Пароперегреватель является наиболее теплонапряженным элементом . На рисунке ниже показано распределение теплоты между , испарительными и пароперегревательными . Как видно из рисунка расположенного ниже, суммарное тепловосприятие пароперегревательных поверхностей нагрева возрастает с повышением номинальных параметров пара с 30 % у котлов 14 МПа до 70 % у прямоточных котлов сверхкритического давления. В котлах 10 МПа все пароперегревательные поверхности являются конвективными, и он установлен в поворотной камере топки, в то время как у котлов 14 МПа значительная часть пароперегревателя выполнена в виде радиационных поверхностей, расположенных в верхней части топочной камеры. Еще больше развиты радиационные поверхности в пароперегревателях котлов сверхкритического давления. Эти конструктивные особенности определяют температурный режим металла труб пароперегревателей и минимальные нагрузки котлов разных типов по условиям надежного охлаждения этих труб.
Диаграмма распределения общего тепловосприятия в котельных агрегатах между экономайзерными (1), парогенерирующими (2) и пароперегревательными (3) поверхностями нагрева в зависимости от номинальных параметров пара
При снижении нагрузки котлов уменьшается расход пара через пароперегреватель, а следовательно, массовая и линейная скорость пара. В результате этого температура перегрева пара на выходе из радиационного пароперегревателя повышается, так как лучистая энергия факела поглощается здесь меньшим количеством пара. В ширмовых пароперегревателях, включенных между радиационными и конвективными поверхностями, продолжается интенсивный теплообмен, лучистый, и конвективный, так что суммарное тепловосприятие ширм мало зависит от нагрузки. Поэтому дополнительный перегрев пара, возникший в радиационных панелях, сохранится и на выходе из ширм, причем температура его может значительно превышать расчетную температуру пара. Одновременно из-за снижения линейной скорости парового потока резко ухудшается теплоотдача металла. Совокупное действие обеих этих причин приводит при пониженной нагрузке котла к значительному возрастанию температуры металла труб пароперегревателя.
Зависимость температуры наружной поверхности труб пароперегревателя от скорости пара при различных тепловых нагрузках
Как видно из рисунка выше, при тепловых нагрузках 300 кВт/м2, обычных в зоне радиационных панелей, и при условии применения для труб пароперегревателя хромомолибденованадиевой стали 12Х1МФ с предельной допустимой рабочей температурой 575 °С, скорость пара должна быть не меньше 5 м/с. Эта скорость соответствует расходу пара примерно 0,5*Dном и, таким образом, минимальная нагрузка барабанного котла 14 МПа с комбинированным пароперегревателем по условиям надежности металла труб пароперегревателя составляет около 50 % паропроизводительности. У барабанных котлов 10 МПа, имеющих только конвективный пароперегреватель, этот минимум может быть несколько ниже (около 40%). У прямоточных котлов 14 МПа ограничения минимальной нагрузки по условиям надежности пароперегревателя те же, что и у барабанных котлов такого же давления, а у котлов сверхкритического давления 25 МПа, трубы пароперегревателей которых выполнены из жаропрочной стали аустенитного класса с допустимой рабочей температурой 650 °С, минимальная нагрузка может быть такой же, как у барабанных котлов с конвективным пароперегревателем/
Необходимо отметить затруднения с поддержанием температуры перегрева вторичного пара, возникающие при малых нагрузках котлов с вторичным пароперегревателем, расположенным обычно в опускной (конвективной) шахте. В некоторых случаях именно пароперегреватель котла ограничивает глубину его разгрузки, заставляя значительно повышать коэффициент избытка воздуха (до 3,0) для поддержания в норме температуры вторичного перегрева пара.