Условия работы металла труб пароперегревателей
5.1 Условия работы металла труб пароперегревателей
Пароперегреватель – это устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в стационарном котле.
Перегреватель современного котла выполняется, как правило, из нескольких частей (пакетов) с радиационным, полурадиационным и, конвективным тепловосприятием.
Условия работы металла труб перегревателя во многом зависят от способа его расположения в газоходе.
По конструктивным и компоновочным признакам различают вертикальные и горизонтальные перегреватели. Достоинством первых являются простота креплений и малая загрязненность, недостатком – недренируемость. Крепление горизонтальных более сложно, но имеется возможность дренирования воды.
По взаимному направлению движения греющей и обогреваемой сред различают прямоточные и противоточные схемы перегревателей. При противотоке поверхность, нагрева получается наименьшей, но последние, змеевики работают в тяжелых температурных условиях.
Параллельный ток (прямоток) увеличивает надежность работы, но требует увеличения поверхности нагрева. Нередко применяют смешанную противоточно–прямоточную схему.
В типовых схемах перегревателей широко применяются ширмовые ступени, которые отличаются достаточно сложной конфигурацией и работают в условиях больших неравномерностей тепловосприятий как между отдельными ширмами, так и между трубами в пределах каждой ширмы.
Рекомендуемые материалы
Чем ближе температура перегретого пара к предельно допустимой температуре металла, тем выше требования к равномерности температурного режима металла труб отдельных витков.
Средняя температура трубы перегревателя по толщине стенки не должна превышать допустимую по условиям длительной прочности, максимальная (т. е. на наружной поверхности) – предельную по условиям окалинообразования или изменения структуры металла (с учетом разверки температур по трубам перегревателя).
Гидравлические схемы перегревателей выбираются по условиям обеспечения минимальных разверок температур по трубам при наименьших потерях давления пара. Наиболее распространенными являются так называемая П–схема и схема с рассредоточенным подводом и отводом пара.
Трубы перегревателя работают в тяжелых условиях из–за высоких температуры и давления перегретого пара, а также из–за расположения труб в зонах радиации топки и коррозионной активности дымовых газов.
При работе котла на металл труб пароперегревателя оказывают одновременное воздействие:
1) высокотемпературные топочные тазы различной агрессивности, зола, шлак (на наружную поверхность труб) и водяной пар (на внутреннюю поверхность);
2) колебания температуры металла из–за работы при переменных режимах или при периодической корректировке соотношения вода – топливо в случае эксплуатации прямоточного котла на базовом режиме;
3) напряжения в стенках труб от внутреннего давления и тепловые напряжения, вызываемые неравномерными тепловыми потоками и нестационарными режимами эксплуатации.
Трубы перегревателей омываются дымовыми газами с температурами, достигающими перед конвективными перегревателями 1000–1100 ºС. Часть поверхности нагрева пароперегревателей иногда помещают вблизи выхода из топочной камеры, в верхней ее части (ширмовые полурадиационные перегреватели), или на стенках топки (радиационные перегреватели), где температуры газов еще более высоки и тепловосприятие труб из–за лучистого обогрева велико.
Максимальная (допустимая по условиям окалинообразования) температура металла труб из применяемых для перегревателей котлов перлитной 12Х1МФ и аустенитной Х18НТ2Т сталей при сжигании мазута должна составлять соответственно не более 585 и 610 ºС. Значит, при температуре свежего пара 545 ºС запас по температуре металла последней ступени перегревателя ограничен и создается опасность превышения допустимой температуры металла змеевиков.
Топочная неравномерность в конвективных перегревателях усугубляется шлакованием труб. В результате температура металла отдельных змеевиков может сильно отличаться от среднего значения.
Конвективные промежуточные перегреватели, расположенные в зоне умеренных тепловых нагрузок, работают достаточно надежно. Условия работы радиационного промежуточного перегревателя гораздо тяжелее в силу малых значений коэффициента теплоотдачи.
Условия работы металла труб тем благоприятней, чем меньше температура пара, температурная разверка по змеевикам, тепловая нагрузка, толщина стенки труб.
Рис. 5.1. Максимально допустимая температура пара (1) и ее изменение в пароперегревателе котла ТПП–312 при нагрузке 70 (2) и 100 % (3) номинальной:
I – за НРЧ; II – за СРЧ; III – за ВРЧ; IV – за первым впрыском; V – за потолочным экраном; VI – за ППТО; VII – за панелями поворотной камеры; VIII – за ширмами первого ряда; IX – за ширмами второго ряда; X – за вторым впрыском; XI – на выходе из пароперегревателя
На рис. 5.1 показаны диаграмма максимально допустимой температуры пара и ее изменение в перегревателе котла ТПП–312 при нагрузках 70 и 100 % номинальной.
К металлу труб перегревателей предъявляются следующие требования: достаточная жаропрочность, обеспечивающая надежную работу поверхности нагрева в течение расчетного периода; стабильность структуры и свойств металла в течение всего периода эксплуатации; хорошая свариваемость труб.
5.1.1. Причины разверки температур пара в пароперегревателе
Различная температура пара на выходе из перегревателя вызывается неравномерным обогревом змеевиков со стороны дымовых газов (газовый перекос) или гидравлической неравномерностью распределения пара в отдельных змеевиках (паровой перекос). Особенно неблагоприятны для труб перегревателя случаи совместного воздействия газового и парового перекосов. Разница температур газов по ширине топки иногда достигает 70–100 ºС. Это приводит к перегреву пара и металла в отдельных змеевиках и может стать причиной их разрыва, хотя общая температура пара в смешивающих коллекторах окажется нормальной. Разность температур пара (и металла) по отдельным змеевикам ширм и конвективной части перегревателя может быть более 50 ºС.
Методы исчисления отдельных показателей - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
С увеличением мощности (и габаритов) котла возрастают неравномерность обогрева труб по сечению газохода и тепловая разверка.
Газовый перекос вызывается неравномерностью омывания змеевиков дымовыми газами или теплового перекоса в топке и распределения включенных форсунок или горелок по ширине топки или различной нагрузкой при работе топочных устройств (шахтных мельниц, колосниковых решеток) и т. п.
Местное увеличение тепловосприятия части труб перегревателя и скоростей дымовых газов может произойти в результате нарушения крепления и взаимного расположения других змеевиков, затрудняющего смывание их газами. Повышенное тепловосприятие имеют змеевики, которые расположены в газовых коридорах между перегревателем и стенками газохода, между секциями его змеевиков или в местах, где удалены отдельные змеевики. При наличии широких проходов между отдельными змеевиками ближайшие к этим проходам змеевики воспринимают за счет радиации и конвекции больше теплоты. Повышенному перегреву подвергаются части змеевиков, омываемые внутри перегретым паром с температурой выше номинальной и при недостаточной скорости его движения. Повышение скорости движения пара снижает температуру стенок труб, но увеличивает гидравлическое сопротивление пароперегревателя. Поэтому скорость движения пара принимают с учетом обоих этих факторов в пределах 20–25 м/с для промышленных котлов.
При этих скоростях гидравлическое сопротивление перегревателя не превышает 5–6% номинального давления пара.
Повышенная температура стенок змеевиков перегревателя имеет место также при паровом перекосе. Основными причинами парового перекоса являются неудачная схема подвода и отвода пара, повышенное сопротивление отдельных змеевиков, нарушение соотношения между гидравлическими сопротивлениями коллектора и змеевиков перегревателя и т. п.
Особой опасностью парового перекоса является неравномерное распределение пара в змеевиках по ширине коллектора перегревателя, вследствие чего количество пара, проходящего по отдельным змеевикам, меньше расчетного.
