Котлы-утилизаторы, используемые в парогазовых и когенерационных установках

Широкое развитие в последние десятилетия комбинированных парогазовых установок (ПГУ) тепловых электростанций, а также когенерационных установок, имеющих высокий коэффициент полезного действия за счет совместной выработки электрической и тепловой энергии, предопределило необходимость создания для них специальных котлов-утилизаторов.

Котлы-утилизаторы, применяемые в парогазовых установках (рис. 2.20), предназначены для получения пара среднего и высокого давления, который в последующем используется в паровой турбине. Источником энергии, утилизируемой таким котломутилизатором, являются уходящие газы газовой турбины. Конструкция котла-утилизатора парогазовой установки определяется температурой уходящих газов (450–550°С), а также мощностью паровой турбины.

Котел-утилизатор парогазовой установки представляет собой водотрубный барабанный агрегат с конвективными поверхностями нагрева и многократной принудительной циркуляцией. В зависимости от мощности паровой турбины они могут быть как одноконтурными, так и иметь два независимых контура с различными давлениями пара.

Рис. 2.20. Принципиальная схема котла-утилизатора в системе ПГУ–ТЭЦ

Рис. 2.21. Общая схема котла-утилизатора П-90 для ПГУ мощностью 450 МВт в разрезе

Барабанные котлы-утилизаторы предназначены для выработки пара высокого (8 МПа), низкого (0,65 МПа) давления и горячей воды за счет утилизации тепла выхлопных газов, поступающих после газотурбинной установки (ГТУ). Такие парогазовые установки (ПГУ) с газовой турбиной типа V-94.2 мощностью 150 МВт работают на территории России (например на Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге).

Котел-утилизатор выполнен однокорпусным вертикальной компоновки с принудительной циркуляцией среды в испарительных контурах высокого и низкого давления с подвеской поверхностей нагрева к собственному каркасу через промежуточные металлоконструкции (рис. 2.21).

За счет металлической обшивки котелутилизатор выполнен газоплотным. Пароводяной тракт состоит из отдельных контуров высокого и низкого давления. Контур высокого давления включает экономайзерную, испарительную и пароперегревательную поверхность, контур низкого давления – испарительную и пароперегревательную. Поверхности нагрева котла-утилизатора выполнены из труб с наружным спиральным оребрением. Паропроизводительность контура высокого давления составляет 242 т/ч, низкого – 56 т/ч.

Рабочий диапазон регулирования нагрузки котла-утилизатора составляет 100–50% номинальной.

Регулирование давления и температуры пара в котлоагрегате не предусматривается, так как он должен работать при скользящих параметрах пара, определяемых расходом и температурой газов, поступающих в котёлутилизатор от ГТУ, и паровой турбиной.

В результате путем утилизации тепла уходящих газов ГТУ вырабатывается до 30% полной мощности ПГУ, а к.п.д. установки повышается до 52–54%, а в ряде случаев и до 60%.

Котлы-утилизаторы когенерационных установок утилизируют тепло уходящих газов газовых турбин или поршневых двигателей и предназначены для получения пара, используемого для технологических нужд или подогрева сетевой воды систем теплоснабжения. Они выполняются одноконтурными с принудительной циркуляцией.

Энерготехнологические агрегаты (ЭТА) – это не простое объединение теплотехнической установки с последующим использованием теплоты, как в котлах-утилизаторах, а повышение технологической и энергетической эффективности работы установки при производстве, как минимум, двух товарных продуктов – технологического и энергетического. При создании энерготехнологических агрегатов оптимизируют, как правило, всю систему теплоиспользования начиная с технологической части. В таких установках раздельная работа технологического и энергетического элементов агрегата невозможна. В установках на базе типовых котлов за счет совместного производства двух и более продуктов на одном агрегате достигается новый качественный результат как в технологическом, так и в экономическом аспекте. ЭТА очень широко применяются в химической, целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности. Например, производство обесфторенных фосфатов осуществляется в энерготехнологических циклонных агрегатах (ЭТА-ЦФ-7Н) на базе однобарабанного парового котла с естественной циркуляцией. При производительности агрегата по обесфторенному фосфату 150 т/сут паропроизводительность составляет 20–30 т/ч при давлении 4 МПа и температуре перегрева до 450°С. Тепловой к.п.д. энерготехнологической установки составляет 80–85%. Энерготехнологический агрегат ЭТА-ЦФ-7Н вырабатывает три товарных продукта: обесфторенный фосфат, являющийся высокоэффективным кормовым средством и фосфорным удобрением; фтористый натрий (NaF) и энергетический или технологический пар.

В 2006 году в России введен в эксплуатацию энерготехнологической агрегат, представляющий собой модернизированный паровой котел КВТС-20, для переработки бурого угля в кокс. Расчетная производительность агрегата составляет 15 т/ч по углю, 3,5 т/ч по коксу при сохранении номинальной тепловой мощности 20 Гкал/ч по горячей воде.

Промышленный энерготехнологический агрегат по переработке сланца УТТ-3000

2.7. Создание и усовершенствование водогрейных котлов

Развитие и совершенствование устройств для нагрева воды неразрывно связано с достижениями человечества в области науки и техники: от простейших керамических и металлических сосудов до сложных устройств из композитных материалов, оснащенных компьютеризированными системами контроля и управления.

Общее, упрощенное, понятие «водогрейный котел», т.е. сосуд, приспособленный для подогрева воды, уходит в далекое прошлое человечества.

Определение водогрейного котла как устройства для нагрева воды под давлением возникло с появлением необходимости разделить место приготовления горячей воды и место ее использования для бытовых, хозяйственных и прочих нужд. Оно относится к началу ХХ века.

Теплоснабжение домов и общественных зданий в крупных городах осуществлялось тогда с помощью пара от паровых котлов. Однако высокая температура пара, значительное гидравлическое сопротивление отопительной системы при его довольно большой скорости в трубах, невысокий к.п.д. процесса заставили пар заменить горячей водой, обладающей значительно большей теплоёмкостью, способной охлаждаться без изменения фазового состояния ниже температуры ее кипения.

Первоначально эта задача реализовывалась путем создания пароводяных котлов, сжигавших в своих топках каменный уголь или дрова. Эти котлы имели в водяном объёме барабана обогреваемый змеевик, проходя по которому, вода нагревалась и затем направлялась в теплосеть. Однако, во-первых, в барабане помещался лишь небольшой змеевик, во-вторых, здесь, кроме внутренней поверхности труб змеевика, накипью покрывалась и наружная, омываемая котловой водой его поверхность. Это приводило к снижению температуры направляемой в теплосеть горячей воды и к перерасходу топлива, а количество горячей воды для потребителя было ограничено объёмом воды в барабане, поверхностью нагрева змеевика, размещенного в водяном объёме барабана, и теплопроводностью металла змеевика. Разрешение проблемы пароводяных котлов нашло выход в разработке

и внедрении водогрейных котлов, производящих исключительно горячую воду необходимого давления и температуры. Постоянная потребность человеческого общества в теплоснабжении и выбор воды в качестве основного теплоносителя предопределили бурный рост котлостроения в этом направлении.

Водогрейный котел – это устройство, имеющее топку, обогреваемую продуктами сгорания сжигаемого в ней топлива, и предназначенное для получения горячей воды с давлением выше атмосферного для использования ее вне котла. Котлы можно классифицировать по тепловой мощности, взаимному расположению греющей и нагреваемой сред, типу циркуляции теплоносителя, типу тяги в газовоздушном тракте и виду сжигаемого органического топлива.

По тепловой мощности водогрейные котлы разделяются на котлы:

• малой мощности (до 400 кВт с температурой воды до 115°С);
• средней мощности (до 10 МВт с давлением воды до 2,2 МПа и температурой воды до 150°С);
• большой мощности (10–210 МВт с давлением воды 2,5 МПа и температурой воды до 150°С).

Создание и совершенствование водогрейных котлов развивалось в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями по экономичности, надежности, экологической безопасности, по комфортности и доступности в управлении, а также по видам используемого топлива. Это предопределило многообразие научных и инженерных решений, заложенных в их конструкции.

Простой цилиндрический котел преобразован в жаротрубный и батарейный котлы, а затем в котел с жаровыми, дымогарными трубами и далее в водотрубный. Цилиндрический котел представлял собой клепаный стальной барабан, у которого обогреванию газами подвергалась почти вся наружная поверхность. Развитие цилиндрического котла шло по линии увеличения поверхности нагрева при одновременном уменьшении водяного объема. Увеличение поверхности нагрева осуществлялось за счет развития как внутренних, так и внешних теплообменных поверхностей. В первом случае пришли к конструкции котлов с жаровыми и дымогарными трубами, а во втором – к котлам батарейным и водотрубным. У котлов с жаровыми и дымогарными трубами вода омывает трубы снаружи, а у котлов батарейных и водотрубных – изнутри.

В начале ХХ века В.Г. Шухов создал оригинальный водотрубный котел: секционный с соединением труб в отдельные элементы, которые далее сочетаются в необходимых комбинациях между собой и с барабаном котла. В его конструкции предусматривалась возможность компоновки котлов различной мощности из ограниченного числа типов отдельных деталей, тем самым создавалась возможность организации производства стандартных деталей. Шуховские горизонтальные и вертикальные водогрейные котлы получили тогда широкое распространение и явились вкладом в мировую теплотехнику.

Водогрейные котлы малой мощности предназначены для обеспечения индивидуального отопления и горячего водоснабжения квартир и коттеджей, котлы средней мощности в основном используются для отопления в объектах коммунального хозяйства, а большой мощности – для организации централизованного теплоснабжения городов и крупных жилых массивов. В основном они устанавливаются в крупных котельных и теплоэлектроцетралях. Совершенствование водогрейных котлов малой мощности идет по пути развития как водотрубных, так и газотрубных котлов. При этом совершенствование конструкций достигается за счет применения более эффективных и совершенных теплообменных поверхностей, горелочных устройств, практически полной автоматизации процессов регулирования и управления.

По взаимному расположению греющей и нагреваемой сред водогрейные котлы разделяются на газотрубные, водотрубные и контактного типа.

В газотрубном котле продукты сгорания топлива проходят внутри труб поверхностей нагрева, а вода – снаружи труб. Различают жаротрубные, дымогарные и комбинированные газотрубные котлы, т.е. котлы с жаровой трубой и дымогарными трубками. В жаровой трубе топливо сжигается и основной теплообмен происходит за счет излучения, а в дымогарных трубах теплопередача осуществляется за счет конвективного теплообмена.

В водотрубном котле вода движется внутри труб поверхностей нагрева, а продукты сгорания топлива – снаружи труб. По расположению труб различают горизонтальноводотрубные и вертикально-водотрубные котлы, как разновидность встречается и наклонное расположение труб.

В контактном котле имеется непосредственный контакт между продуктами сгорания топлива и водой.

По типу циркуляции теплоносителя водогрейные котлы разделяются на котлы с естественной, принудительной и комбинированной циркуляцией.

В котлах с естественной циркуляцией вода циркулирует за счет разностей ее плотности, для обеспечения принудительной циркуляции используются циркуляционные насосы, а котлы с комбинированной циркуляцией имеют контуры с естественной и принудительной циркуляцией воды.

По типу тяги в газовоздушном тракте водогрейные котлы разделяются на котлы с естественной, уравновешенной тягой и наддувом.

При естественной тяге сопротивление газового тракта преодолевается за счет разности плотностей атмосферного воздуха и газов в дымовой трубе. В котлах с уравновешенной тягой движение продуктов сгорания по газовоздушному тракту принудительное и осуществляется за счет совместной работы дымососа и дутьевого вентилятора. В котлах с наддувом сопротивление газового тракта преодолевается работой только дутьевого вентилятора.

По виду сжигаемого органического топлива водогрейные котлы разделяются на котлы, сжигающие твердое, жидкое, газообразное топливо, а также бытовые отходы, дрова, биомассу.

Рис. 2.22. Водогрейный котел АВ-2: 1 – барабан; 2 – жаровая труба (первый газоход); 3 – дымогарные трубы второго газохода (124 шт.); 4 – дымогарные трубы третьего газохода (115 шт.); 5 – горелочное устройство

Применяются также водогрейные котлыутилизаторы и электрические водогрейные котлы. В водогрейном котле-утилизаторе используется теплота отходящих горячих газов технологического процесса или двигателей, в электрическом водогрейном котле – электрическая энергия.

Газотрубные котлы конструктивно подразделяются на жаротрубные, котлы с дымогарными трубами и комбинированные.

До появления водотрубных котлов наиболее распространенными в производственноотопительных котельных были жаротрубные котлы. В настоящее время они из-за громоздкости конструкции, значительного удельного расхода металла и низкой ремонтопригодности применяются лишь в мелких котельных.

Основными недостатками котлов с дымогарными трубами являются: частый ремонт, вызываемый течью в местах крепления труб из-за термических расширений в жестко связанных между собой трубах и днищах, затруднительность очистки тесно расположенных дымогарных труб от накипи и, наконец, занос труб золой (при сжигании высокозольного топлива). Вследствие этих недостатков стационарные котлы данного типа не получили распространения в энергетических котельных. Более широкое применение они имели в свое время в качестве котлов-утилизаторов для использования тепла отходящих газов из заводских печей.

Комбинированные котлы, получившие в свое время значительное распространение,

представляют собой комбинацию или жаротрубного котла и котла с дымогарными трубами (нижний котел – жаротрубный, верхний – с дымогарными трубами), или котла с дымогарными трубами с двумя кипятильниками. Вследствие громоздкости, дороговизны и малой удельной производительности изготовление этих котлов прекращено.

В настоящее время из газотрубных котлов используются автоматизированные жаротрубно-газотрубные котлы. Они, как правило, включают:

• горизонтальный трехходовой жаротрубно-газотрубный котел;
• газогорелочное устройство с резервной жидкотопливной форсункой;
• дутьевой вентилятор;
• водяную и топливную арматуру;
• систему автоматического управления, сигнализации и безопасности работы котла.

На рисунке 2.22 представлен жаротрубнодымогарный водогрейный котел типа АВ-2, который является типичным представителем водогрейных котлов данного типа.

Этот котел предназначен для нагрева 280 т/ч воды от 70 до 95°С при рабочем давлении 0,07 МПа, что соответствует номинальной теплопроизводительности 8,15 МВт (7 Гкал/ч). Основное топливо – природный газ. В качестве резервного топлива предусматривается применение солярового масла и печного топлива.

Котел АВ-2 – трехходовой по движению газов, состоит из горизонтального цилиндрического барабана с плоскими отбортованными днищами. Днища являются одновременно трубными досками для жаровой трубы, расположенной по оси барабана, труб второго газохода, находящихся в нижней части барабана, и труб третьего газохода, разделенного на два пучка, расположенных по обе стороны жаровой трубы. Переднее и заднее днища усилены косынками, установленными в верхней части барабана, которые связывают днища с обечайкой барабана.

В передней части жаровой трубы устанавливается горелка. Для исключения перегрева металла жаровой трубы в районе горелки внутренняя ее поверхность на длине, примерно равной диаметру, защищена шамотной кладкой.

Котел установлен на раме, которая воспринимает нагрузки через две опоры. Задняя опора является неподвижной. Свобода температурных перемещений при нагреве и охлаждении барабана котла обеспечивается конструкцией передней опоры.

В задней части котла расположена охлаждаемая поворотная камера, в которой газы поворачивают из жаровой трубы в трубы второго газохода. Поворотная камера конструктивно выполнена из двух эллиптических днищ, надетых одно на другое с зазорами, соединенных между собой сваркой по периферии и в центральной горловине. Камера соединяется с задним днищем через кольцо. Зазор между днищем и камерой заполняется теплоизоляционной массой.

Поворот газов из второго газохода в третий осуществляется в передней охлаждаемой газовой камере, расположенной у фронта котла. К опорному кольцу в центральной части газовой камеры приваривается топливно-горелочный блок.

К заднему днищу барабана присоединяется выходная газовая камера, в которой уходящие газы из обоих пучков дымогарных труб третьего газохода объединяются и направляются к выходному патрубку, расположенному в верхней части задней стенки газохода.

Водотрубные водогрейные котлы, имеющие постоянный расход воды, через их поверхности нагрева включаются в тепловую сеть подобно водоподогревателям. В качестве топлива в таких котлах применяют газ, мазут или твердое топливо.

У водогрейных котлов, в отличие от паровых, отсутствуют барабаны (наиболее дорогие и сложные элементы котла), паросепарирующие устройства, водоопускные и паровые трубы. Кроме того, теплопередача от продуктов сгорания топлива к теплоносителю у водогрейных котлов выше, чем у паровых, следовательно, выше эффективность использования поверхностей нагрева котла. Для водогрейных котельных установок отпадает необходимость включения в тепловую схему пароводяных подогревателей. Эти преимущества позволяют упростить схему котельной установки, уменьшить ее габариты и металлоемкость.

В зависимости от тепловой нагрузки в отдельно стоящих котельных используются котлы разной теплопроизводительности мощностью до 58 МВт (50 Гкал/ч).

В пиковых котельных, как правило, устанавливают водогрейные котлы тепловой мощностью до 209 МВт (180 Гкал/ч).

В настоящее время основным направлением эволюции и развития конструкций водогрейных котлов средней и большой мощности явилось совершенствование конструкций водотрубных котлов, направленное в первую очередь на повышение эффективности использования сжигаемого топлива, снижение объема выбросов вредных веществ в свете постоянно возрастающих требований по защите окружающей среды, обеспечение высокой степени маневренности в сочетании с увеличением диапазона регулирования, повышением уровня автоматизации, возможностью сжигания широкой гаммы топлив.

Это достигается путем применения высокоэффективных поверхностей нагрева и горелочных устройств, современных топочных устройств и способов сжигания топлива, последних достижений в области микропроцессорной техники.

Примером повышения эффективности водогрейных устройств путем интенсификации теплои массообмена между нагреваемой жидкостью и греющими продуктами сгорания (газами) являются водогрейные котлы контактного типа. Эти котлы характеризуются непосредственным контактом между жидкостью и газом, т.е. отсутствием разделительной стенки. Такие котлы в последнее время все шире стали применяться в объектах коммунальной энергетики.

Основными определяющими факторами интенсификации теплои массообменных процессов в этих аппаратах являются высокая относительная скорость движения газа и жидкости; развитая поверхность непосредственного контакта; высокая дисперсность и масса сред в объеме теплои массообмена; равномерность распределения скоростей, дисперсности и массы газа и жидкости в объеме реактивного пространства; достаточно продолжительное время контакта сред; противоточный характер взаимного движения контактирующих сред.

Принципиальная схема водогрейного котла контактного типа конструкции НТУУ «Киевский политехнический институт» и порядок движения материальных потоков внутри котла представлены на рисунке 2.23.

Контактный водогрейный котел, как правило, представляет собой сборно-сварную конструкцию башенной формы, внутри которой размещены камера сгорания, барботажный теплообменник-конденсатор и контактная емкость. В нижней части котла расположена накопительная емкость, разделенная по водяному объему гидрозатвором. На боковой стороне котла установлена газовая модульная горелка с частичным предварительным смешением, которая является сборочной единицей водогрейного котла.

Рис. 2.23. Принципиальная схема водогрейного котла контактного типа конструкции НТУУ «КПИ»: 1 – горелка; 2 – гидрозатвор; 3 – накопительная емкость; 4 – контактная емкость; 5 – камера сгорания; 6 – блок решеток; 7 – дутьевой воздух от вентилятора; 8 – природный газ; 9 – газовоздушная смесь; 10 – вторичный воздух; 11 – продукты сгорания; 12 – парогазовая смесь; 13 – подача холодной сетевой воды; 14 – выдача горячей сетевой воды

Нижняя часть контактного водогрейного котла снабжена патрубками выхода прямой циркуляционной воды, а крышка котла снабжена патрубками выхода парогазовой смеси, входа обратной циркуляционной воды, подпитки и взрывной мембраной.

Дутьевой воздух конструктивно разделяется на два потока – первичный и вторичный. Первичный воздух поступает в топливосмесительные элементы, где и происходит смешение воздуха с топливом. Вторичный воздух поступает в зону горения параллельно движению топливной смеси в топливосмесительных элементах.

Высокотемпературные продукты сгорания по жаровой трубе камеры сгорания (сверху вниз) поступают в контактную емкость, наполненную проточной нагреваемой водой. В процессе теплообмена насыщенные и охлажденные продукты сгорания (парогазовая смесь) направляются в конденсатор-теплообменник, а затем, частично сконденсировавшись, отводятся в атмосферу через дымовую трубу. Нагрев воды в водогрейном котле организован в две стадии: парогазовой смесью в конденсаторе-теплообменнике и высокотемпературными продуктами сгорания природного газа в контактной емкости. Сетевая вода из системы теплоснабжения подается через патрубок в верхней части котла в конденсатор-теплообменник, откуда стекает в контактную емкость и через гидрозатвор в нижнюю часть корпуса водогрейного котла, которая служит накопительной емкостью для нагретой воды.

За счет высокой эффективности процессов контактного теплообмена удается в аппарате малых габаритов обеспечить качественное охлаждение дымовых газов и их низкую температуру на выходе из аппарата. При этом достигается высокий коэффициент использования тепла сгоревшего топлива.

Дата добавления: 2014-10-15