Пароперегреватели, экономайзеры

Пароохладители, воздухоподогреватели,

Сажеобдувочные устройства

Пароперегреватели служат для перегрева пара, то есть для получения пара, температура которого превышает темпера­туру насыщения при давлении в котле. Использование в энер­гетической установке перегретого пара вместо насыщенного уве­личивает ее к. п. д. на 10–15%, а с повышением температуры перегрева пара на 20–25°С к. п. д. установки возрастает на 1–1,5%. Поэтому ПП являются обязательной составной частью не только главных, но и многих вспомогательных и утилизацион­ных котлов.

В ПП из пароводяного коллектора поступает влажный на­сыщенный пар, который, проходя внутри труб, омываемых ды­мовыми газами, сначала подсушивается, а затем перегревается. Для большего перегрева пара ПП размещают в высокотемпе­ратурной зоне газохода котла. Пароперегреватель – наиболее теплонапряженный элемент котла.

Пароперегреватели классифицируют по ряду признаков. По назначению выделяют ПП основные и промежуточные (послед­ние применяют в ПТУ с вторичным перегревом пара, например, котел КВГ-80 танкеров типа «Крым». В таких ПТУ пар, отра­ботавший в турбине высокого давления, поступает в промежу­точный ПП котла, где вновь перегревается до начальной темпе­ратуры и направляется к турбине среднего давления главного турбозубчатого агрегата). По тепловосприятию ПП делят на конвективные, конвективно-радиационные и радиационные. По­следние два типа из-за более низкой надежности ПП широкого распространения на судах не получили. По конструкции ПП разделяют на петлевые (Рис. 7.7, а, б), змеевиковые (Рис. 7.7, в) и вертикальные двухколлекторные (рис. 7.7, г).

Петлевые ПП выполняют одноколлекторными (Рис. 7.7, а) и двухколлекторными (Рис. 7.7, б, г). Одноколлекторную компо­новку применяют при числе петель труб в ПП больше трех. Диа­метр коллектора 1 в этом случае (для вальцовки труб, а во время эксплуатации – для осмотра и глушения вышедших из строя петель) составляет не менее 400–500 мм. Внутри коллек­тора размещают продольную 2 и ряд поперечных 3 перегородок, разделяющих коллектор на ряд камер и служащих для обеспечения необходимой скорости (25–15 м/с) пара. В двухколлекторном варианте размеры коллекторов 4 могут быть существен­но меньше. Вальцовку, контроль и глушение трубок ПП в этом случае осуществляют через специальные лючковые затворы (на схеме не показаны). При такой компоновке (Рис. 7.7, б) внутри коллекторов устанавливают только поперечные перегородки.

Наличие перегородок является существенным недостатком петлевых ПП, так как кроме трудностей монтажа и демонтажа их при ремонте неизбежны перетечки пара из одной камеры в другую во время эксплуатации, что снижает перегрев пара, ухудшает работу ПП. Основное преимущество петлевых ПП в том, что при возможном в условиях эксплуатации пережоге ка­кой-либо трубы выходит из строя одна петля, которая состав­ляет относительно малую часть его поверхности нагрева.

Рис. 7.7. Конструктивные схемы пароперегревателей судовых котлов

На рис. 7.8 приведены схема движения пара и конструкция одноколлекторного петлевого ПП с вертикальным расположе­нием петель. Такой ПП имеют главные котлы типа КВГ-25, КВГ-34. Коллектор 8 разделен на две части поперечной пере­городкой 5, а пучок труб – на две секции 10 и 11. В каждой части коллектора 8 имеется продольная 14 и поперечные 7 и 3 перегородки, которые делают каждую секцию коллектора двух­ходовой. Это позволяет увеличить скорость перемещения пара в трубах, а следовательно, – интенсивность теплообмена между стенкой трубы и паром, то есть улучшить охлаждение труб ПП. Коллектор пароперегревателя сварен из двух цельнокованых труб, к концам которых приварены днища 1, имеющие эллипти­ческие лазы размером 280х300 мм, закрываемые затвором 9.

Насыщенный пар из пароводяного коллектора котла подво­дится к патрубку 2, а перегретый – отводится через патрубок 13. Патрубки 6 и 4 служат для присоединения секций ПП к па­роохладителю, размещенному в водяном пространстве пароводя­ного коллектора.

Петли ПП крепят к опорной балке 12, которая охлаждается изнутри воздухом от котельного вентилятора. Крепление труб к балке 12 подвижное. Оно обеспечивает продольное перемеще­ние труб при тепловом расширении. Перемещение осуществляет­ся за счет скольжения ползуна по направляющим кронштейна, приваренным к опорной балке.

Змеевиковые ПП (см. рис. 7.7, в) обладают высокой ком­пактностью, удобством размещения в любой части газохода, не имеют поперечных перегородок в коллекторах 5. Требуемая ско­рость пара в них достигается за счет использования многоходо­вых змеевиков 6. На рис. 7.9 приведены схемы одно-, двух- и трехходовых змеек ПП. При постоянном расходе пара увеличе­ние числа ходов приводит к уменьшению сечения для прохода пара, а следовательно, к росту его скорости.

Рис. 7.8. Одноколлекторный петлевой пароперегреватель: а – схема движения пара; б – конструктивное выполнение ПП

Однако в таких конструкциях ПП при работе котла трудно равномерно распределить пар по змеевикам, а на стоянке – полностью осушить змеевики. Кроме того, выход из строя одной из труб приводит к потере значительной части поверхности на­грева ПП, особенно при использовании многоходовых змеевиков.

Поэтому змеевиковые ПП чаще применяют для котлов с высо­кими параметрами пара и развитой поверхностью нагрева, а так­же для котлов с принудительной циркуляцией и прямоточных. Надежность работы пароперегревателей в значительной степени зависит от качества соединений труб с коллекторами. Крепление труб к коллекторам ПП производят вальцовкой (см. рис. 7.3, б), сваркой встык (Рис. 7.10, а), либо используют сварно-вальцовочное соеди-

Рис. 7.10. Крепление труб к коллекторам ПП

нение (Рис. 7.10, б, сварка в верхней части по пери­метру трубы). Сварное соединение труб 1 с коллекторами 2 че­рез промежуточный штуцер 3 чаще применяют в змеевиковых ПП, вальцовочные – в одноколлекторных петлевых.

Водяные экономайзеры (ВЭ) предназначены для подогрева питательной воды, поступающей в котел, теплотой дымовых газов. Их устанавливают в низкотемпературной зоне котла. Подогрев воды в ВЭ на один градус вызывает охлажде­ние газов на 2,5–3°С, что способствует росту к. п. д. котла. Кроме того, наличие ВЭ способствует снижению размеров па­рообразующей поверхности нагрева котла, его массы и габа­ритов.

По конструктивному выполнению ВЭ можно разделить на змеевиковые и петлевые. Наибольшее распространение получили

Рис. 7.11. Гладкотрубный водяной экономайзер

змеевиковые конструкции в одно- и многосекционном исполне­нии. В ВЭ вода, как правило, недогревается до температуры кипения на 30–70°С. Кипящие экономайзеры из-за низкой на­дежности в судовой практике распространения не получили. Чтобы исключить застаивание паровых и воздушных пузырей вблизи стенок труб, в ВЭ чаще используют восходящее движе­ние воды (прямоток) в трубах. Нисходящее движение приме­няют только для секций ВЭ, размещенных в зоне более низких температур газа. Водяные экономайзеры изготовляют из глад­ких труб или труб с наружными ребрами. Последние сложны в изготовлении и менее надежны в эксплуатации (пожароопасны) из-за интенсивного загрязнения золой и сажей.

На рис. 7.11 показан гладкотрубный ВЭ. Он состоит из двух коллекторов 1, 3 и прикрепленных к ним змеевиков 4. Пита­тельная вода поступает в коллектор 1 и, пройдя по змеевикам 4, входит в коллектор 3. Коллекторы жестко связаны с каркасом котла. Для увеличения скорости движения воды коллекторы разделены поперечными перегородками на отдельные камеры, соединенные между собой перепускными трубами 2. Охлаждае­мые трубы 5, включенные в питательную магистраль, служат опорами змеевиков ВЭ.

Внутренний диаметр коллекторов ВЭ составляет 100–200 мм, наружный диаметр труб = 25 ÷ 38 мм, поперечный и продоль­ный относительные шаги труб в змеевиках 1,5. Скорость воды в трубах ВЭ должна составлять 1,5–2,5 м/с. Скорость менее 1,5 м/с может привести к застою газовых пузы­рей у внутренней стенки труб, а более 2,5 м/с – к неоправдан­ному росту гидравлического сопротивления ВЭ.

Воздухоподогреватели (ВП) применяют для подо­грева воздуха, поступающего от котельного вентилятора. В ка­честве горячего теплоносителя в ВП используют дымовые газы, отработавший пар или воду. Подача в топку горячего воздуха улучшает топочный процесс, способствует повышению темпе­ратуры газа в топке и газоходе котла. Использование ВП мо­жет увеличить к. п. д. котла на 3–5%. Воздухоподогреватели, в которых греющей средой служат продукты сгорания топлива, называются газовыми, а ВП с паровым или водяным обогре­вом – соответственно паровыми или водяными. Поверхность на­грева ВП может быть выполнена из труб или профильных ли­стов, поэтому ВП могут быть трубчатые или пластинчатые. Трубчатые ВП изготовляют из гладких или оребренных труб обычно круглого поперечного сечения. Находят применение та­кие трубы эллиптического, овального и каплеобразного сечения.

В судовых котлах чаще применяют газовые ВП рекуператив­ного типа, в которых греющая среда и воздух разделены непро­ницаемой стенкой. Однако, как и в стационарных котлах, ис­пользуют и регенеративные ВП, обычно вращающегося типа. В регенеративных ВП одна и та же поверхность теплообмена (насадка), обычно выполняемая из профильных листов, перио­дически омывается средами, обменивающимися теплотой: вна­чале дымовыми газами, затем воздухом. На первом этапе теп­лоту горячих газов воспринимает и аккумулирует насадка, на втором – воздух воспринимает теплоту от насадки и нагре­вается.

Конструктивная схема газового рекуперативного трубчатого ВП представлена на рис. 7.12. Дымовые газы 1 омывают трубы 5 изнутри, а воздух (стрелка 4) движется в межтрубном про­странстве и омывает трубы ВП снаружи. Трубы крепят к труб­ным решеткам 3 с помощью сварки. Для обеспечения переме­щения труб при тепловом расширении предусмотрена установка компенсатора 2. При эксплуатации сажистые и золовые отло­жения в таких ВП появляются на внутренней поверхности труб, которую периодически очищают сажеобдувочными устройствами.

Рис. 7.12. Конструктивная схема газового труб­чатого воздухоподогревателя

Воздухоподогреватели работают в области низких темпера­тур дымовых газов, поэтому их поверхности нагрева могут быть подвержены сернистой коррозии, особенно при использовании низкосортных топлив с большим содержанием серы. Необхо­димо, чтобы температура стенки труб ВП была выше темпера­туры точки росы, то есть температуры, при которой происходит конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах сгора­ния. Это обстоятельство учитывают при проектировании и экс­плуатации ВП. Если воздухоподогреватель отсутствует, то сер­нистой коррозии подвергаются трубы водяного экономайзера.

Регенеративные вращающиеся газовые ВП (Рис. 7.13, а) ме­нее подвержены сернистой коррозии, так как температура ме­талла насадки периодически меняется. Основным элементом вращающегося ВП является ротор 1, разделенный перегород­ками 2 на секторы, заполненные профильными листами 3. Ротор установлен на подшипниках 5 в корпусе 7, который для умень­шения протечек воздуха имеет уплотнительные листы 6. Вал 4 ротора вращает с частотой 2–3 об/мин приводной механизм 8 с электродвигателем, мощность которого сравнительно невелика (2–3 кВт). Патрубки 9, 10 (Рис. 7.13, б), присоединенные к верхней и нижней частям корпуса 7, служат для отвода и под­вода воздуха и дымовых газов. Котельная установка судна, со­стоящая из двух котлов, снабжается только одним вращающим­ся ВП, обеспечивающим подогрев воздуха от температуры 30°С до 250–260°С и снижение температуры уходящих газов с 315–320°С до 130–135°С. Вращающиеся ВП имеют меньшую массу и габариты по сравнению с рекуперативными, обладают малым гидравлическим сопротивлением, надежны и экономичны. Вместе с тем в таких ВП велики протечки воздуха, особенно при износе уплотнений.

Применение в качестве горячего теплоносителя отработав­шего пара исключает сернистую коррозию элементов ВП, повы­шает их надежность в период эксплуатации. Паровые ВП уста­новлены на главных котлах типа КВГ-34. В таких ВП влажный насыщенный пар из раздаточного коллектора направляется внутрь оребренных труб малого диаметра. Оребрение позволяет увеличить поверхность ВП и выполнить его более компактным. Конденсат греющего пара отводится по трубам через сборный коллектор к общему конденсационному сосуду.

Рис. 7.13. Вращающийся воздухоподогреватель: а – общий вид; б – размещение патрубков подвода (от­вода) теплоносителей на ВП

Водяные ВП включают перед низкотемпературной секцией основного газового ВП. Они предназначены для предваритель­ного подогрева воздуха, чтобы избежать сернистой коррозии деталей основного ВП, особенно при частичных нагрузках котла. Водяные ВП имеют змеевиковую или петлевую конструкцию с оребрением наружной поверхности труб.

Пароохладители (ПО) служат для получения охлаж­денного пара (пара пониженных параметров), необходимого ряду вспомогательных механизмов энергетической установки и судна в целом, а также для регулирования температуры пере­гретого пара. На судах применяют пароохладители рекупера­тивного и смесительного типов. Рекуперативные ПО обычно размещают в пароводяном (КВГ-25, К.ВГ-34) или водяном (глав­ные котлы судов типа «Сергей Боткин») коллекторах. В смеси­тельных ПО охлаждение пара осуществляется за счет впрыска в пар питательной воды.

Рекуперативный ПО (Рис. 7.14) состоит из раздаточного 1 и сборного 2 коллекторов, соединенных трубами 3, наружная поверхность которых омывается котловой водой, а внутренняя – паром.

Рис. 7.14. Рекуперативный пароохладитель

Смесительные ПО (Рис. 7.15) применяют лишь в том случае, когда система водоподготовки судна обеспечивает низкое (1–3 мг/кг) солесодержание питательной воды. Иначе неизбежно загрязнение паропроводов и механизмов (особенно лопаток тур­бин) солями. Вода 2 подается в корпус смесителя по трубкам, имеющим сопла для распыливания воды против потока 1 пе­регретого пара. Для лучшего перемешивания воды с паром устанавливают барабаны, имеющие многочисленные узкие щели на своей поверхности. Патрубок 3 служит для спуска воды пе­ред включением смесителя в работу, а 4 – для отвода охлаж­денного пара.

Надежная и экономичная работа котла возможна только при своевременной очистке его поверхностей нагрева, которые при эксплуатации покрываются со стороны дымовых газов слоем сажистых отложений. Наличие сажи на стенках труб приводит к снижению к. п. д. (растет температура уходящих газов) и тем­пературы перегретого пара, увеличивает пожароопасность «хвостовых» поверхностей на­грева.

Рис. 7.15. Смесительный пароохладитель

Сажеобдувочные аппа­раты (СА) используют для очистки труб от сажи и золы, размещают в газоходе котла (Рис. 7.16) вблизи его отдель­ных теплообменников 1, 2, 3. На рис. 7.16 приведена схема рас­положения СА в газовом трак­те котла КВГ-34К. Зона дейст­вия СА не более 1 м. На боль­шем расстоянии снижается эф­фективность очистки, которую обычно производят паром давле­нием 1,2 МПа и температурой 250°С.

Рабочая часть СА – это вра­щающаяся цилиндрическая тру­ба с рядом сопл, расположенных вдоль образующих цилиндра. В трубу подается пар, который, выходя из сопл, ударяет в стен­ки труб теплообменников, размещенных в газоходе котла, и тем самым очищает их от загрязнений. Шаг сопл по длине СА обычно согласуют с шагом труб в обдуваемом пучке. Сопла имеют внутренний диаметр около 5 мм и длину 15 мм. Они вва­рены в стенку вращающейся трубы, которая крепится к трубам теплообменников на специальных кронштейнах. Подвод пара осуществляется через муфту, обеспечивающую возможность из­лома осей головки СА и сажеобдувочной трубы. В зоне высоких температур (свыше 1000°С) для изготовления сажеобдувочных труб используют жаростойкую сталь Х20Н14С2, а в зоне низких температур – сталь 20.

Рис. 7.16. Схема размещения са­жеобдувочных аппаратов в газо­ходе котла КВГ-34К

Сажеобдувочные аппараты используются также для перио­дической (примерно через 2000–2500 ч работы) обмывки по­верхностей нагрева специальным раствором.