8.4. Радіаційні і ширмові пароперегрівники

При високих параметрах пари виникає необхідність розміщення в топці радіаційного або ширмового пароперегрівника. Радіаційний пароперегрівник барабанних котлів звичайно встановлюють на стелі топки, а якщо цієї поверхні недостатньо – і на вертикальних її стінках по всій їх висоті. Звичайно розміщують пароперегрівник на стінках, на яких встановлені пальники, частіше на фронтовій стінці.

Радіаційні пароперегрівники працюють з більшими тепловими навантаженнями, тому температура металу їх труб вища, ніж у конвективних пароперегрівниках, і перевищує температуру пари на 100 – 150 °С. У зв’язку з цим радіаційні пароперегрівники зазвичай застосовують для часткового перегріву пари, завершення якої здійснюється в конвективному пароперегрівнику. Надійне охолоджування труб досягається застосуванням високої швидкості пари (до 30 м/с).

Перевагами радіаційних пароперегрівників є менша, ніж у конвективних пароперегрівників, питома площа поверхні нагріву і відсутність опорів по газовій стороні.

Ширмовий пароперегрівник являє собою систему трубок, що утворює плоскі щільні пакети з вхідними і вихідними колекторами. Ширми розміщують вертикально або горизонтально у верхній частині топки з відстанню між колекторами 700 – 1000 мм.

На рис. 8.5 показана конструкція ширм, у яких трубки ширм висять на колекторах, підвішених до каркаса. Постійність взаємного розташування ширм в топці забезпечується з'єднанням хомутами попарно виступаючих сусідніх труб в місці їх дотику. Перевагою вертикальних ширм є стікання наліпленого на них жужелі у міру потовщення його шару.

Горизонтальні ширми застосовуються переважно в прямоточних котлах.

У котлах великої потужності теплосприйняття ширмових пароперегрівників може складати 50% всієї теплоти, необхідної для перегріву пари. Використання ширмових пароперегрівників зменшує площу поверхні нагріву настінних радіаційних пароперегрівників і покращує використання об'єму верхньої частини топкової камери.

Рис.8.5. Вертикальний ширмовий пароперегрівник

а) – клиноподібна форма низу ширми; б) – горизонтальна форма низу ширми; 1 – труба ширми; 2 – камери (колектори); 3 – обв'язувальні труби;

4 – хомут

8.5. Регулювання температури пари

В процесі експлуатації котла температура перегрітої пари може мінятися внаслідок зміни питомого теплосприйняття пароперегрівника. Найбільший вплив на температуру перегрітої пари чинить навантаження котла. Температура перегріву пари залежить також від температури живильної води, надлишку повітря в топці, жужелювання і забруднення екранів і пароперегрівника, від характеристик палива. У радіаційному пароперегрівнику з підвищенням навантаження температура перегріву пари знижується, оскільки питоме теплосприйняття пароперегрівника зростає в топці повільніше, ніж збільшується навантаження. У конвективному пароперегрівнику кількість проходячи через нього продуктів згорання збільшується майже пропорційно збільшенню навантаження, одночасно підвищується і температура на виході з топки. Відповідно збільшуються коефіцієнт тепловіддачі в пароперегрівнику і температурний напір. В результаті питоме теплосприйняття пароперегрівника росте швидше, ніж навантаження котла, і температура перегріву пари зростає.

На рис. 8.6 показана залежність температури перегріву пари від навантаження котла для радіаційного і конвективного пароперегрівників. З графіка видно, що при відповідному співвідношенні радіаційної і конвективноїї частин пароперегрівника можна мати постійну температуру пари при різному навантаженні котла.

Рис.8.6. Залежність зміни температури перегріву пари від зміни навантаження котла (без регулювання температури перегріву пари)

1 – радіаційний пароперегрівник; 2 – конвективний пароперегрівник

У барабанних котлах при зниженні температури живильної води витрата палива і продуктів згорання збільшується, що підвищує швидкість газів в області конвективного пароперегрівника і збільшує коефіцієнт тепловіддачі. Отже, в даному випадку, при незмінній витраті пари підвищується температура її перегріву. У прямоточних котлах зниження температури живильної води призводить до зменшення поверхні нагріву перегрівної зони і температура перегріву пари знижується.

Зростання надлишку повітря в топці зменшує долю теплоти, що передається радіацією в топки, і збільшує об'єм і швидкість продуктів згорання, що проходять через конвективний пароперегрівник. В результаті підвищується температура перегріву пари. Підвищення вологості твердого палива при незмінній паропродуктивності котла збільшує об'єм продуктів згорання, що проходять через конвективний пароперегрівник, і його питоме теплосприйняття, за рахунок чого також підвищується температура перегріву пари. Жужулювання екранів в топці викликає підвищення температури продуктів згорання перед пароперегрівником і температури перегріву пари. Забруднення пароперегрівника викликає зниження температури перегріву пари.

У прямоточних котлах поверхня нагріву пароперегрівної зони міняється і залежить від експлуатаційних чинників. Регулюванням співвідношення витрати води і палива можна забезпечити незмінну температуру перегріву пари. Разом з тим невелика зміна витрати палива викликає істотну зміну температури пари внаслідок малої акумулюючої здатності котла.

Відповідно до ГОСТ на турбіни встановлені допустимі відхилення температури перегріву пари від номінального значення в межах від + 10 до -15 °С в котлах середнього тиску і від +5 до -10 °С у котлах високого тиску. Існуючі системи і конструкції пароперегрівників в різних умовах експлуатації не можуть забезпечити підтримку температури пари в допустимих межах. У зв'язку з цим енергетичний котел повинен мати пристрій для регулювання температури пари. При цьому номінальна температура перегрітої пари після первинного і проміжного пароперегрівників повинна забезпечуватися в діапазоні навантажень котла 70 – 100 % при допустимих змінах всіх інших чинників, що впливають на температуру перегріву пари.

У сучасних котлах застосовують два способи регулювання температури пари: парове і газове. При паровому регулюванні температура пари підтримується постійним шляхом зміни ступеня його охолоджування або зміни ентальпії пари, що надходить в пароперегрівник або в окремі його ступені. При газовому регулюванні здійснюється дія на теплосприйняття пароперегрівника за рахунок зміни передачі теплоти від газів до його поверхні нагріву.

У вітчизняних котлах застосовують парове регулювання температури первинної пари, яке здійснюють у поверхневих пароохолоджувачах або уприскуванням в потік перегрітої пари чистого конденсату.

Зміна температури пари по тракту пароперегрівника при різних схемах включення пароохолоджувача показана на рис. 8.7.

Рис.8.7. Зміна температури пари по тракту пароперегрівника в залежності, від розміщення пароохолоджувача

а) – за пароперегрівником; б) – в розтин; в) – на вході насиченої пари; г) – допустима температура металу труб; 1 – пароохолоджувач

Влаштування пароохолоджувача на виході пари з пароперегрівника не застосовують, оскільки пароперегрівник при цьому залишається не захищеним від надмірно високої температури. Установка пароохолоджувача на стороні насиченої пари визначає значне запізнення системи регулювання температури пари і в даний час застосовується в агрегатах малої потужності. Установка пароохолоджувача в розтин забезпечує меншу інерційність регулювання унаслідок скорочення довжини шляху пари після регулятора і часу, необхідного для зміни кількості теплоти, закумульованої в пароперегрівнику. В результаті регулювання кінцевої температури пари досягається майже в 2 рази швидше, ніж при установці пароохолоджувача на стороні насиченої пари. При встановленні пароохолоджувача в розтин відбувається зниження температури частково перегрітої пари і відповідно його кінцевої температури.

Поверхневий пароохолоджувач являє собою трубчастий теплообмінник. Усередині труб протікає охолоджуюча вода. Ззовні труби омиваються парою, що охолоджуються (рис.8.8.). В якості охолоджуючої води як правило використовується живильна вода. По потоку живильної води пароохолоджувач може бути включений паралельно або послідовно з економайзером. При паралельній схемі включення пароохолоджувача із збільшенням витрати води через нього погіршуються умови охолодження економайзера і знижується доля використання в економайзері теплоти теплоти відхідних газів. У сучасних котлах застосовується включення пароохолоджувача послідовно з економайзером (рис.8.9, б)).

Рис.8.8. Поверхневий пароохолоджувач

1 – вхідний колектор охолоджуючої води; 2 – вихідний колектор води;

3 – вхідна камера; 4 – труби, що охолоджуються водою; 5 – корпус пароохолоджувача

Для забезпечення необхідного діапазону регулювання пароохолоджувач котлів з природною і багатократною примусовою циркуляцією повинен забезпечувати можливість зниження ентальпії пари на ∆h_пo=60÷80 кДж/кг. При цьому температура води на вході в економайзер буде вища, ніж у води, що надходить у котел.

Рис.8.9. Схеми включення поверхневого пароохолоджувача

а) – паралельна; б) – послідовна; 1 – барабан; 2 – пароохолоджувач; 3 – відведення охолоджуючої води; 4 – економайзер

Кількість живильної води, що проходить через пароохолоджувач при повному його навантаженні, досягає 30—40 % загальної її витрати.

Вприскуючий пароохолоджувач являє собою ділянку паропроводу перегрітої пари, в якому розташована перфорована труба з отворами діаметром 3 – 5 мм, через які в пару подається розпилений конденсат. Для запобігання попадання на стінку паропроводу холодних струменів конденсату в місці установки розпилювача в паропроводі є захисна сорочка завдовжки не менше 0,5 м із зазором між нею і паропроводом 6 – 10 мм. Зниження температури пари вприскуючим пароохолоджувачем відбувається на деякій відстані від місця введення конденсату. Зменшення відстані досягається тонким розпилом конденсату з підвищенням початкової температури конденсату. При використанні вприскуючого пароохолоджувача встановлюється ряд паралельних по ширині пароперегрівника і послідовних по ходу потоку пари пароохолоджувачів. Схема регулювання температури свіжої пари барабанного котла із використанням уприскуючих пароохолоджувачів показана на рис.8.10.

Перші по ходу пари пароохолоджувачі призначаються для недопущення від надмірного підвищення температури розташованих за ними поверхонь нагріву. Останній по ходу пари пароохолоджувач підтримує постійну температуру пари. Щоб уникнути відкладення солей у пароперегрівнику у вприскуючі пароохолоджувачі повинен подаватися чистий конденсат. При мінералізованій живильній воді барабанних котлів конденсат для вприску виробляють безпосередньо в котлі. Для отримання власного конденсату передбачається установка спеціального конденсатора, в якому за рахунок охолодження пари частиною живильної води здійснюється отримання конденсату, необхідного для уприскування.

Кількість пари, що проходить через ступінь пароперегрівника після вприскуючого пароохолоджувача, збільшується і стає рівним, кг/год

, (8.1)

де — кількість пари до пароохолодження, кг/год;

— кількість води, що надходить у пароохолоджувач, кг/год.

Рис. 8.10. Схема регулювання температури пари вприскуючим пароохолоджувачем

1 – барабан; 2 – гідрозатвор; 3 – пароохолоджувач; 4 – збір конденсату;

5 – колектор із всприскуючим пристроєм; 6 – економайзер

Загальна кількість конденсату, що поступає в пароохолоджувач, кг/год, визначається з умов забезпечення зниження ентальпії пари приблизно на 80 кДж/кг при роботі, котла з повним навантаженням і визначається за формулою

, (8.2)

де і - відповідно ентальпії перегрітої пари і конденсату, що надходить в пароохолоджувач, кДж/кг.

Слід враховувати, що по мірі наближення пароохолоджувача до виходу пари з пароперегрівника погіршуються температурні умови роботи металу паропроводу в місці уприскування. Це також є однією з причин застосування двох – трьох пароохолоджувачів по тракту пари, що дозволяє тонше регулювати температуру пари і більш надійно захищати окремі ступені пароперегрівника.

Регулювання температури пари рециркуляцією газів в топці (рис. 8.11) використовується при спалюванні газу, мазуту і малозольних видів палива в котлоагрегатах середньої потужності. Відбір газів здійснюють із газоходів з температурою продуктів згорання до 400 ^оС.

Рис. 8.11. Схема рециркуляції газів

1 – пальник; 2 – пароперегрівник; 3 – водяний економайзер; 4 – повітрепідігрівник; 5 – димосмок рециркуляції газів

Рециркуляція газів в нижню частину топки знижує температуру факелу і відповідно теплосприймання екранів і збільшує сприймання теплоти конвективними поверхнями (в тому числі і конвективним пароперегрівником) за рахунок збільшення об’ємів і швидкості газів. При рециркуляції зміна температури перегрітої пари здійснюється з запізненням на 20 – 40 с. Рециркуляція газів не викликає шлакування екранів і конвективних поверхонь, дозволяє регулювати температуру пари в широких межах, але збільшує аеродинамічні опори через збільшення об’ємної витрати газів.

Питання для самоперевірки

1. Навести призначення і класифікація пароперегрівників.

2. Навести конструкції та компоновку пароперегрівників.

3. Навести та пояснити схеми руху пари і газів у конвективних пароперегрівниках.

4. Описати особливості конструкцій радіаційних і ширмових пароперегрівників.

5. Навести схеми розташування пароперегрівника в газовому тракті.

6. Дати призначення і описати способи регулювання температури перегріву пари.