теплоэнергетика

вым. Поверхность, разделяющую водяной и паровой объемы, называют зеркалом испарения.

При подводе теплоты к обогреваемым трубам вода в них закипает, и они заполняются пароводяной смесью, имеющей плотность ρсм. Необогреваемые трубы всегда заполнены некпящей водой с плотностью ρв. Нижняя точка контура подвержена со стороны необогреваемых труб давлению столба жидкости Н ρв (рис. 6.2) а со стороны обогреваемых труб – давлению пароводяной смеси Н ρсм, где Н – высота контура. Вследствие того, что плотность воды больше плотности ПВС (ρв> ρсм), в циркуляционном контуре возникает разность давлений Рдв= Н (ρв – ρем), которая вызывает движение воды в нем и называется движущим напором естественной циркуляции.

6.2. Принципиальная тепловая схема котельной установки

В энергетике основным теплоносителем является вода или водяной пар. Комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающих получение горячей воды или водяного пара под давлением, называют котельной установкой. Она состоит из котельного агрегата и вспомогательного оборудования. Котлом называют устройство для получения горячей воды или водяного пара с давлением выше атмосферного за счет теплоты сгорания органического топлива. Котлоагрегаты бывают паровые и водо-

71

грейные. По назначению они делятся на отопительные, промышленные и энергетические. Пар или вода, получаемые в отопительных котлах, используются для отопления, в промышленных котлах – для промышленных нужд (сушильные аппараты, теплообменники, паровые приводы некоторых машин и т. д.). Пар, получаемый в энергетических котлах, применяется для преобразования его энергии в механическую работу в турбинах.

Котлы также классифицируются по паро- и теплопроизводительности, по параметрам пара и другим признакам. Рассмотрим в качестве примера принципиальную схему котельной установки, работающей на твердом топливе (рис. 6.4).

Топливо с угольного склада подается в бункер сырого угля 2, из которого оно направляется в систему пылеприготовления, состоящую из питателя 3 угля и углеразмольной мельницы 4. Пылевидное топливо по пылепроводам 5 транспортируется к горелочным устройствам 8 первичным воздухом, поступающим

Рис. 6.4. Принципиальная схема котельной установки с барабанным котлом на твердом топливе

по воздуховоду 6. К горелкам подводится также вторичный воздух по воздуховоду 22 с помощью дутьевого вентилятора 16.

Для устойчивого и интенсивного горения воздух нагревается до 250...400 °С в воздухоподогревателе 15.

Забор в воздуховод 23 воздуха производится зимой из окружающей среды, а летом – из помещения котельного отделения.

72

Регулирование зимнего и летнего режимов забора воздуха осуществляется шибером 21.Поступающая в котел вода, называемая питательной, сначала подогревается в экономайзере 14 и далее поступает в барабан котла 7, из которого по опускным трубам 9 направляется в топочные экраны 10, где происходит процесс парообразования, и возвращается в барабан. Сухой насыщенный пар поступает в радиационный 11, ширмовый 12 и конвективный 13 пароперегреватели, после чего перегретый пар направляется к потребителю (например, к паровой турбине).

Продукты сгорания топлива, пройдя экономайзер 14 и воздухоподогреватель 15, очищаются от золы в золоулавливающем устройстве 17 и дымососом 18 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 20. Уловленная из дымовых газов зола и выпавший в нижнюю часть топки шлак удаляются, как правило, потоком воды по каналу 19.

Паровой котел включает в себя топочную камеру 1, в которой происходит сжигание специально подготовленного топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания за счет теплоотвода к располагаемым в ней поверхностям нагрева и газоходов, в которых также размещаются поверхности нагрева, воспринимающие теплоту продуктов сгорания топлива. Стены топочной камеры покрыты внутри огнеупорным материалом, а снаружи – тепловой изоляцией. По всему внутреннему периметру топочной камеры расположены трубы, которые, получая теплоту от топочных газов, являются парогенерирующими поверхностями нагрева 10. Топочные экраны являются радиационными поверхностями нагрева, так как они воспринимают теплоту сгорания топлива преимущественно излучением от факела, образованного продуктами сгорания. Температура в зоне горения может достигать 1500 – 1800 °С в зависимости от вида сжигаемого топлива.

Топочные газы, образующиеся в процессе сгорания топлива, покидают топочную камеру с температурой 900 – 1200 °С и поступают в горизонтальный газоход, в котором первым по ходу газов располагается ширмовый пароперегреватель 12, выполненный из трубчатых змеевиков, собранных в плоские пакеты. Теплообмен в этих поверхностях нагрева осуществляется и излучением и конвекцией, и поэтому они называются полурадиационными. Далее в горизонтальном газоходе располагается конвективный пароперегреватель 13, который служит для даль-

73

нейшего перегрева пара и после которого пар направляется к турбинам.

После конвективного пароперегревателя продукты сгорания имеют температуру 600 – 700 °С. Теплота этих газов используется в экономайзере 14, располагаемом далее по ходу газов, и в воздухоподогревателе (ВЗП) 15, размещаемом либо в нижней части конвективной шахты непосредственно за экономайзером, либо в отдельном газоходе. После экономайзера температура газов находится на уровне 300 – 450 оС. За воздухоподогревателем температура газов опускается до 110 – 160 °С. Дальнейшему снижению температуры газов препятствует конденсация на поверхностях нагрева ВЗП паров воды, содержащихся в продуктах сгорания, так как выпадающая вода приводит к интенсивному развитию коррозии металла ВЗП. Охлажденные до 110 – 160 °С газы, пройдя устройства очистки от золы 17, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 20.

6.3. Принципиальная схема прямоточного котла

Прямоточный котел характеризуется последовательным включением и однократным прохождением рабочей средой всех поверхностей нагрева. Вода, поступающая в экономайзер, с практически тем же расходом проходит одним ходом все поверхности, включая топочные экраны, полностью испаряется и затем в виде перегретого пара покидает котел и по паропроводу направляется к турбине.

В прямоточном котле (рис. 6.5) сверхкритического давления (СКД) питательная вода после экономайзера 9 поступает в парообразующие трубы, которые размещаются в нижней части топочной камеры 2 и называются нижней радиационной частью (НРЧ) 2. В НРЧ питательная вода нагревается до кипения и почти полностью переходит в парообразное состояние. После НРЧ пар проходит последовательно через среднюю (СРЧ) 4 и верхнюю (ВРЧ) 5 радиационные части котлоагрегата, затем направляется в ширмовый 6 и конвективный 7 пароперегреватели. В этих поверхностях параметры пара достигают номинальных величин tпп = 545 оС, рпп = 25,0 МПа, и острый пар направляется в турбину. Температура продуктов сгорания за конвективным пароперегревателем составляет 750 – 850 °С.

Для повышения КПД цикла паротурбинной установки частично отработавший в турбине пар после цилиндра высокого давления направляется в паровой котел, где его подвергают вто-

74

ричному перегреву в промежуточном пароперегревателе 8 и вновь направляют уже в цилиндр среднего давления паровой турбины.

После газохода, в котором расположен промежуточный пароперегреватель, температура продуктов сгорания еще высока. Содержащаяся в них теплота используется в экономайзере 9 и в воздухоподогревателе 10.

В прямоточном котле при переменных режимах работы изменяются размеры зон нагрева и испарения воды и нагрева пара, что влияет на выходные параметры пара (прежде всего, его температу-

ру). Известная стабилизация параметров обеспечивается поддержанием постоянного соотношения между расходом топлива (тепловыделением) и расходом воды. Ввиду этого прямоточный котел требует применения более совершенной быстродействующей системы автоматического регулирования.

75

6.4. Компоновка поверхностей нагрева котлоагрегатов

Под компоновкой понимают взаимное расположение топочной камеры, газоходов, поверхностей нагрева и других элементов котла.

При сжигании большинства марок каменных углей, а также природного газа и мазута в энергетических котлах чаще всего применяется П-образная компоновка, которая образуется двумя шахтами и соединяющим их горизонтальным газоходом. В подъемной шахте располагается топочная камера, а в опускной находятся конвективные поверхности нагрева. Для мощных энергетических котлов, работающих на бурых углях и топливах с высокоабразивной золой, применяется Т-образная компоновка, при которой топка расположена между двумя вертикальными опускными газоходами. Это позволяет снизить скорость движения продуктов сгорания топлива и уменьшить золовой износ труб поверхностей нагрева при одновременном снижении глубины конвективной шахты и высоты горизонтального газохода. Кроме того, в такой компоновке обеспечивается осесимметричное течение газов в топке и равномерное тепловыделение по ее периметру.

Место расположения поверхностей нагрева котла, в которых происходят парообразование, перегрев пара, нагрев питательной воды и воздуха, зависит от параметров пара и паропроизводительности котлоагрегата. В конвективных газоходах котла размещают поверхности нагрева с относительно невысокой температурой теплоносителя. Конвективные пароперегреватели устанавливаются в зоне температур уходящих газов 850 – 950°С, экономайзеры – при температурах 450 – 600 °С, а воздухоподогреватели – в зоне еще более низких температур: 400 – 150 °С. Парообразующие поверхности нагрева вне зависимости от типа котла размещают в топочной камере в виде экранов, воспринимающих теплоту в основном лучистым теплообменом. Конструкции парообразующих поверхностей нагрева зависят от типа котла. В котлах с естественной циркуляцией топочные экраны выполняются в виде вертикальных труб с параллельным их включением по всему периметру топочной камеры.

Изготовляются топочные экраны из гладких труб диаметром 60 мм, собранных с зазором 4 – 6 мм в блоки шириной 2,5 – 3 м совместно с раздающими и собирающими коллекторами.

76

В прямоточных котлах топочные экраны могут выполняться вертикальными, горизонтальными и слабонаклонными.

Рис 6.6. Схема пароперегревателя котла с естественной циркуляцией: 1 – барабан; 2 – необогреваемые перепускные трубы; 3 – потолочные панели радиационного пароперегревателя; 4 – ширмы; 5 – подъемные трубы; 6 – проем для горелки; 7 – опускные трубы; 8 – впрыскивающий пароохладитель; 9 – змеевики конвективного пароперегревателя; 10 – 1-я ступень конвективного пароперегревателя; 11 – 2-я ступень конвективного пароперегревателя; 12 – вторичный пароперегреватель; 13, 14 – входной и выходной коллекторы вторично перегретого пара

Выбор места расположения пароперегревательных поверхностей нагрева зависит от параметров пара и от размещения

77

парообразующих поверхностей. С ростом параметров пара возрастает доля теплоты, затрачиваемой на перегрев пара, а часть теплоты, идущая на парообразование, уменьшается.

Вкотлах с давлением 10 МПа, t = 510 оС пароперегреватель состоит из конвективной и ширмовой частей. Ширмовый пароперегреватель размещен в верхней части топки до подвесных труб заднего экрана, конвективный – в горизонтальной перемычке конвективного газохода. Обе части пароперегревателя включают последовательно; при этом горячий пакет располагают в конвективном газоходе. Пар из барабана после прохождения небольшой радиационной части – потолочного пароперегревателя – проходит в ширмовый, а затем в конвективный пароперегреватель.

Вкотлах с давлением 14 МПа, t = 540 оС происходит дальнейшее развитие пароперегревательных поверхностей нагрева.

Вэтих котлоагрегатах пароперегреватель (рис. 6.6) выполняется с развитыми радиационной, полурадиационной и конвективной частями. Пароперегревательные поверхности нагрева энергетических котлов по способу передачи теплоты от продуктов сгорания делятся на радиационные, полурадиационные и конвективные. Радиационные пароперегреватели 3 воспринимают теплоту в основном излучением и устанавливаются на потолке и стенах топочной камеры в ее верхней части. Конструктивно радиационные пароперегреватели выполняются также, как и парообразующие поверхности нагрева.

Полурадиационные пароперегреватели получают теплоту излучением и конвекцией. Конструктивно они представляют собой систему труб, тесно размещенных в виде ширмы 4 в одной плоскости с входным и выходным коллекторами. Располагаются полурадиационные пароперегреватели в верхней части топки в начале горизонтального газохода вертикально или горизонтально на расстоянии 600 – 900 мм друг от друга.

Конвективные пароперегреватели 9 получают теплоту путем конвективного теплообмена и чаще всего устанавливаются в горизонтальном газоходе котла или на входе в опускную шахту. Конструктивно они выполняются в виде многопетлевой змеевиковой поверхности из труб с наружным диаметром 32 – 42 мм. В горизонтальном газоходе конвективные пароперегреватели выполняются преимущественно из вертикальных змеевиков, а в конвективной шахте – из горизонтальных.

78

6.5. Топочные камеры паровых котлов

Назначение топочного устройства состоит в превращении химической энергии топлива в теплоту продуктов сгорания. В пылеугольных котлах этот процесс обеспечивается сжиганием угольной пыли во взвешенном состоянии в объёме топочной камеры. За счет радиационного теплообмена с настенными поверхностями нагрева продукты сгорания должны частично охладиться на выходе из топки до температур, безопасных по условиям шлакования для последующих плотных конвективных поверхностей нагрева. Для получения заданной температуры продуктов сгорания, при которой шлак имеет твердое состояние, определяют площадь поверхностей нагрева, которые должны за счет теплообмена обеспечить снижение температуры уходящих газов на выходе из топки до необходимых значений.

Типы топочных камер определяются характеристиками топлива и его реакционной способностью, а конструкции выбираются с учетом экологических норм по выбросам вредных веществ с дымовыми газами. Топки для сжигания пылевидного топлива должны, кроме всего прочего, обеспечивать вывод шлака, образующегося при горении, в жидком или твердом состоянии.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых котлов является тепловая мощность топки, характеризующая количество теплоты, выделившееся в топке в единицу времени при сжигании топлива с определенной теплотой сгорания, кВт:

где В – расход топлива, кг/с; Qрн – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Существует два способа удаления шлаков: твердое и жидкое шлакоудаление. Выбор способа шлакоудаления зависит от мощности котла, вида топлива и свойств его золы. В соответствии с этим по-разному выполняется и топочная камера. При твердом шлакоудалении в ядре факела, где достигается наивысшая температура, зола, остающаяся после выгорания горючей части топлива, расплавляется, затем по мере движения факела и отдачи теплоты излучением к экранным поверхностям нагрева затвердевает и большей частью (90 – 95%) уносится дымовыми газами. Остальная зола попадает в твердом виде в нижнюю часть топки, так называемую холодную воронку, откуда и удаляется. В котлах с жидким шлакоудалением за счет более

79

низкого расположения горелок, покрытия нижней части экранных труб огнеупорной массой и других конструктивных решений в нижней части топки поддерживается высокая температура, обеспечивающая вытекание образовавшегося шлака со стенок топки на под. Топочные камеры, работающие с твердым шлакоудалением, по конструкции выполняются открытыми, т.е. без изменения сечения топки по высоте (рис. 6.7).

Отличительной особенностью этих топок является наличие в нижней части топки холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим углом (50 – 60о) до расстояния 1,0 – 1,2 м. Благодаря этому снижается температура газов в нижней части топки, и выпадающие из ядра факела расплавленные шлаковые частицы быстро отвердевают и ссыпаются в шлакоприемное устройство. Топки котлоагрегатов

80