Поверхности нагрева котлоагрегата Испарительные поверхности нагрева

Распределение полезноиспользуемого тепла можно представить в виде:

Распределение тепловосприятий в этих поверхностях нагрева определяется давлением острого пара (давлением котла):

Рассмотрим процесс в котельном агрегате в TS-диаграмме.

Давление Р0	tпе	tпв	Распределение тепла, %
	^оС		qисп	qпе	qэк
среднее (4 МПа)	450	140	60	20	20
высокое (14 МПа)	565	230	32	42	26
сверхкритическое (25 МПа)	545	270	0	53	47

Из этого следует:

1. По условию теплопередачи при оптимальной температуре газов на выходе из топки: доля тепла, передающегося в топке, составляет 35÷40% тепла. Значит, при среднем давлении данного тепла недостаточно для испарения рабочего тела, поэтому в таких котлах экономайзер выполняется кипящим, часть тепла на испарение передается в фестоне, а также возможно выполнение котельных пучков в поворотной или конвективной шахте.

2. В котлах высокого давления количество тепла, передающегося в топке, несколько больше, чем требуется для испарения. Поэтому потолок топки или верхняя часть топочных экранов является радиационным пароперегревателем.

3. В котлах сверхкритического давления q_эк передается в экономайзере и в нижней радиационной части, начиная со средней: СРЧ, ВРЧ, радиационная, полурадиационная (ширмы) и конвективная (высокого и низкого давления) части ПП (потолочного подогревателя) q_пе.

Основной тип топочных экранов – гладкотрубные экраны. Кроме того, могут использоваться газоплотные, или мембранные экраны двух типов:

а) из плавниковых труб; б) с прямоугольными ребрами.

Газоплотные сварные экраны являются интенсифицированной поверхностью нагрева. Их масса на 10-15% меньше на единицу лучевоспринимающей поверхности по сравнению с гладкотрубными экранами. Для обеспечения массовой скорости можно увеличить шаг труб и снизить число экранных труб. Их условия работы благоприятнее, т. к. часть поглощенной плавниками (ребрами) теплоты, благодаря растечке тепла, передается тыльной стороне труб, превращая её в активную поверхность нагрева.

Исключен выход отдельных труб из плоскости экрана (из ранжира) и ухудшение их температурного режима.

Газоплотные сварные экраны: не требуют обмуровки поэтому применяется легкая натрубная теплоизоляция; допускают обмывку экранов без опасности увлажнить теплоизоляционный слой и вызвать коррозию в труднодоступных местах.

Однако, газоплотные панели предъявляют повышенные требования к равномерности температурных условий работы труб.

Также используют ошипованные экранные трубы с нанесением тепловой изоляции (например, в зажигательных поясах и в зоне плавления шлака).

Конструкция ошипованных экранов

1- шипы; 2- трубы; 3- обшивка;

4- пластичная хромитовая теплоизолирующая масса;

5- огнеупорный карборунд.

Топочные экраны котлов с естественной циркуляцией располагаются вертикально для обеспечения достаточного движущего напора:

Д ля компенсации температурных удлинений экранных труб применяется несколько схем.

Схема А: при вертикальных экранах с наклонным потолком

Удлинение в верхней части самокомпенсируется за счет изгибов трубы, удлинение в нижней части компенсируется за счет перемещения нижнего коллектора.

Схема Б: при использовании вертикальных топочных экранов; крепление без разъема.

Самокомпенсация температурных расширений происходит за счет перемещения вниз нижнего коллектора

Схема В. В мощных котлах с длиной топочных экранов 30, 40 м и более, когда удлинение достигает 200-300 мм, используется крепеление экранных т руб с разъемом посередине.

1. неподвижная подвеска экрана

2. подвижное крепление экрана

3. уплотнительная камера

4. неподвижное крепление экрана

По ширине топочные экраны, как правило, разбивают на секции или контуры циркуляции, которые имеют свою систему опускных труб. Площадь поперечного сечения опускных труб составляет 30-50% от сечения топочных экранов.

В каждую секцию объединяются трубы с близкими геометрическими характеристиками и близкими условиями обогрева. Это позволяет повысить надежность контуров естественной циркуляции.

В прямоточных котлах движение рабочей среды принудительное, поэтому топочные экраны могут быть ориентированы в пространстве как горизонтальные и как подъемно-опускные.

Критерии оценки компоновок топочных экранов

• металлоемкость;

• возможность блочного изготовления на заводе;

• минимальная гидравлическая разверка

- коэффициент гидравлической разверки (отношение расхода среды в разверенном элементе к среднему или расчетному значению расхода), в идеальном варианте равный 1;

• минимальная тепловая неравномерность, что обеспечивается минимальной неравномерностью тепловых потоков по ширине и близостью температур рабочей среды на входе.

Экранные поверхности прямоточных котлов, являющиеся экономайзерными, пароперегревательными и – при докритическом давлении – испарительными поверхностями, состоят из последовательно и параллельно соединенных трубных элементов. Трубный элемент состоит из входного и выходного коллекторов, соединяющих параллельные экранные трубы.

Схемы трубных элементов топочных экранов прямоточных котлов

Система Бенсона (в) имеет максимальную металлоемкость из-за наличия перепускных труб, в которых среда возвращается в нижний коллектор, и максимальную гидравлическую устойчивость, которая дает возможность трубам работать в близких условиях.

Системы Зульцера (б) и Меандра (г) имеют меньшую металлоёмкость, но наличие опускного движения среды в схеме Зульцера повышает гидравлическую неравномерность работы труб. Система Меандра имеет наибольшую неравномерность работы параллельных труб по ширине. топки

Система Рамзина (а). В котлах с горизонтальным и слабонаклонным расположением труб трубы в виде ленты опоясывают топочную камеру по периметру. Поэтому навивка Рамзина имеет минимальную чувствительность к к неравномерности тепловых потоков по периметру топки. Недостатком этой схемы является невозможность блочного изготовления на заводе-изготовителе.

В прямоточных котлах НРЧ, СРЧ, ВРЧ может быь выполнена из элементов различных видов, соединенных последовательно и параллельно.

г)

Рис. НРЧ котлоагрегата ТГМП- 314

Рис. СРЧ котлоагрегата ТГМП- 314

Рис. ВРЧ котлоагрегата ТГМП- 314

Методы повышения надежности работы топочных экранов:

1. обеспечение топочного режима с максимальной равномерностью тепловых потоков по ширине или периметру топки;

2. разделение топочных экранов на секции по высоте с переброской полупотоков или использование смесительных камер:

3) рециркуляция дымовых газов в низ топки (снижает температурный уровень в топке).

Методы повышения надежности газоплотных панелей (на примере вертикальных панелей Бенсона)

По условиям безопасности, разность температур между свариваемыми панелями ∆t не должна превышать 50÷100 ^оС. т.е.,

Для обеспечения этого условия используются следующие способы:

1. Рециркуляция рабочего тела.

2. Байпасирование части холодного потока.

Рассмотрим рециркуляцию рабочей среды

1, 2 - вертикальные газоплотные панели; 3, 4 – вход и выход среды; 5 - смешивающая камера; 6 – насос.

При постоянном обогреве рециркуляция снижает удельный прирост энтальпии рабочей среды за счет снижения температурного напора. Температура рабочей среды на входе в поверхность нагрева повышается, а на выходе из второй панели остается примерно такой же, как и в схеме без рециркуляции. В результате дополнительного расхода рабочей среды и снижения приращения энтальпии снижается разница температур между панелями.

Рассмотрим байпасирование части холодного потока.

Часть рабочего тела проходит помимо первой панели, что увеличивает подвод тепла на единицу его расхода. В результате температура увеличивается, а температура среды на входе во вторую панель остается практически такой же, как и при последовательном включении панелей, и, как следствие, ∆t_вх практически не меняется, но ∆t_вых снижается. Т.о., мы имеем повышение надежности работы.

ЛЕКЦИЯ №15

Пароперегреватели

Пароперегреватели предназначены для повышения температуры рабочей среды от температуры насыщения до расчетного значения или для повышения температуры пара, частично отработавшего в цилиндре высокого давления турбины.

По виду тепловосприятия пароперегреватели делятся на радиационные (тепло передается излучением), полурадиационные (тепло передается конвекцией и излучением) и конвективные (тепло передается конвекцией).

По назначению пароперегреватели делятся на основные и промежуточные.

Тип ПП	Назначение	Диаметр труб dвн, мм
основные	передача тепла острому пару	20÷35
промежуточные	передача тепла пару, отработавшему в ЦВД	50

Основной тип конвективных пароперегревателей – стальной, змеевиковый, гладкотрубный. Его преимущество – технологичность изготовления и дешевизна.

Необходимая интенсивность отвода тепла от металла к пару обеспечиваеется массовыми скоростями движения рабочей среды

Таким образом, линейная скорость пара будет примерно равна 20 м/с.

У вторичных пароперегревателей из-за ограничения по величине гидравлического сопротивления ∆p = 0,2÷0,3 МПа:

Для повышения интенсивности передачи тепла с газовой стороны, могут быть использованы трубы с наружным оребрением (с поперечным и продольным).

При изготовлении вторичных пароперегревателей, где давление пара 3÷4 МПа, а гидравлическое сопротивление ограничено величиной - 0,2÷0,3 МПа, интенсивность теплообмена в рабочей среде повышают, используя трубы с внутренним оребрением.

Применение наружного и внутреннего оребрения труб повышает стоимость пароперегревателя, но увеличивает интенсивность теплообмена на единицу веса на 20÷25%.

В зависимости от мощности, змеевики могут быть одно, двух и многозаходными..

а) однозаходная схема; б) двухзаходная схема

В зависимости от направления движения рабочей среды и газов, различают противоточную, прямоточную и смешанную схемы включения.

а)-противоток; б)-прямоток в) и г)-смешанные схемы

Противоточная схема.

Преимущество: наибольший температурный напор и, как следствие, экономия металла при одном и том же тепловосприятии;

Недостаток: тяжелые условия работы выходной части змеевиков (где температура металла максимальна из-за того, что температура пара и газа также максимальна).

Прямоточная схема. Температурный напор ниже, но выходные змеевики омываются частично охлаждёнными газами, и условия работы металла более благоприятные.

Оптимальных условий: надежности и умеренной стоимости конвективных пароперегревателей достигают в смешанных схемах. В схеме (в) обе части пароперегревателя противоточные, но вторая часть с максимальной температурой пара омывается частично охлажденными продуктами сгорания, что повышает надежность её работы. В схеме (г) в первой части – противоток, во второй – прямоточная схема (здесь температура пара максимальна, но выходная часть омывается охлаждённым потоком).

По расположению в пространстве пароперегреватели делятся на:

1. вертикальные;

1 -змеевики; 2-подвесные планки; 3-верхние гибы труб; 4-потолоч-ные трубы; 5-дистан-ционирующие гребёнки; 6-опорные сухарики.

П реимущество: конструктивное удобство (легкость креплений). Недостаток: недренируемость (т.е. конденсат, образующийся при останове котла, невозможно удалить без нагрева) и, как следствие, сложности при пуске котла и коррозия.

2. Горизонтальные

Крепление труб горизонтального пароперегревателя на стойках.

1-стойка; 2-трубы; 3-опорная балка; 4-металлическая сетка; 5-арматура; 6-изоляция.

Подвеска горизонтального конвективного пароперегревателя на трубах.

1-первая ступень пароперегревателя; 2-барабан; 3 и 6-подвесные трубы; 4 и 8-промежуточные коллекторы; 5-выходная камера пароперегревателя; 7-вторая ступень пароперегревателя; 9-коллектор подвесных труб.

Преимущество: дренируемость. Недостаток: сложность креплений.

Радиационные пароперегреватели

Располагаются на потолке топочной камеры и, если этого недостаточно, в верхней части топочных экранов. Крепление труб радиационных пароперегревателей должно обеспечивать свободу термического расширения металла.

Преимущества:

1. малое гидравлическое сопротивление;

2. не загромождают газоход;

3. практически не создают аэродинамическое сопротивление по газам.

Ширмовые пароперегреватели

Представляют собой плоскую ленту из параллельно включенных труб, соединенных входным и выходным коллектором. Ширмы размещают в выходном окне топки. Различают вертикальные и горизонтальные ширмы.

Вертикальные ширмы легче крепятся, но не дренируются. Их преимуществом является большая самоочищаемость от наружных загрязнений за счет вибрации.

1- ширмы; 2, 3 – входной и выходной коллектора; 4 – входная распределительная камера; 5 –выходная сборная камера.

Горизонтальные ширмы.

Горизонтальные ширмовые пароперегреватели дренируются.

1 – ширмы; 2 – подвесные охлаждаемые трубы;

3 – коллекторы; 4 – сборные камеры; 5 – дистанционные проставки; 6 – опорная планка пакета ширмы.

К преимуществам ширмовых пароперегревателей

относятся: высокая тепловая эффективность за счет сочетания лучистого и конвективного теплообмена; незначительное аэродинамическое сопротивление со стороны газа;самоочищаемость за счет вибрации.

Методы повышения надежности работы ширм.

Наиболее тяжелые условия работы в ширме имеют внешние (лобовые) змеевики.

1. изготовление лобовых змеевиков из более жаропрочной стали;

2. закорачивание внешних змеевиков;

3. включение внешних змеевиков (обрамляющих труб) по среде с более низкой температурой.

Компоновка пароперегревателей

Компоновка пароперегревателей – это расположение частей пароперегревателей в газоходах котла. Она определяется давлением пара.

В котлах среднего давления (а), где q_пе==20% от общего тепловыделения, пароперегреватель выполняется конвективным и располагается за фестоном – как правило, в поворотной камере или конвективной шахте.

В котлах высокого давления (б) q_пе больше, и пароперегрватели выполняются состоящими из трех частей: радиационной (потолочной), ширмовой (полурадиационной) и конвективной (КППВД). По ходу пара части пароперегревателя, расположенные в зоне с более высокой температурой газов (на потолке, стенах топки), включаются первыми по пару для обеспечения надежности работы.

1– конвективный пароперегреватель (первичный); 2 –ширмовый (первичный); 3 – потолочный радиационный пароперегреватель; 4 – конвективный промежуточный пароперегреватель; 5 – топочные экраны СРЧ, ВРЧ (радиационный пароперегреватель).

В котлах сверхкритического давления (г) радиационная часть пароперегревателя состоит из ВРЧ: СРЧ, потолочного пароперегревателя, экранов поворотной камеры, полурадиационная часть - ширмы, конвективная часть -КППВД. Начиная с р = 14 МПа, может применяться промперегрев пара. Промежуточные пароперегреватели, как правило, выполняются конвективными и располагаются в конвективной шахте с температурой газов не более 800 °С. Это связано с тем, что охлаждение паром начинается при пуске блока после толчка турбины.

Методы повышения надежности пароперегревателей

1. Металл пароперегревателей работает в наиболее тяжелых условиях (по условиям ползучести и окалинообразования). Срок их службы рассчитывается примерно на 10 лет, а при повышении температуры на 15÷20 °С по сравнению с расчетной он уменьшается в два раза.

2. Для выравнивания температурных условий работы металла в котлах больших габаритов используется секцирование пароперегревателей по ширине или глубине газохода с переброской этих полупотоков на противоположные стороны.

3. Для снижения гидравлической неравномерности распределения среды по параллельным трубам должен использоваться рассредоточеннный подвод и отвод среды в коллекторах.

4. При ведении топочного режима необходимо обеспечивать максимальную равномерность распределения температур и скоростей газа по ширине.

5. Змеевики пароперегревателей, особенно при работе на высокозольных абразивных топливах, рекомендуется располагать параллельно фронту котла.