Конструктивное выполнение поверхностей нагрева.

Испарительные топочные экраны парогенераторов с естественной циркуляцией имеют конструктивное оформление в виде вертикальных труб с параллельным их включением по всему периметру топки. Последнее возможно благодаря малым допустимым массовым скоростям, 300—600 кг/(м²с)

При наличии вертикальных экранов конструктивно легко образуются пережимы, выступы перед выходом в горизонтальный газоход, а также скаты холодной воронки.

Настенный экран характеризуется шагом труб s и их диаметром d. Отношение этих величин, характеризующее плотность экранирования стен топки, называют относительным шагом σ экрана.( s / d = σ)

В парогенераторах высоких параметров часть экранов топки должна быть выполнена из труб пароперегревателя. Для этого отводится наименее теплонапряженная поверхность стен топки (чаще всего фронтальная стена по всей ее высоте). Более целесообразным является расположение перегревательных поверхностей в верхней части топки, в области умеренных теплонапряжений. В этом случае перегревательные экраны обычно выполняют горизонтальными и располагают на стенах топки и горизонтального газохода.

Потолок топки обычно экранируется перегревательными трубами заодно с потолком горизонтального газохода.

В парогенераторах с естественной циркуляцией старых конструкций при П-образной компоновке верхняя часть труб заднего экрана, пересекаемая потоком горячих дымовых газов, фестонируется в несколько (три-четыре) рядов ‚ относительными шагами σ₁ ≥ 3 и σ₂ ≥ 3,5. В новых конструкциях отводящие трубы заднего экрана расположены за ширмами и часто выполнены в два ряда с объединением экранных труб попарно с помощью «вилок», либо экран заканчивается промежуточной камерой, из которой выходит, пересекая горизонтальный газоход, один разреженный ряд труб большего диаметра, отводящий пароводяную смесь, но так, что суммарное проходное сечение труб не сокращается. Последний вариант более целесообразен, так как другие методы создают в нижней части «корзинку» для залегания золы и являются причиной шлакования.

Стены горизонтального газохода и поворотной камеры в парогенераторах с естественной циркуляцией обычно не экранируют.

Для блочной поставки трубы испарительных экранов объединяют в секции шириной 2,5—3,0м, имеющие отдельные разделяющие и собирающие камеры с отдельными водоподводящими и пароотводящими трубами. Наружный диаметр труб испарительных экранов парогенераторов высокого и сверхвысокого давления равен 60—32 мм, внутренний 50—20 мм, относительный шаг труб σ = 1,05...1,2. Более тесные шаги применяются при натрубной обмуровке, более свободные — при накаркасной.

В отечественных прямоточных парогенераторах докритического давления применяется, как правило, горизонтально-наклонная навивка системы Л. К. Рамзина. Это—лента из труб, проходящая по всем стенам топочной камеры с небольшим наклоном на одной или нескольких стенах, при этой системе экранирования создаются хорошие гидродинамические условия движения рабочей среды и обеспечиваются минимальные затраты металла. Для того чтобы в условиях большой неравномерности тепловых напряжений по высоте тепловая разверка была приемлемой, лента должна пройти по каждой стене не менее 5—6 раз, а в пределах холодной воронки— не менее 2 раз. Указанное требование тем труднее выполнить, чем больше производительность одного корпуса парогенератора, поэтому такая система навивки практически приемлема для парогенераторов с мощностью в одном корпусе, не превышающей 200—250 МВт.

Горизонтально-наклонная навивка экранов снизу вверх в топках с подъемным движением дымовых газов согласуется с прямоточным движением среды и дымовых газов, т. е. с понижением температуры газов и теплонапряжений поверхности нагрева, по мере повышения температуры нагреваемой среды и металла труб. Область подогрева воды и испарения размещают в холодной воронке и в зоне ядра факела и называют нижней радиационной частью (НРЧ), а остальную часть топки используют для размещения перегревательных поверхностей нагрева. Экраны призматической части топки выше НРЧ до уровня горизонтального газохода называют средней радиационной часть (СРЧ); экраны топки по высоте горизонтального газохода — верхней радиационной частью (ВРЧ). В состав ВРЧ часто включаются также экраны на стенах горизонтального газохода и поворотной камеры, иногда и потолочный экран.

Экраны системы Рамзина могут иметь непрерывный подъем на всех стенах топки или только на некоторых из них; последнее предпочтительнее (рис. 6). Однако чем шире лента и чем на меньшей части периметра топки происходит подъем труб, тем больше угол подъема и больше сближение труб при переходе с горизонтальной на наклонную часть навивки. Шаги труб в этой системе во избежание шлакования принимаются наиболее тесными, но с учетом сближений труб в наклонной части, где шаги по нормали к направлению труб уменьшаются s' = s· cоs α , (α—угол подъема труб). То же явление сближения труб имеет место при переходе с наклонных стен, например скатов холодной воронки, на вертикальные. Это обстоятельство надо иметь в виду при выборе шага труб. Еще надо учитывать, что в любом случае зазор между трубами должен быть не менее 3 мм*.

* Всегда есть выступы на трубах, образующиеся при их контактной сварке, и отклонения наружного диаметра от расчетного значения, неизбежные по технологическим причинам (допуск).

Рис. 6. Варианты экранирования стен топочной камеры в прямоточных парогенераторах системы Рамзина.

а — с подъемом труб по части периметра; б — с подъемом труб по всему периметру.

При рассматриваемой системе навивки затруднено образование пережимов и аэродинамических выступов в топке и невозможно получение законченных поставочных блоков.

ЛЕКЦИЯ 4 (22)

В парогенераторах сверхкритического давления, где переброс однофазной среды из одного хода в другой не вызывает тепловой разверки, учитывая требование блочной поставки, применяют системы экранов с вертикальными трубами и внешними перебросами среды (рис.7,а), а также с вертикальными или горизонтальными петлеобразными трубами без внешнего переброса (рис. 7,б...д). Эти системы различны по трудоемкости изготовления, металлоемкости, коэффициентам тепловой разверки и применимы для парогенераторов различной единичной производительности. Системы рис. 7-а, г и д предпочтительны по условию дренируемости. Система рис. 7,г имеет наименьший коэффициент тепловой разверки η_т= 1,2 и наименьший расход металла на камеры и перебросные трубы. Прочие системы имеют большие значения коэффициентов тепловой разверки, а наибольший—система рис.7,а (η_т= 1,4).

Однократный проход среды по периметру топки вертикальными трубами без внешних перебросов возможен лишь при очень большой производительности в одном корпусе (600...1000 МВт), высоких плотностях тепловыделения в сечении топки, при применении плавниковых труб или труб очень малого диаметра (d ≤ 25 мм) и при рециркуляции среды.

При выборе системы экранирования и ее связи с обмуровкой и каркасом следует предусмотреть свободное расширение труб или самокомпенсацию температурных удлинений, а также предотвращение заклинивания труб выпадающей золой и шлаком.

Рис. 7. Системы экранирования прямоточных генераторов сверхкритического давления.

Для экранов прямоточных парогенераторов высокого и сверхвысокого давления употребляются трубы с наружным диаметром 32, 38, 42, 45, 51 и 57 мм. В парогенераторах сверхкритического давления для уменьшения толщины стенок труб и массы экранов используют трубы с диаметром, не превышающим 42 мм, а часто ограничиваются одним унифицированным диаметром — 32 мм.

Необходимым условием достаточного охлаждения металла труб в зоне высоких тепловых напряжений и исключения гидравлической неравномерности в системе параллельных труб является правильный выбор значений массовой скорости рабочей среды. Употребительные массовые скорости в экранах прямоточных парогенераторов приведены в табл. 2.

Число параллельных труб в одном потоке (ленте) устанавливается из следующего расчета. Суммарное внутреннее сечение труб потока

f_п=D/(wρ),м²

и число параллельно включенных труб

п_п= f_п/f₀,

где f₀ — внутреннее сечение отдельной трубы, м².

Полная ширина ленты на один поток

b_п = п_п s, мм,

где s — шаг труб, мм.

Таблица

При блочном изготовлении экранов ширина ленты должна быть в пределах железнодорожных габаритов; обычно она не превышает 3,2 м.

В настоящее время осваивается изготовление мембранных экранов, представляющих собой либо сваренные между собой плавниковые трубы, либо гладкие трубы с приваренными к ним калиброванными полосами, либо гладкие трубы с заплавленными промежутками между ними. Такие конструкции позволяют уплотнить топку, что особенно существенно при применении наддува, а также при сжигании мазута с малыми избытками воздуха. Первые две конструкции позволяют также снизить вес экранов за счет повышения s/d до 1,5.

Во избежание шлакования скосы у переходного газохода, верхние стенки пережимов и выступов, а также скаты холодных воронок должны иметь уклон 40—55°. С этой же целью углы топки при экранировании вертикальными трубами скашивают под углом 45° на расстоянии трех-четырех шагов труб, а при горизонтальных трубах в углах топки их радиусы гибов составляют 300—500 мм. Прочие гибы труб для образования амбразур горелок разводок для обдувки, гляделок и т. п. осуществляют с радиусами r ≥ 2d. Уклоны нижних скатов в пережимах и выступах выполняют под углом 30—40°. Под в топках с жидким шлакоудалением и в газомазутных парогенераторах выполняют с уклоном 10—15°.

В экранах прямоточных парогенераторов большой производительности число параллельных лент в системе навивки Рамзина должно быть равно или кратно числу автономно-регулируемых трактов, а поверхности нагрева, включенные в эти тракты, должны быть равны между собой. Последнее обстоятельство может влиять на соотношение глубины и ширины топки.

Подвижные и неподвижные опоры, направляющие крепления и т. п. располагаются с интервалами не более 100—120 d.

Диаметр коллекторов принимается исходя из массовых скоростей в них не более 1,2—1,4 массовых скоростей в соответствующих поверхностях нагрева. Наружные диаметры трубопроводов обычно принимают равными наружному диаметру соединяемых с ними коллекторов. Массовые скорости в трубопроводах составляют примерно 1500—2500 в водяной части тракта, 1200—1500 в паровой части докритического давления и 1500—2500 кг/(м²с) в паровой части тракта сверхкритического давления.

По определяющему способу передачи теплоты от газов поверхности нагрева принято условно разделять на радиационные, полурадиационные и конвективные. К радиационным поверхностям относят экраны, фестоны, пароперегреватели, расположенные в топке. Полурадиационными поверхностями являются ширмовые поверхности нагрева — ширмовые поверхности пароперегревателя и испарительные поверхности нагрева, расположенные за топкой. Далее по ходу газов в газоходах котла располагаются конвективные поверхности нагрева: испарительные и пароперегревательные поверхности нагрева, экономайзеры и воздухоподогреватели.

К радиационным поверхностям нагрева, воспринимающим теплоту от газов в основном за счет излучения, относят экраны, настенные и потолочные пароперегреватели, ширмы, располагаемые в топочной камере.

Конструкция топочных экранов должна обеспечивать надежное охлаждение металла стенки труб, возможно меньшее гидравлическое сопротивление, иметь малую чувствительность к неравномерности распределения тепловосприятия по ширине и высоте экрана, обеспечивать компенсацию температурных расширений труб. Экраны должны быть технологичными, транспортабельными допускать блочное изготовление, иметь, возможно, меньшую металлоемкость, быть дренируемыми.

Топочные экраны (рис. 8) изготавливают из стальных бесшовных цельнотянутых труб. Для котлов производительностью D ≥ 88,89 кг/с (320 т/ч) применяют мембранные экраны с проставкой и гладкотрубные.