16_Gazovozdushny_trakt

433

16.ГАЗОВОЗДУШНЫЙ ТРАКТ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ИЕГО ОБОРУДОВАНИЕ

16.1.Общие сведения

Газовоздушный тракт парового котла представляет собой комплекс элементов, по которому осуществляется движение воздуха (воздушный тракт)

ипродуктов сгорания до выхода в атмосферу (газовый тракт).

Вкотлах малой паропроизводительности без организации подогрева воздуха для горения при относительно короткой длине газоходов (рис. 16.1) возникает небольшое сопротивление при движении газов, которое преодолевается за счет естественной тяги дымовой трубы.

Естественная тяга или самотяга Hсам , Па определяется разностью давле-

ний гидростатических столбов атмосферного воздуха снаружи и нагретой газовой среды внутри трубы:

Hсам	= hтр (ρв	− ρг ) g ,	(16.1)
где hтр – высота дымовой трубы,	м; ρв ,	ρг – плотность холодного воздуха

(при температуре 20–30 °С) и газов (при температуре на выходе из котла), кг/м3; g – ускорение под действием сил земного притяжения, м/с2. В среднем

для трубы высотой 100 м значение Hсам = 350–400 Па или 35–40 кгс/см2 (35– 40 мм вод. ст.).

	В котлах большой мощности увеличи-
	вается количество трубных поверхностей на-
	грева в газовом потоке, появляется подогрев
	воздуха за счет тепла газов, газоходы значи-
	тельно удлиняются и имеют как подъемные,
	так и опускные участки, где необходимо пре-
	одолевать собственную самотягу газов, на-
	правленную вверх. Дополнительно необхо-
	димо иметь запас напора для регулирования
Рис. 16.1. Схема газовоздушного	расхода. В этом случае сопротивление газо-
	воздушного тракта становится очень боль-
тракта котла с естественной тягой	шим и не может быть преодолено за счет тя-

ги дымовой трубы, поэтому организуется принудительное движение воздуха и газов.

На транспортировку воздуха и дымовых газов затрачивается значительное количество энергии, которое зависит от принципиальной его схемы, аэродинамического выполнения его элементов и принятых скоростей движения воздуха и дымовых газов. На рис. 16.2 приведены варианты выполнения газовоздушного тракта: с уравновешенной тягой, когда аэродинамическое сопро-

434

тивление воздушного тракта преодолевается за счет напора, создаваемого дутьевым вентилятором, а аэродинамическое сопротивление газового тракта

– за счет дымососов, имеющими напор 2,0–3,5 кПа, и под наддувом, когда аэродинамическое сопротивление газовоздушного тракта в целом преодолевается за счет напора (2,5–5,0 кПа), создаваемого специальными высоконапорными дутьевыми вентиляторами.

Б		ПП		1
	Т			ЭК
				ВП
Г				ЭК
				ДВ
ПС				ДС
а)	б)		2	ДТ

Рис. 16.2. Принципиальные схемы газовоздушных трактов котлов: а – схема с уравновешенной тягой; б – схема под наддувом; 1 – воздухозаборник; 2 – коробо горячего воздуха; 3 – присосы холодного воздуха; 4 – контроль разряжения на выходе из топки; Б – барабан; ПП – пароперегреватель; ЭК – экономайзер; ВП – воздухоподогреватель; ДВ – дутьевой вентилятор; ДС – дымосос; ДТ – дымовая труба; ПС – система пылеприготовления; Г – горелка; Т – топочная камера

В котлах с уравновешенной тягой продукты сгорания удаляют дымососами, в этой связи топка и все газоходы находятся под разрежением. Контрольной точкой, обеспечивающей согласование работы дутьевых вентиляторов и дымососов, является давление газов на выходе из топочной камеры. Здесь устанавливается и автоматически поддерживается небольшое разрежение (давление ниже атмосферного), составляющее 20–40 кПа (2–4 мм вод. ст.). Дутьевой вентилятор подает столько воздуха, сколько необходимо для полного сжигания топлива, а регулирующие устройства дымососов изменяют производительность так, чтобы в верху топки постоянно сохранять указанное небольшое разрежение.

На рис. 16.3. показано сопоставление распределения давления в газовоздушном тракте котельной установки, работающей с уравновешенной тягой (а) и под наддувом (б). Как видно, весь газовый тракт котла при наддуве находится под избыточным давлением в сравнении с атмосферным. В этом случае, чтобы исключить проникновение в котельное отделение токсичных газов, необходимо обеспечить полную газоплотность всех стен газоходов котла, что достигается переходом на новую технологию производства настенных экранов и заметно удорожает котел.

435

Вместе с тем переход на газоплотность тракта исключает присосы воздуха и уменьшает объем удаляемых из котла газов. Напор, который создает высоконапорный дутьевой вентилятор, меньше, чем сумма напоров дутьевого вентилятора и дымососа в уравновешенной схеме. Это приводит к экономии энергии на привод тягодутьевых машин. К тому же высоконапорный дутьевой вентилятор перекачивает объем холодного воздуха, а дымососы – достаточно «горячих» газов с увеличенным удельным объемом, что дополнительно снижает затраты энергии на перекачку.

Рис. 16.3. Распределение давления в газовоздушном тракте котельной установки при уравновешенной тяге (а) и наддуве (б): ДВ – дутьевой вентилятор; ВП–В – воздухоподогреватель (воздушная сторона); ВП–Г – воздухоподогреватель (газовая сторона); ДС – дымосос; ДТ – дымовая труба

При длительной эксплуатации газоплотного котла в разных его местах за счет термических напряжений со временем происходит разгерметизация тракта, исключение которой требует больших постоянных затрат. Поэтому в эксплуатации используют газоплотные по конструкции поверхности котла в сочетании с работой по уравновешенной тяге, что также заметно снижает затраты энергии на тягодутьевые машины за счет исключения присосов. В то же время исключается проникновение вредных для здоровья людей газов в помещения электростанции.

16.2.Тягодутьевая установка

Вкотельных установках ТЭС используется принудительное движение воздуха и газов. Исключением являются пиковые теплофикационные водогрейные котлы (ПТВМ), у которых движение дымовых газов осуществляется

436

за счет самотяги. Однако в настоящее время на новых ТЭЦ получают применение для теплоснабжения и котлы с принудительной тягой (КВГМ, КВТК), которые оказываются более надежными в эксплуатации.

Тягодутьевые машины должны обеспечивать номинальную нагрузку парового котла и при этом иметь высокую экономичность, эффективно работать на частичных нагрузках, отличаться высокой надежностью в работе, компактностью размеров и быстроходностью вращения при умеренном шуме.

Важнейшим показателем экономичности вентилятора и дымососа является его КПД

η = QH /W ,	(16.2)
где Q – количество перемещаемого воздуха (газа), м3/с;	H – развиваемое

полное давление, кПа; W – потребляемая на валу мощность, кВт.

В качестве тягодутьевых машин применяются три типа вентиляторов:

радиальные (центробежные) с вперед загнутыми лопатками (рис. 16.4, а), радиальные с назад загнутыми лопатками (рис. 16.4, б) и осевые (рис. 16.5).

В настоящее время вентиляторы с вперед загнутыми лопатками не используются в новых энергетических установках, так как их КПД на номинальном режиме не превышает 65–70%. Поэтому исключительное применение в настоящее время имеют радиальные вентиляторы с назад загнутыми лопатками и осевые, КПД которых на исходном режиме находится в диапазоне 82–87%.

Давление, развиваемое вентилятором, Па, зависит от окружной скорости рабочего колеса по наружному диаметру u2 , м/с, и плотности перемещае-

мой среды ρ2 , кг/м3:
H = Hρu22 .	(16.3)

А

А

а) б)

Рис. 16.4. Центробежный (радиальный) вентилятор: а – лопатки, загнутые вперед; б – лопатки, загнутые назад

437

Коэффициент пропорциональности

H в выражении (16.3)

называют

коэффициентом давления. Эта величина является неизменной для всей серии

вентиляторов данной аэродинамической схемы независимо от их размеров и

скорости вращения. Величина H определяется типом вентилятора (у ради-

альных больше, чем у осевых) и углом между касательной к выходной кромке

лопатки и касательной к окружности колеса β2 .

Следует отметить, что наибольший коэффициент давления имеют ради-

альные машины с вперед загнутыми лопатками (β2 < 90°):

H = 0,87 . Наи-

высшего КПД (87%) достигают радиальные машины с углом установки лопа-

ток β2

= 160° (загнутые назад лопатки). Они имеют низкий коэффициент дав-

ления: H = 0,35

(рис. 16.4). Эти машины получили широкое применение на

паровых

котлах

средней

и

большой мощности в качестве

дутьевых вентиляторов. Однако

они не могут использоваться в

качестве дымососов за пыле-

угольными котлами вследствие

отложения

золы

на

тыльной

стороне рабочих лопаток. Для

паровых котлов блоков мощно-

а)

стью 300 МВт и более в качест-

Нп , кг/м2

ве дымососов

исключительное

а

применение

получили

осевые

с

со

400

о

дымососы

(рис.

16.5),

отли-

ы

м

ы

д

,

8

т

0

чающиеся компактностью в ра-

о

ос

а

8

аб

с

,

т

и

р

м

о

=

0

7

5

диальном направлении и высо-

300

д ы

η

,

0

ос

а

=

в

р

η

кой

быстроходностью.

При

и

о

7

ч

б

й

в

ы

0,

5

то

с

л

я

6

КПД

на уровне

80–82%

они

у

д

0,

а

,6

ц

а

200

иц

0

ни

н

имеют

коэффициент

давления

а

а

5

р

Г

р

Г

0,

,4

на ступень H = 0,25. Для полу-

0

100

,3

0

чения

необходимых

напоров

+40°

+30°

+20°+10°

Φ=0° -10° -20° -30°

б)

при

низких

коэффициентах

300 400 500

600 700 800

900 10001100 1200 Q, м3/ч

давления

они

выполняются

Рис. 16.5. Осевой дымосос типа ДОД: а – аэроди-

обычно двухступенчатыми.

намическая схема; 1 – всасывающий карман; 2 –

Значительную часть

вре-

вал; 3 – обтекатель; 4 – поворотный направляю-

мени тягодутьевые машины ра-

щий аппарат первой ступени; 5 – рабочие лопатки

ботают при пониженных, про-

первой ступени;

6

– поворотный направляющий

тив расчетных, производитель-

аппарат второй ступени; 7 – рабочие лопатки вто-

ности и давлении. Это объясня-

рой ступени; 8 – спрямляющий аппарат; 9 – диф-

ется переменным графиком на-

фузор: б – характеристика дымососа ДОД 31,5

грузки основного оборудования

при t = 100 °С и n = 490 об/мин

электростанции и значительны-

438

ми нормативными запасами по расходу и давлению, принимаемыми при выборе тягодутьевых машин. Поэтому КПД вентиляторов и дымососов в процессе эксплуатации ηэкс определяется по соотношению

ηэкс = ηм ηрег ,

(16.4)

где ηрег – КПД регулирования при работе машины на частичной нагрузке.

При уменьшении расхода воздуха или дымовых газов снижается сопротивление тракта по выражению

	Н2	= Н1	æ	Q2	ö2
			ç		÷	,	(16.5)
				Q1
			è		ø

и теоретическая мощность на транспортировку газов

	W2	=W1	æ	Q2	ö3
			ç		÷ .	(16.6)
				Q1
			è		ø

В формулах (16.5) и (16.6) Q1 , H1 , W1 – расход, м3/с, давление, кПа, мощность, кВт, в расчетном режиме; Q2 , H2 , W2 – то же при пониженной на-

грузке.

Однако такое снижение мощности имело бы место, если бы существовал привод, при котором можно было бы плавно и без потерь снижать частоту вращения рабочего колеса вентилятора по мере уменьшения расходов газа (воздуха). До настоящего времени не удалось создать привод, удовлетворяющий этим условиям, кроме случая, когда в качестве привода вентилятора применяется паровая турбина. Этот случаи встречается в практике на паровых котлах очень большой мощности под наддувом (например, на блоках мощностью 1200 МВт на газе и мазуте).

Основным способом регулирования производительности вентиляторов и дымососов с электроприводом является применение так называемых на- правляющих аппаратов, которые устанавливаются во входном патрубке вентилятора. Эти аппараты представляют собой набор лопаток, установленных перед входом на рабочее колесо (рис. 16.6), которые могут при пониженных нагрузках поворачиваться одновременно на некоторый угол, закручивая поступающий в вентилятор поток в сторону вращения рабочего колеса вентилятора и уменьшая этим потребление энергии на его привод.

Наиболее эффективным этот способ оказывается для осевых вентиляторов и дымососов, у которых центробежные силы не участвуют в создании давления. Для радиальных (центробежных) вентиляторов этот способ оказы-

439

вается менее эффективным, особенно для высоко экономичных вентиляторов с сильно загнутыми назад лопатками. Для этих машин направляющие аппараты применяются в комбинации с двухскоростными асинхронными двигателями. При значительном снижении расхода воздуха (газа) производится переключение на пониженную частоту вращения (например, с 750 на 600 об/мин); в промежутке между этими переключениями регулирование осуществляется направляющими аппаратами. Иногда, для регулирования производительности, при установке между односкоростным электродвигателем и валом вентилятора используются гидромуфты, однако этот способ не получил применения в отечественной энергетике.

Рис. 16.6. Направляющий аппарат осевого типа для регулирования производительности радиального вентилятора: 1 – обечайка направляющего аппарата; 2 – створки аппарата; 3

– обтекатель; 4 – поворотное кольцо с рычагами створок: 5 – рукоятка привода к авторегулятору; 6 – кожух вентилятора; 7 – рабочее колесо с лопатками; 8 – опорный подшипник

440

16.3. Выбор тягодутьевой установки.

Для выбора дутьевых вентиляторов и дымососов должны быть известны соответствующие объемы воздуха и продуктов сгорания V , м3/с, и определено полное сопротивление тракта при номинальной нагрузке Hп , Па, с

учетом самотяги как в газоходах, так и в дымовой трубе. К полученным величинам вводят коэффициенты запаса по расходу β1 = 1,10 и давлению для ды-

мососов β1 = 1,20 и для дутьевых вентиляторов β1 = 1,15. Расчетный расход, м3/с, и полное давление, Па, создаваемое машиной, запишутся так:

Qp = β1V ,	(16.7)
Hp = β2 Hп .	(16.8)

Для обслуживания парового котла устанавливают несколько вентиляторов (дымососов), которые работают параллельно. Каждый вентилятор должен обеспечить расход Qp / n , где n – число установленных вентиляторов (дымо-

сосов). Наилучшим решением считается установка двух вентиляторов (дымососов) на котел производительностью по 50% каждый.

Только на очень крупных паровых котлах (2600 т/ч и выше) приходится устанавливать три-четыре вентилятора и три-четыре дымососа. Такое увеличение числа машин следует считать временным, до разработки необходимых типоразмеров тягодутьевых аппаратов.

Расчетное давление Hpпр необходимо скорректировать с учетом массы среды, для которой заводом-изготовителем дается характеристика машины:

Hpпр = kp Hp ,

(16.9)

где kp = ρзап / ρ – коэффициент приведения; ρ и ρзап – соответственно плот-

ность перемещаемых машиной продуктов сгорания и воздуха при заводских испытаниях и заданной температуре, кг/м3.

Для каждой машины имеется заводская характеристика, на которой приводится зависимость от расхода Q , давления H , КПД η и потребляемой

мощности W . При выборе вентилятора расчетные точки Qp и Hpпр должны

располагаться возможно ближе к кривой развиваемого давления с нижней ее стороны.

Для выбора типоразмера и частоты вращения рабочего колеса вентилятора используются сводные графики, на которых приведены рабочие зоны характеристик всех вентиляторов данной серии. Для каждого вентилятора или дымососа обведены рабочие зоны Q = H характеристик, внутри которых

441

должна располагаться расчетная точка вентилятора. Сводный график характеристик центробежных вентиляторов типа 0,55-40-I приведен на рис. 16.7.

В России принята единая маркировка выпускаемых тягодутьевых машин. Буквой Д обозначаются дымососы, ВД – дутьевые вентиляторы. Если после этих букв других букв нет, то это центробежные (радиальные) машины с вперед загнутыми лопатками. Если в обозначение включена буква Н, т. е. машина типа ДН или ВДН, то это означает, что эти машины имеют назад загнутые лопатки. Осевые дымососы обозначаются ДОД (дымосос осевой двухступенчатый), осевые дутьевые вентиляторы – ВДОД. После букв указывается диаметр рабочего колеса в дециметрах, например ДН-21 (диаметр колеса 2100 мм). Если после первой цифры стоит цифра 2, то это значит, что машина имеет всасывание с двух сторон рабочего колеса (см. рис. 16.8), например ВДН-25x2 (дутьевой вентилятор двустороннего всасывания с диаметром колеса 2500 мм). Двухстороннее всасывание выполняют для придания большей компактности тягодутьевой машине.

Нп

Q

Рис. 16.7. Сводный график для выбора дутьевых вентиляторов типа 0,55-40-I

Кроме вентиляторов и дымососов для парового котла и системы пылеприготовления могут устанавливаться вентиляторы специального назначения. К ним относятся вентиляторы горячего дутья, подающие вторичный воздух в горелки и устанавливаемые после воздухоподогревателя (ВГД), и дымососы рециркуляции газов из конвективной шахты в топочную камеру (ГД).

442

	А
А	Вид Б

	А-А
Вид А	Б

Рис. 16.8. Дымосос двустороннего всасывания

16.4.Примеры и контрольные вопросы

16.4.1.Примеры

1.Определить мощность электродвигателя для привода дымососа котельного агрегата Е-210-13,8-560 КБТ, работающего на райчихинском буром

угле марки 2Б состава: Cr = 34,9 %; Нr = 2,1 %; Sr = 0,3 %; Nr = 0,5 %; Or = 11,3 %; Ar = 13,9 %; W r = 37,0 %; если расход условного топлива Bусл = 19,3

т/ч, потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива q4 = 0,5 %, теоретически необходимый объем воздуха Vв0 = 3,293 м3/кг, теоретический