20_Konstruktsii_parovykh_kotlov

521

20.КОНСТРУКЦИИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

20.1.Влияние единичной мощности, параметров пара и режима работы на конструкцию парового котла

Главным направлением развития тепловых электрических станций яв-

ляется дальнейший рост единичной мощности энергетических блоков и его основного оборудования – котлов и паровых турбин. Освоены энергетические блоки мощностью 300 МВт с котлами единичной паропроизводительности 950–1000 т/ч. Находятся в постоянной эксплуатации энергоблоки 500 и 800 МВт с паровыми котлами СКД в однокорпусном исполнении паропроизводи- тельностью 1650 и 2650 т/ч. Создан и работает мощный энергетический блок 1200 МВт, оснащенный паровым котлом производительностью 3950 т/ч.

Дальнейшее повышение единичной мощности основного оборудования ТЭС при сохранении освоенной технологии производства и приемов сжига- ния топлива встречает большие технические трудности. Все большую акту- альность приобретает проблема надежности. Это объясняется тем, что с рос- том мощности увеличиваются размеры поверхности нагрева котла, работаю- щие при высоком давлении, увеличивается суммарная протяженность труб и количество сварных соединений, являющихся вероятным очагом аварийных ситуаций, растет число единиц арматуры. При больших размерах газоходов возрастают температурные неравномерности, снижающие запас прочности металла.

Повышение качества производства паровых котлов достигается улуч-

шением технологии изготовления труб и усилением выходного контроля на трубопрокатных заводах, а также увеличением длины выпускаемых на этих заводах труб до 25 м, что соответственно уменьшает число сварных соедине- ний. На котлостроительных заводах введен стопроцентный входной контроль качества труб, совершенствуются методы сварки, являющиеся основным тех- нологическим; процессом изготовления поверхностей нагрева.

Одним из путей получения более компактных поверхностей нагрева яв- ляется интенсификация теплообмена. Интенсифицированные поверхности нагрева в настоящее время уже широко применяются. Это мембранные экра- ны, ограждающие топочную камеру и стены конвективных газоходов и по- зволяющие повысить удельный теплосъем с единицы поверхности. Перспек- тивны плавниковые и мембранные поверхности ширм, конвективных пере- гревателей, экономайзеров. Освоено производство труб с наружным кольце- вым (для экономайзеров) и внутренним продольным оребрением (для проме- жуточных перегревателей), Расход металла и габаритные размеры таких по- верхностей меньше на 30–40 % по сравнению с обычными гладкотрубными.

Коэффициент полезного действия энергоблока и ТЭС в целом сущест- венно зависит от начальных параметров пара. Чем выше температура и дав- ление пара, тем выше его работоспособность и экономичность блока.

522

Давление как параметр рабочей среды оказывает определяющее влия- ние на выбор типа парового котла. В области докритического давления прин- ципиально возможно применение котлов обоих типов – прямоточных и бара- банных с естественной циркуляцией. Однако движущий напор циркуляции с повышением давления уменьшается, в связи с чем для барабанных котлов ус- тановлено предельно-допустимое давление в контуре 17 МПа. Отечественные барабанные котлы с естественной циркуляцией работают при давлении в ба- рабане 15,5 МПа (давление перегретого пара 14 МПа).

При очень большой мощности барабанного котла резко возрастают вес и стоимость барабана, являющегося наиболее металлоемким и дорогим элемен- том. Так, на головном котле блока 660 МВт (Англия) установлен барабан внутренним диаметром 2210 мм при длине около 30 м. Его вес достигает 200 т. Производство такого барабана, монтаж его на котле очень сложны и дороги.

Для СКД единственно возможными являются прямоточные котлы, ко- торые в настоящее время сооружаются единичной мощностью до 4230 т/ч (блок 1300 МВт). Прямоточные котлы сооружаются и для работы при докри- тических давлениях, они не имеют ограничений по давлению.

При выборе параметров перегретого пара учитывают стоимость раз- личных по качеству металлов для пароперегревателя и паропроводов (рис. 20.1). Увеличение стоимости поверхности нагрева существенно зависит от расчетной температуры стенки трубы, определяемой температурой газового потока и интенсивностью отвода теплоты к рабочей среде. Заметное повыше-

ние стоимости металла имеет место при расчетной температуре стенки выше 550 °С и особенно при переходе к использованию аустенитных сталей.

Учитывая возможности перлитных сталей, новые котлы сооружают на выходную температуру пара 560 °С при ДКД (барабанные котлы) и на 545 °С при СКД (прямоточные котлы). Температуру пара после Промежуточного пе- регрева обычно принимают на уровне температуры свежего пара или несколь- ко выше (540–565 °С), так как рабочее давление здесь существенно ниже.

Вид топлива и его качество оказывают существенное влияние на конст- рукцию котла. Так, абразивные свойства золы твердого топлива ограничива- ют скорости газов в поверхностях нагрева и, таким образом, определяют не- обходимые габаритные размеры газоходов и часто профиль котла (переход от П- к Т-образному).

Газомазутные электростанции не нуждаются в сложном и дорогостоя- щем оборудовании для подготовки топлива. Однако сжигание высокосерни-

стых топлив (Sp = 2,5–4%) требует принятия дополнительных конструктив- ных мер для предотвращения коррозии в воздухоподогревателях. К ним отно- сятся установка калориферов, введение рециркуляции горячего воздуха, уста- новка пакетов из стеклянных труб.

Неравномерный график электрических нагрузок требует, чтобы энерго- блоки ТЭС обладали высокой маневренностью. Крупные энергоблоки СКД в силу повышенной напряженности металла мало приспособлены для манев-

523

ренных режимов работы. Они требуют большого времени на пуск для про- грева толстостенных коллекторов и паропроводов, массивной арматуры и корпуса турбины. У них быстрее изнашивается и выходит из строя регули- рующая арматура при частых изменениях режимов работы. Так, нормативная продолжительность пуска и нагружения энергоблока мощностью 300 МВт после его простоя в течение 40 ч составляет более 5 ч. Повышенная длитель- ность растопки вызывает увеличение расхода топлива и, следовательно, сни- жение экономичности блока. В связи с этим целесообразно создание манев- ренных энергоблоков ДКД ( р = 14 МПа) с прямоточными котлами (отсутствие

барабана большой массы) и пиковых газотурбинных установок мощностью

100–150 МВт.

При выборе температуры свежего пара и пара промежуточного пере- грева для маневренного блока исходят из необходимости исключения аусте- нитных сталей и по условиям надежной работы перлитных сталей в перемен- ных режимах ее ограничивают уровнем не более 530–535 °С.

Маневренный паровой котел должен быть компактным, содержать ми- нимальную массу металла и других материалов, характеризующих его акку- мулирующую способность. Это условие легче реализуется в газомазутных котлах. У них шире диапазон рабочих нагрузок по условиям устойчивого и экономического сжигания топлива.

20.2. Котлы малой и средней производительности, пиковые теплофикационные

20.2.1. Котлы малой производительности

Для котлов малых и средних определены следующие ступени паропро-

изводительности: 0,16; 0,25; 0,40; 0.70; 1,00; 1.60; 2,50; 4,00; 6,50; 10; 16; 25;

35; 50; 75 т/ч; ступени давлений: 0,9 (9); 1,4 (14); 2,4 (24); 3,9 (40) МПа

(кгс/см2).

Классификация паровых котлов по производительности условна, а главное, имеет постоянную тенденцию сдвига в сторону повышения произво- дительности. Котлы малой производительности в настоящее время – это па- рогенерирующие агрегаты производительностью от нескольких десятков ки- лограммов пара в час до 20–25 т/ч. Котлы нашли исключительное распро- странение в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства. Паровые котлы отопительных и промышлен- ных установок обычно разбивают на три группы: малой производительности примерно до 5 кг/с; средней – с 6 до 21 и большой – выше 21 кг/с; последние, как правило, устанавливают на ТЭЦ.

Промышленные установки получают пар для своей технологии из двух источников: централизованно от мощных ТЭЦ или от собственных паровых

524

котельных и паросиловых установок, в которых обычно устанавливают котлы средней производительности.

Значительное распространение получили паровые котлы малой произ- водительности. Это вертикальные от 0,4 до 1 т/ч, двухбарабанные от 1 до 10 т/ч, жаротрубные, передвижные прямоточные от 0,4 до 1,6 т/ч.

На рис. 20.1 показан вертикальный паровой котел для насыщенного па-

ра Е-0,4-9ГН.

	А-А
	5
2		Ø1150
1
			Г
Г	8	Ø820	В
Б		6	Б
	7		А
		Ø700
4
3
			120°

Б-Б

750

							5
					1	5	2
					1
					0
				3
			0
		1
		Ø
	20
9
Ø					В		А

Рис 20.1. Вертикальный паровой котел с естественной циркуляцией, на газе с наддувом на

0,11 кг/с (0,4 т/ч), 0,9 МПа

Металлическая водозаполненная часть котла состоит из жаровой трубы 1, двух соединительных кольцевых емкостей 2 и 3 для воды и двухрядного конвективного пучка 4. Газовая горелка 5 расположена на потолке топочной камеры Г, дымовые газы покидают топку через газоход В, после чего горячие газы омывают слева и справа пучок труб вокруг топки и покидают котел че- рез газоход Г достаточно охлажденными. Циркуляция воды в котле сложна, но в основном такая же, как и во всех агрегатах с естественной циркуляцией: по наиболее нагретым поверхностям 6 вода поднимается, а по более холод- ным 7 опускается. Так как котел работает под наддувом, то вентилятор, раз- вивающий напор 130 кг·с/м2, вначале подает холодный воздух для небольшо- го подогрева в особые каналы, расположенные под металлической обшивкой. Сам котел работает под наддувом 500 Па без дымососа. Температура уходя- щих газов 250 °С, КПД брутто агрегата 86%. Работа котла полностью автома- тизирована; агрегат широко используется для технологических и хозяйствен- ных нужд в указанных выше отраслях народного хозяйства. Котел входит в состав передвижной котельно-отопительной установки и обеспечивает техно- логическим паром буровые.

525

На рис. 20.2 представлен двухбарабанный водотрубный котел Е-1-9-1Г с естественной циркуляцией на 1 т/ч насыщенного пара.

	900			А-А
10	1		0			7	11	6
		5
		6
3								5
Б								8
	1250			0
		5
		6
								Б
	500
	2			Б-Б		4
					3102
					2470
10						5
								8
А								А
3
11	Продувка			11	7	4

Рис. 20.2. Двухбарабанный вертикальный водотрубный стационарный паровой котел с ес- тественной циркуляцией ПО «Красный котельщик» типа Е-1-9-1Г: 1 – барабан верхний; 2

– барабан нижний; 3 – котельный пучок труб; 4 – камерная топка; 5 – коллекторы экранов; 6 – экран фронтовой и потолочный; 7 – экран боковой; 8 – газовая горелка; 9 – паровая за- порная задвижка котла; 10 – дымовая труба; 11 – сварка труб в мембраны

526

Котел имеет два барабана небольшого диаметра, котельный пучок

труб с двумя газовыми перегородками и топочные экраны, включенные в

циркуляционный контур с помощью четырех боковых и одного фронтового

коллекторов, вваренных в барабаны. Топочная камера работает под надду-

вом,

поэтому

для

газоплотности

зазоры

между

экранными

трубами

dнар = 38 мм, а также трубами экранов и последнего ряда конвективного

пучка закрыты стальными мембранами, приваренными к трубам. Темпера-

тура уходящих газов 260–280 °С, питательной воды – 50 °С, КПД брутто на

природном газе 86%.

На рис 20.3 по-

казан передвижной ав-

томатизированный

прямоточный

котел

ППК-1600, изготавли-

ваемый

Монастыри-

щенским

машино-

строительным

заво-

дом, такие котлы про-

изводит

запорожское-

производственное

объединение

«Мото-

ростроитель».

Котел

работает на дизельном

топливе

и

предназна-

чен

для

выработки

0,39 кг/с насыщенного

пара

давлением

0,9

МПа,

используемого

Рис. 20.3. Передвижной прямоточный котел ППК-1600: 1 –

для

технологических

радиационные экранные трубы; 2 – три ряда труб конвектив-

нужд

промышленных

ного пучка; 3 – цилиндрическая топка; 4 – воздушный коль-

предприятий.

Трубная

цевой клапан; 5 – поток подогреваемого воздуха; 6 – горел-

система

образована

ка; 7 – центробежный паросепаратор

радиационными

1

и

конвективными 2 змеевиками, расположенными концентрическими кругами.

Радиационная часть навита с шагом, равным диаметру трубок, и образует ци-

линдрическую топку 3. Конвективная часть состоит из трех змеевиков. В

конвективном теплообмене участвует также тыльная сторона труб, экрани-

рующих топочную камеру. Каркасом котла служат два стальных кожуха, об-

разующих воздушный кольцевой канал 4, в нижнюю часть которого вентиля-

тором подается воздух 5 для горения. Воздух охлаждает внутренний кожух и

подогретым поступает в горелку 6, что позволило отказаться от обмуровки.

На выходе пара из котла установлен вертикальный центробежный сепа-

ратор 7, обеспечивающий необходимую сухость пара.

527

К группе котлов малой производительности относятся унифицирован- ные паровые котлы типа ДКВ – двухбарабанные котлы вертикально- водотрубные, выпускаемые Бийским котельным заводом (БиКЗ) и запроекти- рованные заводом совместно с НПО ЦКТИ. После реконструкции котлов к трем буквам обозначения начали прибавлять четвертую – р. Котлы ДКВр вы- пускались БиКЗ серийно в большом количест ве на производительностях 2,5; 4; 6,5; 10 и 20 т/ч насыщенного или слабо перегретого пара на давления 1,4; 2,4 и 4,0 МПа.

Ниже дано краткое описание устройства этих агрегатов.

На рис. 20.4 показан в трех проекциях один из котлов ДКВр производи- тельностью 6,5 т/ч с топкой ПМЗ-РПК-2 (пневмо-механическим забрасывате- лем и решеткой с поворотными колосниками).

528

3035

90	0
	0
	0
	1

90

0 0 0 1

Рис. 20.4. Паровой котел ДКВр-6,5-13-23 с топкой ПМЗ-РПК-2 (2600/2440)

Котел имеет экранированную топочную камеру 1 и развитый кипятиль- ный пучок 2 из гнутых труб Ø 51×2,5 мм, экранные трубы того же размера. Топочная камера разделена кирпичной стеной 3 на собственно топку 1 и ка- меру догорания 4. Вход газов в камеру догорания и выход их из котла – асимметричны. Шамотная перегородка 5 и чугунная перегородка 6 образуют

впучке два горизонтальных газохода с поперечным омыванием труб 9 – ко- тельного пучка.

Барабаны изготовлены из стали 16ГС с внутренним диаметром 1000 мм и толщиной стенки 13 и 20 мм соответственно на 1,4 и 2,4 МПа. При установ- ке перегревателя часть кипятильных труб на месте 7 не устанавливают. Для давления 1,4 МПа и перегрева 225–250 °С перегреватель выполняют из одной вертикальной петли, а для 2,4 МПа – нескольких петель из трубок Ø 32×3 мм. Питательная вода поступает в барабан по двум линиям 8; опускными труба- ми, питающими нижний барабан, являются слабообогреваемые задние ряды котельного пучка.

Передняя от фронта часть пучка, интенсивно обогреваемая, является подъемной. Топка имеет только боковые экраны, питающиеся от барабанов опускными трубами 10. Пароводяная смесь из экранов и пучков направляется

вверхний барабан, и в нем проходит сепаратор влаги 11. Котлы до 6,5 т/ч не имеют особого несущего каркаса; масса верхнего барабана передается в них на опорную раму 12 через трубный пучок, коллекторы и нижний барабан.

Котлы до 6,5 т/ч поставлялись в виде одного транспортабельного блока же-

529

лезнодорожных габаритов с облегченной обмуровкой и обшивкой или россы- пью.

Котел снабжается комплектом паровых обдувочных аппаратов 13 и устройством 14 для возврата из газоходов на горящий слой недогоревшего угля; одновременно сопла возврата являются и «острым дутьем». Верхний барабан имеет две питательные перфорированные (с боковыми отверстиями) трубы 15, два водоуказательных стекла, две контрольные легкоплавкие проб- ки, сигнализирующие об упуске воды, паросепарационное устройство из жа- люзи и дырчатого листа, предохранительные клапаны 16 и манометр. Внутри нижнего барабана проложена перфорированная труба 17 для периодической продувки котла.

Котлы на 10 и 20 т/ч оборудуются двухступенчатым испарением. Про- изводительность котлов ДКВр, работающих на газе и мазуте, может быть по- вышена по сравнению с твердым топливом на 30 – 50 % сверхноминальной. За котлами до 10 т/ч устанавливают чугунные экономайзеры, снабжаемые об- дувочными аппаратами.

БиКЗ совместно с ЦКТИ провел модернизацию котлов типа ДКВР и на- чал выпуск котлов под наименованием (заводская модель) КЕ и ДЕ. где КЕ – котел естественной циркуляции; ДЕ означает Д-образный вид (в поперечной разрезе) с естественной циркуляцией. Эти котлы типа ДКВр единичной мощ- ностью до 25 т/ч; все котлы модели ДЕ – газомазутные.

Конструкции котлов типа КП (рис. 20.5) мало чем отличаются от конст- рукции котлов типа ДКВр. Поэтому покажем конструкцию только наиболее мощного агрегата этого типа, производящего 25 т/ч с КПД=87 %, насыщенно- го и перегретого (250 °С, 1,4 МПа) пара. Радиационная поверхность нагрева 91,5 м2, конвективная – 418 м2. Котел оснащен слоевой топкой, как и все кот- лы типа КЕ. Верхний барабан укорочен до половины глубины топки; система испарения одноступенчатая, топочная камера экранирована полностью, за ис- ключением нижней части фронтовой стены. Для повышении надежности циркуляции фронтового экрана последний снабжен тремя рециркуляционны- ми трубами 1. Котельная установка оборудована системой возврата уноса и острого дутья 2, воздух на возврат подается высоконапорным вентилятором 3; унос на дожигание отбирается из четырех зольников 4. Хвостовые поверх- ности расположены вне котла и состоят из одноходового трубчатого воздухо- подогревателя – 228 м2, обеспечивающего подогрев воздуха до 145 °С, и ус- тановленного за ним чугунного экономайзера – 646 м2. Для сжигания камен- ных и бурых углей используется механическая топка ТЧЗ-2,7/5,6, состоящая из чешуйчатой цепной решетки обратного хода шириной 2,7 м и двух пнев- момеханических забрасывателей. Котел предназначен для производства на- сыщенного или перегретого пара для нужд промышленности, отопления, вен- тиляции и горячего водоснабжении.

530

Б

А-А

В

В-В

1

5600	2	4	3	4

В

Вид Б

А	5951

Рис. 20.5. Паровой котел Е-25-14Р (КЕ-25-14Р)

20.2.2. Котлы средней производительности

А

Котлами средней производительности будем называть парогенерирую- щие агрегаты производительностью от 25 и до 160 т/ч, на средние давления, с перегревом пара, экономайзером и воздухоподогревателем. Эти котлы уста- навливают обычно на промышленных ТЭЦ.