Экраны топок
Топка котла предназначена для сжигания органического топлива, частичного охлаждения продуктов сгорания и выделения золы. Теплота сгорания топлива передается ограждающим изнутри топку экранам, в которых движется рабочее тело. Благодаря экранированию топки снижаются потери теплоты в окружающую среду и обеспечивается достаточная жесткость стен топки при восприятии распределенной нагрузки от перепада давлений при работе котла под наддувом или разрежением.
Экраны топок могут быть гладкотрубными (рис.42,а), с проставками рис.42, б) и плавниковыми (рис.42,в). Экраны топок из плавниковых труб и труб с проставками являются газонепроницаемыми, их называют газоплотными. В котлах с ЖШУ в зоне активного горения для повышения уровня температур экраны топок со стороны топки изготовляют из ошипованных труб и покрывают огнеупорной обмазкой 5 (рис.42.г). С наружной стороны экраны топок имеют металлическую обшивку 1, которая предохраняет обмуровку 2 от внешних воздействий, в котлах с гладкотрубными экранами этим обеспечивается, кроме того, еще герметичность конструкции.
Основными требованиями к конструкции экранов являются следующие. Они должны быть газоплотными, технологичными в изготовлении, по возможности менее металлоемкими, транспортабельными и поставляться на монтажную площадку в виде законченных заводских блоков, готовых к сборке. Конструкция экранов должна обеспечивать свободу теплового расширения труб при нагреве и охлаждении во избежание появления в металле внутренних остаточных напряжений, надежный отвод теплоты от стенки для предотвращения перегрева металла, устойчивый режим течения среды без пульсаций и значительных неравномерностей по расходу в отдельных трубах, малую чувствительность к тепловым неравномерностям обогрева газами по периметру.и высоте топки.
Экраны топок барабанных котлов с естественной циркуляцией, в которых полезный движущий напор невелик, для уменьшения сопротивления изготовляют из труб большего диаметра (60x4, 60x5, 50x5 мм) с минимальным числом гибов (рис. 43). Гибы расположены у верхних 2 и нижних 4 сборных коллекторов, 86 в месте расположения горелок, в верхней части топки при наличии верхнего пережима. Следует отметить, что пережим в топке выполняют для более полного заполнения продуктами сгорания топочного объема, лучшего обтекания ими поверхностей нагрева, расположенных на выходе из топки.
Для уменьшения влияния неравномерности обогрева по периметру топки на надежность циркуляции, экраны топок секционируются путем деления их на части - панели 3, каждая из которых образует свой циркуляционный контур. Нижние сборные коллектора 4 панелей имеют дренаж для полного удаления воды из контура при останове котла на ремонт. По условиям изготовления и транспортировки панели должны быть шириной 3,6 м, а длиной не более 28 м. При большей Длине экрана его выполняют с монтажным стыком, расположенным вне зоны максимального тепловыделения в топке или вне зоны активного горения (что еще лучше). Материал труб - сталь 20. Однако для высокофорсированных топок в зоне высоких тепловых потоков применяют трубы и из стали 15 Х М или 12 Х 1МФ.
Шаг между трубами (см. рис. 42) в гладкотрубных экранах S = d + 4 мм, в плавниковых S/d = 1,33, в экранах с проставками S = d + δ (δ = 14; 16; 20 мм). В настоящее время экраны топок всех котлов паропроизводительностью D > 320 т/ч выполняют газоплотными. Рассмотрим особенности отдельных узлов экранов. Рассредоточенный ввод (вывод) экранных труб в коллектора (из коллекторов) выполняют для уменьшения ослабления стенки отверстиями.
Схемы узлов верхнего выступа топки показаны на рис.44.. Для топок, сжигающих газ, применима схема рис. 44, а,б. Использование схемы, показанной на рис. 44, а, для пылевидных топлив может привести к налипанию золы на участках с увеличенным расстоянием между изогнутыми трубами выступа. Для обеспечения жесткости экранов в направлении нормали к их поверхности применяют пояса жесткости 2 (рис. 45).
Они фиксируют трубы 1 и 3 в горизонтальной плоскости, но позволяют им свободно перемещаться по вертикали при нагреве и охлаждении. Трубы 3 экранов подвешивают к балкам 1 каркаса котла или здания котельной за верхние коллектора с помощью тяг 2 (рис. 46).
В зависимости от способа шлакоудалении нижняя часть экранов топки образует либо под, либо холодную воронку. Трубы пода в котлах с ЖШУ должны быть наклонены к горизонту под углом не менее 15°, чтобы не происходило расслоение пароводяного потока и, следовательно, не возникала опасность перегрева и разрыва труб, Угол наклона экранов холодной воронки в котлах с ТШУ 52°. Нижние коллектора противоположных экранов для предотвращения распрямления гибов труб в области перехода к поду или экранам холодной воронки жестко связывают между собой. В котлах, где теплота воспринятая экранами тратится практически только на испарение воды (р с 9,8 МПа), задний экран выполняют с разводкой труб 1 - фестоном (рис. 47). В котлах с более высоким давлением - в виде однорядного фестона с шагом S/d = 3,54 и установкой промежуточного коллектора 2.
Диаметр труб однорядного фестона 133 или 159 мм, продольный шаг многорядного фестона S2 = 150 мм. Экраны топок прямоточных котлов конструктивно выполняют в виде ленточной навивки Рамзина, горизонтальноподъемной навивки многоходовых подъемноопускных и многоходовых подъемных панелей. В навивке Рамзина (см. рис. 10) подъем ленты или лент осуществляется по двум или четырем стенам топки на угол 15-20°.
Экраны топок такой конструкции имеют малое гидравлическое сопротивление, нечувствительны к неравномерности обогрева по периметру топки, допускают приращение энтальпии рабочей среды без организации ее перемешивания до 1200 кДж/кг, имеют меньшую металлоемкость из-за отсутствия промежуточных коллекторов. Однако ввиду значительного количества сварочных работ при монтаже снижается надежность и увеличивается срок ввода оборудования. Навивка Рамзина применяется в котлах докритического (D < 1800 Т/ч) и сверхкритического давления.
Горизонтально-подъемная навивка (рис. 48, а) мало чувствительна к тепловой неравномерности обогрева по ширине топки, допускает блочное изготовление, обладает хорошими самокомпенсационными тепловыми свойствами. Однако технологически она сложнее навивки Рамзина, имеет большое гидравлическое сопротивление и повышенную металлоемкость. Ввиду значительного числа гибов труб ее не применяют в газоплотных котлах. Многоходовые подъемно-опускные панели (рис. 48, б) допускают расположение входного коллектора как вверху, так и внизу. Изменением числа ходов можно выбрать необходимую ширину панели. Экраны топок этого типа изготовляют в виде блоков, они обладают самокомпенсационными тепловыми свойсГвами. Металлоемкость их меньше, чем металлоемкость горизонтально-подъемных панелей, но больше, чем металлоемкость экранов с навивкой Рамзина. Гидравлическое сопротивление такое же, как у горизонтально подъемных панелей. Газоплотное изготовление котлов с такими экранами затруднено в связи с наличием большого числа гибов. Тепловосприятие отдельного хода более чувствительно к тепловой неравномерности. Как показала эксплуатация котлов СКД, отсутствие перемешивания среды в области высоких локальных тепловых потоков приводило к частым разрывам экранных труб в зоне их максимального обогрева.
Необходимость организации промежуточного перемешивания среды привела к созданию многоходовых подъемных панелей (рис. 48, в). Они технологичны, допускают блочное изготовление в газоплотном исполнении, хотя и обладают повышенной металлоемкостью и значительным гидравлическим сопротивлением ввиду наличия дополнительных опускных труб-стояков и промежуточных коллекторов. Рассмотрим отдельные узлы экранов прямоточных котлов. В газоплотных котлах панели экранов топки не связаны с вертикальными балками каркаса котла, а подвешиваются друг к другу. Верхние панели тягами крепят к верхним горизонтальным балкам каркаса котла или здания котельной. Сопряжение отдельных участков экранов вертикальных панелей унифицировано (рис. 49). Щели между трубами 1 в зоне сопряжения уплотняют проставками 3, а коллектора 2 заключают в уплотнительный короб 5 (теплый ящик).
Тепловое перемещение экранов происходит от места крепления 4 подвески в вертикальном направлении. В ряде случаев верхнюю часть экранов подвешивают к балкам, а нижнюю опирают на каркас. Тепловое расширение нижней части экранов в этом случае происходит снизу вверх. Устройство 6 предотвращает прогиб экрана. При организации движения среды в один ход, т. е. при одновременной подаче среды в количестве, близком к паропроизводительности котла, по всему периметру топки, скорость рабочего тела в трубах тепловых экранов подъемных панелей даже на номинальной нагрузке оказывается малой. Отвод теплоты от стенки трубы в наиболее теплонапряженной части экрана может оказаться недостаточным. Поэтому движение рабочего тела в количестве D в НРЧ экранов такой конструкции организуется в два хода (рис. 50). В качестве первого I выбирают наиболее теплонапряженные панели.
Рабочее тело в количестве D1 направляется вначале в центральные панели фронтового 1 и заднего 2 экранов и в две центральные панели на каждой из боковых стен 3. Последнее объясняется динамическим воздействием на экраны топок при встречной компоновке факелов крайних горелок, что приводит к более высоким локальным значениям тепловых потоков. Массовая скорость среды рw = 2500 / 3000 кг/(м2/с).
Надежность работы экранов из вертикальных подъемных панелей во многом определяется термическими напряжениями в металле, возникающими в месте сварки отдельных панелей между собой. Допускаемый перепад температур стенок должен составлять Δt ≤ 30. Рассмотрим температурные условия в местах сварного соединения обогреваемых вертикальных панелей 1, имеющих необогреваемые перепускные трубы 2 при различных схемах организации движения рабочего тела (рис. 51). В схеме рис. 51, а различие в температурах груб в месте сварки панелей будет максимальным:
В схеме рис. 51, б при балансе 3 части рабочего тела помимо первой панели температура Δt на выходе из первого хода будет выше, чем в схеме рис. 51, а (одинаковое количество теплоты воспринимается меньшим количеством рабочего тела). Значение Δtвых при этом меньше, а Δtвх будет иметь такое же значение, что следует из условия теплового баланса по рабочему телу.
Одновременное уменьшение Δtвх и Δtвых возможно при введении рециркуляции части среды на вход в первую панель. Для этого устанавливают смеситель 5 и насос 6 на линии 4 рециркуляции (рис. 51, в). Температура t'i растет, a t''i остается такой же, как в схемах рис. 51, а, б. Такая схема сложнее, а кроме того, возрастает потребление электроэнергии на собственные нужды. В котлах СКД распределение тепловосприятия между НРЧ, СРЧ и ВРЧ соответственно 55-45, 30-35 и 15-20 %. Несмотря на отсутствие жестких требований по уровню тепловосприятия НРЧ в большинстве котлов СКД энтальпия i'нрч на выходе из НРЧ принимается меньше энтальпии, отвечающей максимальному значению теплоемкости ср:
i'нрч = iср - (40 / 60)
Трубы панелей экранов прямоточных котлов изготовляют из стали 12Х1МФ диаметром 32x6, 42x5 мм и даже 50x5 мм. Уменьшить высоту топки можно установкой двусветных экранов 1 по ширине топки (рис. 52, а). Жесткость двусветных экранов обеспечивают путем приварки к трубам 3 нескольких рядов (по высоте) металлических прутков 4 (рис. 52, б) либо 92 применением газоплотных панелей. Защитой от прогиба экрану при возможном перепаде давлений газов по его сторонам служат межтрубные зазоры или газосообщающие окна 2.