КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ.

РАЗВИТИЕ ВИДОВ КОТЛОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Учебные вопросы:Создание современного энергетического котла на базе вертикально- водотрубных котлов. Пиковые водогрейные котлы (схема и принципы теплообмена ). Котлы – утилизаторы для промышленных ТЭС.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Передача теплоты от продуктов сгорания к воде, пароводяной смеси, пару и воздуху, движущимся в элементах котла, осуществляется через металлические стенки труб. Процесс теплопередачи осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и радиации, происходящих одновременно. К поверхностям нагрева теплота от газов передается конвекцией и радиацией. Через металлическую стенку, а так же внешние и внутренние загрязнения теплота передается теплопроводностью, а от стенки к омывающей ее среде — конвекцией и теплопроводностью. Схема передачи теплоты от продуктов сгорания к обогреваемой среде показана на рис. 39.

Рис. 39_. Схема теплопередачи от продуктов сгорания к рабочему телу

В процессе переноса теплоты от газов к поверхностям нагрева относительное значение радиации и конвекции меняется. К экранам, расположенным в слоевых и факельных топках в области наиболее высоких температур газов, перенос теплоты радиацией составляет более 90 %, к экранам топок с кипящим слоем 70—80 %. В ширмовых поверхностях нагрева, расположенных на выходе из топки, тепловосприятие за счет радиации составляет 60—70 %. Далее, по мере снижения температуры газов относительная доля теплоты, передаваемой конвекцией, увеличивается и составляет в пароперегревателе 70—80 %, а в последней по ходу газов части воздухоподогревателя — более 95 %.

Размещение поверхностей нагрева вдоль газового тракта не может быть произвольным. Каждая поверхность имеет определенный уровень температур рабочей среды, характер и интенсивность теплообмена. Это определяет температуру стенки металла. Если эти обстоятельства при размещении поверхностей не учитывать, то возможно аварийное состояние или потеря экономичности парогенератора.

Выбор рациональной последовательности размещения поверхностей нагрева вдоль потока дымовых газов и распределение величин приращения энтальпии рабочего тела по этим поверхностям лежат в основе составления тепловой схемы.

Составление тепловой схемы парогенератора начинается с создания или выбора схемы пароводяного тракта. Последнее предусматривает распределение всего тракта воды и пара на последовательно расположенные поверхности: экономайзер, испарительную часть, переходную зону и т. д.

К проектированию тепловой схемы парогенератора относится так же правильный выбор температуры воздуха на входе в воздухоподогреватель и выходе из него и температуры уходящих газов. Последняя сильно влияет на размер необходимых поверхностей нагрева. На выбор тепловой схемы парогенератора влияет ряд факторов:

характеристика топлива, параметры пара, наличие промежуточного нагрева его, марки сталей поверхностей, располагаемых в зоне высоких температур газов, температура подогрева воздуха.

В газовом тракте парогенератора можно выделить три зоны, различающихся по способу передачи и величине теплонапряжений поверхностей нагрева:

1 Настенные и двусветные экраны топки, где тепло передается в основном радиацией, а теплонапряжение поверхности нагрева составляет от 300 до 700 кВт/м² в ядре факела и снижаются до 80—120 кВт/м² на выходе из топки.

2 Ширмовые, фестонные и другие разреженные поверхности нагрева с высокой температурой омывающих их дымовых газов, где теплопередача происходит интенсивно как радиацией, так и конвекцией, а теплонапряжения имеют величину примерно 50—100 кВт/м².

3 Конвективные поверхности нагрева в зоне относительно низких температур газов с теплонапряжением от 35 до 2,5 кВт/м², где теплопередача происходит в основном конвекцией.

Доля тепла, передаваемого в различных зонах, зависит от свойств топлива, избытка воздуха в топке, присосов воздуха в газоходах, выбора температуры на выходе из топки и температуры подогрева воздуха. Так, например, чем выше температура воздуха, тем больше тепла отнимается в конвективной шахте воздухоподогревателем и меньше его остается для других конвективных поверхностей, а с другой стороны — тем больше тепла выделяется в топке и растет теплонапряжение поверхности экранов.

Топка. Доля тепла, передаваемая экранам в топочной камере, определяется температурой газов на выходе из топки υ_т'' и составляет в большинстве случаев 40—50% общего тепловосприятия парогенератора (для сухих топлив больше, а для влажных несколько меньше).

Исходя из оптимального соотношения радиационного и конвективного теплообмена в парогенераторе выгодно выдерживать υ_т'' около 1250°С, однако это возможно лишь для газа, мазута и твердых топлив с очень высокой температурой начала деформации золы, например экибастузского каменного угля.

В остальных случаях температура газов на выходе из топочной камеры выбирается из условия предупреждения шлакования последующих поверхностей нагрева. При размещении в верхней части топки ширм температура на входе в них принимается:

Таблица 17.1

Температура газов перед фестоном или фестонированной частью конвективного перегревателя, расположенного в горизонтальном газоходе, не должна превышать температуры начала деформации золы, а для ряда топлив с повышенной склонностью к шлакованию принимается по табл. 17.1.

Значения температуры υ_т'' указанные в табл. 17.2, заданы для топок, которые не имеют ширм в выходном окне, и продукты сгорания входят в разреженную часть конвективных поверхностей нагрева (фестон, фестонированные первые ряды перегревателя). При наличии ширм υ_т'' может быть увеличена на 50...100^оС, но в этом случае, во избежание зашлакования, шаг между ширмами должен быть не менее 700 мм.

Таблица 17.2

Горизонтальный газоход. Тепловосприятие конвективных поверхностей нагрева в горизонтальном газоходе должно быть таким, чтобы при сжигании твердых топлив снизить температуру газов на входе в опускную шахту до приемлемых величин. При сжигании мазута температура газов на входе в опускную шахту должна быть не выше 950—1000°С; это требование вытекает из условия уменьшения загрязнения поверхностей конвективной шахты.

Конвективные поверхности перегревателя в горизонтальном газоходе за ширмами (фестоном) следует выполнять с коридорным пучком труб. Плотные конвективные поверхности с шахматным расположением удобнее располагать после поворотной камеры, в которой (в случае экранирования ее стен) температура газов дополнительно снижается на 30—40 °С.

С ростом параметров пара уменьшается доля тепла испарения и увеличивается доля тепла на подогрев воды и перегрев пара. Поэтому чем выше давление пара, тем большим оказывается недогрев воды, поступающей после экономайзера к экранам топки, и тем большая часть радиационного тепла необходима для перегрева пара. В то же время при высоких параметрах пара из условия надежности работы металла желательно максимальную часть тепла перегрева пара перенести в горизонтальный газоход и в конвективную шахту. Для обеспечения этого следует принимать наименьший допустимый по условию сжигания топлива подогрев воздуха в минимальное повышение энтальпии воды в конвективном экономайзере; при этом необходимо выдержать приемлемый температурный напор (70—100^оС) в вышерасположенных по газовому тракту поверхностях нагрева¹ .

1 Перераспределение тепла в сторону увеличения конвективной его части может быть достигнуто также за счет рециркуляции дымовых газов в низ топки.

Для повышения надежности и снижения стоимости применяемого металла в пароперегревателях при высоких параметрах пара используют прямоток вместо противотока, размещают холодные поверхности нагрева в зоне максимальных температур газов (в топке), а «горячие» поверхности нагрева перегревателей — в зоне пониженных температур. За счет вышеуказанных приемов, а также за счет снижения тепловосприятия отдельных пакетов, т. е. увеличения числа перемешиваний, экономически выгодно заменять легированную перлитную сталь углеродистой и аустенитную — перлитной, хотя при этом увеличивается масса поверхностей нагрева. Ограничением по применению той или иной марки стали, являются температуры начала интенсивного окалинообразования, предельные толщины труб (8 мм) и предельное отношение наружного диаметра труб к внутреннему (β = 1,8)

Опускная шахта. В пределах воздухоподогревателя, экономайзера, переходной зоны прямоточных парогенераторов, иногда первых ступеней промежуточного перегревателя выдерживается основной принцип получения суммарно наименьших поверхностей нагрева. Это достигается выбором наибольших возможных температурных напоров, последовательным расположением поверхностей нагрева в газовом тракте по мере снижения средней температуры их рабочей среды, применением противотока или приближающегося к нему перекрестного тока в пределах каждой поверхности.

Тепловосприятие переходной зоны при докритическом давлении обычно задается паросодержанием среды на входе и небольшим перегревом пара на выходе из нее таким образом, чтобы приращение энтальпии рабочей среды в переходной зоне составило Δi_па =300...350 кДж/кг. Массовое паросодержание на входе в переходную зону принимается в пределах х = 0,7—0,9 (большее значение — при рабочем давлении 10 МПа, оно уменьшается с ростом давления). Тепло перегрева пара в переходной зоне должно быть не менее 60—80 кДж/кг.

При сверхкритическом давлении тепло зоны максимальной теплоемкости также принимают Δi_па =300...350 кДж/кг, распределяя его примерно поровну на тепло до и после критической точки. Однако зону максимальной теплоемкости в этом случае выносят в конвективную шахту лишь при избытке тепла в ней. Этим повышают температурный напор в расположенных впереди пакетах. В остальных случаях зону максимальной теплоемкости размещают в топке вне расположения ядра факела.

Тепловосприятие промежуточного перегревателя задается входными и выходными параметрами пара. Перегреватель обычно разбивают на два-три пакета. Желательно располагать его в области температур газов на входе не выше 850°С; при этом можно рассчитывать, что во время пуска парогенератора температура газов не превысит температуры начала интенсивного окалинообразования для металла труб. При недостатке тепла в конвективных поверхностях целесообразно начальный промперегрев осуществлять в паропаровом теплообменнике или применять рециркуляцию дымовых газов в топку.

Воздухоподогреватель. Тепло подогрева воздуха принимается в зависимости от вида топлива и способа его сжигания. При необходимости подогрева воздуха до температуры существенно более высокой, чем получается по расчету по формуле 17.1.

(17.1)

применяют двухступенчатые воздухоподогреватели с размещением в рассечку водяного экономайзера, а формула используется для определения температуры подогрева воздуха в первой ступени.

Расположение в потоке газов второй ступени воздухоподогревателя определяется с учетом следующих соображений:

а) температура дымовых газов на входе в воздухоподогреватель 2-й ступени должна быть не больше 530°С во избежание окалинообразования на трубной доске, выполняемой из углеродистой стали, и не менее чем на 70°С должна превышать температуру горячего воздуха;

б) желательно выполнить весь экономайзер в одну ступень во избежание добавочных перебросных трубопроводов и камер.

Двухступенчатая компоновка воздухоподогревателей существенно усложняет конструкцию парогенератора и, в частности, требует увеличения разрыва между топкой и конвективной шахтой. При применении регенеративных воздухоподогревателей (РВВ) большей частью удается ограничиваться одной ступенью подогрева воздуха. Это становится возможным потому, что повышенные избытки воздуха на входе в РВВ, сближающие водяные эквиваленты воздуха и газов, при одновременном применении противотока вместо перекрестного тока позволяют повысить подогрев воздуха в одной ступени до 300—320°С или 350 ^оС при предварительном подогреве воздуха на входе в РВВ. Такой температуры воздуха достаточно для экономичного сжигания большинства топлив.

Водяной экономайзер.Экономайзер — первая поверхность по ходу рабочей среды—является замыкающей поверхностью по тепловосприятию и получает остаток конвективного тепла после распределения его между другими поверхностями (экраны топки, перегреватель). Однако при этом необходимо, чтобы в прямоточном парогенераторе докритического давления недогрев воды в экономайзере до кипения составлял Δi_нед ≥ 170 кДж/кг. Это требование относится также к первой ступени двухступенчатого экономайзера. При естественной циркуляции допускается вскипание воды (при большом избытке тепла); тогда экономайзер будет кипящим, но нежелательно парообразование более 30% расхода. Чаще всего при высоких давлениях экономайзер оказывается некипящим, так как при этом теплота подогрева воды до кипения велика. Во всех случаях минимальное повышение энтальпии среды в конвективном экономайзере должно составлять 170 кДж/кг.

По уровню давления перегретого пара различают котлы с низким (ниже 4 МПа), средним (от 4 до 11 МПа), высоким (более 11 МПа) и сверхкритическим давлением (выше 25 МПа).

По виду пароводяного тракта — барабанные с естественной и многократнопринудительной циркуляцией, прямоточные и прямоточные с комбинированной циркуляцией.

По уровню давления в газовом тракте — с естественной, уравновешенной тягой и с наддувом.

Возможна так же классификация по виду сжигаемого топлива, способу шлакоудаления и т.п.

Основные параметры энергетических котлов стандартизированы и приведены в табл. 17.3

Основные параметры энергетических котлов Таблица 17.3

* Обозначения типа котла: Е - с естественной циркуляцией; Еп — то же с промежуточным перегревом пара; П — прямоточный; Пп то же с промежуточным перегревом пара; Кп — с комбинированной циркуляцией и промежуточным перегревом пара.

** Значения параметров уточняются при проектировании.

Номинальная паропроизводительность D - наибольшая паропроизводительность, которую стационарный котел должен обеспечивать в течение длительной эксплуатации при сжигании основного топлива или подводе номинального количества теплоты при номинальных значениях параметров пара и питательной воды с учетом допускаемых отклонений.

Номинальное давление пара— давление, которое должно обеспечиваться непосредственно перед паропроводом к потребителю пара при номинальной паропроизводительности стационарного котла.

Номинальная температура пара — температура, которая должна обеспечиваться непосредственно перед паропроводом к потребителю пара при номинальных значениях давления пара, температуры питательной воды, паропроизводительности, а так же номинальных значениях остальных параметров пара промежуточного перегрева с учетом допускаемых отклонений.

Номинальная температура промежуточного перегрева пара — температура непосредственно за промежуточным пароперегревателем котла при номинальных значениях давления пара, температуры питательной воды, паропроизводительности, а так же номинальных значениях остальных параметров пара промежуточного перегрева с учетом допускаемых отклонений.

Номинальная температура питательной воды — это температура воды, которую необходимо обеспечить перед входом в экономайзер или другой относящийся к котлу подогреватель питательной воды (в их отсутствие — перед входом в барабан) при номинальной паропроизводительности.

Условное обозначение типоразмера котла включает последовательно расположенные; обозначение типа котла, значение его паропроизводительности, значение абсолютного давления пара, МПа, значения температур пара и промежуточного перегрева пара, индексы вида топлива и типа топки, для котлов с наддувом — добавочный индекс Н.

Если температуры пара и промежуточного перегрева одинаковые, то температуру указывают 1 раз, если они различные, то указывают через знак дроби обе температуры.

Обозначения видов топлива и типов топок: К — каменный уголь и полуантрацит, Б - бурый уголь, С — сланцы, М — мазут, Г — газ, Т — камерная топка с твердым шлакоудалением, В — вихревая топка, Ц - циклонная топка, Ф— топка с кипящим слоем. Пример условного обозначения котла типа Пп паропроизводительностью 2650 т/ч, с абсолютным давлением пара 25,0 МПа, температурой промежуточного перегрева пара 567 °С, со сжиганием каменного угля в топке с твердым шлакоудалением: котел паровой «Пп-2650-25-545/567 КТ».

Поверхности нагрева котлов по протекающим в них процессам подразделяют на нагревательные, испарительные и пароперегревательные, а по способу передачи теплоты — на радиационные, конвективные и радиационно-конвективные.

Взаимное расположение топки и газоходов, в которых размещаются теплообменные поверхности нагрева, т.е. компоновка котла, определяется свойствами сжигаемого топлива и паропроизводительностью.

ЛЕКЦИЯ16

Поиск по сайту: