КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

(Конструкционные характеристики энергетических котельных агрегатов)

ВВЕДЕНИЕ

В данное справочное пособие включены материалы по устройству и конструкцион­ным характеристикам котельных агрегатов: прямоточных с паропроизводительностью 660-3950 т/ч; с естественной циркуляцией паропроизводительностью 160-690 т/ч; а также высоконапорных парогенераторов, изготовляемых производственными объединениями «Красный котельщик» и «Сибэнергомаш», а также Подольским машиностроительным за­водом (ЗиО).

Котлы предназначены для работы в составе энергоблоков ТЭС и ТЭЦ, а также на ТЭС с поперечными связями.

Для различных типов котлов приведены краткие описания конструкций, основные технические, габаритные характеристики, перечень основного котельно-вспомогательного оборудования.

Типы и параметры котлов соответствуют ГОСТ 3619-89 «Котлы паровые ста­ционарные. Типы, основные параметры».

Технические характеристики паровых котлов приведены в соответствии с требова­ниями ГОСТ 28 269-89 «Общие технические требования. Котлы паровые стационарные большой мощности».

Высоконапорные парогенераторы представлены по проектным показателям.

Как правило, все котлы выполняются газоплотными, с цельносварными ограждаю­щими панелями.

В пособии представлены типовые конструкции котлов, однако в зависимости от ха­рактеристики топлива, места установки и других условии строящейся или расширяемой, а также модернизируемой электростанции завод может вносить изменения в конструкцию котла, в тепломеханические, гидравлические, аэродинамические и прочностные расчеты.

Каждый типоразмер котла обозначен шифром, состоящим из буквенных и цифровых индексов по ГОСТ 3619-89. Буквы обозначают: Е - котлы с естественной циркуляцией, Пп - прямоточные котлы; п - наличие промежуточного перегрева (промперегрева); Пр - принудительная циркуляция, Кп - комбинированная циркуляция и промперегрев. Первые цифры указывают паропроизводительность в т/ч; вторые - давление в МПа, затем - тем­пературу в °С (в числителе - температура первичного пара, в знаменателе - температура пара промперегрева). В случае одинаковой температуры первичного пара и пара промпе- регрева температура указывают один раз. Далее обозначают буквами вид топлива и тип топки, для котлов с наддувом добавляют индекс «Н».

Для обозначения вида топлива и типа топки установлены следующие индексы: ПА - полуантрацит; К - каменный уголь; Б - бурый уголь; С - сланцы: М - мазут; Г - газ; Д - другие виды топлива.

Типы топок, наиболее распространенные в котлах большой мощности: Т - камерная топка с твердым шлакоудалением; Ж - камерная топка с жидким шлакоудалением; В - вихревая топка; Ц - циклонная топка; Ф - топка кипящего (флюидизированного) слоя.

В скобках приводится заводской шифр модели котла. Каждый завод придерживается собственных условных обозначений отдельных типоразмеров котлов. Наиболее распро­страненная маркировка, в которой первая буква или буквы характеризуют завод- изготовитель: Т - ПО «Красный котельщик» (Таганрогский» котельный завод - ТКЗ); П - Подольский машиностроительный завод им. Орджоникидзе (ЗиО); БКЗ - ПО «Сибэнер­гомаш» (Барнаульский котельный завод - БКЗ).

 

1. УСТРОЙСТВО КОТЛОАГРЕГАТОВ

1.1. Устройство котлоагрегатов с естественной циркуляцией

Принципиальная схема современного мощного котлоагрегата с естественной цирку­ляцией, работающего на угольной пыли, показана на рис. 1. Угольная пыль вдувается в топочную камеру вместе с необходимым для горения воздухом через горелки.

 

Мелкие частицы угля в топочной камере сгорают, образуя факел, в ядре которого температура достигает 1500-2000 °С.

Стены топочной камеры покрыты трубами, образующими радиационные поверхно­сти нагрева (экраны). По ним циркулирует вода и пароводяная смесь, образующаяся под действием излучения факела. При этом продукты сгорания охлаждаются, на выходе из то­почной камеры их температура обычно снижается до 1000-1200 °С.

Омывая разреженный пучок труб (фестон) или отдельные змеевики пароперегрева­теля (ширмы), дымовые газы передают им теплоту частично, конвекцией, частично ра­диацией и далее поступают в горизонтальный газоход, в котором располагаются змеевики, конвективного пароперегревателя. По змеевикам движется пар, который, отнимая теплоту от продуктов сгорания, перегревается до температуры 510-560 °С. Продукты сгорания, охлажденные в пароперегревателе до 500-600 °С, направляются в вертикальный опускной газоход, в котором расположены трубы водяного экономайзера. По трубам проходит пи­тательная вода, которая нагревается и поступает в барабан котлоагрегата для пополнения испарившейся в экранах воды. Далее продукты сгорания поступают в воздухо­подогреватель, где, проходя внутри трубок, подогревают воздух, подаваемый затем через горелки в топку. Продукты сгорания охлаждаются в воздухоподогревателе до температу­ры 110-180 °С и поступают в золоуловитель, в котором отделяется летучая зола, а затем дымососом выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Холодный воздух забира­ется дутьевым вентилятором вверху котельной и подается через воздухоподогреватель и воздухопроводы в топку.

К барабану присоединены многочисленные трубы экранов, по которым в него по­ступает пароводяная смесь. Пар в барабане отделяется от воды и поступает в пароперегре­ватель, а оставшаяся вода смешивается с подаваемой питательной водой и по опускным необогреваемым трубам, расположенным снаружи топочной камеры, поступает к нижним коллекторам экранов. Из коллекторов вода распределяется по трубам экрана и, поднима­ясь по ним, частично испаряется за счет излучения факела; образовавшаяся пароводяная смесь поступает в барабан.

Подъем пароводяной смеси по трубам экранов и опускание воды по опускным тру­бам, т. е. естественная циркуляция, происходят за счет разности плотностей воды в опуск­ных трубах и пароводяной смеси в трубах экрана. Поэтому барабанные котлоагрегаты на­зываются котлами с естественной циркуляцией.

Рис. 2. Установка двухсветного экрана котлоагрегата высокого давления паропро- изводительностью 420 т/ч (передняя стена топки и фронтовой экран условно не пока­заны): 1 - левый боковой экран; 2 - двух­светный экран; 3 - холодная воронка; 4 - развилки в нижней части двухсветного эк­рана; 5 - верхняя камера двухсветного эк­рана; 6 - барабан

Для большего охлаждения факела у многих современных котлоагрегатов паропроиз- водительностью 400 т/ч и выше топочную камеру делят на две части двухсветным экра­ном, трубы которого обогреваются лучистой теплотой факела с обеих сторон (рис. 2). В такой топке - две холодные воронки, в которых происходят охлаждение и затвердевание выпавших из факела частиц спекшейся золы, образующих шлак.

Пароперегреватель современного котлоагретата, в который поступает пар из бараба­на, называется первичным пароперегревателем. Расширение пара в турбине приводит к тому, что из него выделяются капли влаги, т. е. пар частично конденсируется на послед­них лопатках турбины, что недопустимо, так как в результате сильных ударов этих капель быстрее изнашиваются детали турбин. Во избежание этого, а также для повышения эконо­мичности работы установки в современных котлоагрегатах с рабочим давлением 13,7

МПа (140 кгс/см²) и выше применяется вторичный перегрев пара в промежуточном паро­перегревателе, служащем для перегрева пара, возвращаемого из промежуточных ступеней турбины.

В котлоагрегатах среднего давления на перегрев первичного пара затрачивается око­ло 20 % всей теплоты, воспринимаемой котлоагрегатом от дымовых газов. В котлоагрега­тах с рабочим давлением 13,7 МПа (140 кгс/см²) на долю пароперегревателя приходится около 35 % воспринимаемой котлоагрегатом теплоты, а при наличии промежуточного пе­регрева пара - до 50 % теплоты.

В котлоагрегатах сверхкритического давления выше 22,1 МПа (225 кгс/см²) на пере­грев пара затрачивается еще большая доля теплоты. Поэтому первичные паро­перегреватели современных котлоагрегатов высокого и сверхкритического давления име­ют три части: радиационную, полурадиационную и конвективную.

Радиационная часть пароперегревателя может покрывать часть стен и потолок то­почной камеры.

Полурадиационную часть выполняют в виде ширмового пароперегревателя и обычно располагают в зоне выхода дымовых газов из топки.

Конвективная часть состоит из змеевиков, которые собирают в пакеты и размещают в газоходах котлоагрегата за топочной камерой.

С повышением рабочего давления обеспечение надежной естественной циркуляции воды в котлоагрегате из-за уменьшения разности плотностей воды и пара становится все более затруднительным.

В настоящее время принято считать, что создание надежно работающих котлоагрега­тов с естественной циркуляцией возможно лишь для рабочего давления не выше 18,1 МПа (185 кгс/см²). В России серийные котлоагрегаты с естественной циркуляцией выпускают­ся с наибольшим рабочим давлением 13,5 МПа (140 кгс/см²). Котлоагрегаты с давлением выше 18,1 МПа (185 кгс/см²) выполняют прямоточными.

1.2. Устройство прямоточных котлоагрегатов

В прямоточных котлоагрегатах циркуляция пароводяной смеси в трубах происходит принудительно при помощи питательных насосов. На пути движения рабочей среды по­мещают смесительные коллекторы, разделяющие всю поверхность нагрева на водяной экономайзер, радиационную часть, переходную зону и пароперегреватель.

В водяном экономайзере вода не нагревается до температуры кипения, так как рав­номерное распределение пароводяной смеси по виткам радиационной части крайне за­труднительно.

Первые прямоточные котлоагрегаты конструкции Рамзина (рис. 3, а) имели почти горизонтальную навивку труб 4 топочной камеры. В нижние концы этих труб входит во­да, нагретая в водяном экономайзере 2, а из верхних концов выходит пароводяная смесь. Расположение труб на фронтовой и задней стенках топки горизонтальное, а на боковых стенках - с небольшим уклоном. Эти трубы называются радиационной частью котлоагре- гата; в них большая часть воды превращается в пар, воспринимая теплоту путем радиа­ции.

В современных прямоточных котлоагрегатах на сверхкритическое давление радиа­ционная часть выполнена в виде панелей - прямых вертикальных или изогнутых труб (рис. 3, б).

В котлоагрегатах большой паропроизводительности по высоте топочной камеры располагают нижнюю часть (НРЧ), верхнюю радиационную часть (ВРЧ), а иногда и сред­нюю радиационную часть (СРЧ).

Все панели радиационной части топки имеют входные и выходные коллекторы, со­единенные между собой необогреваемыми перепускными трубами. Из труб радиационной части пароводяная смесь направляется в дополнительную поверхность нагрева, на­зываемую переходной зоной, где происходит испарение воды, находящейся в пароводя­ной смеси и частичный перегрев пара (на 50-60 °С). Необходимость устройства переход­ной зоны диктуется тем, что в прямоточном котлоагрегате вода полностью испаряется в трубах за один ход. При этом часть находящихся в воде солей оседает на внутренней по­верхности сравнительно небольшого участка труб переходной зоны, в которой завершает­ся испарение воды, исключая тем самым, занос солей капельками влажного пара в паро­перегреватель котлоагрегата при изменении режима его работы.

Переходная зона выделена в отдельный конструктивный элемент, расположенный между пароперегревателем и верхней секцией воздухоподогревателя, в зоне более низкой температуры дымовых газов, где небольшой слой накипи, оседающей на внутренних стенках труб, создает меньшую опасность перегрева металла труб.

Из переходной зоны пар поступает в пароперегреватели. Таким образом, вода прохо­дит весь тракт без многократной циркуляции, напрямую, в связи с чем такие котлоагрега- ты и называются прямоточными. Прямоточный котлоагрегат не имеет барабана.

Принудительное движение воды и пароводяной смеси (среды) в прямоточных котло- агрегатах позволяет применять повышенную скорость движения среды и соответственно трубы меньшего диаметра по сравнению с котлоагрегатами с естественной циркуляцией.

Из-за повышенной скорости движения среды расход электроэнергии на привод пита­тельного насоса для прямоточных котлоагрегатов выше, чем для котлоагрегатов с естест­венной циркуляцией.

1.3. Устройство котлоагрегатов, работающих под наддувом

В последние годы получили распространение котельные агрегаты, работающие без дымососов, под наддувом, создаваемым дутьевыми вентиляторами (воздуходувками). В топке и газоходах этих котлоагрегатов устанавливается избыточное давление, которое и создает движение и удаление дымовых газов. Давление в топке 3,5-6,0 кПа (350-600 мм вод. ст.).

Котлоагрегаты, работающие под наддувом, не имеют присосов холодного воздуха, вследствие чего их коэффициент полезного действия (КПД) несколько выше за счет уменьшения потерь теплоты с уходящими газами. Необходимая плотность газового тракта котлоагрегата обеспечивается изготовлением стен топки, переходного газохода и конвек­тивной шахты из цельносварных трубных панелей с газоплотной обмазкой. Схема цирку­ляции воды, пароводяной смеси и пара в таких котлах аналогична как и у котлоагрегатов с естественной и принудительной циркуляцией.

1.4. Компоновка котельных агрегатов

Компоновка - взаимное расположение элементов котлоагрегатов как с естественной циркуляцией, так и прямоточных. Компоновка чаще всего выполняется по П-образной схеме (см. рис. 1), имеющей два вертикальных и один горизонтальный газоход.

В первом вертикальном газоходе расположена топка с радиационными поверхностя­ми нагрева и движение газов в нем направлено вверх; в горизонтальном газоходе разме­щается пароперегреватель или его часть, а во втором вертикальном газоходе - конвектив­ные поверхности нагрева - пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогрева­тель. Здесь движение газов происходит сверху вниз. В некоторых компоновках воздухо­подогреватель устанавливается отдельно.

Основными преимуществами П-образной компоновки являются возможность раз­мещения тягодутьевых и золоулавливающих устройств на уровне земли, что значительно уменьшает нагрузку на строительные конструкции здания, облегчает их и удешевляет. Уменьшается также площадь котельной за счет меньшего размера котлоагрегата, распо­ложенного по длине здания.

Для достижения более интенсивной теплопередачи в элементах поверхности нагрева котлоатрегата должна быть достаточно большая разность температур между дымовыми газами и рабочим телом (водой или паром) внутри обогреваемых труб.

Кроме П-образной котлоагрегаты имеют и другие компоновки. Таганрогским котло- строительным заводом изготавливаются котлоагрегаты с естественной циркуляцией паро- производительностью 500 т/ч (ТП-90) и 640 т/ч (ТП-100), имеющие Т-образную компо­новку. При этой компоновке (рис. 4, а) топка расположена между двумя вертикальными опускными конвективными газоходами. В горизонтальных газоходах расположены шир­мы и конвективные части первичного пароперегревателя. В опускных газоходах размеще­ны конвективный промежуточный пароперегреватель, водяной экономайзер и трубчатый
воздухоподогреватель. Подольским машиностроительным заводом созданы прямоточные котлоагрегаты Т-образной компоновки паропроизводительностыо 1000 и 1650 т/ч. Котло­агрегаты с Т-образной компоновкой получают большое распространение при сжигании низкокалорийных углей: разрабатываются котлы типа П-67 паропроизводительностью 2650 т/ч (ЗиО) для сжигания канско-ачинских углей и ТПП-804 паропроизводительностыо 2650 т/ч (ТКЗ) для сжиганий донецких и кузнецких углей.

На рис. 4, б представлен котлоагрегат ТП-67 Таганрогского котлостроительного за­вода, имеющий N-образную компоновку, предназначенный для сжигания сланцев и дру­гих топлив с очень легкоплавкой золой.

 

Во избежание сильного налипания золы на трубах весь пароперегреватель выполнен в виде вертикальных ширм с шагом 0,5 м, что и потребовало устройства третьего верти­кального газохода.

В настоящее время разрабатываются варианты конструкций мощных котлоагрегатов с башенной компоновкой, при которой продукты сгорания в топке и конвективной шахте движутся вверх. Преимуществами этой компоновки являются минимальная площадь, за­нимаемая котлоагрегатом, минимальное газовое сопротивление и более равномерное омывание газами конвективных поверхностей нагрева. К недостаткам такой компоновки относятся сложность конструкций для крепления конвективных поверхностей и размеще­ние на большой высоте выходных пакетов пароперегревателей