Сравнение технических характеристик различных типов оребренных труб
Ниже представлено сравнение технических характеристик моноблочных винтовых оребренных труб, Н-образных оребренных труб и высокочастотных сварных винтовых оребренных труб:
| Содержание | Тип модернизации экономайзера | ||
| Высокочастотная сварная винтовая оребренная труба | Н-образная оребренная труба | Оребренная труба «Сюаньли» | |
| Образец |  |
 |
 |
| Исходное сырье | Стальная лента + бесшовная стальная труба | Стальной лист + бесшовная стальная труба | Толстостенная бесшовная стальная труба |
| Технология производства | Высокочастотная сварка | Сварка ударным сопротивлением | Многороликовое прокатывание, одностадийное формование, без сварки |
| Площадь теплообмена | Увеличена в 4–6 раз по сравнению с гладкой трубой | Увеличена в 4–6 раз по сравнению с гладкой трубой | Увеличена в 5–7 раз по сравнению с гладкой трубой, удельная поверхность на единицу веса составляет примерно 3–4 раза от гладкой трубы |
| Теплопередача | Хорошая:Коэффициент теплопередачи на единицу длины трубы в 3 раза выше, чем у гладкой, но имеется контактное тепловое сопротивление, теплопередача нестабильна. При длительной эксплуатации возможны трещины сварных швов, требующие замены трубы. | Удовлетворительная:Коэффициент теплопередачи на единицу длины трубы в 3 раза выше, чем у гладкой, имеется контактное тепловое сопротивление, теплопередача нестабильна. | Отличная:Коэффициент теплопередачи на единицу длины трубы в 4–6 раз выше, чем у гладкой, ребра и матрица трубы интегрированы, отсутствует контактное тепловое сопротивление.Профиль ребра трапециевидный, что соответствует принципам теплопередачи и улучшает теплообмен. |
| Устойчивость к накоплению золы | Склонность к накоплению золы:1. Непрерывные винтовые ребра образуют направляющие пластины, за трубой формируется вихрь Кармана, обеспечивающий самоочистку.2. Складки и неровности у основания ребер вызывают накопление золы, шлакообразование и засорение. | Высокая склонность к накоплению золы:Складки и неровности у основания ребер вызывают накопление золы, шлакообразование и засорение. | Низкая склонность к накоплению золы:1. Трапециевидные ребра направляют поперечно смывающий дымовой газ, плавный переход от основания ребра к матрице, малые вихри в пазах обеспечивают самоочистку;2. Непрерывные винтовые ребра направляют дымовой газ, создавая осевой вращательный поток вдоль трубы, обеспечивая превосходную самоочистку. |
| Прочность на давление | Немного выше:Соответствует внешним усилительным ребрам | Немного выше:Соответствует внешним усилительным ребрам | Высокая:Ребра интегрированы с матрицей, образуя винтовую ленту, давлениеустойчивость в 3 раза выше, чем у гладкой трубы того же диаметра и толщины стенки. |
| Устойчивость к износу | Удовлетворительная:1. Дымовой газ напрямую смывает матрицу, устойчивость к износу средняя;2. Сварные швы у основания ребер имеют складки, включения шлака, поры, способствующие накоплению золы, уменьшению сечения прохода для дыма, увеличению локальной скорости потока и усилению износа;3. Низкая стабильность при длительной эксплуатации, при нагреве и охлаждении возможны трещины сварных ребер и «обжимание», усиливающие локальный износ. | Удовлетворительная:1. Дымовой газ напрямую смывает матрицу, устойчивость к износу средняя;2. Сварные швы у основания ребер имеют складки, включения шлака, поры, способствующие накоплению золы, уменьшению сечения прохода для дыма, увеличению локальной скорости потока и усилению износа.3. Низкая стабильность при длительной эксплуатации, при нагреве и охлаждении возможны трещины и отслоение сварных ребер, усиливающие локальный износ. | Отличная:1. Высокая твердость: испытания показывают, что после обработки (среднечастотный нагрев, трехроликовое прокатывание, эквивалентное повторному закаливанию) механическая прочность σs моноблочной оребренной трубы повышается с 260 МПа до 450 МПа; твердость поверхности HV170 повышается до HV250. Износостойкость в 1,5–2 раза выше, чем у других типов оребренных труб, давлениеустойчивость примерно в 3 раза выше, чем у гладкой трубы того же диаметра и толщины стенки;2. Трапециевидные ребра направляют дымовой газ, плавный переход от ребер к матрице: при смыве дымом изнашиваются сначала ребра, затем матрица;3. Интегрированное формование ребер и матрицы без сварки, гладкая поверхность, малые вихри в пазах и осевой поток у основания ребер способствуют очистке от золы, исключая усиление износа из-за локального накопления золы;4. Высокая стабильность при длительной эксплуатации, хорошая устойчивость ребер и матрицы к деформации при нагреве и охлаждении, малый диапазон колебаний проектной скорости ветра, контролируемая степень износа. |
| Срок службы | Удовлетворительный | Удовлетворительный | Значительно продлен: в 1,5–1,8 раза и более, чем у сварных оребренных труб. |
Из сравнения видно, что высокочастотные сварные винтовые оребренные трубы и Н-образные оребренные трубы имеют явные конструкционные недостатки. Ребра и матрица соединены сваркой ударным сопротивлением с малой глубиной проплавления, что приводит к образованию пор и включений шлака. Складки и неровности у основания ребер вызывают накопление золы, шлакообразование и засорение, а также концентрацию напряжений в сварных швах, снижая долговременную эксплуатационную стабильность.
Труба «Сюаньли» изготавливается из толстостенной бесшовной стальной трубы (заготовки) методом одностадийного прессования и прокатки при непрерывном среднечастотном нагреве. Она обладает высоким коэффициентом теплопередачи, устойчивостью к накоплению золы и износу, длительным сроком службы и имеет естественные преимущества в области дымового теплообмена.
Технология производства, стандарты и контроль оребренных труб «Сюаньли» (моноблочных винтовых оребренных труб)
Технология производства оребренных труб «Сюаньли»
Моноблочные трапециевидные винтовые оребренные трубы изготавливаются из толстостенной бесшовной стальной трубы методом одностадийного многороликового прокатывания при непрерывном среднечастотном нагреве.
Рис. 1. Образец несварной моноблочной винтовой оребренной трубы для технологии охлаждения дыма
Рис. 2. Готовая моноблочная винтовая оребренная труба
По сравнению с традиционными оребренными трубами имеет следующие преимущества:
(1). Высокая твердость: испытания показывают, что после обработки (среднечастотный нагрев, трехроликовое прокатывание, эквивалентное повторному закаливанию) механическая прочность σs моноблочной оребренной трубы повышается с 260 МПа до 450 МПа; твердость поверхности HV170 повышается до HV250. Износостойкость в 1,5–2 раза выше, чем у других типов оребренных труб, давлениеустойчивость примерно в 3 раза выше, чем у гладкой трубы того же диаметра и толщины стенки;
Трапециевидные ребра направляют дымовой газ, плавный переход от ребер к матрице: при смыве дымом изнашиваются сначала ребра, затем матрица;
Интегрированное формование ребер и матрицы без сварки, гладкая поверхность, малые вихри в пазах и осевой поток у основания ребер способствуют очистке от золы, исключая усиление износа из-за локального накопления золы;Г. Высокая стабильность при длительной эксплуатации, хорошая устойчивость ребер и матрицы к деформации при нагреве и охлаждении, малый диапазон колебаний проектной скорости ветра, контролируемая степень износа.
(2). Высокая теплопередача: ребра и матрица интегрированы, отсутствует контактное тепловое сопротивление. Профиль ребра трапециевидный, что соответствует принципам теплопередачи и улучшает теплообмен.
(3). Устойчивость к накоплению золы:А. Увеличен поперечный шаг дымового охладителя, уменьшено количество поперечных рядов труб, оптимизирована общая компоновка;
Трапециевидные ребра направляют поперечно смывающий дымовой газ, плавный переход от основания ребра к матрице, малые вихри в пазах обеспечивают самоочистку;
Непрерывные винтовые ребра направляют дымовой газ, создавая осевой вращательный поток вдоль трубы, обеспечивая превосходную самоочистку;
Моноблочные винтовые оребренные трубы имеют более компактные габариты, гибкую компоновку, могут быть выполнены в шахматном порядке для максимального использования самоочищающего эффекта теплообменных труб;
Коэффициент загрязнения золой моноблочных винтовых оребренных труб составляет примерно 3/5 от коэффициента загрязнения гладких труб.
Рис. 3. Принцип самоочистки моноблочной винтовой оребренной трубы
(4). Коррозионностойкость: дымовые охладители на основе оребренных труб «Сюаньли» изготавливаются из стали ND (09CrCuSb) с добавлением никеля (Ni) по требованию металлургического завода для повышения коррозионной стойкости.
Рис. 4. Численная модель теплопередачи моноблочной трапециевидной винтовой оребренной трубы
Трапециевидное сечение ребра, большая площадь контакта основания ребра с базовой трубой, высокая механическая прочность, отсутствие контактного теплового сопротивления (без сварных дефектов);
Отношение площади основания ребра к площади базовой трубы превышает 43%, температура поверхности ребер выше температуры поверхности базовой трубы, средняя температура поверхности ребер значительно повышается, устойчивость к низкотемпературной коррозии значительно улучшается;
Коэффициент оребрения превышает 6,0, общая эффективность поверхности ребер более 93%, отличные показатели теплообмена и сопротивления потоку.
Стандарты производства и контроль оребренных труб «Сюаньли»
Моноблочные трапециевидные винтовые оребренные трубы являются новым теплообменным элементом, для которого на данный момент отсутствуют государственные и отраслевые стандарты. Наша компания разработала корпоративные стандарты на основе многолетнего опыта производства: Q/XL 001-2020 «Моноблочные винтовые оребренные стальные трубы для котлов высокого давления», Q/XL 002-2020 «Моноблочные винтовые оребренные стальные трубы для котлов низкого и среднего давления». Производство и контроль осуществляются в соответствии с указанными корпоративными стандартами.
Преимущества моноблочных винтовых оребренных труб
Анализ коэффициента теплопередачи
По сравнению с гладкими трубами: значительно расширена площадь нагрева со стороны дымового газа, применены методы интенсификации теплопередачи, коэффициент теплопередачи повышен примерно в 4–6 раз.
По сравнению с высокочастотными сварными винтовыми оребренными трубами и Н-образными оребренными трубами:
Согласно теории теплопередачи, трапециевидное сечение моноблочных винтовых ребер способствует лучшей теплопроводности, в то время как высокочастотные сварные ребра и Н-образные ребра имеют прямоугольное сечение с малой площадью контакта с базовой трубой, ухудшая теплопроводность и снижая коэффициент теплопередачи. Особенно Н-образные ребра имеют еще меньшее отношение площади контакта с базовой трубой к площади ребер, что снижает коэффициент теплопередачи еще больше.
Рис. 1: Высокочастотная сварная винтовая оребренная труба
Рис. 2: Н-образная оребренная труба
Рис. 3: Моноблочная винтовая оребренная труба
Ребра моноблочных винтовых оребренных труб прокатаны интегрально с базовой трубой, в то время как высокочастотные сварные ребра и Н-образные ребра приварены к базовой трубе, неизбежно создавая тепловое сопротивление на сварном соединении. При поперечном смыве дымовым газом теплообменник вибрирует, что приводит к появлению трещин в сварных швах ребер и даже к явлению «обжимания», поэтому сварное тепловое сопротивление влияет на коэффициент теплопередачи, и проблемы усугубляются с увеличением срока эксплуатации.
Моноблочные винтовые оребренные трубы обладают хорошей устойчивостью к накоплению золы и высоким коэффициентом теплопередачи
Ниже представлены результаты исследования характеристик осаждения летучей золы для моноблочных винтовых оребренных труб, Н-образных оребренных труб и игольчатых оребренных труб, проведенного национальной лабораторией в рамках работы «Экспериментальное исследование характеристик осаждения летучей золы при поперечном смыве пучков труб потоком газа» [1].
Из рисунка следует вывод: устойчивость к накоплению золы убывает в ряду: моноблочные винтовые оребренные трубы в шахматной компоновке → винтовые ребра в строчной компоновке → Н-образные оребренные трубы в шахматной и строчной компоновке → игольчатые оребренные трубы (наибольшее накопление золы).
Другое исследование университета «Экспериментальное исследование коэффициента загрязнения золой пучков моноблочных винтовых оребренных труб» [2] показало, что коэффициент загрязнения золой моноблочных винтовых оребренных труб составляет примерно 3/5 от коэффициента загрязнения гладких труб.
Отличная устойчивость моноблочных винтовых оребренных труб к накоплению золы обусловлена: ① плавным радиусным переходом ребер, самоочищающим вихрем в пазах; ② осевой скоростью потока у основания моноблочных винтовых ребер, способствующей самоочистке.
Сварные трубы и Н-образные трубы имеют складки и неровности у основания сварных швов, способствующие накоплению золы.
Ниже представлено сравнение накопления золы на модернизированных котлах нашей компании:
(Накопление золы на высокочастотной сварной винтовой оребренной трубе после двух лет эксплуатации на заводе)
(Накопление золы и отслоение ребер на Н-образной оребренной трубе после одного года эксплуатации на заводе)
(Накопление золы на моноблочной винтовой оребренной трубе после семи лет эксплуатации на заводе)
Анализ срока службы моноблочных винтовых труб
Моноблочные винтовые оребренные трубы изготавливаются многороликовым прокатыванием, что значительно повышает механическую прочность поверхности и твердость материала. Согласно отчету о испытаниях образцов, предоставленному «Национальным центром контроля и испытаний стальной продукции» [3] [4], после обработки механическая прочность σs моноблочной оребренной трубы повышается с 260 МПа до 450 МПа; твердость поверхности HV170 повышается до HV250. Таким образом, моноблочные оребренные трубы имеют более высокую давлениеустойчивость и износостойкость, чем высокочастотные сварные трубы, Н-образные оребренные трубы и гладкие трубы, что значительно продлевает срок службы.
Согласно исследованиям, износ пучков труб теплообменника пропорционален 3,22 степени скорости дымового потока ω, поэтому снижение скорости дымового потока является одним из основных способов решения проблемы износа экономайзера. При сохранении постоянного теплового приема теплообменника использование моноблочных винтовых оребренных труб позволяет значительно сократить количество поперечных и продольных рядов труб, что снижает скорость дымового потока и уменьшает износ теплообменника.
Исследование Университета Цзиаотун в Сиане и Университета Шаньдуна «Экспериментальное исследование характеристик защиты от износа и накопления золы винтовых оребренных труб» [6] показало, что между ребрами плотность твердых частиц и скорость основного потока распределяются по параболическому закону, что снижает энергию удара твердых частиц о поверхность ребер, уменьшает износ ребер и базовой трубы и продлевает срок службы.
Хорошая коррозионностойкость
Многороликовое прокатывание обеспечивает гладкую поверхность оребренной трубы, структуру феррит + перлит, плотную микроструктуру, плавный радиусный переход от ребер к базовой трубе, непрерывную металлическую текстуру, повышая коррозионностойкость.
По расчетам, срок службы моноблочных винтовых оребренных труб в 1,2–2 раза выше, чем у гладких труб, сварных труб и Н-образных оребренных труб. Например, на 3x260 т/ч котлах Донъинской теплоэлектростанции в Шаньдуне, эксплуатирующихся с 2005 года, экономайзер не имел никаких отказов, температура отходящего дыма поддерживается на проектном уровне.
Характеристики сопротивления потоку и энергосберегающий эффект моноблочных винтовых оребренных труб
Объем экономайзера на моноблочных винтовых оребренных трубах на 50% меньше, чем у экономайзера на гладких трубах, и на 20% меньше, чем у экономайзера на высокочастотных сварных трубах и Н-образных трубах, что позволяет значительно снизить энергопотребление дымососов и экономить электроэнергию.