Температурный режим работы элементов котлоагрегата.

Тема 12 Условия работы отдельных элементов котлоагрегата.

 

Основные материалы, применяемые в котлоагрегатах. Их условия работы.

 

Современные котлоагрегаты состоят из многих узлов, деталей и элементов, работающих при высоком давлении и температурах, под воздействием агрессивных сред и механических нагрузок. Пароперегреватели работают при высоких температурах и подвержены воздействию внутреннего давления, механических нагрузок от массы элементов, а также коррозии агрессивных газов. В самых тяжёлых температурных условиях работают неохлаждаемые детали: подвески, опоры, крепления.

Каркасы котлов испытывают значительные нагрузки от элементов металлоконструкций, обмуровки и тепловой изоляции. В зависимости от расположения элемента котлоагрегата по газовому тракту наблюдаются различные виды коррозии металла.

С повышением рабочей температуры металла кроме снижения его прочности происходят и другие изменения: изменяется ползучесть металла, понижается с течением времени пластичность и вязкость, изменяется его первоначальная структура, появляется химическая нестойкость.

 В котлостроении в основном применяются чугуны и стали различных марок. В отдельных случаях для низкотемпературных поверхностей нагрева используются неметаллические материалы и эмалированные трубопроводы.

Из чугунов: для гарнитуры, работающей при температурах менее 350ºС – серый (СЧ), ковкий (КЧ) и окалиностойкий (ОК); для колосников, подвесок – «Чугаль».

Из стали: для элементов, работающих при температурах до 450ºС – углеродистые Ст10, Ст20 (без легирующих элементов); при температурах до 580ºС – низколегированные (перлитного класса, содержание легирующих элементов до 3,5-4%); до 700ºС – высоколегированные (аустенитного класса, содержание легирующих элементов больше 10%); сталь для литых деталей, арматуры – среднелегированные (содержание легирующих элементов 4-10%).

 

Температурный режим работы элементов котлоагрегата.

 

Температурный режим котельных труб должен обеспечивать надёжную работу поверхностей нагрева котлоагрегата. Для этого необходимо, чтобы уровень температур металла труб был ниже допустимых температур для данного материала и максимальная температура наружной поверхности труб не должна достигать температуры окалинообразования или температуры изменения структуры металла.

Температура трубы определяется из следующего выражения:

где t – средняя температура среды на данном участке; ∆t_Т – превышение температуры среды;

β=d_Н/d_В; μ – коэффициент растечки теплоты; q_МАХ – максимальное удельное тепловосприятие наружной поверхности трубы, Вт/м²; λ_М– коэффициент теплопроводности данного материала, Вт/м ºС; α₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности к нагреваемой среде; δ – толщина стенки трубы, мм.

За расчётную температуру стенок барабанов котлоагрегата принимают:

- для барабанов, вынесенных из газохода или надёжно теплоизолированных t_СТ^Н =t_Н;

- при расположении в области температур до 600ºС неизолированных

t_СТ = t_Н+1,2δ+10, ºС;

 - при расположении в области температур от 600 до 900ºС неизолированных

t_СТ = t_Н+5,2δ+20, ºС;

- подверженных обогреву от горящего слоя или факела (неизолированных)

t_СТ = t_Н+4δ+30, ºС;

где δ – толщина стенки барабана, м; t_Н – температура внутренней среды,ºС.

Для камер и коллекторов формулы те же, +5ºС.

Расчётная температура стенки жаровых труб

     t_СТ^Ж = t_Н+δ+60, ºС;

Для конвективных труб

     t_СТ^Н = t_СР+∆t, ºС;

 

3 Расчёт на прочность основных элементов теплогенератора.

 

Основной задачей при расчёте на прочность основных элементов котлоагрегата является определение номинальной толщины стенки элемента или величины допускаемого давления в этих элементах.

В качестве основной нагрузки для определения толщины принято давление рабочей среды.

Толщина стенок цилиндрической части барабанов и камер, мм

где р – расчётное избыточное давление,МПа; D_Н – наружный диаметр, мм; φ - коэффициент прочности в продольном направлении; σ_ДОП - допускаемое напряжение Н/мм²; С – прибавка к расчётной толщине стенки.

 Толщина стенки труб поверхностей нагрева и трубопроводов для бесшовных труб

Величина допустимого давления

где D_В – внутренний диаметр барабана, камеры; δ_Ф– фактическая толщина стенки.

Расчётное избыточное давление:

 

р=р_НОМ+ Δр_К.А+h_Р10^-5,

где р_НОМ – давление среды на выходе из котлоагрегата; Δр_К.А – потери давления в котлоагрегате;

h_Р – давление (высота) столба на элемент, м.При (Δр_К.А+h_Р10^-5)<0,03р_НОМ второе и третье слагаемое можно не учитывать.

Допускаемое напряжение σ_ДОП зависит от марки стали, давления и температуры. Прибавка к расчётной толщине С: для барабанов и камер 0…1; для труб 0…0,5 мм. Коэффициент прочности φ учитывает ослабление элемента отверстиями и швами. Для заводских условий сварки φ=0,85; для ручной φ=0,7.

 

4. Предохранительные клапаны: назначение, расчёт, установка.

 

Предохранительные клапаны служат для защиты котлоагрегата, пароперегревателей и сосудов от превышения допустимого давления больше, чем на 10%. Клапан устроен так, что при превышении давления открывается и выпускает (сбрасывает) часть давления из элемента в безопасное место. После понижения давления до расчётного клапан автоматически закрывается.

На котлоагрегате устанавливаются рычажно-грузовые клапаны, пружинные и импульсные.

Различают полно-подъёмные предохранительные клапаны, у которых высота подъёма h ≥ 1/4 d_В, и низко-подъёмные с h ≤ 1/20 d_В,гдеd_В – внутренний диаметр проходного сечения клапана.

Расчёт предохранительных клапанов заключается в определении пропускной способности количества устанавливаемых клапанов, или диаметра проходного сечения.

 Для паровых котлоагрегатов с давлением до 1,2 МПа: расход насыщенного пара, который должен пропустить предохранительный клапан

     G_Н.П=0,14∙10^-3 α∙f(10р+1), кг/с;

-

перегретого пара

При давлении >12 МПа

где α – коэффициент расхода пара, принимаемый 0,9; f – наименьшая площадь сечения в проточной части клапана, см²; р – максимальное рабочее давление пара перед клапаном, МПа; V_Н.П., V_П.П. – соответственно удельные объёмы насыщенного и перегретого пара, м³/кг, при соответствующем давлении, определяемые по таблицам.

Для водогрейных котлоагрегатов число и размеры предохранительных клапанов

где Q – номинальная теплопроизводительность котла, МВт; р – максимально допустимое абсолютное давление в котле, МПа; К – эмпирический коэффициент, принимаемый для низкотемпературных клапанов 135, для теплоподъёмных 70; i, i_ВХ - соответственно энтальпии насыщенного пара при давлении в котле и воды на входе в котёл, кДж/кг; d – диаметр седла клапана, см; h – высота подъёма клапана, см.

     Выбрав тип клапана (низкого или полноподъёмного), определяют К и т.д., по диаметру определяют стандартный клапан по таблицам.

На каждом котле должно быть не менее двух предохранительных клапанов: рабочий и контрольный. Предохранительные клапаны на барабанных котлах устанавливаются на патрубках, присоединённых непосредственно к барабану или паропроводу без промежуточных запорных органов.

Контрольный клапан должен иметь устройство, не позволяющее персоналу произвольно изменять его регулировку.