12_Paroperegrevateli

339

12.КОНСТРУКЦИИ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ И ИХ КОМПОНОВКА

12.1.Виды пароперегревателей

Пароперегреватель предназначен для перегрева поступающего в него насыщенного пара до заданной температуры. Он является одним из наибо- лее ответственных элементов котла, так как температура пара здесь дости- гает наибольших значений и металл пароперегревателя работает в услови- ях, близких к предельно допустимым.

По виду тепловосприятия различают конвективные пароперегревате- ли, располагаемые в конвективных газоходах котла и получающие теплоту конвекцией, радиационные, размещаемые на стенах и потолке топочной камеры и горизонтального газохода и получающие тепло радиацией от вы- соконагретых газов, и полурадиационные ширмовые пароперегреватели; их

располагают в верхней части топки на входе в горизонтальный газоход в виде плоских ширм, собранных из пароперегревательных труб, находящих- ся друг за другом в одном ряду.

По назначению пароперегреватели делят на основные, в которых пе- регревается пар высокого и сверхкритического давления, и промежуточ- ные – для повторного (вторичного) перегрева пара, частично отработавше- го в турбине.

Конвективные пароперегреватели. Их выполняют из стальных труб наружным диаметром 32–42 мм для высокого и сверхкритического давле- ния и толщиной стенки 5–7 мм. В промежуточных пароперегревателях при более низком давлении пара используют диаметр труб 42–50 мм при тол- щине стенки 4–5 мм. Обычно для пароперегревателей применяют гладкие трубы. Они проще в производстве и дешевле ребристых. Гладкие трубы меньше подвержены наружным отложениям и легче от них освобождаются. Недостаток гладкотрубных поверхностей нагрева – ограничение удельного тепловосприятия при умеренных скоростях газового потока. Учитывая, что

теплопередача через поверхность нагрева лимитируется теплообменом снаружи, поскольку α1 << α2 , оребрению следует подвергать наружную

поверхность труб. Поэтому в ряде случаев заводы применяют продольное оребрение в виде плавниковых труб (рис. 13,1, а) и поперечное оребрение с

поперечными кольцевыми ребрами (рис. 13.1, б).

На мощных энергетических блоках применяется промежуточный пе- регрев пара. При относительно низком давлении пара промежуточного пе- регрева (3–4 МПа) гидравлическое сопротивление промежуточного паро- перегревателя должно быть небольшим (0,2–0,3 МПа). Это ограничивает массовую скорость пара при большом удельном объеме его, требует при- менения труб большего диаметра, что снижает коэффициент теплоотдачи на внутренней стороне. Низкие значения внутреннего коэффициента теп- лоотдачи α2 при интенсивном наружном обогреве поверхности промперег-

340

ревателя, особенно в выходной его части, вызывают в ряде случаев недо- пустимое повышение температуры перлитной стали, из которой выполня- ется пароперегреватель. Уменьшить температуру стенки такого паропере- гревателя можно, расположив его в зоне умеренного обогрева, однако это связано с уменьшением температурного напора и значительным увеличе- нием его поверхности нагрева, что экономически невыгодно. Интенсифи-

цировать внутренний теплообмен можно применением труб с внутренним продольным оребрением (рис. 13.1, в). Такая конструкция, развивая внут- реннюю поверхность, обеспечивает повышенный отвод теплоты к пару и уменьшает температуру стенки.

S 2

S1 S1

а)

б)

в)

Рис. 12.1. Трубы пароперегревателя с разной системой оребрения: а – плавниковые; б – с поперечным кольцевым оребрением; в – с внутренним продольным оребрением

Из труб пароперегревателя образуют змеевики с радиусами гибов труб не менее 1, 9d . Концы змеевиков приваривают к входному и выход-

ному коллекторам круглого сечения. Так образуются змеевиковые паке- ты перегревателя. Для достижения максимальной компактности гибы змеевиков выполняют различной формы (рис. 12.2). Различают змеевики одно- и многорядные (рис. 12.3). Они отличаются числом рядов парал- лельных труб, выходящих из коллектора. При большой тепловой мощно- сти котла змеевики пароперегревателя выполняют обычно в три-четыре ряда труб, при этом затрудняются условия для приварки концов труб в коллекторе, увеличивается число сверлений в нем и уменьшается его прочность.

			341
L		0,7L	0,7L
а)		б)	в)	а)	б)		в)	г)
Рис. 12.2. Конфигурация змеевиков паро-				Рис. 12.3. Типы змеевиков пароперегревате-
перегревателя: а – прямые; б и в – уплот- лей: а – однорядный.; б – двухрядный; в –
ненные				трехрядный; г – четырехрядный
В зависимости от направления движения потоков пара и продуктов сго-
рания в пакетах перегревателя различают прямоточные, противоточные и
смешанные схемы движения (рис. 12.4). Часто такое название дают собствен-
но пакету перегревателя.						В противоточном па-
					кете
						пароперегревателя
					(рис. 12.4, а) достигается
					максимальный температур-
					ный напор между продук-
а)	б)		в)	г)	тами сгорания и паром, что
					уменьшает поверхность на-
Рис. 12.4. Схемы взаимного движения пара и про-					грева и расход металла. Не-
дуктов сгорания	в	конвективных пароперегревате-			достатком		схемы	является
лях: а – противоточное;			б – прямоточное;	в и г –	опасность		пережога		по-
смешанное
					следних по ходу пара уча-
стков змеевиков, так как здесь пар наиболее высокой температуры встре-
чается с продуктами сгорания, также имеющими наибольшую темпера-
туру, и металл труб находится в тяжелых температурных условиях. При
прямотоке (рис. 12.4, б) температурный напор получается меньше, чем
при противотоке, и соответственно увеличивается необходимая поверх-
ность нагрева. Однако условия работы металла лучше, так как участки
змеевиков с наибольшей температурой пара обогреваются продуктами
сгорания, уже частично охлажденными. Оптимальных условий надежно-
сти и умеренной стоимости конвективного пароперегревателя достигают
в смешанной схеме взаимного движения (рис. 12.4, в, г). По схеме проти-
вотока работают только конвективные поверхности, омываемые газами
температурой не выше 600–850 °С в зависимости от качества металла.
Наибольшая скорость пара и, следовательно, наиболее интенсивное ох-

342

лаждение металла предусматриваются в выходных по пару змеевиковых пакетах.

Змеевики пароперегревателей располагают вертикально и горизон- тально. Вертикальные змеевиковые пароперегреватели размещают в го- ризонтальном газоходе котла. Они более удобны в конструктивном от- ношении, проще и надежнее их крепление, меньше подвержены шлако- ванию, но недренируемы, т. е. при останове котла и конденсации пара невозможен слив конденсата из нижних частей змеевиков, что затрудня- ет ремонт и последующий пуск в эксплуатацию. Горизонтальные пакеты пароперегревателя, находящиеся в верхней части конвективной шахты, наоборот, более сложны в креплении, более подвержены наружному за- грязнению, особенно при многозольном топливе, но они допускают пол- ный слив конденсата из поверхности нагрева, что упрощает эксплуата- цию.

В зависимости от расположения змеевиков пароперегревателей при- меняют различные способы их крепления. В вертикальных пароперегревате- лях верхние петля удерживаются на потолочных трубах, которые в свою очередь крепятся к каркасу, либо их подвешивают непосредственно к опо- рам каркаса (рис. 12.5).

Ряс. 12.5. Крепление вертикального конвективного пароперегревателя: 1 – змеевики; 2

– подвесные планки; 3 – верхние изгибы труб; 4 – потолочные трубы; 5 – дистанцио- нирующие гребенки; 6 – опорные планки

		343
	8	Горизонтальные			пароперегреватели,
	7	работающие	при	температуре		продуктов
		сгорания ниже 700°С закрепляют на штам-
		пованных из жаропрочных листов стойках
	6	(рис. 12.7). При более высокой температуре
		стойки, особенно газомазутных паровых
	5	котлов, подвергаются интенсивной высоко-
	4	температурной газовой коррозии. Поэтому
	3	горизонтальные пакеты закрепляют на под-
		весных трубах, включенных в водопаровой
	2	тракт (рис. 12.8). Для этой цели применяют
	1	трубы того	же диаметра, что и			основные
		трубы поверхности нагрева, с приваренны-
		ми к ним в шахматном порядке опорными
	Рис. 12.6. Вертикальный промежу-	планками.
		Радиационные			пароперегреватели.
	точный пароперегреватель: 1 –	Настенные поверхности радиационного те-
	трубы пакета; 2 – разводка газо-	пловосприятия, как правило, используются
	плотного потолка; 3 – огнеупорная	на начальном этапе процесса нагрева пара в
	уплотнительная масса; 4 –
	уплотняющий короб; 5 – обвязка	котле (в них подается насыщенный пар из
	труб; 6 – подвеска; 7, 8 – входные и	барабана).
	выходные коллекторы

а)

б)

Рис. 12.7. Конструкции крепления трубных пакетов перегревателя: а – на опорной балке; б – на собственном коллекторе; 1 – нижний коллектор; 2 – роликовая опора; 3 – опорная горизонтальная балка с воздушным охлаждением; 4 – трубы поверхности нагрева; 5 – опорная стопка; 6 – опорная конструкция для стоек 5; обмуровка котлов условно не пока-

зана

		344
1			В прямоточных котлах на-
	2		стенный		пароперегреватель		за-
2			нимает	обычно верхнюю часть
	5		топки, включая потолок, а также
1	1		стены горизонтального			газохода
			и поворотной камеры.			В газо-
	140	140	плотных котлах к ним добавля-
		б)
3			ются экранированные стены кон-
			вективной шахты. В барабанных
	4 а)		котлах	с	паропроизводительно-
			стью D ≤ 420 т/ч настенный па-
Рис. 12.8. Крепление горизонтального конвективного
пароперегревателя на подвесых трубах: а – общая			роперегреватель чаще всего раз-
схема; б – выполнение крепления; 1 – трубы горизон-			мещают на потолке топки и гори-
тального пакета; 2 – подвесные трубы; 3 – коллекто-			зонтального газохода, от фронто-
ры подвесных труб; 4 – входной коллектор перегре-			вой стены топки до задней стенки
вателя; 5 – опорные планки			поворотной камеры. В новых мо-
дификациях барабанных паровых котлов при D ≤ 500 т/ч размеры настенных
поверхностей существенно увеличены за счет экранирования боковых и задней
стен поворотной камеры, а также боковых стен горизонтального газохода. В
этих случаях поток насыщенного пара из барабана движется несколькими па-
раллельными подпотоками (см. рис. 12.9).

Рис. 12.9. Схема движения пара в радиационных настенных поверхностях нагрева бара- банного парового котла: 1 – барабан; 2 – экран потолка и задней стены конвективной шах- ты; 3 – экраны горизонтального газохода; 4 – экраны передней стены конвективной шах- ты; 5 – экраны боковой стены конвективной шахты; 6 – поверхность водяного экономай- зера; 7 – ширмовый пароперегреватель

345

Так как радиационные пароперегреватели подвергаются интенсивно- му обогреву, то температура их труб превышает температуру пара на 100– 150 °С, в связи с чем к качеству металла предъявляют более высокие тре- бования, чем к металлу конвективного пароперегревателя. При одинаковом

тепловосприятии расход металла на радиационный пароперегреватель меньше, чем на конвективный. Надежность охлаждения труб интенсивно

обогреваемых радиационных пароперегревателей достигается применением сравнительно высокой скорости пара, составляющей около 30 м/с.

Преимущества радиационных пароперегревателей: сравнительно ма- лая поверхность нагрева, малое гидравлическое сопротивление (несколько атмосфер), отсутствие сопротивления по газовой стороне.

Крепления труб настенных радиационных пароперегревателей такие же, как у парогенерирующих экранов, и должны обеспечить беспрепятст- венное тепловое расширение труб при их нагревании и остывании.

Ширмовые пароперегреватели. Они представляют собой систему труб, образующих плоские плотные панели с входными и выходными кол- лекторами. Ширмы размешают в верхней части топки на расстояии 600– 1000 мм одна от другой вертикально или горизонтально. Шаг труб в ширме s2 d = 1,1. Изготовляют из труб 32–42 мм. При вертикальной конструкции

ширмы подвешивают к своим коллекторам (рис. 12.10, 12.11), горизон- тально расположенные ширмы подвешивают к опорным трубам, по кото- рым течет вода или слабоперегретый пар (рис. 12.12). Наиболее распро- странены вертикальные ширмы, поскольку их легче крепить, они меньше подвергаются золовым загрязнениям, но не дренируются, т. е. из них нель- зя слить остающийся конденсат пара.

Ширмовые пароперегреватели являются радиационно- конвективными поверхностями, их тепловосприятие складывается из зна-

чительной доли радиационного излучения от ядра факела и раскаленных газов в объеме между ширмами и доли конвективного теплообмена, так как газы омывают ширмы продольно-поперечным потоком со скоростью 5–8 м/с. Ширмовые перегреватели обычно получают 20–40% всего тепловос- приятия пароперегревателя. В последнее время ширмы стали выполнять не из гладких, а из плавниковых труб; получаются так называемые цельно- сварные ширмы. Такие ширмы меньше шлакуются, легче очищаются от на- ружных загрязнений, трубы ширм не выходят из ранжира; горизонтальные цельносварные ширмы могут выполняться с опорой по краям без промежу- точных опор и подвесок, так как представляют собой жесткую плоскую систему.

Перегретый пар имеет наивысшую температуру рабочей среды в кот- ле. Поэтому металл пароперегревателя, особенно в выходных пакетах, име- ет наиболее высокую температуру из всех поверхностей нагрева, подвер- женных внутреннему давлению, он работает практически у предела своих возможностей. В основу расчета надежности поверхностей нагрева котла,

346

включая пароперегреватели, закладывается срок службы от 100 до 200 тыс. часов (15–30 лет) в зависимости от параметров перегретого пара. Повыше- ние температуры отдельных труб пароперегревателя из-за тепловой развер- ки на 15–20 °С приводит к сокращению срока их службы примерно в 2 раза.

а)

б)

Рис. 12.10. Вертикальные ширмовые паропере- греватели: а – клинообразная форма низа ширмы; б – горизонтальная форма низа шир- мы; 1 – трубы ширмы; 2 – камеры; 3 – обвя- зочные трубы; 4 – хомут

Рис. 12.11. Ширмовый пароперегреватель кот- ла СКД к блоку 500 МВт

В паровых котлах большой мощности с большим поперечным се- чением газоходов наблюдается значительная неравномерность обогре- ва по ширине и высоте горизонтального газохода. Для вертикальных пакетов перегревателей в горизонтальном газоходе, когда пар много- кратно движется по змеевикам вверх и вниз, неравномерность темпе- ратур газов по высоте газохода не оказывает влияния на разверку тем- пературы пара.

347

				А-А	Уменьшение			влияния	не-
					равномерности обогрева по ши-
					рине газохода достигается сек-
					ционированием пароперегревате-
					ля по ширине с обязательным пе-
					ребросом полупотоков пара				на
					противоположные стороны газо-
	А				хода после каждой секции по
					глубине. Переброс пара осущест-
					вляется либо специальными тру-
			5	2	бами (рис. 12.13, а), либо за счет
	А				движения пара вдоль коллектора
		1
4
			1		(рис. 12.13,		б). Последнее более
	2
					эффективно, поскольку в коллек-
3
			6		торах перемешивается пар каж-
					дого полупотока, в то время как в
					схеме на рис. 12.13, а перемеши-
					ванию подвергается значительно
					меньшая доля потока пара, зави-
	4				сящая	от	числа	перепускных
					труб.
					Так как радиационные и
					полурадиационные			пароперегре-
Рис. 12.12. Горизонтальный ширмовый паропе-					ватели	подвергаются интенсив-
регреватель на охлаждаемых подвесных трубах:					ному обогреву, то температура
1 – горизонтальные ширмы; 2 – подвесные ох-					их труб превышает температуру
лаждаемые трубы; 3 – коллекторы; 4 – сборные					пара на 70–100 °С. Надежность
камеры; 5 – дистанционные проставки; 6 –					охлаждения		труб	достигается в
опорная планка пакета ширм					этом случае		применением срав-

нительно высокой скорости пара. Ее значение связано с плотностью потока пара, определяемой давлением и температурой. Для достижения одинакового охлаждающего эффекта металла пар более высокого давления (большей плотности) может иметь меньшую скорость. Обобщенным показателем интенсивности охлаждения является массовая скорость пара ϖρ . В интенсивно обогреваемых поверхностях шир-

мового перегревателя, а также в выходных пакетах, где пар достигает своей наивысшей температуры, рекомендуется наиболее высокая массовая скорость пара: ωρ = 1000–1200 кг/(м2·с). В других пакетах перегревателя она может

быть 500–800 кг/(м2·с). Лобовые змеевики горизонтальных ширм прикрывают

от интенсивного прямого излучения ядра факела применением опорных труб с рабочей средой более низкой температуры (см. рис. 12.12).

	348
	Для уменьшения гидравличе-
	ского сопротивления промежуточного
	пароперегревателя массовая скорость
	пара в нем рекомендуется на уровне
а)	250–300 кг/(м2·с), поэтому этот паро-
	перегреватель	располагают в	зоне
	умеренных температур» газов – не
	выше 800–850 °С (в верхней и сред-
	ней части конвективной шахты). Учи-
б)	тывая большой: удельный объем па-
	ра, поступающего на промежуточный
Рис. 12.13. Секционирование конвективно-	перегрев (низкое давление и высокая
го пароперегревателя: а – с перебросом па-	температура пара), для его пропуска с
ра перепускными трубами; б – с перебро-	относительно	низкой скоростью	не-
сом пара вдоль коллектора; 1 – входной	обходимо большое суммарное сече-
коллектор; 2 – змеевики пакета; 3 – выход-
ной коллектор; 4 – промежуточный кол-	ние труб. Поэтому особенностями па-
лектор; 5 – паросборная камера; 6 – пере-	кетов промежуточного перегревателя
пускные трубы	являются многорядность змеевиков и
	увеличенное количество коллекторов.

12.2. Компоновка пароперегревателей

Современные пароперегреватели выполняют комбинированными, они включают в себя все три вида конструкций (радиационный, полурадиацион- ный, конвективный). На рис. рис. 12.14 показан один из первоначальных ва-

риантов такого комбинированного пароперегревателя на котлах высокого давления. Расположение перегревателя в газовом тракте котла и последова- тельность включения отдельных видов конструкций по тракту перегреваемо- го пара зависят от параметров пара.

Всовременных котлах, работающих при давлении 14 МПа, на долю па- роперегревателя приходится около 35% воспринимаемой котлом теплоты, а при наличии промежуточного перегрева пара – до 45% теплоты (см. табл. 11.1). Такой пароперегреватель не может состоять только из конвективных трубных пакетов, он должен воспринимать и часть выделяемой в топке лучи- стой теплоты. Еще большая доля лучистой теплоты приходится на паропере- греватель в котлах СКД.

Вбарабанных котлах с давлением 14 МПа и температурой пара tп.п =

560 °C перегреватель состоит из радиационной, конвективной и ширмовой частей (рис. 12.15, а). Для обеспечения надежности работы металла поверх- ностей следует учитывать, что радиационный пароперегреватель размещается в области топки, где высокие тепловые потоки и их неравномерность опреде-

ляют заметное превышение температуры наружной поверхности трубы по отношению к температуре проходящего по ней пара и разверку температур в