Паровые котлы с естественной циркуляцией

На современных ТЭС электроэнергию вырабатывают c помощью турбогенераторов (паровая турбина и электрогенератор, объединенные в единый агрегат). Для производств пара с требуемыми параметрами служат паровые котлы (парогенераторы). Эти агрегаты являются основными на ТЭС. Однако для их нормальной эксплуатации и достижения высокой экономичности станции требуется еще ряд агрегатов и систем, которые условно могут быть названы вспомогательными.

В паровых котлах для превращения питательной воды в пар применяются различные схемы циркуляции теплоносителя: естественная, многократная принудительная и прямоточная. Наибольшее распространение получили котлы с естественной циркуляцией.

В зависимости от способа организации движения воды в поверхностях нагрева котлы с естественной и многократной циркуляцией для краткости называют барабанными, другие котлы - прямоточными. Их принципиальные гидравлическне схемы показаны на рис. 5.5 а и б.

Подаваемая в котел питательная вода в обоих случаях сначала проходит водяной подогреватель 5 (экономайзер), где нагревается до температуры, близкой к температуре кипения. Далее гидравлические схемы различаются.

У барабанного котла вода из экономайзера поступает в барабан 9 - емкость в виде горизонтального цилиндра, расположенную над потолком топочной камеры. С барабаном соединены трубы топочных экранов 4, располагающиеся на стенах топки, в основном вертикально. Нижние концы труб каждого экрана объединяются в общие коллекторы, каждый из которых соединен с барабаном одной или несколькими трубами 11, проходящими вне топочной камеры (необогреваемыми). Это так называемые опускные трубы. Опускные, экранные трубы, барабан и коллекторы образуют замкнутый контур циркуляции котловой воды (рис. 5.5, а).

Воспринимая теплоту факела, вода в экранных трубах частично превращается в пар, плотность которого (масса в единице объёма) значительно меньше, чем плотность воды. Соответственно пониженной получается и средняя плотность ρ _см пароводяной смеси, образующейся в экранных трубах. Гидростатическое давление в нижней точке экранных труб (в коллекторе) равно произведению высоты столба пароводяной смеси (от коллектора до уровня воды в барабане) на плотность смеси Н▪ρ _см. Гидростатическое давление создается также в опускных трубах, в которых находится только вода с плотностью ρ _в. Поэтому величина давления со стороны опускных труб составляет Н▪ρ _в. Поскольку ρ_см<ρ_в, возникает разность гидростатических давлений:

∆р = Нρ_в—Нρ_см = Н(ρ_в—ρ_см) > 0. (5.1)

Эта разность является движущей силой естественной циркуляции, за счет которой пароводяная смесь поднимается по экранным трубам и поступает в барабан. Там она разделяется, насыщенный пар уходит по в пароперегреватель 6, а неиспарившаяся вода смешивается с новыми порциями питательной воды и поступает повторно в опускные трубы, затем через коллектор вновь попадает в экранные трубы. Пар после барабана проходит дополнительный перегрев в пароперепревателе и направляется в турбину.

Рис. 5.5. Гидравлическая схема котлов:

а - барабанного; б — прямоточного

Барабанные котлы с естественной циркуляцией способны надежно работать только при давлениях не выше 15,0—16,0 МПа. С ростом давления уменьшается разность плотностей пара и воды, а это ведет к уменьшению движущей силы циркуляции (см. уравнение 5.1).

Важным достоинством барабанного котла является допустимость подачи в него питательной воды, содержащей некоторое количество примесей. При частичном упаривании воды примеси в основном остаются в жидкой фазе, поэтому концентрация примесей в котловой воде возрастает. Эти примеси можно частично удалить, выпуская из барабана котла некоторое количество воды с помощью так называемой продувки. В котле не будет происходить накопления примесей, если выдерживать равенство между количеством поступающих в него и уходящих примесей.

Прямоточный котел впервые был создан в 1932г. советским инженером Л. К. Рамзиным. Гидравлическая схема его проста (рис.5.5, б): весь поток питательной воды, пройдя экономайзер 5, поступает в несколько параллельных труб 4, огибающих топку и образующих экранные поверхности нагрева, в которых вода полностью испаряется за один проход (кратность циркуляции равняется единице).Полученный пар далее, как и в барабанных котлах, проходит через пароперегреватель 6.

Прямоточные котлы проще по конструкции, чем барабанные, и не имеют такого дорогостоящего элемента, как барабан; они могут в принципе применяться при любых давлениях. Сложность эксплуатации прямоточных котлов заключается в том, что им требуется питательная вода, полностью свободная от примесей. Если питательная вода вносит примеси, они неизбежно накапливаются в экранных трубах, а это часто приводит к повреждениям последних и к авариям котла.

Рис. 5.6. Схема барабанного котла с естественной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе: 1 – горелки; 2 – топочная камера; 3 – топочный экран; 4 – барабан; 5 – опускные трубы;

6 – фестон; 7 – пароперегреватель; 8 – конвективный газоход;

9 – экономайзер;10 – трубчатый воздухоподогреватель;

11 – нижние коллекторы топочных экранов

На рис. 5.6 приведена схема барабанного котла с естественной циркуляцией, выполненного по традиционной П-образной компоновке. Котлы современных ТЭС - это сложные инженерные сооружения значительных размеров - высота их достигает 100 м. Основными элементами котла являются: топочная камера 2, в объеме которой происходит сгорание топлива, подаваемого вместе с воздухом через горелки 1, газоходы 8, по которым движутся дымовые газы, размещаемые в топке и газоходах теплообменники, называемые по верхностями нагрева.

Различают радиационные и конвективные поверхности нагрева. Первые имеют форму плоских панелей 3, образованных одним рядом труб. Их располагают на внутренней поверхности стен топочной камеры (сами стены состоят из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, как и стенки газоходов).

Теплопередача к радиационным поверхностям нагрева в топке котла осуществляется в основном за счет теплового излучения, испускаемого факелами горящего топлива. Поэтому трубные панели, находящиеся в топочной камере, называют еще топочными экранами. Экранные поверхности нагрева используют обычно для осуществления собственно процесса испарения воды.

Конвективные поверхности нагрева - это ряды труб, обтекаемых потоком горячих дымовых газов, т.е. получающие теплоту посредством конвекции. В таких поверхностях нагрева осуществляют предварительный подогрев воды до температуры кипения - в так называемом водяном экономайзере 9, и перегрев пара -в пароперегревателе 7.

Кроме того, конвективные поверхности нагрева используются для подогрева воздуха в воздухоподогревателе 10 перед подачей в топку. Подача воздуха в воздухоподогреватель и далее к горелкам котла осуществляется с помощью дутьевых вентиляторов, отсос дымовых газов из топки через газоходы - с помощью дымососов, от которых дымовые газы направляются в дымовую трубу (на рис. 5.6 вентиляторы и дымососы не показаны). Привод этих тягодутьевых машин осуществляется электродвигателями.

Питательная вода под давлением, создаваемым питательным насосом, поступает в экономайзер, расположенный в конвективной шахте. Экономайзер является первой частью пароводяного тракта котла: нагретая в нем вода поступает в барабан, который в своей нижней части соединен как с необогреваемыми опускными, так и с обогреваемыми подъемными трубами. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам, размещенным у нижней кромки топочной камеры. Из этих коллекторов вода поступает в испарительные поверхности - вертикальные трубки топочных экранов, в которых, благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива, начинается собственно процесс парообразования.

При однократном прохождении через топочные экраны испаряется не вся вода и в барабан возвращается пароводяная смесь. В объеме барабана происходит сепарация воды и пара. Пар поступает во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь попадает в опускные трубы циркуляционного контура. В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции обычно составляет 10–50.

Паровые котлы с естественной циркуляцией (ПКЕЦ), отличаются по паропроизводительности, измеряемой в т/ч или кг/ч и могут работать на различных видах органического топлива: природном газе, угле, дровах и древесных отходах, а также на жидком топливе – сырой нефти, мазуте, дизельном топливе. Основные достоинства ПКЕЦ – высокая надежность, простота эксплуатации, повышенная степень автоматизации и экономичность.

Паропроизводительность современных котельных агрегатов ТЭС достигает 3950 т/ч, что соответствует электрической мощности 1200 МВт. Проектируются котлы еще большей мощности. Давление вырабатываемого пара составляет 14,0— 35,0 МПа, температура пара после пароперегревателя 545—570°С.