3
Компоновка и строительные конструкции.
Компоновка парового котла. Компоновкой парового котла называют взаимное расположение газоходов и направление движения в них продуктов сгорания. Различают П-, Т-, N-, U-образную, четырехходовую и башенную компоновки (рис. 21.1.
П-образная компоновка — наиболее распространенная (рис. 21.1,а). В подъемной шахте располагается топочная камера, в опускной — конвективные поверхности нагрева. Ее преимущество — подача топлива и выход газов производятся в нижней части агрегата, что удобно для вывода жидкого шлака и установки дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева. Тягодутьевые машины устанавливают на нулевой отметке, что исключает вибрационные нагрузки на каркас котла. Недостатки компоновки: в связи с разворотом на 180° возникают неравномерности омывания поверхностей нагрева продуктами сгорания и концентрации золы по сечению конвективной шахты.
Для уменьшения глубины конвективной.
Шахты и высоты соединительного газохода в мощных котлах применяют Т-образную компоновку с двумя конвективными шахтами, расположенными по обе стороны топки (рис. 21.1,6). Суммарное сечение обеих конвективных шахт увеличивается при сохранении обычных габаритов и способов крепления конвективных поверхностей нагрева. Тяго - дутьевые машины также устанавливаются на нулевой отметке. Т-образная компоновка особенно подходит для котлов, работающих на топливе с абразивной золой (типа экиба - стузских), для которых в целях уменьшения золового износа ограничивают скорость продуктов сгорания. Однако при такой компоновке возникают конструктивные затруднения в отводе продуктов сгорания от двух конвективных шахт. Конструкция Т-образного котла сложнее П-образного, она требует и большего расхода металла.
Иногда применяют, особенно часто в ФРГ, где принята верхняя установка дымососов, трехходовую компоновку (рис. 21.1,в). В этом случае топка и конвективный газоход имеют подъемное движение продуктов сгорания, а соединительный газоход — опускное. При сжигании очень зольных топлив, имеющих легкоплавкую золу (сланцы), применяют четырехходовую компоновку (рис. 21.1г). Характерная особенность такой компоновки — наличие промежуточных газоходов, в которых во избежание шлакования проходных сечений в зоне высоких температур размещены разреженные поверхности нагрева (например, ширмы.
В мощных котлах с наддувом иногда применяют башенную компоновку (рис. 21.1,(3). Здесь продукты сгорания в топке и конвен - тивной шахте движутся только вверх. Такая компоновка обладает следующими достоинст - ствами: минимальная площадь агрегата в плане; равномерное омывание конвективных поверхностей нагрева продуктами сгорания из-за отсутствия поворотов газов; минимальное газовое сопротивление благодаря отсутствию опускных газоходов и поворотов газов. К недостаткам компоновки этого типа относятся: трудность в создании конструкции для опирання конвективных поверхностей нагрева, размещение на большой высоте выходных пакетов пароперегревателей, вентиляторов и дымососов, невозможность применения дробевой очистки конвективных поверхностей. Существуют полубашенные компоновки, в которых регенеративный воздухоподогреватель и тягодутьевое оборудование устанавливаются внизу, соединяясь с башенной частью котла незаполненным поверхностями нагрева опускным газоходом.
Башенная компоновка более целесообразна для газомазутных котлов с наддувом и при установке воздухоподогревателей, воздуходувок и дымовой трубы на их каркасе, что требует усиления его конструкции. Башенная компоновка целесообразна и для котлов, сжигающих бурые многозольные угли, так как.
При такой компоновке удается избежать поворота озоленных продуктов сгорания и связанного с ним интенсивного золового износа конвективных поверхностей нагрева.
В U-образной двухходовой компоновке (рис. 21.1,е) продукты сгорания *в топке движутся вниз, а в конвективной шахте — вверх (инвертный вариант). Горелки расположены на потолке топочной камеры. Достоинства такой компоновки: факел хорошо заполняет топочную камеру, пароперегреватели расположены низко (короче паропроводы к турбинам), аэродинамическое сопротивление воздушного тракта минимально (воздухоподогреватель находится вблизи горелок). Недостатки: транспортировка топлива на большую высоту и расположение на большой высоте вентиляторов, дымососов и золоуловителей. U - образная компоновка с инвертной топкой может использоваться при сжигании газа, мазута, а также твердого топлива при удалении шлака в твердом состоянии.
В котлах большой мощности возникают дополнительные требования к компоновке, выдвигаемые их конструкцией. Эти требования вызваны большими размерами агрегата в плане, необходимостью применения вторичного перегрева пара и повышения надежности котла, работающего в блоке с турбиной.
Уменьшения пролета потолочных балок достигают при разделении топки и конвективной шахты на две части. Образуется паровой котел в виде двух корпусов (каждый со своим каркасом и отдельной обмуровкой), в которых поверхности нагрева расположены симметрично (двухкорпусная симметричная компоновка). При наличии отключающей арматуры отдельного корпуса и симметричных обоих корпусов технологическая схема соответствует дубль-блоку. В дубль-блоке симметричная компоновка позволяет работать с половинной мощностью блока на одном корпусе при остановленном другом, что несколько улучшает маневренные свойства, но удорожает установку и повышает удельный расход топлива нз 1 кВт-ч, так как при работе на одном кор - пусе с половинной нагрузкой блока гидравлическое сопротивление перегревателя соответствует номинальному. Экономичность турбины на частичных нагрузках тоже снижается.
В двух - и многоходовых схемах движения газов топку и газоходы выполняют с промежутком между ними и самостоятельной обмуровкой или без промежутка с общей разделяющей стенкой из плотных экранов Их называют соответственно разомкнутыми (рис. 21.1,а, б, г, е) и сомкнутыми (рис. 21.1,0, ж) газоходами.
Для размещения воздухоподогревателей либо используют нижнюю часть конвективной шахты, либо их выносят за пределы котла или даже за пределы главного здания. Этим освобождается место для установки горелок или при необходимости для применения дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева. Компоновка отдельных поверхностей нагрева подробно рассмотрена в гл. 17—19.
= 1650 т/ч) с самостоятельным фундаментом.
1 — колонна; 2 — вертикальная ферма; 3 — горизонтальная ферма; 4— стойка; 5 — потолочное перекрытие; 6 — хребтовая балка; 7 — щит наклонного потолка; s — балка; 9 — ферма вокруг топки; 10 — связи; И — башмак.
Каркас парового котла. Современные мощные котлы отечественного производства, как правило, выполняют с П-образной и Т-образной компоновкой. Различие конструкций этих агрегатов и распределение нагрузки, вызываемой их элементами, оказывают непосредственное влияние на конструкцию каркаса.
Каркас представляет собой металлическую конструкцию, предназначенную для установки всех элементов котла: барабана, поверхностей нагрева и коллекторов, обмуровки, изоляции и обшивки, трубопроводов и коробов, помостов и лестниц обслуживания и др. Различают каркасы с самостоятельным фундаментом, не связанным со строительной конструкцией здания, и каркасы, совмещенные с несущими конструкциями здания.
В конструкциях с самостоятельным фундаментом каркас воспринимает всю весовую нагрузку котла и передает ее на фундамент. Нагрузка на фундамент складывается из массы котла и его каркаса и массы рабочего тела — воды и пара. В южных районах, где по климатическим условиям допускают откры.
Рис. 21.3. Совмещенный со зданием каркас газоплотного котла П-67 ( = = 2650 т/ч.
1 — колонна здания; 2 — рабочая среда к 1-ыу ходу НРЧ; 3 —балки жесткости; 4 — подвесные трубы («горячие» подвески) балок жесткости; 5 — траверса; б — стойка; 7 — ферма для подвески боковой стенки топки; 8 — «теплый ящик»; 9 — хребтовые балки; 10 — межхребтовая балка; 11 — подхребтовая балка; 12 — смеситель рабочей среды; 13 — рабочая среда к подвесным трубам фронтовой (задней) стенки топкн; 14 — то же боковой стенки; 15 — фестон; 16 — выходной коллектор КПП.
17 — выходной коллектор экономайзера.
18 — подвеска к межхребтовым балкам.
19 — подвесная труба («холодная»); 20 — подвесные трубы пароперегревателя и экономайзера (совпадают); 21 — экраны конвективной шахты; 22 — топочные экраны.
Тую или полуоткрытую компоновку оборудования, каркас воспринимает еще ветровую, а часто и сейсмическую нагрузку.
На рис. 21.2 показана схема несовмещенного со зданием каркаса прямоточного котла (П-57, D= 1650 т/ч) при Т-образной компоновке. Каркас состоит из несущих вертикальных колонн, горизонтальных балок и опорных ферм, хребтовых балок, потолочного перекрытия, связей и стоек. Все соединения элементов каркаса электросварные.
Число несущих колонн зависит от мощности агрегата. Обычно колонны устанавливают только по углам топочной камеры и конвективного газохода. В агрегатах большой паропроизводительности с сильно развитыми поперечными размерами между угловыми устанавливают еще дополнительные колонны. Все колонны по высоте обвязаны поперечными балками или фермами. Они увеличивают устойчивость каркаса, предотвращают продольный изгиб колонн, служат для опоры барабана в барабанном котле, подвески поверхностей нагрева и опорных конструкций для помостов обслуживания и передают весовую нагрузку от последних на колонны. Вспомогательные стойки и горизонтальные балки имеют меньшее сечение и служат для придания каркасу большей жесткости и крепления топочных экранов, коллекторов, коробов горячего воздуха и пр.
Колонны каркаса передают на фундамент весьма большую сосредоточенную нагрузку. Для уменьшения удельного давления на фундамент нижнюю часть колонн заканчивают опорными башмаками. Расход металла на каркас зависит от мощности агрегата и составляет 0,8—1,2 кг на 1 кг часовой паропроизводительности. Несущие колонны и балки необогреваемы. Этим облегчаются условия работы металла и предупреждаются большие термические напряжения. Для изготовления каркасов применяют углеродистую сталь, главным образом Ст. 3. В ограниченных количествах для изготовления вспомогательных нерассчитываемых элементов используют также Ст. 0.
Применение газоплотных сварных экранов (см. § 17.3) и облегченной обмуровки позволило резко (до.
ЗО—50%) уменьшить массу кома. В этих условиях каркас здания способен без особых усилений воспринимать нагрузку от подвески к нему облегченного котла. Барабан и все поверхности нагрева топки и конвективной шахты вместе с изоляцией, обшивкой и другими элементами подвешивают к мощным перекрытиям здания со свободным расширением вниз. При этом каркас котла служит лишь для обеспечения жесткости конструкции агрегата и его подвески к зданию. В таких конструкциях каркас обеспечивает жесткость сварных экранных панелей, воспринимает давление газового тракта (в котлах с наддувом), служит опорой для помостов и лестниц. Пример одного из вариантов совмещенного со зданием каркаса показан на рнс. 21.3. Подвеска котла осуществляется только к хребтовым балкам главного здания, без связи с его стенами, что исключает передачу деформаций здания на конструкции котла. Последний через межхребтовые балки монтируется на большом числе подвесок, выбираемых в соответствии с размещением блоков поверхностей нагрева и поясов жесткости. Поверхности нагрева связаны с каркасом, и для предотвращения температурных напряжений их температурные перемещения должны быть одинаковыми. Это обеспечивается с помощью «горячих» подвесок, выполненных из труб, по которым движется рабочая среда с температурой, равной или близкой к температуре среды в соответствующих поверхностях нагрева. В котле с наддувом давление в газовом тракте воспринимается горизонтальными балками, установленными с шагом 2,5—3,0 м на всех стенах топки, конвективных и соединительных горизонтальных газоходов. Эти балки обеспечивают жесткость стен котла.
Подвесные конструкции позволяют упразднить фундамент котла, освободить место под ним для размещения вспомогательного оборудования, значительно экономить металл, расходуемый на каркас, ускорить строительные работы.
В холодном состоянии котел и его элементы имеют определенные габариты и занимают определенное пространственное положение, отвечающее температуре окружающего воздуха. В рабочем состоянии габаритные характеристики и их местоположение в пространственной системе существенно изменяются. Перемещения определяются температурой металла в рабочем состоянии и длиной элемента от неподвижного места крепления. При величине температурного коэффициента удлинения металла 0,012-10.
3 м/К перемещения могут достигать 300 мм и более.
На рис. 21.4 показаны тепловые расширения ряда элементов на примере подвесного котла ТГМП-204. Все отметки обозначены в холодном состоянии. Перемещения подсчитаны по температуре металла в эксплуатации. Вертикальные перемещения обозначены через Я, горизонтальные /. Соответствующие цифровые индексы для каждого элемента одинаковы. В приведенном примере горизонтальные перемещения обозначены только для общего короба топочной камеры Лэ и коллекторов регулирующей ступени промежуточного пароперегревателя /20 и /2і.
Для предотвращения возникновения дополнительных напряжений, вызываемых тепловыми деформациями, конструкция котла должна предусматривать свободу тепловых расширений. Паровой котел связан с внешним оборудованием, обеспечивающим его работу: пылепригото - вительной установкой, питательными трубопроводами. Он связан с турбиной паропроводами. Все эти трубо.
Рис. 21.4. Схема температурных расширений Я, мм, I, мм элементов котла ТГМП-204 ( = 2650 т/ч). Коллекторы подового экрана n,=290; коллекторы экранов в местах разъемов #2=208, #3=130; нижние коллекторы экрана поворотного газохода Я4= 70; верхние коллекторы экранов Я5=33; нижние коллекторы экранов конвективной шахты Я6=200; коллекторы конвективных пароперегревателей СКД Я7=29; коллекторы экономайзера Я8—145, Я8= 187; горелкн Ящ—230, Яц = =245, Я,2=260; стояки подвесной системы поворотного газохода Я]3=138; стояки топочных экранов Я„—248, Яіб—224, Яи=162, Я,7=103; опорные столики на «горячих» подвесках Я)8=247; общий короб топочной камеры Я,,=322; /ш=62; коллекторы регулирующей поверхности промпароперегревателя Я»-119; I'm—8; I 20=105, Я21 = 142, l1 = 4; г 2, = 57.
Проводы обеспечивают свободу расширения котла обычно за счет их самокомпенсации. Исключение составляют пылеприготовительные установки с мельничными вентиляторами, в которых нет пылепроводов достаточной протяженности, и мельницы непосредственно присоединены к горелкам. В этих условиях амбразуры горелок свободно перемещаются относительно плоскости неподвижных горелок, а зазоры между ними уплотняются (рис. 21.5.
«Теплый ящик». В мощных паровых котлах через потолок наружу проходит огромное количество труб и подвесок поверхностей нагрева. Обеспечить достаточную плотность прохода через потолок всех элементов в газо - ллотных котлах затруднительно. Поэтому потолок котлов покрывают герметичной стальной оболочкой, образующей с ним «теплый ящик», заполняемый горячим воздухом от воздухоподогревателя. Давление воздуха в «теплом ящике» несколько выше давления продуктов сгорания в верхней части топки. Этим предотвращается проникновение через потолок продуктов сгорания наружу, но несколько увеличивается присос воздуха.
Количество проходов через «теплый ящик» наружу во много раз меньше, чем через потолок котла, — это главным образом внешние коммуникации и подвески коллекторов поверхностей нагрева. Перечисленные элементы конструкции выводятся через сильфоны.
При останове котла расхолаживание топочной камеры и газоходов для осмотра и ремонтных работ достигается через 5—6 ч. Достаточное естественное остывание «теплого ящика» для указанных целей наступает только через 20—30 ч. Для ускорения расхолаживания «теплый ящик» продувают холодным воздухом.
Обмуровочные ограждения. Обмуровочные ограждения являются важным элементом парового котла, требующим большой затраты материалов и труда для их выполнения. Они в значительной мере оказывают влияние на режим работы топки и конвективных газоходов. В мощных котлах масса обмуровки столь значительна, что оказывает существенное влияние на конструкцию каркаса и фундамента.
В негазоплотных котлах обмуровка представляет собой сплошные наружные стены, выполненные из керамических материалов, отделяющих газовый тракт котла от окружающей среды. Она подвергается воздействию раскаленных топочных продуктов сгорания, в потоке которых содержатся зола, расплавленный шлак и недого- ревшие частицы топлива, изменению давления в топке (при обрыве факела и повторном зажигании топлива), переменным температурным напряжением, возникающим при пуске и останове котла, а также при колебаниях нагрузки, нагрузкам от температурных перемещений элементов котла, воздействию статических нагрузок от вышерасположенных конструкций и др. Наиболее опасны температурные напряжения, возникающие при пусках и остановах из-за неравномерности прогрева элементов котла, в результате чего в обмуровке возникают сжимающие, растягивающие и срезывающие усилия.
1 — стенка топочной камеры; 2— фланец амбразуры; 3— уплотнение пакетником; 4 — горелка.
Учесть воздействие всех факторов на обмуровку при ее расчете и конструировании невозможно. Поэтому повышения надежности обмуровки достигают выбором материалов, способных работать в указанных тяжелых условиях, и разработкой конструкций, позволяющих уменьшить воздействие этих условий (составная конструкция обмуровки, температурные швы, компенсаторы и др.). Масса 1 м3 современной легкой обмуровки составляет около 850 кг. Масса обмуровки, отнесенная к 1 кг часовой паропроизводительности котла, составляет 0,4—0,5 кг и более. Всего на обмуровку котла большой мощности расходуют более 2 тыс. т керамических материалов. Обмуровка должна быть огнеупорной, механически прочной, высокоплотной, обладать хорошими теплоизоляционными свойствами, хорошо сопротивляться температурным напряжениям и воздействию золы и расплавленных шлаков. Конструкция обмуровки тесно.
Связана с трубной системой поверхности нагрева топочной камеры и конвективных газоходов.
В современных энергетических котлах применяют обмуровку двух типов: натрубную, которую крепят непосредственно к экранным ограждениям топки и газоходов и передают на них нагрузку от обмуровки, и на - каркасную щитовую, которую крепят к каркасу котла. Щитовую обмуровку изготовляют в виде блоков в заводских условиях и устанавливают одновременно с монтажом котла. Обмуровка выполняется многослойной: ближе к газовому тракту — огнеупорный слой с предельной рабочей температурой 1500—1800°С, далее два — три слоя теплоизоляционного материала в зоне температуры 500—900°С. Наружную поверхность обмуровки покрывают уплотняющей газонепроницаемой штукатуркой (допустимая рабочая температура 100—200°С) или металлической обшивкой. При мембранном исполнении экранов газоплотных котлов (см. § 17.3) достаточна легкая натрубная изоляция.
В ряде конструкций применяют комбинированную обмуровку: накаркасную щитовую в области призматической части топки и натрубную для холодной воронки или наклонного пода. При расширении экранных блоков, подвешенных к потолочным балкам каркаса, натрубная обмуровка перемещается вниз вместе с трубами. Во избежание присоса воздуха в месте сочленения обеих частей обмуровки по периметру топки образуют температурный шов (горизонтальная плоскость /—/ на рис. 21.6,а). Для ограждения конвективных газоходов обычно применяют накаркасную обмуровку. При натруб - ной обмуровке топочной камеры по периметру горизонтального газохода предусматривают температурный шов в вертикальной плоскости (II—II на рис. 21.6,6), соединяющий шахты топочной камеры и конвективного газохода. В ряде конструкций натрубную обмуровку распространяют и на часть конвективной шахты с расположением температурного шва III—III по периметру вертикального газохода (рис. 21,6,в). Чем большую часть поверхности котла охватывает натрубная обмуровка, тем при меньшей температуре работает температурный шов и тем проще и надежнее его конструкция.
Тепловая изоляция. Барабан и коллекторы, паропроводы перегретого пара, питательные трубопроводы, трубопроводы непрерывной продувки, газовоздухопроводы н т. д. находятся вне обмуровки и располагаются вокруг агрегата, над потолком или вдоль его стен. Перечисленные элементы оборудования имеют температуру 200—600°С, и их покрывают тепловой изоляцией для защиты персонала от ожогов и уменьшения потери теплоты в окружающую среду. Допустимая по санитарным условиям температура наружной поверхности изоляции не должна превышать 55°С. Высококачественная тепловая изоляция позволяет уменьшить тепловые потери по сравнению с неизолированной поверхностью на 95—97%, что обеспечивает также улучшение санитарно-гигиенических условий труда. Изоляция барабана, коллекторов, трубопроводов и арматуры, кроме того, улучшает условия работы металла этих элементов, так как уменьшается температурный перепад по толщине металла, а следовательно, снижаются и температурные напряжения. Наружной поверхности изоляции придают гладкую и механически прочную поверхность оклейкой ее хлопчатобумажной тканью с последующим окрашиванием либо покрывают металлическим кожухом и также окрашивают. Окраска позволяет различать по цвету разные потоки.
*