11. Испарительные поверхности нагрева

322
11. ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
11.1. Тепловосприятие поверхностей нагрева парового котла
Парообразующие поверхности паровых котлов различных систем заметно отличаются друг от друга, но всегда они располагаются в основном в
топочной камере и воспринимают теплоту радиацией. В зависимости от вида
сжигаемого топлива топочные экраны воспринимают 35–50% полного количества теплоты, передаваемой рабочей среде в котле в целом.
В табл. 11.1 показано распределение тепловосприятия рабочей среды в
различных видах поверхностей нагрева. Так, при среднем давлении (4 МПа)
теплоты, получаемой радиацией в топке, недостаточно для покрытия полной
его потребности на парообразование (62%), в связи с чем часть теплоты, затрачиваемой на испарение воды, передают в экономайзере и в конвективных
котельных пучках труб. Поэтому в барабанных котлах среднего давления
обычно экономайзер получается кипящим, в нем питательная вода не только
подогревается до температуры насыщения, но и частично превращается в пар.
Для этих котлов характерны также конвективные испарительные поверхности, образованные разводкой в несколько (три-четыре) рядов труб заднего
экрана в зоне пересечения ими горизонтального газохода (фестон).
Таблица 11.1
Изменение тепловосприятия в поверхностях нагрева котла
с ростом параметров пара
Распределение теплоты между поверхностями нагрева» %
Давление перегретого пара,
МПа
Температура
перегретого
пара, °С
Температура
питательной
воды, °С
4
10
14
14
25,5
440
540
560
545/545
565/570
145
215
230
240
260
паропереиспариэкономайгревательтельными
зерными
ными
62
49
40
35
–
19
30
35
44
58
19
21
25
21
42
В барабанных котлах высокого давления (10 МПа и выше) доля теплоты, используемой на парообразование, снижается (табл. 11.1), и теплоты,
передаваемой экранам в топочной камере, достаточно для получения требуемого количества пара, в связи с чем экономайзер становится некипящим.
При сверхкритическом давлении нижняя часть топочных экранов занята нагревом воды до зоны фазового перехода (радиационный экономай-
323
зер), а далее расположены поверхности, в которых происходит фазовый переход от состояния воды к состоянию пара и начальный перегрев пара.
При высоком и сверхкритическом давлениях перегревательные поверхности потребляют значительную долю тепловосприятия и не могут
разместиться только в горизонтальном газоходе котла (его тепловосприятие составляет 20–22%), поэтому часть поверхности перегревателя занимает верх топки (потолок, настенные панели), и выходной конвективный пакет часто находится в верхней части конвективной шахты.
На тепловосприятие конвективного экономайзера и воздухоподогревателя приходится около 30–35% общего тепловосприятия поверхностей
котла.
11.2. Гладкотрубные топочные экраны
Как указано выше, топочные экраны получают до 50% всего тепловосприятия рабочей среды в котле. Они находятся в зоне наиболее высоких температур газов и требуют тщательного конструктивного выполнения для обеспечения надежной работы. Различают экраны гладкотрубные,
в которых трубы расположены в одной плоскости самостоятельно с небольшим зазором 4–6 мм (рис. 11.1, а) и газоплотные, состоящие из панелей, изготовленных из прессованных или катаных плавниковых труб (рис.
11.1, б) или из гладких труб с вваренными между ними проставками прямоугольного сечения шириной 6–12 мм (рис. 11.1, в). Экраны из таких
сваренных между собой панелей образуют монолитную цельносварную
газоплотную конструкцию. Их называют мембранными. Для образования
в топке зоны устойчивого воспламенения малореакционных топлив, требующих высокой температуры для их интенсивного горения, экраны всех
типов на участках вблизи горелок покрывают огнеупорной массой с закреплением ее на приваренных к трубам шипах. Такие экраны называют
футерованными экранами (рис. 11.1, г, д).
Гладкотрубные экраны применяют в паровых котлах всех систем,
работающих под разрежением газового тракта. При естественной циркуляции в целях повышения надежности движения рабочей среды в трубах
топочные экраны располагают почти исключительно вертикально и в отдельных случаях круто наклонно. Парообразующие поверхности нагрева
прямоточных котлов в котлов с многократной принудительной циркуляцией можно ориентировать в пространстве любым способом, выполняя
топочные экраны вертикальными, горизонтальными и подъемноопускными, поскольку здесь есть возможность организации движения пароводяной смеси со скоростью, предотвращающей нарушение гидравлических режимов.
324
4
3
4
3
6
5
2
1
б)
в)
а)
3
4
9
г)
7
8
3
5
8
д)
Рис. 11.1. Типы топочных экранов: а – гладкотрубный; б – газоплотный из плавниковых
труб; в – газоплотный с вварными полосами; г – гладкотрубный футерованный; д – мембранный футерованный; 1 – труба; 2 – слой огнеупорный; 3 – слой тепловой изоляции; 4
– обмуровка; 5 – проставка стальная прямоугольная; 6 – плавниковая труба; 7 – шипы
специальные; 8 – огнеупорная набивка (карборунд); 9 – хромитовая масса
11.2.1. Вертикальные топочные экраны котлов с естественной циркуляцией
Обычно топочные экраны выполняют в виде вертикальных панелей
(секций), полностью закрывающих все стены
топки и имеющих только
подъемное движение рабочей среды. Трубы
имеют наружный диаметр 83–76–60 мм с толщиной стенки 3,5–5 мм,
причем для котлов высокого давления (10 и 14
МПа) используют трубы
меньшего диаметра, но с
увеличенной толщиной
стенки. Вверху экранные
трубы секции, как правило, объединяются коллектором, из которого в
Рис. 11.2. Схема секции фронтового экрана котла с есте- барабан идут несколько
ственной циркуляцией: 1 – барабан; 2 – необогреваемые отводящих труб большеопускные трубы; 3 – фронтовые трубы топочных экранов;
го диаметра (рис. 11.2).
4 – отводящие трубы
325
Сечения опускных труб, подводящих воду из барабана к нижним коллекторам
топочных экранов, и труб, отводящих пароводяную смесь из экранов в барабан, принимают примерно равными, они составляют около 50% сечения
подъемных труб экрана.
На рис. 11.3 показана схема экранов барабанного котла среднего давления с топкой для сжигания пылевидного топлива с твердым шлакоудалением.
Экраны представляют собой ряд панелей с параллельно включенными вертикальными подъемными трубами, соединенными между собой коллекторами.
Часть подъемных экранных труб введена непосредственно в барабан котла.
Отдельные секции экранов присоединены к барабану через коллекторы и соединительные трубы.
Вода из барабана подводится в нижние коллекторы экранов опускными
трубами, вынесенными за пределы обмуровки топки. Каждая панель экранов
имеет независимый контур циркуляции, что обеспечивает дифференцированное питание их водой в соответствии с тепловой нагрузкой каждой панели. В
месте выхода продуктов сгорания из топки экран, расположенный на задней
ее стенке, образует трехрядный фестон, наличие которого обеспечивает затвердевание расплавленных частиц золы, не охлажденных в топке, что исключает шлакование пароперегревателя, размещенного за топкой. Подъемные трубы экранов выполняют без горизонтальных участков, с минимальным
количеством изгибов в местах расположения горелок, амбразур, лазов и пр.
На рис. 11.4 показана схема экранов барабанного котла высокого давления с топкой для сжигания пылевидного топлива и твердым шлакоудалением. В этом котле тепловосприятие поверхностями нагрева, расположенными в
топке, больше, чем необходимо для испарения воды, и поэтому в топочной
камере кроме испарительных экранов на части стенок располагаются поверхности нагрева пароперегревателя.
Экраны выполнены из ряда секций с вертикальными трубами и самостоятельным контуром циркуляции в каждой секции. Трубы каждой секции
объединены нижним и верхним коллекторами. Из верхних коллекторов пароводяная смесь направляется в барабан по соединительным трубам. Задний экран топки в месте выхода продуктов сгорания из топки фестонирован. Опускные трубы экранов и коллекторы не обогреваются и вынесены за пределы
обмуровки топки.
Как правило, на каждой из вертикальных стен топочной камеры располагают от трех до восьми отдельных экранных секций, объединенных нижними и верхними коллекторами с независимым в каждой секции движением
рабочей среды. Плотность экранирования стен характеризуется отношением
шага труб к диаметру σэ = sэ / d и составляет σэ = 1,07–1,1.
Крепление экранных секций делается вверху: верхний коллектор опирается на горизонтальные балки верхнего (потолочного) перекрытия каркаса
котла. Тепловое расширение экранной секции предусмотрено вниз. Нижние
326
коллекторы имеют свободу вертикальных перемещений в пределах расчетного теплового расширения экрана (60–100 мм).
В последние годы применяются конструкции экранов с натрубной обмуровкой. Такая обмуровка стен топки оказалась достаточно легкой и может
быть прикреплена непосредственно к трубам экрана на котлостроительном
заводе после сборки секции экрана. Таким образом, на монтажно-сборочную
площадку строящейся ТЭС поступают уже готовые секции топки. После их
монтажа необходимо уплотнить швы между секциями.
Рис. 11.3. Схема расположения топочных экранов котлов среднего давления: 1 – фронтовой экран; 2 – опускные трубы; 3 – потолочные трубы; 4 – отводящие трубы; 5 – фестон; 6
– задний экран; 7 – боковые экраны; 8 – разводка труб амбразур; 9 – каркас; 10 – холодная
воронка; 11 – опорный крюк; 12 – полка; 13 – плавник; 14 – натяжной крюк
327
Узел А
4
6
3
5
15
2
2
15
6
6
7
А
1
8
15
10
9
Рис. 11.4. Схема расположения топочных экранов котлов высокого давления. Обозначения
те же, что и на рис. 11.2. Кроме того, 15 – пояс жесткости
Для повышения прочности экрана (за счет разности давлений в топке и
снаружи стена топки воспринимает давление в 5–10 т), исключения вибрации
труб при пульсирующем давлении в топке и выхода отдельных труб из плоскости экрана его укрепляют установкой поясов жесткости (рис. 11.4, узел
15), которые жестко связаны с трубами экрана, охватывают по периметру всю
топку через 3–4 м высоты и перемещаются вместе с экранными трубами
328
вдоль опускных труб при тепловом расширении. Пояс жесткости обеспечивает поддержание заданного шага труб.
В котлах большой мощности в отдельных случаях посередине топки устанавливают двусветный экран (рис. 11.5), разделяющий топку на две полутопки (см. рис. 11.5). Такой экран интенсивно охлаждает топочные газы, благодаря чему уменьшаются габариты топки. Секции этого экрана также подвешиваются за верхний коллектор, а трубы между собой скрепляются в нескольких местах по высоте путем сварки через пруток (рис. 12.6, б). Для выравнивания давления в обеих полутопках в двусветном экране делают окна.
5
4
в)
1
2
3
а)
б)
Рис. 11.5. Выполнение двусветного экрана: а – компоновка двухсветного экрана; б – общий вид экрана; в – узел сварки труб в зонах А-А; 1 – коллектор; 2 – «окно» для выравнивания давления; 3 – «тройник» для перехода к одному ряду труб; 4 – труба экрана; 5 – пруток; 6 – ремонтный лаз
Для получения полноценной версии необходимо обращаться по адресу…
«Лаборатория информационных технологий в энергетике»,
Кафедра «Тепловые электрические станции»
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
e-mail: boiko@krgtu.ru
р.т.: (8-3912) 91-27-56
660074, г. Красноярск, ул. Академика Киренского, 26
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»