Конструкция пароперегревателей и их компоновка

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО  «ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Энергетический  институт 
 
 
 
 

Реферат

по котельным установкам на тему:

«Конструкция пароперегревателей и их компоновка». 
 
 
 
 

                                              Выполнил студент  ЭУЭ-08

                                              Заворина Е.А.

                                              Проверил преподаватель

                                              Стрельников А. С. 
 

Чита,2009.

Содержание:

 Введение;

1. Виды пароперегревателей;

2. Компоновка пароперегревателей;

Заключение;

Список литературы.

Введение 

    Пароперегреватели — устройства повышающие температуру  пара выше температуры насыщения при этом давление перегреваемого пара не изменяется.

    Применение  пароперегревателей позволяет расширить  технологии возможности используемых предприятиями парогенераторов  и паровых котлов, использование перегретого пара позволяет значительно поднять КПД паровой установки.

    Пароперегреватель должен быть оборудован манометром, предохранительным клапаном, запорным вентилем для отключения пароперегревателя от паровой магистрали и прибором для измерения температуры перегретого пара.

    В этом реферате мы рассмотрим виды перегревателей, их конструкцию и компоновку. 

1. Виды пароперегревателей

    Пароперегреватель предназначен для перегрева поступающего в него насыщенного пара до заданной температуры его перегрева. Он является одним из наиболее ответственных элементов котла, так как температура пара здесь достигает наибольших значений и металл перегревателя работает в условиях, близких к предельно допустимым.

    Существует  множество квалификаций парогенераторов. Рассмотрим одну из них.

    По  виду тепловосприятия и конструкции  различают пароперегреватели:

• конвективные, располагаемые в конвективных газоходах котла и получающие теплоту, главным образом, конвекцией;
• радиационные, размещаемые на стенах и потолке топочной камеры и горизонтального газохода и получающие теплоту, в основном, радиацией от высоконагретых газов;
• полурадиационные, находящиеся в верхней части топки на входе в горизонтальный газоход и выполняемые в виде плоских ширм или лент, 
  собранных из пароперегревательных труб, находящихся друг за другом 
  в одной плоскости.

    По  назначений пароперегреватели делят  на основные(первичные), в которых перегревается пар высокого или, сверхкритического давления, и промежуточные- для повторного (вторичного) перегрева пара, частично отработавшего в турбине.

    В мощных котельных агрегатах высокого давления различают также первичный и промежуточный пароперегреватели. В первичном пароперегревателе осуществляют первичный перегрев произведенного котлом пара перед подачей его в турбину. В промежуточном пароперегревателе повторно перегревают пар, после того как он проходит часть высокого давления турбины, до температуры, близкой к начальной. 
 
 
 
 
 

Рис. 1.1.. Типы конвективных змеевиков пароперегревателя: а — однорядный: двухрядный; в — четырехрядный; г — многорядный (ленточный). 


    Конвективные  пароперегреватели  размещаются 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. Такие перегреватели выполняют из стальных труб наружным диаметром 32-42 мм для высокого и сверхкритического давления и толщиной стенки 5-7 мм. В промежуточных пароперегревателях при более низком давлении пара используют диаметр труб 42-50 мм при толщине стенки 4-5 мм.

    Обычно  для пароперегревателей применяют  гладкие трубы, они технологичны в производстве, мало подвержены наружным отложениям и легче от них освобождаются. Недостатком гладкотрубных поверхностей нагрева — невысокое тепловосприятие при умеренных скоростях газового потока. Из труб пароперегревателя образуют змеевики с радиусами гибов труб не менее 1,9 d. Концы змеевиков приваривают к коллекторам круглого сечения. Так образуются эмеевиковые пакеты перегревателя. Расстояние между рядами змеевиков (вдоль коллектора) составляет S1 = (2 - 5)d. Различают змеевики одно-двух и многорядные (рис. 1.1). Они отличаются числом параллельных труб, образующих змеевик. При большой мощности котла пароперегреватели выполняют обычно в 3-4 ряда труб. При этом затрудняются условия для приварки концов труб к коллектору, увеличивается число сверлений в нем и снижается его прочность. Поэтому при увеличенном числе труб в ряду переходят на использование двух коллекторов для образования змеевика. 


А-А

 
 


Рис. 1.2. Расположение и конструкции ширмового пароперегревателя: а — расположение ширм на выходе из топки; б — обвязка труб ширмы; в — вид цельносварной ширмы: 1 — ширма; 2 — входной и выходной коллекторы; 3 — обвязочные трубы.

    Для надежной работы пароперегревателя, помимо обеспечения достаточной скорости потока пара и его равномерной температуры по параллельно включенным змеевикам, необходимо осуществить наиболее рациональную схему включения пароперегревателя по ходу потока продуктов сгорания. В зависимости от направления движения потоков пара и продуктов сгорания различают пароперегреватели:

    -прямоточные  (направления движения греющей  и нагреваемой среды совпадают);

    -противоточные  (направления движения сред противоположны);

    -комбинированные (смешанные), (рис. 1.3).

а) б) д) г)

                Рис. 1.3. Схемы движения пара и продуктов сгорания в конвективных пароперегревателях: а — противоточное;  б — прямоточное; в и г — смешанное. 


    В противоточном пароперегревателе  достигается наибольший температурный напор между продуктами сгорания и паром, что уменьшает необходимую поверхность нагрева пароперегревателя и соответственно снижает расход на него металла. Недостатками противоточной схемы являются размещение последних по ходу пара частей змеевиков в области наиболее высоких температур продуктов сгорания и тяжелые температурные условия работы металла труб. При прямоточном пароперегревателе температурный напор меньше, чем при противоточном, однако условия работы металла труб лучше, так как части змеевиков с наибольшей температурой пара обогреваются продуктами сгорания, охлажденными на входных участках змеевиков.

    Оптимальной является смешанная схема включения пароперегревателя, при которой большая и первая по ходу пара часть перегревателя выполняется противоточной, а завершение перегрева пара происходит во второй его части при параллельном токе. При этом в части змеевиков, расположенных в области наибольшей тепловой нагрузки пароперегревателя, в начале газохода, будет умеренная температура пара, а завершение перегрева пара происходит при меньшей тепловой нагрузке. Соотношение противоточной и прямоточной частей пароперегревателя выбирается из условия одинаковых температур металла в начале и конце змеевика прямоточной части пароперегревателя. При выполнении пароперегревателя из обычной углеродистой стали температура пара в конце противоточной части пароперегревателя должна быть не выше 400—425 °С.

    Ширмовые пароперегреватели по конструкции представляют собой систему из большого числа вертикальных труб (14 -50 штук), имеющих один гиб на 180°С и образующих широкую плоскую ленту, которая имеет опускной и подъемный участки (рис.1. 2). Их размещают на выходе из топочной камеры на заметном удалении друг от друга (шаг ширм S1 = 550 - 700 мм, то есть порядка (17 - 22)d для исключения возможности зашлакования газовых коридоров между ними. Газовый поток движется вдоль плоских ширм и передает теплоту трубам ширм радиационным и конвективным путем. Для исключения выхода отдельных труб из плоскости ширмы выполняют перевязку труб ширм в двух уровнях по высоте за счет вывода из ряда двух крайних (лобовых) труб и пропуске их с двух сторон снаружи ленты горизонтально за последний подъемный ряд труб (рис. 1.2, б). На горизонтальном участке эти трубы связаны между собой проставками и строго фиксируют остальные трубы в одной плоскости.

    Ширмовые  пароперегреватели являются радиационно-конвективными  поверхностями, их тепловосприятие складывается из значительной доли радиационного излучения от ядра факела и раскаленных газов в объеме между

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 


    Рис. 1.4. Вертикальный ширмовый перегреватель: а – клинообразная форма низа ширмы; б – горизонтальная форма низа ширмы; 1 – труба ширмы; 2 – камера (коллекторы); 3 – обвязочные трубы; 4 – хомут. 


    ширмами и доли конвективного теплообмена, так как газы омывают ширмы продольнопоперечным потоком со скоростью 5-8 м/с. Ширмовые перегреватели обычно получают 20-40% всего тепловосприятия пароперегревателя. В последнее время ширмы стали выполнять не из гладких, а плавниковых труб, либо из гладких труб с вваренными между ними проставками; получаются так называемые цельносварные ширмы (рис. 1.2, в). Такие ширмы меньше шлакуются, легче очищаются от наружных загрязнений, трубы ширм не выходят из ранжира.

    Радиационные пароперегреватели выполняют настенными и обычно размещают в верхней части топки, где ниже тепловые потоки. Радиационный пароперегреватель барабанного парового котла обычно занимает потолок топки, а если этого недостаточно, то его размещают и на вертикальных ее стенах (см. рис. 1.5). Настенные перегреватели, выполненные в виде панели на всю высоту топки (вместо экранных испарительных труб), оказываются менее надежными, так как отвод тепла от металла к пару во много раз слабее, чем к кипящей воде.

 


Рис. 1.5.. Схема движения пара в котле высокого давления с естественной циркуляцией: 1 — барабан; 2 — настенная радиационная панель перегревателя; 3 —разводка труб для горелки; 4 — потолочный пароперегреватель; 5 — ширмовый пароперегреватель; 6 — необогреваемые перепускные трубы; 7 и 8 — змеевики вертикального и горизонтального пакетов перегревателя; 9 — подвесные трубы; 10 — камера перегретого пара. 


Особенно  тяжелый режим имеет металл труб настенного перегревателя при сниженных нагрузках, когда расход пара в трубах заметно снижается. Радиационные панели перегревателя в зоне, закрытой топочными экранами располагают поверх экранных труб в верхней части топки.

    В прямоточных паровых котлах радиационные поверхности пароперегревателя обычно полностью занимают верхнюю часть топки (ВРЧ), потолок и стены горизонтального газохода.

    На  мощных энергетических блоках применяется  промежуточный перегрев пара. Учитывая относительно низкое давление пара, поступающего из цилиндра паровой турбины (3-4 МПа), гидравлическое сопротивление пакетов промежуточного пароперегревателя должно быть небольшим (0,2-0,3 МПа). Это ограничивает массовую скорость пара и при большом удельном объеме его требует применения труб большого диаметра, что снижает коэффициент теплоотдачи от стенки к пару. Низкие значения внутреннего коэффициента теплоотдачи, особенно в выходной его части, вызывают в ряде случаев недопустимое повышение температуры перлитной стали, из которой выполняется пароперегреватель. Для обеспечения надежности такого пароперегревателя его располагают в зоне умеренного обогрева (температура газов на входе не выше 850°С). Интенсифицировать внутренний теплообмен можно применением труб с внутренним продольным винтовым оребрением. Такая конструкция заметно увеличивает поверхность внутреннего теплообмена и повышает турбулентность потока.

    Изготовляют пароперегреватели из стальных труб наружным диаметром от 28 до 42 мм, изгибаемых в змеевики большей частью с вертикальным расположением их. Скорость пара в трубах пароперегревателя выбирают, исходя из условия обеспечения надежности температурного режима труб, руководствуясь значениями массовой скорости для первичных пароперегревателей 500—1 200 кг/м²*ч. При выборе скорости движения пара учитывают, что гидравлическое сопротивление пароперегревателя не должно превышать 10% рабочего давления пара. Большинство пароперегревателей имеет специальное устройство для регулирования температуры пара.

    Радиационные  пароперегреватели работают с большими тепловыми нагрузками, поэтому температура металла их труб выше, чем у конвективных пароперегревателей, и превышает температуру пара на 100—150 °С. В связи с этим радиационные пароперегреватели обычно применяют для частичного перегрева пара, завершение которого осуществляется в конвективном пароперегревателе. Надежное охлаждение труб достигается применением высокой скорости пара (до 30 м/с).

    Преимуществами  радиационных пароперегревателей являются меньшая, чем у конвективных пароперегревателей, удельная площадь поверхности нагрева и отсутствие сопротивлений по газовой стороне. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


2. Компоновка пароперегревателей

    Обеспечить  паром производственный цех, как  и любой другой объект, можно двумя  способами: воспользоваться услугами централизованной тепловой сети или оборудовать предприятие автономным парогенератором. Недостатки обоих способов очевидны: в первом случае компании придется оплачивать услуги поставщика и устройство паропровода (при этом подача пара может быть нестабильной, а его качество — не соответствовать технологическим требованиям); во втором — покупка, установка и эксплуатация собственного парогенератора потребуют соответствующих затрат. Данные затраты можно минимизировать, подобрав парогенератор, точно соответствующий потребностям того или иного предприятия. Далеко не везде необходимо устанавливать агрегаты производительностью тонны пара в час, да и качество требуемого пара может быть разное, в зависимости от его предназначения.

    Поскольку тепловосприятие пароперегревателя  при высоком и сверхкритическом давлении пара достаточно большое (35% и более общего тепловосприятия поверхностей котла), его выполняют комбинированным, включающим все три вида (радиационный настенный, полурадиационный ширмовой и змеевиковый конвективный). На рис. 1.5 показан один из первоначальных вариантов такого комбинированного пароперегревателя на барабанных котлах высокого давления.

    В целях обеспечения надежности работы металла поверхностей следует учитывать, что радиационный пароперегреватель как правило, получает тепло из области топки, где высокие тепловые потоки, что определяет заметное превышение температуры наружной поверхности трубы по отношению к температуре проходящего по ней пара и разверку температур в отдельных (более сильно обогреваемых) трубах по сравнению со средней расчетной.

    Поэтому обычно радиационная часть пароперегревателя  имеют место на начальном этапе перегрева пара, когда его температура еще невелика, что облегчает условия работы металла. Также с достаточно высокими средними тепловыми напряжениями и в условиях заметной неравномерности температур газового потока работают полурадиационные поверхности, которые обычно располагают в средней зоне перегрева пара. Завершающий этап перегрева осуществляют в змеевиковых конвективных пакетах, расположенных в зоне более низких температур газов и тепловых потоков, но так, чтобы температурный напор в выходном («горячем») пакете был не ниже 200-250°С, иначе поверхность пакета, выполненного из наиболее качественной легированной стали, будет чрезмерно большой.

    Часто первый конвективный («холодный») пакет  устанавливают также в зоне умеренных температур газов. Это позволяет использовать для выполнения пакета более дешевую углеродистую сталь (при температуре стенки = < 450°С). На рис. 2.1 приведены характерные типы компоновок паро-перегревательных поверхностей для барабанных котлов высокого давления пара (БД) и прямоточных котлов сверхкритического давления (СКД). Вариант (рис. 2.1,а) характерен для котлов относительно небольшой паропроиз-водительности (D < 116,6 кг/с) при давлении пара ρ < 13,8 МПа. Такие паровые котлы не имеют промежуточного пароперегревателя, а пароперегреватель ВД располагается на выходе из топки и в горизонтальном газоходе. Вариант компоновки (рис. 2.1, б, в) применяется на барабанных и прямоточных котлах электрической мощностью 200-300 МВт (D = 186—278 кг/с) с промежуточным перегревом пара. При этом на прямоточных котлах перегрев пара начинается в экранах средней (СРЧ) и верхней (ВРЧ) радиационных частей топки, как показано на рис. 2.1,в. Здесь выходная («горячая») ступень пароперегревателя ВД или СКД вынесена в верхнюю часть опускной конвективной шахты, где исключается интенсивное прямое тепловое излучение из ядра факела в топке и ниже температура греющих газов.

    На  газомазутных (барабанных и прямоточных) котлах горизонтальный газоход может быть развит в глубину (по ходу газов), тогда, в основном, поверхности пароперегревателя (высокого давления и промежуточного перегрева) размещаются в нем (рис. 2.1,б,г). Они выполнены вертикальными и подвешены за коллектора, находящиеся в уплотнительном коробе. Такое расположение облегчает систему крепления тяжелых змеевиковых пакетов и обеспечивает наименьшее загрязнение труб снаружи эоловыми частицами. На рис. 2.1, г показан вариант компоновки поверхностей пароперегревателя газомазутного котла СКД большой мощности, отличающийся байпа-сированием по пару части поверхности промежуточного пароперегревателя в целях регулирования температуры пара. В этом случае общая поверхность такого пароперегревателя увеличивается, он занимает значительную часть конвективной шахты, а выходная его ступень размещается в конце горизонтального газохода.

    Во  всех случаях пароперегреватель  ВД или СКД размещен по тракту газов раньше промежуточного пароперегревателя (в зоне более высоких температур газов). Так как плотность пара в промежуточном пароперегревателе и интенсивность теплоотвода от стенки к пару здесь заметно ниже, чем при ВД, его размещают в зоне температур газов не выше 850°С. 
 
 
 
 


из ППТО      с

в ЦДВ в ЦНД

изЦВД

 


Рис. 2.1. Компоновка пароперегревателей в барабанных и прямоточных паровых котлах: а — в барабанном котле высокого давления; б — то же в котле большой мощности; в — в прямоточном котле при сверхкритическом давлении и сжигании твердого топлива; г — то же при сжигании газа и мазута; 1 — топочная камера; 2 — конвективная шахта; 3 — радиационный потолочный и настенный пароперегреватель; 4 — радиационные топочные панели; 5 — уплотнительный короб потолка котла (шатер). Виды пароперегревателей: ШП — полурадиационный ширмовьш; ЛП — ленточный; КП — змеевиковый конвективный; ПрП — промежуточный. Другие обозначения: НРЧ — нижняя радиационная часть; СРЧ — средняя радиационная часть; ВРЧ — верхняя радиационная часть; ЦВД — цилиндр высокого давления турбины; ЦНД — цилиндр низкого давления турбины; ППТО — паро-паровой теплообменник.

Заключение

    Пароперегреватели предназначаются для перегрева  насыщенного пара, поступающего из испарительной системы котла, а в установках высокого давления они применяются также для дополнительного вторичного перегрева пара, частично отработавшего в цилиндре высокого давления турбины. Пароперегреватель является одним из основных теплоиспользующих элементов котла и работает в наиболее тяжелых условиях.

    С повышением параметров пара роль и значение пароперегревателя возрастают. Он выполняет важную функцию, так как благодаря нему можно увеличить КПД паровой установки, а так же сократить денежные расходы кампании.  
 
 


 


Список  литературы:

1. Зах,Р.Г. Котельные установки/Р.Г. Зах.- М.: Энергия,1968.-158 с.

2.  Липов,Ю.М.  Котельные установки и парогенераторы/Ю.М.Липов,  Ю.Н.         

     Третьяков.- М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»,2006.-66 с.

3. Сидельковский,  Л.Н. Котельные установки промышленных  предприятий/Л.Н.Сидельковский, В.Н. Юренев.-М.:Энергия,1978.-387 с.

4. http://albamakina.ru/file/katalog.pdf

5. http://www.interblock.ru/power-engineering/equipment/tgh-horizontal/