21_Expluatatsia_parovykh_kotlov-ispravlennoe

561

21.ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

ИЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

21.1.Эксплуатационные режимы работы паровых котлов

Основной задачей эксплуатации котлов является обеспечение их дли-

тельной надежной работы с максимальной экономичностью при соблюдении диспетчерского графика нагрузки.

График нагрузки электростанции обычно имеет ту или иную неравно- мерность. Различают суточный, недельный и сезонный графики нагрузки. Как правило, в утренние и вечерние часы суток наблюдаются пики нагрузки, а в ночное время происходит заметный ее спад. Существенный спад нагрузки отмечается также в нерабочие дни, особенно в их ночное время. В сезонном аспекте наибольший уровень нагрузки, как правило, отмечается в период так называемого осенне-зимнего максимума.

Таким образом, любой паровой котел может находиться в эксплуатации с разными тепловыми нагрузками в различные периоды времени. Если опре- делить суммарную его паропроизводительностъ за все время работы в тече- ние года и отнести к его номинальной паропроизводительности Dном , то по-

лучим условное время работы котла в течение года в номинальном режиме:

	τуст	=	åDi	τi	,	(21.1)
			Dном

где Di , τi – паропроизводительность, т/ч и время работы котла, ч, с этой про- изводительностью в течение года. Величину τуст называют временем работы

котла с установленной мощностью.

Различают базовый, полупиковый и пиковый режимы работы оборудо- вания. Базовым считают режим эксплуатации преимущественно с постоянной нагрузкой, близкой к номинальной Dраб = (0,8 −1,0)Dном без останова обору-

дования в нерабочие дни при времени τуст = 6500 − 7500 ч в течение года (при

календарном времени τгод	= 8760 ч). В таком режиме работают блоки АЭС и
блоки ТЭС большой мощности ( Nбл = 500 − 600 МВт). Полупиковый режим
характеризуется более	широким диапазоном рабочих	нагрузок
Dраб = (0,5 −1,0)Dном с остановом части оборудования в резерв в		ночное вре-

мя и на все нерабочие дни. В этом случае τуст = 3500 − 5000 ч. В этом режиме работают в основном блоки ТЭС с Nбл ≤ 300 МВт. При пиковом режиме обо-

рудование эксплуатируется только во время максимальных электрических и

562

тепловых нагрузок, при этом τуст =1500 − 2000 ч. В этом режиме работают

ГТУ и ПГУ, а также энергоблоки малых мощностей старых выпусков.

Частые остановы паровых котлов и последующие пуски в работу ведут к снижению надежности отдельных его элементов за счет кратковременных превышений допустимых напряжений в условиях резкопеременного темпера- турного режима и давлений.

В качестве интегрального показателя надежности работы котла в тече-

нии года используют коэффициент готовности

	Кг =	(τраб + τрез )	,	(21.2)
		τгод

где τраб – время работы котла с нагрузкой, ч; τрез – время нахождения в резер-

ве, ч.

Значение времени τраб + τрез можно выразить другим способом

τраб + τрез = τгод − τпл.р − τотк .

(21.3)

Здесь τпл.р – время проведения планового ремонта (капитального, средней или

текущего), τпл.р = 250 − 450 ч и до 720 ч в капитальном ремонте; τотк – время

вынужденных остановов для ликвидации причин отказа работы оборудования котла, в том числе аварийные остановы, ч. Время τотк являете основным пока-

зателем надежности работы котла, ограничивающим значение коэффициента готовности Кг . Статистика фиксирует, что наибольшее время отказов имеет

место в первые 2–4 года после пуска новой серии котла, особенно на твердом топливе (до 14%τгод ), затем τотк заметно снижается (до 3%τгод и менее). Ко- эффициент готовности блоков ТЭС 200-800 MB составляет Кг = 0,8 − 0,88 .

Кроме показателей надежности и времени использования установлен- ной мощности, основной эксплуатационной характеристикой котла является его КПД (см. раздел 5.2).

Режим работы котла на любой из нагрузок с незначительными отклоне- ниями параметров пара в течение длительного времени называют стационар- ным. Режимы, характеризующиеся изменениями нагрузки, а также отклоне- ниями параметров пара в результате внутренних или внешних возмущений, называют нестационарными. Внешними называют возмущения режима вследствие изменения одного или нескольких выходных параметров рабо- тающего блока (таких как электрическая нагрузка турбогенератора, давление пара в паропроводе, температура питательной воды). Внутренними являются изменения рабочего режима котла, направленные на ликвидацию внешних

		563
отклонении (изменения расхода воды в котел, расхода топлива и воздуха в
горелки).
р , МПа				р0
16
14				рпп , ±0,1 МПа
12
tпп , °С
560				tпп , ± 5 °С
540
520
ϑух, °С				ϑух , ± 5 °С
160
140
120
O2 , %
6
4				O2 , ±0,25 %
2
30	50	70	90	D/Dном , %
Рис. 21.1. Режимная карта барабанного парового котла

Эксплуатация котла ведется на основе режимной карты (см. рис. 21.1), которая составляется по результатам эксплуатационных (балансовых) испы- таний, целью которых является установление оптимальных условий работы топки, определение оптимального избытка воздуха и тонкости размола пыли при разных нагрузках, максимально допустимой и минимальной устойчивой нагрузки котла, тепловых потерь при работе котла. Режимная карта является обязательным руководством для дежурного персонала при эксплуатации кот- ла на различных режимах. Кроме основных характеристик, показанных на рис. 21.1, в режимной карте указываются нагрузка электродвигателей дутье- вых вентиляторов и дымососов, воздушное сопротивление воздухоподогрева- теля, характеризующее расход воздуха на горелки, температура горячего воз- духа, газов в поворотной камере котла и ряд других показателей.

С развитием мощности паровых котлов, усложнением схем число кон- тролируемых факторов растет, поддержание оптимального режима становит- ся все более сложной задачей, поэтому управление режимом работы переда- ется на электронные управляющие системы.

Работа котла при переменных нагрузках требует знания рабочего диа- пазона нагрузок, в котором каждый котел может работать надежно и дли- тельно с заданной экономичностью.

Расчетная номинальная нагрузка Dном является максимальной, которую

может длительно нести паровой котел с заданным КПД. Превышение ведет к снижению КПД, росту напряжения металла, более опасному для барабана и

564

коллекторов перегревателя, и при определенных условиях может вызвать аварийный останов котла. На основании опыта эксплуатации и анализа на- дежности работы оборудования на пониженных нагрузках ведут научно- исследовательские и наладочные организации страны, которые разработали «Нормы минимальных допустимых нагрузок блоков 160–800 МВт». Посколь- ку ограничения рабочей нагрузки турбины практически не существует, то минимальные нагрузки блоков определяются паровым котлом.

Каждый вид котла имеет допустимую минимальную нагрузку Dмин ни-

же которой работать нельзя. Нижний предел допустимой устойчивой нагруз- ки определяется:

а) устойчивостью процесса горения топлива; б) надежностью работы экранных поверхностей топочной камеры.

По устойчивости горения топлива природный газ и мазут практически не имеют ограничений. Реакционные топлива с большим выходом летучих веществ при твердом шлакоудалении обеспечивают устойчивое горение фа- кела до нагрузки 40 − 50%Dном , остальные топлива (антрациты, тощие угли) –

до 50 − 60%Dном . При жидком шлакоудалении ограничение связано с поддер-

жанием жидкотекучего состояния шлака. В этом случае минимальная нагруз- ка определяется температурой плавления шлаков и конструкцией камеры го- рения и составляет обычно 60 − 75%Dном , часто с «подсветкой», то есть сжи-

ганием в отдельных горелках небольшого количества (8–10% по тепловыде- лению) мазута или природного газа для гарантии против застывания шлаков.

Надежность работы экранных поверхностей при наличии естественной циркуляции зависит от появления застоя и опрокидывания циркуляции в от-

дельных неудачных по конструкции или условиям обогрева контура труб и по испытаниям ограничивается нагрузкой 30 − 40%Dном . В прямоточных паро-

вых котлах минимальная нагрузка определяется уровнем массовой скорости ωρ = 500 − 600 кг/(м2с), обеспечивающей допустимую температуру металла

поверхности в зоне ядра факела, что отвечает Dмин 30%Dном . Применением рециркуляции рабочей среды в экранах топочной камеры можно снизить Dмин

до 10 −15%Dном .

В период прохождения максимума нагрузки энергосистемы допускается режим перегрузки энергоблоков примерно на 5% номинальной мощности. Возможность перегрузки заложена в конструкции котла и турбины, однако экономические показатели в условиях перегрузки снижаются. Ограничения

перегрузки парового котла связаны с ростом давления пара в барабане котла и пароперегревателя, ростом температуры металла поверхности нагрева, а при сжигании твердого топлива – дополнительно со шлакованием поверхно- стей топки конвективных пакетов труб в горизонтальном газоходе котла.

Работа парового котла на пониженных нагрузках может происходить при постоянном или переменном (скользящем) давлении перегретого пара

565

перед турбиной (рис. 21.2, а) при сохранении номинальной температуры пара.

В первом случае снижение нагрузки обеспечивается изменением расхода пара в турбину за счет включения дроссельного или соплового регулирования, т. е. дросселированием пара перед турбиной, что связано с заметным снижением экономичности. Выгоднее держать полностью открытыми все регулирующие органы по тракту пара от котла, включая регулирующие клапаны турбины, а уменьшение нагрузки обеспечивать снижением начального давления и расхо- да пара, воздействуя только на расход топлива в горелки котла.

р

ртн

ртн

Nбл

а)

ηбл ηблн

Nбл

б)

Рис. 21.2. Изменение параметров пара и экономичности блока при работе на скользящем давлении: а – изменение давлении перед турбиной; б – изменение КПД энергоблока; ин- декс «н» – при номинальной нагрузке: 1 – при скользящем давлении пара; 2 – с постоян-

ным давлением пара

С учетом отсутствия потерь на перераспределение пара в регулирую- щей ступени, увеличения скорости пара в ступенях за счет роста объема пара КПД проточной части цилиндра высокого давления турбины в режиме сколь-

зящего давления при пониженных нагрузках становится выше и снижение экономичности блока в целом тормозится (рис. 21.2, б). Применение сколь- зящего давления рекомендуется при нагрузках ниже 0,75 − 0,8Nном .

Сравнение режимов работы со скользящим и постоянным давлением на блоках 300 МВт показали, что при мощности блока 150 МВт выигрыш в удельном расходе топлива на блок при скользящем давлении составляет 11– 13г/(кВт×ч) (3,1–3,7%). Кроме того, при таком режиме работы снижаются также затраты энергии на питательные насосы, повышается надежность рабо- ты поверхностей котла за счет уменьшения механических напряжений метал- ла. Однако перевод котла на режим скользящего давления требует обязатель- ной проверки его на устойчивость гидродинамических характеристик парово- дяного тракта котла и исключение перегрева металла. Это особенно важно для котлов, работающих при сверхкритических давлениях для которых рабо- та панелей топочных экранов на докритическом давлении не всегда допусти- ма (появление двухфазной среды, пульсации расхода трубам).

566

21.2.Статические характеристики парового котла

внерасчетных режимах работы

При работе парового котла в режимах, отличных от расчетного за счет различий тепловых характеристик его элементов, происходит перераспре- деление тепловосприятий между радиационными и конвективными поверх- ностями нагрева. Это может привести к изменению параметров перегретого пара, температуры горячего воздуха, поступающего в топку, нагрева воды в экономайзере. В данном параграфе мы подвергнем анализу изменения пока- зателей работы котла при переходе от одного выдержанного во времени ста- бильного режима работы к другому. Характеристики, соответствующие лю- бому стабильному режиму работы парового котла, называются статическими.

Зависимость от нагрузки. Тепловой режим топочной камеры при пере- ходе на другую нагрузку изменяется не так заметно, как нагрузка. Он опреде- ляется законами радиационного (лучистого) теплообмена, в котором опреде- ляющими являются адиабатная (максимальная) температура газов в ядре фа- кела ϑа и температура газов на выходе из топки ϑ′′т .

Адиабатная температура горения характеризует максимальную теоре- тическую температуру газов, когда все тепловыделение в топке Qт расходу-

ется на нагрев газов. Она практически не зависит от нагрузки, поскольку оп-

ределяется по условиям расчета на 1 кг (м3 ) топлива и несколько уменьшает- ся при снижении нагрузки лишь из-за незначительного изменения Qг.в кото-

рое в целом составляет около 10%Qнр .

Температура на выходе из топки ϑ′′т определяется уменьшением массо-

вого потока газов в сечении топки с уменьшением нагрузки при сохранении размера тепловоспринимающих поверхностей, в результате чего происходит заметное снижение ϑ′′т .

Так, при изменении нагрузки на N =10% температура газов на выходе из топки изменяется примерно на Δϑ′′т = 2,5% от уровня обычной температу-

ры ϑ′′т =1150 −1200 °C. В итоге средняя эффективная температура газов в то- почной камере, зависящая в большей мере от ϑа , изменяется незначительно.

Средний воспринятый тепловой поток поверхностью топочного экрана изме- няется с нагрузкой следующим образом:

qлх = qлн N

0,6 ,

(21.4)

где индексы «н» и «х» относятся соответственно к номинальной и любой по- ниженной нагрузке; N = Nх / Nн – относительная нагрузка.

567

Расход рабочей среды в топочных экранах прямоточного котла изменя- ется пропорционально нагрузке: Dх = Dн N , поэтому теплоприращение рабо-

чей среды в экранах топки

h =	q F э
	л ст ,
л	D

изменится при пониженной нагрузке в зависимости

hх					0,6			1
	=	N					=				.
л
hн			N					N 0,4
л

Если принять снижение нагрузки, например, до 0,5Nн , то значение

h	х	=		hн		=1,32	h	н	.
					л
л			N 0,4				л

(21.5)

(21.6)

Таким образом, в радиационной поверхности при принудительном движении

рабочей среды имеет место повышение ее тепловосприятия по мере снижения нагрузки (рис. 21.3, а).

Другой характер имеет эта зависимость в конвективных поверхностях нагрева. Основное уравнение конвективного теплообмена имеет вид:

Qк = k tFк ,	(21.7)
где k – коэффициент теплопередачи в поверхности нагрева Fк ;	t – темпера-

турный напор между греющей газовой средой и рабочей средой в трубах по- верхности.

При снижении нагрузки происходит одновременное уменьшение тем- пературного напора в результате падения температуры газов на входе в по- верхность и уменьшения коэффициента теплоотдачи за счет снижения скоро- сти газов в газоходах. В связи с этим тепловосприятие конвективной поверх- ности Qк , заметно снижается, причем в большей мере, чем изменяется расход

среды с нагрузкой.

В результате этого приращение энтальпия рабочей среды в конвектив- ной поверхности hк = Qк / Dк уменьшается с понижением нагрузки (рис. 21.3,

б) и температура пара (воды, воздуха) на выходе из соответствующих по- верхностей нагрева снижается.

568

hл		hл		hр-к
h	h	h	н л
			h
х л	н л	х л
	N		N	N

а) б) в)

Рис. 21.3. Зависимость удельного тепловосприятия рабочей среды h в поверхностях на- грева от тепловой нагрузки котла: а – радиационные поверхности; б – конвективные по- верхности; в – полурадиационные поверхности; 1 – равенство радиационной и конвектив- ной составляющих теплообмена; 2 – превалирует конвективный теплообмен; 3 – превали-

рует радиационный теплообмен; N – относительная нагрузка

В полурадиационных поверхностях нагрева на выходе из топки (шир- мовые поверхности перегревателя, разведенные ряды труб с увеличенным шагом между трубами) радиационный и конвективный теплообмен соизме-

римы, тогда полное теплоприращение hх	=	hх +	hх	и с учетом разной за-
р-к		л	к

висимости этих характеристик при снижении нагрузки тепловосприятия ра- бочей среды hр-к останется постоянным или мало изменится в зависимости

от превалирования одного вида теплообмена над другим (рис. 21.3, в)

На основе различия тепловых характеристик поверхностей парового котла при изменении нагрузки можно проследить, как будет изменяться тем-

пература газового потока вдоль всего тракта котла при снижении нагрузку от номинальной (рис. 21.4). Наибольшее снижение температуры газов имеет ме- сто на выходе из топки – ϑ′′т . В связи с тем, что каждая из конвективных по-

верхностей в дальнейшем воспринимает меньше теплоты, чем при номиналь- ной нагрузке, крутизна температурной характеристики уменьшается и темпе-

ратура газов на выходе каждой из них постепенно приближается к уровню номинальной нагрузки (рис. 21.4, кривая 2), но не достигает ее. Происходит процесс постепенного выравнивания температур. В конечном итоге снижение температуры уходящих газов составит примерно 1/10 от изменения ее на вы- ходе из топки, т.е. Δϑух 0,1Δϑ′′т . При этом увеличивается доля радиационно-

го тепловосприятия в котле и снижается доля тепловосприятия конвективных поверхностей котла.

Зависимость от избытка воздуха и рециркуяции газов в топку. Увели-

чение избытка воздуха, подаваемого через горелки, имеет такое же воздейст- вие на тепловой режим парового котла, как и рециркуляция газов в зону горе- ния через горелки. При этом увеличивается объем газов в зоне горения при сохранении практически одинакового тепловыделения. В результате заметно снижается адиабатная (теоретическая) температура горения ϑа (рис. 21.4,

569

кривая 3), расчетная эффективная температура факела в топке, что приводит к

снижению интенсивности лучистого теплообмена в топке и тепловосприятия экранов.

ϑн	ϑг
п
ϑх
п
ϑпрц	1
	3
	2	ϑ"т Δϑ"т	Δϑ"пе
					ϑрцух
					ϑнух
					ϑхух
					lгаз
	Т.Э	О.Пе	П.Пе	ЭК	ВП
		rрец

Рис. 21.4. Изменение температуры газов вдоль газового тракта котла: 1 – при номинальной нагрузке без рециркуляции газов; 2 – то же при сниженной нагрузке; 3 – при номинальной

нагрузке и рециркуляции газов в топку

Последнее ведет к приближению температуры газов на выходе из топки к исходному значению при номинальном режиме. Поверхности нагрева гори- зонтального газохода мало изменяют свое тепловосприятие, так как лучистый теплообмен ослаблен, а конвективный за счет увеличения скоростей газов не- сколько растет. В итоге температура газов в поворотной камере оказывается

выше исходной при номинальной нагрузке на Δϑ′′ . Это создает условия для

пе

заметного повышения тепловосприятия поверхностей, находящихся в верх- ней части конвективной шахты, поскольку здесь увеличивается как темпера- турный напор, так и коэффициент теплоотдачи. Обычно здесь помещают промежуточный перегреватель, а рециркуляция газов используется для регу- лирования температуры вторично перегреваемого пара.

В дальнейшем каждая из последующих поверхностей по тракту газа также получает больше теплоты, а температура газов постепенно приближа- ется к исходной, оставаясь все же несколько большей. При этом потеря теп-

лоты с уходящими газами возрастает в случае рециркуляции газов только за

570

счет некоторого повышения температуры ϑрцух , а при повышенном избытке

воздуха в потоке газов потеря увеличивается более существенно ввиду роста как температуры, так и объема уходящих газов.

Таким образом, увеличение избытка воздуха, введение рециркуляции газов в топку, так же как возрастание влажности сжигаемого топлива, процесс шлакования топочных экранов приводят к перераспределению тепловосприя- тия поверхностей нагрева парового котла. Во всех указанных случаях снижа-

ется доля радиационной передачи теплоты в топке и возрастает конвективное тепловосприятие. При этом температура уходящих газов, а также температу-

ры горячего воздуха и воды после конвективного экономайзера несколько возрастут.

Влияние изменения температуры питательной воды. При работе блоч-

ной энергоустановки изменение (снижение) нагрузки приводит к перераспре- делению давлений в отборах турбины и соответствующему изменению (сни- жению) энтальпии и температуры питательной воды. Однако этот процесс в сочетании с характером изменения КПД парового котла (повышением его) не ведет к существенным отклонениям от нормального расчетного режима. Дру- гое дело, когда происходит отключение подогревателей высокого давления (ПВД) и температура питательной воды резко снижается. Так, при работе

блока СКД отключение этих подогревателей ведет к понижению температуры на входе в экономайзер с 260–270 °С до ~ 160 °С. При сохранении той же тем- пературы газов перед экономайзером возрастает температурный напор в по- верхности и тепловосприятие экономайзера заметно повышается, а темпера- тура газов за ним снижается (рис. 21.5).

ϑ
tвг
tп.в	ϑ'
	эк
	ϑ"
	эк
"	н	ϑнух
tэк	tг.в
	tпн.в	ϑхух
	tгх.в
	tпх.в	tвп'
		lгаз

Рис. 21.5. Изменение температур газов, воздуха, воды в поверхностях экономайзера и воз- духоподогревателя при снижении температуры питательной воды: н – номинальный ре- жим; х – режим с пониженной температурой питательной воды