4. Konstrukcja przegrzewacza pary pierwotnej w kotle z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym
4.3. Przegrzewacz drugiego stopnia pary pierwotnej – obiekt badań
Przedostatnim wymiennikiem, przez który przepływa para świeża, zanim zostanie po-dana na turbinę jest przegrzewacz grodziowy drugiego stopnia (rysunek 4.2, element nr 8). Para świeża doprowadzana jest do przegrzewacza poprzez kolektor wlotowy, podzielony na cześć lewą i prawą oraz wyprowadzana jest z komory poprzez kolektor wylotowy. Rysunek 4.3 prezentuje grodzie przegrzewacza drugiego stopnia pary świeżej (SH2), zabudowane w pierwszym ciągu nad komorą paleniskową. Przegrzewacz SH2 składa się z 10 grodzi zabu-dowanych na całej szerokości kotła, a para świeża odpowiednio z lewej i prawej części komo-ry wlotowej doprowadzana jest do 10 grodzi i wyprowadzana przez komorę wylotową po-dzieloną również na lewą i prawą część. Para przepływając przez grodzie wykonuje nawroty, płynąc z góry na dół, czyli w przeciwprądzie do przepływu spalin. Podziałka poprzeczna gro-dzi przegrzewacza wynosi 935 mm a zabudowane w ten sposób grogro-dzie tworzą ściany o wy-sokości 4000 mm.
25 Rysunek 4.3. Widok grodzi przegrzewacza drugiego stopnia pary świeżej (SH2)
zamon-towanych w kotle OFz-425
Grodzie przegrzewacza zbudowane są z rur zwanych „Podwójna Omega” (z ang. „Double Omega”), tworząc po stronie spalin ściany o gładkich powierzchniach (rysunek 4.4). Zastosowanie rur o tak złożonym kształcie przekroju poprzecznego pozwala na uniknięcie erozji rur przegrzewacza, a także odkładania się żużla i popiołu w przestrzeniach między są-siednimi rurami.
Para wypływając z komór wlotowych, odpowiednio lewej i prawej, doprowadzana jest do grodzi poprzez komory pośrednie, zabudowane pionowo poza komorą paleniskową i bez-pośrednio pod komorą wlotową. Analogicznie komory pośrednie znajdują się na wylocie pary z grodzi, pod komorą wylotową. Na każdą grodź przypada jedna komora pośrednia, co ilu-struje rysunek 4.4.
26 Rysunek 4.4. Geometryczny model 3D grodzi przegrzewacza SH2
Wszystkie grodzie przegrzewacza SH2 zbudowane są 27 sekcji, do których doprowa-dzana jest para. Każda sekcja zbudowana jest z 3 biegów, co daje łączną liczbę rur w każdej grodzi równą 81. Para do przegrzewacza doprowadzana jest z komory wlotowej poprzez 27 wlotów przypadających na 27 sekcji rur. Każda sekcja składa się z trzech biegów a przepły-wająca przez taką sekcje para dokonuje dwóch nawrotów zanim trafi do komory wylotowej. Nawrót pary odbywa się poprzez odcinki zbudowane z rur o poprzecznym przekroju koło-wym i umieszczone poza komorą paleniskową. Przekrój poprzeczny rur „ podwójna omega”, o różnej średnicy wewnętrznej składającej się na każdy pakiet oraz sposób zabudowy rur na-wrotowych przedstawia rysunek 4.5.
27 Rysunek 4.5. Model geometryczny 3D przegrzewacza SH2 z zaznaczonym sposobem
nawracania pary oraz z poszczególnymi biegami składającymi się na każdą sekcję Rysunek 4.6 prezentuje schemat połowy przegrzewacza grodziowego SH2, przypada-jący na lewą lub prawą część całego przegrzewacza. Rysunek 4.7 przedstawia schemat poje-dynczej grodzi przegrzewacza z zaznaczonymi wymiarami charakterystycznymi, długością komory oraz wysokością grodzi przegrzewacza. Na rysunku zaznaczono również kierunki przepływu spalin oraz pary pomiędzy grodziami i komorą pośrednią wlotową oraz wylotową. Ze względu na charakter przepływu czynników, przegrzewacz SH2 jest wymiennikiem krzy-żowo-przeciwprądowym.
28 Rysunek 4.6. Grodzie przegrzewacza pary świeżej (SH2) z zaznaczonymi kierunkami
przepływu pary przez 3 biegi składające się na każdy z 27 pakietów
Rysunek 4.7. Widok pojedynczej grodzi przegrzewacza SH2
Kocioł ze złożem fluidalnym OFz-425 jest nowoczesnym kotłem charakteryzującym się wysokimi parametrami pary, dlatego poszczególne stopnie przegrzewaczy jak również biegi wykonane są z różnych gatunków stali wysokiej jakości. Ceny stali zarówno nisko- jak
29 i wysokostopowych są wysokie, dlatego rury poszczególnych biegów przegrzewacza opłaca się wykonywać z różnych gatunków stali. Rysunek 4.8 przedstawia rurę „podwójna omega” charakteryzującą się złożonym przekrojem poprzecznym oraz gładką powierzchnią ścian ze-wnętrznych. W zależności od warunków pracy (temperatura i ciśnienie) rury mogą być wyko-nane z różnych stali, różniących się zawartością składników stopowych jak np. 15Mo3, 13CrMo44, 10CrMo910, T91 itp.
Rysunek 4.8. Rura o złożonym przekroju poprzecznym „podwójna omega”, wykorzy-stywana m. in. do produkcji przegrzewaczy pary w kotłach ze złożem fluidalnym [74]
Rury „podwójna omega”, z których został wykonany analizowany w pracy przegrze-wacz SH2, w każdym biegu różnią się wykorzystanym do ich wykonania materiałem (rysunek 4.9Rysunek 4.9). Aby dobrać odpowiednią stal na dany bieg niezbędna jest znajomość mak-symalnej temperatury ścianki, jaka będzie w danej rurze występować. Materiały wykorzysta-ne do budowy poszczególnych biegów przegrzewacza, wymiary rur „podwójna omega” oraz maksymalne temperatury ścianki przyjęte w założeniach projektowych przedstawia tabela 4.4. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury powoduje powstawanie naprężeń cieplnych, więk-szych od naprężeń dopuszczalnych dla danego materiału i w konsekwencji następuje uszko-dzenie elementu. Wiedza na temat maksymalnych temperatur ścianki, jakie będą występować podczas eksploatacji przegrzewacza pozwala na dobór materiału, którego koszt będzie niższy, a maksymalna występująca w materiale temperatura nie przekroczy wartości dopuszczalnej. Dodatkowo podczas projektowania przegrzewacza wykonanego z różnych gatunków stali, grubość ścianki dobierana jest tak, aby ograniczyć ilość materiału potrzebnego na wykonanie całego przegrzewacza. Duży koszt stali niskostopowych stosowanych przy wysokich
parame-30 trach pary (temperatura, ciśnienie) jest podstawowym powodem ograniczania ilości materiału niezbędnego na wykonanie przegrzewaczy. Puste przestrzenie pomiędzy poszczególnymi bie-gami (rysunek 4.9) także spowodowane są ograniczeniem kosztów oraz stanowią pewnego rodzaju izolacje, dlatego przepływ ciepła pomiędzy biegami, w kierunku poprzecznym do przepływu pary jest ograniczony i pozwala na uzyskanie wyższej temperatury pary na wylo-cie z każdego biegu.
Rysunek 4.9. Przekrój poprzeczny przez 3 biegi przegrzewacza SH2 z zaznaczoną po-działką wzdłużną. Każdy bieg wykonany jest z innego rodzaju stali niskostopowej,
I – 15Mo3 (16M), II – 13CrMo44 (15HM), III – 10CrMo910 (10H2M)
Tabela 4.4. Materiał, wymiar i max. temperatura ścianki założona w projekcie, dla po-szczególnych biegów przegrzewacza
Nr biegu Materiał Wymiar d x g Max. Temperatura ścianki
Norma DIN Norma PN średnica x grubość ścianki, mm °C
1 15Mo3 16M 38x5,5 472
2 13CrMo44 15HM 38x6,3 509
31 Charakterystyczne wymiary rury „podwójna omega”, czyli średnicę zewnętrzną d i grubość ścianki g (tabela 4.4Tabela 4.4), przedstawia rysunek 4.10. Wszystkie pozostałe wy-miary prezentowane na rysunku są stałe dla wszystkich biegów przegrzewacza.
Rysunek 4.10. Wymiary charakteryzujące geometrię poszczególnych biegów przegrze-wacza: d-średnica zewnętrzna, g-grubość ścianki
Stale niskostopowe, z których wykonane są poszczególne biegi przegrzewacza charak-teryzują się indywidualnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi, uzależnionymi od składu chemicznego stali. Opisane właściwości zmieniają się wraz temperaturą materiału i dlatego w celu wykonania dokładnych obliczeń w wykonanym modelu uwzględnione zostały właściwości stali w funkcji temperatury. W obliczeniach przepływowo-cieplnych dla stanów nieustalonych właściwości, które są zależne od temperatury i mają wpływ na ostateczne wy-niki to współczynnik przewodzenia ciepła λ, gęstość ρ, ciepło właściwe c. W przypadku obli-czeń cieplno-wytrzymałościowych należy uwzględnić również moduł Younga E, współczyn-nik rozszerzalności cieplnej β oraz współczynwspółczyn-nik Poissona ν.
32 Właściwości stali, z których wykonano poszczególne biegi przegrzewacza pary SH2 zostały przybliżone za pomocą funkcji kwadratowych i uzależnione od temperatury danego materiału (rysunek 4.11 – 4.16) [50].
Rysunek 4.11. Współczynnik przewodzenia ciepła λ, gęstość ρ, ciepło właściwe c w funk-cji temperatury dla stali 15Mo3, z której wykonany jest I bieg przegrzewacza
33
Rysunek 4.12. Współczynnik przewodzenia ciepła λ, gęstość ρ, ciepło właściwe c w funk-cji temperatury dla stali 13CrMo44, z której wykonany jest II bieg przegrzewacza
Rysunek 4.13. Współczynnik przewodzenia ciepła λ, gęstość ρ, ciepło właściwe c w funk-cji temperatury dla stali 10CrMo910, z której wykonany jest III bieg przegrzewacza
34 Rysunek 4.14. Moduł Younga E, współczynnik rozszerzalności cieplnej β, współczynnik
Poissona ν w funkcji temperatury dla stali 15Mo3, z której wykonany jest I bieg prze-grzewacza
Rysunek 4.15. Moduł Younga E, współczynnik rozszerzalności cieplnej β, współczynnik Poissona ν w funkcji temperatury dla stali 13CrMo44, z której wykonany jest II bieg
35 Rysunek 4.16. Moduł Younga E, współczynnik rozszerzalności cieplnej β, współczynnik
Poissona ν w funkcji temperatury dla stali 10CrMo910, z której wykonany jest III bieg przegrzewacza
36