75 группа 2 вариант / ГТ и ПГУ / Книги / Общая энергетика. Часть 1

Контрольные вопросы

1.Назовите виды энергетического топлива. Какое из них обладает наибольшей калорийностью?

2.Что такое условное топливо?

3.Как классифицируется органическое топливо по агрегатному состоянию?

4.Приведите уравнение для определения трех основных элементарных масс топлива.

5. Для топлива с Сг = 83%; Нг = 6 %; Sг 1%; Nг = 2%;

ОГ = 8 %; WР= 10 %; АР = 15 % определите элементарный состав рабочей и сухой масс топлива.

6.Для топлива Ср = 60 %; Wр = 20 %; Ас = 10 % определите содержание углерода в горючей массе топлива.

7.Назовите элементы твердого топлива, входящие в состав внешнего балласта.

8.Перечислите элементы твердого топлива, входящие в состав внутреннего балласта топлива.

9.По каким признакам классифицируется твердое топливо?

10.Какие горючие элементы содержит твердое топливо?

11.Дайте определение понятию «горение органического топ-

лива».

12.Определите разницу между низшей ( QРН ) и высшей ( QРв )

теплотой сгорания для топлива с Нр = 5% и Wр = 20%.

13.Приведите уравнение для определения теоретического объема продуктов сгорания?

14.Приведите уравнение для определения теоретического объема трехатомных газов.

15.Приведите углекислотную формулу для определения коэффициента избытка воздуха.

16.Определите, как изменится теоретический объем воздуха, необходимый для сжигании угля, если Нр в угле уменьшится с 5 % до 2 % при неизменном содержании остальных горючих компонентов в топливе.

17.Приведите уравнение для определения энтальпии продуктов сгорания.

18.Дайте определение приведенных характеристик топлива.

71

Раздел 4. КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

4.1. Принципы получения пара и типы паровых котлов

В основу работы парового котла положен принцип непрерывного отвода теплоты, выделившейся при сгорании топлива в топке, к теплоносителю. Передача теплоты от продуктов сгорания топлива к теплоносителю происходит в системе теплообменников трубчатой конструкции, называемых поверхностями нагрева. Для непрерывного отвода теплоты необходимо организовать постоянное движение теплоносителя. Как правило, теплоноситель движется внутри труб, а продукты сгорания омывают трубки теплообменников снаружи. В зависимости от способа организации движения теплоносителя паровые котлы подразделяют на прямоточные, с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией (рис. 4.1).

Движение теплоносителя в экономайзере и пароперегревателе в паровых котлах с естественной и принудительной циркуляцией организуют одинаково: через экономайзер вода прокачивается питательным насосом, а движение пара через пароперегреватель осуществляется за счет разности давлений пара в барабане котле и у потребителя.

Особенностью паровых котлов с естественной циркуляцией является то, что поступившая вода превращается в пар лишь после многократного прохождения через циркуляционный контур. Как правило, в современных котлах за один цикл вода в контуре испаряется на 3...20 %. Таким образом, количество движущейся в контуре воды в несколько раз больше образующегося пара (рис. 4.1, а). Отношение расхода циркулирующей в контуре воды Gв к количеству образовавшегося пара Gп называется кратностью циркуляции kц. В паровых котлах с естественной циркуляцией величина kц = Gв/Gп составляет 5...30.

Движущий напор котлов с естественной циркуляцией обычно не превышает 0,1 МПа, и этого достаточно, чтобы возникло и существовало движение в циркуляционном контуре, парообразующие трубы которого расположены вертикально.

Существуют конструкции паровых котлов, в которых парогенерирующие трубы располагаются горизонтально или слабонаклонно (например, судовые паровые котлы). При таком расположении гидравлическое сопротивление контура возрастает настолько, что движущегося напора естественной циркуляции недостаточно для организации движения воды и пароводяной

72

смеси. В этом случае движение теплоносителя осуществляется циркуляционным насосом, включенным в контур циркуляции. Такие котлы называются котлами с принудительной циркуляцией (рис. 4.1, б). Кратность циркуляции в них kц = 3...10.

Рис. 4.1. Схемы пароводяных трактов котлов:

а – схема с естественной циркуляцией; б – схема с многократной принудительной циркуляцией; в – прямоточная схема

Характерной особенностью котлов с естественной и принудительной циркуляцией является наличие барабана, в котором происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Поэтому эти котлы имеют общее название – барабанные.

При давлении, равном критическому и выше его, разделение пароводяной смеси на пар и воду невозможно, поэтому барабанные котлы могут работать при давлении меньше критического. Обычно давление, при котором работают эти котлы, не превышает 14 МПа, а их паропроизводительность, как правило, не более 670 т/ч.

Пар сверхкритических параметров получают в прямоточных котлах (рис. 4.1, в). Особенностью таких котлов является отсутствие замкнутого контура циркуляции в парообразующей зоне, а также барабана как элемента этого контура. Весь пароводяной тракт прямоточного котла представляет собой разомкнутую гидравлическую систему, состоящую из последовательно соединенных экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон. Рабочее тело проходит через все поверхности нагрева однократно (kц = 1). Обычно прямоточные котлы имеют на выходе давление пара 25 МПа и паропроизводительность от 1000 до 3950 т/ч. Следует отметить, что прямоточные котлы

73

сверхкритических параметров применяются только на мощных ТЭС и работают совместно

		по блочной схеме с турби-
		нами мощностью 300, 500,
		800, и 1200 МВт.
		Барабанные					паровые
		котлы с естественной цир-
		куляцией			применяются				на
		всех	остальных				электро-
		станциях			и	в	котельных
		нашей страны и являются
		самым		распространенным
		типом паровых котлов.
		Схема				пароводяного
		тракта		барабанного				паро-
		вого	котла приведена						на
		рис. 4.2, а термодинамиче-
		ские процессы, происхо-
	Рис. 4.2. Схема пароводяного тракта	дящие в котле, проиллю-
		стрированы в T, s - диа-
	барабанного парового котла с есте-
		грамме (рис. 4.3.) Процесс
	ственной циркуляцией
		получения перегретого па-
		ра состоит из трех этапов:
		1) подогрева				питательной
		воды до температуры ки-
		пения, 2) генерации насы-
		щенного			пара		из	воды;
		3) перегрева сухого насы-
		щенного пара до необхо-
		димой		температуры.					Эти
		процессы на Т, s-диаграм-
		ме (рис 4.3) изображаются
		тремя изобарами: А – Б,
		Б – В, В – Г.
		В	котлоагрегате					подо-
		грев воды до температуры
	Рис. 4.3. Изображение термодинами-	кипения происходит в эко-
	ческих процессов в паровом котле в	номайзере 2				(рис.		4.2), а
	T, s - диаграмме	термодинамический						про-

цесс нагрева воды показан линией А – Б на рис. 4.3, площадь под кривой А-Б равна количеству тепловой энергии, затраченной

74

на процесс подогрева воды, Qэко. Аналогично на рис. 4.2 и 4.3 показано, что процесс кипения воды и образования пара происходит в испарительной поверхности нагрева – в парообразующих трубах 5 (линия Б – В) – и площадь под этой линией равна количеству теплоты Qисп, израсходованной на генерацию пара, а перегрев пара осуществляется в пароперегревателе 6 (кривая В – Г) и площадь под ней равна количеству теплоты Qпп, необходимому для перегрева пара.

Котел с естественной циркуляцией состоит из системы обогреваемых 5 (рис. 4.2) и необогреваемых 4 труб, объединенных вверху барабаном 3, а внизу коллектором, представляющих собой замкнутый контур, который принято называть циркуляционным. Этот контур заполнен до уровня, расположенного на 15...20 см ниже диаметральной плоскости барабана котла, водой, которую называют котловой. Объем барабана, заполненного водой, называют водяным, а занятого паром – паровым. Поверхность, разделяющую водяной и паровой объемы, называют зеркалом испарения.

При подводе теплоты к обогреваемым трубам вода в них закипает, и они заполняются пароводяной смесью, имеющей плотность ρсм. Необогреваемые трубы всегда заполнены некипящей водой с плотностью ρв. Нижняя точка контура подвержена со стороны необогреваемых труб давлению столба жидкости Н ρв (рис. 4.3), а со стороны обогреваемых труб – давлению пароводяной смеси Н ρсм, где Н – высота контура.

Вследствие того, что плотность воды больше плотности ПВС (ρв > ρсм), в циркуляционном контуре возникает разность давлений Рдв = Н (ρв – ρем), которая вызывает движение воды в нем и называется движущим напором естественной циркуляции.

4.2. Принципиальные тепловые схемы котлоагрегатов

4.2.1. Принципиальная схема котельной установки

В энергетике основным теплоносителем является вода или водяной пар. Комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающих получение горячей воды или водяного пара под давлением, называют котельной установкой. Она состоит из котельного агрегата и вспомогательного оборудования. Котлом называют устройство для получения горячей воды или водяного пара с давлением выше атмосферного за счет теплоты сгорания органического топлива. Котлоагрегаты бывают паровые и водогрейные. По назначению они делятся на отопительные, про-

75

мышленные и энергетические. Пар или вода, получаемые в отопительных котлах, используются для отопления, в промышленных котлах – для промышленных нужд (сушильные аппараты, теплообменники, паровые приводы некоторых машин и т. д.).

Рис. 4.4. Принципиальная схема котельной установки с барабанным котлом на твердом топливе

Пар, получаемый в энергетических котлах, применяется для преобразования его энергии в механическую работу в турбинах. Котлы также классифицируются по паро- и теплопроизводительности, по параметрам пара и другим признакам. Рассмотрим в качестве примера принципиальную схему котельной установки, работающей на твердом топливе (рис. 4.4).

Топливо с угольного склада подается в бункер сырого угля 2, из которого оно направляется в систему пылеприготовления, состоящую из питателя 3 угля и углеразмольной мельницы 4. Пылевидное топливо по пылепроводам 5 транспортируется к горелочным устройствам 8 первичным воздухом, поступающим по воздуховоду 6. К горелкам подводится также вторичный воздух по воздуховоду 22 с помощью дутьевого вентилятора 16. Для устойчивого и интенсивного горения воздух нагревается до 250...400 °С в воздухоподогревателе 15. Забор в воздуховод 23

76

воздуха производится летом из окружающей среды, а зимой – из помещения котельного отделения. Регулирование зимнего и летнего режимов забора воздуха осуществляется шибером 21.

Поступающая в котел вода, называемая питательной, сначала подогревается в экономайзере 14 и далее поступает в барабан котла 7, из которого по опускным трубам 9 направляется в топочные экраны 10, где происходит процесс парообразования, и возвращается в барабан. Сухой насыщенный пар поступает в радиационный 11, ширмовый 12 и конвективный 13 пароперегреватели, после чего перегретый пар направляется к потребителю (например, к паровой турбине).

Продукты сгорания топлива, пройдя экономайзер 14 и воздухоподогреватель 15, очищаются от золы в золоулавливающем устройстве 17 и дымососом 18 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 20. Уловленная из дымовых газов зола и выпавший в нижнюю часть топки шлак удаляются, как правило, потоком воды по каналу 19.

Паровой котел состоит из топочной камеры 1, в которой происходит сжигание специально подготовленного топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания за счет теплоотвода к располагаемым в ней поверхностям нагрева и газоходов, в которых также размещаются поверхности нагрева, воспринимающие теплоту продуктов сгорания топлива. Стены топочной камеры покрыты внутри огнеупорным материалом, а снаружи – тепловой изоляцией. По всему внутреннему периметру топочной камеры расположены трубы, которые, получая теплоту от топочных газов, являются парогенерирующими поверхностями нагрева 10. Топочные экраны являются радиационными поверхностями нагрева, так как они воспринимают теплоту сгорания топлива преимущественно излучением от факела, образованного продуктами сгорания. Температура в зоне горения может достигать 1500...1800 °С в зависимости от вида сжигаемого топлива.

Топочные газы, образующиеся в процессе сгорания топлива, покидают топочную камеру с температурой 900...1200 °С и поступают в горизонтальный газоход, в котором первым по ходу газов располагается ширмовый пароперегреватель 12, выполненный из трубчатых змеевиков, собранных в плоские пакеты. Теплообмен в этих поверхностях нагрева осуществляется и излучением и конвекцией, и поэтому они называются полурадиационными. Далее в горизонтальном газоходе располагается

77

конвективный пароперегреватель 13, который служит для дальнейшего перегрева пара и после которого пар направляется к турбинам.

После конвективного пароперегревателя продукты сгорания имеют температуру 600...700 °С. Теплота этих газов используется в экономайзере 14, располагаемом далее по ходу газов, и в воздухоподогревателе (ВЗП) 15, размещаемом либо в нижней части конвективной шахты непосредственно за экономайзером, либо в отдельном газоходе. После экономайзера температура газов находится на уровне 300…450 оС. За воздухоподогревателем температура газов опускается до 110...160 °С. Дальнейшее снижение температуры газов не допускается из-за конденсации на поверхностях нагрева ВЗП паров воды, содержащихся в продуктах сгорания, так как выпадающая вода приводит к интенсивному развитию коррозии металла ВЗП. Охлажденные до 110...160 °С газы, пройдя устройства очистки от золы 17, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 20.

4.2.2. Принципиальная схема барабанного котла

Самые распространенные паровые котлы барабанного типа, применяемые на ТЭС, генерируют пар давлением ро = 140 кг/см2 (13,7 МПа) и температурой tо = 545 – 560 оС. Паровые котлы этого типа применяются как на электростанциях с поперечными связями, когда все котлоагрегаты работают на единую паровую магистраль, так и на ТЭС блочного типа. Все конденсационные ТЭС с блоками мощностью 200 – 215 МВт имеют в своем составе котлоагрегаты барабанного типа с промежуточным перегревом пара паропроизводительностью 670 т/ч.

Рассмотрим более подробно принципиальную тепловую схему барабанного котла с естественной циркуляцией без промежуточного перегрева пара (рис. 4.5). Топливо поступает через горелки 2 в топочную камеру 1, где происходит процесс горения и образуются продукты сгорания, которые затем проходят все поверхности нагрева котла, постепенно остывая и отдавая тепло пароводяному теплоносителю.

Питательная вода поступает в экономайзер 13, где нагревается до температуры, близкой к температуре насыщения. Из экономайзера по отводящим трубам 7 питательная вода подается в барабан 6. Из барабана по опускным трубам 3 вода поступает в нижние коллекторы 12, откуда направляется в подъемные трубы топочных экранов 4.

78

Пароводяная смесь, образующаяся в подъемных трубах, собирается в верхних коллекторах 5 и поступает по отводящим

	трубам		в	бара-
	бан, где проис-
	ходит		отделе-
	ние пара от во-
	ды.
	Сухой			насы-
	щенный		пар		из
	барабана			котла
	поступает				на
	перегрев			сна-
	чала	в	радиа-
	ционный			пото-
	лочный паропе-
	регреватель 8 и
	далее	последо-
	вательно			про-
	ходит		ширмо-
	вый	паропере-
	греватель				9,
	первую		15		и
	вторую		14 сту-
	пени конвектив-
	ного	паропере-
	гревателя,			по-
	сле чего, достиг-					Рис. 4.5. Принципиальная схема барабанного па-
	нув температуры
						рового котла: 1 – топочная камера; 2 – горелки;
	tпп = 545-560 оС,					3 – опускные трубы; 4 – топочные экраны; 5 – верх-
	направляется				к	ние коллектора; 6 – барабан; 7 – отводящие трубы;
	паровой			тур-		8 – радиационный потолочный пароперегрева-
	бине.	Холодный				тель; 9 – ширмовый пароперегреватель; 10 – верх-
						ний коллектор заднего экрана; 11 – воздухоподо-
	воздух поступает
						греватель; 12 – нижние коллекторы топочных
	в	трубчатый
						экранов; 13 – экономайзер;14, 15 – первая и вторая
	воздухоподогре-
						по ходу пара ступени конвективного пароперегре-
	ватель		11,		на-
						вателя

гревается в нём

инаправляется к горелкам.

Вгорелках горячий воздух смешивается с топливом, образует топливно-воздушную смесь, которая поступает в топку котла для горения.

79

4.2.3. Принципиальная схема прямоточного котла

В прямоточном котле (рис. 4.6) сверхкритического давления (СКД) питательная вода после экономайзера 9 поступает в парообразующие трубы, которые размещаются в нижней части топочной камеры 2 и называются нижней радиационной частью (НРЧ) 2. В НРЧ питательная вода нагревается до кипения и почти полностью переходит в парообразное состояние. После НРЧ пар проходит последовательно через среднюю 4 и верхнюю 5 радиационные части котлоагрегата, затем направляется в шир-

мовый 6 и конвективный 7 пароперегреватели. В этих поверхностях параметры пара достигают номи-

нальных величин tпп = 545 оС, рпп =

= 25,0 МПа, и ост-

рый пар направляется в турбину.

Температура продуктов сгорания за конвективным пароперегревателем состав-

ляет 850...750 °С.

Для повышения КПД цикла паротурбинной уста-

	Рис. 4.6. Принципиальная тепловая схема	новки частично от-
		работавший в тур-
	прямоточного котла: 1 – топочная камера; 2 –
		бине	пар	подвер-
	поверхности нагрева нижней радиационной
		гают	вторичному
	части; 3 – горелки; 4, 5 – поверхности нагрева
		перегреву		в	про-
	средней и верхней радиационных частей; 6 –
	ширмовый пароперегреватель; 7 – конвектив-	межуточном паро-
	ный пароперегреватель; 8 – промежуточный	перегревателе			8.
	пароперегреватель; 9 – водяной экономайзер;	После	газохода, в
	10 – воздухоподогреватель	котором		располо-

жен промежуточный пароперегреватель, температура продуктов сгорания еще высока. Содержащаяся в них теплота используется в экономайзере 9 и в воздухоподогревателе 10.

80