Влияние типа мощности и режима работы электростанции на конструкцию паровых котлов

Перспектива развития котельных установок и парогенераторов.

Лекция 34.

Главным направлением развития тепловых электростанций является дальнейший рост единичной мощности энергетических блоков: котлов и паровых турбин. Освоены энергетические блоки мощностью 300 МВт с котлами единичной паропроизводительностью . Развернулось строительство и находятся в постоянной эксплуатации энергоблоки 500 и 800 МВт с котлами в одно-корпусном исполнении паропроизводительностью соответственно Создан мощный и введен в эксплуатацию энергетиче­ский блок с паровым котлом про­изводительностью Повышение единичной мощности паровых котлов и особенно паровых турбин заметно снижает удельные капиталовложения (стои­мость установленного ), уменьшается штатный коэффициент (число работающих на единицу мощности). Однако это снижение удельной стоимости существенно для станций мощностью до 3—4 млн. кВт и менее су­щественно для станций большей мощности (рис. 22.1). В то же время с повышением еди­ничной мощности котлов все большую акту­альность приобретает проблема надежности. Это объясняется тем, что с ростом мощности увеличиваются поверхности нагрева, работаю­щие при сверхкритическом или высоком дав­лении. Соответственно увеличиваются сум­марная протяженность труб и количество сварных соединений, являющихся вероятным

Рис. 22.1. Удельные капиталовложения в зависимости от мощности электростанций и единичной мощности энергетических блоков.

очагом аварийных ситуаций. Возрастают тем­пературные неравномерности, повышающие вероятность аварийных остановок.

Сохранить надежность более крупных энергетических блоков на уровне уже освоен­ных блоков — трудная задача. Возникает серьезная проблема повышения качества из­готовления паровых котлов и культуры их эксплуатации.

Повышение единичной мощности энерго­блока связано с соответствующим увеличени­ем габаритов и котла и турбины. Для блока 800 МВт высота котла, сжигающего пылевид­ное топливо, достигает 90 м и более, что тре­бует соответствующего увеличения размеров здания. Увеличиваются сечения топки и кон­вективных газоходов с соответствующим воз­растанием трудностей рациональной организа­ции аэродинамики газовых потоков. Услож­няются монтаж и эксплуатация оборудования.

В результате при традиционном конструк­тивном исполнении поверхностей нагрева и неизменной технологии их производства воз­никает компоновочный барьер, затрудняющий дальнейший рост единичной мощности котла. Выходом из этого положения является интен­сификация теплообмена в поверхностях нагре­ва. Современные металлургия и производ­ство паровых котлов подготовлены для изго­товления интенсифицированных профилей по­верхностей нагрева, позволяющих радикально изменять конструкцию как отдельных элемен­тов, так и всего агрегата. Это решает задачу уменьшения габаритов котла, повышения его надежности и экономичности. Интенсифициро­ванные поверхности нагрева в настоящее вре­мя уже широко применяются.

Повышение единичной мощности энергети­ческих блоков обычно связано с ростом мощ­ности ТЭС, для которой удельные капитало­вложения также уменьшаются, ускоряются темпы строительства. Однако по мере роста мощности ТЭС выгоды от снижения капи­тальных вложений менее резко выражены (рис. 22.1).

Коэффициент полезного действия энерго­блока и ТЭС в целом существенно зависит от начальных параметров пара. Однако повы­шение начальных параметров пара связано с преодолением больших технических трудно­стей. Возможность повышения температуры и давления в первую очередь определяется ха­рактеристиками сталей, способных надежно работать при высоких параметрах перегрето­го пара.

Давление как параметр рабочей среды оказывает определяющее влияние на выбор типа котла. В области ДКД принципиально возможно применение паровых котлов любого типа: прямоточных, барабанных с естественной циркуляцией и барабанных с многократ­ной принудительной циркуляцией. Последние не получили применения в отечественной энергетике. На всех ТЭС докритического дав­ления обычно устанавливают барабанные кот­лы с естественной циркуляцией. Движущий напор циркуляции с повышением давления уменьшается, в связи с чем по условиям надежности циркуляции для них установлено предельное давление в барабане 17 МПа. Дальнейшее повышение давления может¹ при­вести к потере надежности. Использование труб с внутренней спиральной нарезкой, уве­личивающей турбулизацию пристенного слоя жидкости, позволяет несколько повысить этот предел.

Определяющее влияние давления на вы­бор типа котла ограничивается мощностью энергоблока. При очень большой мощности резко возрастает стоимость барабана, являю­щегося наиболее металлоемким и дорогим элементом барабанного котла. Для блока, на­пример, 500 МВт масса барабана достигает 200 т. Монтаж и эксплуатация такого котла сильно усложняются. Поэтому для энергети­ческих блоков с барабанными котлами; несу­щих базовую нагрузку, предельная мощность обычно не превышает 400—500 МВт. Для СКД единственно возможными являются пря­моточные котлы, которые в настоящее время сооружаются единичной мощностью до 4000 т/ч (для моноблоков 1200 МВт).

Температура перегретого пара еще в боль­шей степени, чем давление, оказывает влия­ние на конструкцию котла и особенно паро­перегревателя (см. рис. 18.12).

При одной и той же температуре пара тем­пература металла поверхности нагрева паро­перегревателя выше, чем паропровода, и это превышение зависит от интенсивности обогре­ва. Комбинируя различные марки сталей для пароперегревателей и паропроводов, соеди­няющих как элементы пароперегревателя между собой, так и котел с турбиной, стре­мятся максимально снизить стоимость ме­талла с сохранением необходимой надежности работы.

При выборе параметров перегретого пара следует учитывать, что стоимость металла пароперегревателя и паропроводов увеличи­вается с ростом температуры (рис. 22.2). Это увеличение стоимости различно в зависимости от температурной зоны работы металла. Так, переход от малоуглеродистой стали перлит­ного класса на низколегированные стали того же класса в зоне температуры 450—550 не сопровождается существенным удорожанием пароперегревателя, поскольку небольшое по­вышение стоимости металла вследствие при­садки легирующих добавок сопровождается

некоторым снижением расхода металла, вы­званном повышением его прочности или уменьшением толщины стенки. Однако пер­литная сталь по своей природе может обеспе­чить надежную работу металла при темпера­туре не выше (температура пара). При более высокой температуре ме­талла приходится переходить к существенно более высоколегированной аустенитной стали, удельная стоимость которой и, следовательно, капиталовложения резко возрас­тают. В то же время в пределах применимо­сти выбранной марки стали с ростом темпе­ратуры капиталовложения увеличиваются медленно в соответствии со снижением допу­скаемого при этом напряжения и уве­личением расхода металла. Поэтому в пароперегревателе, особенно его горячем пакете и радиационной части, очень важ­но обеспечить высокий коэффициент теплоот­дачи на паровой стороне и тем самым снизить температуру металла. Учитывая возможности перлитных сталей, новые котлы сооружают на выходную температуру пара при (бапабанные котлы) ипои (прямоточные котлы). Температуру пара после промежуточного пе­регрева обычно принимают на уровне темпе­ратуры свежего пара или несколько выше , так как рабочее давление здесь существенно ниже.

Вид топлива и его качество оказывают су­щественное влияние на конструкцию котла. Отличительная особенность ископаемого твер­дого топлива — наличие в нем золы. Темпе­ратурные характеристики золы и ее состав определяют выбор метода сжигания топлива и удаления золы. Они оказывают влияние на выбор температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Выбор этой тем­пературы должен обеспечить поступление зо­лы в конвективные газоходы в гранулирован­ном состоянии, гарантирующем отсутствие шлакования поверхностей нагрева. Чем выше эта температура, тем меньше по размерам топочные экраны, тем меньше габариты топки. Наоборот, большее охлаждение продуктов сгорания требует развития топочных экранов и соответствующего увеличения размеров топ­ки и поверхностей всего котла, поскольку кон­вективные поверхности будут работать при сниженных температурных напорах.

Во избежание быстрого износа поверхно­стей нагрева приходится ограничивать ско­рость продуктов сгорания в конвективных га­зоходах, а это связано с понижением интен­сивности теплообмена и необходимостью уве­личить поверхность нагрева и затраты метал­ла на их изготовление. Уменьшение скорости, особенно в установках большой мощности с большими расходами топлива и продуктов сгорания, требует существенного увеличения сечения газоходов, вызывающего большие не­равномерности скоростей и температур газо­вых потоков, понижающих надежность котла. Усложняется и его конструкция. Выходом из такого компоновочного затруднения является переход к более сложной и тяжелой Т-образ­ной компоновке (см. рис. 21.1,б).

Газомазутные электростанции не нужда­ются в сложном и дорогостоящем оборудова­нии для подготовки топлива, поверхности на­грева не подвергаются золовому износу, что позволяет повысить скорость продуктов сго­рания, интенсифицировать работу поверхно­стей нагрева. В результате котлы, работаю­щие на мазуте, более компактны. Сжигание мазута и газа повышает надежность и эконо­мичность котельной установки. Отсутствие минеральных примесей в газе и ничтожно ма­лое их содержание в мазуте позволяют вы­брать оптимальную и экономически выгодную' (или близкую к ней) по условиям минималь­ной стоимости котла температуру на выходе из топочной камеры, которая существенно выше температуры, определяемой условиями предотвращения шлакования в пылеугольных котлах. Для газомазутных котлов эта темпе­ратура принимается около . При столь высокой температуре продуктов сгорания на выходе из топки доля лучистого теплообмена в топочной камере невелика, а с учетом воз­можности достижения по условиям горения более высоких тепловых напряжений топочного объема суммарная поверхность топочных экранов и размеры топки, главным образом ее высота, меньше.

Высокая температура продуктов сгорания в конвективных газоходах в совокупности с применением их высоких скоростей без опа­сения золового износа позволяет интенсифи­цировать передачу теплоты и при возросшем теплосъеме, не увеличивая конвективные по­верхности нагрева и затраты металла на их изготовление, уменьшить сечение газоходов и таким образом габариты всего котла.

При сжигании высокосернистого мазута металл поверхностей нагрева в газовом трак­те при соответствующих условиях подверга­ется коррозии. Основным методом борьбы с высокотемпературной коррозией является поддержание температуры стенки поверхно­стей нагрева на уровне, меньшем, Борь­ба с низкотемпературной газовой коррозией ведется повышением температуры воздуха на входе в воздухоподогреватель и применением коррозионно-стойких материалов и покрытий.

Отличительная особенность электроэнерге­тики состоит в том, что это единственная от­расль народного хозяйства, в которой готовая продукция не складируется, а полностью и одновременно расходуется в соответствии с ее выработкой. Эта особенность положена в ос­нову взаимосвязи между режимами работы потребителей электрической энергии и элек­трических систем. Отсюда вытекает одна из важных задач — организация оптимальных режимов работы электрических систем, элек­тростанций и входящего в их состав энергети­ческого оборудования.

Суммарная, развиваемая всеми агрегатами системы в каждый момент мощность называ­ется нагрузкой системы. На рис. 22.3 пред­ставлен возможный суточный график электри­ческой нагрузки энергосистемы, включающий все потребители электроэнергии: промышлен­ные и сельскохозяйственные предприятия, электрифицированный транспорт, осветитель­ные и коммунально-бытовые установки. Пико­вый характер графика нагрузки обусловлен сменностью работы предприятий, резкой не­равномерностью работы транспорта, освети­тельных и других установок.

По степени загрузки и использования элек­трической мощности блока различают базо­вую нагрузку с годовым использованием мак­симальной (установленной) мощности, полупиковую с и пиковую с Крупные

Рис. 22.3. Суточный график нагрузки энергетической си­стемы.

энергетические блоки СКД обычно несут ба­зовую нагрузку, они мало приспособлены для маневренных режимов. Основными особенно­стями эксплуатации маневренных блоков являются малое число часов использования номинальной мощности и повышение скорости пуска оборудования. Для несения маневрен­ных нагрузок создаются полупиковые и пико­вые агрегаты, специально приспособленные для таких режимов. Энергоблоки ДКД лучше приспособлены для работы в маневренных ре­жимах.

Блоки СКД требуют большего времени растопки котла и прогрева паропроводов, большего расхода теплоты на пуск, они более трудны в управлении, у них быстрее изнаши­вается и выходит из строя арматура, особен­но регулирующая при частых пусках, в метал­ле оборудования возникают большие терми­ческие напряжения при частых переменных режимах, тем большие, чем выше давление. Для европейской территории СССР целесооб­разны маневренные энергоблоки ДКД мощ­ностьюДля предотвращения интен­сивной эрозии лопаток последних ступеней турбины, особенно при переменных режимах, в маневренных блоках сохраняется вторичный перегрев пара, хотя он удорожает установку.

По условиям надежной работы перлитных сталей в полупиковых и пиковых режимах температура свежего и вторично-перегретого пара может быть принята Условия предотвращения эрозии последних ступе­ней турбины налагают ограничения на ниж­ний предел ограничения температуры перегре­того пара В итоге предпочтитель­ной оказывается температура парапо соображениям меньшей металлоемкости пароперегревателя и потому меньшей затраты времени и средств на пуск блока.

При выборе начального давления пара ру­ководствуются тем, что давления 13 и 16 МПа обеспечивают примерно равно экономичные показатели работы блоков. Также равноцен­ны маневренные качества блоков на этих дав­лениях. Учитывая положительный опыт экс­плуатации паротурбинных установок на 13 МПа, признано целесообразным маневрен­ные блоки сооружать на такое же начальное давление.

В процессе эксплуатации в барабанах мощных котлов высокого давления энергети­ческих блоков 100—200 МВт наблюдались случаи образования трещин коррозионно усталостного происхождения из-за неравномерно­сти температурных полей пои нестационарных режимах. Для барабанов более мощных бло­ков ввиду увеличения их размеров и толщин стенки опасность образования боль­ших температурных неразномерностей и напряжений возрастает, особенно при перемен­ных режимах, характеризующихся частыми пусками и остановами оборудования. Прямо­точные котлы не имеют таких тяжелых ме­таллоемких элементов, как барабан; они лег­че и быстрее пускаются и останавливаются. Для маневренных блоков целесообразны пря- моточные котлы.

Маневренный паровой котел должен быть компактным, содержать минимальную массу металла и других материалов, характеризую­щих его аккумулирующую способность. Чем она меньше, тем меньше требуется времени для перевода его из одного теплового состоя­ния (режима) в другое. Это условие легче реализуется в газомазутных котлах. В этих котлах и шире диапазон рабочих нагрузок по условиям эффективного и устойчивого сжигания топлива.

Ввиду меньшего числа часов использова­ния пиковых котлов и ради их удешевления за счет снижения расхода металла на низко­температурные поверхности нагрева темпера­тура уходящих газов для них принимается обычно на уровне

По условиям удобства эксплуатации все поверхности нагрева маневренного блока должны быть дренируемыми, и поэтому кон­вективные элементы выполняются с горизон­тальным расположением труб.

В целях охвата большего диапазона на­грузок по условиям надежного охлаждения поверхностей нагрева в прямоточных манев­ренных котлах применяют повышенную мас­совую скорость рабочей среды с тем, чтобы обеспечить надежность и при низких нагруз­ках. Этой же цели служит рециркуляция ра­бочей среды в экранах специальными насо­сами.

Дата добавления: 2014-01-04