ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯХ
Пароперегреватель является наиболее ответственным элементом котла, металл которого работает обычно при наиболее высоких температурах. Кроме того, это один из основных теплоиспользующих элементов, значение которого возрастает с повышением параметров пара. В котельных агрегатах, работающих при давлении 1,3— 1,5 МПа с перегревом пара до 350 °С, отношение количества теплоты, затрачиваемой на перегрев пара Дhnn, к теплоте испарения г составляет 0,20, а отношение паро- перегревательной поверхности к испарительной —0,3. При использовании пара давлением 9—14 МПа с температурой 500—550ГС отношение величины S.hnnjr возрастает до 0,5—0,75, а отношение поверхностей пароперегревателя к испарительным — до 0,7—1,3. Трубные змеевики пароперегревателей работают в наиболее тяжелых температурных условиях, что в основном определяется расположением их в зоне высоких температур продуктов сгорания и низким коэффициентом теплоотдачи пару. Для изготовления пароперегревателей требуется легированная высококачественная сталь, которая вследствие высоких температур работает на пределе своих прочностных возможностей. Для повышения степени перегрева пара увеличивают поверхность пароперегревателя, повышают требования к качеству используемого металла, в связи с чем возрастает стоимость котла.
Пароперегреватель представляет собой систему параллельно включенных (по пару) змеевиков из труб малого диаметра (30—40 мм), омываемых с наружной стороны продуктами сгорания топлива. По условиям внешнего тепловосприятия различают: конвективные, радиационные и конвективно-радиационные пароперегреватели. Последние в настоящее время имеют основное применение, причем в связи с повышением параметров пара наблюдается систематическое повышение температурной зоны их включения. Так, если ранее начальная температура газов перед пароперегревателем допускалась не выше 750—800 °С, то сейчас она составляет 950—1000 °С и пароперегреватель вплотную приближен к топке. В этих условиях радиационная составляющая общего коэффициента внешней теплоотдачи повышается до 35—40 %, а удельная тепловая нагрузка пароперегревательных змеевиков доходит до 100—200 тыс. кДж/(м2-ч). В некоторых случаях современные пароперегреватели частично перемещаются в топку в виде ширмовых радиационных секций.
При рассмотрении температурных условий работы пароперегревательных труб необходимо принять во внимание вышесказанное, используя для этого известное выражение которым будут определяться многие расчетно-конструктивные параметры рационально выполненного пароперегревателя. Скорость пара в змеевиках является важным параметром, необходимым для их охлаждения, доведения до минимума разности температур стенки трубы и рабочего вещества. Скорость пара в змеевиках связана с коэффициентом внутренней теплоотдачи согласно известному критериальному уравнению
Из приводимой зависимости видно, что коэффициент теплоотдачи апп зависит от массовой скорости way С повышением скорости пара в змеевиках увеличивается их сопротивление. Однако это легко компенсируется некоторым повышением давления в барабане и испарительных трубах котла. Для обеспечения при указанных выше тепловых нагрузках разности температур Д/ = /ст—¦ —ta до желательного значения (15—20 °С) необходимо принимать следующие значения массовой скорости перегреваемого пара: для радиационных пароперегревателей шу=1200 кг/(м2-с); для ширмовых пароперегревателей wy = 700—800 кг/(м2-с); для конвективных пароперегревателей шу = 400—600 кг/(м2-с). При нарушении этих условий будет повышаться температура стенки трубы пароперегревателя, что может вызвать ее перегрев до опасного для ее прочности предела. Кроме того, повышенные скорости пара, перегретого в змеевиках, исключают возможность разрушения труб за счет окалинообразования (коррозии) с внешней и особенно с внутренней поверхности.
Однако надежная работа пароперегревателя не обеспечивается только правильным выбором массовой скорости. Необходимо при разработке конструкции избегать конструктивной нетождественности элементов пароперегревателя, а также неравномерности распределения пара по отдельным змеевикам (гидравлическая неравномерность) и равномерности обогрева отдельных змеевиков (тепловая неравномерность). Необходимо также учитывать влияние изменения давления пара по длине коллекторов на его распределение по отдельным змеевикам. Для надежной работы пароперегревателя и его оптимальной стоимости необходимо помимо обеспечения достаточной скорости и равномерного распределения пара по змеевикам создать наиболее рациональную схему включения змеевиков по ходу продуктов сгорания. Выбор схемы пароперегревателя, его конструкция и компоновка зависят от параметров пара, способа сжигания и свойств топлива, условий регулирования и эксплуатации, профиля и назначения котельного агрегата.
Сложные и часто противоречивые требования к пароперегревателю привели к созданию разнообразных конструкций. По взаимному направлению потоков газа и пара пароперегреватели подразделяют на параллельноточные, противоточные и со смешанным током (рис. 6.1). Наибольшая поверхность нагрева при прочих равных условиях получается при параллельном токе, наименьшая— при противотоке. Однако в противоточном пароперегревателе выходная часть змеевиков имеет наиболее высокие тепловые нагрузки. В результате этого температура стенки может быть очень высокой, что потребует применения более дорогих высоколегированных сталей, чем в случае применения параллельноточной схемы. Поэтому когда использование противотока приводит к значительному удорожанию поверхности нагрева, используют схемы с двойным противотоком или смешанным током. Параллельный ток продуктов сгорания и пара во всем пароперегревателе в последние годы практически не применяется, так как в этом случае кроме значительного увеличения поверхности имеется реальная опасность перегрева и пережога змеевиков со стороны входа насыщенного пара. Последнее вызывается тем, что в начальной части змеевиков происходят испарение вынесенных паром частиц котловой воды и выпадение в виде накипи содержащихся в ней солей. Возникающее при этом внутреннее тепловое сопротивление в сочетании с большой удельной тепловой нарузкой q приводит к весьма значительному повышению температуры металла. Следовательно, перегреватель такого типа лишается основного преимущества — наиболее низкой температуры металла в области большой удельной тепловой нагрузки. Этим объясняется наиболее частое применение смешанной схемы включения пароперегревателя (см. рис. 6.1,г).
При смешанной схеме большая по размерам и первая по ходу пара часть перегревателя выполняется противо- точной, а завершение перегрева пара происходит во второй его части с параллельным током газа и пара. Такая схема позволяет получить более умеренную температуру пара в области наибольшей удельной тепловой нагрузки в начале газохода, определяемой высокой температурой газов и лучеиспусканием газового объема топки с большой толщиной излучающего слоя. Перегрев пара завершается при меньшей удельной тепловой нагрузке и сниженной температуре газов, а начальная осушка пара переносится в конец газового тракта перегревателя, где некоторое накапливание солей не представляет опасности для пароперегревателя. Соотношение противоточной и параллельноточной частей перегревателя выбирают из условия выравнивания температуры металла в точках 1 и 2 (см. рис. 6.1, г) или выполнения противоточной части из простой углеродистой стали; при этом промежуточная температура пара должна быть не выше 400— 425 °С. Конструктивное оформление смешанных схем пароперегревателя осложняется применением промежуточных коллекторов, необходимых для уменьшения числа змеевиков в параллельноточной части и повышения скорости пара и отвода теплоты от стенки труб, работающих с высокой тепловой нагрузкой. Другим назначением промежуточных коллекторов является перемешивание пара, благодаря чему удается выровнять температуру пара в змеевиках.
В современных котельных агрегатах применяют пароперегреватели конвективные и комбинированные (горизонтальные и вертикальные). Конвективный пароперегреватель размещают в газоходе котельного агрегата обычно сразу же за топкой, отделяя его от топки двумя- тремя рядами кипятильных труб в вертикально-водотрубных котлах или небольшим фестоном, образованным трубами заднего экрана, в котельных агрегатах экранного типа. Комбинированный пароперегреватель состоит из конвективной части, размещаемой там же, где и конвективный пароперегреватель, а также радиационной и полурадиационной частей, размещаемых в топке. Конвективный пароперегреватель устанавливают в котлах низкого и среднего давления, а в некоторых случаях — высокого давления, когда температура пара не превышает 440—510°С. В котлах высокого давления при необходимости очень высокого перегрева пара устанавливают пароперегреватели комбинированного типа.
Конвективный пароперегреватель (рис. 6.2, а) для котлов ДКВР, КЕ и ДЕ, рассчитанный на давление 1,4 и 2,3 МПа, выполняют одноходовым, а на давление 4,0 МПа—двухходовым. Входные концы труб пароперегревателя развальцовывают в верхнем барабане 3 котла, выходные — приваривают к камере перегретого пара 2. Конвективный пароперегреватель котельных агрегатов экранного типа с естественной циркуляцией (см. рис. 6.2, б) обычно выполняют из двух последовательно расположенных групп змеевиков. Насыщенный пар из барабана 4 котла поступает в камеру 5, из которой он проходит в систему змеевиков 9, второй по ходу газов ступени пароперегревателя. На этой ступени пар движется навстречу потоку продуктов сгорания. Пройдя вторую ступень пароперегревателя, частично перегретый пар поступает в ее выходную камеру 8, служащую промежуточной камерой, где происходят перемешивание пара, поступающего из различных змеевиков, и выравнивание его температуры. Отсюда пар через систему перепускных труб переходит во вторую промежуточную камеру 7, являющуюся входной камерой в первую по ходу газов ступень пароперегревателя 10, пройдя которую, пар направляется в камеру перегретого пара 6 и затем — в главный паропровод.
Комбинированный пароперегреватель современного котла высокого давления (рис. 6.3) обычно состоит из конвективной, радиационной и полурадиационной частей. Пар из барабана 1 поступает в радиационную часть 5, размещенную на потолке топочной камеры, затем в полурадиационную (ширмовую) часть 4, расположенную на выходе из топки, и далее по потолочным трубам — в змеевики конвективного пароперегревателя 3. Пройдя эту ступень, пар через пароохладитель 2 и вторую конвективную ступень выходит в сборный коллектор и затем направляется в паропровод. Радиационная часть пароперегревателя характерна тем, что основное количество теплоты от продуктов сгорания она воспринимает за счет излучения от факела. Ее размещают не только на потолке, но часто на стенах топки, аналогично расположению экранных труб. Полурадиационные ширмовые пароперегреватели 3 выполняют в виде отдельных плоских ширм из параллельно включенных труб. Ширмовый пароперегреватель воспринимает тепло как конвекцией от продуктов сгорания, омывающих трубы, так и излучением слоя этих газов, проходящих между ширмами. Пароперегреватель оборудован предохранительным клапаном диаметром не менее 25 мм, устанавливаемым со стороны перегретого пара, запорным вентилем для отключения перегревателя от паровой магистрали; прибором для измерения температуры перегретого пара, устанавливаемым на выходе пара из перегревателя. Предохранительный клапан служит для защиты от перегрева и пережога перегревательных змеевиков в моменты резкого снижения нагрузки котла, когда повышается давление пара и открываются основные предохранительные клапаны на котельном барабане. При этом пропуск пара через перегреватель прекращается или резко снижается, а высокая температура в его газоходе еще сохраняется, в связи с чем и возникает необходимость защиты от пережога змеевиков пароперегревателя. Эту защиту и выполняет устанавливаемый на выходном коллекторе отдельный дополнительный предохранительный клапан, открывающийся с некоторым опережением (на 0,1—0,3 МПа) открытия основных предохранительных клапанов котла.
При наличии регулятора температуры перегретого пара приборы для измерения температуры устанавливают перед регулятором и за ним, предусматривают также продувочные вентили на коллекторах для продувки перегревателя паром, образующимся в котле во время растопки. Изменение температуры перегретого пара в процессе эксплуатации котла при его переменных нагрузках, а также вследствие колебаний качества топлива и условий его сжигания требует постоянного ее регулирования. Задачей регулирования является обеспечение нормальной температуры пара, подаваемого потребителю. Температуру пара регулируют изменением тепловосприятия отдельных поверхностей (газовое регулирование) или понижением теплосодержания пара на участке пароперегревателя (паровое регулирование).
При паровом регулировании применяют пароохладители поверхностного (теплообменники) и впрыскивающего типов. Пароохладители устанавливают на входе, выходе или в промежуточном сечении пароперегревателя. При установке пароохладителя в выходном сечении пароперегревателя температура пара поддерживается на заданном уровне только за пароохладителем, а перед ним она может сильно повыситься, что может неблагоприятно сказываться на надежности работы пароперегревателя (рис. 6.4,в). При установке пароохладителя на входе и в рассечку температура пара регулируется на всем тракте за пароохладителем (см. рис. 6.4,а, б). Кроме того, действие пароохладителя в этом случае быстрее сказывается на изменении температуры пара, что снижает инерционность регулирования.
Поверхностный пароохладитель с охлаждением пара питательной водой (пароводяной) представляет собой трубчатый теплообменник (рис. 6.5). Охлаждающая вода движется по трубам, а весь пар проходит в межтруб- ном пространстве. Пароохладители подобного типа одновременно являются коллекторами пароперегревателей. Степень охлаждения пара зависит от расхода воды на пароохладитель. При этом изменяется температурный перепад и — в меньшей степени — коэффициент теплопередачи. Расход воды в пароохладителе изменяется с помощью клапана. Пароохладители поверхностного типа обычно могут снижать температуру пара на 40—50°С. При этом через пароохладитель проходит до 40—60 % расхода питательной воды. Нагретая вода в пароохладителе повышает температуру питательной воды на 20— 25 °С, что повышает температуру газа, покидающих экономайзер, и в меньшей степени температуру уходящих газов. Для уменьшения потери с уходящими газами иногда обратную линию от пароохладителя присоединяют к промежуточному коллектору экономайзера.
Во впрыскивающем пароохладителе охлаждающая вода вводится в трубопровод пароперегревателя через сопла. Мелкораздробленные капли воды, смешиваясь с перегретым паром, нагреваются и испаряются, что приводит к охлаждению пара. От трубопровода питательной воды (до регулирующего клапана) ответвляется линия впрыска с регулирующим вентилем. В месте ввода впрыска в трубопровод расположена распыливающая гильза. Для предохранения металла трубопровода от резкого охлаждения на длине 3—4 м коаксиально установлена тонкая сварная труба, отделенная от основной трубы паровой прослойкой. От места ввода впрыска до коллектора трубопровод имеет длину 5—8 м, что обеспечивает необходимое время для полного испарения капелек влаги.
При работе впрыскивающего пароохладителя пар частично образуется в пароперегревателе, тем самым пароперегреватель в некоторой мере становится испарительной поверхностью нагрева. Таким образом, расход пара из котла слагается из количества пара, полученного в испарительных трубах (90—95 %) ив пароперегревателе (10—15%). Вода впрыска смешивается с паром и, если содержание примесей в ней велико, это приводит к заметному загрязнению пара. Поэтому содержание примесей во впрыскиваемой воде не должно существенно превышать содержание примесей в паре. Впрыскивающие пароохладители применяются для регулирования первичного пара в котлах всех типов. Особенно широко они используются в прямоточных котлах.
Температуру пара регулируют изменением соотношения тепловосприятия пароперегревательных и испарительных поверхностей со стороны продуктов сгорания. Существуют следующие способы регулирования: 1) изменением температуры газа на выходе из топки поярус- ным переключением горелок; 2) рециркуляцией газа из конвективных газоходов в топку; 3) изменением расхода продуктов сгорания, проходящих через конвективный пароперегреватель.
При рециркуляции часть газов из конвективного газохода специальным вентилятором подается в нижнюю часть топки, в результате чего снижается температура горения; тем самым уменьшается тепловосприятие радиационной поверхности. Вместе с тем тепловосприятие конвективной поверхности увеличивается за счет некоторого увеличения как температуры газа, так и его скорости. В котле с конвективным перегревателем рециркуляцию газа используют при работе на малых нагрузках как способ повышения температуры пара. При номинальной нагрузке рециркуляцию газа прекращают. Этот способ регулирования не требует дополнительной поверхности нагрева пароперегревателя и увеличения мощности дымососа, так как при максимальной нагрузке рециркуляция выключается.
Регулирование температуры пара изменением расхода продукта сгорания через конвективную часть пароперегревателя может быть выполнено по двум основным схемам (рис. 6.6). В первой схеме пароперегревательную поверхность нагрева шунтирует свободный газоход (см. рис. 6,6, а, б). Величиной перепуска газа регулируется тепловосприятие пароперегревателя. При этом регулирующая заслонка находится в области высоких газовых температур, что требует выполнения ее в виде охлаждаемой конструкции. Эта схема применяется редко. Во второй схеме (см. рис. 6.6, в, г) газоход котла разделен на две части: в одной размещается пароперегреватель, в другой—какая-либо иная конвективная поверхность нагрева (например, часть экономайзера или пакета переходной зоны). При уменьшении расхода газа через пароперегреватель его тепловосприятие снижается за счет уменьшения коэффициента теплопередачи и температурного напора. При регулировании изменением расхода газа несколько снижается экономичность работы котла вследствие повышения температуры уходящих газов. В котел вместе с органической массой топлива поступают различные минеральные примеси, которые выводятся из агрегата в виде шлака или твердых частиц летучей мелкодисперсной золы, уносимых с потоком продуктов сгорания. Меньшая часть этих примесей отлагается на поверхностях нагрева котла, образуя различного вида отложения: рыхлые, плотные, связанные и стекловидные (шлак). Отложения ухудшают теплообмен как лучистый, так и конвективный. К тому же прогрессирующие отложения неизбежно приводят к нарушению работы котла и как следствие к аварийной его остановке. Газообразные соединения и пары некоторых соединений, содержащихся в продуктах сгорания, вступают в химическое взаимодействие с веществами, образующими отложения, и меняют их структуру или приводят к коррозионному разрушению металла труб.
Поведение примесей в топке и газоходах зависит от химического состава минеральных примесей и их физических свойств (температуры плавления или сублимации, удельного веса, теплопроводности), физико-химических процессов, протекающих в камере сгорания, аэродинамики в топке и газоходах, температуры и характера газовой среды (последний определяется величиной избытка воздуха) и т. п. Загрязнения, возникающие при сжигании зольных топлив, не зависят от абсолютного количества золы в топливе. Так, при сжигании мазута, количество минеральных примесей в котором не превышает десятых долей процента, возможно образование плотных отложений, сильно затрудняющих нормальную эксплуатацию котельного агрегата, как и при сжигании твердого топлива (рис. 6.7).
Дальнейшие преобразования образовавшегося сульфида FeS2 зависят от характера газовой среды: в полу- восстановительной среде (примерно область горелок и ядра факела) он разлагается до FeS, а в окислительной среде (примерно верхняя часть топки) окисляется до FeO или даже до Fe2S3. Характер газовой среды оказывает сильное влияние и на поведение окислов кальция, В окислительной среде они образуют с сернистым ангидридом сульфат кальция.
Некоторые минеральные примеси, расплавляясь, образуют эвтектические смеси, имеющие более низкие температуры плавления, чем входящие в них вещества.
Хотя окись кремния Si02 имеет высокую температуру плавления, но с окислами FeO, СаО и А1203 она образует легкоплавкие соединения (/Пл = 1000—1200 °С). Ряд соединений, встречающихся в топливе или образующихся в процессах преобразования минеральных примесей, обладают способностью сублимироваться (т. е. переходить в парообразное состояние из твердого, минуя жидкоплавкое) .
К таким соединениям относятся хлориды FeCb, КС1 и сульфиды SiS, A12S3
Содержащийся в некоторых мазутах ванадий при горении топлива обычно окисляется в пятиокись V2O5, имеющую очень низкую температуру плавления (/л — 690 °С). При относительно больших количествах в мазуте кроме ванадия еще и натрия происходит образование тоже легкоплавкого соединения Na4V207 (пл = 650оС). По мере выгорания пылевых частиц топлива и разрушения каркаса из минеральных веществ, входящих в состав материнского вещества, образуются очень мелкие фракции золы, которые могут весьма активно вступать в химические реакции с газовой средой.
