Экономайзер и воздухоподогреватели. Регенеративный вращающийся воздухоподогреватель

Экономайзеры являются подогревателями воды за счет использования теплоты уходящих газов котла. В современных конструкциях котлов применяют стальные (змеевиковые) и чугунные экономайзеры. Чугунные экономайзеры с наружным оребрением элементов устанавливают в котлах малой мощности. Они менее подвержены коррозии и обладают повышенной надежностью при низком качестве водоподготовки.

Стальные змеевиковые экономайзеры применяют в котлах средней и большой мощности. На рис. 2.5.10 показан стальной горизонтальный пакет экономайзера современного котла высокого давления. Вода в пакетах экономайзера движется, как правило, снизу вверх против направления движения дымовых газов.

Рис. 2.5.10. Пакет стального экономайзера: 1 - ввод питательной воды; 2 - вывод подогретой воды; 3 - змеевики; 4 - опорные стойки; 5 - лазы в газоходы; 6 - обмуровка боковой стенки; 7 - предохранительные прутки; 8 - защитная накладка; 9 – соединительный патрубок; I - дымовые газы; II - вода

Трубы отдельных змеевиков крепятся в коллекторах (входных и выходных) с помощью сварки. Для экономайзеров высокого и сверхкритического давления применяют трубы из стали 20 диаметром 32...42 мм. Трубы змеевиков компонуют в пакете в шахматном порядке для уменьшения габаритных размеров и расхода металла. Для ревизии змеевиков и ремонтных работ высота плотных трубных пакетов экономайзера лимитируется.

По нормам ремонтопригодности высота трубных пакетов с тесным расположением труб не должна превышать 1 м. Поэтому, если пакет имеет большую расчетную высоту, его изготовляют с разрывами высотой 600…1000 мм для очистки, осмотра и ремонта змеевиков. Коллекторы экономайзерных пакетов обычно устанавливают снаружи газохода на специальных опорах каркаса. Иногда входные коллекторы располагают внутри газохода (если температура газов не превышает 450 °С). В этом случае они одновременно являются промежуточными опорами для змеевиков.

Скорость воды в элементах экономайзера должна быть в пределах 0,4 < w_B < 1,5 м/с) для предотвращения расслоения потока и обеспечения приемлемых гидравлических сопротивлений.

В последние годы помимо гладкотрубных стальных экономайзеров применяют новые конструкции: мембранные, мембраннолепестковые, плавиковые (рис. 2.5.11), которые обладают лучшими теплообменными характеристиками и позволяют существенно снизить удельный расход металла.

Рис. 2.5.11. Плавиковые (а) и мембранные (б) экономайзеры

Воздухоподогреватели (ВП) по принципу действия (передачи теплоты) делятся на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных воздухоподогревателях передача теплоты от дымовых газов к воздуху осуществляется через трубную стенку, отделяющую поток газов от воздуха, в регенеративных (РВП) теплота передается от газов к воздуху через промежуточный теплоноситель (металл, специальный керамический материал, жидкость и др.), который в начале нагревается дымовыми газами, а затем отдает теплоту потоку нагреваемого воздуха.

Трубчатые рекуперативные ВП представляют собой теплообменные устройства, выполненные в виде системы блоков (кубов), состоящих из трубных досок и закрепленных в них стальных труб. Внутри труб обычно движутся дымовые газы, а нагреваемый воздух проходит между трубами снаружи (рис. 2.5.12).

Рис. 2.5.12. Стальной однопоточный и трехходовой по воздуху трубчатый воздухоподогреватель: а — вертикальный продольный разрез куба ВП; б — узел верхней трубной доски; в — компенсаторы для вертикального и горизонтального удлинения кубов; г — то же, между соседними кубами; д — защита входных концов труб от золового износа; 1 - опорный ростверк из стальных балок; 2 - трехлинзовый компенсатор для продольных удлинений; 3 - воздухоперепускной короб; 4 - лаз; 5 - трубы поверхности нагрева; 6 - трубная доска; 7, 8 - компенсаторы; 9 - дробь; 10 — пружинящая втулка; I - дымовые газы; II - воздух; III - места наибольшего золового износа

Через вертикальные стальные трубы куба ВП проходят сверху вниз дымовые газы, а воздух движется между трубами поперек. Однопоточный и трехходовой по воздуху воздухоподогреватель обычно применяется на котлах паропроизводительностью до 220 т/ч. Варианты конструктивных схем регенеративных ВП в зависимости от требуемой температуры горячего воздуха и мощности котла показаны на рис. 2.5.13.

Рис. 2.5.13. Схемы рекуперативных трубчатых воздухоподогревателей в зависимости от температуры горячего воздуха и мощности агрегата: 1, 2 - холодный и горячий пакеты воздухонагревателя; 3, 4 - первый и второй пакеты экономайзера по ходу питательной воды

Кубы ВП выполняют с шахматным расположением труб 33 х 1,5…51 х 1,5 мм. Трубные пучки воздухоподогревателей изготовляют с небольшими шагами S₁ / d ≤ 1,2…1,5; S₂ / d ≤ 1,5. Скорости газов и воздуха в ВП выбирают из условия обеспечения минимальных расчетных затрат и обеспечения самоочистки труб. Обычно скорость газов 10…12 ± 2 м/с, а воздуха 4…6 м/с.

Кроме стальных трубчатых ВП в промышленных установках, особенно при сжигании сернистых и высоковлажных топлив, применяют чугунные ВП большей надежности. Такие ВП собирают из ребристых или зубчатых трубных чугунных элементов, что позволяет увеличить площадь поверхности нагрева по газовой и воздушной сторонам.

Трубчатые рекуперативные ВП просты в изготовлении, отличаются высокой газовой плотностью (малыми присосами Да), требуют умеренных затрат металла и способствуют росту КПД котла за счет снижения температуры уходящих газов и обеспечения высокого подогрева воздуха. Они нашли широкое применение в котлах различной мощности.

Пластинчатые рекуперативные ВП в котельных установках используются редко. Иногда их применяют в газотурбинных установках в качестве регенераторов.

Одной из главных проблем для ВП является низкотемпературная коррозия. Для ее устранения используют предварительный подогрев воздуха в калориферах, устанавливаемых на входе воздуха в ВП. Возможным вариантом является частичная рециркуляция горячего воздуха на вход ВП. Для увеличения рабочего ресурса труб ВП (при работе котла на сернистых мазутах) делались попытки создать холодные ступени из труб с защитным (например эмалевым) покрытием или с использованием стеклянных труб. Однако эти конструкции не обеспечивали длительной надежной работы.

Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели (РВП), применяемые на современных котлах, отличаются высокой компактностью и часто устанавливаются отдельно, вблизи конвективного газохода котла (и даже вне пределов здания).

РВП состоит из статора (кожуха) 1 и вращающегося внутри корпуса ротора 2 с вертикальной осью вращения (рис. 2.5.14).

Рис. 2.5.14. Регенеративный вращающийся воздухоподогреватель: а - общий вид; б - сектор; в - набивка горячей части ротора; г - набивка холодной части ротора; д - конструкция уплотнения между ротором и крышкой; 1 - кожух; 2 - ротор; 3 - плита сектора; 4 - фланец ротора; 5 - колодка уплотнения; 6 - пружина для регулирования величины Ah (зазора между ротором и неподвижной крышкой); 7 - стенка газоподводящего патрубка; 8 - центральная плита; I - дымовые газы; II - воздух

Ротор разделен радиальными перегородками на секторы, в которых установлены кассеты из профилированных листов, между которыми образованы щели 5…13 мм. По ходу вращения ротора кассетная набивка вначале проходит газовую сторону РВП, где через щели кассет проходят и нагревают набивку дымовые газы, а затем нагретые кассеты переходят на воздушную сторону, в которой отдают теплоту нагреваемому воздуху. Воздушная сторона ротора отделена от газовой с помощью сложных уплотняющих конструкций. Роторы современных РВП имеют диаметр 4…15 м и вращаются с частотой 2…8 мин^-1.

РВП отличается более высокими пере- течками воздуха в газовый тракт (Δα_ВП), а присосы в них выше, чем в трубчатом ВП. Тем не менее, РВП получили широкое распространение на котлах мощных энергоблоков вследствие таких преимуществ, как компактность, меньшие удельные затраты металла, устойчивость показателей (по присосам) в условиях коррозионного воздействия.

Для лучшей ремонтопригодности набивку ротора по высоте выполняют из "горячей" части, менее подверженной коррозии, и сменной, подверженной коррозии "холодной" части.

В РВП обычно осуществляют подогрев воздуха до 300...320 °С. При сжигании сернистых мазутов температура воздуха на входе в РВП должна быть не ниже 60...70 °С с тем, чтобы набивка РВП имела температуру выше точки росы.