Пароперегреватели
Получение перегретого пара из сухого насыщенного осуществляется в пароперегревателе. Промышленные паровые котлы в основном вырабатывают насыщенный или слабоперегретый пар. В энергетических котлах необходимо вырабатывать пар с высоким перегревом, так как это повышает его энтальпию и соответственно термический КПД паросилового цикла. В промышленных и энергетических паровых котлах небольшой мощности при перегреве пара до 500 °С обычно устанавливают конвективные пароперегреватели, т. е. такие, в которых передача теплоты осуществляется в основном за счет конвекции. Для получения пара с температурой перегрева более 500 °С применяют комбинированные пароперегреватели, т. е. такие, в которых часть поверхности получает теплоту за счет лучеиспускания, а другая часть - конвекцией. Радиационная часть поверхности нагрева пароперегревателя располагается в виде ширм непосредственно в верхней части топочной камеры.
Металл труб пароперегревателя работает в тяжелых температурных условиях даже при относительно невысоких температурах перегретого пара, 450-500°С.
Во всех случаях обогрева продуктами сгорания средняя температура металла всегда выше средней температуры охлаждающей среды, движущейся внутри труб. Превышение температуры стенки металла трубы зависит от равномерности обогрева продуктами сгорания змеевиков пароперегревателя в поперечном направлении, разности средней температуры продуктов сгорания и внутренней температуры стенки трубы, разности температуры стенки трубы и средней температуры металла. Для экономайзерных и испарительных поверхностей нагрева при высоких коэффициентах теплоотдачи от стенки к воде или к пароводяной эмульсии и при отсутствии накипи на внутренней поверхности труб в самых неблагоприятных условиях температура металла не превышает температуры охлаждающей среды более чем на 60 °С. В пароперегревателях температура пара (даже 450 °С) уже близка к предельной температуре, допустимой для углеродистой стали. Кроме того, коэффициент теплоотдачи от стенки к пару примерно на порядок меньше, чем к кипящей или некипящей воде. Только эти факторы могут дать превышение температуры металла стенки трубы пароперегревателя на 50-70 °С по сравнению со средней температурой пара. Поэтому тепловая разверка между змеевиками вследствие их неравномерного обогрева продуктами сгорания или неравномерного распределения пара по отдельным змеевикам, а тем более отложение накипи могут привести к выходу труб пароперегревателя из строя.
Для уменьшения тепловой разверки вследствие неравномерного распределения пара по отдельным змеевикам производят рассредоточенный ввод пара трубами малого диаметра по всей длине раздающего коллектора, установку промежуточных смешивающих коллекторов, разделение пароперегревателя на несколько частей по ширине с переброской пара из одной части в другую и т. д. Подробные рекомендации к выбору схем подвода пара приведены в «Нормах гидравлического расчета паровых котлов».
Существенное влияние на надежность работы металла пароперегревателя оказывает скорость пара. Повышение скорости пара в змеевиках пароперегревателя приводит к снижению температуры стенки труб, но увеличивает гидравлическое сопротивление пароперегревателя. В пароперегревателях промышленных котлов скорость пара принимается в пределах 20-25 м/с. При этих скоростях гидравлическое сопротивление пароперегревателя не превышает 5-6 % номинального давления пара.
В конвективных пароперегревателях применяются различные схемы взаимного движения продуктов сгорания и пара. В соответствии с этим конвективный пароперегреватель может быть прямоточным, противоточным или смешанным. У прямоточных пароперегревателей продукты сгорания и пар движутся в одном направлении. При такой схеме движения наиболее высокие температуры продуктов сгорания компенсируются наиболее низкой температурой пара, что обеспечивает низкие температуры металла пароперегревателя. Однако это происходит только при отсутствии солей в насыщенном паре. При наличии солей отложение их будет происходить в змеевиках пароперегревателя, подверженных наибольшему обогреву, что приведет к .резкому повышению температуры металла. Кроме того, средняя логарифмическая разность температур в прямоточном пароперегревателе меньше, чем в противоточном, что при прочих равных условиях требует большей поверхности нагрева и, следовательно, приведет к удорожанию пароперегревателя.
При противоточной схеме движения продукты сгорания и пар движутся в противоположных направлениях. При такой схеме змеевики, обогреваемые продуктами сгорания с наиболее высокой температурой, встречают уже перегретый пар н охлаждаются явно недостаточно. В результате металл змеевиков пароперегревателя работает в наиболее тяжелых температурных условиях. В то же время соли, содержащиеся в насыщенном паре, выпадают в змеевиках, обогреваемых продуктами сгорания с более низкой температурой. По сравнению с предыдущей схемой здесь температурный напор больше, а поверхность нагрева пароперегревателя получается меньшей и более дешевой.
При смешанном взаимном движении продуктов сгорания и пара используется как прямоток, так н противоток в различных комбинациях. При этих схемах создаются наиболееблагоприятные температурные условия работы пароперегревателя, а его поверхность нагрева наименьшая.
Пароперегреватели выполняются из цельнотянутых труб диаметром от 28 до 42 мм, изгибаемых в змеевики. Поперечный шаг в ряду часто равен (2-2,5)d и реже (3-3,5)d. Концы змеевиков пароперегревателя присоединяются к барабану парогенератора обычно развальцовкой, а к коллекторам - сваркой. Коллекторы пароперегревателя чаще всего имеюткруглую форму и выполняются из углеродистой или легированной стали в зависимости от давления и температуры перегретого пара.
Конвективные пароперегреватели располагают в горизонтальном газоходе между топкой и опускной шахтой или в самой опускной шахте. При установке в горизонтальном газоходе глубина каждого пакета пароперегревателя не более 1500 мм, между пакетами оставляют свободное пространство не менее 500 мм для выполнения ремонтных работ и осмотров.
Скорость продуктов сгорания в пароперегревателе обычно принимают 9-14 м/с, но не меньше 6 м/с во избежание заноса его поверхности нагрева летучей золой. При больших скоростях и сжигании высокозольных топлив имеется опасность истирания труб летучей золой.
В зависимости от способа расположения в газоходе различают горизонтальную и вертикальную подвеску параллельно включенных змеевиков. В настоящее время применяют как горизонтальную, так и вертикальную подвеску змеевиков пароперегревателя. Змеевики обычно располагают в коридорном порядке, что облегчает их очистку от загрязнений летучей золой.
Горизонтальное расположение змеевиков пароперегревателя обеспечивает хорошее удаление из них конденсата при остановке парогенератора, но требует более прочных и сложных подвесок во избежание провисания змеевиков. У вертикальных пароперегревателей змеевики свободно подвешиваются, что упрощает конструкцию, повышает надежность работы подвесок, но затрудняет дренаж конденсата, образующегося при остановке парогенератора.
На рис. 8-1 показан конвективный пароперегреватель промышленного котла, изготовленный из цельнотянутых труб диаметром 32 мм. Для промышленных котлов колебания перегрева пара, происходящие при изменении нагрузки, не оказывают существенного влияния на работу теплоиспользующих аппаратов, поэтому в них отсутствуют устройства, регулирующие перегрев пара. У энергетических парогенераторов, снабжающих паром турбины, необходимо поддерживать заданный перегрев пара. Температура перегрева пара в конвективных пароперегревателях увеличивается при росте нагрузки парогенератора и коэффициента избытка воздуха в топке, при снижении температуры питательной воды и шлаковании топки.
Регулирование температуры перегретого пара может осуществляться применением поверхностных пароохладителей, впрыскиванием воды в пар, пропусканием части продуктов сгорания мимо пароперегревателя, рециркуляцией продуктов сгорания в топку, изменением аэродинамики или химической структуры факела, изменением излучательной способности факела.
Регулятор перегрева пара должен обеспечивать поддержание температуры перегретого пара постоянной при изменении нагрузки парогенератора в широких пределах, быть конструктивно простым, надежным и малоинерционным.
Поверхностный пароохладитель представляет собой обычный теплообменный аппарат. Он обычно состоит из двух пакетов U-образных труб, по которым пропускается питательная вода. Трубы снаружи омываются паром, который от соприкосновения с их поверхностью охлаждается. Регулирование перегрева пара осуществляется изменением количества питательной воды, пропускаемой через пароохладитель (рис. 8-2, а).
Типичная схема включения поверхностного пароохладителя показана на рис. 8-2, б. Пароохладитель устанавливается между первой и второй ступенью пароперегревателя. Пар из барабана котла поступает во вторую по ходу продуктов сгорания ступень пароперегревателя, в которой осуществляется противоточная схема движения пара и продуктов сгорания. Пройдя по змеевикам второй ступени пароперегревателя, пар поступает в поверхностный пароохладитель и из него в первую по ходу продуктов сгорания ступень пароперегревателя. Первая ступень пароперегревателя выполнена прямоточной, т. е. пар и продукты сгорания движутся в одном направлении. При такой схеме включения пароохладителя змеевики, расположенные в зоне наиболее высоких температур, охлаждаются паром, предварительно прошедшим через пароохладитель.
В последнее время для регулирования перегрева пара довольно широко применяется впрыскивание воды в пар. Впрыскивать в пар можно только чистый дистиллят или конденсат с незначительным солесодержанием (не более 0,5 мг/кг). В котлах Е-75-40Н, новых газомазутных паровых котлах производительностью 35-75 т/ч и ряде других применены впрыскивающие пароохладители. В настоящее время применяется схема впрыскивания собственного конденсата котла, разработанная проф. Р. Долежалом (рис. 8-3).
Пар из барабана по специальной линии направляется в поверхностный конденсатор, где конденсируется питательной водой, и затем поступает в сборник конденсата. Оттуда конденсат направляется через регулирующий клапан к впрыскивающему пароохладителю. Количество конденсата, поступающего в пароохладитель, регулируется системой автоматики, поддерживающей заданную температуру перегретого пара.
Рециркуляция продуктов сгорания для регулирования перегрева пара применяется на энергетических парогенераторах большой мощности. Регулирование осуществляется за счет отбора продуктов сгорания, имеющих температуру до 400 °С, и направления их в нижнюю часть топочной камеры. Рециркуляция продуктов сгорания для регулирования перегрева пара может применяться только при сжигании газа, мазута и малозольных твердых топлив.
При сжигании различных по теплоте сгорания газов в одном и том же парогенераторе для регулирования перегрева пара применяют горелки с регулируемым факелом. Так, например, для сжигания природного, коксового и доменного газов в одном н том же парогенераторе с успехом применяются реверсивные газовые горелки с регулируемым факелом, разработанные в институте СредАзНИИгаз.