Методы повышения надежности топочных экранов и их конструкции

Гладкотрубные экраны применяют в кот­лах всех систем, работающих под разреже­нием (с уравновешенной тягой). При естест­венной циркуляции топочные экраны распола­гают почти исключительно вертикально и в от­дельных случаях круто наклонно. Учитывая возможность организации движения пароводя­ной смеси со скоростью, предотвращающей нарушение гидравлических режимов, парооб­разующие поверхности котлов прямоточных и с многократной принудительной циркуляцией можно ориентировать в пространстве любым способом, выполняя топочные экраны верти­кальными, горизонтальными и подъемно-опуск­ными.

Рис. 17.2. Конструкции футерованных экранов.

в — настенного гладкотрубвого; 6 — настенного мембранного; в — двусветного; / — шипы; 2 — труба- 3 — обшивка- 4 — пластич­ная хромитовая масса; 5 —карборунд; 5 — мембрана.

Рис. 17.3. Схемы контуров естественной циркуляции. а — с непосредственной выдачей пароводяной смеси в барабане б — с выдачей пароводяной смеси через коллектор; / — водоподводящие (опускные) трубы; 2 — парообразующие (подгеч ные) трубы; 3 — пароотводящие трубы; 4 — коллектор.

В соответствии с особенностями естествен­ной циркуляции и принудителъного движения рабочей среды ниже рассматриваются методы повышения надежности топочных экранов кот­лов с. естественной циркуляцией и прямоточ­ных котлов и их конструкции.

Методы повышения надежности циркуля­ции. Вправильно спроектированных и выпол­ненных контурах циркуляции при нормальной эксплуатации котлов обычно не возникает трудностей в отношении надежной их работы. Напомним, однако, что с повышением давле­ния движущий напор циркуляции падает. Рост единичной паропроизводительности котла связан с увеличением ширины пане­лей циркуляционных контуров, а следователь­но, с большими неравномерностями обогрева параллельно работающих труб, отрицательно влияющими на циркуляцию. Существенно по­вышается интенсивность обогрева парообразу­ющих труб с увеличением мощности.

Переход к мощным энергетическим уста­новкам на высокие параметры пара в усло­виях постоянного развития теплоэнергетики повышает требования к надежности котла в целом и надежности контуров циркуляции в особенности.

Основным источником нарушения циркуля­ционных режимов является неравномерность обогрева по ширине контура. Неравномерность обогрева по высоте труб контура играет мень­шую роль, так как при этом все параллельно включенные и вертикально расположенные трубы получают одинаковое количество тепло­ты и охлаждаются одинаковым количеством проходящей через них воды. Неравномерность обогрева по ширине вызывается конструктив­ными особенностями контура циркуляции (см. рис. 12.11) и условиями эксплуатации (см. рис. 12.12). Неравномерности обогрева, вызы­ваемые конструктивными особенностями кон­тура, с той или иной полнотой всегда могут быть учтены в процессе проектирования. Ме­нее определенные неравномерности возникают в процессе эксплуатации. Главным фактором неравномерности тепловосприятия является шлакование. Шлакование никогда не бывает равномерным по всей поверхности экрана, оно зависит от многих факторов и, в частности, от воздушного режима в топке, равномерности подачи топлива через горелки в топочную ка­меру и др. Сильно зашлакованные и потому слабообогреваемые трубы получают в целом меньше теплоты по сравнению с чистыми тру­бами, и поэтому у них и меньший движущий напор, и через них проходит и меньше охлаж­дающей (циркулирующей) воды. Такие трубы плохо охлаждаются; они могут перегреваться в оголенных участках вследствие интенсивного подвода к ним теплоты.

С повышением давления, особенно при полезный напор циркуляции за­метно снижается (см. рис. 12.3). Падает и средняя кратность циркуляции, оказывающая весьма существенное влияние на температура ный режим металла обогреваемых труб. По этому обеспечение достаточной кратности циркуляции является важным этапом проек­тирования циркуляционных контуров.

Основными методами повышения надежно­сти циркуляции являются повышение кратно­сти циркуляции и секционирование широких панелей подъемных труб.

Увеличение кратности циркуляции. Конту­ры циркуляции выполняются с непосредствен­ным присоединением парообразующих труб к барабану или через коллектор с помощью пароотводящих труб.

При данной производительности контура кратность циркуляции обеспечивается доста­точным (по условиям надежного охлаждения обогреваемых труб) расходом через него во­ды — соответствующим сечением водоподво­дящих труб и пароотводящих труб контура циркуляции (рис. 17.3).

На рис. 17.4 видно, что для контура с не­посредственным вводом парообразующих труб в барабан (рис. 17.3,а) при малом сечении опускных труб кривая, выражающая их гид­равлическое сопротивление проходит круто и в пересечении с характеристикой по­лезных напоров контура образует рабо­чую точкудиаграммы циркуляции. В этой точке гидравлическое сопротивление чрезмер­но велико, а скорость циркуляции и расход во­ды ограничены. В таких условиях резко сокра­щается запас по застою циркуляции, а огра­ниченный расход воды может не обеспечить надежного отвода теплоты парообразующих труб.

Рис. 17.5. Циркуляционные характеристики топочного экрана.

а — распределение полезных напоров и скоростей циркуляции по ширине экрана и его секционирование: / — барабан; 2 — верхний коллектор; 3 — средние экранные трубы; 4 —угловые экранные трубы; 5 — нижний коллектор; 6 — трубы, выделенные в самостоятельный контур; — несекционированный экран; — секционированный экран; б — диаграмма циркуляции: /— слабообогреваемого контура; 2 — интенсивно обогреваемого контура;— перепад давления до секционирования; — перепады давления в контурах после секционирования.

Увеличение сечения опускных труб умень­шает их гидравлическое сопротивлениепонижает полезный напор циркуляции (рабо­чая точка) и потому увеличивает запас по застою циркуляции. При этом существенно увеличивается не только общий расход воды через подъемные трубы, но, что очень важно, и через слабообогреваемые трубы, улучшая их температурный режим.

Необходимое сечение опускных трубопре­деляется расчетом циркуляции и для высоко­го давления составляет для настенных экра­нов 0,4—0,5, двусветных экранов 0,7—0,9 сече­ния подъемных труб.

В контуре циркуляции, изображенном на рис. 17.3,6 с пароотводящими трубами, надо уменьшить гидравлическое сопротивление так­же пароотводящих труб, что достигается уве­личением сечения и уменьшением их длины. Обычно общее сечение отводящих труб со­ставляет 30—60 сечения парообразующих труб.

Секционирование экранов. Поскольку ос­новной причиной возникновения опасных ре­жимов является неравномерный обогрев паро­образующих труб, включенных в общую систе­му, панели топочных экранов секционируют с целью уменьшения неоднородности их ра­боты; в каждую секцию выделяют примерно одинаково обогреваемые трубы с самостоя­тельным питанием. На рис. 17.5 показано распределение ско­ростей в экране, имеющем неравномерный обогрев по ширине. Угловые трубы получают существенно меньше теплоты, чем средние, и преодолеть полезный напор контуракоторый создается главным образом сильнообогреваемыми трубами, угловые трубы не способны, поэтому в них может появиться застой циркуляции, свободный уровень или опрокидывание циркуляции. Выделение угло­вых труб в самостоятельный контур циркуля­ции разделением верхнего и нижнего коллек­торов перегородками позволяет примерно вы­ровнять скорости циркуляции в пределах каждого контура, что создает благоприятные для них условия. При этом полезный напор в выделенном контуре несколько уменьшится, однако запасы против застоя и опрокидыва­ния циркуляции возрастут при прежней не­равномерности обогрева по ширине экрана, и скорость циркуляции увеличится (рабочая точка на рис. 17.5,б). В контуре с интен­сивно обогреваемыми трубами полезный напор возрастет, и несколько уменьшится скорость циркуляции, но запасы против застоя и опро­кидывания циркуляции в нем также будут достаточно велики (рабочая точка на рис. 17.5,б).

Обычно топочные экраны котлов с естест­венной циркуляцией выполняют гладкотруб-ными, сплошными по всем стенам топочной камеры. Для котлов высокого и сверхвысоко­го давлений применяют трубы внутренним диаметром 40—50 мм. Опускные трубы выпол­няют диаметром 60—160 мм и более. Иногда в качестве опускной системы мощных котлов применяют стояки большого диаметра (600— 800 мм).

На рис. 17.6 показано примерное расположение на­стенных топочных экранов и их элементов в котле вы­сокого давления. Настенные топочные экраны 1, 6, 7 представляют собой систему параллельно включенных вертикальных труб. Исходя из конструктивных осо­бенностей топочной камеры, допускают крутонаклонные участки (трубы холодной воронки 9, места разводки труб для амбразур 8 и т. п.). В установках высокого давления, когда располагаемая радиационная теплота в топке больше необходимой для парообразования, в топочной камере частично освобождаются стены для размещения других поверхностей нагрева. При этом парообразующие поверхности располагают на верти­кальных стенах, а потолок служит для размещения на нем пароперегревателя 3. Радиационные пароперегре­ватели располагают также в верхней части фронтовой стенки или по всей высоте фронта, иногда перемежая перегревательные панели с испарительными.

Все верхние коллекторы располагают примерно на одном уровне и подвешивают к каркасу котла. Топоч­ные экраны обрамляют поясами жесткости 12 из про­фильной стали, вместе с которыми они перемещаются по вертикали. К топочным экранам часто крепят об­муровку, которая снаружи покрыта обшивкой (см. § 21.1). Таким образом, к каркасу подвешивают не только трубную систему экранов, но вместе с ней так­же обмуровку и обшивку. Узел крепления экранных

Рис. 17.6. Схема расположения топочных экранов котла высокого давления.

/ — фронтовой экран; 2 — опускные трубы; 3 — потолочный экран; 4 — отводящие трубы; 5 — фестон; 6 — задний экран; 7 — боковой экран; 8 — разводка труб у амбразур; 9 — холодная воронка; 10 — каркас; II — коллектор фестона; 12 — пояс жест­кости.

и опускных труб к подвижным поясам жесткости по­казан отдельно на рис. 17.6 (узел 1). Вся трубная си­стема экранов вместе с крепящейся к ней обмуровкой свободно расширяется вниз.

В котлах большой мощности устанавливают дву­светные экраны, разделяющие топку на отдельные ка­меры. Двусветные экраны подвешивают так же, как и настенные экраны. Для выравнивания дав­ления в камерах топки и предотвращения прогиба труб экрана в случае «хлопка» в верхней части двусветного экрана или по всей его высоте разводкой труб обра­зуют окна (рис. 17.7).