КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Классификация паровых котлов

По способу организации движения рабочей среды в поверхностях то­почных экранов все конструкции паровых котлов разделяются на три ти­па: с прямоточным движением (рис. 1.2, я), с естественной циркуляцией (рис. 1.2,6) и с принудительной циркуляцией (рис. 1.2, в). Движение воды в поверхности экономайзера и пара в пароперегревателе во всех паровых котлах однократное (прямоточное) и происходит за счет избыточного дав - рнк р

Ления, создаваемого питательным насосом перед входом воды в паровой котел.

Прямоточной паровой котел. Прямоточный котел характери­зуется последовательным включением и однократным прохождением ра­бочей средой всех поверхностей нагрева (рис. 1.2, л). Вода, поступающая в экономайзер, є практически тем же расходом проходит одним ходом все поверхности, включая топочные экраны, полностью испаряется и затем в виде перегретого пара покидает котел и по паропроводу направляется к турбине. В такой конструкции котла при переменных режимах работы из­меняются размеры зон нагрева и испарения воды и нагрева пара, что влияет на выходные параметры пара (прежде всего его температуру). Известная стабилизация параметров обеспечивается поддержанием постоянного со­отношения между расходом топлива (тепловыделением) и расходом воды. Ввиду этого прямоточный котел требует применения более совершенной быстродействующей системы автоматического регулирования.

В паровых котлах сверхкритического давления переход рабочей среды из состояния воды в состояние пара по мере получения теплоты характери­зуется плавным изменением плотности, теплоемкости и других физических показателей среды, которые постепенно приближаются к характеристикам пара. Эта зона преобразования воды в пар называется зоной фазового пере­хода (ЗФП). По своим задачам ЗФП соответствует области парообразования при ДКД.

При движении воды и пара возникают гидравлические сопротивления, которые преодолеваются избыточным напором питательного насоса. При­ближенно полное гидравлическое сопротивление рабочего тракта прямоточ­ного котла СКД составляет Дрп. к — (0, 2 — 0, 25)р„.п, в том числе сопротив­ление тракта пароперегревателя — 0,1рп. п и экономайзера — (0,02-0,03)рп. гъ где рп. п — давление перегретого пара. Таким образом, если давление пере­гретого пара рпп = 25,5 МПа, то давление питательной воды на входе в котел (в его экономайзер) составитр'эк — 1, 22рпм — 1, 22-25, 5 = 31,1 МПа.

Компоновка поверхностей нагрева в прямоточном паровом котле по­казана на рис. 1.3. Поверхность экономайзера в конвективной шахте обес­печивает нагрев поступающей из турбинного отделения питательной воды до температуры, близкой к насыщению при рабочем давлении воды. По­сле прохождения поверхности экономайзера питательная вода поступает в нижние коллекторы топочных экранов.

Окончательный догрев воды до кипения происходит в топочном экране (радиационный экономайзер). Полное экранирование стен топочной камеры достигается в этом случае соединением нескольких самостоятельных пане­лей из труб, по которым организуется последовательное движение рабочей среды. По высоте топочная камера разделяется на две или три части (на рис. 1.3 — две таких части) с перемешиванием потока рабочей среды (вы­равниванием температур). В каждой из частей конструкция экранирующих панелей может быть различной.

В прямоточном котле экранируются панелями из пароперегреватель - ных труб также боковые стены горизонтального газохода, поворотной ка­меры и потолочное перекрытие котла (на рис. 1.3 не показано), после чего

>

>

Пар на котлах большой мощности поступает в полурадиационную (шир­мовую) поверхность, в которой плоские ширмы созданы большим числом труб малого диаметра в одном ряду. Затем пар поступает в конвективную змеевиковую поверхность перегревателя, состоящую из поперечных рядов труб, многократно согнутых U-образно, откуда пар, достигший окончатель­ной температуры, направляется в паровую турбину.

В указанной конструкции котла после экономайзера использован ре­генеративный вращающийся на вертикальной оси воздухоподогреватель, в котором газы отдают тепло металлическим пластинам (теплообменной по­верхности) в одной половине корпуса воздухоподогревателя, а затем нагре­тый металл отдает тепло воздуху в другой его половине (см. раздел 2.4.2).

Отсутствие необходимости отделения пара от воды в рабочем тракте котла позволяет использовать его не только при докритическом, но и при сверхкритическом давлении рабочей среды. В связи с этим прямоточные котлы являются универсальными, применимыми для любых давлений пара и в настоящее время широко используются в энергетике.

Паровые котлы с естественной циркуляцией. От­личительной конструктивной особенностью такого котла является наличие барабана (рис. 1.2,6), выполняющего роль сепаратора пара из потока паро­водяной смеси, поступающей в него из топочных экранов.

Барабан котла вместе с системой необогреваемых опускных труб, вы­ходящих из него, и подъемных (экранных) труб внутри топочной камеры образует замкнутый циркуляционный контур, в котором при горении топ­лива в топке организуется движение воды (опускные трубы) и пароводяной смеси (подъемные трубы). Движение рабочей среды происходит за счет возникновения естественного напора, определяемого разностью гидроста­тических давлений массы воды и пароводяной смеси в опускных и подъ­емных трубах и названного движущим напором естественной циркуляции (см. рис. 1.2):

5ДВ = #п(Роп ~ Рем)<7, (1.1)

ГДС Рот Рем ~~ соответствующая плотность воды в опускных трубах и сред­няя плотность пароводяной смеси в подъемных трубах, кг/м3, д — ускорение свободного падения, м/с2; Нп — высота паросодержащей части контура, м.

При относительно небольшой разности плотностей воды и пароводя­ной смеси необходимый движущий напор получают увеличением в высоту контура циркуляции.

Конструктивное выполнение парового котла с естественной циркуля­цией показано на рис. 1.4. В этом типе котла вода после конвективного экономайзера поступает в барабан и там смешивается с котловой водой, циркулирующей в замкнутом контуре. Опускные грубы выходят из нижней части барабана и подают котловую воду в нижние коллекторы топочных

І'л л і ід 1

Экранов. Далее, поступая в интенсивно обогреваемые трубы, вода частично испаряется, и отделившийся затем в барабане насыщенный пар поступает в поверхности пароперегревателя.

Возникающий в контуре циркуляции движущий напор обеспечивает движение рабочей среды в подъемных трубах с небольшой скоростью (око­ло 1 м/с), при этом за один проход через подъемные трубы происходит ча­стичное испарение воды (от 0,03 до 0,25 кг/кг), поэтому полное испарение исходного 1 кг воды произойдет при многократном прохождении контура. Отношение массового расхода циркулирующей воды Go, кг/с, к количеству образовавшегося пара в единицу времени D, кг/с, называется кратностью циркуляции:

' (1.2)

В паровых котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции обычно составляет от 10 до 30. Таким образом, расход воды в контуре циркуляции в Л'ц раз больше паропроизводительности котла.

Общее сопротивление водо-парового тракта барабанного котла опреде­ляется гидравлическим сопротивлением при движении воды в трубах эко­номайзера от входного коллектора до поступления воды в барабан котла — Дрэк = 0,05рп. п и аналогичным сопротивлением тракта пароперегревателя от барабана до выхода перегретого пара из котла — ДрПе — (0,1 — 0,15)рп п» где рп п — давление перегретого пара за котлом, МПа. Такие же значения имеют Дрпе и Арж в прямоточном котле докритического давления.

Паровые котлы с принудительной циркуляцией. В парообразующих трубах можно организовать принудительное движение рабочей среды за счет специального насоса, установленного на опускных трубах. Такие агрегаты получили название котлов с принудительной цирку­ляцией (рис. 1.2, в). Движущий напор циркуляции в этом случае в несколько раз превышает напор естественной циркуляции. Это позволяет увеличить скорость движения и располагать парообразующие трубы в топке любым образом (наклонно, горизонтально), исходя из размещения котла в ограни­ченных по высоте помещениях, и более удобно его конструировать. По­вышается надежность циркуляции рабочей среды в экранных трубах. Од­нако значительным оказывается расход электроэнергии на привод насоса принудительной циркуляции, поэтому в этом случае уменьшают значение кратности циркуляции до А'ц = 3 — 5.

Наличие в двух последних типах паровых котлов барабана-сепаратора насыщенного пара позволяем использовать их только при докрптичсском давлении, обычно. не более р -- 18 МПа. Отечественная энергетика бази­руется на применении двух типов паровых котлов: прямоточных и с есте­ственной циркуляцией. В зарубежной практике наравне с прямоточными широко используются котлы с принудительной циркуляцией.

Питательная вода, поступающая в котел с температурой 230~270°С после регенеративного нагрева паром из отборов турбины и термической обработки в деаэраторе с целью удаления агрессивных газов (см. рис. В.2), содержит небольшое остаточное количество взвешенных и растворенных веществ. В прямоточном котле ДКД по мере движения воды в трубах то­почных экранов увеличивается паро содержание потока и соответственно повышается концентрация примесей в оставшейся воде, в результате чего начинается выпадение твердой фазы на внутренних стенках труб (накипь из солей жесткости, окислы металлов, прежде всего железа). Малая теп­лопроводность отложений (в десятки раз меньше теплопроводности стали) ухудшает теплоотдачу от стенки к воде, и при интенсивном обогреве труб возможен их перегрев. Под воздействием внутреннего давления это может привести к разрыву труб.

В прямоточных котлах СКД обеспечивают высокую степень очистки питательной воды, близкой к качеству пара, в этом случае переходную зо­ну от воды к пару (зону фазового перехода) оставляют в топочной камере, но размещают в области более низких тепловых потоков. В котлах с есте­ственной и принудительной циркуляцией при относительно малом паро­образовании в подъемных трубах экранов заметных отложений на стенках труб не допускается. Исключение накопления примесей в котловой воде достигается выводом небольшой части более загрязненной котловой воды из барабана (непрерывная продувка).