Котельные установки тепловых электростанций
Обновлено: 02.07.2024
Котельные установки. Виды, устройство котельных.
Котельная установка (котельная) - это сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило - воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло- и пароснабжении или при местном теплоснабжении зданий.
Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Ее основные элементы - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства. В общем случае котельная установка представляет собой совокупность котла (котлов) и оборудования, включающего следующие устройства: подачи и сжигания топлива; очистки, химической подготовки и деаэрации воды; теплообменные аппараты различного назначения; насосы исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные - для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, расходуемой у потребителя и утечек в сетях, питательные для подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие); баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воздушный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовую трубу; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности сжигания топлива; тепловой щит или пульт управления.
Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.
Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.
Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.
Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают теплоту воде.
Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водяной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответственно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и питательной воды; приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.
В зависимости от использования их теплоты котельные делятся на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.
Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные бывают на промышленных предприятиях и обеспечивают теплотой системы отопления и вентиляции, горячего водоснабжения зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные решают те же задачи, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.
Устройство встроенных в жилые и общественные здания котельных в настоящее время допускается только при соответствующем обосновании и согласовании с органами санитарного надзора.
Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.
2. Классификация котельных установок
Котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду получаемого теплоносителя их делят на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды).
Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.
Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления производственных и жилых помещений.
В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные бывают местные (индивидуальные), групповые и районные.
Местные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115 °С или паровыми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котельные предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.
Групповые котельные установки обеспечивают теплотой группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Их оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специально сооруженных отдельных зданиях.
Районные отопительные котельные служат для теплоснабжения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами.
Рис. 1. Пример территории котельной и некоторого ее оборудования
Рис. 2. Примеры компоновки некоторых котельных и их оборудования
Рис. 3. Примеры компоновки некоторых котельных и их оборудования
Рис. 4. Принципиальные схемы паровой и водогрейной котельных
Отдельные элементы принципиальной схемы котельной установки принято условно показать в виде прямоугольников, кружков и т.п. и соединять их между собой линиями (сплошными, пунктирными), обозначающими трубопровод, паропроводы и т. п. В принципиальных схемах паровых и водогрейных котельных установок имеются существенные различия. Паровая котельная установка (рис. 4, а) из двух паровых котлов 1, оборудованных индивидуальными водяными 4 и воздушными 5 экономайзерами, включает групповой золоуловитель 11, к которому дымовые газы подходят по сборному борову 12. Для отсоса дымовых газов на участке между золоуловителем 11 и дымовой трубой 9 установлены дымососы 7 с электродвигателями 8. Для работы котельной без дымососов установлены шиберы (заслонки) 10.
Пар от котлов по отдельным паропроводам 19 поступает в общий паропровод 18 и по нему к потребителю 17. Отдав теплоту, пар конденсируется и по конденсатопроводу 16 возвращается в котельную в сборный конденсационный бак 14. Через трубопровод 15 в конденсационный бак подается добавочная вода из водопровода или химводоочистки (для компенсации объема, не вернувшегося от потребителей).
В случае, когда часть конденсата теряется у потребителя, из конденсационного бака смесь конденсата и добавочной воды подается насосами 13 по питательному трубопроводу 2 сначала в экономайзер 4, а затем в котел 1. Воздух, необходимый для горения, засасывается центробежными дутьевыми вентиляторами 6 частично из помещения котельной, частично снаружи и по воздуховодам 3 подается сначала к воздухоподогревателям 5, а затем к топкам котлов.
Водогрейная котельная установка (рис. 4, б) состоит из двух водогрейных котлов 1, одного группового водяного экономайзера 5, обслуживающего оба котла. Дымовые газы по выходе из экономайзера по общему сборному борову 3 поступают непосредственно в дымовую трубу 4. Вода, нагретая в котлах, поступает в общий трубопровод 8, откуда подается к потребителю 7. Отдав теплоту, охлажденная вода по обратному трубопроводу 2 направляется сначала в экономайзер 5, а затем опять в котлы. Вода по замкнутому контуру (котел, потребитель, экономайзер, котел) перемещается циркуляционными насосами 6.
Рис. 5. Схема паровой котельной установки: 1 - циркуляционный насос; 2 - топка; 3 - пароперегреватель; 4 - верхний барабан; 5 - водоподогреватель; 6 - воздухоподогреватель; 7 - дымовая труба; 8 - центробежный вентилятор (дымосос); 9 - вентилятор для подачи воздух в воздухоподогреватель
На рис. 6 представлена схема котельного агрегата с паровым котлом, имеющим верхний барабан 12. В нижней части котла расположена топка 3. Для сжигания жидкого или газообразного топлива используют форсунки или горелки 4, через которые топливо вместе с воздухом подается в топку. Котел ограничен кирпичными стенами -обмуровкой 7.
При сжигании топлива выделяющаяся теплота нагревает воду до кипения в трубных экранах 2, установленных на внутренней поверхности топки 3, и обеспечивает ее превращение в водяной пар.
Рис 6. Схема котельного агрегата
Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, образуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя 11, проходят через экономайзер 5 и воздухоподогреватель 6, где они также охлаждаются вследствие передачи теплоты воде, поступающей в котел, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа 17 удаляются через дымовую трубу 19 в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой.
Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом 16 в водяной экономайзер 5, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла 12. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана 12. Затем пар поступает в пароперегреватель 11, где за счет теплоты дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается.
Из пароперегревателя 11 пар поступает в главный паропровод 13 и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную.
Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке.
Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором 18 в воздухоподогреватель 6, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.
Рис. 7. Технологическая схема производственно-отопительной котельной
Для правильного монтажа всех элементов котельной используют монтажную схему, пример которой показан на рис. 9.
Рис. 9. Пример монтажной схемы автономной газовой котельной
Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей.
Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с водогрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации.
Водогрейная котельная имеет один теплоноситель - воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя - вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водогрейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая котельные по сложности устройства бывают различными в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями - трубопроводами, газопроводами и др.
Устройство котлов меньшей мощности показано ниже в пункте 4 данной темы. Чтобы лучше понять устройство и принципы действия котлов разной мощности, желательно сравнить устройство этих менее мощных котлов с устройством описанных выше котлов большей мощности, и найти в них основные элементы, выполняющие такие же функции, а также понять основные причины различий в конструкциях.
3. Классификация котельных агрегатов
Котлы как технические устройства для производства пара или горячей воды отличаются многообразием конструктивных форм, принципов действия, используемых видов топлива и производственных показателей. Но по способу организации движения воды и пароводяной смеси все котлы могут быть разделены на следующие две группы:
- котлы с естественной циркуляцией;
- котлы с принудительным движением теплоносителя (воды, пароводяной смеси).
В современных отопительных и отопительно-производственных котельных для производства пара используются в основном котлы с естественной циркуляцией, а для производства горячей воды - котлы с принудительным движением теплоносителя, работающие по прямоточному принципу.
Современные паровые котлы с естественной циркуляцией делают из вертикальных труб, расположенных между двумя коллекторами (верхним и нижним барабанами). Их устройство показано на чертеже на рис. 10, фотография верхнего и нижнего барабана с соединяющими их трубами - на рис. 11, а размещение в котельной - на рис. 12. Одна часть труб, называемых обогреваемыми «подъемными трубами», нагревается факелом и продуктами сгорания топлива, а другая, обычно не обогреваемая часть труб, находится вне котельного агрегата и носит название «опускные трубы». В обогреваемых подъемных трубах вода нагревается до кипения, частично испаряется и в виде пароводяной смеси поступает в барабан котла, где происходит ее разделение на пар и воду. По опускным не обогреваемым трубам вода из верхнего барабана поступает в нижний коллектор (барабан).
Движение теплоносителя в котлах с естественной циркуляцией осуществляется за счет движущего напора, создаваемого разностью весов столба воды в опускных и столба пароводяной смеси в подъемных трубах.
Рис. 10. Паровой котел серии КЕ, работающий на твердом топливе
Рис. 11. Верхний и нижний барабаны и трубы парового котла
Рис. 12. Паровой котел с верхним и нижним барабанами в котельной
В паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией поверхности нагрева выполняются в виде змеевиков, образующих циркуляционные контуры. Движение воды и пароводяной смеси в таких контурах осуществляется с помощью циркуляционного насоса.
В прямоточных паровых котлах кратность циркуляции составляет единицу, т.е. питательная вода, нагреваясь, последовательно превращается в пароводяную смесь, насыщенный и перегретый пар.
В водогрейных котлах вода при движении по контуру циркуляции нагревается за один оборот от начальной до конечной температуры.
По виду теплоносителя котлы разделяются па водогрейные и паровые. Основными показателями водогрейного котла являются тепловая мощность, то есть теплопроизводительность, и температура воды; основными показателями парового котла - паропроизводительность, давление и температура.
Водогрейные котлы, назначением которых является получение горячей воды заданных параметров, применяют для теплоснабжения систем отопления и вентиляции, бытовых и технологических потребителей. Водогрейные котлы, работающие обычно по прямоточному принципу с постоянным расходом воды, устанавливают не только на ТЭЦ, но и в районных отопительных, а также отопительно-производственных котельных в качестве основного источника теплоснабжения.
Рис. 13. Устройство парового котла
Рис. 14. Примеры размещения котлов и другого оборудования в котельной
По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы (парогенераторы) могут быть разделены на две группы: водотрубные котлы и жаротрубные котлы. В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В жаротрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а вода омывает трубы снаружи.
По принципу движения воды и пароводяной смеси парогенераторы подразделяются на агрегаты с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Последние подразделяются на прямоточные и с многократно-принудительной циркуляцией.
Примеры размещения в котельных котлов разной мощности и назначения, а также другого оборудования, показаны на рис. 14- 16.
Рис. 15. Примеры размещения котлов и другого оборудования в котельной
Рис. 16. Примеры размещения бытовых котлов и другого оборудования
Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы
Систематизированы и обобщены сведения о первой части технологического цикла тепловой электростанции: подготовке различных видов топлива к сжиганию, организации топочного процесса, получении перегретого пара в котельных установках различных конструкций. Приведены особенности эксплуатации паровых котлов на разных видах органического топлива. Учитывая всё возрастающее значение вопросов охраны окружающей среды, авторы, используя результаты собственных исследований и достижения отечественных и зарубежных энергетиков, подробно рассказывают о методах и конструкциях аппаратов, предназначенных для защиты атмосферы от токсичных и парниковых газов, а также золовых частиц, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлов. Пособие предназначено для студентов энергетических специальностей технических вузов, инженерно-технического персонала инжиниринговых компаний и тепловых электростанций, а также слушателей курсов повышения квалификации инженеров-теплотехников.
Оглавление
- Введение
- Глава 1. Котельные установки. Назначение и классификация котлов. Особенности котлов для разных мощностей, параметров и видов.
- Глава 2. Органическое топливо и особенности его использования на тепловых электростанциях
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов вузов и колледжей по специальности «Тепловые электростанции».
Книгу посвящаю Страдецкому Борису Евгеньевичу — Учителю, открывшему для меня мир теплотехники.
По определению Всемирного энергетического совета, «…устойчивым является такое развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего без нарушения возможности будущих поколений удовлетворять свои потребности» [1]. Это значит, что любые преобразования в отечественной энергетике должны быть нацелены на решение сразу двух основных проблем: во-первых, необходимо по приемлемым ценам обеспечить всё возрастающие потребности экономики в электроэнергии и, во-вторых, добиться, чтобы прирост генерирующих мощностей и функционирование действующих электростанций не снижали качество жизни российских граждан из-за ухудшения состояния окружающей среды.
Проведенные в последние годы преобразования и постепенный переход к рыночным отношениям в электроэнергетике создали условия для интенсивного наращивания генерирующих мощностей. Начато сооружение нескольких мощных энергоблоков на твердом топливе. Это, в первую очередь, энергоблок мощностью 225 МВт на Харанорской ГРЭС, усовершенствованный энергоблок мощностью 330 МВт на Каширской ГРЭС. Начата разработка новых котлов к энергоблокам на сверхкритические параметры пара на Томь-Усинской, Троицкой, Серовской и Рефтинской ГРЭС. Мощность этих блоков предположительно составит 550–660 МВт. На Новочеркасской и Череповецкой ГРЭС планируется установка котлов с циркулирующим кипящим слоем.
При техническом перевооружении действующих ТЭС на газомазутном топливе активно внедряются парогазовые установки (ПГУ). Уже несколько лет успешно работает первый блок мощностью 450 МВт на Северо-Западной ТЭЦ под Санкт-Петербургом. Реализованы проекты ПГУ на Калининградской ТЭЦ-2 и в г. Сочи. Ожидается сооружение парогазовых энергоблоков на ТЭЦ-26 Мосэнерго, Шатурской ГРЭС и ряде крупных ТЭЦ, которые пока что сжигают природный газ в котлах устаревших паротурбинных установок с КПД по выработке электроэнергии на уровне 30–35 %.
И во всех случаях учитываются не только экономическая эффективность инвестиций, но и экологические последствия реализации любого проекта. Сейчас на электростанциях работают котельные установки, спроектированные и построенные несколько десятилетий назад. В то время основой конструкции было экономичное и эффективное сжигание топлива (высокий КПД, низкие потери, долгосрочная безаварийная работа). В настоящее время, в дополнение к перечисленным, выдвигаются новые требования к оборудованию. В частности, к одному из основных элементов тепловой электростанции — котельной установке — предъявляются новые, более жесткие требования, связанные с обеспечением допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
«Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.» (ЭС-2020) исходит из того, что рост спроса на электроэнергию по сравнению с 2002 г. составит 24 % в 2010 г. и 37 % в 2015-м [2]. Такой рост будет реализован, главным образом, за счет ввода новых мощностей на тепловых электростанциях. При этом ЭС-2020 предусматривает изменение структуры потребления топливно-энергетических ресурсов: рыночными методами будет снижаться гипертрофированная доля газа и, соответственно, увеличиваться доля угля при производстве электроэнергии. Это ещё больше осложнит экологическую проблему: при сжигании твердого топлива в дымовых газах содержатся золовые частицы и оксиды серы (SO2 и SO3), а количество оксидов азота (NOx) и монооксида углерода (СО) на угольных котлах больше, чем при сжигании газа. Данное обстоятельство заставляет уделять больше внимания экологическому аспекту как при проектировании новых, так и при эксплуатации действующих котельных установок.
Издание может быть использовано в качестве учебного пособия для студентов вузов, специализирующихся по курсу «Котельные установки ТЭС» и «Экология энергетики», а также будет полезным для повышения квалификации работников проектно-конструкторских организаций и эксплуатационного персонала тепловых электростанций.
Авторы выражают признательность научному редактору, к. т. н., доценту А. Я. Антонову, проявившему деятельное участие в создании этой книги, а также члену-корреспонденту Академии Наук России, д. т. н. Г. Г. Ольховскому за ценные указания при рецензировании рукописи.
Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы
Систематизированы и обобщены сведения о первой части технологического цикла тепловой электростанции: подготовке различных видов топлива к сжиганию, организации топочного процесса, получении перегретого пара в котельных установках различных конструкций. Приведены особенности эксплуатации паровых котлов на разных видах органического топлива. Учитывая всё возрастающее значение вопросов охраны окружающей среды, авторы, используя результаты собственных исследований и достижения отечественных и зарубежных энергетиков, подробно рассказывают о методах и конструкциях аппаратов, предназначенных для защиты атмосферы от токсичных и парниковых газов, а также золовых частиц, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлов. Пособие предназначено для студентов энергетических специальностей технических вузов, инженерно-технического персонала инжиниринговых компаний и тепловых электростанций, а также слушателей курсов повышения квалификации инженеров-теплотехников.
Оглавление
- Введение
- Глава 1. Котельные установки. Назначение и классификация котлов. Особенности котлов для разных мощностей, параметров и видов.
- Глава 2. Органическое топливо и особенности его использования на тепловых электростанциях
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Глава 1. Котельные установки. Назначение и классификация котлов. Особенности котлов для разных мощностей, параметров и видов топлива
Паровые котлы тепловых электростанций — это устройства, в которых химическая энергия органического топлива, превращаясь в тепловую энергию (перегретый пар), используется затем для получения механической энергии на валу турбогенератора и, соответственно, электрической энергии. Если для получения механической энергии применяется не конденсационная, а теплофикационная или противодавленческая турбина, то потребителю поступает ещё и тепловая энергия в виде технологического пара (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Получение электроэнергии на угольной ТЭС: 1 — угольная шахта; 2 — паровой котел; 3 — паровая турбина, 4 — электрогенератор; 5 — повышающий трансформатор; 6 — конденсатор; 7 — канал охлаждающей воды; 8 — электрофильтр; 9 — дымовая труба
Кроме паровых котлов, на некоторых электростанциях можно встретить пиковые водогрейные котлы, в которых, опять же за счет сжигания органического топлива, вода только нагревается, не превращаясь в пар. Горячая вода может быть использована для технологических целей, но главное её назначение — отопление жилых и производственных помещений в холодное время года.
Таким образом, все котлы используют одно и то же рабочее тело — воду, но делятся на паровые и водогрейные. Паровые котлы, в свою очередь, можно разделить на промышленные (в них получают насыщенный или слегка перегретый пар для технологических нужд и отопления) и энергетические, перегретый пар которых используют в паровых турбинах.
В дальнейшем мы будем рассматривать только паровые котлы тепловых электростанций, то есть современные агрегаты для получения перегретого пара за счет сжигания органического топлива. Речь пойдет не только о котлах, но и котельных установках, в состав которых, кроме собственно котлов, входят вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие нормальную работу основного агрегата.
Технология получения перегретого пара предполагает последовательность нескольких физических процессов. Всё начинается с подогрева питательной воды, которая поступает в котел при определенном давлении, создаваемом питательным насосом. Этот процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева, называемой экономайзером (рис. 1.2). Подробнее о конструкции и условиях эксплуатации этого элемента котла рассказано в главе 4 .
После экономайзера вода поступает в барабан, а затем в испарительные поверхности нагрева, которые располагают, как правило, в топочных камерах паровых котлов. Здесь происходит образование пара, который затем поступает в пароперегреватель (подробнее см. в гл. 4 ). Через обогреваемые дымовыми газами трубы пароперегревателя пар проходит однократно, а парообразующие поверхности нагрева могут быть разными. В котлах барабанного типа пароводяная смесь многократно проходит через обогреваемые трубки топочных экранов за счет естественной циркуляции или в результате многократно-принудительной циркуляции (с использованием специального насоса). В котлах, которые называют прямоточными, пароводяная смесь проходит через испарительные поверхности нагрева однократно, за счет давления, создаваемого питательным насосом.
Остановимся подробнее на особенностях процесса получения пара в котлах с естественной циркуляцией и в прямоточных котлах.
На рис. 1.2 приведена схема барабанного котла с естественной циркуляцией, выполненного по традиционной П-образной схеме (о других схемах компоновки паровых котлов будет рассказано ниже). Питательная вода, как показано на этой схеме, поступает в экономайзер, расположенный в конвективной шахте. Экономайзер — первая часть водопарового тракта котла: нагретая в нем вода поступает в барабан, который соединен как с необогреваемыми опускными, так и с обогреваемыми подъемными трубами и является замыкающим звеном контура циркуляции. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам, размещенным у нижней кромки топочной камеры. Из этих коллекторов вода поступает в вертикальные трубки топочных экранов. Именно здесь благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива начинается собственно процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны испаряется не вся вода: в барабан возвращается пароводяная смесь. Доля пара в данной смеси (паросодержание) характеризует тепловую нагрузку испарительной поверхности нагрева. Величину, обратную этой доле, принято называть кратностью циркуляции (К). В объеме барабана происходит разделение (сепарация) воды и пара (подробнее см. в гл. 8 ). Пар выходит во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь попадает в опускные трубы циркуляционного контура.
Рис. 1.2. Схема барабанного котла с естественной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе: 1 — горелки; 2 — топочная камера; 3 — топочный экран; 4 — барабан; 5 — опускные трубы; 6 — фестон; 7 — пароперегреватель; 8 — конвективный газоход; 9 — экономайзер; 10 — трубчатый воздухоподогреватель; 11 — нижние коллекторы топочных экранов
Подъемно-опускное движение по контуру естественной циркуляции (то есть по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам) происходит вследствие разности плотностей котловой воды и пароводяной смеси. Подробнее о закономерностях естественной циркуляции рассказано в главе 6 , посвященной гидродинамике водопарового тракта котельной установки.
Для повышения надежности циркуляции на барабанных котлах повышенного давления (17–18 МПа) применяют принудительное движение пароводяной смеси в топочных экранах (рис. 1.3,б). Как показано на приведенных схемах, котел с принудительной циркуляцией (controlled circulation) отличается от котла с естественной циркуляцией (natural circulation) (рис. 1.3,а) наличием специального насоса для котловой воды.
На рис. 1.3,в представлена схема прямоточного котла (once through).
Прямоточные котлы отличаются от котлов с естественной и принудительной циркуляцией отсутствием барабана и однократным движением нагреваемой среды через испарительные поверхности нагрева. Можно сказать, что кратность циркуляции в прямоточных котлах К = 1, а гидравлическая система является разомкнутой (в отличие от барабанных котлов с естественной циркуляцией, гидравлическая система которых — замкнутая).
Рис. 1.3. Схема движения воды и водяного пара: а — барабанный котел с естественной циркуляцией; б — барабанный котел с принудительной циркуляцией; в — прямоточный котел; 1 — питательный насос; 2 — экономайзер; 3 — верхний барабан котла; 4 — опускные трубы; 5 — испарительные подъемные трубы; 6 — пароперегреватель; 7 — циркуляционный насос; 8 — нижний коллектор
Еще одна особенность прямоточных котлов — отсутствие постоянной (фиксированной) границы между экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной поверхностями нагрева. По мере повышения давления в водопаровом тракте котла сокращается испарительная зона котла, и после достижения критического давления в котле остаются практически только экономайзерная и пароперегревательная части, а между ними сохраняется только зона фазового перехода.
В последние годы в Европе, США и Японии разрабатывают или уже появились котлы, рассчитанные на давление 30 и даже 35 МПа. Для таких котлов используют новый термин: «ультрасверхкритическое давление».
Большое значение имеет конфигурация котла, то есть взаимное расположение радиационных и конвективных поверхностей нагрева. Чаще всего встречаются котлы с П-образной компоновкой, когда топочная камера является первым газоходом (обычно с восходящим движением продуктов сгорания), а конвективные поверхности нагрева располагаются во втором, опускном газоходе (рис. 1.4,а). Топочную камеру с конвективной шахтой соединяет горизонтальный газоход, в котором обычно размещаются конвективные пакеты пароперегревателя или промпароперегревателя (при наличии в тепловой схеме энергоблока промежуточного перегрева пара). Важным достоинством такой компоновки является нижнее расположение мест ввода топлива в котел и выхода дымовых газов. Это позволяет расположить тягодутьевые механизмы и размольные устройства пылеугольных котлов на нулевой отметке.
Рис. 1.4. Схемы компоновок котлов: а — П-образная; б — Т-образная; в — башенная; г — U-образная (инвертная); д — плечевая
Основной недостаток П-образной компоновки — наличие поворотов на выходе из топки и на входе в опускную шахту котла. Эти повороты ухудшают омывание поверхностей нагрева, а на крупных котлах приводят к значительной неравномерности температуры продуктов сгорания по высоте горизонтального газохода. Для лучшего омывания поверхностей нагрева в котлах с П-образной компоновкой, как правило, устанавливают аэродинамический выступ на заднем экране.
В 1970–1980-е гг. российские энергетики начали выпускать котлы с Т-образной компоновкой, в которых продукты сгорания после топочной камеры опускались по двум газоходам, расположенным по обе стороны от топки (рис. 1.4,б). Такое решение увеличивает сечение (а следовательно — снижает скорость запыленных дымовых газов) в конвективной шахте, что уменьшает интенсивность износа труб пароперегревателя и экономайзера, расположенных в этой части котла. Для высокозольных углей (например, для экибастузского угля) такое решение было оправданным, хотя металлоемкость Т-образных котлов выше, чем у котлов с другой компоновкой.
Дополнительными преимуществами котлов с Т-образной компоновкой можно считать уменьшение высоты выходного окна топки (что улучшает температурный режим труб пароперегревателя), а также возможность использовать глубоковыдвижные обдувочные аппараты ограниченной длины (благодаря уменьшению ширины котла).
Примерно в те же годы европейские котлостроительные фирмы, преследуя ту же цель (снижение износа конвективных поверхностей), а также стараясь сократить размеры котельной ячейки, стали выпускать котлы башенного типа, в которых практически все конвективные поверхности нагрева (кроме регенеративного воздухоподогревателя) располагались непосредственно над топочной камерой. Такая компоновка, безусловно, требует существенного увеличения высоты главного корпуса, внутри которого устанавливается котельный агрегат (рис. 1.4,в). Но зато, наряду с уменьшением площади, удается обеспечить равномерное омывание конвективных поверхностей нагрева благодаря отсутствию поворотов, неизбежных при П — и Т-образных компоновках. Кроме того, подъемное движение продуктов сгорания несколько снижает газовое сопротивление. Правда, для мощных котлов башенного типа, сооружаемых в Европе, Японии и Южной Корее в последние годы, пришлось всё же после башенного котла выполнять опускной, свободный от поверхностей нагрева газоход, так как регенеративный воздухоподогреватель, дымосос и газоочистное оборудование могли быть установлены только на нулевой отметке.
Еще один вариант компоновки котельной установки — U-образный котел с топкой инвертного типа (рис. 1.4,г). Такие котлы сравнительно небольшой мощности устанавливали в Европе и США еще в первой половине прошлого века. Верхнее расположение регенеративного воздухоподогревателя позволяло существенно сократить протяженность воздушных коробов до горелок, а факел очень хорошо заполнял топочную камеру. При повышении мощностей котлов всё более ощутимыми становились недостатки такой компоновки: топливо от мельниц приходилось поднимать на большую высоту, а размещение тягодутьевых механизмов и золоуловителей на опорных конструкциях вызывало большие сложности.
В последние десятилетия котлостроительные заводы практически прекратили выпуск таких котлов, но внезапно интерес к ним снова возродился. Дело в следующем. При разработке котлов на ультрасверхкритические параметры с температурой свежего пара и промперегрева 600–700 °С, паропроводы от котла к турбине становятся настолько дорогими, что оправданными оказываются любые усложнения компоновки котла, если их результатом станет сокращение расстояния от выхода из пароперегревателя до стопорного клапана турбины.
Используемое топливо также оказывает влияние на конструкцию котельного агрегата. Так, например, некоторые европейские котлостроительные фирмы при сжигании малореакционных углей (тощих или антрацитов) удачно используют плечевые топки (рис. 1.4,д).
При сжигании твердого топлива в большинстве случаев нижняя часть топки представляет собой холодную воронку, в которой расплавленные в ядре горения золовые частицы охлаждаются до нужной температуры. Такие топки — с твердым шлакоудалением (ТШУ) — используют при сжигании бурых и большинства каменных углей. Но для небольшой группы углей с малым выходом летучих (антрациты и тощие угли) часто применяют топки с жидким шлакоудалением (ЖШУ). В таких топках вместо холодной воронки устанавливают слабонаклонный под. Трубы пода и нижней части топочной камеры покрывают шипами, на которые наносят огнеупорную массу. Всё это приводит к появлению пленки жидкого шлака, образовавшегося из минеральной массы угля. Шлак вытекает через летку в нижней части пода и гранулируется в шлаковой ванне. О целесообразности использования и конструктивных особенностях топок с жидким шлакоудалением подробнее рассказано в последующих разделах.
Газомазутные котлы не нуждаются в холодной воронке: нижняя часть топочной камеры у них представляет собой слабонаклонный под, закрытый экранными трубами. Конструкция конвективных поверхностей нагрева учитывает отсутствие золовых частиц в дымовых газах. Легче решаются проблемы очистки дымовых газов (особенно при сжигании природного газа, когда в топливе отсутствуют серосодержащие вещества).
В конструкции конвективных поверхностей нагрева угольных котлов необходимо учитывать наличие в дымовых газах золовых частиц, которые создают проблемы загрязнения и (или) износа труб пароперегревателя и экономайзера. За пылеугольным котлом обязательно должен быть установлен золоуловитель (например, электрофильтр), а в некоторых случаях — еще и весьма дорогие аппараты для очистки дымовых газов от сернистого ангидрида SO2 и оксидов азота NOx (подробнее — в гл. 11–12 ).
Для преодоления аэродинамического сопротивления конвективных поверхностей нагрева, а также аппаратов для очистки дымовых газов, котельная установка оборудуется дымососом (или дымососами). Исключение составляют только небольшие водогрейные котлы башенного типа, работающие обычно на природном газе. У таких котлов (типа ПТВМ) эвакуация дымовых газов из топочной камеры осуществляется за счет самотяги (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Компоновка модернизированного котла ПТВМ — 100М: 1 — пакеты из мембранных панелей; 2 — пакеты из труб с наружным спиральным оребрением; 3 — экраны мембранные; 4 — горелки (6 шт.); 5 — вентиляторы; 6 — газопроводы рециркуляции
Но в крупных энергетических котлах, даже при использовании башенной компоновки, преодолеть аэродинамическое сопротивление котла и очистного оборудования удается только с помощью мощного дымососа, который подает продукты сгорания к дымовой трубе.
Как получают пар на ТЭС? Котельная установка и принцип её работы
В прошлой статье я рассказывал о простейшей тепловой схеме типичного блока на теплоэлектростанции. Теперь разберём принцип работы котла, являющегося источником пара, с помощью которого получают электроэнергию:
Приведём в пример барабанный котёл. Он делится на три части: Топочная камера, горизонтальный газоход, опускная шахта. Весь котельный агрегат можно разделить условно на два тракта: газовоздушный и водопаровой.
Компоновка котельного агрегата Компоновка котельного агрегатаВодопаровой тракт
Водопаровой тракт котла без органов регулирования температуры пара Водопаровой тракт котла без органов регулирования температуры параПитательная вода для котла поступает в экономайзер (первая теплообменная поверхность котла по водопаровому тракту). В нём вода нагревается до определенной температуры, близкой к температуре насыщения (температура воды, при которой вода переходит и в пар или наоборот).
После экономайзера вода поступает в барабан , первой, но не основной задачей которого является равномерное распределение воды по опускным трубам, которые ведут в топку . В топке вода проходит по трубам, которые обогреваются излучением от горения топлива, именно в топке происходит превращение воды в пар. Далее пароводяная смесь попадает обратно в барабан, где происходит разделение смеси на воду и пар (сепарация). Вода продолжает циркулировать в описанном контуре барабан-топка-барабан, а насыщенный пар после сепарации направляется в пароперегревательные поверхности .
Компоновка и исполнение этих поверхностей могут быть разными, рассмотрим компоновку с ширмовым и конвективным пароперегревателем (ШПП И КПП). Насыщенный пар попадает в ширмовую поверхность , которая состоит из лент ширм. В них насыщенный пар нагревается выше температуры насыщения с помощью дымовых газов, образующихся от горения. Ширмовая поверхность сочетает в себе конвективную составляющую и получение тепла излучением от горения.
После ширм пар проходит конвективный пароперегреватель , в котором достигает нужной температуры, получая тепло от газов конвекцией и затем отправляется в турбоагрегат .
Одним из способов регулирования температуры пара является паровое регулирование. Данный способ реализуется двумя видами пароохладителей, которые ставятся между пароперегревательными поверхностями:
Впрыскивающий пароохладитель : температура пара регулируется впрысками конденсата в трубы, по которым проходит пар. Впрыски охлаждают пар, тем самым обеспечивая нужную температуру пара на выходе из пароперегревательной поверхности.
Поверхностный пароохладитель: Поверхностный пароохладитель с охлаждением пара питательной водой представляет собой трубчатый теплообменник. Охлаждающая вода движется по трубам, а весь пар проходит в межтрубном пространстве.
Газовоздушный тракт
Забор воздуха происходит c помощью дутьевого вентилятора. Воздух поступает в замыкающую поверхность котла - воздухоподогреватель. В нём воздух нагревается дымовыми газами до температуры 200-400 градусов Цельсия и затем подаётся в горелки . В горелках происходит смешение горячего воздуха и топлива, затем данная смесь поступает в топку, образуя горящий факел. В топочной камере проходит процесс излучения и нагрева топочных экранов, по которым течёт вода.
Газовоздушный тракт П-образного котла Газовоздушный тракт П-образного котлаДалее, образовавшиеся в результате горения дымовые газы проходят через ширмовые, конвективные, экономайзерные и воздухоподогревательные поверхности обогревая их. Затем уходящие газы проходят различную очистку от вредных веществ и, прокачиваясь через дымосос, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.
На этом всё, в следующей статье я продолжу цикл статей о выработке электроэнергии на станциях. Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить! :)
Читайте также: