<< Пред. стр. 6 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу
ITII - энтальпия продуктов сгорания при ТTII на выходе из топки;
М - коэффициент характеризующий место максимальной действительной температуры в топке.
Для разных видов топки
М = А - В (ХТ), (13.18)
А и В - коэффициент зависимые от вида топки и топлива
ХТ - от расположения горелки
Расчет топки выполняют по средним значениям тепловой нагрузки по высоте топки, т. е. в обычных расчетах распределение тепловой нагрузки по высоте не существенно. Существенно важным является QЛ и ТII. Для определения локальных тепловых нагрузок по высоте в специальных расчетах котлов приводят расчет топки. Топку разбивают условно на несколько зон для каждой составляют тепловой баланс по которому рассчитывают тепловыделение и теплоотвод в зоне, для каждой зоны определяют температуру продуктов сгорания на выходе из нее.
13.6.2 Расчет пароперегревателя
Суммарное тепловосприятие пароперегревателя при конструктивном расчете определяют по заданной температуре перегрева и принятому тепловосприятию пароохладителя, а так же количеству теплоты, переданное вторичному пару, кДж/кг
, (13.19)
QT - количество теплоты, переданной в теплообменник первичным паром вторичному на 1 кг топлива.
При поверочном расчете, задавшись температурой газов на выходе из п/п, определяют теплоту отданную газом в п/п. При расчете по частям тепловосприятие рассчитываемой части определяется по заданным или принятым температурам пара на ее концах.
При конструктивном расчете по уравнению теплопередачи определяют необходимую площадь поверхности нагрева п/п, при поверочном расчете по этому уравнению рассчитывают тепловосприятие п/п. Если оно расходится со значением, найденным по уравнениям теплового баланса не более чем на 2 % расчет считают законченным. Если расходуется больше, то расчет надо повторять.
13.6.3 Расчет экономайзера
При конструктивном расчете экономайзера энтальпии газов и воды на входе, известны и тепловосприятие определяется из уравнения теплового баланса
. (13.20)
При поверочном расчете входные энтальпии газов и воды, известны.
13.6.4 Расчет воздухоподогревателя
При одноступенчатой компоновке в/п рассчитывают целиком. При компоновке в рассечку - каждую часть отдельно. При конструктивном расчете задаются температурами воздуха на входе с учетом рециркуляции и выходе, а также температурами газов на одном конце. При поверочном расчете известны входные энтальпии газа и воздуха и определяют их температуру на выходе. Для одноступенчатого в/п и второй ступени 2-х ступенчатого
, (13.21)
где коэффициент избытка воздуха в топке, присосы воздуха в топке и в системе пылеприготовления.
Величина для первой ступени 2-х ступенчатой в/п
, (13.22)
где утечка воздуха из второй ступени.
При рециркуляции частиц горячего в - ха
, (13.23)
где утечка воздуха во всем в/п.
tХВ, tВПI, tГП - температура холодного воздуха на входе в в/п после смешения и горячего воздуха.
Рисунок 13.1 - Схема теплопередачи от продуктов сгорания к рабочему телу
а -топка для слоевого сжигания топлива; б - топка для факельного сжигания топлива при наличии ширм.
Рисунок 13.2 - Границы активного топочного объема
а - шахтно-мельничная топка: б - топка с пылеугольными или газовыми горел" нами
Рисунок 13.3 - Относительный уровень расположения горелок в топке
Рисунок 13.4 - Схема последовательности конструктивного расчета топки
I - прямоток; II - противоток; III - перекрестный ток. Характерные схемы омывания поверхностей нагрева: а - воздухоподогреватель; 1 - одноходовой перекрестный ток; 2 - двухходовой перекрестный ток; 3 - многократный перекрестный ток; б - экономайзер, многократный перекрестный ток: 1 - противоток; 2 - прямоток; в - пароперегреватель, многократный перекрестный ток, последовательно смешанный ток; 2 - то же, параллельно смешанный ток
Рисунок 13.5 - Схемы смывания продуктами сгорания топлива конвективных поверхностей нагрева
14 ТЕПЛООБМЕН В ПОЛУРАДИАЦИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООБМЕНА
Анализ основного уравнения радиационного теплообмена показывает, что увеличение удельной тепловой нагрузки радиационной поверхности может быть достигнуто в основном повышением адиабатной температуры горения. В меньшей степени на эффективность радиационного теплообмена влияет температура продуктов сгорания на выходе из топки и коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева экранов и ширм. Повышение адиабатной температуры горения данного топлива возможно путем снижения коэффициента избытка воздуха, уменьшения потерь от химического недожога и повышения температуры воздуха, используемого для сжигания топлива.
Повышение температуры воздуха возможно в пределах, ограниченных технико-экономическими условиями распределения тепловосприятия в элементах котла, надежностью работы воздухоподогревателя и механических топок при слоевом сжигании топлива. Температура продуктов сгорания на выходе из топки в значительной мере определяет общие технико-экономические характеристики котла, в том числе надежность и бесперебойность его работы. При сжигании твердого топлива повышение температуры продуктов сгорания на выходе из топки лимитируется условиями шлакования поверхностей нагрева экранов и расположенных за топкой поверхностей нагрева. При сжигании мазута и газа температура продуктов сгорания на выходе из топки определяется рациональным распределением тепловосприятия радиационных и конвективных поверхностей нагрева. Коэффициент тепловой эффективности может быть повышен за счет увеличения углового коэффициента х поверхности нагрева, в частности, путем применения двухсветных экранов и ширм, а также за счет поддержания чистыми поверхностей нагрева при систематической их очистке от загрязнений обдувкой или за счет механического воздействия на трубы.
Интенсификация конвективного теплообмена, как видно из выражений для определения коэффициентов теплоотдачи, возможна путем повышения скорости теплоносителя, и первую очередь продуктов сгорания, а также уменьшением диаметра труб d или диаметра эквивалентного канала dK. При этом коэффициент конвективной теплоотдачи ?к возрастает пропорционально скорости газов в степени 0,6?0,8 и обратно пропорционально определяющему размеру d в степени 0,4?0,2 в зависимости от расположения труб по отношению к потоку газов. Соответственно сокращаются необходимые конвективные элементы котла. Однако при повышении скорости газов имеет место увеличение аэродинамического сопротивления поверхности нагрева, пропорциональное квадрату скорости газов, и соответственно повышение расхода электроэнергии на тягу. В связи с этим возникают экономически целесообразные пределы повышения скорости газов, лимитируемые также (при сжигании твердого топлива) условиями износа поверхностей нагрева.
Более широко используется второй путь повышения эффективности конвективной теплопередачи - уменьшение диаметра труб и эквивалентных каналов. При уменьшении диаметра труб аэродинамическое сопротивление трубных пучков при неизменной скорости газов даже несколько уменьшается.
Тепловая схема и компоновка котла. Зависимость тепловой схемы котла от его параметров.
15 ТЕПЛОВАЯ СХЕМА КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА
Тепловой схемой котла называют схему, устанавливающую взаимосвязь элементов котла: распределение приращения энтальпии воды, пароводяной смеси, пара и воздуха в элементах котла; размещение элементов котла по ходу движения потока продуктов сгорания.
При конструировании котла целесообразно выполнение двух условий:
1) теплоноситель с высокой температурой должен омываться ПС с наиболее высокими температурами.
2) Использование противоточных схем движения теплоносителей.
Выполнение этих условий не всегда возможно из-за ограничения термической стойкости материалов поверхности нагрева и надежности их работы.
Тепловая схема котла призвана обеспечить оптимальные, конструктивные и эксплуатационные характеристики котла, и определяется параметрами пара; типом и мощностью котла; видом топлива и способом его сжигания. Характерными параметрами тепловой схемы являются относительное приращение энтальпии воды при ее нагреве и испарении и пара при его перегреве; температура продуктов сгорания на выходе из топки; температура подогрева воздуха и уходящих продуктов сгорания.
Распределение приращения энтальпии:
, (15.1)
где - приращение энтальпии в данном элементе, кДж/кг;
- энтальпии перегретого пара и питательной воды, поступающей в котел, кДж/кг.
С повышением параметров пара растет тепловосприятие в/э и п/п испарительных поверхностей нагрева. Процесс получения пара в котле изобарный.
15.1 Компоновка котлов
Под компоновкой котлов подразумевается взаимное расположение газоходов и поверхностей нагрева. В бывшем СССР и за рубежом применяют компоновки котлов по схемам на рис. 15.1.
Наиболее распространена П-образная компоновка (рис. 15.1, а, б). Преимуществами ее являются подача топлива в нижнюю часть топки и вывод продуктов сгорания из нижней части конвективной шахты. Недостатки этой компоновки - неравномерное заполнение газами топочной камеры и неравномерное смывание продуктами сгорания поверхностей нагрева, расположенных в верхней части котла, а также неравномерная концентрация золы по сечению конвективной шахты.
Т-образная компоновка с двумя конвективными шахтами, расположенными по обе стороны топки, с подъемным движением газов в топке (рис. 15.1, в) позволяет уменьшить глубину конвективной шахты и высоту горизонтального газохода, но наличие двух конвективных шахт усложняет отвод газов.
Трехходовая компоновка с двумя конвективными шахтами (рис. 15.1, г) иногда применяется при верхнем расположении дымососов. Четырех ходовая компоновка с двумя вертикальными переходными газоходами, заполненными разряженными поверхностями нагрева, применяется при работе котла на зольном топливе с легкоплавкой золой.
Башенная компоновка (рис. 15.1, е) используется для пиковых котлов, работающих на газе и мазуте, в целях использования самотяги газоходов. При этом возникают затруднения, связанные с осуществлением опорной конструкции для конвективных поверхностей нагрева.
U-образная компоновка с инверторной топкой с нисходящим в ней потоком продуктов сгорания и подъемным их движением в конвективной шахте (рис. 15.1, д) обеспечивает хорошее заполнение топки факелом, низкое расположение пароперегревателей и минимальное сопротивление воздушного тракта вследствие малой длины воздуховодов. Недостаток такой компоновки - ухудшенная аэродинамика переходного газохода, обусловленная расположением горелок, дымососов и вентиляторов на большой высоте. Такая компоновка может оказаться целесообразной при работе котла на газе и мазуте.
а - П-образная; б - П-образная двухходовая; в - Т-образная с двумя конвективными шахтами; г - с U-образными конвективными шахтами; д - с инвертной топкой; е- башенная.
Рисунок 15.1 - Схемы компоновок котлов
16 ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА В КОТЕЛЬНОЙ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ
16.1 Температура уходящих газов
Температура уходящих газов оказывает решающее влияние на тепловую экономичность котла. Снижение температуры уходящих газов на 12-16°С повышает КПД котла примерно на 1 %.
Уменьшение температуры уходящих газов связано с необходимостью увеличения конвективных поверхностей нагрева и с возрастанием расхода электроэнергии на тягу и дутье. Возникающие при этом дополнительные затраты могут окупаться за счет экономии топлива. В общем случае оптимальная температура уходящих газов за котлами, работающими на различных топливах, определяется на основании технико-экономических расчетов по минимуму расчетных затрат при данной цене топлива. Существенное влияние на значение оптимальной температуры уходящих газов оказывает температура питательной воды, повышение которой приводит к относительному увеличению конвективных поверхностей нагрева при данной температуре уходящих газов. Нижний предел температуры уходящих газов при работе на топливах с большим содержанием серы может лимитироваться условиями низкотемпературной коррозии элементов котла.
Для котлов с паропроизводительностью, меньшей 75 т/ч, температура уходящих газов принимается несколько большей с целью упрощения и удешевления их конструкции. Например, для котлов паропроизводительностью до 12 т/ч, работающих на твердом топливе с Wn < 6 % кг/МДж, обычно принимается у.г= 1604-180 °С.
При сжигании пылеугольного топлива температура продуктов сгорания на выходе из топки не должна превышать температуру, допустимую по условиям шлакования; при сжигании всех видов топлива она должна обеспечивать активный процесс его горения с минимальными потерями от химической и механической неполноты горения
.
16.2 Температура подогрева воздуха
Температура насыщения среды в испарительных поверхностях нагрева при давлении более 1 МПа выше требуемой температуры продуктов сгорания, уходящих из котла, и поэтому при завершении в них теплоиспользования нельзя обеспечить должную тепловую экономичность установки.
Поэтому в современных котлах использование теплоты продуктов сгорания завершается в экономайзере и воздухоподогревателе. В экономайзере подогревается питательная вода и иногда происходит ее частичное испарение. В воздухоподогревателе осуществляется подогрев воздуха, подаваемого в топку для сжигания топлива. Подогрев поступающего в топку воздуха интенсифицирует радиационное тепловосприятие экранов и снижает потери от химического и механического недожогов топлива.
Температура питательной воды для энергетических котлов с давлением пара более 3,93 МПа согласно ГОСТу принимается равной 150, 215 и 230 °С в зависимости от развития регенеративного подогрева воды. Для котлов производственного назначения температура питательной воды после ее термической деаэрации составляет 104 °С.
Температура подогрева воздуха при одноступенчатой компоновке лимитирована. При противоточном движении продуктов сгорания и воздуха температурный напор в воздухоподогревателе непрерывно уменьшается, начиная с холодного его конца, где эта разница имеет наибольшее значение на горячем конце.
Где - температуры холодного воздуха, подогретого воздуха, продуктов сгорания перед воздухоподогревателем и после него, °С.
При повышении средний расчетный температурный напор быстро уменьшается и соответственно увеличивается необходимая поверхность нагрева воздухоподогревателя. Снижение температурного напора определяется тем, что объем и теплоемкость греющих продуктов сгорания больше, чем у нагреваемого воздуха. Максимальная температура подогрева воздуха при одноступенчатой компоновке
, (16.1)
где - водяной эквивалент воздуха;
- водяной эквивалент продуктов сгорания.
Решение уравнения (16.1) дает значение максимальной температуры подогрева воздуха. По условиям эффективности теплообмена температурный напор на горячем конце воздухоподогревателя должен быть не ниже 50?60 °С. Дальнейшее повышение температуры подогрева воздуха при одноходовой компоновке нерационально, так как вызывает уменьшение температурного напора на горячем конце воздухоподогревателя и соответственно увеличение его поверхности нагрева. При высоком подогреве воздуха необходимо применение двухступенчатой компоновки экономайзера и воздухоподогревателя, т. е. догрев воздуха в области более высокой температуры продуктов сгорания (рис 16,1).
Температура подогрева воздуха за 1-й ступенью воздухоподогревателя,
, (16.2)
где - температура воды на входе в экономайзер, °С.
Температуру подогрева воздуха при сжигании природного газа и мазута рекомендуется принимать 200?300°С, а при слоевом сжигании топлива 200?250°С. Этим определяется возможность применения одноходовой компоновки экономайзера и воздухоподогревателя для котлов, работающих на указанных топливах. Для котлов, работающих на влажном пылевидном твердом топливе, целесообразен подогрев воздуха до 350?400°С, и для таких установок применяется двухступенчатая компоновка. Дальнейшее повышение температуры подогрева воздуха ограничивается необходимостью применения при >450°С легированных металлов или специальных материалов, или специальных сложных конструкций воздухоподогревателей. Температура продуктов сгорания на входе в трубчатый воздухоподогреватель по условиям окалинообразования трубных досок не должна превышать 530 °С.
16.3 Примеры тепловых схем
В качестве примера на рис. 16.2 показана тепловая схема котла среднего давления с естественной циркуляцией для работы на газе и мазуте. Испарение воды осуществляется в экранах топки, фестоне и частично в кипящем экономайзере. Пароперегреватель двухступенчатый и расположен непосредственно за фестоном в области высоких температур газов, что определяется стремлением уменьшить его поверхность нагрева при значительном тепловосприятии, составляющем около 20 % общего. Регулирование температуры перегретого пара предусмотрено в поверхностном охладителе. За пароперегревателем по ходу газов последовательно располагаются кипящий экономайзер, паросодержание воды на выходе из которого составляет 15 %, и за ним последним по ходу газов - воздухоподогреватель. Одноступенчатая компоновка экономайзера и воздухоподогревателя возможна вследствие принятой невысокой температуры подогрева воздуха (до 250°С). Для предотвращения коррозии воздухоподогревателя предусмотрено повышение температуры поступающего в него воздуха за счет рециркуляции.
На рис. 16.3 показана тепловая схема современного котла высокого давления с естественной циркуляцией, предназначенного для работы на пыли твердого топлива.
Испарительными поверхностями нагрева являются экраны, расположенные в топке, и фестон. Частично испарение воды осуществляется и в экономайзере, паросодержание на выходе из которого не превышает 15 %. Пароперегреватель выполнен радиационно-конвективным. Радиационная часть пароперегревателя, выполненная в виде ширм, размещена в топке; конвективная часть расположена непосредственно за фестоном. Такая организация тепловосприятия пароперегревателя обеспечивает возможность снижения температуры продуктов сгорания на выходе из топки до оптимальной и улучшает условия регулирования температуры перегрева пара.
Регулирование температуры перегрева пара осуществляется впрыском питательной воды в коллекторы ступеней пароперегревателя. За пароперегревателем в опускной шахте расположены экономайзер и воздухоподогреватель, скомпонованные каждый в две ступени. Тепловосприятие завершается в первой по ходу воздуха ступени воздухоподогревателя. Применение такого расположения экономайзера и воздухоподогревателя определяется необходимостью высокого подогрева воздуха (выше 300°С). Двухступенчатая компоновка экономайзера и воздухоподогревателя применяется обычно также и в котлах среднего давления, предназначенных для работы на пыли твердого топлива.
На рис. 16.4 показана тепловая схема конвективного котла среднего давления с многократной принудительной циркуляцией, предназначенного для использования физической теплоты отходящих газов от технологических агрегатов. Испарительные поверхности нагрева, выполненные в виде пакетов из змеевиков, включены параллельными контурами в систему принудительной циркуляции, что уменьшает потери давления в циркуляционной системе и снижает расход электроэнергии на циркуляционные насосы. Пароперегреватель размещается между первым и вторым по ходу газов пакетами испарительных поверхностей нагрева, что предохраняет его от воздействия высоких температур газов, которые могут возникать в процессе работы технологического агрегата. Последним по ходу газов располагается экономайзер. Для обеспечения достаточного охлаждения газов температура воды, поступающей в него обычно непосредственно после деаэратора, принимается около 105°С.
1 - одноступенчатая; б - двухступенчатая
Рисунок 16.1 - Компоновка экономайзера и воздухоподогревателя
Рисунок 16.2 - Тепловая схема котла среднего давления на газе и мазуте Обозначения те же, что и на рис. 15.2
1 - экономайзер I ступени; 1а - экономайзер II ступени; 2, 2а - испарительные поверхности нагрева; 3 - пароперегреватель; 4 - воздухоподогреватель I ступени; 4а - воздухоподогреватель II ступени.
Рисунок 16.3 - Тепловая схема котла высокого давления с естественной
циркуляцией на пылеугольном топливе
Рисунок 16.4 - Тепловая схема конвективного котла среднего давления с
многократно-принудительной циркуляцией на отходящих
газах технологических агрегатов.
Обозначения те же, что и на рис. 15.2.
17 ХАРАКТЕРИСТИКА И КОНСТРУКЦИИ КОТЛОВ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОТЛЫ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
17.1 Характеристики и конструкции котлов
В промышленности и на тепловых электростанциях широко распространены котлы для выработки водяного пара различных параметров с естественной или принудительной циркуляцией. Иногда для получения пара применяют котлы особой конструкции и специализированного назначения: котлы с промежуточными теплоносителями, котлы с давлением в газовом тракте; реакторы и парогенераторы атомных электростанций; котлы, использующие теплоту газов технологических и энерготехнологических агрегатов, и пр.
Стационарные котлы, предназначенные для выработки пара, используемого технологическими и бытовыми потребителями, а также в турбоагрегатах для выработки электроэнергии, стандартизованы по параметрам и мощности (ГОСТ 3619-82). Предусматривается производство следующих стационарных котлов:
- котлы низкого давления с естественной и принудительной циркуляцией, в том числе котлы с давлением пара 0,88 МПа (9 кг/см2), производительностью 0,16-1 т/ч насыщенного пара, температура питательной воды 50°С; пар используется производственными и бытовыми потребителями;
- котлы среднего давления, к которым относятся котлы с естественной циркуляцией с давлением пара для выработки насыщенного и слабо перегретого пара давлением 1,36 МПа (14кгс/см2), производительностью 2,5?160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;
- котлы с естественной циркуляцией для выработки насыщенного и слабо перегретого пара с давлением 2,36 МПа (24кгс/см2), производительностью 50-160т/ч и температурой питательной воды 105 °С;
- котлы среднего давления 3,9 МПа (40кгс/см2), с естественной циркуляцией, вырабатывающие перегретый пар с давлением 3,9 МПа (40кгс/см2), температурой 440°С, производительность этих котлов 10?160 т/ч при температуре питательной воды 150°С;
котлы высокого давления с естественной и принудительной циркуляцией производительностью 220?820 т/ч. Эти котлы вырабатывают перегретый пар с давлением 9,8 МПа (100кгс/см2), температурой 540°С при температуре питательной воды 215 °С;
- котлы высокого давления - 13,8 МПа (140 кгс/см2), температура перегретого пара 540?560°С, производительность 210?1000 т/ч, температура питательной воды 215 °С;
- котлы сверхкритического давления прямоточные, производительностью 1000?3950 т/ч, вырабатывающие пар с давлением 25 МПа (255 кгс/см2), с температурой перегретого пара 540?560°С, температура питательной воды 270 °С.
Обозначение типов котлов: естественной циркуляцией - Е, с промежуточным перегревом - ЕПР, прямоточные - П, с промежуточным перегревом - ППР.
К основным параметрам паровых котлов ГОСТ относит номинальную производительность D, кг/с; номинальное давление пара р, МПа (кгс/см2); температуру перегретого пара tnn, °С; номинальную температуру питательной воды в, °С; КПД брутто.
Первая ступень энергетических параметров пара (3,90 МПа, 440 °С) принята, исходя из возможности выполнения пароперегревателя и ступеней высокого давления турбины из углеродистой стали. Температура труб пароперегревателя должна быть не выше 500°С. Давление 3,90 МПа принято по условию допустимой конечной влажности пара в ступенях низкого давления турбины 10?12%. Давление 9,80 МПа соответствует максимально допустимой при принятой температуре пара 540 °С, влажности пара в турбине, которая в этом случае не превышает 12 %.
Параметры 13,8 МПа, 560°С выбраны, исходя из условий возможного повышения начального давления при наличии промежуточного перегрева пара и сохранении при этом допустимой конечной влажности пара. Значения сверхвысоких параметров пара определяются условиями надежной работы современных легированных марок стали. Ведутся работы по применению пара и более высоких параметров. Имеются опытные установки с давлением пара 29,4 МПа и температурой 600 °С.
Котлы для выработки пара высокого и сверхкритического (25 МПа) давления предназначаются для тепловых электростанций средней и большой мощности. Шкалы давления и производительности энергетических котлов в ГОСТ приняты соответственно параметрам пара и мощности стандартизированных турбоагрегатов, исходя из установки одного-двух котлов на турбоагрегат.
Стандартизация параметров пара и мощности стационарных котлов, введенная у нас еще в предвоенные годы, позволила организовать серийное производство энергетического оборудования, что существенно уменьшило стоимость изготовления котлов и необходимого для них вспомогательного оборудования, а также обеспечило применение наиболее рациональных решений в энергетике.
Преимущественно применяемые в промышленности котлы с естественной и принудительной циркуляцией принципиально различаются только организацией гидродинамики в испарительных поверхностях нагрева. Схемы организации движения воды, пароводяной смеси и пара в этих котлах показаны на рис. 17.1.
В котлах с естественной циркуляцией (рис. 17.1, а) питательная вода подается насосом в экономайзер, а из него в верхний барабан. В процессе естественной циркуляции, возникающей в испарительных поверхностях нагрева, образовавшаяся пароводяная смесь направляется в барабан, в котором происходит разделение пара и воды. Из барабана пар направляется на перегрев в пароперегреватель и затем - к потребителям. При критическом давлении в котле естественная циркуляция невозможна. Это положение,' а также условия надежности циркуляции, увеличение массы и стоимости конструкции по мере повышения давления в котле определили применение котлов с естественной циркуляцией при давлении до 13,8 МПа. Котлы низкого и среднего давления преимущественно выполняют с естественной циркуляцией, что объясняется в основном менее жесткими требованиями к качеству питательной воды, более простой системой автоматизации процессов горения и питания и отсутствием затрат электроэнергии на осуществление движения рабочей среды в испарительной системе.
В котлах с многократной принудительной циркуляцией (рис. 17.1,6) питательная вода подается насосом в экономайзер и далее в барабан. В испарительных поверхностях нагрева циркуляция осуществляется принудительно за счет работы насоса, включенного в контур циркуляции. Разделение пара и воды происходит в барабане, из которого пар направляется в пароперегреватель и далее к потребителям.
Котлы с многократной принудительной циркуляцией применяют в основном для использования теплоты газов технологических и энерготехнологических агрегатов для выработки пара низких и средних параметров. При высоком давлении в таких котлах усложняются конструкции и условия работы циркуляционных насосов, работающих на воде с температурой более 300 °С. При давлении 13,8 МПа и выше на районных КЭС и ТЭЦ обычно применяют прямоточные котлы. В прямоточных котлах (рис. 17.1, в) экономайзер, испарительная поверхность нагрева и пароперегреватель конструктивно объединены и, проходя их последовательно, вода нагревается, испаряется и образовавшийся пар перегревается, после чего направляется к потребителям. Полное испарение воды происходит за время однократного прямоточного прохождения воды в испарительной части поверхности нагрева. Отсутствие барабана в прямоточных котлах высокого давления существенно (на 8?10%) снижает затраты металла на изготовление котла по сравнению с барабанным котлом такой же мощности и давления. Котлы с давлением 25 МПа выполняют только прямоточными.
Имеются многочисленные конструкции всех типов котлов, что определяется многими факторами, влияющими на выбор того или иного технического решения: параметрами пара, производительностью, видом топлива и способом его сжигания, характеристикой питательной воды, требуемыми эксплуатационными показателями. Общие тенденции развития конструкций котлов определяются требованиями повышения надежности и экономичности работы, т. е. увеличения КПД брутто и нетто, снижения удельных затрат металла, стоимости изготовления и монтажа уменьшения вредных выбросов, обеспечения безопасности работы и облегчения труда персонала.
17.2 Энергетические котлы с естественной циркуляцией
Конструкции энергетических котлов с естественной циркуляцией сформулировались в 1930?1940гг. Определяющее влияние на принятые конструктивные решения оказало развитие техники водоподготовки и водного режима котлов, определившее безнакипную их работу, а также топочной техники, обеспечивающей рациональное факельное сжигание не только газа и мазута, но и твердого топлива в пылевидном виде.
Современные котлы с естественной циркуляцией имеют следующие особенности:
1) применение топок для факельного сжигания газа, мазута и твердого топлива в виде пыли. В пылеугольных топках предусматривают сухое или жидкое шлакоудаление;
2) выполнение испарительных поверхностей нагрева в виде экранов, полностью закрывающих стены топочной камеры, а в котлах большой мощности также и ширм, размещенных в верхней части топки. Наличие одного верхнего барабана, в который включаются все испарительные циркуляционные контуры котла. Применение ступенчатого испарения с выносными сепараторами;
3) развитие поверхностей нагрева пароперегревателя, размещаемого непосредственно за фестоном топки, и применение устройств для регулирования температуры перегрева пара;
4) развитие поверхности нагрева экономайзера с возможным частичным испарением в нем воды и воздухоподогревателя, в котором завершается глубокое охлаждение продуктов сгорания. В котлах среднего давления, предназначенных для работы на газе и мазуте, экономайзер и воздухоподогреватель выполняются одноступенчатыми и размещают последовательно по ходу газов. В котлах с пылеугольными топками экономайзер и воздухоподогреватель
для высокого подогрева воздуха выполняют в две ступени с расположением первой по ходу воды ступени экономайзера между первой и второй ступенями воздухоподогревателя;
5) применение модульной унификации отдельных элементов котла и поставка их заводом вместе с облегченной обмуровкой крупными транспортабельными блоками.
На рис. 17.2 показаны общий вид и циркуляционная схема котла среднего давления, предназначенного для работы на природном газе и мазуте. Изображенный на рисунке котел типа БМ-35-РФ имеет следующие характеристики: паропроизводительность 50 т/ч, давление перегретого пара 3,90 МПа (40кгс/см2), температура перегретого пара 440, питательной воды 150°С. Стенки камерной топки полностью экранированы трубами испарительной поверхности нагрева. Под топки" не экранирован. На фронтовой стенке топочной камеры установлены три газомазутные горелки в два яруса по высоте. Объемная плотность тепловыделения топочной камеры при номинальной нагрузке 230 кВт/м3.
В котле предусмотрено двухступенчатое испарение. Во вторую ступень испарения с выносными циклонами включены основные части экранов, расположенных на боковых стенах топки. Все остальные испарительные экранные поверхности нагрева включены в барабан (первая ступень испарения). На выходе из топки имеется трехрядный фестон, образованный разведенными трубами заднего экрана. Подъемные трубы экранов имеют диаметр 60х3 мм, а опускные 80х4 мм. Шаг труб боковых экранов 210, заднего экрана 80 мм. Пароводяная смесь, поступающая из экранов первой ступени испарения, разделяется на пар и воду в циклонах, установленных в барабане. Диаметр барабана 1500 мм. Тонкая сепарация пара осуществляется в жалюзийных сепараторах, установленных на выходе из барабана. Из выносных циклонов пар поступает в паровое пространство барабана под жалюзийными сепараторами. За сепаратором в барабане размещен распределительный щит, обеспечивающий равномерный отбор пара из барабана в пароперегреватель. Непосредственно за фестоном в горизонтальном газоходе находится пароперегреватель, выполненный в две ступени. В первой ступени движение потока пара по отношению к потоку газов противоточно-прямоточное, а во второй ступени змеевики на выходе пара включены прямоточно, а входные - противоточно. Трубы змеевиков пароперегревателя имеют диаметр 38х3 мм и выполнены из стали 20, а выходных змеевиков - из стали 15хМ.
Регулятор температуры пара, представляющий собой пароохладитель поверхностного типа, включен по пару в рассечку между первой и второй ступенями пароперегревателя. В регуляторе перегрева охлаждающая вода параллельными потоками движется по петлеобразным трубам диаметром 25x3 мм, расположенными внутри коллектора диаметром 325 мм. Охлаждаемый пар омывает трубы поперечным потоком и отводится во вторую ступень пароперегревателя. Регулирование температуры пара осуществляется изменением количества питательной воды, проходящей через охлаждаемые трубы.
Экономайзер кипящего типа выполнен из четырех пакетов, расположенных в опускной шахте. Змеевики экономайзера из труб диаметром 32х3 мм расположены в шахматном порядке с шагом между трубами s1 = 60, s2=40 мм. На входе воды из коллектора в трубы первого по ходу воды пакета экономайзера установлены шайбы для обеспечения устойчивой гидродинамической характеристики экономайзера при работе его на двухфазной среде. В периоды растопки экономайзер может быть включен в линию рециркуляции воды из барабана, что обеспечивает его надежное охлаждение.
Воздухоподогреватель трубчатый, из труб диаметром 40x1.5 мм, состоит из шести секций. Он установлен последним по ходу продуктов сгорания в опускном газоходе, выполнен в два хода по воздуху. Газы проходят внутри труб, воздух омывает трубы снаружи. Одноходовая компоновка экономайзера и воздухоподогревателя определяется стремлением упростить конструкцию конвективных поверхностей нагрева и возможна при принятых низких (200?250 °С) температурах подогрева воздуха.
Компоновка котла выполнена по П-образной схеме и предусматривает возможность расположения дымососа и вентилятора на нулевой отметке.
На рис. 17.3 приведена конструкция одной из модификаций серийного унифицированного для разных топлив котла типа ТП-230-Б, давление пара 9,81 МПа (100 кгс/см2), паропроизводительность 230 т/ч (64 кг/с) при температуре перегрева пара 510°С и 220 т/ч (51 кг/с) при 540°С. В зависимости от вида используемого твердого топлива изменяются поверхности нагрева конвективного пароперегревателя, второй ступени экономайзера и воздухоподогревателя.
На рис. 14.6 показан котел с сухим шлакоудалением из топки, такие же установки выпускают и с жидким шлакоудалением с утеплением холодной воронки и нижней части экранов. Щелевые или круглые горелки размещены по углам топки. На стенках топки расположены испарительные экраны из труб диаметром 76 с шагом 95 мм. Экраны секционированы в поставочные блоки, имеющие индивидуальные коллекторы и водоподводящие и пароотводящие трубы. Верхняя часть труб заднего экрана образует четырехрядный фестон на выходе продуктов сгорания из топки. В котле организовано двухступенчатое испарение с включением солевого циркуляционного контура в выносные циклоны.
Пароперегреватель состоит из поверхности нагрева, расположенной на потолке топки и конвективной опускной шахте, ширмового пакета, размещенного за фестоном, и конвективного пакета, устанавливаемого за ширмовым пакетом. Регулирование температуры пара осуществляется впрыском конденсата в трубопровод, соединяющий ширмовой и конвективный пакеты пароперегревателя. Экономайзер и воздухоподогреватель двухступенчатые. Экономайзер выполнен из змеевиков горизонтальных труб малого диаметра (38мм). Воздухоподогреватель трубчатый, из труб диаметром 40 мм. Конвективная шахта, начиная со второй ступени воздухоподогревателя, разделена по глубине шахты на две половины для лучшей организации теплообмена в воздухоподогревателе и облегчения блочного изготовления. Топка имеет натрубную обмуровку. Котел скомпонован по П-образной схеме. Топка образует подъемную шахту, пароперегреватель расположен в горизонтальном газоходе, а конвективные поверхности нагрева в опускной шахте.
а - барабанный с естественной циркуляцией; б - с многократно-принудительной циркуляцией; в-прямоточный; 1 - экономайзер; 2 - испарительные поверхности нагрева; 3 - пароперегреватель; 4 - воздухоподогреватель; 5 - переходная зона испарительной поверхности нагрева; 6 - конвективный пароперегреватель; 7 - сепаратор пара.
Рисунок 17.1 - Типы котлов
1 - экономайзер; 2 - барабан; 3 - фронтовой экран; 4 - задний экран; 5 - коллектор бокового экрана; 6 - выходной коллектор основного бокового экрана; 7 -циклон II ступени испарения; 8 - фестон; 9 - пароперегреватель; 10 - воздухоподогреватель; п.в. - питательная вода; н, п. - насыщенный пар; п. п. - перегретый пар; х. в. - холодный воздух; т -топливо; у, г. - уходящие газы
Рисунок 17.2 - Общий вид котла БМ-35-РФ и его циркуляционная схема
1 - топочная камера; 2 - горелки; 3 - фестон; 4 - конвентивный пароперегреватель; 5 - экономайзер II ступени; 5 - воздухоподогреватель II ступени; 7 - экономайзер I ступени; 8 - воздухоподогреватель I ступени
Рисунок 17.3 - Котел типа ТП-230-Б
18 ПРЯМОТОЧНЫЕ КОТЛЫ С МНОГОКРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ. КОТЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
18.1 Прямоточные котлы
Организация испарения воды и перегрева пара при прямоточном движении потока была реализована в ряде конструкций котлов. На рис. 18.1 показаны схемы получивших дальнейшее развитие и применение прямоточных котлов Рамзина, Бенсона и Зульцера.
В прямоточных котлы большой паропроизводительности при высоких, сверхвысоких и сверхкритических параметрах пара широко применяются на современных тепловых электростанциях. Такие котлы выпускаются промышленностью для работы на различных видах топлива, производительностью 210 и 1000 т/ч, с начальными параметрами пара 13,7 МПа (140 кгс/см2), 560°С и промежуточным перегревом до 560°С, а также производительностью 1000, 1650 и 2650, 3650, 3950 т/ч, с параметрами пара 25 МПа (255 кгс/см2), 565°С и промежуточным перегревом его до 567 °С.
На промышленных предприятиях и на небольших электростанциях прямоточные котлы в настоящее время не используются вследствие нецелесообразности применения пара сверхвысоких параметров в котлах относительно небольшой мощности; высоких требований к питательной воде, обеспечение требуемого качества которой затруднено большими потерями конденсата пара; дополнительных расходов электроэнергии на осуществление циркуляции среды в поверхностях нагрева и усложнение систем автоматического регулирования.
18.2 Котлы специального назначения
18.2.1 Низконапорные и высоконапорные паропроизводящие установки
Для производства электроэнергии находят применение комбинированные парогазовые установки (ПГУ), объединенные в единой тепловой схеме. При этом достигается снижение удельного расхода топлива и капитальных затрат. Наибольшее применение находят ПГУ с высоконапорной перепроизводящей установкой (ВНППУ) и с низконапорной паропроизводящей установкой (ННППУ). Иногда ВНППУ называют высоконапорными котлами.
В отличие от котлов, работающих под разряжением с газовой стороны, в топочной камере и газоходах котлов высоконапорных и с наддувом создается давление относительно небольшое у ННППУ (0,005?0,01 МПа) и повышенное у ВНППУ (0,5?0,7 МПа).
Работа котла под давлением характеризуется рядом положительных особенностей. Так, полностью исключаются присосы воздуха в топку и газоходы, что приводит к уменьшению потери теплоты с уходящими газами, а также к снижению расхода электроэнергии на их перекачку. Повышение давления в топочной камере открывает возможность преодоления всех воздушных и газовых сопротивлений за счет дутьевого вентилятора (дымососная тяга может отсутствовать), что также приводит к уменьшению расхода электроэнергии в связи с работой дутьевого устройства на холодном воздухе.
Создание избыточного давления в топочной камере приводит к соответствующей интенсификации процесса горения топлива и позволяет существенно повысить скорости газов в конвективных элементах котла до 200?300 м/с. При этом увеличивается коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности нагрева, что приводит к уменьшению габаритов котла. Вместе с тем его работа под давлением требует плотной обмуровки и различных приспособлений против выбивания продуктов сгорания в помещение.
На рис. 18.2 показана схема парогазовой установки (ПГУ) с высоконапорным котлом. Сжигание топлива в топке такого котла происходит под давлением до 0,6?0,7 МПа, что приводит к значительному сокращению затрат металла на тепловоспринимающие поверхности. После котла продукты сгорания поступают в газовую турбину, на валу которой находятся воздушный компрессор и электрогенератор. Пар из котла поступает в турбину с другим электрогенератором.
Термодинамическая эффективность комбинированного парогазового цикла с высоконапорным котлом, газовой и пароводяной турбинами показана на рис. 18.3. На Т, s-диаграмме: площади 1-2-3-4-1 - работа газовой ступени Lг, площадь cdefabc - работа паровой ступени Lп;- 1-5-6-7-1 -потеря теплоты с уходящими газами cbghc - потеря теплоты в конденсаторе. Газовая ступень частично надстраивается над паровой ступенью, что приводит к значительному увеличению термического КПД установки.
Находящийся в эксплуатации высоконапорный котел, разработанный НПО ЦКТИ, имеет производительность 62,5 кг/с. Котел водотрубный, с принудительной циркуляцией. Давление пара 14 МПа, температура перегретого пара 545°С. Топливо - газ (мазут), сжигается с объемной плотностью тепловыделения около 4 МВт/м3. Выходящие из котла продукты сгорания при температуре до 775°С и давлении до 0,7 МПа расширяются в газовой турбине до давления, близкого к атмосферному. Отработавшие газы при температуре 460°С поступают в экономайзер, за которым уходящие газы имеют температуру около 120°С.
Принципиальная тепловая схема ПГУ с ВНППУ мощностью 200 МВт показана на рис. 18.4 установка включает паровую турбину К-160-130 и газовую турбину ГТ-35/44-770. Из компрессора воздух поступает в топку ВНППУ, куда подается и топливо. Высоконапорные газы после пароперегревателя при температуре 770°С поступают в газовую турбину, а затем в экономайзер. В схеме предусмотрена дополнительная камера сгорания, обеспечивающая номинальную температуру газов перед ГТУ при изменении нагрузки. В комбинированных ПГУ удельный расход топлива на 4?6 % меньше, чем в обычных паротурбинных, снижаются также капиталовложения.
На рис. 18.5 показана принципиальная схема низконапорной паропроизводящей установки ННППУ со сбросом в топку котла отработавших газов газовой турбины. В современных газовых турбинах по условиям работы металла начальная температура газов не должна превышать 750?800°С. В связи с этим, чтобы снизить температуру газов перед газовой турбиной, избыток воздуха после камеры сгорания составляет ?=3?4. После газовой турбины сбрасываемые в котел газы при температуре 500оС содержат 16 % кислорода, который используется для сжигания топлива в котле. В рассматриваемой схеме воздухоподогреватель отсутствует. Имеются установки с ННППУ и с воздухоподогревателем. Снижение температуры уходящих газов достигается подачей в котел части относительно холодной воды, минуя регенеративные подогреватели. В такой парогазовой установке достигается снижение удельного расхода топлива на 3?4 %.
18.2.2 Котлы непрямого действия и с неводяными теплоносителями
Появление котлов непрямого действия было связано со стремлением повысить надежность испарительных поверхностей нагрева при работе на недостаточно очищенной питательной воде. Примером котла с непрямым испарением воды является двухконтурный водо-водяной котел. Его принципиальная схема показана на рис. 18.6. В топочной камере размещены испарительные поверхности первичного контура, заполненные конденсатом, что обеспечивает работу контура без накипи. Образующийся в первичном контуре пар высокого давления направляется в барабан-испаритель, в котором испаряет воду, поступающую в барабан из экономайзера. Конденсирующийся пар первичного контура вновь поступает в испарительную поверхность, а образующийся в барабане-испарителе вторичный пар направляется в пароперегреватель и затем к потребителю. При работе такого двухконтурного водо-водяного котла примеси, содержащиеся в питательной воде, откладываются на поверхностях труб вторичного испарительного контура, что приводит к существенному уменьшению теплоотдачи. Для возможности передачи теплоты от первичного контура ко вторичному поддерживается разность давлений между ними 3?5 МПа. Наличие двух пароводяных контуров и двух барабанов определяет большие затраты металла и более высокую стоимость такого котла по сравнению с современными.
Для выработки водяного пара на органическом топливе такие двухконтурные водо-водяные котлы распространения не получили. Однако их принцип работы использован в рассматриваемых далее специальных котлах с неводяными теплоносителями, а также в парогенераторах атомных электростанций.
<< Пред. стр. 6 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу