Поверхности нагрева котла, их расчет и компоновка

Поверхности нагрева современных паровых котлов представляют собой системы параллельно включенных труб, воспринимающих теплоту потока (продуктов сгорания) за счет излучения в зоне высокотемпературных газов и конвективным теплообменом [4]. Интенсивность теплообмена определяется законом Стефана-Больцмана (разность четвер­тых степеней абсолютных температур излучающей газовой среды и наружной поверхно­сти труб). Наиболее интенсивные тепловые потоки излучения имеют место в топочных камерах паровых котлов, где развиваются высокие температуры газовой среды в результа­те сжигания топлива. Наивысшие воспринятые экранами тепловые потоки находятся в зо­не ядра факела и в зависимости от вида сжигаемого топлива составляют от 350 кВт/м (при сжигании бурых углей) до 400-550 кВт/м2 (при сжигании природного газа и мазута). По мере снижения температуры газов и оптической плотности излучаемой среды в верх­ней части топки воспринятые настенными поверхностями тепловые потоки находятся на уровне 70-80 кВт/м2. Конвективные поверхности нагрева, расположенные в горизонтальном газоходе и конвективной шахте котла, обладают более низким тепловосприятием. Интенсивность конвективного тепловосприятия прямо пропорциональна разности температур газов и на­ружной поверхности труб и снижается по ходу движения продуктов сгорания от 40 кВт/м2 в горизонтальном газоходе до 10-15 кВт/м2 в экономайзерах. При температуре продуктов сгорания выше 400 °С дополнительное восприятие поверхности обеспечивает межтрубное излучение газовой среды. На выходе их топки размещаются полу радиационные (радиационно-конвективные) поверхности нагрева в виде ширмового или ленточного пароперегревателя, тепловосприя­тие поверхности которых примерно в равной мере определяется лучистым и конвектив­ным теплообменом. Изменяя температуру газов на выходе из топки, конструктор создает соотношение радиационных и конвективных поверхностей нагрева в котле. При изменении темпе­ратуры газов на выходе из топки Я" от 900 до 1200 °С более заметно изменяется размер радиационной поверхности топочных экранов, что определяется законом лучистого теп­лообмена. Минимальная суммарная поверхность нагрева элементов котла имеет место при Я" = 1250-1300 °С. Соответствующее этим температурам соотношение радиационных и конвективных поверхностей в котле следует считать оптимальным, однако достижимо оно только при сжигании природного газа и мазута. В остальных случаях выбор Я" определяется условиями на­дежности работы котла (исключением шлакования плотных конвективных поверхностей пароперегревателя в горизонтальном газоходе), при этом приходится завышать размер эк­ранов топочной камеры, увеличивать строительную высоту топки и тем увеличивать стоимость котла. Кроме выбора соотношения размеров радиационных и конвективных поверхностей нагрева, большое значение имеет последовательность и характер размещения отдельных поверхностей нагрева вдоль газового тракта котла, что называется компоновкой поверхно­стей парового котла. Оптимизация компоновки радиационных и конвективных поверх­ностей нагрева определяется двумя обстоятельствами. Во-первых, последовательность расположения отдельных поверхностей или частей поверхности вдоль газового тракта должна соответствовать условию: по мере снижения температуры в газовом тракте раз­мещаются поверхности нагрева с более низкой температурой рабочей среды. Так, например, средняя температура воды в пакетах экономайзера ниже, чем средняя температура пара в первом пакете промежуточного пароперегревателя, поэтому экономайзер должен располагаться по ходу газов после пакета промежуточного пароперегревателя. Отступле­ние от этого правила приходится делать по условиям надежности для поверхностей, рас­положенных в топочной камере. Применение в зоне высокотемпературных газов по­верхностей радиационного пароперегревателя с самой высокой температурой пара недо­пустимо по условиям перегрева металла труб из-за относительно низкого отвода тепла от стенки трубы к пару, поэтому выходные ступени пароперегревателя располагаются как правило а горизонтальном газоходе где & = 800-1000 °С. Во-вторых, каждая отдельная поверхность нагрева должна быть выполнена с мак­симальным использованием принципа противотока между потоком газов и рабочей среды, что обеспечивает максимальный температурный напор и уменьшение размера поверхно­сти. Отступления здесь могут иметь место для отдельных пакетов пароперегревателя, ко­гда его противоточное выполнение по условиям надежности металла потребует замены более дешевой слаболегированной стали на дорогую высоколегированную (аустенитную) и стоимость поверхности (хотя и меньшей по размерам) при этом сильно возрастает.

Взаимное расположение газоходов парового котла (топки, горизонтального газохода, конвективной шахты) определяет профиль парового котла. Оптимальный профиль парово­го котла зависит от ряда факторов, таких как вид топлива, единичная тепловая мощность котла, давление пара (до — или сверхкритическое). В целях унификации производства по­верхностей нагрева в отечественной практике число профилей паровых котлов ограничено. На рис. 2.1 приведены наиболее характерные профили паровых котлов электростанций [5]. Наиболее широкое распространение в отечественном и зарубежном котлостроении получил П-образный профиль котла (рис. 2.1 с/, б). Вариант (рис. 2.1 а) с двухступенчатым выполнением поверхностей экономайзера и трубчатого воздухоподогревателя (ТВП) при­меняется на барабанных котлах с относительно небольшой паропроизводительность Dn < 186,1 кг/с (670 т/ч) при необходимости высокого подогрева воздуха для сжигания матореакционных или сильновлажных видов топлива. С увеличением мощности парового котла (до 200 МВт и более) по своим габаритным размерам ТВП уже не умещается в опу­скной конвективной шахте котла, при этом требуется выполнение дополнительного газо­хода (см. рис. 2.1 г) со значительным удорожанием производства котла. В этом случае бо­лее приемлемым оказатось использование компактного регенеративного вращающегося воздухоподогревателя (РВП) с его расположением за пределами конвективной шахты кот­ла (рис. 2.1 б). Однако прн сжигании твердых топлив и сланцев РВП оказываются ненадежными в эксплуатации, вследствие забивания липкой золой узких щелей между пластинами тепло — обменной поверхности. Тогда используется ТВП, размещенный в третьем дополнитель­ном газоходе (рис. 2.1 г). В паровых котлах, работающих под наддувом, желательно иметь меньшие размеры более дорогих газоплотных настенных ограждений, что при П-образном профиле котла достигается соединением (смыканием) топки с конвективной шахтой (рис. 2.1 в). Газо­плотная задняя стенка обеспечивает полное исключение какого-либо перетока газов из топки в конвективную шахту. При этом исчезает горизонтальный газоход, газовый поток из топки поступает сразу в поворотную камеру. Прн использовании топлив, зола которых обладает абразивными свойствами, необходимо заметное снижение скорости газов в газо­ходах и увеличение размеров проходного сечения. Это достигается выполнением двух идентичных конвективных газоходов, расположенных по обе стороны топки и образую­щих Т-образный профиль котла. Наличие двух газоходов обеспечивает уменьшение высо­ты выходного газового окна из топки и горизонтального газохода до обычных значений, тем самым снижается неравномерность полей температур и скорости по высоте газового окна, сохраняется обычной глубина каждой из опускных шахт и возможность использова­ния разработанных типовых конструкций конвективных поверхностей. Переход на Т- образный профиль становится необходимым и прн сжигании неабразивных твердых топ­лив в случае создания котла большой мощности (А’/ > 500 МВт). С ростом мощности котла сечение конвективных газоходов увеличивается прямо пропорционально мощности, а размеры топки — в меньшей степени. В этом случае переход на Т-образный профиль по­зволяет сохранить приемлемые конструктивные решения по опускным шахтам, хотя за­траты на производство и металлоемкость котла возрастают [6].