Воздухоподогреватели

Как уже отмечалось, по принципу действия воздухоподогреватели делят на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных трубчатых воздухоподогревателях передача теплоты от газов к воздуху осуществляется непрерывно через неподвижную металлическую стенку трубы. В регенеративных поверхность нагрева омывается попеременно то дымовыми газами, то воздухом. При омывании дымовыми газами поверхность нагревается, а воздухом охлаждается.

Трубчатые воздухоподогреватели (ТВП) осуществляют прямой нагрев воздуха продуктами сгорания. ТВП - поверхность нагрева, состоящая из отдельных секций (кубов), каждая из которых представляет набор вертикальных стальных труб 3 диаметром 28-51 мм и толщиной стенки σ - 1,5 мм (рис. 66). ТВП опирается на балки 1, соединенные с каркасом 7 котла. Концы труб герметично закреплены в отверстиях горизонтальных трубных досок 2, Секции соединены коробами 5 с компенсаторами 4.

Дымовые газы движутся сверху вниз внутри труб, а воздух обтекает трубы в горизонтальном направлении. При такой схеме движения продуктов сгорания внутренняя поверхность труб меньше загрязняется золовыми частицами. Для топлив с большей зольностью применяют трубы большего диаметра. Их располагают в шахматном порядке (рис. 67). Продольный шаг труб S₁/d = (1,2/1,5). Меньшие значения принимают для сухих и малоабразивных топлив. Поперечный шаг выбирают из условия равенства скоростей газа в сечениях АА и Б Б:

По характеру движения продуктов сгорания и воздуха ТВП относятся к теплообменникам с многократным перекрестным потоком сред. Из нижних секций в верхние воздух подается по перепускным коробам или вертикальным каналам, расположенным между секциями. Снаружи воздухонагреватель имеет теплоизоляцию и стальную обшивку. Нижняя трубная доска ТВП опирается на рамную конструкцию, связанную с каркасом котла, поэтому тепловое расширение ТВП происходит снизу вверх. Для обеспечения герметичности и свободы теплового расширения имеется линзовый компенсатор.

По организации движения воздуха различают одно-, двух- и многопоточные воздухоподогреватели (рис. 68). Однопоточная схема (рис. 68, а, б) при подаче воздуха по стороне большей длины ТВП применяется для котлов средней мощности. С ростом паропроизводительности котла использование однопоточной схемы приводит к увеличению высоты секции 1. Двухпоточная схема имеет (рис. 68, б) в 2 раза меньшую высоту хода, хотя приводит к некоторому увеличению глубины конвективной шахты. Многоходовые схемы с тремя-шестью ходами применяют на мощных котлах.

При принятых значениях S₁ и d и известной ширине газохода высота хода зависит от скорости воздуха и продуктов сгорания. В ТВП среднюю скорость газа принимают равной 9-11 м/с (большие значения для, малозольных малоабразивных топлив). Скорость воздуха w_в = (0,4/0,6) дог. При таком соотношении обеспечивается равенство интенсивностей теплоотдачи от газа к стенке и от стенки к воздуху. Воздух в ТВП может нагреваться несколько выше 400 °С. До 320 °С воздух подогревается в одноступенчатом воздухоподогревателе (рис. 68, а, б), а свыше 320 °С - в двухступенчатом (рис. 68, в).

Вторую ступень ТВП устанавливают в рассечку между пакетами экономайзера 2 (рис. 68. в). Для обеспечения минимально допустимого температурного напора на холодном конце экономайзера и получения умеренных скоростей воздуха во второй ступени ТВП температура воздуха на выходе из первой ступени воздухоподогревателя

Температура газов перед второй ступенью ТВП не должна превышать 530 °С для исключения процесса окалинообразования металла трубной доски. Обычно при температуре газов перед воздухоподогревателем до 515-525 °С трубную доску 1 покрывают защитной тепловой изоляцией 2 (рис. 69, а). При температуре газов выше 530 °С трубную доску выполняют из легированной стали или ее охлаждают воздухом (рис. 69, б) температурой t_B = 30 °С. При работе на абразивном топливе для защиты входных участков труб 4 от изнашивания используют съемные защитные вставки 3.

Регенеративные воздухоподогреватели (РВП) включают цилиндрический ротор 4, вращающийся на валу 1 внутри неподвижного стального корпуса 2 (рис. 70). Ротор состоит из секторов 5, заполненных вертикальными стальными пластинами толщиной 0,8-1,2 мм. Для увеличения площади поверхности в единице объема часть пластин 7 гофрируют. Верхняя и нижняя секторные плиты делят корпус на две части - газовую I и воздушную II. Газы движутся сверху вниз, а воздух II - снизу вверх. При вращении ротора 4 отдельные сектора 5 то нагреваются в потоке газов, то охлаждаются в потоке воздуха. Вращение обеспечивается электродвигателем 3, установленным на вертикальной части наружного корпуса. Шестерня, соединенная с электродвигателем через редуктор, перемещает расположенные по окружности ротора вертикальные валики 6 (цевки). Частота вращения ротора 2 об/мин. Гофрированная форма листов позволяет получать до 300-400 м поверхности в 1 м³ объема. Форма набивки зависит от температурных условий. Для горячей части РВП применяют интенсифицирующую набивку с более плотным расположением листов.

Небольшая толщина листа способствует не только быстрому прогреву и охлаждению пластины, но и некоторой вибрации листов при прохождении через них воздушного потока, приводящей к частичному удалению золовых загрязнений. Гофрированные листы изготовляют штамповкой или прокаткой. К недостаткам РВП можно отнести сравнительно быстрый износ и коррозию листов и относительно невысокую теплопередачу при продольном обтекании листов газом. В газовом тракте РВП давление меньше чем в воздушном. Перепад давлений составляет около 7-8 кПа. Это приводит к необходимости уплотнять места сопряжения подвижных и неподвижных частей. Различают периферийное, радиальное и аксиальное уплотнения. Периферийные и радиальные уплотнения расположены на верхней и нижней частях ротора, а аксиальные - по боковым поверхностям.

Характеристика РВП приведена в табл.16. В РВП воздух может быть нагрет до 360 °С. Кроме того, можно нагревать два параллельных потока воздуха до различных температур. РВП можно применять в качестве первой ступени при /гв 400 °С. При работе котла на газе возможна схема с горизонтальным расположением ротора. Число устанавливаемых воздухоподогревателей на котел зависит от его мощности. Обычно с котлом устанавливают не менее двух РВП. С уменьшением числа РВП экономятся капиталовложения и эксплуатационные затраты, но снижается надежность работы котельной установки.

Рассмотрим некоторые особенности воздухоподогревателей. Из уравнения теплового баланса по газам и воздуху следует, что

где V_в и V_r - объем соответственно воздуха и газов, м³/кг; с_в и с_г - теплоемкость соответственно воздуха и газа, МДж/(кг*°С);t_гв, t_вп, θ'_ух и θ'_вп - температура соответственно воздуха и газа на выходе и входе воздухоподогревателя,°С.

Подогрев воздуха

при постоянных значениях t'_вп, θ_вп, θ_ух зависит от отношения водяных эквивалентов газа и воздуха V_гс_г/(V_вс_в). Теоретический объем продуктов сгорания V_г больше, чем теоретический объем воздуха V_в ввиду наличия водяных паров. Кроме того, теплоемкость продуктов сгорания с_г больше теплоемкости воздуха с_в, так как в них присутствуют трехатомные газы RО₂ и Н₂О. В действительности в связи с наличием присосов воздуха по газовому тракту отношение V_гс_г/(V_вс_в) еще больше и составляет 1,25 для маловлажных топлив (АШ) и 1,6 для высоковлажных углей.

Так, охлаждение газов на 100 °С увеличит температуру воздуха для этих топлив соответственно на 125 и 160 °С. Так как рост температуры воздуха происходит интенсивнее, чем снижение температуры газов, на холодном конце воздухоподогревателя. Для влажных топлив разность θ_вп - t_гв будет меньше, чем для сухих топлив. С точки зрения процесса теплопередачи для достижения приемлемых температурных напоров во избежание значительного роста поверхности нагрева необходимо, чтобы на горячем конце воздухоподогревателя разность температур газа и воздуха θ_вп - t_гв ≤ 30 °С.

Повысить температуру воздуха можно уменьшением соотношения водяных эквивалентов, т. е. снижением количества газов, проходящих через воздухоподогреватель. К таким схемам подогрева относится схема «расщепленного хвоста» (рис. 72). Через воздухоподогреватель 4, расположенный за промежуточным перегревателем 1 проходит часть газов. Остальное количество газов пропускается через газоход, в котором расположены поверхности экономайзеров высокого 2 и низкого 3 давления. Вода экономайзера низкого давления 3 используется для предварительного подогрева питательной воды в системе регенеративных подогревателей.

Подогрев воздуха в воздухоподогревателе определяется выходом летучих, влажностью топлива, а также способом его сжигания. Рекомендуемые значения температуры tr„ горячего воздуха приведены в табл. 17. Газовая коррозия наблюдается во время работы котла, его пуске и останове. Она обусловлена следующим. Содержащийся в продуктах сгорания серный ангидрид SО₃, соединяясь с водяными парами, при конденсации на холодной части труб ТВП или пластин РВП образует серную кислоту H₂SО₄, активно разрушающую металл. Конденсация возникает при температуре поверхности нагрева ниже точки росы, °С,

где S^пи А^п -приведенные значения соответственно серы и золы на рабочую массу топлива, %, кг/МДж; а_ун - доля золы в уносе; t_к- температура конденсации водяных паров,, определяемая парциальным давлением паров воды в продуктах сгорания. Например, для мазута tк = 44 °С, для торфа = 56 °С, для АШ
= 27/28 °С,

Интенсивная коррозия наблюдается при останове котла, когда увеличивается конденсация паров H₂SО₄ на остывающих поверхностях воздухоподогревателей. Продолжительность работы набивки РВП газомазутного котла зависит от числа остановок n₀ (заштрихованная область, рис. 73). Увеличение числа n₀ остановов уменьшает срок службы воздухоподогревателя. Меры защиты воздухоподогревателей от коррозии - предварительный подогрев воздуха, использование каскадного подогревателя, различных покрытий и режимных мероприятий.

Предварительный подогрев воздуха перед подачей его в воздухоподогреватели 1 может быть осуществлен двумя путями: в калорифере 2 и при смешении с частью горячего воздуха, подаваемого вентилятором рециркуляции 3 на вход в воздухот работы нижнего слоя набивки от числа щ подогреватель (рис. 74). Первый способ остановов в году предпочтительнее, так как позволяет использовать для подогрева низкотемпературные отборы пара из турбины и не связан с установкой оборудования (вентилятора рециркуляции). Кроме того, при калориферах сопротивление воздухоподогревателя меньше, так как через него проходит меньший объем воздуха.

Подогрев воздуха в калорифере осуществляется до 70-80 °С, что значительно снижает или полностью исключает коррозию. При еще большем подогреве воздуха возникает необходимость увеличения температуры уходящих газов для обеспечения достаточного температурного перепада θ_ух - t'_вп. Как правило, с введением предварительного подогрева воздуха низкотемпературные части ТВП или холодная часть набивки РВП отделяется от остальной части воздухоподогревателя. Это позволяет во время ремонта менять не весь воздухоподогреватель, а лишь часть его поверхности. Для мазутных котлов рекомендуется принимать = 70/90 °С, для влажных серосодержащих топлив t'_вп> t_к. Способность организации подогрева воздуха в каскадном воздухоподогревателе заключается в следующем. В низкотемпературных секциях воздухоподогревателя создаются условия, при которых температура стенки превышает температуру точки росы. Достигается это пропуском через холодные секции всего объема газов и небольшого расхода воздуха (30-40%), который предварительно подогревается каскадная ступень воздухоподогре потоков воздуха происходит в смесителе 5 после каскадной ступени 3. При такой схеме обеспечивается быстрый рост температуры воздуха. Продукты сгорания в каскадной ступени 3 охлаждаются меньше, а температура стенки трубы получается более высокой.

Применение эмалированных покрытий и неметаллических материалов снижает коррозию менее нагретых поверхностей воздухоподогревателя. Поверхности покрывают кислотоупорными и термостойкими эмалями толщиной 0,5-0,6 мм. Из рис.76 видно, что скорость к коррозии холодных частей РВП набивок с эмалированным покрытием 4.т стенки. Одним из направлений снижения коррозии, особенно при сжигании в топке котла высокосернистых мазутов, является использование неметаллических материалов: стекла, фарфора, пластиков, слабо подвергающихся воздействию серной кислоты. Известны конструкции ТВП со стеклянными трубками и РВП с фарфоровыми трубками диаметром 28 мм на выходе. Однако не все проблемы создания таких конструкций решены: у стеклянных ТВП - плохая герметичность соединения металлических частей и стеклянных трубок; у РВП - повышенное загрязнение керамики отложениями.

К режимным мероприятиям снижения коррозии относят работу котла с пониженными избытками воздуха. При меньшем количестве воздуха аг снижается количество SО₃ (уменьшается концентрация атомарного кислорода), а следовательно, падает скорость коррозии. Аналогичные результаты получаются при рециркуляции дымовых газов в активную зону горения. Применение этих методов ограничено газомазутными котлами. Для твердых топлив по условиям выгорания частиц и устойчивости процесса горения а_г= 1,05, а общий избыток воздуха в топке а_т = 1,2/1,25. Рециркуляцию газов по условиям устойчивости горения применяют для топлив с выходом летучих V^г_л > 40 %.