Схема тепловой электрической станции (ТЭСТЭЦ)

Схема тепловой электрической  станции (ТЭС/ТЭЦ)

Опубликовал timur в рубрике «Блог». Последнее обновление 06.01.13

Тепловая электрическая  станция (рисунок общего вида)

1 – электрический генератор; 2 – паровая турбина; 3 – пульт управления; 4 – деаэратор; 5 и 6 – бункеры; 7 – сепаратор; 8 – циклон; 9 – котел; 10 – поверхность нагрева (теплообменник); 11 – дымовая труба; 12 – дробильное помещение; 13 – склад резервного топлива; 14 – вагон; 15 – разгрузочное устройство; 16 – конвейер; 17 – дымосос; 18 – канал; 19 – золоуловитель; 20 – вентилятор; 21 – топка; 22 – мельница; 23 – насосная станция; 24 – источник воды; 25 – циркуляционный насос; 26 – регенеративный подогреватель высокого давления; 27 – питательный насос; 28 – конденсатор; 29 – установка химической очистки воды; 30 – повышающий трансформатор; 31 – регенеративный подогреватель низкого давления; 32 – конденсатный насос.

На  схеме, представленной ниже, отображен  состав основного оборудования тепловой электрической станции и взаимосвязь ее систем. По этой схеме можно проследить общую последовательность технологических процессов протекающих на ТЭС.

Обозначения на схеме ТЭС:

1. Топливное хозяйство;
2. подготовка топлива;
3. котел;
4. промежуточный пароперегреватель;
5. часть высокого давления паровой турбины (ЧВД или ЦВД);
6. часть низкого давления паровой турбины (ЧНД или ЦНД);
7. электрический генератор;
8. трансформатор собственных нужд;
9. трансформатор связи;
10. главное распределительное устройство;
11. конденсатор;
12. конденсатный насос;
13. циркуляционный насос;
14. источник водоснабжения (например, река);
15. подогреватель низкого давления (ПНД);
16. водоподготовительная установка (ВПУ);
17. потребитель тепловой энергии;
18. насос обратного конденсата;
19. деаэратор;
20. питательный насос;
21. подогреватель высокого давления (ПВД);
22. шлакозолоудаление;
23. золоотвал;
24. дымосос (ДС);
25. дымовая труба;
26. дутьевой вентилятов (ДВ);
27. золоуловитель.

Описание технологической  схемы ТЭС:

Обобщая все вышеописанное, получаем состав тепловой электростанции:

• топливное хозяйство и система подготовки топлива;
• котельная установка: совокупность самого котла и вспомогательного оборудования;
• турбинная установка: паровая турбина и ее вспомогательное оборудование;
• установка водоподготовки и конденсатоочистки;
• система технического водоснабжения;
• система золошлокоудаления (для ТЭС, работающих, на твердом топливе);
• электротехническое оборудование и система управления электрооборудованием.

Топливное хозяйство в зависимости от вида используемого на станции топлива  включает приемно-разгрузочное устройство, транспортные механизмы, топливные  склады твердого и жидкого топлива, устройства для предвари-тельной  подготовки топлива (дробильные установки  для угля). В состав ма-зутного  хозяйства входят также насосы для  перекачки мазута, подогреватели  мазута, фильтры.

Подготовка  твердого топлива к сжиганию состоит  из размола и сушки его в  пылеприготовительной установке, а  подготовка мазута заключается в  его подогреве, очистке от механических примесей, иногда в обработке спецприсадками. С газовым топливом все проще. Подготовка газового топлива сводится в основном к регулированию давления газа перед горелками котла.

Необходимый для горения топлива воздух подается в топочное пространство котла дутьевыми  вентиляторами (ДВ). Продукты сгорания топлива — дымовые газы — отсасываются дымососами (ДС) и отводятся через  дымовые трубы в атмосферу. Совокупность каналов (воздуховодов и газоходов) и различных элементов оборудования, по которым проходит воздух и дымовые  газы, образует газовоздушный тракт тепловой электростанции (теплоцентрали). Входящие в его состав дымососы, дымовая труба и дутьевые вентиляторы составляют тягодутьевую установку. В зоне горения топлива входящие в его состав негорючие (минеральные) примеси претерпевают химико-физические превращения и удаляются из котла частично в виде шлака, а значительная их часть выносится дымовыми газами в виде мелких частиц золы. Для защиты атмосферного воздуха от выбросов золы перед дымососами (для предотвращения их золового износа) устанавливают золоуловители.

Шлак  и уловленная зола удаляются обычно гидравлическим способом на золоотвалы.

При сжигании мазута и газа золоуловители  не устанавливаются.

При сжигании топлива химически связанная  энергия превращается в тепловую. В результате образуются продукты сгорания, которые в поверхностях нагрева  котла отдают теплоту воде и образующемуся  из нее пару.

Совокупность  оборудования, отдельных его элементов, трубопроводов, по которым движутся вода и пар, образуют пароводяной тракт станции.

В котле вода нагревается до температуры насыщения, испаряется, а образующийся из кипящей котловой воды насыщенный пар перегревается. Из котла перегретый пар направляется по трубопроводам в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую на вал турбины. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, отдает теплоту охлаждающей воде и конденсируется.

На  современных  ТЭС  и  ТЭЦ с агрегатами единичной мощностью 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. В этом случае турбина имеет две части: часть высокого и часть низкого давления. Отработавший в части высокого давления турбины пар направляется в промежуточный перегреватель, где к нему дополнительно подводится теплота. Далее пар возвращается в турбину (в часть низкого давления) и из нее поступает в конденсатор. Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и повышает надежность ее работы.

Из  конденсатора конденсат откачивается конденсационным насосом и, пройдя через подогреватели низкого давления (ПНД), поступает в деаэратор. Здесь он нагревается паром до температуры насыщения, при этом из него выделяются и удаляются в атмосферу кислород и углекислота для предотвращения коррозии оборудования. Деаэрированная вода, называемая питательной, насосом подается через подогреватели высокого давления (ПВД) в котел.

Конденсат в ПНД и деаэраторе, а также  питательная вода в ПВД подогреваются  паром, отбираемым из турбины. Такой  способ подогрева означает возврат (регенерацию) теплоты в цикл и  называетсярегенеративным подогревом. Благодаря ему уменьшается поступление пара в конденсатор, а следовательно, и количество теплоты, передаваемой охлаждающей воде, что приводит к повышению КПД паротурбинной установки.

Совокупность  элементов, обеспечивающих конденсаторы охлаждающей водой, называется системойтехнического водоснабжения. К ней относятся: источник водоснабжения (река, водохранилище, башенный охладитель — градирня), циркуляционный насос, подводящие и отводящие водоводы. В конденсаторе охлаждаемой воде передается примерно 55%  теплоты пара, поступающего в турбину; эта часть теплоты не используется для выработки электроэнергии и бесполезно пропадает.

Эти потери значительно уменьшаются, если отбирать из турбины частично отработавший пар и его теплоту использовать для технологических нужд промышленных предприятий или подогрева воды на отопление и горячее водоснабжение. Таким образом, станция становится теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), обеспечивающей комбинированную выработку электрической и тепловой энергии. На ТЭЦ устанавливаются специальные турбины с отбором пара — так называемые теплофикационные. Конденсат пара, отданного тепловому потребителю, возвращается на ТЭЦ насосом обратного конденсата.

На  ТЭС существуют внутренние потери пара и конденсата, обусловленные неполной герметичностью пароводяного тракта, а также невозвратным расходом пара и конденсата на технические нужды  станции. Они составляют приблизительно 1 — 1,5%  от общего расхода пара на турбины.

На  ТЭЦ могут быть и внешние потери пара и конденсата, связанные с  отпуском теплоты промышленным потребителям. В среднем они составляют 35 — 50%. Внутренние и внешние потери пара и конденсата восполняются предварительно обработанной в водоподготавливающей установке добавочной водой.

Таким образом, питательная вода котлов представляет собой смесь турбинного конденсата и добавочной воды.

Электротехническое  хозяйство станции включает электрический генератор, трансформатор связи, главное распределительное устройство, систему электроснабжения собственных механизмов электростанции через трансформатор собственных нужд.

Система управления осуществляет сбор и обработку  информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования, автоматическое и дистанционное  управление механизмами и регулирование  основных процессов, автоматическую защиту оборудования.

 

Паровые котлы тепловых электростанций (ТЭС)

Опубликовал timur в рубрике «Блог». Последнее обновление 14.06.12

Паровые котлы и паровые турбины являются основными агрегатами тепловой электростанции (ТЭС).

Паровой котел — это устройство, имеющее систему поверхностей нагрева для получения пара из непрерывно поступающей в него питательной воды путем использования теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива (рис. 1).

В современных  паровых котлах организуется факельное сжигание топлива в камерной топке, представляющей собой призматическую вертикальную шахту. Факельный способ сжигания характеризуется непрерывным движением топлива вместе с воздухом и продуктами сгорания в топочной камере.

Топливо и необходимый для его сжигания воздух вводятся в топку котла  через специальные устройства —горелки. Топка в верхней части соединяется с призматической вертикальной шахтой (иногда с двумя), называемой по основному виду проходящего теплообмена конвективной шахтой.

В топке, горизонтальном газоходе и конвективной шахте находятся поверхности  нагрева, выполняемые в виде системы  труб, в которых движется рабочая  среда. В зависимости от преимущественного  способа передачи тепла к поверхностям нагрева их можно подразделить на следующие виды: радиационные, радиационно-конвективные, конвективные.

В топочной камере по всему периметру и по всей высоте стен обычно расположены  трубные плоские системы — топочные экраны, являющиеся радиационными поверхностями нагрева.

Рис. 1. Схема парового котла  ТЭС.

1 — топочная камера (топка); 2 —  горизонтальный газоход; 3 — конвективная  шахта; 4 — топочные экраны; 5 —  потолочные экраны; 6 — спускные  трубы; 7 — барабан; 8 — радиационно-конвективный  пароперегреватель; 9 — конвективный  пароперегреватель; 10 — водяной  экономайзер; 11 — воздухоподогреватель; 12 — дутьевой вентилятор; 13 —  нижние коллекторы экранов; 14 —  шлаковый комод; 15 — холодная  коронка; 16 — горелки. На схеме  не показаны золоуловитель и  дымосос.

В современных  конструкциях котлов топочные экраны изготавливают либо из обычных труб (рис. 2, а), либо из плавниковых труб, сваренных между собой по плавникам и образующих сплошную газоплотную оболочку (рис. 2,б).

Аппарат, в котором вода нагревается до температуры насыщения, называется экономайзером; образование пара происходит в парообразующей (испарительной) поверхности нагрева, а его перегрев — впароперегревателе.

Рис. 2. Схема выполнения топочных экранов 
а — из обычных труб; б — из плавниковых труб

 

Система трубных элементов котла, в которых  движутся питательная вода, пароводяная  смесь и перегретый пар, образует, как уже указывалось, его водопаровой тракт.

Для непрерывного отвода теплоты и обеспечения  приемлемого температурного режима металла поверхностей нагрева организуется непрерывное движение в них рабочей  среды. При этом вода в экономайзере и пар в пароперегревателе  проходят через них однократно. Движение же рабочей среды через парообразующие (испарительные) поверхности нагрева  может быть как однократным, так  и многократным.

В первом случае котел называется прямоточным, а во втором — котлом с многократной циркуляцией (рис. 3).

Рис. 3. Схема водопаровых  трактов котлов 
а — прямоточная схема; б — схема с естественной циркуляцией; в — схема с многократно-принудительной циркуляцией; 1 — питательный насос; 2 — экономайзер; 3 — коллектор; 4 — парообразующие трубы; 5 — пароперегреватель; 6 — барабан; 7 — опускные трубы; 8 — насос многократно-принудительной циркуляции.

 

Водопаровой тракт прямоточного котла представляет собой разомкнутую гидравлическую систему, во всех элементах которой  рабочая среда движется под напором, создаваемым питательным насосом. В прямоточных котлах нет четкого разделения экономайзерной, парообразующей и пароперегревательных зон. Прямоточные котлы работают на докритическом и сверхкритическом давлении.

В котлах с многократной циркуляцией существует замкнутый контур, образованный системой обогреваемых и необогреваемых труб, объединенных вверху барабаном, а внизу — коллектором. Барабан представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд, имеющий водяной и паровой объемы, которые разделяются поверхностью, называемой зеркалом испарения. Коллектор — это заглушенная с торцов труба большого диаметра, в которую по длине ввариваются трубы меньшего диаметра.

В котлах с естественной циркуляцией (рис. 3,б) питательная вода, подаваемая насосом, подогревается в экономайзере и поступает в барабан. Из барабана по опускным необогреваемым трубам вода поступает в нижний коллектор, откуда распределяется в обогреваемые трубы, в которых закипает. Необогреваемые трубы заполнены водой, имеющей плотность ρ´, а обогреваемые трубы заполнены пароводяной смесью, имеющей плотность ρ_см, средняя плотность которой меньше ρ´. Нижняя точка контура — коллектор — с одной стороны подвергается давлению столба воды, заполняющей необогреваемые трубы, равному Hρ´g, а с другой — давлению Hρ_смg столба пароводяной смеси. Возникающая разность давлений H(ρ´ — ρ_см)g вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции S_дв (Па):

S_дв = H(ρ´ — ρ_см)g,

где H — высота контура; g - ускорение свободного падения.

В отличие  от однократного движения воды в экономайзере и пара в пароперегревателе движение рабочего тела в циркуляционном контуре  является многократным, так как при  проходе через парообразующие трубы  вода испаряется не полностью и паросодержание смеси на выходе из них составляет 3-20%.

Отношение массового расхода циркулирующей  в контуре воды к количеству образовавшегося  пара в единицу времени называется кратностью циркуляции

R = m_в/m_п.

В котлах с естественной циркуляцией  R = 5-33, а в котлах с принудительной циркуляцией — R= 3-10.

В барабане образовавшийся пар отделяется от капель воды и поступает в пароперегреватель  и далее в турбину.

В котлах с многократной принудительной циркуляцией (рис. 3,в) для улучшения циркуляции устанавливается дополнительно циркуляционный насос. Это позволяет лучше компоновать поверхности нагрева котла, допуская движение пароводяной смеси не только по вертикальным парогенерирующим трубам, но также по наклонным и горизонтальным.

Поскольку наличие в парообразующих поверхностях двух фаз — воды и пара — возможно лишь при докритическом давлении, барабанные котлы работают при давлениях  меньше критических.

Температура в топке в зоне горения факела достигает 1400-1600°С. Поэтому стены  топочной камеры выкладывают из огнеупорного материала, а их наружная поверхность  покрывается тепловой изоляцией. Частично охладившиеся в топке продукты сгорания с температурой 900-1200°С поступают  в горизонтальный газоход котла, где омывают пароперегреватель, а затем направляются в конвективную шахту, в которой размещаются промежуточный пароперегреватель, водяной экономайзер и последняя по ходу газов поверхность нагрева — воздухоподогреватель, в котором воздух подогревается перед его подачей в топку котла. Продукты сгорания за этой поверхностью называются уходящими газами: они имеют температуру 110-160°С. Поскольку дальнейшая утилизация тепла при такой низкой температуре нерентабельна, уходящие газы с помощью дымососа удаляются в дымовую трубу.

Большинство топок котлов работает под небольшим  разрежением 20-30 Па (2 — 3 мм вод.cт.) в  верхней части топочной камеры. По ходу продуктов сгорания разрежение в газовом тракте увеличивается  и составляет перед дымососами 2000-3000 Па, что вызывает поступление атмосферного воздуха через неплотности в  стенах котла. Они разбавляют и охлаждают  продукты сгорания, понижают эффективность  использования тепла; кроме того, при этом увеличивается нагрузка дымососов и растет расход электроэнергии на их привод.

В последнее  время создаются котлы, работающие под наддувом, когда топочная камера и газоходы работают под избыточным давлением, создаваемым вентиляторами, а дымососы не устанавливаются. Для  работы котла под наддувом он должен выполняться газоплотным.

Поверхности нагрева котлов выполняются из сталей различных марок в зависимости  от параметров (давления, температуры  и др.) и характера движущейся в них среды, а также от уровня температур и агрессивности продуктов  сгорания, с которыми они и находятся  в контакте.

Важное  значение для надежной работы котла  имеет качество питательной воды. В котел непрерывно поступает  с ней некоторое количество взвешенных твёрдых частиц и растворенных солей, а также окислов железа и меди, образующихся в результате коррозии оборудования электростанций. Очень  небольшая часть солей уносится вырабатываемым паром. В котлах с  многократной циркуляцией основное количество солей и почти все  твердые частицы задерживаются, из-за чего их содержание в котловой воде постепенно увеличивается. При  кипении воды в котле соли выпадают из раствора и на внутренней поверхности  обогреваемых труб появляется накипь, которая плохо проводит тепло. В результате покрытые изнутри слоем накипи трубы недостаточно охлаждаются движущейся в них средой, нагреваются из-за этого продуктами сгорания до высокой температуры, теряют свою прочность и могут разрушиться под действием внутреннего давления. Поэтому часть  воды с повышенной концентрацией солей необходимо удалять из котла. На восполнение удаленного количества воды подается питательная вода с меньшей концентрацией примесей. Такой процесс  замены воды в замкнутом контуре называется непрерывной продувкой. Чаще всего непрерывная продувка производится из барабана котла.

В прямоточных  котлах из-за отсутствия барабана нет  непрерывной продувки. Поэтому к  качеству питательной воды этих котлов предъявляются особенно высокие  требования. Они обеспечиваются путем  очистки турбинного конденсата после  конденсатора в специальных конденсатоочистительных установках и соответствующей обработкой добавочной воды на водоподготовительных установках.

Вырабатываемый  современным котлом пар является, вероятно, одним из наиболее чистых продуктов, производимых промышленностью  в больших количествах.

Так, например, для прямоточного котла, работающего  на сверхкритическом давлении, содержание загрязнений не должно превышат 30-40 мкг/кг пара.

Современные электростанции работают с достаточно высоким КПД. Теплота, затраченная  на подогрев питательной воды, ее испарение  и получение перегретого пара, — это полезно использованная теплота Q₁.

Основная  потеря тепла в котле происходит с уходящими газами Q₂. Кроме того, могут быть потери Q₃ от химической неполноты сгорания, обусловленные наличием в уходящих газах CO, H₂, CH₄ ; потери с механическим недожогом  твердого топлива Q₄, связанные с наличием в золе частичек несгоревшего углерода;  потери в окружающую среду через ограждающие котел и газоходы конструкции Q₅;  и, наконец, потери с физической теплотой шлака Q₆.

Обозначая q₁ = Q₁ / Q , q₂ = Q₂ / Q  и т.д., получаем КПД котла: 

η_k = Q₁ / Q= q₁=1-( q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆),

где Q - количество тепла, выделяющегося при полном сгорании топлива.

Потеря  тепла с уходящими газами составляет 5-8% и уменьшается с уменьшением  избытка воздуха. Меньшие потери соответствуют практически горению  без избытка воздуха, когда воздуха  в топку подается лишь на 2-3% больше, чем теоретически необходимо для  горения.

Отношение действительного объёма воздуха V_Д, подаваемого в топку,  к теоретически необходимому V_Т для сгорания топлива называется коэффициентом избытка воздуха:

α = V_Д/V_Т ≥ 1.

Уменьшение α может привести к неполному сгоранию топлива, т.е. к возрастанию потерь с химическим и механическим недожогом. Поэтому принимая q₅ и q₆ постоянными, устанавливают такой избыток воздуха a, при котором сумма потерь

q₂+ q₃+ q₄ → min .

Оптимальные избытки воздуха поддерживаются с помощью электронных автоматических регуляторов процесса горения, изменяющих подачу топлива и воздуха при  изменениях нагрузки котла, обеспечивая  при этом наиболее экономичный режим  его работы. КПД современных котлов составляет 90-94%.

Все элементы котла: поверхности нагрева, коллекторы, барабаны, трубопроводы, обмуровка, помосты и лестницы обслуживания — монтируются на каркасе, представляющем собой рамную конструкцию. Каркас опирается  на фундамент или подвешивается  к балкам, т.е. опирается на несущие  конструкции здания. Масса котла  вместе с каркасом довольно значительна. Так, например, суммарная нагрузка, передаваемая на фундаменты через колонны  каркаса котла паропроизводительностью D=950 т/ч, составляет 6000 т. Стены котла покрываются изнутри огнеупорными материалами, а снаружи — тепловой изоляцией.

Применение  газоплотных экранов приводит к  экономии металла на изготовление поверхностей нагрева; кроме того, в этом случае вместо огнеупорной кирпичной обмуровки  стены покрываются лишь мягкой тепловой изоляцией, что позволяет на 30-50% уменьшить массу котла.

Энергетические стационарные котлы, выпускаемые промышленностью России, маркируются следующим образом: Е — паровой котел с естественной циркуляцией без промежуточного перегрева пара; Еп — паровой котел с естественной циркуляцией с промежуточным перегревом пара; Пп - прямоточный паровой котел с промежуточным перегревом пара. За буквенным обозначением следуют цифры: первая — паропроизводительность (т/ч), вторая — давление пара (кгс/см²). Например, ПК — 1600 — 255 означает : паровой котел с камерной топкой с сухим шлакоудалением, паропроизводительностью 1600 т/ч, давление пара 255 кгс/см².