрева­телей.

Подогрев воздуха в воздухоподогревателе определяется выхо­дом летучих, влажностью топлива, а также способом его сжига­ния. Рекомендуемые значения температуры trB горячего воздуха Приведены в табл. 17.

Газовая коррозия наблюдается во время работы котла, его пуске и останове. Она обусловлена следующим. Содержащийся в продуктах сгорания серный ангидрид S03, соединяясь с водя­ными парами, при конденсации на холодной части труб ТВП Или пластин РВП образует серную кислоту H2S04, активно раз­рушающую металл. Конденсация возникает при температуре поверхности нагрева ниже точки росы, °С,

_ 201, Р~ 1,19аунА""

Где S" и А" —приведенные значения соответственно серы и золы на рабочую массу топлива, % - кг/МДж; а^ — доля золы в уносе;

113

Ік—температура конденсации водяных паров, определяемая парциальным давлением паров воды в продуктах сгорания. На­пример, для мазута tK = 44 °С, для торфа tK = 56 °С, для АШ tK = 274-28 °С.

Интенсивная коррозия наблюдается при останове котла, когда увеличивается конденсация паров H2S04 на остывающих поверх­ностях воздухоподогревателей. Продолжительность т работы на­бивки РВП газомазутного котла зависит от числа остановов п0 (заштрихованная область, рис. 73).

Увеличение числа п0 остановов уменьшает срок службы воз­духоподогревателя .

, Меры защиты воздухоподогревателей от коррозии — предва­рительный подогрев воздуха, использование каскадного подогре­вателя, различных покрытий и режимных мероприятий.

Предварительный подогрев воздуха пе­ред подачей его в воздухоподогреватель 1 может быть осуществлен двумя путями: в калорифере 2 и при смешении с частью горячего воздуха, подаваемого вентилято­ром рециркуляции 3 на вход в воздухо­подогреватель (рис. 74). Первый способ предпочтительнее, так как позволяет исполь-

Зовать для подогрева низкотемпературные отборы пара из турбины и не связан с установкой оборудования (вентилятора рециркуляции). Кроме того, при калориферах сопротивление воздухоподогревателя меньше, так как через него проходит мень­ший объем воздуха.

Подогрев воздуха в калорифере осуществляется до 70—80 °С, что значительно снижает или полностью исключает коррозию. При еще большем подогреве воздуха возникает необходимость увеличения температуры уходящих газов для обеспечения доста­точного температурного перепада Фух — t'bn. Как правило, с вве­дением предварительного подогрева воздуха низкотемпературные части ТВП или холодная часть набивки РВП отделяется от осталь­ной части воздухоподогревателя. Это позволяет во время ремонта менять не весь воздухоподогрева­тель, а лишь часть его поверх­ности. Для мазутных котлов рекомендуется Принимать /вп — = 70-^90 °С, для влажных серо­содержащих ТОПЛИВ /вп tK.

Особенность организации по­догрева воздуха в каскадном воздухоподогревателе заключается в следующем. В низкотемпера­турных секциях воздухоподогре­вателя создаются условия, при которых температура стенки пре­вышает температуру точки росы. Достигается это пропуском через холодные секции всего объема „„ т„

Газов И небольшого расхода ВОЗ - P^J^ Каскадный воздухоподо-

Духа (30—40 %), который пред - . вентилятор; г - калорифер; 3 - Варительно подогревается В ка - каскадная ступень воэдухоподогре - ' , о / тсг _ вателя; 4 — основной воздухоподогре-

Лорифере 2 (рис. 75). Смешение ватель; 5 — смеситель; « — байпас
в случае применения мало зависит от температуры tCT влений снижения коррозии, особенно при сжигании в топке котла высокосернистых мазутов, является использование неметаллических материалов: стекла, фарфора, пластиков, слабо подвергающихся воздействию серной кислоты. Известны конструкции ТВП со стеклянными трубками и РВП с фар­форовыми трубками диаметром 28 мм на выходе. Однако не все проблемы создания таких конструкций решены: у стеклян­ных ТВП — плохая герметичность соединения металлических частей и стеклянных трубок; у РВП — повышенное загрязнение керамики отложениями.

К режимным мероприятиям снижения коррозии относят работу котла с пониженными избытками воздуха. При меньшем коли­честве воздуха аг снижается количество S03 (уменьшается кон­центрация атомарного кислорода), а следовательно, падает ско­рость коррозии. Аналогичные результаты получаются при ре­циркуляции дымовых газов в активную зону горения. Применение этих методов ограничено газомазутными котлами. Для твердых топлив по условиям выгорания частиц и устойчивости процесса горения аг ;>> 1,05, а общий избыток воздуха в топке ат = 1,2-г - 1,25. Рециркуляцию газов по условиям устойчивости горения применяют для топлив с выходом летучих V„ > 40 %.