Конструкции топочных экранов

Топочные экраны 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 стен топки с небольшим зазором 4–6 мм (рис. 1, а) и газоплотные, которые могут быть выполнены двух типов: либо из таких же гладких труб, с вваренными между ними проставками шириной 6–12 мм (рис. 1, б), либо с применением специальных плавниковых труб, сваренных между собой (рис. 1, в). Экраны из таких сварных между собой панелей образу монолитную цельносварную газоплотную конструкцию. Их называют мембранными.

Для образования в топке зоны устойчивого воспламенения малореакционных топлив, требующих высокой температуры для их интенсивно горения, экраны всех типов на соответствующих участках покрывают огнеупорной массой с закреплением ее на приваренных к трубам шипах. Такие экраны называют футерованными экранами (рис. 1, г, д).

Рис. 1. 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;
1 – 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

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. Парообразующие поверхности нагрева прямоточных котлов и котлов с многократной принудительной циркуляцией можно ориентировать в пространстве любым способом, выполняя топочные экраны вертикальными, горизонтальными и подъемно-опускными, поскольку здесь есть возможность организации движения пароводяной смеси со скоростью, предотвращающей нарушение гидравлических режимов.

Вертикальные топочные экраны котлов с естественной циркуляцией. Обычно топочные экраны выполняют в виде нескольких вертикальных панелей, которые полностью закрывают все стены топки и имеют только подъемное движение рабочей среды (рис. 2, а) 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. 2, б). Сечение опускных и отводящих труб составляет 30–50 % сечения подъемных труб каждой секции. Плотность экранирования стен характеризуется отношением шага труб к диаметру и составляет σ = 1,07–1,1.

Экранные трубы заднего экрана, в отличие от других экранов, должны пересечь газовое окно на выходе из топки в горизонтальный газоход. Для обеспечения достаточного прохода 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). Для обеспечения необходимой аэродинамики газов в топочном объеме в ряде конструкций экранов топки выполняют выступы экранных секций внутри объема топки: нижние симметричные выступы на 1/4 глубину топки с каждой стороны для выделения зоны горения и создания области жидкого шлакообразования и верхний выступ заднего экрана на 1/3 глубины топки – для создания равномерного расхода газов по высоте выходного газового окна (рис. 2, в).

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.

Рис. 2. Схема экранов пылеугольного котла с естественной циркуляцией:

а – секция фронтового экрана, б – циркуляция в экранных секциях топки,
в – выполнение нижнего выступа экранных труб;

1 – барабан, 2 – необогреваемые опускные трубы, 3 – фронтовой экран,
4 – отводящие трубы, 5 – задний экран, 6 – секции бокового экрана,
7 – разреженные отводящие трубы заднего экрана, 8 – развилка труб (тройник),
9 – дроссельная шайба в трубе (показана условно),
10 – скоба (гребенка) для крепления труб секции

Для повышения прочности экрана (за счет разности давлений в топке и снаружи стена топки воспринимает давление в 5–10 т) и исключения вибрации при пульсирующем давлении в топке его укрепляют установкой поясов жесткости, которые жестко связаны с трубами экрана, охватывают по периметру всю топку через 3–4 м высоты и перемещаются вместе с трубами при тепловом расширении. Пояс жесткости обеспечивает поддержание заданного шага труб.

В котлах большой мощности в отдельных случаях по середине топки устанавливают двусветный экран (рис. 3, а), разделяющий топку две полутопки. Такой экран увеличивает тепловос­принимающую поверхность без изменения сечения топки, интенсивно охлаждает топочные газы, благодаря чему можно уменьшить высоту топки. Трубы этого экрана по высоте нельзя закрепить к каким-либо неподвижным внешним конструкциям, между собой они скрепляются в нескольких местах по высоте путем сварки через пруток (рис. 3, б, в). Для выравнивания давления в обеих полутопках в двусветном экране делают окна.

Рис. 3. Выполнение двусветного экрана:

а – установка экрана в топке, б – общий вид экрана, в – узел сварки труб экрана;

1 – барабан, 2 – двусветный экран, 3 – горелки, 4 – пояса жесткости, 5 – выход жидкого шлака, 6 – шлаковая ванна, 7 – ширмы пароперегревателя, 8 – «окно» для выравнивания давления, 9 – тройник, 10 – труба, 11 – приварной пруток,
12 – ремонтный лаз, А-А – уровни сварки труб прутками

Топочные экраны прямоточных котлов. В прямоточных 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 принудительном движении примерно в 2 раза выше, чем в естественной циркуляции. Поэтому необходимое сечение для пропуска рабочей среды прямоточного котла в 20-40 раз меньше, чем в естественной циркуляции при той же паропроизводительности. Здесь весь поток рабочей среды проходит только через 2–4 параллельных секции, называемые лентами (панелями), состоящими из 40–50 труб и имеющими каждая ширину 2–3 м.

Поскольку движение рабочей среды в этих экранах принудительное, то уменьшение диаметра труб за счет роста сопротивления не скажется на снижении скорости движения, как это имеет место при естественной циркуляции, где дальнейшее уменьшение диаметра труб менее 60 мм нежелательно. Топочные экраны прямоточных котлов выполняют из труб диаметром 32–42 мм с толщиной стенки 4–6 мм. Уменьшение диаметра труб по сравнению с естественной циркуляцией дает экономию металла при экранировании стен топки до 30 %. Однако, уменьшение диаметра труб при сохранении массовой скорости потока требует увеличения числа параллельных труб. Оба обстоятельства: увеличение тепловой мощности котла и уменьшение диаметра труб приводят к заметному увеличению ширины ленты, а чем шире лента, тем больше влияния неравномерности обогрева параллельных труб, образующих ленту. Поэтому, желая сохранить малый диаметр труб, в мощных паровых котлах выполняют параллельно несколько лент (заходов), при этом ширина каждой ленты остается небольшой. Получается два–четыре параллельных потока рабочей среды с независимым регулированием расхода и температуры по каждому потоку.

Газоплотные сварные экраны находят широкое применение
в современных конструкциях котлов, они имеют на 10–15 % меньшую массу металла на единицу лучевоспринимающей поверхности по сравнению с гладкотрубными. Шаг труб здесь увеличен до σ = 1,4–1,45, так как между трубами ввариваются проставки шириной 14–16 мм, соответственно сокращается число труб, а суммарное сечение их подбирают по условиям обеспечения необходимой массовой скорости рабочей среды. Эти экраны находятся в лучших условиях работы, так как часть поглощенного плавниками (проставками) тепла передается тыльной стороне труб благодаря растечке, что превращает эту часть труб в активную поверхность нагрева. В таком экране исключен выход отдельных труб из плоскости экрана и ухудшение по этой причине их температурного режима.

С целью уменьшения периметра топки газоплотные топочные экраны проектируют на повышенную удельную паропроизводи­тельность фронта 22–35 кг/с пара на 1 м ширины топки (при мощности котла 300–800 МВт). При этом глубину топочной камеры увеличивают, приближая к квадратному сечению топки, имеющему при одинаковых теплонапряжениях минимальный периметр. В негазоплотных топках удельная паропроизводительность фронта на 12–15 % меньше, а отношение ширины к глубине топки около 2:1.

Камеры интенсивного горения твердого топлива (при обеспечении жидкого шлакоудаления), циклонные топки, ограждают футерованными экранами (рис. 1, г, д).

Для создания футерованного экрана приваривают к трубам контактной или дуговой сваркой шипы (прутки) диаметром 10 и высотой 15-25 мм. Шипы являются каркасом для крепления набивной массы из огнеупорного материала, отводящим от нее тепло к экранным трубам. Набивная масса в несколько раз уменьшает тепловосприятие экранов. Вместе с тем, теплопроводность должна быть достаточной для отвода воспринимаемого излучения и исключения перегрева футеровки, когда последняя начинает быстро разрушаться.

В качестве новых типов ошиповки применяют оребрение (спиральной накаткой металлической ленты шириной 10-20 мм по наружной поверхности труб). Накатанные трубы чрезвычайно стойки, технологичны, хорошо удерживают набивную массу и удобнее при ремонте экранов.