Конструкторский рассчет котла-утилизатора. Занятие 7

1.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МЭИ
КАФЕДРА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Макаревич Елена Владимировна,
к.т.н., доцент каф. «Тепловые электрические станции». Тел.: (495) 362-71-50,
E-mail:[email protected] , [email protected]

2.

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ
1. требования, предъявляемые к КУ;
2. типы котлов-утилизаторов;
3. особенности
утилизаторов;
горизонтальных
котлов-
4. особенности
утилизаторов;
вертикальных
котлов-
5. задание к следующему занятию
2

3.

ТРЕБОВАНИЯ К КОТЛАМ-УТИЛИЗАТОРАМ
К котлу-утилизатору предъявляются следующие требования:
1. Безопасность и надежность;
2. Получение номинальной паропроизводительности всех
параметров пара и его качества;
3. Высокие маневренные характеристики;
4. Экологическая безопасность.
контуров,
требуемых
КУ поставляется блоками заводского изготовления. Котел-утилизатор оснащается
системами контроля технологических параметров, защит и блокировок, автоматического
регулирования, необходимыми для оперативного управления, безопасной эксплуатации и
экономичной работы.
Рабочий диапазон изменения нагрузки КУ соответствует диапазону нагрузок ГТУ 10030% от номинальной. Изменение нагрузки КУ достигается изменением расхода топлива
и воздуха в ГТУ. При этом изменяется расход и температура газов на входе в КУ.
Обшивка КУ должна быть покрыта теплоизоляцией. При температуре наружного
воздуха 25 °С температура наружной поверхности котла должна быть не выше 45 °С.
Конструкция поставочных блоков КУ проверена расчетом на прочность и обеспечивает
безопасность погрузочно-разгрузочных работ.
3

4.

ТРЕБОВАНИЯ К КОТЛАМ-УТИЛИЗАТОРАМ
Конструкция КУ и его элементов, а также применяемые материалы соответствуют
требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных
котлов.
Расчетный ресурс работающих под давлением элементов котла-утилизатора с
расчетной температурой, соответствующей области ползучести, не менее:
-150000 часов - для труб поверхности нагрева и выходных коллекторов
пароперегревателя высокого давления;
-200000 часов - для остальных элементов.
Расчетный срок службы котла-утилизатора - 40 лет.
Средняя наработка на отказ - 6600 ч.
Срок службы между капитальными ремонтами - 6 лет.
Коэффициент готовности - 98%.
Для обеспечения требований надежности и долговечности в зависимости от
температуры
газов, поступающих в пароперегреватель, его выполняют из
жаропрочных низколегированных или хромистых сталей. Остальные теплообменные
поверхности, как правило, выполняют из качественных углеродистых сталей.
4

5.

ЦЕЛЬ КОНСТРУКТОРСКОГО РАСЧЕТА
В ;качестве основного расчетного режима, на который проектируется котел-утилизатор
конденсационных ПГУ, обычно принимается режим среднегодовой температуры
наружного воздуха; для теплофикационных ПГУ – режим средней температуры
наружного воздуха для отопительного периода.
Цель конструкторского расчета КУ – определить площади поверхностей нагрева,
геометрию отдельных элементов при заданных условиях, паропроизводительность и
параметры генерируемого пара. Данный конструкторский расчет КУ выполняют только
после того, как сведены уравнения тепловых балансов всех поверхностей нагрева. Для
каждой из поверхностей нагрева решают уравнение теплообмена теплопередачи:
Q k F t
лог
i
i i
ср
Определяют площади поверхностей нагрева КУ из уравнения теплопередачи для этих
поверхностей. Предварительно необходимо выбрать тип оребренных труб и параметры
оребрения. Средний коэффициент теплопередачи рассчитывают в соответствии с
рекомендациями нормативного метода теплового расчета паровых котлов. До определения
коэффициента теплопередачи находят скорость рабочих тел, проходящих через
поверхности нагрева КУ. Рекомендуются значения скорости в пределах
wг 10 15 м
с
wп 10 15 м
с
wв 1,2 18 м
с
5

6.

КЛАССИФИКАЦИЯ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ
а) конструктивные схемы КУ
- горизонтальной или вертикальной конструкции;
- с естественной или принудительной циркуляцией – барабанные; прямоточные;
- паровые или водяные;
- КУ с дожиганием топлива.
б) примеры конструктивных схем КУ
Элементы поверхностей нагрева КУ
ПГУ
а – наружное оребрение труб; б –
крепление труб шахматного трубного
пучка
6

7.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР
Общий вид трехконтурного котлаутилизатора фирмы Тошиба:
1 – входной диффузор газохода;
2 – трубы, направляющие пар в
ППВД;
3,5,6 – соответственно, БВД, БСД и
БНД;
7 – выходной конфузор газохода;
8 – трубная система испарителя;
9 – коллекторы испарительных труб
контура ВД;
10 – каталитический реактор;
11 –ИВД;
12 –нижние коллекторы труб
поверхностей нагрева;
13 –нижний «теплый ящик»;
14 –колонны каркаса
7

8.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР
Продольный
разрез
двухконтурного
горизонтального
котла-утилизатора
марки П-88
Котел
состоит
из
основного
газохода
прямоугольного сечения, в котором размещены
поверхности нагрева и испарения рабочего тела:
ГПК, ЭКВД, ППВД и ВВНД, ИВД и ИНД.
Основной газоход образован боковыми стенками,
донным 21 и потолочным 20 листами. Слева к
нему приваривается входной диффузор 9, а справа
– выходной конфузор 8, направляющий газы в
дымовой трубе. Потолочные 20 и донные 21 листы
выгораживают «теплые ящики», в которых
располагаются промежуточные элементы подвески
23 поверхностей нагрева трубных пакетов, их
коллекторы, а также вводы паропроводов,
подводящих рабочее тело к трубным пакетам и
отводящих его.
8

9.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР
Основной газоход подвешивается на каркас (колонны 14 и продольная балка 13).
Перпендикулярно последней ставятся поперечные балки 25, к которым с помощью тяг 24
крепятся теплообменные поверхности. Места прохода тяг через потолочное перекрытие
котла уплотняются с помощью сильфонных соединений, допускающих свободное тепловое
расширение модулей от точек подвески.
Конструктивные параметры секции
поверхностей
нагрева
КУ
горизонтальной компоновки
а – план расположения секции КУ (число
секция Zn); б – шахматное расположение
труб в секции; в – оребренная труба; г –
упрощенный вид типовой секции КУ
горизонтальной компоновки; dнар –
наружный диаметр трубы; lтр, δтр –
соответственно длина и толщина стенки
трубы; δреб, hреб, bреб – соответственно
толщина, высота и шаг ребер; s1,s2 –
поперечный и продольный шаги труб в
трубном пучке
9

10.

МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОТЛАУТИЛИЗАТОРА
Модульная конструкция зарубежного КУ
1 – газовый поток; 2 – изолированные, облицованные внутри канальные элементы; 3 –
СО-катализатор; 4 – NOx-катализатор; 5 – парогенераторные модули; 6 – выпускной
канал; 7 – к дымовой трубе; 8 – компенсатор расширения; 9 – барабан контура НД; 10 –
барабан контура ВД
10

11.

МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОТЛАУТИЛИЗАТОРА
Модуль
горизонтальной
конструкции зарубежного КУ
1 – главная балка;
2 – поперечная опорная балка;
3 – несущая балка для деталей под
давлением;
4 – корпус;
5 – крепление обшивки;
6 – изоляция;
7 – дополнительны опоры для
крепления труб;
8 –угловые соединения;
9 – расширительные направляющие для
деталей под давлением;
10 – коллектор;
11 – крепление труб;
12 – трубы;
13 – нижние дополнительные опоры
коллектора;
14 – поддерживающая конструкция
трубы в виде арфы
11

12.

ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
ГОРИЗОНТАЛЬНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
Конструкция последней секции ПП
ВД
горизонтального
котлаутилизатора
с
однорядными
трубными системами теплообменных
труб:
а – общий вид пароперегревателя;
б – фрагмент нижней части;
1 – нижний коллектор поставочного блока;
2 – верхний коллектор поставочного блока;
3 – теплообменные трубы;
4,5 – собирающий и раздающий коллекторы
трубной системы;
6 – паропровод пара ВД;
7 – перепускные трубы.
12

13.

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР
Разрез котла-утилизатора
1 – основной газоход КУ;
2 – конфузор;
3 – шибер;
4 – барабаны;
5 – колонны каркаса;
6 – «теплый ящик»;
7 – выходной диффузор ГТУ;
8 – компенсаторы;
9 – входной газоход КУ;
10 – поворотный короб;
11 – лестничные марши;
12 – ППВД;
13 – ИВД;
14 – ЭВД;
15 – ППНД;
16 – ИНД;
17 – ГПК;
18 – выходной газоход
13

14.

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР
Компоновка
блока
оребренных
поверхностей нагрева вертикального
КУ
Каркас трехконтурного вертикального котла-утилизатора :
1 – колонны, 2 – этажерки; 3 –каркас конфузора; 4 – «горячие балки»;5 – продольные балки;
6 – каркас входного диффузора; 7 – каркас поворотного короба
14

15.

ПОВЕРХНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
Поверхности нагрева КУ представляют собой трубы
малого сечения, скомпонованные в трубные пучки.
Снаружи трубные пучки омываются газами из ГТУ.
Внутри протекает рабочее тело: в экономайзерах
ГПК –вода, в подъемных трубах испарителя –
сначала вода, а затем пароводяная смесь; на вход
пароперегревателей отдельных контуров поступает
практически
сухой
насыщенный
пар,
в
промежуточный пароперегреватель – перегретый
пара. Поверхности выполняются как правило
оребренными. Это позволяет увеличить поверхность
теплообмена
и
повысить
коэффициент
теплопередачи от греющих газов к рабочему телу .
Ребра имеют высоту 11-15 мм при толщине 1,0-1,25
мм. Для создания пучка используется наиболее
эффективная
шахматная
компоновка.
Трубы
устанавливаются достаточно компактно, однако
малая толщина ребер по сравнения с расстоянием
Типичные
размеры
труб
со между ними не приводит к существенному росту
спирально-ленточным оребрением гидравлического сопротивления КУ по газовой
стороне.
15

16.

ДОСТАВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА
Поверхности нагрева доставляются на монтажную площадку
ТЭС в виде модулей заводского изготовления. Габариты
модулей определяются возможностью транспортировки на
строительную площадку, возможностями строительного
оборудования, технической целесообразностью. Стараются
изготовить модули поверхностей нагрева шириной равной
ширине КУ. Габаритные размеры должны обеспечивать
необходимое количество теплоты определенное тепловым
расчетом КУ.
Максимальный габаритный размер модуля (расстояние между
осями коллекторов рабочей среды) не может превышать 18-20 м
по условиям транспортировки (к примеру, длина вагона
(расстояние между торцевыми стенками вагона) — 23,6 метра).
Этот размер определяет максимальный габаритный размер
газохода КУ (высоту шахты для горизонтального КУ и длину
шахты для вертикального). При этом, скорость движения
греющих газов должна быть оптимальной (6-15 м/с для
перегревательных поверхностей) и меньшая от поверхности к
поверхности из-за снижения температуры и плотности газов. В
итоге , поперечный габаритный размер газохода КУ
оказывается более 12 м. Доставить на стройплощадку такую
поверхность очень сложно, поэтому она разбивается на 2-4
модуля соединенных по продольным плоскостям.
16

17.

ЗАДАНИЕ К СЛЕДУЮЩЕМУ ЗАНЯТИЮ
1. Выполнить конструкторский расчет КУ:
определить площадь поверхностей нагрева его элементов;
использовать характеристики труб и их оребрения для
определения конструкции КУ;
дать описание конструкции, в т.ч. указать как подводится и
отводится рабочее тело из элементов КУ.
2. Привести общий вид котла и элементов его конструкции.
3. Заполнить таблицу 3.
17