Основные характеристики паровых котлов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПАРА

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

В соответствии с законами фазового пере­хода получение перегретого пара характеризуется последовательным протеканием следующих процессов подогрева питательной воды до температуры насыщения, парообразова­ния и, наконец, перегрева насыщенного пара до заданной температуры Эти процессы имеют четкие границы протекания и осуществля­ются в трех группах поверхностей нагрева. Подогрев воды до температуры насыщения происходит в экономайзере, образование па­ра— в парообразующей (испарительной) по­верхности нагрева, перегрев пара—в паропе­регревателе.

В целях непрерывного отвода теплоты и обеспечения нормального температурного ре­жима металла поверхностей нагрева рабочее тело в них — вода в экономайзере, пароводя­ная смесь в парообразующих трубах и пере­гретый пар в пароперегревателе — движется непрерывно. При этом вода в экономайзере и пар в пароперегревателе движутся одно­кратно относительно поверхности нагрева (рис. 1 6). При движении воды в экономайзе­ре возникают гидравлические сопротивления, преодолеваемые напором, создаваемым пита­тельным насосом. Давление, развиваемое пи­тательным насосом, должно превышать дав­ление в начале зоны парообразования на гидравлическое сопротивление экономайзера. Аналогично движение пара в пароперегрева­теле обусловлено перепадом давления, возни­кающим между зоной парообразования и тур­биной.

В парообразующих трубах совместное дви­жение воды и пара и преодоление гидравли­ческого сопротивления этих труб в котлах раз­личных типов организовано по-разному. Раз­личают паровые котлы с естественной цирку­ляцией, с принудительной циркуляцией и прямоточные.

Паровые котлы с естественной циркуля­цией. Рассмотрим работу замкнутого контура (рис 1.6,а), состоящего из двух систем труб: обогреваемых 6 и необогреваемых 4, объеди­ненных вверху барабаном 3, а внизу — кол­лектором 5. Замкнутая гидравлическая систе­ма, состоящая из обогреваемых и необогре­ваемых труб, образует циркуляционный контур Объем барабана, заполненный водой, на­зывают водяным объемом, а занятый паром— паровым объемом. Поверхность, разделяющую паровой и водяной объем, называют зеркалом испарения. Водяной объем барабана и паро­образующие трубы заполнены котловой водой.

В обогреваемых трубах 6 вода закипает, и поэтому они заполнены пароводяной смесью плотность р_н. Необогреваемые трубы 4 запол­нены водой, имеющей плотность р при давле­нии в барабане. Следовательно, нижняя точка контура — коллектор, с одной стороны, под­вержена давлению столба воды, заполняющей необогреваемые трубы, равному Hp'g, а с дру­гой— давлению столба паровотяной смеси, заполняющей обогреваемые трубы, равному Hpyg. Создающаяся в результате образования пара разность давлений Н(р'~p_r,)g вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции

S_дв=H(р'-p_n)g, (1.1)

где S_ДВ — движущий напор естественной цир­куляции, Па; Н — высота контура, м р' и р_м — соответственно плотность воды и пароводяной смеси, кг/м³; g — ускорение свободного паде­ния, м/с².

По обогреваемым трубам вверх движется пароводяная смесь, в связи с чем они получи­ли название подъемных труб, а по необогре­ваемым трубам движется вниз вода—это опускные трубы.

Агрегаты, в парообразующих трубах кото­рых движение рабочего тела создается под воздействием напора циркуляции, естественно возникающего при обогреве этих труб, полу­чили название паровых котлов с естественной циркуляцией.

В отличие от движения воды в экономай­зере и пара в пароперегревателе, в которых рабочий процесс заканчивается при однократ­ном прохождении рабочего тела через поверх­ность нагрева, движение рабочего тела в цир­куляционном контуре многократное. Это зна­чит, что в процессе одного цикла прохождения через парообразующие трубы вода испаряется не полностью, а лишь частично и поступает в барабан в виде пароводяной смеси. При естественной циркуляции массовое паросодержание на выходе из парообразующих труб составляет 3—25%. При паросодержании на выходе, равном, например, 20%, для полного испарения вола должна совершить движение через контур циркуляции пять раз.

Поскольку процесс образования пара про­исходит непрерывно и питательная вода в ба­рабан также поступает непрерывно в соответ­ствии с расходом пара, в контуре все время циркулирует вода и количество се не изме­няется. Отношение массового расхода цирку­лирующей воды G_B, кг/с, к количеству обра­зовавшегося пара в единицу времени С„, кг/с, называется кратностью циркуляции

k=G_B/G_u. (1 2)

В котлах с естественной циркуляцией крат­ность циркуляции находится в пределах 4—30 и более.

В парообразующих трубах можно органи­зовать движение рабочего тела принудитель­но, например насосом, включенным в контур циркуляции. Такие агрегаты получили назва­ние котлов с многократной принудительной циркуляцией (рис. 1.6,6). Движущий напор циркуляции в этом случае в несколько раз превышает движущий напор при естественной циркуляции. Это позволяет расположить паро­образующие трубы любым образом, исходя из условий конструирования котла, и организо­вать в нем циркуляцию не только с вертикальным подъемным движением, но также с гори­зонтальным и даже опускным движением па­роводяной смеси. В паровых котлах этого типа кратность циркуляции составляет 3—10.

Отличительной особенностью паровых кот­лов с естественной и многократной принуди­тельной циркуляцией является наличие бара­бана— емкости, позволяющей организовать циркуляцию в замкнутой гидравлической си­стеме и обеспечить отделение воды от пара. Барабан фиксирует все зоны котла: экономайзерную, парообразующую и пароперегревательную.

Барабанные котлы работают при докритическом давлении (ДКД), p<p_кр.

Прямоточные паровые котлы не имеют ба­рабана, и через парообразующие трубы рабо­чее тело проходит однократно (рис. 1.6,0), так что кратность циркуляции k=l. Прямоточный котел представляет собой разомкнутую гид­равлическую систему. Отличительной особен­ностью прямоточных котлов также является отсутствие четкой фиксации экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон. В парообразующих поверхностях нагрева пря­моточных котлов происходит безостановочное превращение воды в пар. Прямоточные котлы работают на ДКД и сверхкритическом давле­нии (СКД), р≡р_кр.

В паровых котлах с комбинированной цир­куляцией (рис. 1.6,г) при пуске обратный кла­пан 10 открыт и агрегат работает по схеме (рис. 1.6,6). При достижении определенной нагрузки циркуляционный насос отключается, обратным клапан автоматически закрывается и паровой котел переключается на работу по прямоточной схеме (рис. 1 6,в).

Технологическая схема производства пара на паротурбинной электрической станции с прямоточными котлами и сжиганием твердо­го топлива в пылевидном состоянии показана на рис. 1.7. Твердое топливо в виде кусков поступает в приемно-разгрузочное помещение в железнодорожных вагонах. Вагоны заталки­ваются в вагоноопрокидыватели и вместе с ни­ми, поворачиваясь вокруг своей оси примерно на 180°, разгружаются в расположенные ниже бункера. С помощью автоматических питате­лей топливо поступает на ленточные конвейе­ры первого подъема, передающие его в дро­билки. Отсюда поток измельченного топлива— дробленки (размеры кусочков топлива не бо­лее 25 мм) конвейером второго подъема по­дается в бункера котельной. Далее дробленка поступает в углеразмольные мельницы, где окончательно измельчается и подсушивается. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь поступает в топочную камеру.

В отечественной энергетике наиболее ши­рокое распространение получили паровые кот­лы с П-образным профилем (подробно — см. § 21.1)—это две вертикальные.призматиче­ские шахты, соединенные вверху горизонталь­ным газоходом. Первая шахта — большая по размерам — является топочной камерой (топ­кой). В зависимости от мощности агрегата и сжигаемого топлива ее объем колеблется в широких пределах— от 1000 до 30000 м³ и более. В топочной камере по всему периметру и вдоль всей высоты стен обычно располага­ются трубные плоские системы — топочные экраны. Они получают теплоту прямым излучением от факела и являются радиационными поверхностями нагрева. В современных агрега­тах топочные экраны часто выполняют из плавниковых труб, свариваемых между собой и образующих сплошную газоплотную (газо­непроницаемую) оболочку. Газоплотная эк­ранная система покрыта оболочкой из тепло­изоляционного материала, которая уменьшает потери теплоты от наружного охлаждения стен агрегата, обеспечивает нормальные са­нитарно-гигиенические условия в помещении и исключает возможность ожогов персонала.

Вторая вертикальная шахта и соединяю­щий ее с топочной камерой горизонтальный газоход служат для размещения поверхно­стей нагрева, получающих теплоту конвекцией, и потому называются конвективными газохо­дами, а сама вертикальная шахта — конвек­тивной шахтой. Поверхности нагрева, разме­щаемые в конвективных газоходах, получили название конвективных.

После отдачи теплоты топочным экранам продукты сгорания покидают топку при тем­пературе 900—1200°С (в зависимости от вида топлива) и поступают в горизонтальный газо­ход.

По мере движения в трубах топочных экранов вода превращается в пар. Поверхно­сти нагрева, в которых образуется пар, явля­ются испарительными, парообразующими. В прямоточном котле испарительная поверх­ность нагрева располагается в нижней части топки и потому называется нижней радиаци­онной частью (НРЧ). При СКД в ней разме­щается радиационный экономайзер. Вода, по­ступающая в паровой котел, называется пи­тательной водой.

Питательная вода содержит примеси. В процессе парообразования увеличивается содержание пара, вода при этом упаривается, а концентрация примесей возрастает. При достижении определенных концентраций в конце зоны парообразования на внутренней поверхности труб образуются отложения в ви­де накипи. Теплопроводность отложений в де­сятки раз меньше теплопроводности металла, из которого выполнены поверхности нагрева. Это ухудшает теплопередачу к рабочей среде и при интенсивном обогреве в топочной каме­ре приводит к перегреву металла труб, сни­жению прочности и разрыву под действием внутреннего давления рабочей среды.

Поверхность нагрева, в которой завер­шается парообразование и осуществляется переход к перегреву пара, называют переход­ной зоной В этой зоне преимущественно и об­разуются отложения. Для облегчения работы металла в ранних конструкциях прямоточных котлов переходную зону выносили из топоч­ной камеры в конвективный газоход, где интенсивность обогрева примерно на порядок меньше — вынесенная переходная зона. В на­стоящее время прямоточные котлы питаются практически чистой водой и нормально накипь не образуется, поэтому в современных котлах вынесенной переходной зоны не делают и ра­бочая среда из НРЧ поступает непосредствен­но в вышерасположенные топочные экраны, в которых пар, уже перегревается — радиаци­онный пароперегреватель. Он может состоять либо из двух поверхностей нагрева: средней радиационной части (СРЧ) и верхней радиа­ционной части (ВРЧ), включенных между со­бой по пару последовательно, либо только ВРЧ, включенной непосредственно за НРЧ. Из ВРЧ частично перегретый пар поступает в последнюю по ходу пара поверхность на­грева, расположенную в конвективном газохо­де — конвективный пароперегреватель, в кото­ром он доводится до необходимой температу­ры. Из конвективного пароперегревателя пере­гретый пар заданных параметров (давления и температуры) направляется в турбину. Как и любая конвективная поверхность нагрева, конвективный пароперегреватель представля­ет собой систему большого числа параллельно включенных между собой трубчатых змееви­ков из стальных труб, объединенных на входе и выходе коллекторами.

Температура продуктов сгорания за кон­вективным пароперегревателем достаточно вы­сока (800—900°С). Частично отработавший в турбине пар снова направляют в паровой котел для вторичного (промежуточного) пере­грева до температуры, обычно равной темпе­ратуре пара, выдаваемого основным паропе­регревателем. Этот пароперегреватель получил название промежуточного.

На выходе из промежуточного паропере­гревателя продукты сгорания имеют еще вы­сокую температуру (500—600°С) и поэтому содержащуюся в них теплоту утилизируют в конвективном экономайзере. В него посту­пает питательная вода, которая подогревается до температуры, меньшей температуры насы­щения. При этой температуре вода поступает в НРЧ. За экономайзером температура про­дуктов сгорания составляет 300— 450°С и бо­лее. Дальнейшая утилизация теплоты осу­ществляется в следующей конвективной по­верхности нагрева для подогрева воздуха — воздухоподогревателе. Воздухоподогреватель часто представляет собой систему вертикаль­ных труб, через которые проходят продукты сгорания, а между трубами — нагреваемый воздух. Температура воздуха на входе в воз­духоподогреватель (холодный воздух) 30 — 60°С, на выходе (горячий воздух) 250—420°С в зависимости от топлива и способа его сжи­гания.

При сжигании твердого топлива в пыле­видном состоянии горячий воздух делят на два потока. Первичный воздух служит для подсушки топлива при размоле и транспорта готовой топливной пыли через горелки в то­почную камеру. Температура топливно-поздушной смеси 70—130°С. Вторичный воздух, поступает через горелки в топку непосредст­венно (минуя мельничную систему) при тем­пературе за воздухоподогревателем

После воздухоподогревателя продукты сго­рания имеют уже достаточно низкую темпера­туру (110—160°С). Дальнейшая утилизация теплоты этих продуктов сгорания экономически нецелесообразна, и их выбрасывают дымососом через дымовую трубу в атмосферу. Они получили название уходящих газов.

В результате сжигания топлива остается зола, которая в основной массе уносится про­дуктами сгорания. Ее улавливают в золоуло­вителе, размещаемом перед дымососом. Этим предотвращается абразивный износ дымососов и загрязнение атмосферы золой. Уловленная зола удаляется устройствами золоудаления, Часть золы выпадает в нижнюю часть топки и также непрерывно удаляется через систему золошлако удаления.

Технологическая схема производства пара с барабанными котлами отличается лишь кон­струкцией и работой самих паровых котлов (рис. 1.8). В этом случае образующаяся в топочных экранах пароводяная смесь поступает в барабан. Выделившийся в барабане прак­тически сухой пар поступает в пароперегрева­тель, а затем в турбину.

Из рассмотрения технологической схемы производства пара (см. рис. 1.7) следует, что в состав котельной установки входят:

топливный тракт— комплекс элементов, в котором осуществляется подача, дробление и размол твердого топлива, его транспорти­ровка и подача в топочную камеру для сжи­гания. Топливный тракт включает дробильное оборудование, транспортеры, бункер дроблено­го топлива, углеразмольную мельницу и соединяющие ее с топочной камерой пылепроводы. До бункеров дробленки топливо перемещается конвейерами; сопротивление по топливному тракту, начиная с мельницы, преодо­левается напором, создаваемым вентилято­ром;

водопаровой тракт, представляющий собой систему последовательно включенных элементов оборудования, в которых движется пита­тельная вода, пароводяная смесь и перегре­тый пар. Водопаровой тракт включает следую­щие элементы оборудования: экономайзер, топочные экраны и пароперегреватели;

воздушный тракт, представляющий собой комплекс оборудования для приемки атмосферного (холодного) воздуха, его подогрева, транспортировки и подачи в топочную камеру. Воздушный тракт включает короб холодного воздуха, воздухоподогреватель (воздушная сторона), короб горячего воздуха и горелочные устройства;

газовый тракт — комплекс элементов обо­рудования, по которому осуществляется дви­жение продуктов сгорания до выхода в атмо­сферу; он начинается в топочной камере, про­ходит через пароперегреватели, экономайзер, воздухоподогреватель (газовая сторона), зо­лоуловитель и заканчивается дымовой трубой.

Воздушный и газовый тракты соединяются между собой последовательно. Так образуется газовоздушный тракт. Переход от одного к другому осуществляется в объеме топочной камеры. Схема газовоздушного тракта показа­на на рис. 1.9,а. Здесь воздух транспортируют дутьевыми вентиляторами и соответствующий воздушный тракт на участке вентилятор— топка находится под давлением выше атмо­сферного Продукты сгорания транспортируют дымососами, расположенными после котла, в связи с чем топка и все газоходы находятся под разрежением. Такую схему тяги и дутья называют уравновешенной, или сбалансиро­ванной.

Транспорт воздуха до топки и продуктов сгорания до выхода в атмосферу можно также обеспечить только дутьевыми вентиля­торами— без дымососов (рис. 1.9,б). Топка и газоходы в этом случае будут находиться под некоторым избыточным давлением— наддувом. Для наглядности на рис. 1.10 пока­зано сопоставление распределения давления и газовоздушном тракте котельной установки, работающей с уравновешенной тягой и наддувом.

Паропроизводительностью D, т/ч (или кг/с), называют количество пара, вырабатываемого паровым котлом в единицу времени. Расчет котла ведут на номинальную производительность D_ном, под которой понимают ту наибольшую нагрузку, которую он должен на расчетном топливе устойчиво нести длитель­ное время при номинальных значениях пара­метров пара и питательной воды. Промыш­ленность выпускает стационарные энергетиче­ские паровые котлы широкого диапазона про­изводительности (табл. 1.1).

В настоящее время энергетика СССР бази­руется главным образом на использовании агрегатов, вырабатывающих 1000, 1650 и 2650 т/ч пара на сверхкритические параметры (давление 25,5 МПа, перегрев пара 545°С, промежуточный перегрев пара 545°С) и к. п. д. 92—94%. Такие котлы обеспечивают паром турбины мощностью соответственно 300, 500 и 800 МВт. Паровой котел и турбина обра­зуют энергетический блок. Введен в эксплуа­тацию энергетический блок 1200 МВт с кот­лом производительностью 3950 т/ч. В усло­виях ТЭЦ применяются котлы и на более низкие параметры и меньшей производитель­ности.

Параметры перегретого пара характеризу­ются его давлением и температурой в выход­ном коллекторе пароперегревателя. Устанав­ливаемые на электростанциях котлы различа­ют по давлению: высокого (10 и 14 МПа) и сверхкритического (25,5 МПа). Паровые кот­лы давлением 14 МПа и выше, как правило, выполняют с вторичным перегревом пара.

Классификация по давлению и тип котла	Давление на выходе из котла МПа	Давле- ние в бараба- не МПа	Температура перегретого пара С	Темпера- тура питатель- ной воды С	Номинальная паропроизво- дительность Dном т/ч
Свежий пар	Вторично перегретый пар
Среднее Высокое	С естест- венной циркуля- цией		4,4 11,5 15,5 15,5	570;560 570;545	- - - 570;545		25;35;50;75 120;160;230 320;420;500;820 640;670
Сверх- Крити- ческое	Прямо- точные	25,5	- -	570;545;515 565;545	570;545;515 567;542		640;670;1800 950;1000;1600 1650;2500; 2650;3950

Классификация стационарных энергетиче­ских паровых котлов по параметрам перегре­того пара приведена в той же табл. 1.1. На­ходится в эксплуатации котел производитель­ностью 700 т/ч на давление 31,5 МПа с пере­гревом свежего пара до 655°С и вторичным перегревом до 570°С.

Типы и типоразмеры паровых котлов. В СССР действует ГОСТ 3619-76 на паровые котлы, в котором регламентированы давление и температура свежего и вторично-перегретого пара, паропронзводительность и температура питательной воды. В этом ГОСТ приняты обо­значения типов паровых котлов: П — котел прямоточный; Е — то же с естественной цир­куляцией; Пр — то же с принудительной циркуляцией; Пп — прямоточный котел с вторич­ным перегревом пара; Еп — котел с естествен­ной циркуляцией и вторичным перегревом пара и типоразмеров паровых котлов: первое число—паропроизводптельность, т/ч, второе число—давление пара, кгс/см² (1 кгс/см² ≈ О,1 МПа).

Обозначения типоразмеров относятся к котлам с топками для сжигания твердого топлива при удалении из них шлака в твер­дом состоянии. Например, типоразмер Пп-950-255 означает: прямоточный котел с промежуточным перегревом пара паропроизводительностью 950 т/ч, давлением перегрето­го пара 25,5 МПа (255 кгс/см²) дли твердого топлива и удалением из топки шлака в твер­дом состоянии. При сжигании других видов топлива вводятся дополнительные обозначе­ния: Г — газовое топливо; М — мазут, ГМ — газ и мазут; К — комбинированное: твердое топливо, газ и мазут; Ж — жидкое шлакоудаление. Например, типоразмер Е-420-140ГМ означает: паровой котел с естественной цирку­ляцией для сжигания газа и мазута на 420 т/ч пара при, давлении около 14 МПа (140 кгс/см²); Е-420-140Ж — котел с естественной циркуля­цией на те же параметры, но для сжигания твердого топлива и удаления шлака в жидком состоянии.

Действуют также заводские обозначения на котлы, в которых сначала записываются завод-изготовитель: Т — Таганрогский котель­ный завод «Красный котельщик» (ТКЗ), П — Подольский машиностроительный завод им. Орджоникидзе (ЗиО), БКЗ — Барнаульский, котельный завод.

Коэффициент блочности. Повышения каче­ства и ускорения сроков производства и мон­тажа достигают блочным изготовлением кот­лов на заводе, в связи с чем размеры блоков должны вписываться в железнодорожные га­бариты. На монтажной площадке из блоков собирают паровой котел. Коэффициент блоч­ности, под которым понимают отношение мас­сы блоков к полной массе агрегата, достигает 80—90%. Наибольшие трудности возникают при изготовлении блоков каркаса. Блочное производство оказывает влияние на конструк­цию котла, так как условия транспорта и мон­тажа выдвигают ряд особых требований к кон­струкции блоков.

Дата добавления: 2015-05-08