МЕМБРАННЫЙ ЭКРАН КОТЛА
BOILER MEMBRANE WALL

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции паровых и водогрейных котлов.
Мембранные экраны котлов для снижения в них напряжений и уменьшения деформации при нормальном режиме работы и аварийных режимах хлопка газов в топке и аварийного разрежения укрепляют поясами жесткости. Для обеспечения необходимой прочности экранов и допустимых деформаций экранов и поясов жесткости расстояния между поясами жесткости (шаг поясов), а также расстояния между поясом жесткости и соединением экранов, например, вертикального экрана с подовым или потолочным, не должны превышать допускаемого значения, которое определяется параметрами экранов: используемыми материалами, шагом труб, внешним диаметром и толщиной стенки труб, толщиной и шириной проставки или размерами плавников, параметрами котла размерами экранов топки, переходного газохода и конвективной шахты, температурой экранов, давлением в трубах, материалом труб и проставок, весом экранов и присоединенных к ним элементам конструкции под участком, где должны располагаться пояса жесткости, давлением наддува или разрежением во внутреннем пространстве котла, давлением хлопка и аварийного разрежения. Однако часто вследствие необходимости размещения на экранах различных конструктивных элементов (горелок, лазов, лючков, отборных устройств, сопел и т.д.) конструктивно выдержать требуемый шаг поясов жесткости сложно. Кроме этого пояса жесткости утяжеляют и удорожают котел. В связи с этим достаточно часто конструктивно принимают шаг поясов больше допустимого. В этом случае требуются дополнительные меры по укреплению экранов, в качестве которого используют горячие или холодные вертикальные пояса жесткости, располагающиеся между основными горизонтальными поясами жесткости. Экраны котла в рабочем режиме нагреты и их размеры увеличиваются, поэтому конструкция поясов или их узлов соединения должны обеспечивать взаимное перемещение поясов для компенсации удлинения экранов.
Известен узел соединения вертикального и горизонтального пояса жесткости котла (Патент CN 201387000 Y, МПК F22B 37/00, F22B 37/24, опубл. 20.01.2010), имеющего вертикальные и горизонтальные пояса жесткости, а вертикальные пояса жесткости расположены между горизонтальными поясами жесткости. В узле соединения вертикального пояса с горизонтальными поясами один конец вертикального пояса жестко соединен с первым из двух горизонтальных поясов с помощью стальных уголков, а другой конец соединен со вторым из двух горизонтальных поясов с помощью уголков и Т-образных деталей, обеспечивающих нужное перемещение вертикального пояса относительно горизонтального при нагреве экрана.
Основными недостатками конструкции является высокая металлоемкость и низкая жесткость соединения вертикальных и горизонтальных поясов жесткости. Дополнительные вертикальные пояса имеют достаточно большую массу и увеличивают весовые нагрузки на экраны котла. Кроме этого вертикальные пояса прикрепляются к экранам креплениями, которые также увеличивают массу котла и нагрузки на экраны. Все это снижает надежность и долговечность экранов и котла в целом.
Известна система поясов жесткости (Патент US 8939112, МПК F22B 21/00, F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 27.01.2015), имеющая вертикальные и горизонтальные пояса жесткости, при этом вертикальные пояса жесткости в нижней своей части соединены с горизонтальными узлами, позволяющими скользить в вертикальном направлении, препятствовать перекосу горизонтальных поясов и компенсировать температурные перемещения, вызванные нагревом или охлаждением котла.
Недостатками конструкции является сложность и низкая надежность узла подвижного соединения горизонтальных и вертикальных поясов и низкая жесткость такого соединения. Кроме этого применение дополнительных вертикальных поясов приводит к увеличению металлоемкости котла. Большая металлоемкость и, соответственно, большая масса системы поясов жесткости приводит к повышению напряжений в экранах, снижает их прочность, надежность и долговечность. Снижается надежность и долговечность котла в целом.
Известен мембранный экран парового котла, включающий параллельно расположенные трубы, соединенные с помощью перемычек-проставок или сваренных вместе боковых ребер-плавников, опорную систему в виде поясов жесткости, опорных элементов и их креплений, приваренных к мембранному экрану, которые допускают относительное его перемещение, отличающийся тем, что перемычки между трубами снабжены дополнительными элементами плоского или фигурного сечения, присоединенными к перемычкам перпендикулярно осевой плоскости экрана и параллельно оси труб (Патент РФ №2668048, МПК F22B 37/10, опубл. 25.09.2018).
Данная конструкция рассчитана на применение горизонтальных поясов жесткости и позволяет значительно увеличить изгибную жесткость экранов вдоль труб и снизить напряжения в экранах. Соответственно, появляется возможность увеличения шага между поясами жесткости. Однако такая конструкция хорошо оправдывает себя для относительно нешироких экранов и относительно небольшой длине дополнительных элементов - ребер, приваренных к проставкам. Для относительно широких экранов их деформации в средней зоне между поясами жесткости за счет малой изгибной жесткости экранов в направлении перпендикулярном трубам экранов становятся велики, недопустимо возрастают напряжения в экранах. Приварка к экранам дополнительных элементов большой длины и с малым шагом поперек труб мало влияет на поперечную изгибную жесткость и вызывает технологические затруднения, так как вызывает коробление экранов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в упрощении конструкции мембранного экрана с присоединенными к нему поясами жесткости, снижении металлоемкости и повышении надежности котла.
Указанный технический результат достигается за счет того, что мембранный экран котла, выполненный из трубных панелей с вертикальными трубами и укрепленный поясами жесткости, снабжен полосами, приваренными в направлении поперек этих труб и расположенными между поясами жесткости и/или поясом жесткости и соединением экранов.
Полосы могут привариваться с равномерным шагом или с шагом, увеличивающимся от средней линии между поясами жесткости. В последнем случае шаг приварки может увеличиваться пропорционально расстоянию от средней линии или пропорционально квадрату расстояния от средней линии.
Ширина и толщина полос могут приниматься постоянными для данной зоны приварки или уменьшаться от средней линии между поясами жесткости и/или поясом жесткости и соединением экранов.
Полосы, приваренные к трубам экрана в местах соединения трубных панелей, соединяются между собой перемычками или пластинами.
На фиг. 1 изображен боковой мембранный экран топки парового котла П-образной конструкции с зонами укрепления полосами экранов между поясами, шаг которых превышает допустимый для данного места топки;
на фиг. 2 - часть топки Вид А;
на фиг. 3 - часть сечения В-В бокового экрана фиг. 2 с приваренными к вертикальным трубам полосами поперек этих труб;
на фиг. 4 - часть сечения В-В бокового экрана фиг. 2 с приваренными к вертикальным трубам полосами и перемычками, соединяющими две полосы соседних панелей стыковыми швами;
на фиг. 5 - часть сечения В-В бокового экрана фиг. 2 с приваренными к вертикальным трубам полосами поперек этих труб и полосами, соединяющими полосы соседних панелей сварными соединениями внахлест.
Мембранный экран 1 входит в состав газоплотной экранной коробки 2 парового котла 3, содержащего топку 4, переходной газоход 5 и конвективную шахту 6. Экраны 1 в экранной коробке 2 укреплены поясами жесткости 7 и подвешены на подвесках 8 к верхней части каркаса 9 котла 3. Мембранный экран 1 сварен из трубных панелей 10 с вертикальными трубами 11. К вертикальным трубам 11 мембранного экрана 1 приварены полосы 12 в направлении поперек этих труб. В представленном примере на фиг. 1 полосы 12 расположены между поясами жесткости 7, шаг которых превышает допустимый. Укрепление экранов полосами 12 возможно между поясами жесткости и/или между поясом жесткости и соединением экранов. Зон укрепления полосами экранов может быть несколько. На фиг. 1 показаны три зоны, укрепленные полосами 12 между поясами жесткости. На фиг. 2 показана одна из зон укрепления экрана 1 полосами 12. В местах соединения трубных панелей 10 полосы 12 могут быть сварены попарно перемычками 13 (фиг. 2, фиг. 4) или пластинами 14 (фиг. 2, фиг. 5). Сварные соединения полос 12 между трубными панелями 10 экрана 1 могут быть выполнены встык (фиг. 4) или внахлест (фиг. 5).
При работе котла могут возникнуть аварийные режимы: хлопок топочных газов или аварийное разрежение, которые сопровождаются повышенными внутренними напряжениями в экранной коробке. При шагах между поясами жесткости, не превышающих допускаемые расстояния, которые соответствуют параметрам экранов, их температуре и давлению в трубах, внутренние напряжения в экранах не превышают допускаемые. Однако при реальном проектировании необходимо увеличить шаг поясов для расположения горелок, сопел дутья и других элементов конструкции, поэтому достаточно часто шаги между поясами жесткости превышают допускаемые. В этом случае в серединной зоне экранов между поясами возникают повышенные изгибающие моменты и напряжения, что приводит к снижению прочности и долговечности экранов и котла в целом. Это касается как вертикальных экранов топки, переходного газохода и конвективной шахты, так и горизонтальных или наклонных экранов потолка экранной коробки котла, подовых экранов холодной воронки или переходного газохода. Приварка полос 12 к трубам 11 мембранного экрана 1 позволяет снизить повышенные напряжения в серединных зонах экранов, увеличить поперечное сечение, осевые моменты инерции и моменты сопротивления изгибу экрана в зоне упрочнения, соответственно, снизить в этой зоне напряжения и повысить прочность экрана. Кроме этого приваренные полосы увеличивают изгибную жесткость экранов котла и, соответственно, уменьшают изгибные деформации экранов при рабочем и аварийных режимах работы котла. Все это повышает прочность и надежность котла в целом.
а
а
a
a
a
1
2
2
1
2
Полосы могут привариваться к трубам с равномерным шагом, однако, для обеспечения наибольшего снижения металлоемкости котла шаг полос может увеличиваться от середины зоны укрепления к поясам жесткости пропорционально расстоянию от средней линии или пропорционально квадрату расстояния от средней линии, то есть по мере уменьшения изгибающего момента в экране. Ширина и толщина приваренных полос может быть постоянной или для снижения металлоемкости при одинаковом шаге приваренных полос, их ширина и толщина может уменьшаться от средней линии между поясами жесткости к поясам по мере снижения изгибающего момента в экране. Шаг между полосами с выбирается (рассчитывается) в зависимости от изгибающих моментов в зоне укрепления, материала и размеров полос: ширины сечения b и толщины s. Границы зоны укрепления определяются границами превышения действующих изгибающих моментов по отношению к допускаемым моментам для данного участка экрана, соответственно, определяются расстояния от края экрана  и поясов жесткости . Аналогично величина расстояния  от сварного соединения двух перпендикулярных экранов определяется, если зона укрепления находится между крайним поясом жесткости и сварным соединением двух перпендикулярных экранов, например, соединением вертикального и потолочного экранов. В случае укрепления потолочного экрана котла расстояния  и  определяются с учетом конструкции и расположения укрепляющих элементов на этом экране, например, коробов уплотнения для выхода труб ширм.
Добавление в конструкцию экранов укрепляющих полос позволяет существенно повысить изгибную прочность и жесткость экранов как в направлении вдоль труб, так и в направлении поперек труб. Это дает возможность отказаться от дополнительных вертикальных поясов жесткости при больших шагах горизонтальных поясов жесткости, тем самым упростить конструкцию, снизить металлоемкость котла по сравнению с известными конструкциями и повысить надежность котла в целом. Для направления вдоль труб изгибная прочность экранов при относительно небольшом количестве укрепляющих полос увеличивается на 20-40%, а изгибная жесткость на 20-35%. Для направления поперек труб изгибная прочность экранов увеличивается более чем на порядок, а изгибная жесткость более чем на 2 порядка. Для котлов средней мощности снижение металлоемкости составляет от 0,7 до 2,5 тонны для каждой зоны укрепления экранов в зависимости от ширины экрана и шага поясов. Так, использование укрепляющих полос на экранах с большим шагом поясов жесткости вместо вертикальных поясов жесткости для парового котла типа Пп-1030-25,0-570/570ГМ позволило снизить металлоемкость котла на 0,8-2,0 тонн для каждой зоны укрепления. Для направления вдоль труб среднее увеличение изгибной прочность экранов составило 33%, а изгибной жесткости - 22%. Для направления поперек труб изгибная прочность экранов в среднем увеличилась в 28 раз, а изгибная жесткость экранов в среднем в 184 раза. Это позволило дополнительно снизить металлоемкость горизонтальных поясов жесткости. Кроме того, приварка укрепляющих полос проводится на котлостроительном предприятии при изготовлении экранов, что снижает затраты на монтаж котла.