КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Специальные конструкции котлов

Кроме основных — паровых котлов высокого и сверхкритического дав­ления, — на ТЭС используются и другие типы котлов, некоторые из них могут стать прообразом для будущего развития теплотехники.

Пиковые водогрейные котлы (ПВК). Они широко ис­пользуются на большинстве ТЭЦ в период наиболее низких температур наружного воздуха (ниже — 12-15°С), когда возникает кратковременная потребность заметного увеличения отдачи тепла на отопление (от 500 до 1 200 час. в год). Это обычно достигается повышением температуры сетевой воды циркулирующей между ТЭЦ и городским районом от 100-1 10°С до 140~150°С, что возлагается на ГІВК. Мощность ПВК определяется количе­ством тепла, передаваемого воде, и называется теплопроизводителъностъю /JBK, значения которой составляют от 50 до 180 Гкал/ч (58-209 МДж/с). Во­догрейные котлы в основном работают на природном газе и мазуте (меньше выбросы загрязнений) и реже — на твердом топливе.

На рис. 1.10 представлен наиболее крупный котел этой серии — КВГМ-180-150 (котел водогрейный для газа или мазута, теплопроизводи - тельностью 180 Гкал/ч и нагревом воды до 150°С), имеющий Т-образную компоновку поверхностей нагрева (две опускные конвективные шахты с обеих сторон топки). Нагрев воды происходит сначала в экранных трубах топки, а затем в змеевиковых конвективных пакетах, расположенных в па­раллельных шахтах. Движение воды в поверхностях котла — прямоточное под напором сетевых насосов, давление воды до 2,4 МПа, максимальный расход — 123 кг/с (4 422 т/ч). Продукты сгорания покидают котел и уходят в дымовую трубу с температурой 195°С на мазуте и 170°С на газе. Столь высокая температура газов здесь оправдана малым временем их эксплуата­ции.

Настенные экраны топки и конвективных шахт — газоплотные, выпол­нены из труб диаметром 60 х 4 мм, змеевики в конвективных газоходах — из труб 32 х 3 мм. Топка котла имеет 6 газомазутных горелок (по 3 встречно на боковых стенах), воздух для горения не подогревается, подается вен­тиляторами непосредственно в горелки и зимой может иметь температуру ниже 0°С.

Котлы для сжигания углей в кипящем слое (КС). Ухудшение качества добываемых углей (повышение зольности и влажно­сти до значений выше 50-60% массы угля) вызывает затруднения при их сжигании факельным способом в топочной камере (срыв пламени, шлакова­ние экранов, затруднения с понижением нагрузки). Организация сжигания таких топлив в так называемом кипящем слое является развитием ранее известного способа слоевого сжигания (рис. 1.1, б, в). Для сжигания в КС поступает дробленый уголь с максимальным размером частиц до 25-30 мм.

На рис. 1.11 показаны наиболее характерные схемы КС, применяющи­еся сегодня в энергетике. Более широко распространено сжигание топлив ухудшенного качества в низкотемпературном кипящем слое (рис. 1.11, я). Топливо подается на слоевую решетку, под которую поступает воздух от высоконапорного вентилятора. В результате слой топлива взрыхляется (его высота 0,7-1,0 м и плотность частиц 250-400 кг/м3). При этом частицы раз­мером менее 6-10 мм выносятся воздухом в верхнюю часть слоя и образуют второй, так называемый разбавленный слой топлива (высотой до 1,5-2,0 м) с плотностью частиц в объеме не выше 20-30 кг/м3. Здесь более крупные частицы оказываются в возвратно-поступательном движении до тех пор, пока за счет горения не достигнут малых размеров (менее 1 мм) и будут выноситься далее в объем верхней части топочной камеры, где должны полностью сгореть. В нижнем плотном слое по мере сгорания топлива на­капливаются крупные золовые частицы, и массовая доля свежего топлива обычно составляет 5-1%. Верхняя граница этого слоя поддерживается за счет постоянного вывода золы за пределы топки.

Поддержание низкотемпературного горения с температурой 850~950°С обеспечивается размещением в плотном слое топлива поверхности нагрева

В виде многотрубных змеевиков. Отвод тепла из горящего слоя к трубам происходит за счет прямого контакта раскаленных частиц топлива и золы с поверхностью труб (кондуктивный метод теплообмена), который характе­ризуется высокой интенсивностью — 250-400 Вт/м2К, что в 5-8 раз выше, чем конвективный теплообмен при омывании труб горячими газами. Однако недостаток такого способа охлаждения КС связан с довольно интенсивным износом поверхности труб частицами золы и топлива. В верхней части топ­ки тепловыделение от догорающих мелких частиц компенсируется отводом тепла к топочным экранам, и температура газов сохраняется примерно на том же уровне - 800-900°С.

В результате в кипящем слое можно сжигать топлива с очень низкой теплотой сгорания при большом содержании балласта в топливе, которые в обычной топке с факельным способом сжигания гореть не могут. Низ­кая температура горения исключает шлакование стен топки (температура начала шлакования обычно больше 950°С), резко снижает возможность об­разования оксидов азота. Для подавления выброса оксидов серы SO2 в слой горящего топлива вводят известняк в соотношении Mca/Ms — 2, где Мса и Ms — масса кальция в известняке и масса серы в поступающем на сжигание топливе. В результате связывания серы топлива в сульфаты кальция выброс SO2 с газами может быть снижен в 10 раз.

Топки с кипящим слоем нашли применение при. сжигании отходов уг­леобогащения (с повышенной зольностью), а также сильнозольных и высо­косернистых бурых углей на котлах производительностью 10-25 т/ч и выше. На рис. 1.12 показана конструкция котла, производительностью 75 т/ч при

Давлении пара 3,9 МПа с низкотемпературным кипящим слоем в нижней части топки. В плотной зоне КС расположены испарительная и паропе - регревательная поверхности теплообмена. Движение воды и пароводяной среды в экранных трубах — принудительное за счет напора циркуляционно­го насоса. Воздух после высоконапорного дутьевого вентилятора подается под решетку и имеет расчетную скорость на сечение топки — 4-6 м/с.

Рис. 1.12. Конструкция парового кот­ла с низкотемпературным кипящим слоем: 1 —. разбавленный слой топ­лива; 2 — объем камерной топки; 3, 4 — змеевиковая паропарегрева-. тельная и испарительная поверхно­сти теплообмена; 5 — отвод золы из плотного слоя; 6 — подача топлива в слой; 7 — решетка кипящего слоя; 8 — насос принудительной циркуля­ции; 9 — короб подогретого воздуха.

Котлы с циркуляционным кипящим слоем (ЦКС). Основ­ное отличие зоны горения ЦКС от обычного КС связано с повышени­ем расчетной скорости воздуха в сечении топки до 6-8 м/с. При этом плотный слой топлива и золы еще более разрыхляется, а частицы зо­лы и топлива размером менее 4-6 мм уносятся в верхнюю часть топ­ки, и вторая зона горения размыта по высоте (рис. 1.11,6, в). В резуль­тате в потоке газов на выходе из топки оказывается заметная концен­трация твердых частиц (порядка 7 -10 кг/м3), включая несгоревшее топ­ливо (частицы кокса размером не более 1 мм), поэтому в газовом трак­те после топки устанавливается так называемый «горячий» циклон для улавливания уноса. Он работает при температуре газов 850-900°С и из­нутри футерован огнеупорным материалом. Циклон имеет КПД по улав-

Ливанию частиц около 99%, далее газы, содержащие только мелкие ча­стицы в количестве, равном поступающей с топливом массы золы, на­правляются в обычную конвективную шахту котла. Зола и коксовые ча­стицы после циклона возвращаются в зону горения топлива на слоевую решетку.

Схемы є ЦКС различаются наличием или отсутствием теплообменни - ка в тракте возврата горячей золы (рис. 1.11,6, в). Чаще используется схема по рис. 1.11, в, в которой зола после теплообменника и сифона для сме­шения с воздухом имеет температуру 650-700°С. При КПД циклона 99% возврат золы примерно в 100 раз превышает массу минерального состава поступающего топлива. Эта большая масса золовых частиц стабилизирует температуру горения свежего топлива на уровне 850-900°С, сохраняя пре­имущества низкотемпературного горения, которые отмечены выше для КС.

На рис. 1.13 приведен эскиз котла паропроизводительностью 230 т/ч с параметрами пара 10 МПа и 510°С, выполненного по схеме рис. 1.11,6. Нижняя зона взрыхленного топлива выполнена конусообразно и футеро­вана огнеупорным материалом, призматическая часть топки имеет сечение 9,95 х 4,8 м, стены топки экранированы испарительными трубами. Охла­ждение потока газов с горящими частицами обеспечивается установкой ширмовых поверхностей из пароперегревательных труб. Для регулирова­ния температуры газов дополнительно используется газовая рециркуляция. На выходе из топки установлены два циклона диаметром 5,1 м каждый. Из циклонов дымовые газы двумя трубопроводами направляются в опускную конвективную шахту, где располагаются конвективные трубные поверхно­сти котла! Зола из циклонов в количестве 4 700 т/ч поступает в сифоны, где разрыхляется первичным воздухом, возвращается в зону горения и стаби­лизирует температурный режим на низком уровне.

К о т л ы-у тилизаторы (К-У). Уже давно котлы этого типа получили распространение на промышленных предприятиях как дополнение к высо­котемпературным технологическим печам с целью полезного использования теплоты уходящих газов (утилизация тепла). Отличительная особенность такого типа котлов — отсутствие топочного устройства для сжигания топ­лива в топке, которая превращается в обычный газоход. В качестве примера на рис. 1.14 показан К-У, установленный за печами для производства тех­нической сажи. Газы после печи имеют температуру 1 260°С и поступают в нижнюю часть подъемного газохода котла. В нем находятся экранные на­стенные поверхности, W-образные трубные ленты и конвективный пакет перегревателя. За счет тепла газового потока здесь испаряется часть воды и перегревается пар. В экранных и ленточных поверхностях происходит естественная циркуляция воды и пароводяной смеси. Из К-У для выработ­ки электроэнергии поступает пар с расходом до 80 т/ч, давлением 4,5 МПа и температурой 440°С, что обеспечивает электрическую мощность около 8 МВт. Для поддержания постоянного теплового потенциала поступающих газов перед К-У установлен предтопок с газовой горелкой. Горячий воздух от котла в основном используется для работы промышленных печей.

В энергетике котлы-утилизаторы большой мощности появились в по­следнее время при разработке комбинированных схем ПГУ (см. рис. 1.15

И В. З), имеющих поверхности нагрева чаще всего двух давлений (высокое 8 МПа и низкое — 4 МПа). В этом случае К-У имеет только змеевиковые поверхности экономайзера и перегревателя пара, а испарение воды проис­ходит в трубных пакетах, подобных тем, которые изображены на рис. 1.11 ,в, при омывании их газами после ГТУ. В результате на утилизации тепла га­зов после газовых турбин вырабатывается до 30% полной мощности ПГУ, а КПД установки повышается до 50-52%.