Температурные условия работы топочных экранов водогрейных котлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Температурные условия работы топочных экранов водогрейных котлов

К.т.н. Б.Я. Каменецкий, ведущий научный сотрудник

ВИЭСХ, г. Москва

Тепловые разрушения экранных труб и котельных секций водогрейных котлов остаются одной из главных проблем при их эксплуатации. В то же время при рассмотрении таких случаев расчетные напряжения в металле труб от внутреннего давления воды оказываются небольшими, трубы имеют большой запас прочности относительно предела текучести вследствие завышенной толщины стенки. Это положение заставляет усомниться в применимости существующего метода расчета прочности [1] к экранным трубам котлов, поскольку он игнорирует главную особенность работы труб топочных экранов - значительную неравномерность температуры стенки по периметру трубы.

Проведенный анализ показывает, что причина разрушений - чрезмерные аксиальные термические напряжения металла труб и котельных секций, возникающие вследствие одностороннего обогрева периметра канала и значительно превышающие напряжения от внутреннего давления воды [2]. Аксиальные термические напряжения в экранных трубах, сжимающие металл по лобовой (радиационной) стороне, определяются разностью температур в сечении и увеличиваются с ростом плотности теплового потока и со снижением интенсивности теплоотдачи к воде:

где м - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости стали; a_L - коэффициент линейного теплового расширения; 1_лоб - температура стенки трубы по лобовой образующей; 1_ср - средняя температура в сечении экранной трубы.

Опасность разрушения экранных труб и котельных секций котлов резко возрастает при образовании и росте отложений (накипи) в трубах, поскольку имеющие низкую теплопроводность отложения образуются только на лобовой (радиационной) стороне. Это приводит не только к перегреву металла, но также усиливает деформацию профиля температур и приводит к росту термических напряжений до предельных значений. Термические напряжения могут достигать предела текучести, о чем свидетельствуют остаточные деформации металла труб при вырезке их из экранных панелей - в трубах возникает прогиб.

Образование внутренних отложений в котлах выступает как главная исходная причина тепловых разрушений экранных труб и котельных секций [2]. Та же проблема существует в энергетических прямоточных котлах сверхкритического давления, поскольку процессы тепломассобмена в трубах и секциях котлов отличаются лишь диапазоном параметров (давление, температура, скорость потока воды, плотность воспринимаемых тепловых потоков) и химическим составом примеси в котловой воде. В водогрейных котлах осаждаются соли жесткости (в основном карбонат кальция СаСО₃), а в энергетических котлах сверхкритического давления - окислы металлов (в некоторых случаях также соли жесткости), хотя энергоблоки и оснащены установками химводоочистки. В такой ситуации анализ температурных условий работы экранных труб приобретает первоочередное значение.

На рис. 1 показано распределение температур на наружной поверхности чугунных секций (на примере котла «Универсал-6») и экранных труб водогрейных (на примере котла ПТВМ-30) и энергетического (на примере котла ПК-41) при наличии слоя накипи и без нее. На лобовой (радиационной) стороне каналов температура может достигать 600-700 ^ОС при образовании слоя отложений (например, для котла ПТВМ-30 при расчетной толщине слоя 3 мм), что создает условия возникновения чрезмерных термических напряжений в металле.

Известные способы борьбы с образованием отложений в котлах:

¦ снижение жесткости котловой (сетевой) воды главным образом за счет устранения присосов неподготовленной воды [3];

¦ создание замкнутого водяного контура котлов, отделенного от тепловой сети посредством теплообменника [4];

¦ снижение исходных температур стенки экранных труб и секций до значений, когда условия образования отложений еще не возникают.

Это последнее положение иллюстрируется на рис. 2, где показана температурная зависимость растворимости СаСО₃ [5]. Для предотвращения образования накипи необходимо, чтобы содержание примеси в потоке воды (жесткость котловой воды С_в) было меньше граничного значения растворимости примеси в пристенном слое Р_ст при температуре внутренней стенки t_CT, т.е. С_в<Р_ст. Это условие соответствует требованию t_CT < t_ГР , т.е. температура стенки не должна превосходить граничное значение для данной жесткости котловой воды. На рис. 2 показаны область образования отложений (А) и область безнакипного режима (Б) соответственно. Ниже рассматриваются температурные условия работы топочных экранов водогрейных котлов с целью определения режимов, обеспечивающих безнакипную работу в области Б.

Температура внутренней поверхности теплообменных каналов t_CT определяется соотношением локальной плотности теплового потока q и интенсивности теплоотдачи к воде б:

¦ при однофазной конвекции воды - tст=tв+q/б; (2)

¦ при поверхностном кипении - tCT=ts+q/as, (3)

где tВ - температура воды в трубе (котельной секции); ts - температура насыщения (кипения) при давлении воды в котле Р; a - коэффициент теплоотдачи (зависит от скорости воды в канале); бs=3q0,7.Р0,2 - коэффициент теплоотдачи при кипении воды; q - плотность теплового потока.

Были экспериментально исследованы температурные режимы наружной поверхности нагрева чугунных водогрейных котлов, где опасность накипеобразования особенно велика, поскольку котлы питаются водой из артезианских скважин и зачастую без химической обработки. Измерения были организованы в отопительной котельной, где эксплуатировались котлы средних типоразмеров с ручными слоевыми топками [6]: три старых котла «Универсал-6» и один новый котел «Кировец». Секции котла «Универсал-6» имеют коробчатое сечение (рис. 1, 3), а секции котла «Кировец» имеют три трубчатых канала с ребрами (рис. 4). В одном из котлов «Универсал-6» специально была установлена одна новая секция для определения температуры t_CT секции без накипи. Температуры наружной поверхности секций измерялись при помощи ХА-термопар (хром-алюмель), приваренных к поверхности. Электроды термопар диаметром 0,2 мм в изоляции прикрывались фольгой из нержавеющей стали, также приваренной к поверхности.

В котлах «Универсал-6» секции в пакетах включены параллельно по направлению движения воды, поэтому в средних секциях расчетная скорость воды - низкая (0,02 м/с), следовательно на интенсивность теплоотдачи определяющее влияние оказывает возникающий контур естественной конвекции [4]. В котлах «Кировец» все секции включены последовательно по ходу воды, поэтому скорость воды составляет 0,4-0,5 м/с при расходе воды через котел 50 т/ч. Давление воды в котлах - 2,5-3 ати, тепловая мощность - 240-260 кВт, среднее теплонапряжение площади колосниковой решетки - 0,3 МВт/м².

При проведении исследований котлы работали на естественной тяге дымовой трубы. Топливом служил рядовой кузнецкий каменный уголь марки ССР, порции которого по 45-60 кг периодически забрасывались в топку через определенные промежутки времени (топочный цикл ф₄), составляющие 40-70 мин.

Локальная плотность теплового потока и температура внутренней поверхности секций рассчитывались по уравнениям (2) и (3) исходя из измеренных температур t_CT. В расчетах принимались следующие значения параметров: б=1,5-2 кВт/м².^ОС [3] (при естественной конвекции в секциях котла «Универсал-6»); t_s=140 ^ОС.

В течение топочных циклов температура секции t_CT и тепловые потоки сильно меняются, что можно увидеть на примере котла «Универсал-6» (рис. 3). После заброса порции угля значения температуры радиационной поверхности минимальны (не превышают 120 ^ОС при t_В=75 ^ОС), теплоотдача происходит в режиме однофазной конвекции, а локальные тепловые потоки не превышают 65 кВт/м². Затем локальные тепловые потоки возрастают в 2-3 раза, достигая 160 кВт/м² на нижнем и 130 кВт/м² на верхнем уровне секции. Температуры тоже растут и через 13 мин (0,3ф₄), в момент самой активной стадии процесса горения, достигают максимума (180-190 ^ОС на нижнем уровне секции). В течение почти половины топочного цикла на всей лобовой поверхности фиксируется кипение, т.к. температура на внутренней поверхности (t_CT=155 ^ОС) превышает температуру t_s. После прохождения максимума значения температуры и тепловых потоков снижаются, возвращаясь к исходным значениям. На боковых стенках секции t_CT не превышает 100 ^ОС.

Полученные для котла «Универсал-6» значения локальных тепловых потоков оказались близки к значениям, полученным ранее для котла «Братск» со стальными панелями, конструкция которых позволила измерить локальные тепловые потоки q панелей калориметрическим способом. Такие же значения локальных тепловых потоков топочных экранов дает расчет по методу Стефана-Больцмана исходя из главенства потока излучения с поверхности слоя [7].

В котле «Кировец» при топочном режиме аналогичном описанному выше значения температуры t_CT существенно ниже (не превышают 100 ^ОС при температуре воды на выходе из котла до 67 ^ОС), что свидетельствует об отсутствии кипения в секции (рис. 4). Этот результат связан не только с более интенсивной теплоотдачей в радиационных трубах секций, но и с меньшими значениями теплового потока (120 кВт/м² на нижнем уровне секций) вследствие того, что ребра, являющиеся концентраторами теплового потока в местах примыкания, заглублены относительно каналов.

На основании полученных результатов построена зависимость температуры стенки секций t_CT от локального теплового потока для рассмотренных секционных котлов, учитывающая также интенсивностъ теплоотдачи (рис. 5). Для возможности сравнения чугунных секционных котлов с котлами, оборудованными трубными экранными панелями, на рис. 5 дополнительно представлены данные, полученные для отопительного котла ПТВМ-30, работающего на газообразном топливе (давление воды 12 ати, температура воды 120 ^ОС, локальные потоки в районе горелок до 300 кВт/м²) [2].

На рис. 5 также построена температурная зависимость растворимости карбоната кальция, которая позволила определить условия безнакипной работы котлов при разных концентрациях карбонатной жесткости.

Из графиков следует, что при жесткости котловой воды С_в=0,5 мг-экв/кг температура внутренней поверхности каналов секций котлов не должна превышать 130 ^ОС. В этих условиях для котлов «Универсал-6» и ПТВМ-30 тепловой поток на радиационной стороне секций и экранных труб не должен превышать 80 кВт/м². При жесткости 0,6 мг-экв/кг температура не должна превышать 105 ^ОС, т.е. тепловой поток для котлов «Универсал-6» и ПТВМ-30 должен быть менее 40 кВт/м².

Для предотвращения отложений солей жесткости в секционных котлах типа «Универсал-6» необходимо снизить температуру поверхности, повысив интенсивность внутренней теплоотдачи путем увеличения скорости потока воды или используя турбулизирующие вставки. Вследствие более интенсивной теплоотдачи в секциях котла «Кировец» температуры стенки оказались низки, поэтому накипь не образуется во всем диапазоне тепловых потоков даже при жесткости воды до 0,7 мг-экв/кг, и лишь при жесткости более 0,75 мг-экв/кг накипь будет образовываться при тепловом потоке более 120 кВт/м². Для работы котлов ПТВМ-30, экранные трубы которого воспринимают тепловые потоки большего значения (до 300 кВт/м²), соответственно и качество воды должно быть более высоким (жесткость С_в не более 0,25 мг-экв/кг).

Выводы

1. Границы безнакипного режима работы топочных экранов водогрейных котлов при разных концентрациях солей жесткости в воде определяются уровнем температуры внутренней стенки экранных труб, зависящей от условий работы (локальные тепловые потоки, интенсивность теплоотдачи).

2. В водогрейных отопительных котлах типа «Универсал-6» с ручными слоевыми топками в эксплуатационных условиях температура наружной поверхности достигает 180-190 ^ОС при плотности локальных тепловых потоков 160 кВт/м², что может приводить к образованию накипи в трубах при жесткости котловой (сетевой) воды С_в>0,4 мг-экв/кг Для безнакипной работы экранных труб котлов типа ПТВМ требуется вода более высокого качества С_в<0,25 мг-экв/кг

3. Существующие нормы расчета труб на прочность непригодны для экранных труб котлов. Их необходимо пересмотреть с учетом термических напряжений в металле, возникающих вследствие одностороннего обогрева труб.

Литература

тепловой котел аксиальный термический

1. Нормы расчета на прочность элементов паровых котлов. М.: «Недра». 1966. 87 с.

2. Каменецкий Б.Я. Надежность топочных экранов водогрейных котлов// Теплоэнергетика. 2008. № 9. С. 57-60.

3. Каменецкий Б.Я. Водоводяные подогреватели - источник присосов и утечек воды в тепловых сетях// Новости теплоснабжения. 2007. № 9. С. 37-38.

4. Каменецкий Б.Я. Отопительные котлы. Рекомендации повышения эффективности и надежности. М.: НТЦ «Орион». 1991. 98 с.

5. Невструева Н.И., Романовский И.М. Исследование накипеобразования при движении океанской воды // Теплофизика высоких температур. 1971. т. 9. № 3. С. 461-464.

6. Каменецкий Б.Я., Владимиров А.А. Температурный режим секций котлов // Сб. трудов НИИсантехники. М., 1981. Вып. 56. С. 15-26.

7. Каменецкий Б.Я. Расчет теплообмена в топках котлов при слоевом сжигании топлива // Теплоэнергетика. 2008. № 5. С. 75-77.

Размещено на Allbest.ru