11_Isparitelnye_poverkhnosti_nagreva

322

11.ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА

11.1.Тепловосприятие поверхностей нагрева парового котла

Парообразующие поверхности паровых котлов различных систем за- метно 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 коли- чества 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, за- трачиваемой 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 поверхно-

сти, 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 по-
									верхностями нагрева» %
	Давление пере-			Температура			Температура		испари-	паропере-	экономай-
	гретого пара,			перегретого			питательной		тельными	греватель-	зерными
	МПа			пара, °С			воды, °С			ными
4				440			145		62	19	19
10			540			215			49	30	21
14			560			230			40	35	25
14			545/545			240			35	44	21
25,5			565/570			260			–	58	42

В барабанных котлах высокого давления (10 МПа и выше) доля теп- лоты, используемой на парообразование, снижается (табл. 11.1), и теплоты, передаваемой экранам в топочной камере, достаточно для получения тре- буемого количества пара, в связи с чем экономайзер становится некипя- щим.

При сверхкритическом давлении нижняя часть топочных экранов за- нята нагревом воды до зоны фазового перехода (радиационный экономай-

323

зер), а далее расположены поверхности, в которых происходит фазовый пе- реход от состояния воды к состоянию пара и начальный перегрев пара.

При высоком и сверхкритическом давлениях перегревательные по-

верхности потребляют значительную долю тепловосприятия и не могут разместиться только в горизонтальном газоходе котла (его тепловосприя- тие составляет 20–22%), поэтому часть поверхности перегревателя занима- ет верх топки (потолок, настенные панели), и выходной конвективный па- кет часто находится в верхней части конвективной шахты.

На тепловосприятие конвективного экономайзера и воздухоподогре- вателя приходится около 30–35% общего тепловосприятия поверхностей котла.

11.2. Гладкотрубные топочные экраны

Как указано выше, топочные экраны получают до 50% всего тепло- восприятия рабочей среды в котле. Они находятся в зоне наиболее высо- ких температур газов и требуют тщательного конструктивного выполне- ния для обеспечения надежной работы. Различают экраны гладкотрубные,

вкоторых трубы расположены в одной плоскости самостоятельно с не- большим зазором 4–6 мм (рис. 11.1, а) и газоплотные, состоящие из пане- лей, изготовленных из прессованных или катаных плавниковых труб (рис. 11.1, б) или из гладких труб с вваренными между ними проставками пря- моугольного 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

втопке зоны устойчивого воспламенения малореакционных топлив, тре- бующих высокой температуры для их интенсивного горения, экраны всех типов на участках вблизи горелок покрывают огнеупорной массой с за- креплением 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 цирку-

ляции в целях повышения надежности движения рабочей среды в трубах топочные экраны располагают почти исключительно вертикально и в от- дельных случаях круто наклонно. Парообразующие поверхности нагрева прямоточных котлов в котлов с многократной принудительной циркуля- цией можно ориентировать в пространстве любым способом, выполняя топочные экраны вертикальными, горизонтальными и подъемно- опускными, поскольку здесь есть возможность организации движения па- роводяной смеси со скоростью, предотвращающей нарушение гидравли- ческих режимов.

324

	4	4
	3	3
	2	6
		5
	1
	б)	в)
	а)
	3	3
	4	5
	9	8
г)	7	д)
	8

Рис. 11.1. Типы топочных экранов: а – гладкотрубный; б – газоплотный из плавниковых труб; в – газоплотный с вварными полосами; г – гладкотрубный футерованный; д – мем- бранный 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 за-
	крывающих		все	стены
	топки и имеющих только
	подъемное движение ра-
	бочей	среды.		Трубы
	имеют	наружный		диа-
	метр 83–76–60 мм с тол-
	щиной стенки 3,5–5 мм,
	причем для котлов высо-
	кого давления (10 и 14
	МПа) используют трубы
	меньшего диаметра, но с
	увеличенной		толщиной
	стенки.	Вверху экранные
	трубы секции, как прави-
	ло, объединяются кол-
	лектором, из которого в
Рис. 11.2. Схема секции фронтового экрана котла с есте-	барабан	идут	несколько
ственной циркуляцией: 1 – барабан; 2 – необогреваемые	отводящих труб больше-
опускные 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 бара- бан, принимают примерно равными, они составляют около 50% сечения подъемных труб экрана.

На рис. 11.3 показана схема экранов барабанного котла среднего давле- ния с топкой для сжигания пылевидного топлива с твердым шлакоудалением. Экраны представляют собой ряд панелей с параллельно включенными верти- кальными подъемными трубами, соединенными между собой коллекторами. Часть подъемных экранных труб введена непосредственно в барабан котла. Отдельные секции экранов присоединены к барабану через коллекторы и со- единительные 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 дифференцирован- ное 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 за- твердевание расплавленных частиц золы, не охлажденных в топке, что ис- ключает шлакование пароперегревателя, размещенного за топкой. Подъем- ные 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 дав- ления с топкой для сжигания пылевидного топлива и твердым шлакоудалени- ем. 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 поверх- ности нагрева пароперегревателя.

Экраны выполнены из ряда секций с вертикальными трубами и само- стоятельным контуром циркуляции в каждой секции. Трубы каждой секции объединены нижним и верхним коллекторами. Из верхних коллекторов паро- водяная смесь направляется в барабан по соединительным трубам. Задний эк- ран топки в месте выхода продуктов сгорания из топки фестонирован. Опуск-

ные трубы экранов и коллекторы не обогреваются и вынесены за пределы обмуровки топки.

Как правило, на каждой из вертикальных стен топочной камеры распо- лагают от трех до восьми отдельных экранных секций, объединенных ниж-

ними 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 опи- рается на горизонтальные балки верхнего (потолочного) перекрытия каркаса котла. Тепловое расширение экранной секции предусмотрено вниз. Нижние

326

коллекторы имеют свободу вертикальных перемещений в пределах расчетно- го теплового расширения экрана (60–100 мм).

В последние годы применяются конструкции экранов с натрубной об- муровкой. 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 – фронто- вой 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
	4	Узел А
		6
3		5
		15
2		2
		15
		6
	7	6
1		А
	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 плос- кости 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 обеспечива- ет поддержание заданного шага труб.

В котлах большой мощности в отдельных случаях посередине топки ус- танавливают двусветный экран (рис. 11.5), разделяющий топку на две полу- топки (см. рис. 11.5). Такой экран интенсивно охлаждает топочные газы, бла- годаря чему уменьшаются габариты топки. Секции этого экрана также под- вешиваются за верхний коллектор, а трубы между собой скрепляются в не- скольких местах по высоте путем сварки через пруток (рис. 12.6, б). Для вы- равнивания 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 – об- щий вид экрана; в – узел сварки труб в зонах А-А; 1 – коллектор; 2 – «окно» для выравни- вания давления; 3 – «тройник» для перехода к одному ряду труб; 4 – труба экрана; 5 – пру- ток; 6 – ремонтный лаз

11.2.2.Топочные экраны прямоточных котлов

Впрямоточных паровых котлах топочные экраны располагаются верти- кально и горизонтально. В зависимости от расположения трубы этих экранов получают различное количество теплоты как по высоте топочной камеры, так

ипо ее ширине и глубине.

Впрямоточных котлах кратность циркуляции рабочей среды в экранах равна единице, в то время как при естественной циркуляции она составляет 10–20. Кроме того, скорость рабочей среды при прямоточном принудитель- ном движении примерно в 2 раза больше, чем при естественной циркуляции.

Поэтому необходимое сечение для пропуска рабочей среды прямоточного котла в 20–40 раз меньше, чем в котле с естественной циркуляцией при той же паропроизводительности. Здесь весь поток рабочей среды можно пропус-

329

тить только через две – четыре секции, называемые лентами (панелями), со- стоящими из 40–60 труб и имеющими каждая ширину 2–3 м.

Поскольку движение рабочей среды в этих экранах принудительное, уменьшение диаметра труб при росте сопротивления не скажется на сниже- нии скорости движения, как это имеет место при естественной циркуляции, где уменьшение диаметра труб менее 60 мм нежелательно. Топочные экраны прямоточных котлов выполняют из труб диаметром 32–42 мм с толщиной стенки 4–5 мм. Уменьшение диаметра труб по сравнению с естественной циркуляцией дает экономию металла до 30%. Однако уменьшение диаметра труб при сохранении массовой скорости потока требует увеличения числа па- раллельных труб.

394°С; 30,0 МПа

			7	6
3	Б	В Г	А	А А	Г В	5
			6	7		Б
								Правый
						Левый	Задний
			4	2		боковой		боковой	Фронтовой
						экран	экран	экран
		1							экран
							2
292°С; 31,0 МПа				а)

3
4	1	1

в)

2	1

б)

Рис. 11.6. Схемы экранирования стен в прямоточных котлах: а – вертикальные панели НРЧ; 1 – подвод воды; 2 – раздающий коллектор; 3, 4, 5 – фронтовые, боковые и задние настенные панели; 6 – опускной смесительный коллектор; 7 – перепускные трубы; б – панели с горизонтально-подъемным движением в СРЧ; 1 – коллектор; 2, 3 – нижняя и верхняя секция панели; 4 – уравнительный (промежуточный) коллектор; в – развертка топочного экрана котла с навивкой Рамзина; 1 – входной коллектор; 2 – выходной кол-

лектор

		330
	Оба обстоятельства – увеличение тепловой мощности котла и уменьше-
	ние диаметра труб – приводят к заметному увеличению ширины ленты.
	В котлах с горизонтальным или слабонаклонным расположением труб
	последние непрерывно и неоднократно обходят весь периметр топочной ка-
	меры (рис. 11.6, в). Если какая-либо стенка обогревается сильнее остальных,
	то эта неоднородность по ширине или глубине топки не сказывается на тракте
	рабочей среды, так как трубы ленты обходят все стенки. Чем шире горизон-
	тальная лента, тем больше влияние неравномерности обогрева по высоте лен-
	ты. Поэтому, желая сохранить малый диаметр труб, в мощных паровых кот-
	лах выполняют на один поток рабочей среды параллельно несколько лент,
	при этом ширина каждой ленты остается небольшой. Применяют различные
	схемы навивки. Обычно наклонные трубы ленты располагают на двух боко-
	вых стенах топки. Фронтовая и задняя стены имеют горизонтальные трубы
	(рис. 11.6, в).
	Во избежание прогиба и выхода из ряда горизонтальные трубы на пря-
	3	молинейных участках крепят в трех
		точках: посередине неподвижно, а на
		угловых	участках предусматривается
		свободное их расширение (рис. 11.6, в).
	2	Однако	горизонтальная	навивка	за-
		трудняет изготовление топочных экра-
		нов в виде готовых блоков и увеличи-
		вает количество монтажных сварных
	1	стыков. Горизонтальные ленты могут
		охватывать не весь периметр топки, а
		располагаться на одной его стене в ви-
		де двух-трех плоских горизонтально-
		подъемных панелей (рис. 11.6, б). Чаще
		всего такой тип навивки экранных труб
		(меандровая навивка) применяют для
		средней и верхней радиационных час-
		тей прямоточного котла.
	Рис 11.7. Установка дроссельной шайбы:	Вертикальные топочные экраны
		прямоточных котлов (рис. 11.6, а) по
	1 – коллектор; 2 – шайба; 3 – экранная	внешнему виду напоминают топочные
	труба	экраны контуров естественной цирку-
	ляции и занимают стены топочной камеры в виде достаточно узких секций
	(панелей), но, как правило, до половины высоты топки. При этом появляются
	необогреваемые перепускные трубы, в которых при перемешивании среды на
	выходе из всех труб устраняется тепловая разверка, но за счет перепускных
	труб конструкция экрана усложняется и утяжеляется (рис. 11.6, a).
	Вертикальные экраны выполняют в виде блоков, которые подвешива-
	ются за верхние коллекторы, а их удлинение обеспечивается свободным рас-

331

ширением вниз. Часто экранные поверхности выполняют в виде подъемно- опускных плоских настенных панелей, при этом с точки зрения надежности гидравлических характеристик более предпочтительны многоходовые панели.

Для выравнивания расхода среды по параллельным трубам панели на входе в каждую трубу из нижнего коллектора устанавливают дроссельные шайбы (рис. 11.7).

11.3. Газоплотные сварные экраны

Газоплотные сварные экраны являются интенсифицированной поверх- ностью нагрева. Они имеют на 10–15% меньшую массу на единицу лучевос- принимающей поверхности по сравнению с гладкотрубными; шаг труб здесь увеличивают, так как ввариваются проставки между трубами, соответственно сокращается число труб, а суммарное сечение их подбирают по условиям обеспечения необходимой массовой скорости рабочей среды. Эти экраны на- ходятся в лучших условиях работы, так как часть поглощенной плавниками (проставками) теплоты передается тыльной стороне труб благодаря растечке, что превращает эту часть труб в активную поверхность нагрева. Исключены

выход отдельных труб из плоскости экрана и ухудшение по этой причине их температурного режима, приводящие к разрывам труб на котлах СКД с глад- котрубными экранами. Газоплотные сварные экраны облегчают также усло- вия работы обмуровки, особенно при жидком шлакоудалении из-за отсутст- вия взаимного перемещения труб.

С целью уменьшения периметра топки газоплотные топочные экраны проектируют на повышенную удельную паропроизводительность фронта 80– 120 т/(ч·м). При этом глубину топочной камеры несколько увеличивают, при- ближая к квадратному сечению, имеющему при одинаковых теплонапряжен- ных сечения топки qf минимальный периметр.

Схема газоплотных сварных экранов газомазутного прямоточного котла с вертикальными панелями показана на рис. 11.8, а. По высоте топки выпол- нены три яруса панелей, в связи с чем для соблюдения газоплотности в месте их состыкования сделаны два узла разъемов. Газоплотные трубные панели не прикрепляют раздельно к элементам каркаса топки, они подвешены друг к другу (нижние к верхним), а верхние панели прикреплены тягами к горизон- тальной потолочной раме каркаса.

На рис. 11.8, б показан унифицированный узел разъема «перчаточного» типа газоплотного газомазутного котла блока 800 МВт с вертикальными па- нелями, обеспечивающий тепловые расширения панелей. Образующиеся в нем неплотности в месте пересечения труб уплотняют фигурной планкой, а весь разъем в свою очередь помещают в стальной короб, охватывающий весь периметр топки по разъему.