Двойнишников - Конструкция и расчет котлов и котельных установок (1988)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В принятых XXVII съездом КПСС «Основных направлениях  экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» указывается на необходимость эффективнее развивать топливно - энергетический комплекс и реализовать Энергетическую программу СССР.

Энергетическая программа СССР рассчитана на длительную перспективу. Она определяет главные направления по развитию и совершенствованию всего топливно-энергетического комплекса страны. Реализация этой программы является Д одним из необходимых условий для ускорения перевода экономики на интенсивный путь развития, позволит увеличить энерговооруженность различных отраслей народного хозяйства.

Основные положения Энергетической программы СССР в области производства электроэнергии предусматривают:

проведение энергосберегающей политики на базе ускорения научно-технического прогресса;

обеспечение опережающих темпов роста производства электроэнергии по сравнению с темпами роста добычи и производства первичных энергетических ресурсов;

снижение в топливном балансе электростанций вначале доли мазута, а затем и природного газа;

ускоренное развитие крупнейших топливных баз в восточных районах — Канско-Ачинского и Экибастузского топливно-энергетических комплексов;

ускоренное развитие атомной энергетики;

экономически оправданное комплексное освоение гидроэнергетических  ресурсов Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии.

Из общего количества вырабатываемой в нашей стране электроэнергии большая доля приходится на тепловые электростанции. Данное обстоятельство ставит перед теплоэнергетикой сложные и ответственные задачи по экономии топлива, обеспечению надежности оборудования, улучшению его конструктивных решений, направленных на снижение удельной металлоемкости, совершенствованию технологии изготовления, уменьшению сроков монтажа, повышению степени автоматизации управления рабочим процессом, выполнению возрастающих требований по охране окружающей среды.

Успешное решение этих задач, способствующих ускорению  социально-экономического развития страны, во многом зависит от уровня конструкторско- технологической подготовки специалистов. Поиск оптимальных конструктивных технических решений неразрывно связан с глубоким знанием процессов,  протекающих в проектируемом оборудовании, выбором современной технологии, учетом условий работы оборудования и требований его транспортировки, монтажа и ремонта.

В учебнике изложены основы конструирования важнейшего теплосилового оборудования тепловых электростанций — котла. Рекомендациям по расчету и проектированию, основанным на действующих нормативных документах,  сопутствует рассмотрение физической сущности процессов, протекающих в котлах.

ВВЕДЕНИЕ

Предприятия или установки, предназначенные для производства электрической энергии, называются  электростанциями. Электроэнергию на них получают путем преобразования других видов энергии. Источниками энергии могут быть  движущаяся вода, топливо, атом и нетрадиционные возобновляемые источники (ветровой, приливной, геотермальной, солнечной  энергии и др.). Наибольшее распространение в настоящее время  получили гидравлические, тепловые и атомные электростанции.

Тепловые электростанции (ТЭС) преобразуют химическую энергию топлива (угля, газа, мазута) в электрическую энергию и теплоту. Электростанции, преобразующие в теплоту, называют атомными электростанциями (АЭС). Тепловая электростанция, оборудованная паровыми турбинами, работающими по конденсационному циклу, называется  конденсационной (КЭС). Тепловая электростанция с  комбинированным производством электрической энергии и теплоты в  теплофикационных паротурбинных установках — это  теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). ТЭЦ отличается от КЭС наличием отводящих  паропроводов к промышленным тепловым потребителям и  специальными подогревателями сетевой воды, использующими  регулируемые отборы пара из турбины.

Современная электростанция — это сложное предприятие, включающее большое количество различных видов оборудования (теплосилового, электрического, электронного и др.) и  строительных конструкций. Основным теплосиловым оборудованием ТЭС являются котельная и паротурбинная установки. Котельная установка представляет собой совокупность котла и вспомогательных устройств. Она предназначена для получения пара заданных параметров или для нагрева воды под давлением. Последовательность получения и использования пара и  преобразования одних видов энергии в другие можно проследить на  примере технологической схемы ТЭС, работающей на твердом топливе.

Поступающее на ТЭС топливо (уголь) выгружается из вагонов 14 разгрузочными устройствами 15 и подается через дробильное помещение 12 конвейерами 16 в бункера сырого топлива или на склад 13 резервного топлива. Уголь  размалывается в мельницах 22. Угольная пыль, пройдя сепаратор 7 и циклон 8 из  пылевых бункеров 6 вместе с горячим  воздухом, подаваемым вентилятором 20, поступает в топку 21 котла 9. 

Образующиеся в топке высокотемпературные продукты сгорания при движении по газоходам нагревают воду в теплообменниках 10 (поверхностях нагрева) котла до состояния перегретого пара. Пар, расширяясь в  ступенях турбины 2, приводит во вращение ротор турбины и  соединенный с ним ротор электрического генератора 1, в котором возбуждается электрический ток. Вырабатываемая  электроэнергия с помощью повышающих трансформаторов 30  преобразуется в ток высокого напряжения и передается потребителям. В турбине пар расширяется и охлаждается. После турбины пар поступает в конденсатор 28, в котором поддерживается  разрежение. Воду в конденсатор подают из природного или  искусственного источника 24 циркуляционными насосами 25,  расположенными в насосной станции 23. Полученный конденсат насосами 32 перекачивается через обессоливающую установку и  подогреватели низкого давления (ПНД) 31 в деаэратор 4. Здесь при  температуре, близкой к температуре насыщения, происходит  удаление растворенных в воде газов, вызывающих коррозию  оборудования, и подогрев воды до температуры насыщения. Восполнение потерь конденсата (утечки через неплотности в трубопроводах станции или в линиях потребителей) производится химически очищенной в специальных установках 29 водой, добавляемой в деаэратор. Дегазированная и подогретая вода (питательная вода) подается питательными насосами 27 в регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД) 26, а затем в котел. Цикл преобразования рабочего тела повторяется. Под рабочим телом понимается пар и используемая для этого вода, которую получают специальной обработкой.

Охлажденные в теплообменниках 10 продукты сгорания  очищаются от золы в золоуловителях 19 и дымососом 17 через дымовую трубу 11 выбрасываются в атмосферу. Уловленная зола и шлак по каналам 18 гидрозолоудаления направляются в золоотвал.

Промежуточные перегреватели и дополнительные  паропроводы «горячего» и «холодного» промежуточного пара с арматурой значительно усложнили тепловую схему ТЭС, схему  регулирования работы котлов и турбин на ТЭС с поперечными связями (рис. 3, а). Во все котлы 1 вода подается из общей питательной магистрали 6, а свежий пар собирается в общем главном  паропроводе 5. В этом случае все котлы ТЭС соединены  трубопроводами воды и пара. В блочных схемах (рис. 3, б) котел 1, турбина 2, генератор 3 и трансформатор не соединены с другим аналогичным оборудованием. Теплосиловое оборудование, связанное таким образом, представляет энергетический блок.

Необходимость тесной взаимосвязи всех элементов энергоблока на различных режимах следует учитывать при проектировании котла, турбины и вспомогательного оборудования, при разработке пусковых схем энергоблоков. Наиболее сложным оборудованием энергоблока являлся котел. По условиям надежности в первом варианте энергоблока устанавливали по два котла (корпуса) на одну турбину — дубль - блоки. Причем котлы имели как одинаковые поверхности нагрева (симметричные дубль - блоки), так и разные (несимметричные дубль - блоки). Во втором варианте в одном корпусе котла размещали, например, преимущественно промежуточные перегреватели, а в другом — основные. В симметричных дубль - блоках возможна работа одного котла и блока с половинной нагрузкой при остановленном втором котле. Это несколько повышает надежность блока, но увеличивает капитальные затраты. В мощных моноблочных установках C00, 500 и 800 МВт) с каждой турбиной работает однокорпусной котел.

Ввиду неравномерного использования электроэнергии в  течение суток, недели, месяца и года возникает необходимость в частых остановах и последующих пусках энергоблоков. При останове энергоблока и отключении генератора 3 и турбины 2 значительные расходы пара, аккумулированного в котле (рис. 4, а), надо быстро сбросить помимо турбины 2 (через байпас) в конденсатор 4.

Если в котле имеется промежуточный перегреватель 7, установленный в зоне высоких температур, то, байпасируя цилиндр высокого давления (ЦВД) турбины, пар направляют через редукционно-охладительную установку 6 (РОУ) на охлаждение промежуточного перегревателя. Затем пар подают в конденсатор через РОУ 5. Энергоблоки с такой схемой байпасирования турбины получили название двухбайпасных. Наличие байпасных паропроводов с арматурой и системами регулирования, которые должны срабатывать быстро и синхронно, усложняет работу энергоблока. В последнее время большое распространение получила однобайпасная схема энергоблока (рис. 4, б). Пар, минуя оба корпуса турбины и промежуточный перегреватель, сразу сбрасывается в конденсатор 4 через пуско - сбросное устройство 6 (ПСБУ). В котлах таких энергоблоков промежуточные перегреватели размещают в зоне умеренных температур. В этом случае пуск энергоблока можно проводить без охлаждения промежуточного перегревателя, т. е. без подачи в него пара.

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ КОТЛОВ

§ 1. СХЕМА КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. ТИПЫ КОТЛОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В зависимости от назначения котельная установка состоит из котла соответствующего типа и вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу. Котел — это  конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройств для  получения пара или для нагрева воды под давлением за счет теплоты сжигаемого топлива, при протекании технологического процесса или преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для нормального функционирования котла необходимо обеспечить подготовку и подачу к нему топлива, подачу окислителя для горения, а также удалить образующиеся продукты сгорания, золу и шлак (при сжигании твердого топлива) и др. 

Вспомогательное оборудование котла —это дутьевые вентиляторы и  дымососы для подачи воздуха в котел и удаления из него в атмосферу продуктов сгорания; бункера, питатели сырого топлива и пыли; углеразмольные мельницы для обеспечения непрерывной подачи и приготовления пылевидного топлива требуемого качества; золоулавливающее и золошлакоудаляющее оборудование для очистки дымовых газов от золовых частиц с целью охраны окружающей среды от загрязнения и для организованного отвода уловленной золы и шлака; устройства для профилактической очистки  наружной поверхности труб котла от загрязнений; контрольно-измерительная аппаратура; водоподготовительные установки для обработки исходной (природной) воды до заданного качества.

Рассмотрим схему котельной установки (рис. 5) по трактам соответствующего назначения: пароводяного, топливного, воздушного, газового и золошлакоудаляющего. Котел — барабанный, высокого давления с естественной циркуляцией со сжиганием твердого топлива в пылевидном состоянии.

Основными элементами котла являются поверхности нагрева — теплообменные поверхности, предназначенные для передачи  теплоты от теплоносителя к рабочей среде (воде, пароводяной смеси, пару или воздуху). В зависимости от процессов преобразования рабочего тела различают нагревательные, испарительные и перегревательные поверхности нагрева.

Теплота от продуктов сгорания может передаваться  излучением (радиацией) и конвекцией. В соответствии с этим различают поверхности нагрева радиационные, конвективные и радиационно-конвективные (полурадиационные).

Нагревательной поверхностью является экономайзер 18,  предназначенный для подогрева или для подогрева и частичного  испарения питательной воды, поступающей в котел. В соответствии с этим различают экономайзеры некипящего или кипящего типа.

Экономайзер располагают в зоне относительно невысоких  температур в конвективной опускной шахте, они являются конвективными поверхностями нагрева.

Испарительные поверхности нагрева размещают в топке 9 в  области наиболее высоких температур или в газоходе, расположенном за топкой. Это, как правило, радиационные или радиационно-конвективные поверхности нагрева — экраны, фестоны, котельные пучки. Экраны — это поверхности нагрева котла,  расположенные на стенах топки и газоходов и ограждающие их от  воздействия высоких температур. Экраны могут быть установлены  внутри топки — двусветные экраны. В этом случае они подвергаются двустороннему облучению.

Следует отметить, что фестон и особенно котельные пучки  применяют в котлах среднего давления относительно небольшой  производительности. Фестон — полурадиационная поверхность нагрева, располагаемая в выходном окне топки и образованная, как правило, трубами заднего экрана, разведенными на значительные расстояния путем образования многорядных пучков. Котельный пучок — это система параллельно включенных труб конвективной парообразующей поверхности котла, соединенных общими  коллекторами' или барабанами.

Перегреватели (перегревательные поверхности нагрева) могут быть радиационными, ширмовыми и конвективными. Радиационные перегреватели располагают на стенах топки или на ее потолке и соответственно называют настенным радиационным или  потолочным перегревателем. Ширмовые перегреватели 15 —  поверхности нагрева, в которых ширмы расположены с большим поперечным шагом (не менее пяти диаметров трубы), — получают теплоту газов излучением и конвекцией примерно в равных количествах.

Конвективные перегреватели 16 устанавливают в газоходах: в переходном горизонтальном или в начале (по ходу газов)  конвективной шахты.

Совокупность последовательно расположенных по ходу  рабочего тела поверхностей нагрева, соединяющих их трубопроводов и установленных дополнительных устройств составляет пароводяной тракт котла. В основной пароводяной тракт котла, схема которого показана на рис. 5, входят экономайзер 18, отводящие трубы, барабан 14, опускные трубы 10 и нижний  распределительный коллектор 6, экраны, потолочный перегреватель, первая и вторая ступени конвективного перегревателя 16. Промежуточный перегреватель 17 является элементом пароводяного тракта  промежуточного перегрева пара.

Топливный тракт котла представляет собой совокупность  оборудования для подачи топлива к горелкам 8 и подготовки его к сжиганию. Он включает конвейер, бункер 2, питатели 3 сырого топлива и пыли, топливные течки и пылепроводы. Бункера сырого топлива, предназначенные для хранения определенного, постоянно возобновляемого запаса топлива, обеспечивают непрерывную работу котла. Питатели сырого топлива — устройства для дозирования и подачи топлива из бункера в мельницу 4,  предназначенную для получения угольной пыли требуемого качества. В мельницу одновременно с топливом для его сушки подается сушильный агент, в данном случае воздух (по коробу 5).

Подогретый в воздухоподогревателе 19  воздух используется для сушки топлива, что позволяет повысить  интенсивность и экономичность его горения. Различают  рекуперативные и регенеративные воздухоподогреватели. В  рекуперативном (в данном случае трубчатый) воздухоподогревателе теплота от продуктов сгорания к воздуху передается через разделяющую их теплообменную поверхность. В регенеративном  воздухоподогревателе передача теплоты от продуктов сгорания к воздуху  осуществляется через одни и те же периодически нагреваемые  (продуктами сгорания) и охлаждаемые (воздухом) теплообменные  поверхности.

Продукты сгорания проходят последовательно все поверхности нагрева и после очистки от золы в золоуловителях 21 выводятся через дымовую трубу 23 в атмосферу. Все это составляет газовый тракт котла, который может находиться под давлением (дутьевого вентилятора) либо, как в рассматриваемой котельной установке, под разрежением. В последнем случае в газовом тракте после золоуловителей установлен дымосос 22.

Шлакоудаляющие устройства 25, золоуловители 21 и каналы 24 входят в тракт золошлакоудаления. Элементами котла являются обмуровка и каркас. Обмуровка 12 — система огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций, предназначенная для уменьшения тепловых потерь и обеспечения плотности. Каркас 13 — несущая металлическая конструкция, воспринимающая нагрузку от массы котла с  находящимся в нем рабочим телом и все другие возможные нагрузки и обеспечивающая требуемое взаимное расположение элементов котла. На каркасе котла предусмотрены площадки обслуживания и переходные лестницы.

Котлы классифицируют в зависимости от вида  соответствующего тракта и его оборудования. По виду сжигаемого топлива и соответствующего топливного тракта различают котлы для  газообразного, жидкого и твердого топлива. По газовоздушному тракту различают котлы с естественной и уравновешенной тягой и с наддувом. В котле с естественной тягой сопротивление газового тракта преодолевается под действием разности плотностей атмосферного воздуха и газа в дымовой трубе. Если сопротивление газового тракта (так же, как и воздушного) преодолевается с помощью дутьевого вентилятора, то котел работает с наддувом. В котле с уравновешенной тягой давление в топке М начале газохода (поверхность нагрева 5) поддерживается близким к атмосферному совместной работой дутьевого вентилятора и дымососа. В настоящее время стремятся все  выпускаемые котлы, в том числе и с уравновешенной тягой, изготовлять газо - плотными.

По виду пароводяного тракта различают барабанные (рис. 6, а, б) и прямоточные (рис. 6, е) котлы. Во всех типах котлов через экономайзер 1 и перегреватель 6 вода и пар проходят однократно. В барабанных котлах пароводяная смесь в испарительных  поверхностях нагрева 5 циркулирует многократно (от барабана 2 по опускным трубам 3 к коллектору 4 и барабану 2). Причем в  котлах с принудительной циркуляцией (рис. 6, б) перед входом воды в испарительные поверхности 5 устанавливают дополнительный насос 8. В прямоточных котлах (рис. 6, е) рабочее тело по всем поверхностям нагрева проходит однократно под действием напора, развиваемого питательным насосом 7.

В прямоточных котлах докритического давления  испарительные экраны 5 располагают в нижней части топки, поэтому их называют нижней радиационной частью (НРЧ). Экраны, расположенные в средней и верхней частях топки, преимущественно являются перегревательными 6. Их соответственно называют средней радиационной частью (СРЧ) или верхней радиационной частью (ВРЧ).

Для увеличения скорости движения воды в некоторых  поверхностях нагрева (как правило НРЧ) при пуске прямоточного котла или работе на пониженных нагрузках обеспечивают  принудительную рециркуляцию воды специальным насосом 8 (рис. 6, г). Это котлы с рециркуляцией и комбинированной циркуляцией.

По фазовому состоянию выводимого из топки шлака  различают котлы с твердым и жидким шлакоудалением. В котлах с твердым шлакоудалением (ТШУ) шлак из топки удаляется в твердом состоянии, а в котлах с жидким шлакоудалением (ЖШУ) — в  расплавленном.

Стационарные котлы характеризуются следующими основными параметрами: номинальной паропроизводительностью, давлением, температурой пара (основного и промежуточного перегрева) и питательной воды. Под номинальной паропроизводительностью понимают наибольшую нагрузку (в т/ч или кг/с) стационарного котла, с которой он может работать в течение длительной  эксплуатации при сжигании основного вида топлива или при подводе номинального количества теплоты при номинальных значениях пара и питательной воды с учетом допускаемых отклонений.

Номинальные значения давления и температуры пара должны быть обеспечены непосредственно перед паропроводом к  потребителю пара при номинальной паропроизводительности котла (а температура также при номинальном давлении и температуре питательной воды).

Номинальная температура промежуточного перегрева пара — это температура пара непосредственно за промежуточным перегревателем котла при номинальных значениях давления пара, температуры питательной воды, паропроизводительности и остальных параметров пара промежуточного перегрева с учетом допускаемых отклонений.

Номинальная температура питательной воды —это температура воды, которую необходимо обеспечить перед входом в  экономайзер или другой подогреватель питательной воды котла (или при их отсутствии — перед входом в барабан) при номинальной паропроизводительности.