Конструкции пароперегревателей и их компоновка

Пароперегреватель предназначен для перегрева поступающего в него насыщенного пара до заданной температуры его перегрева. Он является одним из наиболее ответственных элементов котла, так как температура пара здесь достигает наибольших значений и металл перегревателя работает в условиях, близких к предельно допустимым.

По виду тепловосприятия и конструкции различают пароперегреватели:

– конвективные, располагаемые в конвективных газоходах котла и получающие теплоту, главным образом, конвекцией;

– радиационные, размещаемые на стенах и потолке топочной камеры и горизонтального газохода и получающие теплоту, в основном, радиацией от высоконагретых газов;

– полурадиационные, находящиеся в верхней части топки на входе в горизонтальный газоход и выполняемые в виде плоских ширм или лент, собранных из пароперегревательных труб, находящихся друг за другом и одной плоскости.

По назначению пароперегреватели делят на основные, в которых перегревается пар высокого или сверхкритического давления, и промежуточные для повторного (вторичного) перегрева пара, частично отработавшего в турбине.

Конвективные пароперегреватели выполняют из стальных труб наружным диаметром 32–42 мм для высокого и сверхкритического давления и толщиной стенки 5–7 мм. В промежуточных пароперегревателях при более низком давлении пара используют диаметр труб 42–50 мм при толщине стенки 4–5 мм.

Обычно для пароперегревателей применяют гладкие трубы, они технологичны в производстве, мало подвержены наружным отложениям и легче от них освобождаются. Недостатком гладкотрубных поверхностей нагрева является невысокое тепловосприятие при умеренных скоростях газового потока. Из труб пароперегревателя образуют змеевики с радиусами гибов труб не менее 1,9 d. Концы змеевиков приваривают к коллекторам круглого сечения. Так образуются змеевиковые пакеты перегревателя. Расстояние между рядами змеевиков (вдоль коллектора) составляет 2–5 d. Различают змеевики одно–двух и многорядные (рис. 4). Они отличаются числом параллельных труб, образующих змеевик. При большой мощности котла пароперегреватели выполняют обычно в
3–4 ряда труб. При этом затрудняются условия для приварки концов труб к коллектору, увеличивается число сверлений в нем и снижается его прочность. Поэтому при увеличенном числе труб в ряду переходят на использование двух коллекторов для образования змеевика.

Ширмовые пароперегреватели по конструкции представляют собой систему из большого числа вертикальных труб (14–50 штук), имеющих один гиб на 180 °С и образующих широкую плоскую ленту, которая имеет опускной и подъемный участки. Их размещают на выходе из топочной камеры на заметном удалении друг от друга (шаг ширм 550–700 мм, то есть порядка 17–22 d для исключения возможности зашлакования газовых коридоров между ними. Газовый поток движется вдоль плоских ширм и передает теплоту трубам ширм радиационным и конвективным путями. Для исключения выхода отдельных труб из плоскости ширмы выполняют перевязку труб ширм в двух уровнях по высоте за счет вывода из ряда двух крайних (лобовых) труб и пропуске их с двух сторон снаружи ленты горизонтально за последний подъемный ряд труб. На горизонтальном участке эти трубы связаны между собой проставками и строго фиксируют остальные трубы в одной плоскости.

Рис. 4. Типы конвективных змеевиков пароперегревателя:
а – однорядный, б – двухрядный,
в – четырехрядный, г – многорядный (ленточный)

Ширмовые пароперегреватели являются радиационно-конвективными поверхностями, их тепловосприятие складывается из значительной 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 тепловосприятия пароперегревателя. В последнее время ширмы стали выполнять не из гладких, а плавниковых труб, либо из гладких труб с вваренными между ними проставками, получаются так называемые цельносварные ширмы. Такие ширмы меньше шлакуются, легче очищаются от наружных загрязнений, трубы ширм не выходят из ранжира.

Радиационные пароперегреватели выполняют настенными и обычно размещают в верхней части топки, где ниже тепловые потоки. Радиационный пароперегреватель барабанного парового котла обычно занимает потолок топки, а если этого недостаточно, то его размещают и на вертикальных ее стенах. Настенные перегреватели, выполненные в виде панели на всю высоту топки (вместо экранных испарительных труб), оказываются менее надежными, так как отвод тепла от металла к пару во много раз слабее, чем к кипящей воде. Особенно тяжелый режим имеет металл труб настенного перегревателя при сниженных нагрузках, когда расход пара в трубах заметно снижается. Радиационные панели перегревателя в зоне, закрытой топочными экранами, располагают поверх экранных труб в верхней части топки.

В прямоточных паровых котлах радиационные поверхности пароперегревателя обычно полностью занимают верхнюю часть топки, потолок и стены горизонтального газохода.

На мощных энергетических блоках применяется промежуточный перегрев пара. Учитывая относительно низкое давление пара, поступающего из цилиндра паровой турбины
(3–4 МПа), гидравлическое сопротивление промежуточного пароперегревателя должно быть небольшим (0,2–0,3 МПа), что ограничивает массовую скорость пара и при большом удельном объеме его требует применения труб большого диаметра, что снижает коэффициент теплоотдачи от стенки к пару. Низкие значения внутреннего коэффициента теплоотдачи, особенно в выходной его части, вызывают в ряде случаев недопустимое повышение температуры перлитной стали, из которой выполняется пароперегреватель. Для обеспечения надежности такого пароперегревателя его располагают в зоне умеренного обогрева (температура газов на входе не выше 850 °С). Интенсифицировать внутренний теплообмен можно применением труб с внутренним продольным винтовым оребрением. Такая конструкция заметно увеличивает поверхность внутреннего теплообмена и повышает турбулентность потока.

Поскольку тепловосприятие пароперегревателя при высоком и сверхкритическом давлении пара достаточно большое (35 % и более общего тепловосприятия поверхностей котла), его выполняют комбинированным, включающим все три вида (радиационный настенный, полурадиационный ширмовой и змеевиковый конвективный).

В целях обеспечения надежности работы металла поверхностей следует учитывать, что радиационный паропере­греватель, как правило, получает тепло из области топки, где высокие тепловые потоки, что определяет заметное превышение температуры наружной поверхности трубы по отношению к температуре проходящего по ней пара и разверку температур в отдельных (более сильно обогреваемых) трубах по сравнению со средней расчетной. Поэтому обычно радиационная часть пароперегревателя имеет место на начальном этапе перегрева пара, когда его температура еще невелика, что облегчает условия работы металла. Также с достаточно высокими средними тепловыми напряжениями и в условиях заметной неравномерности температур газового потока работают полурадиационные поверхности, которые обычно располагают в средней зоне перегрева пара. Завершающий этап перегрева осуществляют в змеевиковых конвективных пакетах, расположенных в зоне более низких температур газов и тепловых потоков, но так, чтобы температурный напор в выходном («горячем») пакете был не ниже 200–250 °С, иначе поверхность пакета, выполненного из наиболее качественной легированной стали, будет чрезмерно большой.

Часто первый конвективный («холодный») пакет устанавливают также в зоне умеренных температур газов. Это позволяет использовать для выполнения пакета более дешевую углеродистую сталь (при температуре стенки менее 450 °С).