Пароперегреватель как элемент котельных агрегатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Пароперегреватели предназначаются для перегрева насыщенного пара, поступающего из испарительной системы котла, а в установках высокого давления они применяются также для дополнительного вторичного перегрева пара, частично отработавшего в цилиндре высокого давления турбины. Пароперегреватель является одним из основных теплоиспользующих элементов котла и работает в наиболее тяжёлых условиях. С повышением параметров пара роль и значение пароперегревателя возрастают.

Металл поверхностей нагрева пароперегревателя имеет наибольшую по сравнению с другими теплоиспользующими поверхностями нагрева температуру, что обусловливается высокими температурами пара и большими удельными тепловыми нагрузками поверхностей нагрева.

Пароперегреватель в энергетических котельных агрегатах становится особенно важной поверхностью нагрева. Это обусловлено тем, что с повышением давления и температуры пара относительная доля тепла, расходуемого на перегрев, заметно возрастает, поскольку с ростом температуры перегретого пара его энтальпия увеличивается, а с повышением давления насыщенного пара она уменьшается.

1. Назначение и виды пароперегревателей

Пароперегреватель предназначен для перегрева, поступающего в него насыщенного пара, до заданной температуры его перегрева. Он является одним из наиболее ответственных элементов котла, так как температура пара здесь достигает наибольших значений и металл перегревателя работает в условиях, близких к предельно допустимым.

По назначению пароперегреватели делят на основные, в которых перегревается пар высокого или, сверхкритического давления, и промежуточные -- для повторного (вторичного) перегрева пара, частично отработавшего в турбине.

По виду тепловосприятия и конструкции различают пароперегреватели:

- конвективные, располагаемые в конвективных газоходах котла и получающие теплоту, главным образом, конвекцией;

- радиационные, размещаемые на стенах и потолке топочной камеры и горизонтального газохода и получающие теплоту, в основном, радиацией от высоконагретых газов;

- полурадиационные, находящиеся в верхней части топки на входе в горизонтальный газоход и выполняемые в виде плоских ширм или лент, собранных из пароперегревательных труб, находящихся друг за другом в одной плоскости.

Конвективные пароперегреватели выполняют из стальных труб наружным диаметром 32-42 мм для высокого и сверхкритического давления и толщиной стенки 5-7 мм. В промежуточных пароперегревателях при более низком давлении пара используют диаметр труб 42-50 мм при толщине стенки 4-5 мм.

Рис.1. Типы конвективных змеевиков пароперегревателя: а -- однорядный; б двухрядный; в -- четырехрядный; г -- многорядный (ленточный).

Обычно для пароперегревателей применяют гладкие трубы, они технологичны в производстве, мало подвержены наружным отложениям и легче от них освобождаются.

Недостатком гладкотрубных поверхностей нагрева -- невысокое тепловосприятие при умеренных скоростях газового потока. Из труб пароперегревателя образуют змеевики с радиусами гибов труб не менее 1,9d. Концы змеевиков приваривают к коллекторам круглого сечения. Так образуются эмеевиковые пакеты перегревателя. Расстояние между рядами змеевиков (вдоль коллектора) составляет Si = (2 -f-5)d. Различают змеевики одно-двух и многорядные (рис.1). Они отличаются числом параллельных труб, образующих змеевик. При большой мощности котла пароперегреватели выполняют обычно в 3-4 ряда труб. При этом затрудняются условия для приварки концов труб к коллектору, увеличивается число сверлений в нем и снижается его прочность. Поэтому при увеличенном числе труб в ряду переходят на использование двух коллекторов для образования змеевика.

Ширмовые пароперегреватели по конструкции представляют собой систему из большого числа вертикальных труб (14 - 50 штук), имеющих один гиб на 180°С и образующих широкую плоскую ленту, которая имеет опускной и подъемный участки (рис.2.). Их размещают на выходе из топочной камеры на заметном удалении друг от друга (шаг ширм Si = 550 -- 700 мм, то есть порядка (17 - 22)d для исключения возможности зашлакования газовых коридоров между ними. Газовый поток движется вдоль плоских ширм и передает теплоту трубам ширм радиационным и конвективным путем. Для исключения выхода отдельных труб из плоскости ширмы выполняют перевязку труб ширм в двух уровнях по высоте за счет вывода из ряда двух крайних (лобовых) труб и пропуске их с двух сторон снаружи ленты горизонтально за последний подъемный ряд труб (рис. 2,6). На горизонтальном участке эти трубы связаны между собой проставками и строго фиксируют остальные трубы в одной плоскости.

Ширмовые пароперегреватели являются радиационно-конвективными поверхностями, их тепловосприятие складывается из значительной доли радиационного излучения от ядра факела и раскаленных газов в объеме между ширмами и доли конвективного теплообмена, так как газы омывают ширмы продольно-поперечным потоком со скоростью 5-8 м/с. Ширмовые перегреватели обычно получают 20-40% всего тепловосприятия пароперегревателя. В последнее время ширмы стали выполнять не из гладких, а плавниковых труб, либо из гладких труб с вваренными между ними проставками; получаются так называемые цельносварные ширмы (рис.2, в). Такие ширмы меньше шлакуются, легче очищаются от наружных загрязнений, трубы ширм не выходят из ранжира.

рис.2. Расположение по конструкции ширмового пароперегревателя: а - расположение ширм на выходе из топки; 6 -- обвязка труб ширмы; в -- вид цельносварной ширмы: 1 -- ширма; 2 -- входной и выходной коллекторы; 3 -- обвязочные трубы.

Радиационные пароперегреватели выполняют настенными и обычно размещают в верхней части топки, где ниже тепловые потоки. Радиационный пароперегреватель барабанного парового котла обычно занимает потолок топки, а если этого недостаточно, то его размещают и на вертикальных ее стенах (см. рис.3.). Настенные перегреватели, выполненные в виде панели на всю высоту топки (вместо экранных испарительных труб), оказываются менее надежными, так как отвод тепла от металла к пару во много раз слабее, чем к кипящей воде. Особенно тяжелый режим имеет металл труб настенного перегревателя при сниженных нагрузках, когда расход пара в трубах заметно снижается. Радиационные панели перегревателя в зоне, закрытой топочными экранами располагают поверх экранных труб в верхней части топки.

В прямоточных паровых котлах радиационные поверхности пароперегревателя обычно полностью занимают верхнюю часть топки (ВРЧ), потолок и стены горизонтального газохода.

На мощных энергетических блоках применяется промежуточный перегрев пара. Учитывая относительно низкое давление пара, поступающего из цилиндра паровой турбины (3-4 МПа), гидравлическое сопротивление пакетов промежуточного пароперегревателя должно быть небольшим (0,2- 0,3 МПа). Это ограничивает массовую скорость пара и при большом удельном объеме его требует применения труб большого диаметра, что снижает коэффициент теплоотдачи от стенки к пару. Низкие значения внутреннего коэффициента теплоотдачи, особенно в выходной его части, вызывают в ряде случаев недопустимое повышение температуры перлитной стали, из которой выполняется пароперегреватель. Для обеспечения надежности такого пароперегревателя его располагают в зоне умеренного обогрева (температура газов на входе не выше 850°С). Интенсифицировать внутренний теплообмен можно применением труб с внутренним продольным винтовым орсбрением. Такая конструкция заметно увеличивает поверхность внутреннего теплообмена и повышает турбулентность потока.

Рис.3. Схема движения пара в котле высокого давления с естественной циркуляцией; 1 -- барабан; 2 -- настенная радиационная панель перегревателя; 3 -- разводка труб для горелки; 4 -- потолочный пароперегреватель; 5 -- ширмовый пароперегреватель; 6 -- необогреваемые перепускные трубы; 7 и 8 -- змеевики вертикального и горизонтального пакетов перегревателя; 9 -- подвесные трубы; 10 -- камера перегретого пара.

2. Регулирование температуры перегретого пара

Рис.4. Классификация методов регулирования температуры пара высокого давления и промежуточного перегрева.

· Паровое регулирование

Регулирование температуры пара высокого давления на барабанных котлах основано на понижении температуры по мере перегрева пара при ее превышении заданного значения в регулируемой точке. Поэтому размер поверхности пароперегревателя устанавливают такой, чтобы при нагрузке 0,5Dном без каких-либо воздействий обеспечить номинальный перегрев пара. При нагрузках выше 0,5Dном излишний перегрев пара снимается в пароохладителях. В прямоточных котлах поддержание номинальной температуры обеспечивается изменением соотношения при расчетных поверхностях нагрева радиационных и конвективных перегревателей. Устройства для регулирования температуры пара в нескольких местах пароперегревательного тракта используются при переходных режимах для стабилизации температуры пара в этих местах. Регулирование промежуточного перегрева пара обеспечивается путем догрева пара до необходимой температуры при нагрузках ниже номинальной. Для этих целей применяются как паровые, так и газовые методы регулирования (см. рис.4.).

- Впрыскивающий пароохладитель

Для поддержания установленной температуры пара высокого давления почти исключительно применяются впрыскивающие пароохладители путем ввода (впрыска) в поток частично перегретого пара питательной воды или конденсата, имеющих температуру на 200-300°С ниже охлаждаемого пара.

Впрыскивающий пароохладитель (рис.5.) устанавливают на прямом участке паропровода или в коллекторе длиной 6-7 м. Охлаждающая вода или конденсат вводится в поток пара через форсунку-распылитель с несколькими отверстиями диаметром 3-6 мм. Во избежание попадания относительно холодных струй воды на горячие стенки корпуса (коллектора) внутри него установлена разгруженная от давления защитная рубашка цилиндрической формы или в виде сопла Вентури. Ее размер (3-5 м) определяется расчетной длиной участка испарения капель влаги.

Снижение температуры перегретого пара впрыскивающим пароохладителем достигается на некотором расстоянии от места ввода воды, так как на испарение капель конденсата и последующий перегрев образовавшегося из них пара требуется некоторый промежуток времени, а скорость потока пара в пароохладителе более 40 м/с. Уменьшения этого расстояния достигают более тонким распылением воды за счет уменьшения диаметра отверстий форсунки и увеличения перепада давления между впрыскиваемой водой и паром и по возможности увеличением разности температур пара и конденсата.

Рис.5. Впрыскивающий пароохладитель: а -- с цилиндрической защитной рубашкой; б -- с соплом Вентури; 1 -- водяная форсунка; 2 -- штуцер; 3 -- корпус пароохладителя; 4 -- защитная рубашка; 5 -- сопло Вентури; 6 -- вход охлаждающей воды; 7 -- вход пара.

Тепловой баланс пароохладителя можно записать в форме двух уравнений:

теплосъем в потоке пара

тепловосприятие впрыскиваемой воды

где - расход пара перед пароохладителем и воды на впрыск, кг/с;

- энтальпия пара на входе и выходе пароохладителя, кДж/кг;

- энтальпия недогрева воды до насыщения и перегрева насыщенного

пара до окончательной температуры

- теплота парообразования, кДж/кг. В результате осуществления впрыска воды в пар расход пара после пароохладителя возрастает на значение . Разность называют удельным теплосъемом в пароохладителе. Он составляет обычно (в целом на весь пароперегреватель) = 60-85 кДж/кг или в пересчете на изменение температуры

= 30- 45°С.

Расход воды на впрыск в пределах пароохладителя можно определить, составив тепловой и материальный баланс пароохладителя:

(7.13)

Здесь дополнительно - энтальпия воды, поступающей на впрыск, кДж/кг.

Уравнение (7.13) позволяет определить необходимый расход воды на впрыск, если задан удельный теплосъем в пароохладителе :

Рис.6. Изменение температуры перегретого пара при различном размещении пароохладителя в тракте пара: а -- общая схема установки впрыскивающих устройств; б -- изменение температуры пара; 1-3 -- места установки пароохладителей и изменение температуры пара в тракте пароперегревателя ; 4 -- предельно допустимая температура металла поверхности; РП -- радиационный перегреватель; КП -- конвективный перегреватель; -- температура насыщенного и перегретого пара.

Пароохладитель можно устанавливать за пароперегревателем, в рассечку между ступенями пароперегревателя, либо на стороне насыщенного пара (рис.6.). При установке пароохладителя на выходе из него обеспечивается надежное поддержание заданной температуры пара перед турбиной, но металл пароперегревателя в его выходной части остается не защищенным от высокой температуры пара, и потому такой метод применять нельзя. Установка пароохладителя по остальным вариантам защищает металл пароперегревателя. Однако по мере удаления впрыскивающего устройства от выхода из перегревателя возрастает инерционность регулирования и снижается точность поддержания температуры.

Рис.7. Схема расположения впрыскивающих пароохладителей в тракте прямоточного парового котла: ВПР -- впрыскивающий пароохладитель; РПК -- регулирующий питательный клапан.

Обычно для регулирования температуры пара используют не один, а два-три пароохладителя, установленные между отдельными пакетами перегревателя (рис.7.).

Один из них устанавливают чаще всего перед ширмовым перегревателем ШП (или в рассечку его) для обеспечения надежной работы металла этой сильно теплонапряженной поверхности. Этот впрыск является наибольшим по воздействию , его дополнительная задача состоит в стабилизации энтальпии пара на выходе из радиационных поверхностей с учетом неравномерности тепловыделения по стенам топки.

Второй рекомендуется устанавливать перед конвективными пакетами перегревателя - для стабилизации температуры пара после ширм.

На барабанных котлах обычно этот пароохладитель отсутствует, а на прямоточных при его установке тепло съем принимают Последний пароохладитель является подрегулирующим, он устанавливается перед выходным пакетом перегревателя КП-2, имеющим небольшое тепловосприятие по пару (120-200 кДж/кг). Его задача - окончательно стабилизировать температуру перегретого пара на выходе из котла. Расчетное количество впрыскиваемой воды составляет на прямоточных котлах и до 0,1Dном на барабанных.

Впрыскивающие пароохладители требовательны к качеству воды, используемой для впрыска. Прямоточные паровые котлы питают в основном очищенным конденсатом и обессоленной добавочной водой, в связи с чем их оборудуют впрыскивающими пароохладителями, использующими питательную воду. В барабанных паровых котлах при сильно минерализованной питательной воде конденсат для впрыска получают в самом котле за счет конденсации части насыщенного пара, отбираемого из барабана котла. Такой способ получения качественной воды для впрыска называют схемой впрыска собственного конденсата (рис.8.). Конденсация насыщенного пара происходит за счет отвода теплоты к питательной воде, поступающей затем в экономайзер. Установленный в нижней части конденсатора сборник выдает конденсат на впрыски в пароохладители, а избыток его через линию перелива возвращается в барабан. Для увеличения перепада давления на впрыскивающем устройстве в этом случае рекомендуется защитную рубашку выполнять в форме сопла Вентури, обеспечивающей в узком ее сечении снижение статического давления пара (рис.5, б).

Рис.8. Схема регулирования перегрева пара впрыском собственного конденсата:

1 - барабан; 2 - линия перелива; 3 - конденсатор; 4 - сборник конденсата; 5 - впрыскивающий пароохладитель; 6 - экономайзер; 7 - регулятор температуры пара.

- Поверхностный пароохладитель

Поверхностный пароохладитель с охлаждением пара питательной водой (пароводяной) представляет собой трубчатый теплообменник.

Охлаждающая вода движется по трубам, а весь пар проходит в межтрубном 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.

Рис.9. Схема включения и конструкция поверхностного пароохладителя

а - включение пароохладителя; б - пароохладитель; 1 - пароперегреватель; 2 - пароохладитель; 3 и 4 - подвод и отвод охлаждающей воды; 5 - змеевики пароохладителя.

· Газовое регулирование

Газовое регулирование применяют для поддержания требуемой температуры пара промежуточного перегрева путем догрева пара при пониженной нагрузке. В этом случае конвективную поверхность устанавливают таких размеров, чтобы при номинальной нагрузке она обеспечивала заданную температуру пара. Газовое регулирование вызывает дополнительные расходы энергии на тягу и увеличение потерь теплоты с уходящими газами. Определенное влияние оказывает оно на температуру перегрева свежего пара, что усложняет эксплуатацию. Требуемую температуру промежуточного перегрева пара трудно обеспечить только газовым регулированием, поэтому в мощных котлах этот метод применяют совместно с паровым.

Рис.10. Типовая секция ППТО: 1 - корпус секции; 2 - регулирующий клапан; 3 - байпасная линия; 4 - дистанционирующее крепление; 5 - камера свежего пара высокого давления; 6 - трубная доска; 7 - штуцер отвода вторично перегретого пара; 8 - теплообменные трубки.

пароперегреватель пароохладитель пар давление

- Регулирование путем рециркуляции газов.

Она обеспечивается возвратом части газов из газохода после экономайзера с температурой в топочную камеру (рис.11, а). Газы рециркуляции вводят либо в кольцевой канал вокруг горелки, либо непосредственно в короб воздуха горелок. Поскольку абсолютное давление газов в топке выше, чем в месте отбора их на рециркуляцию, подача газов в топку возможна только специальным дымососом рециркуляции газов. В связи с этим возрастают общие собственные затраты энергии котлом на перекачку газов.

Кроме того, возврат части газов в топку увеличивает общий объем газов в тракте от топки до места отбора газов и сопротивление этого тракта, отчего дополнительно увеличиваются затраты энергии на тягу в основных дымососах.

Рис.11. Организация рециркуляции дымовых газов в топку (топливо -- мазут): а - общая схема; б - изменение условной температуры вторичноперегретого пара от рециркуляции г при разных нагрузках котла; 1 - топка котла; 2 -газомазутные горелки; 3,4 - конвективные поверхности основного и промежуточного пароперегревателей; 5 - экономайзерные поверхности; 6 - РВП; 7 - линия отбора газов на рециркуляцию; 8 - дымосос рециркуляции газов; 9 - регулятор расхода; 10 - короб горячего воздуха.

В результате ввода рециркулирующих газов происходит снижение температуры горения в топке, уменьшение тепловосприятия топочных экранов и увеличение тепловосприятия конвективных поверхностей. В итоге в среднем 1% рециркуляции газов обеспечивает повышение температуры пара на 1,0-1,5°С.

Рециркуляцию дымовых газов в широком диапазоне применяют преимущественно на газомазутных котлах, на которых ввод инертных газов в зону горения практически не влияет на полноту сгорания топлива и поверхности которых не подвержены золовому износу при повышенной скорости газов в газоходах. При сжигании газа и особенно мазута обеспечивают небольшую (5-10%) рециркуляцию газа даже при полной нагрузке, так как снижение теплового потока на экраны топочной камеры оказывает положительную роль в отношении защиты экранов НРЧ от чрезмерно высоких тепловых нагрузок.

Введение инертных газов рециркуляции в ядро факела при сжигании твердых топлив допустимо только для реакционных топлив, в других случаях это приводит к затягиванию горения и возможному росту потерь теплоты с недожогом. Для шлакующих топлив рециркуляцию газов можно осуществить в верх топки. Ее цель -- снижение температуры газов перед ширмами, что уменьшает вероятность их шлакования.

Наличие рециркуляции газов приводит к некоторому повышению температуры уходящих газов и, следовательно, потерь теплоты с ними. При этом несколько возрастет расход топлива по сравнению с режимом без рециркуляции.

- Регулирование путем изменения положения факела в топке

Изменение положения факела в топке Тепловосприятие топочных экранов определяется не только уровнем температуры в топке, но и характером ее распределения. Изменяя положение факела, можно увеличить или уменьшить тепловосприятие в топке, а, следовательно, и ". Это в свою очередь изменяет тепловосприятие промежуточного пароперегревателя в конвективном газоходе. Так, при повороте горелок в нижнее положение суммарное радиационное тепловосприятие топочных экранов q/q увеличивается, а температура на выходе из топки " понижается. При этом уменьшается и тепловосприятие промежуточного пароперегревателя, расположенного в конвективном газоходе. Наоборот, поворот осей горелок вверх топки приводит к уменьшению тепловосприятия экранов и росту температуры продуктов сгорания на выходе из топки. Поэтому при уменьшении нагрузки котла, когда температура вторично-перегретого пара снижается, горелки поворачивают вверх топки, чтобы повысить температуру пара. Газовое регулирование поворотными горелками позволяет поддерживать постоянную температуру вторично-перегретого пара в диапазоне нагрузок котла 100--70%.

Положение факела изменяют также переключением горелок, расположенных в несколько ярусов. Если при трех ярусах суммарный расход топлива через них соответствует 150% паропроизводительности, то включение любых двух ярусов обеспечивает работу котла со 100%-ной нагрузкой. Поэтому при большой нагрузке, когда перегрев пара растет, включают нижние ярусы горелок, а при малой нагрузке, наоборот, - верхние.

3. Тепловая разверка пароперегревателей

Как уже отмечалось, тепловая разверка возникает, если трубы в элементе отличаются геометрическими характеристиками, обогреваемыми длинами, тепловосприятием и расходами среды. Из анализа влияния этих причин на тепловую разверку можно рекомендовать следующие способы снижения тепловой разверки:

1. Для выравнивания расходов по отдельным трубам и, следовательно, уменьшения влияния гидравлической и тепловой неравномерности в элементах с принудительным движением среды рекомендуется использовать установку шайб на входе в обогреваемые трубы. Коэффициент гидравлической неравномерности и, следовательно, коэффициент гидравлической разверки при этом могут меняться в значительных пределах. Специальным подбором сопротивления шайб в отдельных трубах можно приблизить к единице, т.е. существенно снизить влияние тепловой и гидравлической неравномерности. Установку в каждую трубу шайбы со "своим" сопротивлением называют индивидуальным шайбованием. В тубах с большим обогревом отношение больше, чем в других, поэтому для них необходимо предусматривать шайбы с меньшим сопротивлением.

2. Снизить влияние неравномерности тепловосприятия по ширине газохода на тепловую разверку можно разбиением ступени КПП на две и размещением их в одном газоходе. В этом случае удается снизить исходную тепловую неравномерность по ширине газохода.

3. Для снижения тепловой разверки рекомендуется ограничивать приращение энтальпии в элементах. В экранах это обеспечивается установкой промежуточных коллекторов (разъемов топки). В пароперегревателях увеличивается число ступеней. При этом в выходной ступени, как имеющей наибольшую температуру среды, рекомендуется приращение энтальпии выбирать не более

~ 35 - 40 ккал/кг (145 - 170 кДж/Н).

4. В пароперегревателях предусматриваются перебросы среды из одной части газохода (по ширине) в другую. Этим обеспечивается хорошее перемешивание среды и прохождение зон с различной тепловой неравномерностью (выравнивается влияние несимметричности распределения тепловых потоков).

5. В экранах паровых котлов СКД следует выбирать энтальпию среды на входе так, чтобы ее значение не совпадало с экстремальным.

Заключение

В ходе выполнения расчетно-графической работы были рассмотрены различные виды пароперегревателей, их назначение, принцип работы, также были подробно изучены способы регулирования температуры перегретого пара.

Список использованной литературы

1. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. - Котельные установки и парогенераторы - 2003.

2. Рабинович О. М., Котельные агрегаты, М.-- Л., 2000;

3. Резников М.И., Липов Ю.М., Паровые котлы тепловых электрических станций. - М.: Энергоиздат, 1998 г.

4. Сидельниковский А.Н., Юренев В.Н., Парогенераторы промышленных предприятий. - М.: Энергия, 2001 г.

5. Баженов М.И., Богородский А.С., Промышленные тепловые электростанции. - М.: Энергия, 1999 г.

Размещено на Allbest.ru