Элементы энергетических котлов. Настенные экраны топки

Испарительные экраны котлов с естественной циркуляцией. Экраны топки котла с естественной циркуляцией обычно изготовляют в виде вертикальных отдельных блоков (панелей). Для транспортировки блоков железнодорожным транспортом и удобства монтажа каждый блок должен иметь ширину менее 3200 мм (примерный габарит железнодорожного подвижного состава).

В настоящее время для испарительных экранов применяют, как правило, трубы диаметром 60 х 6 мм, шагом S₁ = 80 мм, объединенные верхним и нижним коллекторами с наружным диаметром, например, 273 мм (рис. 2.5.1). Между трубами вваривается полоса 20 х 5 мм (вариант 2), что превращает экран в мембранную панель. Материалом труб и коллекторов является сталь 20К, так как температура стенки труб испарительных экранов не превышает 670 К. В зоне подвода труб к коллектору (в зоне разводки труб) полоса не вваривается (вид Б).

Рис. 2.5.1. Настенный экран котла с естественной циркуляцией (ребра труб свариваются между собой двухсторонним швом; полоса (проставка) приваривается к трубам четырьмя швами): I - граница цельносварной части; 1 - вариант с оребренными трубами; 2 - вариант из гладких труб

Отдельные блоки на монтаже свариваются между собой с помощью "проставки" (полосы), что позволяет выполнить топку газоплотной. Шлак из топки удаляется через устье холодной воронки в твердом виде в топках с ТШУ или через летки в виде расплава в топках с ЖШУ. И в том, и в другом случае шлак попадает в водяные ванны с гидрозатвором, что обеспечивает практически отсутствие подсоса наружного холодного воздуха в топку (Δα_т = = 0…0,02). Аналогично выполняются задний и боковые экраны топки.

При давлении рабочей среды менее 14 МПа в котлах с естественной циркуляцией стены топки закрыты, как правило, испарительными экранами, а пароперегреватель выполнен конвективным.

Все верхние коллекторы топочных поверхностей нагрева подвешены к потолочным балкам несущего каркаса, что обеспечивает свободное расширение экранов вниз. Смещение нижних коллекторов вниз зависит прежде всего от длины экранов и температуры среды в них.

Радиационные пароперегреватели котлов с естественной циркуляцией. С повышением давления до 14...17 МПа скрытая теплота парообразования сокращается и стены топки приходится частично закрывать пароперегревательными поверхностями - радиационным пароперегревателем (РПП). Существует несколько вариантов:

конструкции РПП: поверх испарительного экрана; вместо испарительного экрана; в виде внутритопочных ширм (ВТШ) или "щек". Надежнее располагать РПП на одной из стен топки, как правило, фронтовой, в зонах с пониженным тепловым потоком, ближе к выходу газов из топки. При этом РПП будет занимать только некоторую часть топки по высоте, а оставшаяся часть должна быть выполнена из испарительных экранов.

В этом случае испарительные контуры укорачиваются, в них уменьшается парообразование и, следовательно, снижается надежность циркуляции рабочего тела. В расчетах циркуляционных контуров определяется целесообразность выполнения РПП в виде экранов или ширм.

РПП можно установить на всю высоту топки, например на фронтовой стене, вместо одной или нескольких испарительных панелей (рис. 2.5.2). При этом обеспечивается надежность циркуляции в испарительных панелях, но РПП оказывается в зоне высоких тепловых потоков, что требует повышения массовых скоростей среды в нем. По конструкции РПП в этом случае будет аналогичен панели испарительного экрана: панели соединяют между собой вваркой проставки (вариант 2, см. рис. 2.5.1). При диаметре труб 32 мм шаг панели S₁ = 48 мм. Ширина панели РПП кратна этому шагу.

Рис. 2.5.2. Развертка топки котла с естественной циркуляцией и радиационным пароперегревателем, расположенным на фронтовой стене топки по всей ее высоте (вид изнутри топки)

Важным моментом для такой конструкции РПП является разность температур сред в РПП и испарительной панели, которая не должна превышать 50 °С. Это условие ограничивает диапазон расположения РПП в схеме пароводяного тракта.

Для РПП применяют трубы диаметром 32, 38, 42 мм, толщиной стенки 4...5 мм. Материалом является низколегированная сталь перлитного класса, например 12 х 1МФ или 15 х М. Панели РПП изготовляют цельносварными также из оребренных труб (вариант 1).

Размеры РПП определяются при конструктивном расчете по его тепловосприятию, задаваемому в схеме пароводяного тракта котла. При поверочном расчете задаются конструктивные характеристики РПП.

Потолок топочной камеры может быть закрыт наклонными трубами фронтового экрана. Однако часто потолок выполняется горизонтальным и закрывается трубами потолочного пароперегревателя, подвешенными к потолочным балкам несущего каркаса котла. При этом потолок разбивается на несколько панелей (согласно симметрии котла их должно быть четное количество). Ширина панели определяется принимаемой массовой скоростью (pw = 800…1000 кг/(м2 х с)).

Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду q₅ и для обеспечения требуемой температуры наружной поверхности котла (не более 50 °С) на трубы экранов снаружи наносится многослойная изоляция толщиной около 200…300 мм. Над потолочным пароперегревателем размещается изолированный "теплый ящик", в котором находятся неизолированные перепускные трубы поверхностей нагрева котла. Такое решение уменьшает массу изоляции, упрощает ремонтные работы, улучшает условия диагностики состояния труб. Верхние коллекторы РПП подвешены к потолочным балкам несущего каркаса, что обеспечивает свободное расширение РПП вниз.

Конструктивный расчет РПП заключается в определении геометрических характеристик РПП по заданному в схеме пароводяного тракта тепловосприятию.

Уравнение теплового баланса РПП записывается в виде:

где ɳ_в.РПП - коэффициент неравномерности тепловосприятия (воспринятого теплового потока) по высоте топочной камеры, принимаемый средним для зоны расположения РПП (табл. 2.5.1).

Из уравнения теплового баланса (2.5.1) находят площадь поверхности РПП, м²:

При необходимости в табл. 2.5.1 можно ввести коэффициент неравномерности тепловосприятия по стенам топки ɳ_ст и по ширине топки ɳ_ш. Как правило, вследствие равномерного распределению факела в топке для всех топок принимается ɳ_ст = 1, для пылеугольных топок с фронтальным расположением горелок для задней стены топки ɳ_зад.ст = 1,1. Коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине топки (по ширине экрана) Пш изменяется от 0,8 до 1,3 в нижней части топки и от 0,8 до 1,2 в верхней. (Под нижней частью топки подразумеваются зоны, лежащие ниже сечения на 0,2h_т выше верхнего яруса горелок.)

Таб. 2.5.1. Коэффициент неравномерности тепловосприятия по высоте топки ɳ_в¹

Коэффициент ɳ_в для конкретной зоны топочной камеры лучше всего определять по результатам позонного расчета топки.

При окончательном выборе коэффициентов ɳ_в следует соблюдать условие

Экраны топочной камеры прямоточных котлов. Экраны топок прямоточных котлов обычно изготовляют из труб диаметром 38, 42 мм, толщиной стенки 4...5 мм из низколегированной стали 15ХМ, 12Х1МФ. Для устранения присосов холодного воздуха в топку экраны делаются в виде газоплотных панелей. При этом могут использоваться как оребренные трубы, так и проставки шириной, например 16 мм.

Расположение труб экранов (панелей) прямоточных котлов (в отличие от котлов с естественной циркуляцией) может быть любым. Наиболее распостраненными в настоящее время являются схемы Бенсона, Зульцера, Рамзина и меандровая навивка. Все они имеют свои достоинства и недостатки (рис. 2.5.3, рис. 2.5.4).

Рис. 2.5.3. Развертка топки прямоточного котла с комбинированной навивкой: НРЧ - по схеме Бенсона (вертикальные панели), СРЧ и ВРЧ - по схеме Зульцера (навивка горизонтальных панелей); стрелки - направления движения среды

Рис. 2.5.4. Развертка топки прямоточного котла докритического давления (Р_раб < Р_кр), навивка Рамзина (вид на топку изнутри)

Схема навивки, примененная в конкретной топочной камере, должна обеспечивать надежность эксплуатации на заданных режимах, удобство монтажа и ремонта блоков, небольшое количество коллекторов, достаточно равномерное распределение среды по отдельным змеевикам.

Экраны топочной камеры прямоточного котла делятся на три зоны: нижнюю (НРЧ), среднюю (СРЧ) и верхнюю радиационные (ВРЧ) части. В НРЧ вода превращается в пар. Для котлов докритического давления (Р < Р_кр) в НРЧ происходит подогрев воды до кипения и ее испарение с конечной сухостью пара около 95...98 %. Для котлов сверхкритического давления (СКД) р > р_кр и суперсверхкритических параметров (ССКП) в НРЧ включается вся зона максимальной теплоемкости (ЗМТ).

Для конструктивного расчета тепловосприятия зон (по пароводяной стороне) задаются в схеме пароводяного тракта, и требуется определить их конструктивные параметры. Следует отметить, что границы этих зон фиксированы только конструктивно, что весьма условно, так как при изменении режима работы котла фактические границы зон смещаются по пароводяному тракту.

При поверочном расчете известны конструктивные параметры зон (их поверхности и расположение по отношению к факелу) и требуется определить фактическое положение зон по отношению к конструктивным границам НРЧ, СРЧ и ВРЧ.

Конструктивный расчет НРЧ, СРЧ, ВРЧ прямоточных котлов заключается в определении геометрических характеристик НРЧ, СРЧ, ВРЧ по их заданному (или выбранному) в схеме пароводяного тракта тепловосприятию.

Уравнение теплового баланса НРЧ (СРЧ, ВРЧ) аналогично уравнению (2.5.1).

где ɳ_вНРЧ - коэффициент неравномерности воспринятого теплового потока по высоте топочной камеры, принимаемый средним для зоны расположения НРЧ, СРЧ, ВРЧ (см. табл. 2.5.1).

Из уравнения теплового баланса определяется площадь поверхности НРЧ, СРЧ, ВРЧ, м²:

Для НРЧ можно рекомендовать рw = 2000.2500 кг/(с х м²), что обеспечивает приемлемое значение α₂ для получения надежного охлаждения стенки трубы средой и требуемой (или заданной) температуры стенки трубы.

При вертикальном размещении труб количество лент (блоков), располагающихся по ширине топки, должно быть кратным количеству потоков среды (для обеспечения симметрии топки). При этом, как правило, возникает необходимость корректировки значения pw, исходя из конструктивных соображений: установки целого количества блоков (лент).