13_Nizkotemperaturnye_poverkhnosti

367

13. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА

Низкотемпературными называются поверхности, расположенные в нижней части конвективной шахты котла. Они являются последними рабочими поверхностями котла по тракту дымовых газов. К ним относятся поверхности экономайзера и воздухоподогревателя. Здесь температура газов становится уже сравнительно низкой (400–120 °С). В этой зоне поверхности котла подвергаются коррозии со стороны газового потока, увеличиваются загрязнения поверхности за счет летучей золы и может возникнуть абразивный износ металла.

13.1. Компоновка низкотемпературных поверхностей нагрева

Рабочие процессы в экономайзере и воздухоподогревателе протекают различно. Однако по условиям тепловой работы экономайзер и воздухоподогреватель взаимно связаны. Эти поверхности используют теплоту низкотемпературных продуктов сгорания, их размещают обычно последовательно в конвективной шахте. Общими задачами при конструировании этих поверхностей нагрева являются интенсификация теплообмена и создание компактных малогабаритных элементов с умеренной затратой металла, которые подвергались бы минимальным золовому износу, заносу и коррозионным повреждениям.

Воздухоподогреватель работает в условиях наименьших температурных напоров между греющими продуктами сгорания и нагреваемым воздухом; здесь самый низкий коэффициент теплопередачи. Поэтому его поверхность нагрева превышает суммарную поверхность нагрева всех элементов водопарового тракта и для котла мощного блока достигает десятков и сотен тысяча квадратных метров.

Продукты сгорания в зависимости от влажности топлива и содержания в нем водорода (мазут, природный газ) обычно содержат большое количество водяных паров, а также трехатомных газов (CO2 и SO2 ). Усредненная тепло-

емкость газов – произведение удельного объема Vг , м3/кг, на теплоемкость cг , кДж/(м3·К), – (Vc)г оказывается всегда больше, чем усредненная теплоемкость нагреваемого воздуха (Vc)в , так как Vг > Vв из-за присосов по газовому тракту и наличия водяных паров, a cг > cв , поскольку в газовом потоке боль-

ше трехатомных газов, обладающих более высокой теплоемкостью. Тепловосприятие поверхности по обеим рабочим средам

Qвп = (Vc)г δϑг = (Vc)в δtв ,

(13.1)

где δϑг и δtв – изменение температуры газов и воздуха при прохождении поверхности воздухоподогревателя.

368

В результате воздух в воздухоподогревателе нагревается быстрее, чем охлаждаются в нем продукты сгорания. Так, для маловлажного топлива в среднем при охлаждении продуктов сгорания на 1 ºС воздух нагревается примерно на 1,2 ºС, а для влажного – на 1,4 °С. Эти соотношения приводят к тому, что по мере нагрева воздуха температурный напор, определяющий интенсивность теплообмена, уменьшается и на горячем конце воздухоподогревателя достигает минимального значения (рис. 13.1). Экономически оправданной является разность температур tмин = ϑвп′ − tгв не менее 30–40 °С. Дальнейшее

повышение температуры горячего воздуха уже невыгодно из-за очень вялого теплообмена в горячей части воздухоподогревателя, что требует заметного увеличения размеров поверхности. Таким образом, чтобы получить более высокую температуру горячего воздуха (при той же начальной температуре холодного воздуха) надо иметь более высокую температуру газов на входе в воздухоподогреватель ϑвп′ за счет, например, уменьшения поверхности эко-

номайзера. Но тогда увеличивается температура уходящих газов, т. е. возрастет потеря теплоты q2 . В связи с этим при последовательной компоновке по-

верхностей экономайзера и воздухоподогревателя, называемой одноступен- чатой компоновкой. имеет место ограничение температуры подогрева воздуха по условиям экономичности работы котла. Предельная температура подогрева воздуха зависит от вида топлива и составляет 250–350 °С (большая температура для сильновлажных топлив с повышенным объемом продуктов сгорания).

ϑ′

эк

t′′

эк

tп.в.

tг.в.

tх.в.

ϑух

		t	′′
			эк
			ϑ′
			эк
	tп.в.	tг.в.	ϑв′.п.
t	ϑух
	х.в.
			ϑух

Рис. 13.1. Распределение температурных напоров при одноступенчатой компоновке низкотемпературных поверхностей нагрева: 1 – экономайзер; 2 – воздухоподогреватель

Это позволяет сохранить температуру низком уровне.

Для подогрева воздуха до более высокой температуры (350–450 °С) воздухопо-

догреватель выполняют двух- ступенчатым, располагая часть поверхности экономайзера между этими ступенями (рис. 13.2). Сущность двухступенчатой схемы заключается в увеличении температурного напора t на выходном (по воздуху) конце воздухоподогревателя в результате переноса его горячей (второй) ступени в область более высокой температуры продуктов сгорания.

уходящих газов на достаточно

369

Воздухоподогреватель выполняют из углеродистой стали, для которой

максимально допустимая температура металла не превышает 500 °С, что при

ϑ′

температуре

подогрева

эк

t ′′

воздуха до 400 °С соответст-

Температура

эк

1

Вода

t ′′

′

вует температуре

продуктов

ϑэк

сгорания не более 600 °С.

эк

tг.в.

tг.в.

Воздух

Обычно температура продук-

2

н

и

я

тов сгорания за пароперегре-

а

ор

вателем

высокого

давления

Вода

с

г

3

tп.в.

выше, а потому для защиты

tп.в.

ы

т

Воздух

ду

к

металла второй ступени воз-

4

о

р

духоподогревателя,

если

в

tх.в.

П

схеме котла нет промежуточ-

tх.в.

ϑух

ϑух

ного пароперегревателя, рас-

Рис. 13.2. Распределение температурных: напоров

полагают

вторую

ступень

экономайзера

или

переход-

при двухступенчатой компоновке поверхностей на-

ную зону (в прямоточных

грева: 1 и 3 – вторая и первая ступени экономайзера;

2 и 4 – вторая и первая ступени воздухоподогревате-

котлах ДКД).

ля

При

двухступенчатой

компоновке

воздухоподогре-

вателя и водяного экономайзера заметно увеличивается высота конвективной

шахты, растут монтажные затраты, поэтому такая схема применяется только

для топлив, которые не допускают для экономичного сжигания подогрева

воздуха в одной ступени.

13.2. Экономайзеры

Водяной экономайзер как один из основных элементов котельных установок прежде исключительно предназначался для использования тепла отходящих газов, покидающих котлы. По мере повышения давления пара все более увеличивается значение водяного экономайзера. С повышением параметров пара увеличивается доля тепла, расходуемого на подогрев жидкости до кипения, и уменьшается скрытая теплота парообразования. Перенесение функции подогрева воды до кипения на экономайзер дает возможность облегчить работу котла. Проще и надежнее получаются его циркуляционные контуры.

Таким образом, учитывая наличие сильно развитых поверхностей пароперегревателя и водяного экономайзера, большая часть поверхностей нагрева в современном энергетическом котле работает по прямоточному принципу, без естественной циркуляции, и сравнительно небольшая часть нуждается в обеспечении достаточной кратности циркуляции.

При работе водяного экономайзера гидравлическое сопротивление его может быть значительным, так как движение в нем нагреваемой среды обес-

Рис. 13.3. Схема включения центрального водяного экономайзера: 1 – котлы; 2 – газоход; 3 – центральный экономайзер; 5 – отвод газов к дымовой трубе; 6 – обводной газоход

370

печивается не за счет естественной циркуляции. Поэтому поверхность нагрева может быть выполнена из труб малого диаметра, что повышает коэффициент теплопередачи.

Температура воды на входе в водяной экономайзер определяется исходя из наиболее выгодного по тепловой схеме регенеративного подогрева. Характерные для современных ТЭС температуры воды на входе в водяной экономайзер приведены в таблице.

Рабочее давление, атм	40	101	140	255
Температура питательной воды, °C	145	215	230	260

По компоновке с котлом различают экономайзеры центральные и индивидуальные.

Схема включения центрального водяного экономайзера представлена на рис. 13.3

Большой недоста-

ток центрального водяного экономайзера: вследствие наличия обводного газохода, а также неплот-

ностей заслонок нерабо-

тающих котлов происхо-

дит значительный присос воздуха.

Другим недостатком центрального экономайзера является то, что при его отключении на чистку либо ремонт все

котлы не имеют подогрева воды, что вредно отражается на металле котла. Центральным экономайзером чаще всего оборудуют группу мелких ко-

тельных установок, когда индивидуальный экономайзер не удается хорошо смонтировать с котлом.

В современных энергетических котлоагрегатах большой мощности применяют только индивидуальные водяные экономайзеры. Последние располагают в конвективной шахте. При наличии одной ступени воздухоподогревателя водяной экономайзер располагают перед ним (см. рис. 13.1). При расположении «в рассечку» (см. рис. 13.2) вначале идет (по ходу газов) II ступень водяного экономайзера, затем II ступень воздухоподогревателя, потом I ступень водяного экономайзера и, наконец, I ступень воздухоподогревателя.

Экономайзеры могут быть чугунные и стальные (как индивидуальные, так и центральные).

371

13.2.1. Чугунные экономайзеры

Чугунные экономайзеры могут быть ребристыми и игольчатыми. Чугунные ребристые экономайзеры (рис. 13.4) изготовляют и в настоя-

щее время (конструкции ЦККБ и ТИ – ВТИ).

Различие между ними очень незначительное, в основном в конструкции ребристой трубы.

А

				А-А
5
2	3	4	6	1
				А

Рис. 13.4. Ребристая труба чугунного водяного экономайзера ВТИ: 1 – чугунная труба с ребрами; 2 – шпилька М-20 длиной 95 мм; 3 – гайка М-20; 4 – шайба диаметром 40/22 (δ = 2 мм); 5 – прокладка из паранита (δ = 2 мм); 6 – асбестовый шнур (d = 12 мм)

Обычно чугунный ребристый экономайзер размещается в вертикальном газоходе. Трубы располагают горизонтально. Их соединяют при помощи чугунных колен (калачей) таким образом, чтобы питательная вода могла последовательно пройти по всем трубам снизу вверх (рис. 13.5).

Движение вверх обязательно по той причине, что при нагревании из воды выделяются пузырьки растворенных ранее газов, которые должны из экономайзера удалиться. С целью надежного смывания пузырьков скорость движения воды должна быть более 0,3 м/с, а скорость газов во избежание чрезмерного засорения экономайзера с внешней стороны золой и сажей не менее

5 м/с.

Чугунные ребристые экономайзеры применяют в котлах низкого и среднего давления. При давлении более 60 атм их никогда не ставят ввиду невысокой прочности чугуна.

372

а)

в)

б)

Рис. 13.5. Чугунный водяной экономайзер: а – общий вид; б – ребристая труба ВТИ; в – схема присоединения к котлу; 1 – запорная арматура; 2 – обратный клапан; 3 – дренажный вентиль; 4 – предохранительный клапан; 5 – манометр; 6 – термометр; 7 – воздушник (вантуз)

Чугунные ребристые трубы имеют по краям прямоугольные фланцы, что дает возможность, набирая группу труб, ограничить газоход с двух сторон металлическими стенками. Возможность присоса воздуха через щели между фланцами ликвидируется конопаткой асбестовым шнуром, укладываемым в особые канавки, находящиеся во фланцах.

Основное преимущество ребристых чугунных труб перед гладкотрубными чугунными – меньший расход металла, компактность, а следовательно, и дешевизна.

Игольчатые чугунные водяные экономайзеры мало чем отличаются от ребристых. На них вместо ребер отлиты обтекаемые иглы. Эти экономайзеры имеют меньшее сопротивление ввиду лучшей обтекаемости. Скорость в них обычно больше 10–12 м/с (по газам) и они самообдуваются.

Основное преимущество чугунных экономайзеров – малая опасность внутренней и внешней коррозии. Это дает возможность широко применять их в малых установках, где требования к качеству питательной воды понижены.

Недостатки чугунных экономайзеров: ограниченность применения по давлению рабочей среды; боязнь гидравлических ударов; больше количество

373

фланцевых соединений с калачами; на зольных топливах – ребра засоряются золой.

13.2.2. Стальные экономайзеры

Экономайзеры, выполняемые с горизонтальными змеевиками, являются основным типом экономайзеров, и их применяют при любом давлении. Для интенсификации теплообмена и уменьшения загрязнения змеевики экономайзера выполняют из стальных труб малого диаметра (наружный диаметр 28–32 мм при толщине стенки 2,5–3,5 мм), применяют тесное шахматное расположение труб в пучке при поперечном омывании газами и в ряде случаев повышают расчетные скорости газов. Концы змеевиков, как и в других поверхностях нагрева, объединяют входным и выходным коллекторами, вынесенными из области газового обогрева (рис. 13.6). К коллекторам змеевики присоединяют сваркой.

Рис. 13.6. Общий вид пакета экономайзера: 1 – трубные змеевики; 2 – коллектор; 3 - опорная балка; 4 – опорные стойки

Для обеспечения газовой плотности (исключения присоса воздуха в газоход через зазоры между трубами и обмуровкой) и уменьшения потерь теплоты наружу, входные и выходные коллекторы помещают в теплоизолирующие камеры (рис. 13.7). В мощных паровых котлах для уменьшения возможных присосов воздуха часто избегают вывода всех труб через обму-

	374
		ровку, а пропускают лишь небольшое
4	6	число	соединительных	патрубков
		(рис. 13.8, а). В газоплотных котлах
		почти всегда в газоходе помещают и
		коллекторы, служащие одновременно
		опорой всего экономайзера (рис.
		13.8, б).
2	5		Движение воды в экономайзере
		делают восходящим, что обеспечива-
		ет свободный выход с водой выде-
		ляющихся при нагреве газов и обра-
		зующегося в кипящем экономайзере
	3	пара. Для удобства ремонта и экс-
	1	плуатации поверхность экономайзера
Рис. 13.7. Тепловая изоляция коллектора эко-		по ходу продуктов сгорания разде-
номайзера: 1 – обмуровка конвективной шахты;		ляют на пакеты высотой до 1 м. Раз-
2 – трубы экономайзера; 3 – коллектор; 4 – ог-		рывы	между пакетами	составляют
неупорная набивка; 5 – теплоизоляционная за-		550–600 мм.
сыпка; 7 – металлическая обшивка

а)

б)

Рис. 13.8. Способы присоединения змеевиков экономайзера к коллектору: а – через соединительные патрубки, проходящие сквозь обмуровку; б – с размещением коллекторов в газоходе; 1 – змеевики; 2 – коллектор; 3 – соединительные патрубки; 4 – опорная конструкция змеевиков

Змеевики экономайзера располагают перпендикулярно или параллельно фронту котла. В первом варианте (рис. 13.9, а) длина змеевиков получается небольшой и определяется глубиной газохода, что облегчает их крепление. Применение первого способа возможно для топлив, не содержащих золу (мазут, газ, дрова, торф). Использование его для зольных топлив недопустимо из соображений эрозии летучей золой одновременно всех змеевиков, поскольку зола за счет сил инерции прижимается в поворотной камере к задней стенке

375

			конвективной			шахты
		(см. рис. 13.10). При				распо-
		ложении		змеевиков		парал-
		лельно фронту (рис. 13.9, б)
		число		параллельных		труб
		резко		сокращается		из-за
		уменьшения длины коллекто-
		ра,	однако		увеличивается
а)	б)	протяженность			змеевиков и
Рис. 13.9. Компоновка экономайзера; 1 – барабан; 2		усложняется их крепление. В
– водоперепускные трубы; 3 – экономайзер; 4 –		паровых		котлах экономайзе-
входные коллекторы		ры	выполняют		преимущест-

венно двусторонними симметричными с расположением пакетов с двух боковых сторон по схеме, показанной на рис. 13.9, б.

а)

б)

Рис. 13.10. Распределение крупных фракций летучей золы за поворотной камерой в зоны абразивного износа металла поверхностей нагрева: а – при расположении змеевиков параллельно фронту котла; б – при расположении змеевиков перпендикулярно фронту котла; 1 – змеевики; 2 – поворотная камера; 3 – распределение концентрации крупных фракций золы; 4 – зона абразивного износа труб

а)

б)

в)

Рис. 13.11. Методы защиты конвективной поверхности нагрева от абразивного износа при поперечном обтекании

Поскольку золовой износ носит местный характер, защита поверхности нагрева предусматривается только в местах наиболее вероятного износа. С этой целью обычно устанавливают уголки или накладки в местах гиба змеевиков (рис. 13.11, а, б) и приваривают прутки на прямых участках труб в местах ожидаемого износа. Для защиты от золового износа иногда выносят гибы змеевиков из зоны обогрева и размещают их в обмуровке.

Экономайзеры могут быть некипящими, когда вода на выходе недогрета до кипения, и кипящими, если на выходных участках экономайзера образуется некоторое количество пара. Стальные змеевиковые экономай-

376

зеры допускают парообразование. Выходное паросодержание не должно превышать 25%. Экономайзеры кипящего типа делают только стальными. Чугунные экономайзеры – все некипящего типа. В этих экономайзерах вода должна не догреваться до кипения на 30–50 °C. Конструктивно экономайзер некипящего типа отличается от кипящего тем, что между водяным экономайзером и котлом может быть установлена запорная арматура. Обычно в котлах с водяным экономайзером некипящего типа имеется обводной боров, по которому идут газы во время растопки. Также предусматривают и питание котла холодной водой мимо водяного экономайзера.

В водяных экономайзерах кипящего типа, которыми снабжены современные котельные установки, между экономайзером и барабаном котла не установлено никакой запорной арматуры. В экономайзерах кипящего типа, для надежного смыва со стенок образующихся пузырьков воды скорость движения воды должна быть не менее 1 м/с. Наличие водяного экономайзера кипящего типа считается целесообразным, поскольку его применение в два раза выгоднее конвективной поверхности нагрева котла по причине более высокого значения t и большей простоты изготовления.

При малой скорости воды в экономайзере оставшийся в воде кислород выделяется по мере ее нагрева в виде пузырьков и может задерживаться на внутренней шероховатой поверхности верхней образующей трубы, при этом создаются условия для язвенной (точечной) коррозии металла. В кипящем экономайзере при малой скорости воды возможно расслоение пароводяной смеси (см. § 9.1).

			Защита от кислородной кор-
			розии	и	расслоения		достигается
			выбором		соответствующей скоро-
			сти воды. Массовая скорость воды
			в экономайзере должна быть не ме-
			нее 500–600 кг/(м2·с) в некипящих
			конвективных, 800 кг/(м2·с) в ки-
Рис.13.12. Плавниковые трубы экономай-			пящих конвективных и 1000–1200
			2	·с) в радиационной части эко-
зера: а – приварные плавника; б – трубы			кг/(м
плавникового профиля			номайзера, находящегося в топке
			прямоточного котла, при этом
внутренний	коэффициент	теплоотдачи		достаточно		велик		( α2 =3–4
кВт/(м2·К)), что обеспечивает надежное охлаждение труб. Дальнейшее
увеличение массовой скорости повышает надежность работы металла, но
требует значительных затрат энергии на преодоление гидравлических со-
противлений.