Энергетические установки
..pdf
(t, °С). Часто это устройство называют парогенератором, так как в нем происходит генерация пара, или просто паровым котлом. Если конечным продуктом является горячая вода заданных параметров (давления и температуры), используемая в промышленных технологических процессах и для отопления промышленных, общественных и жилых зданий, то устройство называют водогрейным котлом. Таким образом, все котельные агрегаты можно подразделить на два основных класса: паровые и водогрейные.
По характеру движения воды, пароводяной смеси и пара паровые котлы подразделяются:
–на барабанные с естественной циркуляцией,
–барабанные с многократной принудительной циркуляцией,
–прямоточные.
В барабанных котлах с естественной циркуляцией (рис. 3.2) вследствие разности плотностей пароводяной смеси в подъемных (экранных) трубах 2 и жидкости в опускных трубах 4 будет происходить движение пароводяной смеси: в экранных трубах – вверх, в опускных – вниз.
Отношение количества воды, проходящей через контур, к паропроиз-
водительности контура D за тот же промежуток времени называется кратностью циркуляции. Для котлов с естественной циркуляцией данный коэффициент находится в пределах от
10 до 60.
Разность весов двух столбов жидкости (воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах) создает движущий напор в трубах котла, Н/м2:
51
∆p = g h(ρв −ρсм ),
где h – высота контура, м;
ρв, ρсм – плотности воды и пароводяной смеси, кг/м3.
Движущий напор циркуляции расходуется на преодоление сопротивлений движению по трубам воды и пароводяной смеси, а также на сообщение ускорения пароводяной смеси в связи с ростом объема жидкости, происходящим при парообразовании
вподъемных трубах.
Вкотлах с принудительной циркуляцией движение воды и пароводяной смеси осуществляется принудительно с помощью циркуляционного насоса, движущий напор которого рассчитан на преодоление сопротивления всей системы.
Впрямоточных котельных агрегатах нет циркуляционного контура и многократной циркуляции воды, отсутствует барабан, вода прокачивается питательным насосом через экономайзер, испарительные поверхности и пароперегреватель, включенные последовательно. Прямоточные котлы в силу конструктивных особенностей требуют большей степени очистки питательной воды от солей. Вся вода, поступающая в испарительный тракт, на выходе из него полностью превращается в пар, т.е. в этом случае коэффициент циркуляции равен 1.
Паровые котельные агрегаты характеризуются паропроиз-
водительностью (т/ч или кг/ч), давлением пара (кгс/см2 или
МПа), температурой производимого (свежего) пара и температурой питательной воды.
По давлению свежего пара различают котлы низкого давления (до 1,37 МПа), среднего давления (2,35 и 3,92 МПа), высокого давления (9,81 и 13,70 МПа) и закритического давления
(25,10 МПа).
По паропроизводительности котлы разделяют на котлы малой (до 20–25 т/ч), средней (от 35–50 до 160–220 т/ч) и большой (от 220–250 т/ч и выше) производительности.
52
В котельных агрегатах производят либо насыщенный пар, либо пар, либо перегретый до различной температуры пар (величина температуры зависит от давления). В настоящее время в котлах высокого давления температура пара не превышает 540–565 °С (данное ограничение по температуре пара вызвано температурой текучести металлов). Температура питательной воды зависит от давления пара в котле и колеблется от 50 до
260 °С.
Водогрейные котлы характеризуются по их теплопроизводительности (кВт или Гкал/ч), температуре и давлению подогретой воды, а также по роду металла, из которого изготовлен котел.
По роду металла различают чугунные и стальные водогрейные котлы. Чугунные котлы предназначены для отопления отдельных зданий и рассчитываются на небольшую теплопроизводительность, не превышающую 1,2–1,6 кВт, для подогрева воды с давлением не выше 300–400 кПа до температуры 115 °С. Стальные котлы рассчитываются на большую теплопроизводительность, от 4,75 до 210 МВт, и устанавливаются на крупных квартальных и районных котельных для теплоснабжения больших жилых массивов. Кроме того, водогрейные котлы теплопроизводительностью 35 МВт и выше устанавливаются также на ТЭЦ взамен пиковых подогревателей сетевой воды.
3.3. Основные элементы котельного агрегата
Испарительные поверхности котла. Парогенерирующие
(испарительные) поверхности нагрева отличаются друг от друга в котлах различных систем, но, как правило, располагаются в топочной камере и воспринимают теплоту излучением – радиацией. Это экранные трубы.
Экраны котлов с естественной циркуляцией, работающих под разряжением в топке, выполняются из гладких труб (гладкотрубные экраны) с внутренним диаметром 40–60 мм. Экраны
53
|
|
|
|
|
представляют собой ряд параллель- |
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
но включенных вертикальных подъ- |
|||||
|
|
|
|
|
емных труб, соединенных между |
|||||
|
|
|
|
|
собой коллекторами (рис. 3.3). Зазор |
|||||
|
|
|
|
|
между |
трубами |
обычно |
составляет |
||
|
|
|
|
|
4–6 мм. Некоторые экранные трубы |
|||||
|
|
|
|
|
введены непосредственно в барабан |
|||||
|
|
|
|
|
и не имеют верхних коллекторов. |
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Каждая |
панель |
экранов |
вместе |
||
|
|
|
|
|
с опускными трубами, вынесенны- |
|||||
|
|
|
|
|
ми за пределы обмуровки топки, об- |
|||||
|
|
|
|
|
разует независимый контур цирку- |
|||||
|
|
|
|
|
ляции. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Трубы заднего экрана располо- |
|||||
|
|
|
|
|
жены в месте выхода продуктов |
|||||
Рис. 3.3. |
Расположение ис- |
сгорания из топки в три ряда. Такая |
||||||||
парительных |
поверхностей |
разводка называется фестонирова- |
||||||||
барабанного |
котельного |
аг- |
нием; она позволяет увеличить се- |
|||||||
регата: 1 – контур обмуров- |
чение для проходов газов, снизить |
|||||||||
ки топки; 2–4 – панели бо- |
их скорость и предотвратить заби- |
|||||||||
кового экрана; 5 – фронто- |
вание зазоров между трубами, за- |
|||||||||
вой экран; 6 – коллекторы |
твердевшими при охлаждении рас- |
|||||||||
экранов |
и |
конвективного |
||||||||
пучка; 7 – барабан; 8 – фес- |
плавленными частицами золы, вы- |
|||||||||
тон; 9 – конвективный пучок; |
носимыми газами из топки. |
|
||||||||
|
10 – задний экран |
|
В |
парогенераторах |
большой |
|||||
|
|
|
|
|
мощности |
устанавливаются |
допол- |
|||
нительные |
экраны, |
делящие топку |
на |
отдельные |
отсеки |
|||||
(рис. 3.4). Эти экраны освещаются факелами с двух сторон и называются двухсветными. Они воспринимают вдвое больше теплоты, чем настенные. Двухсветные экраны увеличивают поверхность тепловосприятия топки, уменьшая тем самым ее размеры.
54
Рис. 3.4. Размещение экранов в поперечном сечении топки: 1 – фронтовой экран; 2 – боковые экраны; 3 – задний экран; 4 – двухсветный экран; 5 – горелки; 6 – контур обмуровки
Пароперегреватели. Пароперегреватель предназначен для повышения температуры пара, поступающего из испарительной системы котла. Он является одним из наиболее ответственных элементов котельного агрегата. С повышением параметров пара тепловосприятие пароперегревателя возрастает до 60 % от всего тепловосприятия котельного агрегата. Стремление получить высокий перегрев пара вынуждает располагать часть пароперегревателя в зоне высоких температур продуктов сгорания, что снижает прочность металла труб. В зависимости от определяющего способа передачи теплоты от газов пароперегреватели или отдельные их ступени разделяются на радиационные, полурадиационные и конвективные (рис. 3.5).
Радиационные пароперегреватели выполняются обычно из труб диаметром 22–54 мм. При высоких температурах пара их размещают в топочной камере, и большую часть теплоты они получают излучением от факела.
55
Рис. 3.5. Радиационный конвективный пароперегреватель: 1 – барабан; 2 – потолочный радиационный перегреватель; 3 – ширмовый полурадиационный перегреватель; 4 – регулятор перегрева; 5 – отвод перегретого пара; 6 – конвективный перегреватель; 7 – настенный радиационный перегреватель
Конвективные пароперегреватели располагаются в горизонтальном газоходе или в начале конвективной шахты в виде плотных пакетов, образованных змеевиками. Конвективные пароперегреватели в зависимости от направления движения пара в змеевиках по отношению к потоку дымовых газов могут быть противоточными, прямоточными и со смешанным направлением потоков (рис. 3.6).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 3.6. Взаимное движение пара и газов в пароперегревателе: а – прямоточное; б – противоточное; в – смешанное
56
Пароохладители. Температура перегретого пара должна всегда поддерживаться постоянной, независимо от режима работы и нагрузки котельного агрегата, поскольку при снижении последней повышается влажность пара в последних ступенях турбины, а при повышении температуры появляется опасность возникновения чрезмерных термических деформаций и снижения прочности отдельных элементов турбины. Поддерживают температуру пара на постоянном уровне с помощью регулирующих устройств – пароохладителей. Наибольшее распространение получили пароохладители впрыскивающего типа, в которых регулирование производится путем впрыскивания обессоленной воды (конденсата) в поток пара. Вода при испарении отнимает часть теплоты у пара, снижая тем самым его темпера-
туру (рис. 3.7, а).
а
б
Рис. 3.7. Пароохладители: 1 – лючок для измерительных приборов; 2 – цилиндрическая часть рубашки; 3 – корпус пароохладителя; 4 – диффузор; 5 – отверстия для распыления воды в паре
57
Обычно впрыскивающие пароохладители устанавливают между отдельными частями пароперегревателя. Вода впрыскивается через ряд отверстий по окружности сопла и разбрызгивается внутри рубашки, состоящей из диффузора и цилиндрической части, которая защищает корпус, имеющий высокую температуру, от попадания на него брызг воды во избежание образования трещин в металле корпуса из-за резкого изменения температуры.
В котлах средней паропроизводительности применяются поверхностные пароохладители, которые обычно размещаются при входе пара в пароперегреватель или между его отдельными частями (рис. 3.7, б).
Пар подводится к коллектору и отводится от него через змеевики. Внутри коллектора расположены змеевики, по которым течет питательная вода. Температура пара регулируется количеством воды, поступающей в пароохладитель.
Водяные экономайзеры. Они расположены в конвективном газоходе и работают при относительно невысоких температурах продуктов сгорания (дымовых газов). Водяные экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды перед ее поступлением в испарительную часть котельного агрегата за счет использования температуры уходящих газов. Наиболее часто экономайзеры выполняются из стальных труб диаметром 28–38 мм, согнутых в вертикальные змеевики и скомпонованные в пакеты. Трубы в пакетах располагаются в шахматном порядке довольно плотно: расстояние между осями соседних труб поперек потока дымовых газов составляет 2–2,5 диаметра трубы, вдоль потока – 1–1,5. Крепление труб змеевиков на определенном расстоянии друг от друга осуществляется опорными стойками, закрепленными в большинстве случаев на полых (для воздушного охлаждения), изолированных со стороны горячих газов балках каркаса (рис. 3.8). В зависимости от степени подогрева воды экономайзеры делятся на кипящие и некипящие. В кипящем экономайзере до 20 % воды может превращаться в пар.
58
Рис. 3.8. Стальной змеевиковый экономайзер: 1 – нижний коллектор; 2 – верхний коллектор; 3 – опорная стойка; 4 – змеевики; 5 – опорные балки (охлаждаемые); 6 – спуск воды
Общее число параллельно работающих труб выбирается исходя из скорости воды не ниже 0,5 м/с для некипящих и 1 м/с для кипящих экономайзеров. Указанная скорость обусловлена необходимостью смывания со стенок труб пузырьков воздуха, способствующих коррозии, и предотвращения расслоения пароводяной смеси, что может привести к перегреву слабо охлаждаемой паром верхней стенки трубы и ее пережогу. Движение воды в экономайзерах обязательно восходящее. Число труб в пакете горизонтальной плоскости выбирается исходя из скорости движения продуктов сгорания 6–9 м/с. Скорость определяется с целью предохранить змеевики от заноса их золой, а также от истирания золовыми частицами уходящих продуктов сгорания. Для удобства ремонта и очистки труб от наружных загрязнений экономайзер разделяют на пакеты высотой 1,0–1,5 м с зазорами между ними 800 мм.
59
Наружные загрязнения с поверхностной стороны змеевиков удаляются путем периодического включения в работу системы дробеочистки, когда металлическая дробь падает сверху вниз через конвективные поверхности нагрева, сбивая налипшие на трубы отложения. Налипание золы может быть следствием выпадения росы из дымовых газов на относительно холодной поверхности труб. Это является одной из причин предварительного подогрева питательной воды, подаваемой в экономайзер, до температуры, превышающей точку росы паров воды или паров серной кислоты в уходящих топочных газах.
Воздухоподогреватели. Они используют теплоту уходящих газов для подогрева воздуха, направляемого в топку и в углеразмольные устройства.
По принципу действия воздухоподогреватели разделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных воздухоподогревателях тепло от газов к воздуху передается через неподвижную разделяющую их металлическую стенку трубы. Как правило, это стальные трубчатые воздухоподогреватели. Схема такого подогревателя приведена на рис. 3.9. Трубки в нем расположены обычно вертикально, внутри них движутся продукты сгорания; воздух омывает их поперечным потоком в несколько ходов, организуемых за счет перепускных воздуховодов (коробов) и промежуточных перегородок.
В регенеративных воздухоподогревателях тепло передается металлической насадкой, которая периодически нагревается продуктами сгорания, после чего переносится в поток воздуха и отдает ему аккумулированное тепло. Регенеративный воздухоподогреватель котла (рис. 3.10) представляет собой медленно вращающийся (3–5 об/мин) барабан (ротор) с набивкой (насадкой) из гофрированных тонких стальных листов, заключенный в неподвижный корпус. Секторными плитами корпус разделен на две части – воздушную и газовую. При вращении ротора набивка попеременно пересекает то газовый, то воздушный поток.
60