Паровые котлы ТЭС

Методы регулирования температуры перегретого пара

Регулировочная характеристика, т. е. зави­симость температуры перегретого пара от на­грузки котла, различна для пароперегрева­телей различных систем. Характерной особен­ностью радиационного пароперегревателя яв­ляется снижение температуры перегретого паpa с повышением нагрузки (кривая 1 на рис. 18.13). В ра­диационной поверх­ности нагрева коли­чество передаваемой теплоты зависит главным образом от теоретической тем - _ пературы сгорания топлива, степени Рис. 18.13. Регулировочные черноты топки и теп - характеристики пароперегре - ловой Эффекхивн0. вателеи. тт .

/-радиационного; 2-конвек - СТИ ЭКрЗНОВ (СМ. тивиого; 3 — комбинированного. § 20.3). ЭТИ ВЄЛИЧН-

Ны очень слабо за­висят от количества сжигаемого топлива, а следовательно, и от нагрузки. Поэтому в ради­ационном пароперегревателе тепловосприятие растет медленнее увеличения расхода пара че­рез него, в связи с чем удельное тепловоспри­ятие (на единицу расхода пара) снижается. В конвективном пароперегревателе количество проходящих через него продуктов сгорания увеличивается почти пропорционально увели­чению нагрузки, и это увеличивает конвектив­ную теплоотдачу пропорционально скорости газов в степени 0,6—0,65. Вследствие умень­шения прямой отдачи в топке и соответствен­но роста температуры продуктов сгорания на выходе из топки увеличивается температур­ный напор в области конвективного паропере­гревателя. Оба эти обстоятельства приводят к более быстрому росту температуры перегре­того пара по сравнению с темпом роста на­грузки котла (кривая 2 на рис. 18.13).

При соответствующем подборе размеров радиационной и конвективной частей паропе­регревателя теоретически можно было бы до­биться постоянства температуры перегретого пара (кривая 3 на рис. 18.13). Однако в реаль­ных условиях температура перегретого пара будет изменяться вследствие изменения экс­плуатационных факторов. К ним относятся температура питательной воды, избыток воз­духа в топке, шлакование экранов топки и особенно пароперегревателя, влажность топ­лива.

В барабанных котлах, у которых поверх­ность нагрева пароперегревателя фиксирована, влияние температуры питательной воды выра­жается в том, что понижение ее связано с уменьшением паропроизводительности. При неизменном расходе топлива это означает, что количество теплоты газов в зоне перегревате­ля, приходящейся на единицу расхода пара, возрастает. При этом повышается температу­ра перегретого пара. В прямоточных котлах, наоборот, низкая температура питательной во­ды вызывает соответствующее понижение и температуры перегретого пара, так как тепло­выделение сохраняется постоянным. Увеличе­ние избытка воздуха в топке связано с повы­шением количества продуктов сгорания, омы­вающих конвективный пароперегреватель, ин­тенсификацией в нем теплообмена, в связи с чем повышается температура перегретого пара. Чем больше влажность топлива, тем выше температура перегретого пара, так как повышенная влажность связана с ростом ко­личества продуктов сгорания, омывающих пароперегреватель, и с увеличением коэффи­циента теплоотдачи по газовой стороне, а так­же повышением их излучающей способности вследствие увеличения доли трехатомных га­зов. Шлакование топочных экранов вызывает рост температуры продуктов сгорания на вы­ходе из топки и соответствующее повышение температуры пара. Наоборот, шлакование са­мого пароперегревателя приводит к ухудше­нию теплоотдачи и уменьшению температуры перегретого пара.

В прямоточных котлах, у которых зоны фазового перехода не фиксированы, поверх­ность пароперегревателя изменяется с изме­нением эксплуатационных факторов вследст­вие перемещения конца зоны парообразования. Поддержанием соотношения расхода воды и топлива можно достигнуть постоянства тем­пературы перегретого пара. Вместе с тем вви­ду малой аккумулирующей способности (ма­лые водосодержание и металлоемкость) пря­моточные котлы весьма чувствительны к из­менению расхода топлива или воды, что вы­зывает в эксплуатации изменение температуры перегретого пара.

По ГОСТ 3619-76 установлены небольшие допустимые отклонения температуры перегре­того пара от номинального значения (от +5 до —10°С). Даже комбинированные радиа- ционно-конвективные пароперегреватели в экс­плуатационных условиях не обеспечивают по­стоянства температуры перегретого пара в пределах допустимых отклонений, в связи с чем каждый паровой котел оборудуют устройствами для регулирования температуры перегретого пара. По условиям глубокого из­менения графика нагрузки электростанции желательно иметь возможно больший диапа­зон регулирования паропроизводительности при сохранении номинальных температур па­ра. Номинальная температура должна обеспе­чиваться: по перегретому пару —в регулиро­вочном диапазоне нагрузок от 30 до 100%, по вторично-перегретому пару —в регулировоч­ном диапазоне от 60 до 100 %.

Методы регулирования. Различают два ос­новных метода регулирования температуры перегрева пара: паровой и газовый.

Паровое регулирование основано на сни­
жении энтальпии пара либо путем отбора от него части теплоты и передачи этой теплоты питательной воде, либо путем впрыска в него обессоленной воды и ее испарения. Эти мето­ды обычно применяются для регулирования температуры свежего пара. Для регулирования температуры вторично-перегретого пара также применяют паровое регулирование, однако обычно оно основано на перераспределении теплоты между свежим и вторично-перегретым паром.

Газовое регулирование основано на изме­нении тепловосприятия поверхности нагрева с газовой стороны до значения, необходимого для получения заданного уровня температуры перегретого пара. К этим методам относятся рециркуляция продуктов сгорания, байпасиро - вание части потока продуктов сгорания мимо поверхности нагрева пароперегревателя, изме­нение положения факела в топочной камере. Газовое регулирование применяется для регу­лирования температуры вторично-перегретого пара, а при его отсутствии иногда и для регу­лирования температуры свежего пара.

Паровое регулирование. Паровое регулиро­вание получило широкое применение и осу­ществляется главным образом в двух вариан­тах: охлаждение пара в поверхностных паро­охладителях— теплообменниках и вспрыски­вание в поток перегретого пара чистого кон­денсата — впрыскивающие пароохладители. При этом поверхность пароперегревателя вы­бирают с запасом, а излишний перегрев пара снимают в пароохладителе. Впрыскивающие и поверхностные пароохладители применяют для регулирования температуры свежего пара. Для вторичного перегрева этот метод регули­рования осуществляют в паропаровых тепло­обменниках ППТО. Впрыск конденсата в по­ток вторично-перегретого пара экономически не оправдан, так как образующееся за счет впрыска дополнительное количество перегре­того пара вместе с основным потоком пара поступает в турбину, минуя ее ЦВД.

Пароохладитель можно устанавливать за пароперегревателем, в рассечку (между сту­пенями пароперегревателя) либо на стороне насыщенного пара. При установке пароохла­дителя на вьпсойе (рис. 18.14,а) пароперегре­ватель остаётся незащищенным от высокой температуры пара, и потому для регулирова­ния температуры перегретого пара такой ме­тод не применяется.

Установка пароохладителя по остальным вариантам защищает и турбину и паропере­греватель. Однако меньшей инерционностью обладает регулирование температуры при уста­новке пароохладителя врассечку (рис. 18.14,6), особенно при высоком давлении. При таком способе регулирования сокращается не только

Длина пути пара после регулятора, но и вре­мя, необходимое для изменения количества теплоты, аккумулированного в металле паро­перегревателя после регулятора перегрева. Инерционность воздействия пароохладителя на температуру перегретого пара определяется тепловосприятием тракта за охладителем. Чем оно меньше, тем быстрее достигается резуль­тат регулирования конечной температуры перегретого пара, а само регулирование по­лучается более гибким. Установка паро­охладителя на стороне насыщенного пара (рис. 18.14,в) приводит к большему запазды­ванию регулирования.

Поверхностные пароохладители представляют со­бой трубчатый теплообменник, внутри труб которого протекает охлаждающая вода (обычно питательная вода), а снаружи они омываются потоком охлаждае­мого (конденсирующегося, если регулятор на входе в перегреватель) пара (рис. 18.15). Трубная система состоит из U-образных змеевиков, встроенных в ка­меру.

По отношению к экономайзеру поверхностный па­роохладитель включают последовательно (рис. 18.16). При этом независимо от нагрузки котла через эконо­майзер проходит вся питательная вода, что обеспечч - вает надежное его охлаждение. Поверхностные паро­охладители используют на котлах малой паропроизво­дительности.

Впрыск воды в пар является самым простым мето­дом парового регулирования. Впрыскивающий паро­охладитель (рис. 18.17) представляет собой участок коллектора, в котором в поток перегретого пара впрыс­кивается конденсат. Его вводят через форсунку-расйы- литель с несколькими отверстиями диаметром 3—6 мм. Во избежание попадания относительно холодных струй конденсата на стенки коллектора, имеющего темпера­туру перегретого пара, установлена разгруженная от давления защитная рубашка с зазором 6—10 мм. Ее длина (4—5 м) соответствует участку испарения ка­пель влаги.

Впрыскивающие пароохладители требовательны к качеству воды, используемой для впрыска. Прямоточ­ные котлы всегда, а барабанные котлы часто питают турбинным конденсатом, в связи с чем одни и другие оборудуют впрыскивающими пароохладителями, ис­пользующими этот конденсат. При минерализованной питательной воде барабанных котлов конденсат для впрыска получают непосредственно в котле (рис. 18.18) из собственного насыщенного пара.

Следует учитывать, что по мере приближе­ния впрыскивающего пароохладителя к выхо­ду из пароперегревателя сильно повышается температура пара перед вспрыскивающим устройством, а следовательно, ухудшаютсі. температурные условия работы металла кол­лектора в месте впрыска. Для регулирования температуры пара и ограничения максималь­ных температур за отдельными ступенями пароперегревателя вмерТо одного обычно пре­дусматривают два по тракту пара (рис. 18.19,а) или даже три впрыска (рис. 18.19,6). Послед­ний по тракту впрыск предусматривают пе­ред выходной ступенью перегревателя с Ді= = 1604-300 кДж/кг.

Паро-паровой теплообменник. Если основ­ной пароперегреватель выполнить радиацион­ным, а промежуточный — конвективным, то при снижении нагрузки котла температура свежего пара будет повышаться, а вторично - перегретого пара понижаться (см. рис. 18.13).

I

1 — секция ППТО; 2 — регулирующий клапан; 3 — байпас; 4— днстанцнонируюіцая планка; 5 — донышко; 6 — головка секции; 7 — уплотняющий диск; 8 — теплообменные трубки; 9 — корпус секции.

Пенсации температурных удлинений трубной системы и компактности устройства теплообменнику придают U-образную форму. Внутри трубок движется перегре­тый пар, а в коллекторе — вторично-перегретый пар, регулирование температуры которого достигается об­водом (байпасированием) части потока помимо тепло­обменника.

Паро-паровые теплообменники выполняют много­секционными. В мощных агрегатах число секций дости­гает нескольких десятков. Секции включают между со­бой параллельно. Диапазон регулирования температуры пара составляет 30—40°С.

Паро-паровые теплообменники являются частью поверхности нагрева промежуточного пароперегревателя, воспринимающей теплоту от перегретого пара и располагаемой вне га­зового тракта; остальная часть теплоты вос­принимается в поверхностях нагрева, разме­щаемых в конвективном газоходе. Все эти по­верхности включаются между собой последо­вательно.

Основные принципиальные схемы включения ППТО по­казаны на рис. 18.21. Во всех схемах ППТО включены в тракт перегретого пара после элементов, имеющих радиационную характеристику (см. рис. 18.13, кривая 1). В соответствии с этой характеристикой при сни­жении нагрузки котла тепловосприятие ППТО увели­чивается.

В схеме (рис. 18.21,0) весь перегретый пар про­ходит ППТО. Температура вторично-перегретого пара регулируется его расходам путем байпасирования через клапан парового байпаса (КПБ) части потока пара среднего давления мимо ППТО, что вызывает соответ­ствующее изменение коэффициента теплоотдачи от стен­ки к пару а2 и температурного напора в ППТО. Не­достатком схемы являются большие энергетические по­тери из-за значительного гидравлического сопротивле­ния по тракту перегретого пара.

В схеме, показанной на рис. 18.21,6, ППТО при поминальной нагрузке практически не используются. Перегретый пар почти целиком проходит через КПБ, минуя ППТО, через который при этой нагрузке про­ходит только около 5% перегретого пара. С понижени-

Ем нагрузки уменьшается расход через ППТО вторич - но-перегретого пара, а прикрытием КПБ увеличивают при этом долю проходящего через него перегретого пара. Этим обеспечивается поддержание постоянной температуры пара промежуточного перегрева при по­ниженных нагрузках блока. Недостаток схемы: наличие регулирующей арматуры большого поперечного сечения на высокие или сверхкритические параметры пара.

Промежуточное место между двумя рассмотренны­ми схемами занимает схема включения ППТО, показан­ная на рис. 18.21,в. Здесь в тракте свежего пара пред­усмотрен нерегулируемый проток через ППТО. Этот проток пара устанавливается при номинальной нагруз­ке. Во всех остальных режимах относительное значение этого расхода (Dae/DST) сохраняется постоянным.

Для распределения потока вторично-перегретого пара на основной, проходящий через ППТО, и байпас - ный, направляемый мимо него, и для регулирования этих потоков обычно применяют КПБ.

Газовое регулирование. Газовое регулиро­вание осуществляют рециркуляцией продуктов сгорания, поворотными горелками, переключе­нием ярусов горелок, байпасированием про­дуктов сгорания.

Газовое регулирование применяют для под­держания требуемой температуры вторично- перегретого пара, но оно связано с измене­нием топочного режима и потому влияет на температуру и перегретого пара. Газовое ре­гулирование вызывает дополнительные расхо­ды энергии на тягу и потерю теплоты с ухо­дящими газами, а также оказывает влияние на температуру перегретого пара, что услож­няет эксплуатацию.

Требуемая температура перегретого пара не обеспечивается газовым регулированием, а потому в современных котлах его применяют совместно с паровым. При наличии промежу­точного пароперегревателя неизбежно приме­
нение двух независимых методов регулиро­вания.

Рециркуляция продуктов сгорания. Отби­раемые из конвективной шахты при темпера­туре 250—350°С (обычно после экономайзера) продукты сгорания рециркуляционным дымо­сосом нагнетаются в топочную камеру, что позволяет перераспределить теплоту между отдельными поверхностями нагрева в зависи­мости от принятого коэффициента рециркуля­ции. Чем выше этот коэффициент, тем больше полученный тепловой эффект. Минимальный коэффициент рециркуляции по условиям пре­дупреждения обратного перетока по тракту рециркуляции и охлаждения устройств ввода газов в топочную камеру составляет около 5%.

Рециркулирующие продукты сгорания мож­но вводить в верхнюю или нижнюю часть топ­ки (рис. 18.22). В зависимости от схемы и коэффициента рециркуляции изменяются тем­пературный и аэродинамический режимы в зоне движения рециркулирующих продуктов сгорания. Сброс продуктов сгорания в нижнюю часть топки приводит к ослаблению прямой отдачи в топке и соответственно к повышению температуры продуктов сгорания на выходе из нее. Рециркуляция увеличивает количество газов, проходящих через пароперегреватель. Оба обстоятельства вызывают усиление кон­вективного теплообмена и, следовательно, по­вышение температуры перегретого пара. Ослабление прямой отдачи в топочной камере при рециркуляции продуктов сгорания играет положительную роль в отношении защиты экранов НРЧ от чрезмерно высоких тепловых нагрузок (см. § 17.3). Рециркуляцию продук­тов сгорания усиливают при малой нагрузке, когда температура перегретого пара снижает­ся, и, наоборот, отключают ее при большой нагрузке, когда перегрев пара возрастает, в связи с чем объем продуктов сгорания, ухо­дящих из агрегата, мало изменяется. Однако увеличенный объем продуктов сгорания в га­зоходах при сниженных нагрузках и повыше­ние приводят к возрастанию <?2 и некото­рому пережогу топлива. Наиболее рациональ­но вводить рециркулирующие газы в короб горячего воздуха горелок.

Сброс рециркулирующих продуктов сгора­ния в верхнюю часть топки не оказывает влия­ния на ее тепловую работу, но существенно снижает температуру продуктов сгорания в основном пароперегревателе, что исключает его шлакование, но приводит к некоторому снижению тепловосприятия.

Недостатком метода регулирования рецир­куляцией продуктов сгорания является необ­ходимость дополнительного оборудования и увеличения собственного расхода энергии. Это в значительной мере окупается экономией ме­талла и арматуры пароперегревателя, устанав­ливаемой при паровом регулировании. При высокой зольности топлива рециркуляция про­дуктов сгорания приводит к увеличению изно­са поверхности нагрева.

Изменение положения факела в топке. Тепловосприятие топочных экранов определя­ется не только уровнем температуры в топке, но и характером ее распределения. Изменяя положение факела, можно увеличить или уменьшить тепловосприятие в топке, а следо­вательно, И Это в свою очередь изменяет тепловосприятие промежуточного пароперегре­вателя в конвективном газоходе. Так, при повороте горелок в нижнее положение сум­марное радиационное тепловосприятие топоч­ных экранов (Эл/Qt увеличивается, а темпера­тура на выходе из топки д"т понижается (рис. 18.23). При этом уменьшается и тепло­восприятие промежуточного пароперегревате­ля, расположенного в конвективном газоходе. Наоборот, поворот осей горелок вверх топки приводит к уменьшению тепловосприятия экранов и росту температуры продуктов сго­рания на выходе из топки. Поэтому при

Рис. 18.24. Схемы регулирования температуры перегретого пара байпасированием продуктов сгорания. а — пропуском продуктов сгорания через холостой газоход; 6 — распределением продуктов сгорания по параллельным газоходам с помощью регулирующих шиберов; в — то же регулирующим дымососом; 1 — промежуточный пароперегреватель; 2 —экономай­зер; 3 — регулирующий шибер; 4 — основной дымосос; 5 — регулирующий дымосос.

Уменьшении нагрузки котла, когда температу­ра вторично-перегретого пара снижается (рис. 18.13, кривая 2), горелки поворачивают вверх топки, чтобы повысить температуру па­ра. Газовое регулирование поворотными го­релками позволяет поддерживать постоянную температуру вторично-перегретого пара в диа­пазоне нагрузок котла 100—70%

Положение факела изменяют также пере­ключением горелок, расположенных в не­сколько ярусов. Если при трех ярусах суммар­ный расход топлива через них соответствует 150% паропроизводительности, то включение любых двух ярусов обеспечивает работу котла со 100%-ной нагрузкой. Поэтому при большой нагрузке, когда перегрев пара растет, вклю­чают нижние ярусы горелок, а при малой на­грузке, наоборот,— верхние.

Байпасирование продуктов сгорания. Регу­лирование температуры перегретого пара бай­пасированием продуктов сгорания выполняют в трех вариантах: изменением расхода продук­тов сгорания через холостой газоход между пакетами пароперегревателя (рис. 18.24,а) и распределением продуктов сгорания по парал­лельным газоходам, в которых расположены различные поверхности нагрева («расщеплен­ный газоход», рис. 18.24,6, в). * Байпасирование продуктов сгорания через холостой газоход осуществляют газовыми за­слонками— шиберами. При холостом газоходе газовые заслонки работают в тяжелых темпе­ратурных условиях, коробятся, и поэтому та­кая схема применяется редко. Более надежно обеспечивается распределение продуктов сго­рания по газоходам газовыми заслонками, расположенными за поверхностью нагрева (рис. 18.24,6). Регулирование осуществляют также перераспределением расхода продуктов сгорания через газоходы экономайзера и про­межуточного пароперегревателя автоматиче­ским воздействием на регулирующий шибер или последовательно включенный с ним регу­лирующий дымосос (рис. 18.24,в). Недостаток метода — усложнение и удорожание уста­новки.