Котельные установки и парогенераторы

1. ТЕПЛОВАЯ СХЕМА КОТЛА 

1.1. Основные определения.

   Котельная установка – это комплекс устройств, предназначенных для получения пара или горячей воды. Котельная установка может быть одной из составляющих тепловой электростанции или выполнять самостоятельные функции (отопление и горячее водоснабжение, технологическое водо- и пароснабжение).

   В зависимости от назначения котельная  установка состоит из парового или  водогрейного котла и вспомогательного оборудования, обеспечивающего его  работу. Последовательно включенные элементы котельной установки образуют тракты.

   Топливный тракт – комплекс оборудования для подготовки топлива к сжиганию и подачи в топку. При использовании твердого топлива в него могут входить бункера, питатели сырого топлива и пыли, углеразмольные мельницы, мельничные вентиляторы, сепараторы, транспортеры, пылепроводы и т.п. При сжигании газа и мазута - газопроводы и мазутопроводы, расходомеры, запорная и регулирующая арматура.

   Пароводяной тракт – представляет собой систему последовательно включенных элементов оборудования, в которых движется обогреваемый теплоноситель (поверхности нагрева котла, трубопроводы, барабаны, сепараторы, пароохладители и теплообменники в пределах котла, запорная и регулирующая арматура).

   Газовоздушный тракт состоит из последовательно расположенных воздушного и газового трактов. Первый из них включает в себя совокупность оборудования для забора воздуха из атмосферы, нагрева и подачи его в топку котла (дутьевые вентиляторы, воздушные короба, воздухоподогреватели и горелочные устройства), второй – комплекс элементов котельной установки, по которым осуществляется движение продуктов сгорания (топка и другие газоходы котла, устройства для очистки дымовых газов, дымососы).

   Паровой (водогрейный) котел – это устройство, в котором для получения пара (горячей воды) требуемых параметров используют теплоту, выделяющуюся при сгорании органического топлива. Основные элементы котла – топка и теплообменные поверхности.

   Если  в котле используют теплоту уходящих газов других технических устройств (ГТУ, технологических установок), его называют котлом-утилизатором. Котел-утилизатор в некоторых случаях не имеет топки и воздухоподогревателя, а его основные элементы – поверхности нагрева. 

   1.2. Основные элементы паровых котлов.

   Основными элементами котла являются: топка, испарительные поверхности нагрева, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, каркас, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка.

   Поверхности нагрева (экранные трубы и котельный пучок) – элементы котла, в которых происходит передача тепла от факела и продуктов сгорания теплоносителю (воде или пару). Различают радиационную поверхность, которая получает тепло преимущественно излучением, и конвективную поверхность, которая получает тепло в основном конвекцией. Радиационными поверхностями являются экраны, размещенные на стенах топки. В зависимости от размещения в топке, различают фронтовые, боковые, задние и потолочные экраны. Существуют также двусветные экраны, которые размещаются в топочном пространстве и обогреваются с двух сторон.

   Пароперегреватель – устройство, предназначенное для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле. По виду тепловосприятия пароперегреватели бывают радиационные, полурадиационные и конвективные. Радиационные пароперегреватели выполняют настенными, и обычно размещают в верхней части топки. Радиационный пароперегреватель барабанного парового котла обычно занимает потолок топки. Полурадиационные пароперегреватели выполняются в виде плоских ширм или лент, собранных из пароперегревательных труб, находящихся друг за другом в одной плоскости. Ширмовые пароперегреватели представляют собой систему из большого числа вертикальных труб, имеющих один гиб на 180º и образующих широкую плоскую ленту, которая имеет опускной и подъемный участки. Их размещают на выходе из топочной камеры на заметном удалении друг от друга. Конвективные пароперегреватели выполняют из гладких стальных труб в виде змеевиков. Конвективные пароперегреватели располагают в горизонтальном газоходе или в начале конвективной шахты.

   Экономайзер – устройство, предназначенное для подогрева или частичного испарения питательной воды, перед ее поступлением в испарительную часть котла за счет использования тепла уходящих газов. В зависимости от степени подогрева воды экономайзеры делят на некипящие и кипящие. В кипящих экономайзерах до 20% воды может превращаться в пар. Экономайзеры выполняются из гладких или оребренных  (мембранное или поперечное оребрение) труб. В зависимости от металла, из которого изготовляются экономайзеры, их разделяют на чугунные и стальные. Чугунные экономайзеры состоят из ребристых чугунных труб и применяются при давлении в барабане котла до 2 МПа. Наиболее часто экономайзеры выполняют из стальных труб, согнутых в вертикальные змеевики и скомпонованных в пакеты. Экономайзеры размещают в конвективном газоходе.

   Воздухоподогреватель – устройство, предназначенное для подогрева воздуха, поступающего в топку на горение за счет использования тепла уходящих газов. Воздухоподогреватели выполняются рекуперативными (трубчатыми) или регенеративными вращающимися. Трубчатые воздухоподогреватели выполняются из отдельных кубов (секций). Куб состоит из вертикальных тонкостенных труб, закрепленных в трубных досках. Газы движутся в трубках сверху вниз, воздух – в межтрубном пространстве. В регенеративном воздухоподогревателе тепло передается металлической насадкой, которая периодически нагревается дымовыми газами, после чего переносится в поток воздуха и отдает ему аккумулированное тепло.

   Каркас  – металлическая конструкция из колонн, балок и связей, которые установлены на фундаменте и предназначены для соединения и крепления элементов котла.

   Обмуровка – внешнее изоляционное защитное ограждение котла.

   Паровой или водогрейный котел вместе с совокупностью оборудования, обеспечивающего его работу, называется котельной установкой. В состав котельной установки, кроме котла, входят тягодутьевые машины, устройства очистки поверхностей нагрева, оборудование топливоприготовления и топливоподачи, шлако- и золоудаления, золоулавливающие и другие газоочистительные устройства, воздухопроводы, трубопроводы воды, пара и топлива, арматура, гарнитура, автоматика, приборы и устройства контроля и защиты, водоподготовительное оборудование и дымовая труба. 

   1.3. Принцип работы и тепловая схема парового барабанного котла с естественной циркуляцией.

   По  характеру движения воды, пароводяной  смеси и пара паровые котлы  подразделяются на барабанные с естественной циркуляцией, барабанные с многократной принудительной циркуляцией и прямоточные (рис. 1.1). В барабанных котлах с естественной циркуляцией движение пароводяной смеси в подъемных (обогреваемых) трубах и жидкости в опускных (необогреваемых) трубах происходит вследствие разности их плотностей. В котлах с многократной принудительной циркуляцией движение воды и пароводяной смеси осуществляется с помощью циркуляционного насоса. В прямоточных котлах нет циркуляционного контура, нет многократной циркуляции воды, отсутствует барабан, вода прокачивается питательным насосом через экономайзер, испарительные поверхности и пароперегреватель, включенные последовательно.

   В общем случае технологический процесс  получения пара в барабанном паровом  котле осуществляется в следующей  последовательности (рис. 1.2). Топливо при помощи горелочных устройств 1 вводится в топку, где и сгорает. Воздух, необходимый для сгорания топлива, подается в топку дутьевым вентилятором или подсасывается через колосниковую решетку – при естественной тяге.

   Для улучшения процесса сгорания топлива  и повышения экономичности работы котла воздух перед подачей в топку предварительно подогревается дымовыми газами в воздухоподогревателе 8.

   Дымовые газы, отдав часть своего тепла  радиационным поверхностям нагрева, размещенным  в топочной камере, поступают в  конвективную поверхность нагрева, охлаждаются и дымососом удаляются  через дымовую трубу в атмосферу. 
 
 
 

   Сырая водопроводная вода проходит через  катионитовые фильтры, умягчается и далее поступает в деаэратор, где из нее удаляются коррозионно-активные газы (O₂ и CO₂) и стекает в бак деаэрированной воды. Из бака питательная вода забирается питательными насосами и подается в экономайзер 7 парового котла. Нагретая теплом дымовых газов вода из экономайзера поступает в верхний барабан 4 котла, откуда по опускным трубам 3 направляется в коллектора экранов 10–12 или в нижний барабан. Возвращаясь по подъемным трубам 2 в верхний барабан, часть воды испаряется. В верхнем барабане происходит отделение пара от воды. Пар направляется в пароперегреватель 5 (если это необходимо), где он перегревается до требуемой температуры. Затем перегретый пар поступает в общий паровой коллектор, откуда подается потребителям.

   Регулирование температуры перегретого пара может осуществляться применением поверхностных пароохладителей, впрыскиванием воды в пар, пропусканием части продуктов сгорания мимо пароперегревателя, рециркуляцией продуктов сгорания в топку, изменением аэродинамики или химической структуры факела, изменением излучательной способности факела. Чаще всего для поддержания температуры перегретого пара на заданном уровне используются впрыскивающие или поверхностные пароохладители 6, устанавливаемые обычно в рассечку между отдельными частями пароперегревателя. 

   С целью не допустить уноса паром  капелек воды, что значительно  ухудшает качество пара, в верхнем  барабане 4 парового котла устанавливают сепарационные устройства (погружной дырчатый щит, внутрибарабанные или выносные циклоны).

   Для уменьшения содержания веществ, загрязняющих котловую воду, производится продувка, т.е. удаление части котловой воды и  замена ее питательной водой. Различают  продувку непрерывную и периодическую. Непрерывная продувка осуществляется из верхнего барабана 4 и производится без перерывов в течение всего времени работы котла. С непрерывной продувкой из парогенератора удаляются растворенные в котловой воде соли. Периодическая продувка применяется для удаления шлама, осевшего в элементах парового котла, и производится из нижних барабанов и коллекторов 10–12 парогенератора через каждые 12–16 часов.

   Эффективным методом снижения потерь котловой воды с продувкой (и, соответственно, уменьшения потерь тепла с ней) является ступенчатое испарение. Сущность ступенчатого испарения состоит в том, что испарительная система парового котла разделяется на ряд отсеков, соединенных по пару и разделенных по воде. Питательная вода подается только в первый отсек. Для второго отсека питательной водой служит продувочная вода из первого отсека. Продувочная вода из второго отсека поступает в третий отсек и т. д. Продувку парогенератора осуществляют из последнего отсека. Так как концентрация солей в воде этого отсека значительно выше, чем в воде при одноступенчатом испарении, для вывода солей из котла требуется меньший процент продувки.

   Для обеспечения в процессе растопки котла поступления воды, испаряющейся в барабане, в экономайзер 7, что не допускает перегрева его труб, в паровых котлах обычно предусматривается линия рециркуляции 9. 

   1.4. Составление и расчёт тепловой  схемы котла.

   При составлении и расчете тепловой схемы парового котла выявляются два аспекта: теплотехнический, связанный  с распределением тепловосприятий нагреваемой среды по отдельным поверхностям нагрева при соответствующем изменении энтальпии газов, и конструктивный, учитывающий взаимное расположение поверхностей нагрева. На рис. 1.3 приведена тепловая диаграмма и тепловая схема барабанного котла высокого давления.

   При составлении и расчете тепловой схемы парового котла необходимо иметь выходные параметры: паропроизводительность D, кг/с; давление р, МПа; температура перегретого пара t_пп ^оС, а при наличии вторичного перегрева пара еще давление р_вп и температура t_вп,. Одновременно с установлением выходных параметров рабочей среды следует определить вид сжигаемого в котле топлива, ибо его технические характеристики необходимы для выбора некоторых температур тепловой схемы.

   Оптимальная экономичность и надежность работы агрегата достигается за счет рационального выбора и поддержания при эксплуатации в определенных пределах температур соответствующих сред в ряде точек газового, водопарового и воздушного трактов. Для формирования тепловой схемы должны быть выбраны температуры уходящих газов θ_ух, питательной воды t_пв, горячего воздуха t_гв газов на выходе из топки θ”_т. Выбор указанных температур с учетом рекомендаций по температурному режиму металла отдельных поверхностей нагрева (вторичный пароперегреватель, выходные пакеты первичного пароперегревателя, поверхности нагрева при СКД в зоне максимальной теплоемкости), устойчивости протекания гидродинамических процессов создает систему граничных условий или опорных точек, в которую вписываются отдельные поверхности нагрева, что предопределяет распределение приращения энтальпий рабочей среды между поверхностями нагрева и рациональное их размещение вдоль потока продуктов сгорания. При этом необходимо стремиться обеспечить высокие температурные напоры и противоток рабочего тела и продуктов сгорания, что не всегда возможно.

   Прежде  всего на основании технико-экономических  расчетов с учетом стоимости сжигаемого топлива и поверхностей нагрева принимается оптимальная температура уходящих газов. В соответствии с нормами теплового расчета котлов для дешевых топлив с повышенной влажностью

    Рис. 1.3. Тепловая диаграмма и тепловая схема барабанного котла высокого давления. 

W^п = (2…3%)*10³ кг/кДж, например, Канско-Ачинского месторождения с открытым способом добычи угля, для котлов высокого давления θ_ух = 150…170 ^оС. Здесь в значительной степени лимитирует точка росы газов, когда на трубах воздухоподогревателя осаждается влага, способствующая коррозии металла, особенно для сернистых топлив. Для топлив с влажностью до W^п = 0,5%*10³ кг/кДж температура уходящих газов принимается более низкой 120…140 ^оС. Чем более дорогое топливо, тем ниже должна быть принята температура θ_ух, но обычно не ниже 110 ^оС во избежание слишком громоздких хвостовых поверхностей нагрева котла.

   Температура питательной воды t_пв поступающей в экономайзер, устанавливается на основании технико-экономического расчета тепловой схемы турбинной установки. Чем выше параметры пара перед турбиной, тем выше оказывается t_пв. Так, для котлов высокого давления t_пв = 230…240 ^оС, а для котлов на СКД t_пв = 260…275 ^оС.

   Температура горячего воздуха увязана с температурой питательной воды. Ориентировочно температуру горячего воздуха (за первой ступенью) можно оценить по выражению

где Δt = 40…80 оС, при этом меньшая цифра относится к сухим топливам.

   Выбор температуры горячего воздуха производят по условиям сушки или сжигания топлива. При сжигании каменных и бурых углей t_гв = 300…400 ^оС (более высокая температура при Жидком шлакоудалении). При сушке бурых углей газами в замкнутой схеме пылеприготовления при твердом шлакоудалении рекомендуется принимать t_гв = 300…350 ^оС, а при разомкнутой схеме пылеприготовления независимо от вида топлива t_гв ≤ 350 ^оС. При замкнутой схеме пылеприготовления и воздушной сушке бурых углей температура горячего воздуха принимается 350…400 ^оС. При сжигании мазута и газа t_гв = 250…300 ^оС.

   При одноступенчатом подогреве воздуха конструкция воздухоподогревателя более компактна. Пределом его применения служит сближение температуры воздуха и газов, когда Δt_вп^вых сильно уменьшается почти до нуля. Для обеспечения компактности воздухоподогревателя разница температур на выходе Δt_вп^вых = θ_вп’ – t_вп’’ принимается не менее 30 ^оС. В этом случае наибольшая температура подогрева воздуха в одноступенчатом подогревателе будет около 270 ^оС (при θ_ух ≈ 130 ^оС). Температура холодного воздуха t_хв обычно принимается равной 30 ^оС.

   Температура газов на выходе из топочной камеры θ”_т, перед ширмами зависит от сжигаемого топлива. Для нешлакующих топлив (газ, мазут) выбирается около 1250 ^оС исходя из оптимального соотношения долей радиационного и конвективного теплообмена в поверхностях нагрева котла. Температура газов на выходе из топки принимается ниже температуры начала деформации золы t₁: для шлакующих (большинства твердых топлив) не выше 1200 ^оС, а для сильношлакующих бурых углей не выше 1100 ^оС.

   Распределение теплоты на подогрев воды, испарение и перегрев пара зависит от параметров перегретого пара — давления и температуры. Для распределения теплоты газов по отдельным поверхностям нагрева рассчитывается тепловая схема котла.

   Расчет тепловой схемы котла  начинается с воздухоподогревателя. По балансу теплоты

определяется  энтальпия газов на входе в  поверхность нагрева I’_вп.

   Q^г_вп — теплота, переданная газами; Q^в_вп — теплота, воспринятая воздухом (обе величины в расчете на 1 кг топлива); φ — коэффициент сохранения теплоты; по θ^”_т, определяется энтальпия газов на выходе из топки I’’_т. Затем рассчитывается лучистое тепловосприятие топки

где Q_т = Q^р_р * (100 — q₃ — q₄ — q₆)/(100 — q₄) + Q_в — Q_в.вн + r * I_отб.

     Q_л учитывает все количество теплоты, воспринятое поверхностями топочной камеры, включая и лучистое тепловосприятие ширм и потолочного пароперегревателя, а также настенного, если последний имеется.

  Дальнейший  расчет тепловой схемы основывается  на балансе теплоты Q^г_б, кДж/кг, переданной газами; и Q_б^ср, воспринятой нагреваемой средой (перегретым паром и водой в экономайзере):

где Q^г_б = φ * (I' — I" + ΔαI⁰_прс); Q_б^ср = ΔiD/В_p; ΔαI⁰_прс — количество теплоты, вносимое присасываемым воздухом, кДж/кг.

   Пароперегреватель докритических параметров имеет ширмовые и конвективные поверхности нагрева, последние обычно разделены на две части по ходу пара: первая — противоточная, вторая — прямоточная (выходной пакет) с примерно одинаковым тепловосприятием (в выходном пакете Δi_пп^вых = 160…200 кДж/кг).

   Распределение теплоты между поверхностями нагрева обычно замыкают на экономайзере, для которого из баланса определяют энтальпию воды на выходе i"_эк и проверяют ее допустимость по возможному парообразованию х_эк ≤ 15%, при этом

где i' — энтальпия воды при насыщении, кДж/кг; r — теплота испарения, кДж/кг.

   Результаты расчетов оформляются графически, как показано на рис. 1.3. Масштабы для построения графика выбираются произвольно с учетом удобства расположения поверхностей нагрева.

   После расчета схемы нормами теплового расчета котлов рекомендуется проверить невязку теплового баланса

где Q^р_р — располагаемая теплота сгорания топлива, обычно Q^р_р = Q^p_н, кроме сланцев; η_к — коэффициент полезного действия котла. Допустимая невязка баланса (ΔQ/ Q^р_р) * 100 ≤ 0,5%.

   Прямоточный котел имеет сложную гидравлическую схему. Поэтому целесообразно для него показать изменение состояния среды по пароводяному тракту, как это сделано применительно к агрегату с вторичным перегревом пара энергоблока 500 МВт (рис. 1 .4). Пароперегреватель вторичного пара полностью размещен в конвективной шахте. В гидравлической схеме предусмотрен паро-паровой теплообменник (ППТО), передающий теплоту радиационных поверхностей нагрева вторичному пару, имеющему только конвективный обогрев. Для упрощения тепловой схемы блока и для предохранения промежуточного пароперегревателя от пережога при растопке пакеты вторичного перегревателя размещаются в зоне умеренной температуры газов, не выше 800…840 ^оС при номинальной нагрузке агрегата.

Рис. 1. 4. Изменение состояния нагреваемой  среды СКД по тракту прямоточного котла. 

   В прямоточных котлах типа Рамзина на высокое давление организуется переходная зона, обычно вынесенная в конвективную шахту, куда поступает пароводяная смесь с паросодержанием х = 0,7…0,8. В переходной зоне осуществляется не только доиспарение воды, но и некоторый перегрев пара на 80…160 кДж/кг. Переходную зону выносят в область пониженных тепловых потоков в связи с ухудшенным внутренним теплооЬменом. Вбда, поступающая из экономайзера в НРЧ, недогревается до состояния закипания на 120…160 кДж/кг во избежание парообразования при переменных нагрузках.

   В прямоточных котлах на СКД переходная зона необязательна. Некоторое своеобразие в распределении приращений энтальпии по отдельным поверхностям нагрева получается из-за отсутствия фиксированных точек. Однако наличие зоны максимальной теплоемкости (3МT) с ухудшенным теплообменом требует размещения ее в области умеренных тепловых потоков, обычно в экранах СРЧ. Приращение энтальпии в экономайзере выбирается с учетом достаточности температурного напора на входном участке вторичного пароперегревателя. Перегрев первичного пара осуществляется в ВРЧ, ширмах и двух конвективных пакетах. Выходной пакет часто имеет приращение энтальпии около 100…125 кДж/кг.

Для мощных прямоточных котлов на СКД (к блокам 300 — 800 МВт) целесообразно принимать  два независимо регулируемых потока рабочей среды. Это значительно упрощает регулирование перегрева и обеспечивает требования для более полного применения автоматизированной системы управления (АСУ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕМЕНТАХ КОТЛА 

2.1. Теплообмен  в топочной камере.

    Сложные физико-химические процессы, происходящие в топочных камерах, требуют создания методов расчета, достаточно полно  отвечающих реальным условиям теплообмена с учетом аэродинамики и горения. В настоящее время методы расчета радиационного теплообмена в топочных камерах развиваются по различным направлениям: эмпирическому, аналитическому, а также основанному на приложении теории подобия к топочным процессам.

    Эмпирический  метод сводится к установлению связей между переменными величинами, полученными в результате экспериментальных исследований. Недостаток этого метода заключается в невозможности применения полученных зависимостей для других условий опыта, в трудности учета значительного числа факторов.

   Аналитический метод заключается в решении  систем уравнений, описывающих исследуемые процессы. Из-за большой сложности математического описания решение этих уравнений до недавнего времени было невозможно без существенного упрощения многих факторов. Однако в связи с внедрением современных математических методов и средств вычислительной техники появляется возможность осуществления поставленной задачи.