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 , к теплоте испарения составляет 0, 20, а отношение пароперегревательной поверхности к испарительной —0, 3. При использовании пара давлением 9—14 МПа с темпе­ратурой 500 - 550°С отношение величины /r 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. 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 до желательного значения (15—20°С) необходимо принимать следующие значения массовой скорости пере­греваемого пара: для радиационных пароперегревателей = 1200 кг/(м²-с); для ширмовых пароперегревателей = 700—800 кг/(м²× с); для конвективных пароперегре­вателей = 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 не тождественности элементов паропере­гревателя, а также неравномерности распределения пара по отдельным змеевикам (гидравлическая неравномер­ность) и неравномерности 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 паро­пе- регревателю привели к созданию разнообразных кон­струкций. По взаимному направлению потоков газа и па­ра пароперегреватели подразделяют на параллельноточные, противоточные и со смешанным током (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема взаимного движения пара и газа в пароперегревателях

а — параллельный ток; б — противоток; в, г — смешанный ток

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 нагрузкой 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. 5.1, г).

При смешанной схеме большая по размерам и первая по ходу пара часть перегревателя выполняется противоточной, 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. 5.1, 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.

Рис. 5.2. Конвективные пароперегреватели

а — типа ДКВР, ДЕ, КЕ; б — эк­ранного типа: 1 — трубы паропере­гревателя; 2 и 6—камеры перегретого пара; 3 и 4 — барабаны котла; 5 —камера насыщенного пара; 7 — промежуточная камера; 8— выход­ная камера; 9 — змеевики; 10—пер­вая ступень пароперегревателя

Конвективный пароперегреватель (рис. 5.2, 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. 5.2, 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.