Пароперегреватели. Схема и устройство

В современных котлах большой мощности с промежуточным перегревом пара тепловосприятие пароперегревательных поверхностей становится близким к тепловосприятию испарительных поверхностей нагрева. Обеспечение требуемого перегрева пара осуществляется в ряде последовательных ступеней пароперегревателя.

Пароперегревательные поверхности нагрева можно классифицировать исходя из способа передачи теплоты от продуктов горения: радиационные, конвективные и радиационно-конвективные. На рис. 2.5.5 представлена схема ступенчатого перегрева пара в котле, включающая все перечисленные элементы.

Рис. 2.5.5. Основные конструктивные элементы пароперегревателей: 1 - барабан; 2 - двухходовая панель радиационного настенного топочного перегревателя; 3 - подвесные вертикальные полурадиационные перегревательные ширмы на выходе из топки; 4 - конвективный змеевиковый вертикальный перегреватель; 5 - то же, горизонтальный выходной; 6 - потолочная трубная панель перегревателя; 7 - впрыскивающий пароохладитель; 8 - выходной коллектор перегретого пара; 9 - входной коллектор подвесных труб; 10 - то же, выходной; 11 - подвесные трубы перегревателя; 12 - опорная планка; 13 - змеевики горизонтального перегревателя; 14 - горелка

Особенности расчета и конструирования радиационных ступеней пароперегревателя рассмотрены в предыдущем параграфе, поэтому далее рассмотрим особенности конструкций и расчета полурадиационных (ширмовых) и конвективных ступеней.

Ширмовый пароперегреватель (ШПП) обычно устанавливается в выходном сечении топки и представляет собой поперечно омываемый дымовыми газами коридорный пучок труб с большим поперечным шагом (S₁ ≥ 400...500 мм) и малым продольным шагом (S₁ / d ≈ 1,1). Между отдельными ширмами такого пучка образуется значительный объем, в котором движется поток продуктов горения (межширмовый).

Теплообмен между потоком газов и трубами ширм происходит за счет прямого излучения из топки, излучения межширмового объема газов и конвективного теплообмена между трубами ширм и газовым потоком. Вследствие значительной роли радиационной составляющей в общей передаче теплоты ШПП относят к полурадиационным поверхностям нагрева.

Использование ШПП на выходе из топки позволяет увеличить допускаемую (по условиям шлакования) температуру газов на выходе и, тем самым, сократить габаритные размеры топки. Ширмовые поверхности даже в условиях образования отложений (шлакования) не вызывают снижения нагрузки котла, так как расстояния (S₁) между отдельными ширмами настолько велики, что отложения на их поверхностях не препятствуют движению газового потока.

Поэтому при использовании топлив, склонных к интенсивному образованию натрубных отложений (например сланцев), в ширмовой конструкции выполняют даже конвективные ступени пароперегревателей, а иногда и экономайзеров. Поверхность внутритопочных ширмовых пароперегревателей включают в тепловоспринимающую радиационную поверхность топки.

Ширмовые поверхности пароперегревателя высокого давления изготовляют из труб с наружным диаметром 28…42 мм, а промежуточного пароперегревателя - обычно из трубы диаметром 42…60 мм. Обычно ширмовые пароперегреватели являются второй или третьей ступенью по ходу пара, поэтому для обеспечения надежного охлаждения металла массовые скорости пара в них составляют 1000.1200 кг/(с х м²). Материалом обычно служит сталь перлитного или аустенитного класса.

В отдельных конструкциях котлов (чаще газомазутных) применяют ширмоконвективные ступени пароперегревателя, состоящие из прямых цельносваренных панелей вертикальных ширм и примыкающих к ним зигзагообразных двух-, трехрядных змеевиковых пакетов (рис. 2.5.6).

Рис. 2.5.6. Схема ширмоконвективной ступени пароперегревателя

Конвективные ступени пароперегревателей (КПП) устанавливают в переходном газоходе за топкой или конвективном опускном газоходе. Они представляют собой трубные змеевиковые пучки с коридорным или шахматным расположением труб. Конвективные пучки могут выполняться вертикальными 4 (см. рис. 2.5.5), тогда змеевики подвешиваются к потолочным балкам на специальных подвесках из жаропрочной стали, а также горизонтальными 5, которые крепят в газоходе с помощью подвесных труб, охлаждаемых паром.

Конвективные пароперегреватели могут различаться по способу взаимного движения пара и дымовых газов (рис. 2.5.7). При этом различают схемы движения: прямоток, противоток и смешанный ток. Схема прямотока дает меньшую интенсивность теплопередачи, вследствие меньшего температурного напора Δt, но обеспечивает большую надежность, так как перегрев металла змеевиков на выходе пакета маловероятен.

Рис. 2.5.7. Схемы взаимного движения пара и продуктов сгорания в конвективных пароперегревателях: а - прямоток; б - противоток; в - двойной противоток; г - смешанный ток

Схема противоточного движения обеспечивает более высокую интенсивность теплообмена, но увеличивает опасность перегрева металла труб. Другие схемы занимают промежуточное положение по интенсивности теплообмена и опасности перегрева труб. Для регулирования температуры пара применяют несколько типов регуляторов перегрева (рис. 2.5.8).

Рис. 2.5.8. Схемы пароохладителей: а - поверхностного; б - впрыскивающего; 1 - распыливающая форсунка; 2 - защитный кожух; I - пар; II - вода

Во впрыскивающем пароохладителе охлаждение пара осуществляется за счет испарения воды (конденсата), вводимой в паровой поток (рис. 2.5.8, б). Часть тепловой энергии пара тратится на испарение воды, при этом энтальпия пара (и температура) уменьшается.

При использовании для впрыска собственного конденсата на котле устанавливается теплообменник-охладитель (конденсатосборник), в котором насыщенный пар конденсируется за счет передачи теплоты охлаждающей питательной воде. Полученный конденсат направляется во впрыскивающие пароохладители.

Конструкция впрыскивающего пароохладителя проста. Он представляет собой паровой трубопровод, по центру которого располагается распыливающая форсунка, подающая конденсат. В зоне испарения водяных капель устанавливается защитный кожух, препятствующий попаданию капель воды на горячие стенки паропровода.

Впрыск собственного конденсата применяется обычно в котлах с естественной циркуляцией. На котлах высокого и сверхкритического давления обычно используют впрыск питательной воды при условии ее обессоливания.

Впрыскивающие пароохладители получили широкое распространение вследствие компактности и малой инерционности.

Паро-паровой теплообменник (ППТО) предназначен для регулирования температуры вторичного и первичного пара. Первичный пар, имеющий избыточную энтальпию после радиационных поверхностей нагрева, поступает в трубы змеевиков паро-парового теплообменника, а вторичный пар - в межтрубное пространство теплообменника (рис. 2.5.9).

Рис. 2.5.9. Схема паро-парового теплообменника: I - первичный пар; II - вторичный пар

При развитой радиационной части первичного пароперегревателя снижение нагрузки котла приводит к росту энтальпии пара, а во вторичном конвективном пароперегревателе - к ее снижению. Применение паро-паровых теплообменников позволяет передавать избыточное количество теплоты от первичного пара ко вторичному и поддерживать его перегрев при снижении нагрузки.