Тяга в дымовой трубе котельного агрегата

Тяга в дымовой трубе котельного агрегата и ввод воздуха в топку котла могут быть естественными и искусственными. Для горения топлива необходим непрерывный подвод в топку котла атмосферного воздуха и удаление из топки котла образующихся дымовых газов в атмосферу через дымоход и дымовую трубу.

Естественная тяга осуществляется в котельных агрегатах производительностью до 2,5 т/час и с сопротивлением газового тракта не более 300 Па (30 мм водяного столба] при сжигании нешлакующих или малошлакующих топлив (дрова, торф) с помощью установки дымовой трубы. Естественной тягой называют разность давлений (появляющуюся вследствие различных плотностей наружного холодного воздуха и горячих дымовых газов в трубе котельной установки, которая приводит к возникновению движения потока дымовых газов в газоходах котла.

Тяга, Па, создаваемая в трубе газами,

где Н_тр— высота дымовой трубы, м;

g_г— плотность дымовых газов в дымовой трубе, кг/м ,

g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2).

Давление, создаваемое на том же уровне наружным воздухом,

где g_в — плотность наружного воздуха, зависящая от температуры и давления воздуха, кг/м³.

Сила естественной тяги

где Sт — тяга, создаваемая дымовой трубой;

р₀— давление воздуха по барометру. Па;

Т_В— термодинамическая температура наружного воздуха, К

Т_Г — средняя термодинамическая температура газов в дымовой трубе, К;

287,1 — газовая постоянная воздуха (Rв);

газовая постоянная газообразных продуктов сгорания (Rг) зависит от их состава — Rг к Rв ( табл. 23).

Таблица 23. Характеристика газов

Плотность газов

Пример. Сделать расчет тяги в котле, развиваемую дымовой трубой высотой 50 м в зимнее время, при средней температуре уходящих дымовых газов t_Г = 300°С, температуре наружного воздуха t_В = —30°С и давлении наружного воздуха P_В= 100 кПа (750 мм рт. ст.).

Находим значения Т_Г и Т_В в градусах Кельвина:

Т_Г= t_Г + 273 = 300 + 273 = 573К;

Т_В = t_В + 273 = —30 + 273 = 243К.

По формуле (58) определяем тягу, развиваемую дымовой трубой

Тяга в топке котла определяется по формуле

Схема создания естественной тяги в топке котла показана на рис. 97. В установку включены топка 2, котел и экономайзер 4. Тяга осуществляется дымовой трубой 5.

Схема создания
естественной тяги в топке котла

Дымовые газы при прохождении через котлоагрегат испытывают сопротивление о твердые поверхности газохода и сопротивление, вызываемое изменением направления движения потока газа.

Высоту дымовой трубы принимают такой, чтобы всегда имелся некоторый запас тяги, т.е. разрежение в топке (создаваемое трубой), которое должно быть больше суммы всех сопротивлений, получающихся в процессе прохождения газов по газоходам котлового агрегата. Для нормальной работы топки котла необходимо поддерживать в ней постоянное разрежение 20 — 30 Па (2 — 3 мм вод. ст.). Поэтому полная тяга, Па, создаваемая дымовой трубой и обозначаемая S, должна быть достаточной для преодоления всех аэродинамических сопротивлений котельного агрегата и создания разрежения в топке

Sт = Σ ΔSka + 20 — 30

где ΔSka — сумма сопротивлений всех элементов котельного агрегата.

В зависимости от температуры наружного воздуха тяга дымовой трубы изменяется:

чем ниже температура наружного воздуха, тем больше разность плотностей воздуха и дымовых газов в трубе и тем больше тяга,
чем выше температура наружного воздуха, тем меньше тяга.

Изменение тяги происходит и при изменении режима работы парового котла. В этом случае тягу регулируют большим или меньшим открытием соответствующих заслонок. При увеличении нагрузки котлов увеличивают часовое количество сжигаемого топлива, количество подаваемого в топку воздуха и усиливают тягу, что осуществляется большим открытием соответствующих заслонок, а при снижении нагрузки котла уменьшают подачу в топку топлива и воздуха и соответственно прикрыть заслонки.

дымовые трубы строят стальными, кирпичными пли железобетонными в зависимости от мощности котельных агрегатов или котельной установки и срока работы, на который котельная установка рассчитана.

Стальные трубы (рис. 98, а) применяют редко, главным образом при временных установках и не выше 30 — 40 метров. Для котельных установок средней и большой мощности строят кирпичные трубы (рис. 98,6) высотой до 80 метров и железобетонные высотой 80—250 метров.

Для предохранения кирпичной кладки и железобетонной трубы от действия горячих газов внутри трубы выводят футеровку 8 из огнеупорного кирпича приблизительно на 1/4 ее высоты.

В кирпичных и железобетонных трубах газы остывают приблизительно на 1°С, а в остальных — на 1,5 — 2°С на каждый метр высоты трубы.

Дымовые трубы

Дымовые трубы должны иметь высокую надежность и долговечность при умеренной стоимости сооружения. До высоты 120 метров применяются дымовые трубы различных типов — кирпичные, металлические, из сборных элементов, монолитные железобетонные. Дымовые трубы высотой более 120 метров имеют, как правило, железобетонную коническую оболочку, которая воспринимает ветровые и весовые нагрузки. Внутренняя часть дымовой трубы, непосредственно соприкасающаяся с уходящими дымовыми газами котлов и энергетических установок, выполняется при этом по-разному. Наибольшее распространение до настоящего времени имели дымовые трубы с прижимной футеровкой из красного или кислотоупорного кирпича, укладываемого на консолях несущего железобетонного ствола (рис. 11.17, а). Однако эта конструкция дымовой трубы не является достаточно надежной, так как не исключает проникновения агрессивных дымовых газов к несущему железобетонному стволу трубы.

Рис. 11.17. Типы Дымовых труб с железобетонным несущим стволом (оболочкой). .

а — Дымовая труба с кислотоупорной прижимной футеровкой;

б — Дымовая труба с вентилируемым непроходным зазором;

в — Дымовая труба с цилиндрическим кремнебетонным газоотводящим стволом и проходным зазором;

г — Дымовая труба многоствольная с металлическими газоотводящими стволами;

1 — фундамент;

2 — железобетонный ствол;

3 — футеровка;

4 — вентилируемый непроходной зазор;

5 — вентиляционная установка:

6 — газоотводящий ствол;

7 — диффузор;

8 — цоколь.

Модификацией этого типа дымовой трубы, обеспечивающей повышенную надежность, является дымовая труба с вентилируемым непроходным зазором между газоотводящим стволом из кирпича и железобетонной оболочкой (рис. 11.17,6). Подогретый в паровых калориферах до температуры 60—100°С воздух подается в зазор шириной 100—200 мм с помощью вентилятора, установленного под дымовой трубой. В некоторых случаях вентиляция в зазоре может осуществляться за счет самотяги.

Наиболее высокой надежностью отличается дымовая труба, состоящая из газоотводящего ствола цилиндрической формы, отделенного проходным (обслуживаемым) зазором от железобетонного несущего ствола конической формы (рис. 11.17, а). Внутренний ствол дымовой трубы выполняется из кремнебетонных плит, отличающихся высокими коррозионными свойствами, или стального листа.

Для тепловых электростанций ТЭС с набором большого количества разнотипного парогенерирующего и теплогенерирующего оборудования, особенно на ТЭЦ, получили применение многоствольные дымовые трубы (рис. 11.17,г), в которых внутри железобетонной оболочки устанавливается несколько (обычно 3—4) металлических стволов цилиндрической формы. Каждый ствол заменяет отдельно стоящую трубу дымовую трубу и обслуживает подсоединенные к нему котлы. В верхней части цилиндрические стволы дымовой трубы переходят в секторные для создания единого дымового факела, обеспечивающего подъем на большую высоту.

Для надежной работы всех конструкций дымовых труб необходимо, чтобы давление внутри газоотводящего ствола на любой отметке было меньше, чем в окружающей атмосфере на этом же уровне. В этом случае при наличии каких-либо неплотностей в стволе дымовой трубы воздух будет подсасываться к дымовым газам. В случае положительной разности давлений между дымовыми газами и воздухом может произойти просачивание агрессивных газов через футеровку и несущий ствол и разрушение несущего ствола дымовой трубы.

Разность статических давлений газов в стволе и окружающем воздухе, Па, в любом сечении дымовой трубы определяется по формуле

ΔРст = Рдо + Σ ΔРтр — Рд — gΔPL ( 11 . 64)

где Рдо = p·w²₀ / 2 — динамическое давление газов в устье дымовой трубы, Па; Рд — динамическое давление газов на расстоянии l от выходного сечения; w₀, w — скорости газов в устье дымовой трубы и в рассматриваемом сечении, м/с; Σ ΔРтр — потери на трение от рассматриваемого участка до верха трубы, Па; g — ускорение свободного падения, м/с2; ΔР = Pв — P — разность плотностей воздуха и дымовых газов (обычно Pв = 1,2 кг/м3 при tв = 20°С).

Для цилиндрического участка потери на трение определяются по выражению

ΔРтр = ξ · l/d · Рдо (11. 65)

а для участка конической формы

ΔРтр = ξ / 8i · (Рдо — Рд) (11.66)

где ξ — коэффициент трения. Для металлических газоотводящих стволов принимается ξ = 0,015, для кремнебетонных ξ = 0,02; для футерованных конических стволов с учетом выступов ξ = 0,05.

Отсутствие избыточных статических давлений по всей высоте (ΔРст<0) дымовой трубы с газоотводящим стволом конической или цилиндрической формы обеспечивается следующим условием для числа Рихтера:

R = (ξ + 8i) · Рдо / gΔPD_o

где D_o — диаметр устья трубы, м; i — уклон образующей газоотводящего ствола.

Если R > 1, то в некотором сечении диаметра D_м конической дымовой трубы статическое давление достигает максимального значения р_ст.м, Па.

Отношение максимального статического давления к динамическому давлению на выходе из трубы находится по выражению

φ_м= р_ст.м/ Рдо = (1+ ξ / 8i) · S (11. 68)

относительный диаметр ствола, в котором это отношение достигает максимума,

D_м = D/D₀ = R^0,2 (11. 69)

Значения множителя S в формуле (11.68) в зависимости от числа R приводятся ниже:

R	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,5	3,0	4,0	5,0
S	0,012	0,037	0,066	0,10	0,120	0,208	0,257	0,351	0,420

Если дымовая труба имеет переменный по высоте уклон, то обычно максимальное статическое давление наблюдается в верхней части трубы, и определение φ_м производится по формуле (11.68) для верхнего ее участка. В некоторых случаях максимальное статическое давление может быть и на нижележащем участке. Это происходит, если число R, вычисленное на этом участке, окажется больше единицы. В этом случае р_ст.мследует определять по общей формуле (11.64), разбивая трубу по высоте на ряд участков и строя эпюру статических давлений.

Для дымовых труб цилиндрической формы (i = 0) избыточное статическое давление в условиях ТЭС встречается редко (обычно R<1). В случае возникновения избыточного статического давления его максимальное значение находится на уровне ввода газоходов и определяется по выражению (11.64).

Способы борьбы с избыточным статическим давлением в дымовой трубе:

1) уменьшение Pдо за счет выбора большего выходного диаметра Dо;

2) выполнение газоотводящего ствола или верхнего его участка цилиндрической формы (i = 0);

3) установка в верхней части дымовой трубы диффузора, снимающего избыточные статические давления во всем стволе.

Рис. 11.18. Вентиляционные трубы АЭС.

а — железобетонная труба для выброса вентиляционного воздуха: 1 — железобетонный вентиляционный газоход; 2 — ствол; 3 — фундамент;

4 — кислотоупорный кирпич; 5 —железобетон; 6 — цоколь;

б — металлическая вентиляционная труба на металлическом каркасе: 1 — труба; 2 — каркас;

в — металлическая вентиляционная труба в трубе: 1 — внутренняя труба; 2 — наружная труба.

Если φ_м =< 0,3, то с достаточной степенью точности выходной диаметр диффузора D_Д можно найти из соотношения

При φ_м > 0,3 следует устанавливать более длинные диффузоры и учитывать гидравлические потери в последних.

Разрушения дымовой трубы могут происходить и за счет других причин — растрескивания футеровки из-за повышенной разности температур, проникновения газов в ствол вследствие диффузии и возникновения при этом сернокислотной коррозии и др.

При использовании высокосернистых топлив может происходить разрушение наружной поверхности верхней части железобетонной оболочки дымовой трубы на длине до двух ее диаметров за счет обволакивания уходящими из нее дымовыми газами. Это может иметь место при низких скоростях уходящих газов и высоких скоростях ветра

Р_ДО=< 2,4 Р_ДВ (11.72)

где Р_ДВ — динамическое давление ветра на уровне устья дымовой трубы, Па.

Вентиляционные трубы АЭС не имеют особых отличий от труб ТЭС. Размеры труб при одинаковой мощности ТЭС и АЭС значительно меньше у АЭС (высота труб АЭС обычно не превышает 100—120 м при умеренных диаметрах). Это объясняется малыми объемами выбросов у АЭС по сравнению с ТЭС и меньшим относительным содержанием вредных веществ.

Дымовые трубы АЭС строят из различных материалов — металлические, кирпичные, железобетонные и др. Выбор материалов зависит от размеров трубы и агрессивности к материалам примесей в удаляемом воздухе (рис. 11.18). Когда агрессивные примеси содержатся лишь в небольшой части удаляемого воздуха, применяют разделение стволов различных назначений