Опыт разработки технических решений при проектировании пароводяного тракта котла среднего давления с П-образной горизонтальной компоновкой
Шварц А. Л., доктор техн. наук, Галецкий Н. С., Шмуклер Б. И. , кандидаты техн. наук, Щелоков В. И., Евдокимов С. А., Отт О. Б., Чугреев А. А.
В настоящее время в энергетике России эксплуатируются несколько сотен физически и морально устаревших котлов среднего давления. В связи с этим возникает проблема замены устаревшего оборудования на новое при сохранении существующих габаритов котельных ячеек. Одним из вариантов такого решения может быть использование компактной конструкции котла с горизонтальной компоновкой. При успешной реализации замещения старых котлов, проводимой на одной из ТЭЦ АО Мосэнерго, подобный способ техперевооружения приобретает отраслевое значение.
Для замены устаревшего котельного оборудования Подольский машиностроительный завод разработал проект замещающего барабанного котла среднего давления с естественной циркуляцией паропроизводительностью 160 т/ч и давлением в барабане 44 кгс/см2. Определенные техническим заданием на замещающий котел жесткие требования по его экономичности, значительному увеличению паропроизводительности по сравнению с заменяемыми котлами и размещению его в существующей стесненной котельной ячейке привели к необходимости создания котла новой конструкции. Главной особенностью его конструкции является П-образная горизонтальная компоновка (рис. 1), единственно удовлетворяющая требованиям, накладываемым техническим заданием. Горизонтальная компоновка котла оказывает влияние на состав элементов пароводяного тракта, их конструкцию и условия работы. Во-первых, оказываются ограниченными по высоте все вертикальные поверхности нагрева (около 10 м). Далее, сочетание вертикальных топочных панелей с горизонтальной топкой затрудняет определение тепловосприятий отдельных панелей по глубине топки и в связи с этим оценку надежности циркуляции. Необходимость размещения поверхностей нагрева экономайзера в ограниченном по высоте газоходе заставила отказаться от обычной для экономайзера змеевиковой конструкции с подъемным движением воды в пользу плоских вертикальных панелей с подъемно-опускным движением среды. Горизонтальные газоходы котла оказались удобными и для размещения вертикальных конвективных испарителей с достаточно сложной раздачей воды по трубам через промежуточные коллекторы.
Далее рассматривается комплекс теплогидравлических расчетов и технических решений, направленных на обеспечение надежности и оптимизацию конструкции элементов пароводяного тракта котла, с учетом особенностей, вызванных его горизонтальной компоновкой.
Для расчетов циркуляции, в первую очередь, следовало распределить общее тепловосприятие топочных экранов по отдельным панелям, входящим в циркуляционные контуры. С этой целью использовались результаты расчетных исследований топочного процесса на математической модели, созданной на кафедре парогенераторостроения МЭИ, которая является разработчиком предложения по профилю котла. Они показали, что наибольших значений удельные тепловосприятия экранов достигают в зоне, примыкающей к горелочным устройствам (фронт топки). С увеличением расстояния от торцевой стены тепловосприятия немонотонно снижаются. Коэффициенты неравномерности тепловосприятий по глубине топки принимались от 1,3 в зоне горелок до 0,7 для заднего экрана.
Далее распределение тепловосприятий между экранными панелями топки производилось пропорционально лучевоспринимающей поверхности панели и изменению воспринятого теплового потока по глубине топочного пространства. Снижение тепловосприятий в панелях топки, расположенных поперечно ходу газов, как специфическая особенность рассматриваемого котла, внесло некоторую неопределенность в выборе наименее обогреваемой трубы в панели при оценке надежности циркуляции по застою и опрокидыванию.
Как известно, для обычных камерных топок минимальный коэффициент неравномерности тепловосприятия разверенной трубы элемента принимается в зависимости от числа элементов, расположенных на рассчитываемой стене топки (Гидравлический расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1978). Однако в горизонтальной топке с вертикальными панелями наименее обогреваемой всегда будет последняя труба панели.
Рис. 1. П-образная горизонтальная компоновка котла (поперечный разрез)
Рис. 2. Исходная циркуляционная система котла
В таком случае, как показали расчеты, коэффициент Кин в пределах панели всегда больше нормативного значения. Вместе с тем, учитывая возможную специфику аэродинамики
мин
горизонтальной топки, значения цт принимались нормативными. Это обеспечивает дополнительный запас надежности.
Распределение тепловосприятий между экранными панелями газоходов, предусмотренных в исходной циркуляционной системе котла, производилось пропорционально площади поверхности нагрева и температуре газов в месте ее расположения. Значения коэффициентов Кт™ принимались нормативными применительно к топочным элементам, а для испарителей И1 и И2 - применительно к конвективным элементам.
Что касается водяного экономайзера, то подъемно-опускная схема движения среды может вызвать ненадежную его работу в пусковых режимах. Обычно при растопке барабанного котла питание водой в течение некоторого времени не требуется и при этом наблюдается временное закипание воды в экономайзере. Для экономайзера змеевиковой конструкции с подъемным движением воды оно не приводит к нарушению теплогидравлического режима. Однако при наличии в панелях экономайзера труб с опускным движением воды ее закипание приводит к многозначности гидравлических характеристик и возможности возникновения недопустимых гидравлических разверок.
Это обстоятельство требовало проанализировать гидравлические характеристики для данного конструктивного выполнения экономайзера, предотвратить закипание воды в нем путем выбора необходимых массовых скоростей, а также разработать нестандартную пусковую схему.
Расчеты циркуляционных характеристик настенных испарительных панелей, конвективных испарителей в газоходах и гидравлической характеристики экономайзера, основанные на перечисленных посылках, были выполнены вначале для исходной циркуляционной системы котла, которая состояла из четырех простых циркуляционных контуров, включающих испарители И1, И2 и две передние панели “горячего” газохода, а также семи сложных контуров, в которых общая опускная система (стояк и индивидуальные подводящие трубы) питает по две испарительные панели топки или газоходов (рис. 2). В этой системе в качестве опускных труб для испарителя И2 и передних панелей “горячего” газохода использовались панели “холодного” газохода. Такое решение представлялось приемлемым, так как вследствие малого тепловосприятия панелей “холодного” газохода вскипание в них маловероятно.
Расчеты параметров циркуляции и проверка надежности исходной циркуляционной системы дали в целом удовлетворительные результаты. Коэффициенты запаса по застою (свободному уровню) и опрокидыванию оказались близкими по величине и для всех панелей превышают минимально допустимое значение 1,1. Если учесть дополнительный запас надежности по коэффициенту Кт™ ,
то надежность испарительных элементов по застою и опрокидыванию циркуляции можно считать обеспеченной. Скорости воды в опускных системах, даже в самых узких местах, не превышают 3,5 м/с при номинальной нагрузке, что значительно ниже скоростей, вызывающих кавитацию. Таким образом, опускные системы котла должны работать надежно.
Рис. 4. Расположение экономайзера, питательного узла и линии слива из барабана в пусковой схеме котла
Рис. 3. Циркуляционная система котла без слабоогреваемых панелей газоходов
В то же время было установлено, что скорости циркуляции в испарительных элементах в целом несколько ниже, чем в обычных энергетических котлах. Это вызвано сравнительно малой высотой контуров циркуляции. При номинальной паропроизводительности котла скорость циркуляции в панелях топки, фестоне и испарителях менее 0,8 м/с, а в панелях “горячего” газохода - менее 0,3 м/с. Кроме того, результаты расчета исходной циркуляционной системы показали, что некоторые панели имеют не вполне приемлемые характеристики.
Во-первых, это вялая циркуляция в панелях “горячего” газохода со скоростями воды ниже нормативной. Во-вторых, нет полной уверенности в надежной работе слабообогреваемых панелей “холодного” газохода в качестве опускной системы. Поэтому были разработаны предложения о внесении в исходную циркуляционную систему котла ряда конструктивных изменений и выполнении расчета циркуляционных характеристик для измененной схемы. Предложенные конструктивные решения (рис. 3) включают вывод из циркуляционного контура слабообогреваемых панелей как “горячего” газохода с переводом их в пароперегревательный тракт, так и “холодного” газохода, служивших опускными участками контуров циркуляции.
Предложенные конструктивные решения по схеме циркуляционной системы дополнительно способствовали выравниванию скоростей пара в пароотводящих трубах и кратностей циркуляции по контурам, а также улучшению работы жалюзийных стенок в барабане и выравниванию солесодержаний котловой воды по длине барабана.
В результате перевода малоэффективных испарительных поверхностей нагрева в пароперегревательный тракт интенсифицировалась работа топочных экранов и конвективных испарителей, скорости циркуляции в которых возрастают в среднем на 8%. Коэффициенты запаса по застою и опрокидыванию циркуляции остаются практически на прежнем уровне.
Ранее отмечалось, что в “горячем” и “холодном” газоходах котла размещены вертикальные конвективные испарители. Их конструкция вынужденно сложна. В частности, предусмотрено крепление испарительных труб к промежуточным коллекторам, консольно присоединенным к основным раздающему и собирающему коллекторам. Из-за стесненных габаритов газоходов промежуточные коллекторы выполнены из труб небольшого диаметра, проходные сечения которых составляют 30% сечения испарительных труб. В этом случае для парообразующих элементов следует учитывать потери давления в коллекторах вследствие “коллекторного эффекта”. На практике при выполнении расчетов циркуляции обычных энергетических котлов “коллекторный эффект” не учитывается вследствие сопоставимости проходных сечений коллекторов и экранных труб. В данном же случае горизонтальная компоновка котла с размещением в газоходах конвективных испарителей вызвала необходимость такого учета.
При расчетах уточненных циркуляционных характеристик испарителей тепловосприятия продольных рядов труб дифференцировались в зависимости от расположения ряда по ширине газохода.
Принимались равные тепловосприятия рядов, расположенных в выделенных крайних и среднем участках газохода, по 1/3 ширины газохода. Коэффициенты неравномерности тепловосприятий участков принимались согласно гидравлическому расчету котельных агрегатов для конвективных элементов. Для внутреннего участка испарителя И2 коэффициент принят меньше нормативного. Этим учитывается возможное снижение тепловосприятия участка вследствие экспериментально установленного образования здесь вихревой зоны.
Учет потерь статического давления в промежуточных коллекторах приводит к снижению скоростей и кратностей циркуляции в среднем на 25 - 30%. Вместе с тем, минимальные значения этих показателей находятся в пределах допускаемых нормативных значений. Запасы по застою и опрокидыванию циркуляции в разверенных рядах труб при учете “коллекторного эффекта” несколько снижаются, но вполне достаточны.
В режимах растопки рассматриваемого котла парообразующие экраны и перегревательные поверхности будут находиться практически в таких же условиях, как и в котлах с вертикальной компоновкой. В то же время водяной экономайзер, состоящий из двух ступеней подъемно-опускных трубчатых панелей, может оказаться, как указывалось ранее, ненадежным элементом. Для предотвращения работы экономайзера в области многозначности гидравлической характеристики были выполнены соответствующие расчеты, на основе которых выбраны требуемые массовые скорости воды.
Соответствующие расходы среды, пропорциональные тепловосприятию экономайзера, необходимо поддерживать для исключения закипания воды с самого начала растопки котла. Кроме того, для предотвращения закипания в экономайзере потребовалось, помимо обеспечения надлежащих постоянных расходов среды, поддерживать в экономайзере повышенное давление при всех режимах, включая пусковые. С этой целью в пусковой схеме котла предусмотрено расположение питательного узла за экономайзером, вследствие чего при всех режимах в экономайзере поддерживается давление, соответствующее напору питательного насоса. Для обеспечения постоянного расхода воды через экономайзер в начальный период растопки котла предусмотрен неотключаемый байпас питательного узла, оснащенный комплектом дроссельных шайб.
Соответственно пропускной способности этого комплекта предусмотрена линия слива воды из барабана, которая рассчитана исходя из обеспечения отвода воды без избыточного давления в барабане. По мере повышения давления в барабане регулирующий клапан на этой линии прикрывается и в дальнейшем, при необходимости используется в качестве элемента аварийного слива. При расположении питательного узла за экономайзером в случае останова котла с полным закрытием арматуры, в период вентиляции газовоздушного тракта давление воды в экономайзере может превысить допустимое значение. Для предотвращения этого байпас питательного узла выполнен неотключаемым и комплект дроссельных шайб на нем рассчитан с учетом пропуска объема расширяющейся воды. Основные элементы пусковой схемы приведены на рис. 4.
Для опытной проверки технических решений по пароводяному тракту для головного котла разработана схема экспериментального пусконаладочного контроля, предусматривающая регистрацию температур, расходов, давления и перепадов давления среды в водяном экономайзере, испарительном и перегревательном трактах, в элементах пусковой схемы.
