3. Поверхности нагрева котлов

3.1. Тепловосприятие поверхностей нагрева и конструкция топочных экранов

Парообразующие поверхности паровых котлов различных систем за­метно отличаются друг от друга, но всегда они располагаются в основном в топочной камере и воспринимают тепло радиацией. В зависимости от вида сжигаемого топлива топочные экраны воспринимают 40-50% полного коли­чества теплоты, отдаваемой рабочей среде в котле в целом, в поверхностях нагрева горизонтального газохода это тепловосприятие составляет 20-25%, а на поверхности конвективной шахты приходится 30-40% теплоты.

На рис. 3.1 показаны доли тепловосприятия в поверхностях котла, при­ходящиеся на нагрев воды, парообразование и перегрев пара при разных давлениях в котле с учетом принятых температур перегретого пара и пита­тельной воды.

Рис. 3.1. Распределение доли тепла, на подогрев, испарение и перегрев в котлах при разных давлениях и температуре пара на выходе: ЭКР — топочные экрану и доля испарения воды в экранах топки; ЭК — экономайзер и доля подогрева воды до насы­щения; ПП — пароперегреватель и доля перегрева пара в поверхности; /г_Нас, ^шп — соответственно энтальпии насыщения воды и насыщенного пара в барабане; h_n._B, h_n.n — энтальпии питательной воды на входе в котел и перегретого пара на выходе из него; h_m — энтальпия среды при максимальной теплоемкости (см. рис. 8.1).

Так, при среднем давлении (4 МПа) тепла, получаемого экранами ра­диационным теплообменом в топке, недостаточно для покрытия полной его потребности на парообразование (64%), в связи с чем, часть теплоты, затрачиваемой на испарение воды, передается в экономайзере и в конвективных котельных пучках труб на выходе из топки.

Поэтому в барабанных котлах среднего давления обычно экономайзер становится кипящим, в нем питательная вода не только подогревается до температуры насыщения, но и частично превращается в пар. Для этих котлов характерны конвективные испарительные поверхности, образованные из 3-4 рядов труб на выходе из топки с собственным нижним коллектором, питаемым водой из барабана, а также разводка труб заднего экрана в два-три ряда в зоне пересечения ими горизонтального газохода (фестон).

В барабанных котлах высокого давления (10 МПа и выше) доля теплоты, используемая на парообразование, в значительной мере снижается, и тепловосприятие экранов в топочной камере становится достаточным для получения требуемого количества пара, в связи, с чем экономайзер выполняет только свою основную функцию: подогревает поступающую питательную воду.

При сверхвысоком (18,5 МПа) и особенно при сверхкритическом давлении расширяется область подогрева воды, поэтому не только в конвективных пакетах экономайзера, но и в нижней части топочных экранов происходит нагрев воды до зоны фазового перехода (радиационный экономайзер), а далее расположены поверхности, в которых происходит фазовый переход от состояния воды к состоянию пара и начальный перегрев пара (средняя и верхняя радиационные части экранов топки).

При высоком и сверхкритическом давлениях пароперегревательные поверхности потребляют значительную долю тепловосприятия и не могут разместиться только в горизонтальном газоходе котла (тепловосприятие поверхностей здесь не превышает 20-22%), поэтому часть поверхности пароперегревателя занимает верх топки (потолок, настенные панели), а выходной конвективный пакет часто находится в верхней части конвективной шахты. В паровых котлах СКД заметно увеличивается доля тепловосприятия пароперегревательных поверхностей, при этом значительная часть этих поверхностей располагается на стенах топки, в зоне высоких тепловых потоков, что ставит специальные задачи по защите металла труб от перегрева.

На тепловосприятие конвективного экономайзера и воздухоподогревателя в конвективной шахте приходится около 30-35% общего тепловосприятия поверхностей котла. Воздухоподогреватель получает в конвективной шахте необходимое количество теплоты для доведения воздуха до заданной температуры, а на долю экономайзера отводят оставшуюся часть.

Как указано выше, топочные экраны получают до 50% всего тепло-восприятия рабочей среды в котле. Они находятся в зоне наиболее высо­ких температур газов и требуют тщательного конструктивного выполнения для обеспечения надежной работы металла труб. По конструкции различают экраны гладкотрубные, в которых трубы расположены вдоль стены топки с небольшим зазором 4-6 мм (рис. 3.2) и газоплотные, которые могут быть выполнены двух типов: либо из таких же гладких труб, но с вваренными между ними проставками шириной 6-12 мм (рис. 3.2,б), либо с применением специальных плавниковых труб, сваренных между собой (рис. 3.2, в). Экраны из таких сварных между собой панелей образуют монолитную цельносварную газоплотную конструкцию. Их называют мембранными. Для образования в топке зоны устойчивого воспламенения малореакционных топлив, требующих высокой температуры для их интенсивного горения, экраны всех типов на соответствующих участках покрывают огнеупорной массой с закреплением ее на приваренных к трубам шипах. Такие экраны называют футерованными экранами (рис. 3.2, г, д).

Гладкотрубные экраны применяют в паровых котлах всех систем, ра­ботающих под разрежением газового тракта, При естественной циркуляции в целях повышения надежности движения рабочей среды в трубах топочные экраны располагают почти исключительно вертикально и в отдельных слу­чаях круто наклонно.

Рис. 3.2. Типы экранирования топки: а — гладкотрубный экран; б — то же с вварными проставками (мембранный); в — газоплотный экран из плавниковых труб; г — футерованный гладкотрубный экран; д — футерованный мембранный экран; I — тру­ба; 1' — плавниковая труба; 2 — огнеупорный бетон; 3 — тепловая изоляция; 4 — уплотнительный слой (обмазка, металлический лист); 5 — металлическая проставка; 6 — приварные шипы; 7 — огнеупорная масса.

Рис. 3.3. Схема экрана котла с естественной циркуляцией: 1 — барабан; 2 — необогреваемые опускные трубы; 3 — фронтовой экран; 4 — отводящие трубы

Обычно топочные экраны выполняют в виде наскольких вертикальных панелей (секций) шириной b, которые полностью закрывают все стены топки и имеют только подъемное движение: рабочей среды (рис; 33). Трубы имеют наружный диаметр 83-76-60 мм с толщиной стенки 3,5-5 мм, причем для котлов высокого давления (10 и 14 МПа) используют трубы меньшего диаметра, но с увеличенной толщиной стенки (до 5 мм).

Экранные трубы секции, как правило, объединяются нижним и верхним коллекторами, связанными с барабаном котла опускными и отводящими трубами большего диаметра, чем экранные (рис. 3.3). Сечение опускных и отводящих труб составляет 30-50% сечения подъемных труб каждой секции.

Рис. 3.4. Схема фестона

Экранные трубы заднего экрана, в отличие от других экранов, должны пересечь газовое окно на выходе из топки в горизонтальный газоход. Для обеспечения достаточного проходи газов между трубами в зоне газового окна располагают разреженные отводящие трубы либо разводят трубы заднего экрана в 3-4 ряда, эта конструкция получила название фестон (рис. 3.4)

Плотность экранирования стен характеризуется отношением шага труб к диаметру σ= S/d и составляет ~ 1,07 — 1,1. Крепление экранных секций делается вверху: верхний коллектор опирается на горизонтальные балки верхнего (потолочного) перекрытия каркаса котла. Тепловое расширение экранной секции предусмотрено вниз. Нижние коллектора имеют свободу вертикальных перемещений в пределах расчетного теплового расширения экрана (60-100 мм).

В последние годы применяют конструкции экранов с натрубной обмуровкой. 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 только уплотнить швы между секциями.