Грин В.М. Система автоматизированного проектирования воздухоподогревателей энергетических котлов

Подождите немного. Документ загружается.

530 С, что наблюдается, как правило, при наличии промежуточного пароперегревателя, и

подогреве воздуха до температуры свыше 320 С применяется схема в полурассечку

(рисунок 1.5).

Трубчатый воздухоподогреватель может быть однопоточным (рисунок 1.3) и

двухпоточным (рисунки 1.4-1.5).

Размеры и типы некоторых рекуперативных воздухоподогревателей энергетических

котлов:

- для котла Е-300-13,8-560 БТ:

1) воздухоподогреватель двухпоточный, в рассечку; три куба;

2) высота первого по ходу газов воздухоподогревателя-3300мм, высота второго и третьего

воздухоподогревателя- 4500мм;

3) ширина по фронту котла: 4600мм;

4) глубина: 8800мм.

- для котла Е-290-13,8-560 КТ:

1) воздухоподогреватель однопоточный, в рассечку, три куба;

2) высота первого воздухоподогревателя- 3315 мм, высота второго и третьего

воздухоподогревателя-4020мм;

3) ширина по фронту котла: 3700мм;

4) глубина: 1110мм.

- для котла Е-220-13,8-540 КТ:

1) воздухоподогреватель однопоточный, одноступенчатый; три куба;

2) высота первого воздухоподогревателя- 5032мм, высота второго и третьего

воздухоподогревателя-5032мм;

3) ширина по фронту котла-3892мм;

4) глубина: 6960мм.

Основные задачи при проектировании трубчатого рекуперативного

воздухоподогревателя: интенсификация теплообмена и создание компактных

малогабаритных элементов с умеренной затратой металла, которые бы в процессе

эксплуатации подвергались минимальным золовому износу, загрязнениям и

коррозионным повреждениям [4].

Трубчатый рекуперативный воздухоподогреватель работает в условиях, отличных от

условий работы элементов водопарового тракта. В трубчатом воздухоподогревателе

наименьший температурный напор, масса трубчатого воздухоподогревателя составляет

20-30% от общей массы котла [4].

Воздух в трубчатом воздухоподогревателе - среда с малым содержанием водяных

паров. Дымовые газы в зависимости от влажности топлива и содержания в нем водорода

обычно содержат большое количество водяных паров, трехатомных газов, и избыточный

воздух, поэтому объем и теплоемкость дымовых газов выше, чем у воздуха. В результате

отношение водяных эквивалентов воздуха и дымовых газов m=(VC)

/(VC)

в трубчатом

воздухоподогревателе всегда меньше единицы, это означает, что воздух в трубчатом

воздухоподогревателе нагревается быстрее, чем охлаждаются в нем дымовые газы. При

охлаждении дымовых газов на 1˚C воздух нагревается на 1,2-1,5˚C, поэтому по мере

нагрева воздуха температурный напор, определяющий интенсивность теплообмена,

уменьшается и на горячем конце трубчатого воздухоподогревателя достигает

минимального значения, которое с точки зрения экономии метала на его изготовление

должно быть не менее 30˚C [4].

С целью приближения перекрестной схемы тока теплообменивающихся сред к

наивыгоднейшей с точки зрения температурного напора и экономии металла на

изготовление трубчатого воздухоподогревателя число ходов целесообразно увеличить до

3-5 [2].

Скорость дымовых газов должна соответствовать требованиям обеспечения

надежности эксплуатации трубчатого воздухоподогревателя по условиям золового износа,

с одной стороны, и отсутствии заноса летучей золой, с другой, при высокой

эффективности теплообмена и невысоком аэродинамическом сопротивлении [2].

Скорость дымовых газов в трубчатых воздухоподогревателях во избежание

забивания теплообменных труб летучей золой или липкими отложениями должна быть не

ниже 8 м/с [1].

Сущность золового износа заключается в том, что крупные частицы золы или

несгоревшего топлива, обладающие достаточной твердостью и остротой граней, при

ударах о стенку трубы непрерывно срезают с поверхности микроскопически малые слои

металла, постепенно уменьшая в этом месте толщину стенки трубы [4].

При продольном движении дымовых газов внутри теплообменных труб ТВП золовой

износ происходит на входном участке длиной 150-200 мм за счет удара крупных частиц

золы о стенку после счет сужения струи на входе, далее поток дымовых газов

стабилизируется, и крупные частицы двигаются параллельно стенке (рисунок 1.6) [4].

М е с т а н а и б о л ь ш е г о

а б р а з и в н о г о и з н о с а

1 – верхняя трубная доска; 2 - теплообменная труба

Рисунок 1.6 - Абразивный износ входных участков теплообменных труб ТВП

Интенсивность золового износа входных участков теплообменных труб определяется [4]:

• абразивностью частиц золы, которая зависит от содержания в золе SiO

и Al

При (SiO

+Al

) > 60% интенсивность золового износа существенно возрастает;

• кинетической энергией отдельных частиц золы или несгоревшего топлива, которая

зависит от квадрата скорости дымовых газов - w

;

• количеством частиц, проходящих у поверхности в единицу времени, которое

зависит от концентрации золы µ

зл

в потоке дымовых газов и является

возрастающей функцией от скорости дымовых газов - w

;

• неравномерностью концентраций золы в потоке к

и скоростей дымовых газов в

рассматриваемом сечении к

Золовой износ входных участков теплообменных труб ТВП [1]:

τµ

⋅

⋅⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅⋅⋅⋅⋅=

041,0

37 еkw

кaJ

зг

зл

, (1.3)

где

- коэффициент абразивности золы, м

/Н;

- коэффициент, учитывающий неравномерность концентрации золы;

- концентрация золы в дымовых газах, г/м

;

- расчетный ресурс трубы, ч;

- коэффициент, учитывающий неравномерность поля скоростей дымовых газов;

- коэффициент, учитывающий отношение расчетной скорости дымовых газов при

номинальной нагрузке котла к скорости при среднеэксплуатационной нагрузке;

- скорость дымовых газов, м/с;

- коэффициент, учитывающий особенности защиты труб от золового износа;

- угол между вектором скорости потока и продольной осью трубы.

Формула (1.3) позволяет определить время массового появления сквозного износа

входных участков труб или при заданном времени эксплуатации оценить допустимую

скорость и необходимость установки защитных устройств [1].

Основные способы снижения интенсивности золового износа поверхности нагрева ТВП

[4]:

• снижение скорости дымовых газов до предельно допустимых по условиям

золового износа значений;

• установка защитных устройств (рисунок 1.7) на входном участке теплообменных

труб. Защитные устройства являются съемными и при очередном останове и

осмотре котла в случае износа могут быть легко заменены новыми.

( 3 . . . 4 ) • d

б е т о н

Рисунок 1.7 - Защитные устройства

Оптимальная скорость дымовых газов в трубчатых воздухоподогревателях находится в

пределах 10-13 м/с [2]. Скорость воздуха в трубчатых рекуперативных

воздухоподогревателях определяется по формуле [2]:

гв

ww ⋅= 5,0

(1.4)

При таком соотношении скоростей дымовых газов и воздуха эффективность

теплообмена с воздушной стороны все еще остается выше эффективности теплообмена с

газовой стороны, а аэродинамическое сопротивление воздушного тракта существенно

снижается [2].

Трубчатый воздухоподогреватель работает в зоне наиболее низких температур

дымовых газов, и это приводит к тому, что часть его поверхности (холодная часть)

приобретает температуру, равную или меньшую температуры точки росы дымовых газов.

В этих условиях холодная часть трубчатого воздухоподогревателя покрывается влажной

агрессивной пленкой и подвергается низкотемпературной сернокислой коррозии [4].

Определяющим фактором интенсивности низкотемпературной сернокислой коррозии

является наличие в потоке дымовых газов паров серной кислоты H

. При горении серы

в зоне ядра факела образуется сернистый ангидрид SO

. В дальнейшем при наличии

некоторого избытка воздуха SO

частично доокисляется в SO

атомарным кислородом O”,

образующимся в зоне факела за счет цепных реакций горения и термической

диссоциации. Сернистый ангидрид SO

может разрушаться, но только при очень высоких

температурах. Общий процесс образования и разложения SO

в зоне факела можно

выразить следующим образом [4]:

2232

5,0

OSOSOOSO

⎯

→

⎯

→

⎯

′′

, (1.5)

где

- константы скорости прямой и обратной реакций, при этом

kk >

В итоге на границе ядра факела образуется значительная концентрация SO

, которая

после завершения горения снижается в результате постепенного разложения SO

. Однако

по мере снижения температуры дымовых газов этот процесс тормозится и практически

прекращается при температуре 1200-1250˚C. Чем быстрее происходит охлаждение газов,

тем выше будет остаточная концентрация SO

[4].

При дальнейшем прохождении дымовыми газами конвективных поверхностей

нагрева может происходить увеличение концентрации SO

. Катализаторами процесса

доокисления SO

в SO

являются отложения на поверхностях нагрева, в том числе и

частицы сажи [4].

В зоне температур газов ниже 500˚C начинается образование паров серной кислоты

за счет реакции SO

с водяными парами, находящимися в потоке дымовых газов. Этот

процесс завершается при температуре 250˚C [4].

При сжигании твердого топлива в потоке дымовых газов находится большое

количество частиц летучей золы. В результате взаимодействия паров серной кислоты с

летучей золой концентрация паров серной кислоты в потоке дымовых газов снижается [4].

Коррозия поверхности нагрева

трубчатого воздухоподогревателя может начаться

при условии, если температура стенки и пограничного слоя окажется ниже температуры

точки росы дымовых газов, которая зависит от концентрации паров серной кислоты в

потоке дымовых газов [4].

Минимальная по разверке температура стенки трубчатого воздухоподогревателя [1]:

αα

αϑα

+⋅

′

⋅+⋅⋅

вп

вн

мин

ух

мин

ст

, (1.6)

где

- коэффициент теплоотдачи от потока дымовых газов к стенкам труб, Вт/(м×К);

мин

ух

- минимальная по разверке температура уходящих газов, ˚C;

вн

- внутренний диаметр труб, м;

- наружный диаметр труб, м;

- коэффициент теплоотдачи от стенок труб к потоку воздуха, Вт/(м×К);

вп

′

- температура воздуха на входе в трубчатый воздухоподогреватель, ˚C.

Методы снижения интенсивности низкотемпературной коррозии и повышения

коррозионной стойкости поверхности нагрева трубчатых воздухоподогревателей [4]:

• cнижение концентрации паров серной кислоты в дымовых газах c помощью:

- присадки в топливо доломита CaMg[CO

]

. Присадка доломита осуществляется за

газоходом пароперегревателя. При сжигании твердого топлива присадка доломита

составляет 1-3% от расхода топлива, а при сжигании мазута - 0,1-0,3%;

- присадки в газоходы котла газообразного аммиака NH

. Присадка газообразного

аммиака составляет 0,06-0,08% от расхода топлива. Недостатки данного способа:

возможен прорыв непрореагировавшего аммиака из газоходов котла, соединения

аммиака дают липкие отложения;

- сжигания мазута с минимальным избытком воздуха (α

=1,01-1,03). Основной

недостаток данного способа - увеличение механического недожога топлива;

• изготовление холодной части воздухоподогревателя из коррозионностойких

материалов (чугун, легированная сталь, стекло, керамика);

• повышение температуры стенки холодной части трубчатого воздухоподогревателя

выше температуры точки росы дымовых газов с помощью:

- предварительного подогрева воздуха в паровом калорифере (рисунок 1.7).

Предварительный подогрев воздуха осуществляется в паровых калориферах

(трубчатых теплообменниках), размещаемых между напорной стороной дутьевого

вентилятора и входной ступенью трубчатого воздухоподогревателя. Внутрь

трубчатой системы подают пар из отбора турбины при температуре около 120˚C,

снаружи она омывается поперечно потоком воздуха;

1 - выход горячего воздуха; 2 - трубчатый рекуперативный воздухоподогреватель; 3 -

вход пара; 4 - калорифер; 5 - дутьевой вентилятор; 6 - вход холодного воздуха.

Рисунок 1.7 - Схема предварительного подогрева воздуха в паровом калорифере

- предварительного подогрева воздуха в системе экономайзер низкого давления -

калорифер (рисунок 1.8). В системе экономайзер низкого давления - калорифер

предварительный подогрев воздуха осуществляется в калорифере водой

экономайзера низкого давления. Во избежание загрязнения конденсата

продуктами коррозии систему выполняют замкнутой, в которой с помощью

насоса циркулирует деаэрированная вода. Температура воды несколько выше

температуры точки росы дымовых газов, что исключает коррозию экономайзера

низкого давления;

1 - экономайзер высокого давления; 2 - выход горячего воздуха; 3 - трубчатый

рекуперативный воздухоподогреватель; 4 - калорифер; 5 - дутьевой вентилятор; 6 - вход

холодного воздуха; 7 - экономайзер низкого давления; 8 - циркуляционный насос.

Рисунок 1.8 - Схема предварительного подогрева воздуха в системе экономайзер низкого

давления – калорифер

- рециркуляции горячего воздуха во всасывающий патрубок дутьевого

вентилятора (рисунок 1.9)

1 - линия рециркуляции воздуха; 2 - выход горячего воздуха; 3 - трубчатый

рекуперативный воздухоподогреватель; 4 - дутьевой вентилятор; 5 - вход холодного

воздуха.

Рисунок 1.9 - Схема предварительного подогрева воздуха за счет

рециркуляции

воздуха во всасывающий патрубок дутьевого вентилятора

- использования каскадного воздухоподогревателя (рисунок 1.10). В

каскадном воздухоподогревателе (КВП) все кубы, кроме входного, по воздуху

обогреваются полным расходом дымовых газов и охлаждаются полным

расходом воздухом. Для предотвращения или ослабления

низкотемпературной коррозии в холодной части создаются условия работы,

при которых температура стенки превышала бы точку росы дымовых газов.

Эти условия создаются выделением

выходного по дымовым газам и входного

по воздуху куба, работающего на полном расходе дымовых газов и малом

расходе воздуха. Холодный воздух делится на два потока. Меньший (30-40%

расхода) проходит через калорифер и последовательно включенную с ним

каскадную ступень воздухоподогревателя; второй поток большой (70-60%

расхода), байпасируется и смешивается с первым после каскадной ступени.

Температура воздуха в калорифере и каскадной ступени возрастает быстрее в

связи с малым расходом воздуха, соответственно дымовые газы в каскадной

ступени охлаждаются меньше, а их температура выше.

1 - выход горячего воздуха; 2 - трубчатый воздухоподогреватель; 3 - смеситель; 4 -

вход пара; 5 - калорифер; 7 - дутьевой вентилятор; 8 - вход холодного воздуха

Рисунок 1.10 - Каскадный воздухоподогреватель

В настоящее время применяются следующие методы снижения интенсивности

низкотемпературной коррозии [4]:

• сжигание мазута с минимальным избытком воздуха;

• предварительный подогрев воздуха в паровом калорифере;

• рециркуляция горячего воздуха во всасывающий патрубок дутьевого вентилятора

;

• использование каскадного воздухоподогревателя.

При любом методе повышения температуры стенки поверхности нагрева трубчатого

воздухоподогревателя в качестве дополнительного мероприятия целесообразно выделить

его холодную часть в отдельную секцию, в которой происходит наибольший

коррозионный износ. Ремонт такого трубчатого воздухоподогревателя упрощается, так

как заменяется только выделенная секция [4].

Расчет ступени трубчатого воздухоподогревателя состоит из

следующих расчетов:

• тепловой расчет ступени ТВП;

• расчет температуры точки росы дымовых газов и минимальной по разверке

температуры стенки (выполняется только для холодной ступени ТВП).

Тепловой расчет трубчатого воздухоподогревателя выполняется как конструктивный и

производится в соответствии с нормативным методом [1].

Особенности теплового расчета горячей ступени трубчатого воздухоподогревателя.

В соответствии с рекомендациями [1] в горячей ступени (при средней температуре

дымовых газов более 300˚C) учитывается теплообмен излучением.

Эффективная толщина излучающего слоя при течении дымовых газов внутри труб

горячей ступени трубчатого рекуперативного воздухоподогревателя рассчитывается по

формуле:

0,9

вн

d=⋅

, м (1.7)

где

вн

- внутренний диаметр трубы, м.

Абсолютная температура загрязнений внутренней поверхности труб горячей ступени

трубчатого рекуперативного воздухоподогревателя рассчитывается по формуле:

273

, К (1.8)

где

- средние температуры дымовых газов и воздуха в горячей ступени трубчатого

рекуперативного воздухоподогревателя, ˚C.

Структурная схема расчета ступени трубчатого воздухоподогревателя представлена на

рисунке 1.11.