Технологии футеровки элементов конструкций трубчатых экранов водогрейных котлов серии ПТВМ
Журнал «Новости теплоснабжения» № 8, 2005 г., www.ntsn.ru
Д.т.н. СВ. Бухаров, проф., А. Д. Парашин, доцент, РГТУ«МАТИ», А.С. Паньшин, вед. специалист, ООО «Трубосервис», г. Москва
B статье представлены некоторые положения новых, современных технологий футеровки для водогрейных котлов серии ПТВМ, полученные на основе научных исследований и их практической отработки более чем на трех десятках действующих котлов в г. Москве.
Общая характеристика условий применения
Передача теплоты трубчатым экранам водогрейных котлов определяется в основном лучистым теплообменом между высокотемпературными газами факела и наружной поверхностью труб, покрытых слоем загрязнений.
Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять котлы для этих видов топлива одинаковой конструкции. Горение природного газа и мазута происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда). Интенсивность горения в обоих случаях определяется условиями перемешивания, а максимальные тепловые напряжения котлового объема имеют близкие значения (300 кВт/м3 - для мазута, и 350 кВт/м3 - для природного газа). Поэтому при одинаковой нагревательной способности котлы, как правило, предназначаются для двух видов топлива (газ - основной, мазут - резервный). Это характерно для котлов серии ПТВМ.
Данные котлы выполняются с вертикальными, горизонтальными или с частично наклонными тепловоспринимающими трубчатыми экранами. Интенсивное горение топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, которая характеризуется высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на тепловоспринимающие экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии.
Встречное расположение горелок, установленных в два яруса, обеспечивает оптимальные условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной части высокотемпературной области котла. Встречное движение факелов горелок способствует турбулизации при догорании топлива в концевых участках факела, и при прочих равных условиях приводит к повышению теплового напряжения в зоне ядра факела на 20-30%. Наличие пережима потока способствует его турбулизации в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из котла.
Эффективное излучение тепловоспринимающих поверхностей в водогрейных котлах может достигать 50-60% от величин падающих тепловых потоков. Разность между падающим и эффективным тепловыми потоками представляет воспринятый экранными поверхностями тепловой поток излучения, который передается рабочей среде. Доля восприятия тепла элементом трубчатого экрана характеризуется коэффициентом тепловой эффективности экрана (ψз). Чем выше значение ψз, тем выше эффективность работы экранной поверхности, т.е. тем большую долю теплоты экран воспринимает. Значения т|)э достаточно стабильны для конкретных конструкций котлов при сжигании однородного топлива и могут достигать значений до 0,55 - для мазутов и 0,65 - для природных газов. При этом по высоте котла степень тепловой эффективности экранов неодинакова: она выше в зоне ядра факела и снижается по высоте.
Для футерованных поверхностей экранов в зоне горелок величина ψз снижается до значений приблизительно 0,2-0,25, а для футерованных зон пода она может снижаться до величин приблизительно 0,1.
Расчетные оценки показывают, что при уровне падающих радиационных тепловых потоков с учетом теплопроводности через слой футеровки (qпад.max) до 350 кВт/м3, равновесные температуры на внешней поверхности минеральных термостойких материалов не превышают 1850 К (1577 ОС). Это предельное максимальное оценочное значение температуры поверхности.
Следует отметить, что реальные значения равновесной температуры внешней поверхности минеральных материалов футеровки в различных зонах экранов реализуются в диапазоне 1200-1800 К (927-1527 ОС).
В объеме котла формируется акустическое поле, генерируемое газовым факелом. Максимальный уровень акустического воздействия оценивается до 120 Дб (результаты измерений звукового давления, проведенные измерительным микрофоном в зоне смотрового люка в котле ПТВМ-60 при работе 12 горелок, показали уровень акустического фона в 105 Дб - прим. авт.). Акустические воздействия генерируют в элементах экранных поверхностей и футеровочных покрытиях поле высокочастотных колебаний.
Трубы экранов, при движении в них теплоносителя, генерируют низкочастотные колебания (вибрации). При этом максимальные значения вибраций реализуются в местах изгиба труб.
В процессе запуска котла и выходе его на рабочий режим, а также в процессе отключения, в футеровочных покрытиях формируется поле термомеханических напряжений. Характер вибрационного и термомеханического воздействий на футеровочное покрытие расчетным путем оценить невозможно. Эту оценку можно провести лишь по практическим наблюдениям в процессе эксплуатации конкретных котлов.