Конвективные поверхности экономайзера и воздухоподогревателя

Рабочие процессы в экономайзере и воздухоподогревателе протекают различно. Однако по условиям тепловой работы экономайзер и воздухоподогреватель взаимно связаны. Эти поверхности используют тепло низкотемпературных продуктов сгорания, их размещают обычно последовательно в конвективной шахте. Общими задачами при конструировании этих поверхностей нагрева являются: интенсификация теплообмена и создание компактных малогабаритных элементов с умеренной затратой металла, которые бы подвергались минимальным золовому износу, заносу и коррозионным повреждениям.

Водяные экономайзеры. Змеевиковые экономайзеры выполняются подобно пароперегревателям с горизонтальными змеевиками в конвективной шахте, их применяют при любом рабочем давлении. Для интенсификации теплообмена и уменьшен загрязнения змеевики экономайзера выполняют из стальных труб уменьшенного диаметра: наружный – 28–32 мм при толщине стенки 2,5–3,5 мм. Концы змеевиков, как и в других поверхностях нагрева, объединяют входным и выходным коллекторами (рис. 5, а). В паровых котлах, работающих под разрежением, для обеспечения газовой плотности (исключения присоса воздуха в газоход через зазоры между трубами и обмуровкой) и уменьшения потерь теплоты входные и выходные коллекторы помещают в теплоизолирующие камеры (рис. 5, а), а заданный шаг труб в пакете обеспечивается опорными стойками, которые крепятся к специальным воздухоохлаждаемым балкам, находящимся внутри газохода, и передают на них вес змеевиков экономайзера. В газоплотных котлах почти всегда внутри газохода помещают и коллекторы, служащие одновременно опорой для змеевиков экономайзера (рис. 5, б). Расположение труб экономайзера обычно шахматное, коридорное расположение по условиям теплообмена нецелесообразно.

Движение воды в экономайзере делают восходящим, что обеспечивает свободный выход с водой выделяющихся при нагреве газов и образующегося в случае кипения воды в экономайзере пара. Для удобства ремонта и эксплуатации поверхность экономайзера по ходу продуктов сгорания разделяют на пакеты высотой до 1 м. Разрывы между пакетами – не менее 650–800 мм.

Коллекторы экономайзеров обычно размещают вдоль малой (боковой) стороны конвективной шахты. Массовая скорость воды в трубах экономайзера должна быть не менее 500–600 кг/(м²·с), а в кипящих частях экономайзера – 800–1000 кг/(м²·с). Для обеспечения необходимой скорости движения определяется общее число параллельно включенных труб и по условиям их приварки к коллекторам и создания нужного шага между трубами устанавливается число параллельных потоков воды в пакетах экономайзера (обычно имеет место 2–4 потока).

Для интенсификации теплопередачи с газовой стороны и повышения компактности пакетов увеличивают поверхность нагрева путем сварки гладких труб на прямых участках с помощью проставок из листовой стали толщиной 3–4 мм. Получаются пакеты так называемых мембранных экономайзеров (рис. 5, в). Мембранный экономайзер занимает меньший объем газохода и за счет тепловоспринимаюцей поверхности проставок расход гладких труб уменьшается на 25–30 % при одинаковом тепловосприятии обычного и мембранного экономайзеров. Такой экономайзер к тому же не требует установки дистанционирующих опор, оказывается жестким по конструкции и опирается на собственные раздающие коллектора.

Конструкцию экономайзера характеризуют следующие показатели:

– удельный объем, занимаемый экономайзером в конвективной шахте, V_ЭК/Q_П.К, м³/МВт – габаритная характеристика экономайзера;

– удельный расход металла на экономайзер, G_ЭК/Q_П.К, кг/МВт – массовая (весовая) характеристика экономайзера.

С уменьшением диаметра трубок указанные характеристики улучшаются, но предельный диаметр труб определяется технологией производства и ростом внутреннего гидравлического сопротивления при сохранении необходимой массовой скорости воды. В настоящее время минимальный технологически осуществимый наружный диаметр труб составляет 28 мм при толщине стенки 3 мм.

Воздухоподогреватели. Во принципу действия различают рекуперативные и регенеративные воздухоподогреватели. Рекуперативные воздухоподогреватели работают с неподвижной поверхностью нагрева, через которую непрерывно передается тепло от продуктов сгорания к воздуху. В регенеративных воздухоподогревателях поверхность нагрева омывается попеременно то продуктами сгорания, нагреваясь при этом, то воздухом, отдавая ему тепло.

Рис. 5. Конструктивное выполнение экономайзеров:

а – тепловая изоляция коллектора экономайзера, б – пакет экономайзера
из гладких труб, в – мембранный экономайзер; 1 – обмуровка шахты, 2 – трубы, 3 – коллектор, 4 – теплоизоляционная засыпка, 5 – металлическая обшивка,
6 – огнеупорная обмазка, 7 – опорная балка, 8 – опорные стойки,
9 – мембранная проставка, 10 – граница установки мембран

Воздухоподогреватель работает в условиях, отличных от условий работы экономайзера и других элементов водопарового тракта. Здесь наименьшие температурные напоры между греющими продуктами сгорания и нагреваемым воздухом и самый низкий коэффициент теплопередачи. Поэтому его поверхность нагрева превышает суммарную поверхность нагрева всех элементов водопарового тракта и для котла мощного блока достигает десятков и сотен тысяч квадратных метров.

Основным видом рекуперативных воздухоподогревателей является трубчатый воздухоподогреватель с вертикально расположенной трубной системой (рис. 6). Эти воздухоподогреватели выполняют из стальных труб наружным диаметром 30–40 мм при толщине стенки 1,2–1,5 мм. Трубы прямые вертикальные, концами приварены к трубным доскаv и расположены в шахматном порядке.

Рис. 6. Конструкция трубчатого воздухоподогревателя:

а – общий вид, б – узел крепления труб и тепловая компенсация;
1 – стальные трубы, 2, 6 – верхняя и нижняя трубные доски, 3 – компенсатор тепловых расширений, 4 – воздухоперепускной короб, 5 – промежуточная трубная доска, 7, 8 – опорные колонны и горизонтальные балки

Обычно внутри труб проходят продукты сгорания (продольное омывание), тепло которых передается воздуху, движущемуся между трубами (поперечное омывание). Для образования перекрестного тока воздуха трубную систему по высоте делят на несколько ходов промежуточными перегородками – досками, в местах поворота установлены воздушные перепускные короба. Воздухоподогреватель с боков имеет наружные стальные плотные стенки, нижняя трубная доска опирается на металлическую раму, связаную с каркасом котла.

Трубная система расширяется при нагревании кверху, при этом верхняя трубная доска имеет возможность перемещений и в то же время обеспечивает плотность газохода за счет установки линзового компенсатора по всему ее периметру (рис. 6, б). Трубчатый воздухоподогреватель выполняют в виде отдельных кубов (секций), удобных для монтажа и транспорта, которые заполняют все сечение газохода. Трубные доски секций между собой также уплотняют линзовыми компенсаторами.

В котлах средней мощности воздух в воздухоподогреватель подают по его широкой стороне (см. рис. 6, а) Такая схема назы­вается однопоточной. В паровых котлах большой мощности этого сечения недостаточно, и при однопоточной схеме высота воздушного хода достигает больших размеров. При этом уменьшается число ходов, что приводит к снижению расчетного температурного напора. Двухпоточная по воздуху схема (рис. 7, а) позволяет уменьшить высоту хода, увеличить число ходов и соответственно повысить температурный напор. При очень большой мощности переходят к многопоточной схеме движения воздуха (рис. 7, б).

Из-за весьма невысокого значения коэффициента теплопередачи в трубчатом воздухоподогревателе (15–20 Вт/м²К) и низкого температурного напора между газами и нагреваемым воздухом (50–80 °С) обычно этот элемент имеет большую теплообменную поверхность и габариты, особенно при большой тепловой мощности котла.

При последовательном размещении вдоль газового тракта экономайзера и воздухоподогревателя, называемым одноступенчатой компоновкой поверхностей в конвективной шахте, возникает ограничение температуры подогрева воздуха. Предельная температура подогрева воздуха в одноступенчатом воздухоподогревателе соответствует достижению минимального перепада температур газ-воздух Δt = 30 °С и составляет 250–320 °С.

Рис. 7. Компоновки трубчатых воздухоподогревателей
с различным подводом воздуха:
а – двухпоточная, б – четырехпоточная, в – двухпоточная и двухступенчатая;
1 – вход холодного воздуха, 2 – выход горячего воздуха,
3, 4 – первая и вторая ступени экономайзера

Для подогрева воздуха до более высокой температуры
(350–450 °С) трубчатый воздухоподогреватель выполняют двухступенчатым, располагая вторую ступень воздухоподогревателя выше поверхности экономайзера в зоне более высоких температур газов (рис. 7, в). Этим достигается значительное увеличение начального перепада температур газ-воздух, что обеспечивает дальнейший нагрев воздуха и способствует снижению габаритов второй ступени.

Трубчатые воздухоподогреватели просты по конструкции, надежны работе, значительно более плотны в сравнении с воздухоподогревателями других систем. Однако они в большей мере подвергаются коррозии, при конденсации влаги и паров H₂SO₄ если температура стенки будет ниже 90–100 °С, результате чего в трубах образуются сквозные отверстия и воздух перетекает на газовую сторону, увеличивая потери теплоты с уходящими газами и затраты на перекачку увеличенного объема продуктов сгорания.

Защита труб от коррозии чаще всего достигается подогревом поступающего холодного воздуха в паровых калориферах (при подогреве воздуха свыше 50 °С), либо путем рециркуляции части горячего воздуха на вход в воздухоподогреватель (при нагреве
до 50 °С). Однако при этом снижается экономичность работы котла, так как одновременно происходит повышение температуры уходящих газов и рост потери теплоты с ними.

В последнем случае ограничиваются частичными мерами снижения скорости коррозии (обеспечением так называемой допустимой скорости коррозии), а первый ход воздуха отделяют от других, чтобы в случае коррозии нижнего трубного пакета иметь минимальную замену металла.

Основным типом регенеративного воздухоподогревателя электростанций является вращающийся регенеративный воздухо­подогреватель, у которого поверхность теплообмена во вращающемся корпусе (роторе) попеременно находится в газовом потоке, нагреваясь от высокотемпературных газов, а затем поступает в холодный воздушный поток и греет воздух, отдавая ему избыточное тепло (рис. 8, а). В отличие от трубчатого воздухоподогревателя, регенеративный воздухоподогреватель располагают вне пределов конвективной шахты и соединяют его с котлом газо- и воздухопроводами.

Поверхностью теплообмена служит плотная набивка из тонких гофрированных и плоских стальных листов, образующих каналы малого эквивалентного диаметра (8–9 мм) для прохода продуктов сгорания и воздуха (рис. 8, б). Набивка в виде секций заполняет цилиндрический пустотелый ротор, который по сечению разделен глухими радиальными перегородками на изолированные друг от друга секторы. Ротор воздухоподогревателя медленно вращается
(с частотой 1,5–2,2 об/мин), его вал имеет привод от электро­двигателя через шестеренчатую передачу. Диаметр ротора
в зависимости от типоразмера составляет от 5,4 до 9,8 м, а высота –
от 1,4 до 2,4 м. В итоге организуется непрерывный нагрев за счет теплоты, аккумулированной набивкой в газовом потоке. Взаимное движение потоков противоточное.

Применение волнистых (гофрированных) листов обеспечивает интенсификацию конвективного теплообмена и тем самым более быстрый нагрев набивки. Поверхность нагрева 1 м³ набивки составляет 300-340 м², в то время как в трубчатых воздухо­подогревателях этот показатель составляет около 50 м²/м³ объема. При значительном перепаде давлений между воздушным и газовым потоками и невозможности полной их герметизации в условиях вращающегося ротора имеют место перетоки воздуха по радиусу ротора на границе раздела воздушной и газовой сторон, а также по периферии ротора.

Рис. 8. Схема конструктивного выполнения
вращающегося регенеративного воздухоподогревателя:

а – общий вид аппарата, б – пластины теплообменной поверхности;
ДГ – дымовые газы, ХВ – холодный воздух, ГВ – горячий воздух,
1 – вал, 2, 3 – нижняя и верхняя опоры, 4 – секция ротора,
5 – верхнее периферийное уплотнение, 6 – зубья привода,
7 – наружная металлическая обшивка (кожух)

Суммарные нормированные перетоки воздуха в регене­ративном воздухоподогревателе составляют до 20 % при номинальной нагрузке и заметно возрастают при снижении ее. Перетоки воздуха приводят к перегрузке дымососов и дутьевых вентиляторов (на входе в воздухоподогреватель расход воздуха больше, чем необходимый для котла), снижается тепловая эффективность работы регенеративного воздухоподогревателя и несколько увеличивается температура газов на выходе из него.

Защита от перетоков достигается уплотнениями. Уплотнения различают: периферийное кольцевое на внешней поверхности ротора, внутреннее кольцевое вокруг вала и радиальное, разделяющее воздушный и газовый потоки. Для уменьшения отрицательного эффекта присосов и утечки воздуха на крупных воздухоподогревателях применяют отсос воздуха из общего корпуса воздухоподогревателя. При этом в корпусе устанавливается пониженное давление и доля присоса воздуха в продукты сгорания может быть сведена к минимуму.

Регенеративные воздухоподогреватели подучили широкое применение на крупных энергоблоках. Эти воздухоподогреватели конструктивно сложнее, но они компактны, требуют меньшего расхода металла, имеют невысокое аэродинамическое сопротивление, коррозия набивки поверхности нагрева не приводит к увеличению присосов воздуха. Предварительный подогрев воздуха до 70–100 °С перед его поступлением в воздухоподогреватель котла (трубчатый или регенеративный) обеспечивают в паровом калорифере, который выполняется в виде трубчатого теплообменника, внутри вертикальных труб движется слабоперегретый пар с температурой около 120 °С. Пар конденсируется на стенках труб и отдает теплоту конденсации потоку холодного воздуха, омывающему трубы снаружи перекрестным током.

Для усиления теплообмена с воздухом трубы с воздушной стороны имеют оребрение (кольцевое или прутковое). По принципу работы паровой калорифер близок к трубчатому воздухо­подогревателю, в котором теплоотдающая среда заменена конденсирующимся паром.