Теплотехника

Котельные и турбинные установки

Схема котельного агрегата

Котельная установка (парогенератор) служит для получения пара в широком диапазоне параметров и состоит из котельного агрегата и вспомогательного оборудования, связанных единой технологической схемой. К вспомогательному оборудованию котельной установки относятся устройства топливоподачи, дымососы, вентиляторы, золоуловители, паропроводы, водопроводы и др.

Схема парового котла П-образной компоновки с естественной циркуляцией представлена на рис. 8.1.

Принципиальная схема парового котла П-образной компоновки с ес- тественной циркуляцией
Рис. 8.1. Принципиальная схема парового котла П-образной компоновки с естественной циркуляцией
1-подъемный газоход; 2-опускной газоход; 3-испарительные поверхности нагрева; 4-водяной экономайзер; 5-воздухоподогреватель; 6-фестон; 7-пароперегреватель; 8-барабан котла; 9-опускные трубы; 10-нижние коллекторы экранов; 11-горелки

Паровой котел состоит из подъёмного 1 и опускного 2 газоходов. В нижней части подъёмного газохода 1 расположена топка для сжигания топлива, на стенках газохода установлены испарительные поверхности нагрева 3 в виде плоских трубчатых панелей, называемых экранами. В опускном газоходе размещены водяной экономайзер 4 для подогрева питательной воды и воздухоподогреватель 5 для подогрева воздуха, идущего на горение в топку. На выходе из подъёмного газохода находится фестон 6, представляющий собой разреженный пучок труб — продолжение заднего экрана. В горизонтальной части газохода расположен пароперегреватель 7, обеспечивающий перегрев пара до заданной температуры. Испарительные поверхности 3 соединены с барабаном 8 котла и вместе с опускными трубами 9, связывающими барабан с нижними коллекторами 10 экранов, составляют циркуляционные контуры. Пароводяная смесь в барабане разделяется на насыщенный пар и воду, пар направляется в пароперегреватель, вода — снова в циркуляционные контуры. Одновременно в барабане для снижения общего солесодержания происходит отделение и удаление (продувка) части воды с высокой концентрацией солей. Циркуляция воды и пароводяной смеси в контурах происходит за счёт разности плотностей столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъёмных трубах — экранах (естественная циркуляция).

Топливо вместе с нагретым воздухом через горелки 11 подается в топку, где сжигается. Продукты сгорания из топки направляются в пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель и через газоочистку удаляются в атмосферу. Температура продуктов сгорания по ходу газового тракта снижается, ориентировочные значения температур приведены на рисунке.

Существуют различные конструктивные варианты оформления котельных агрегатов. Так, сжигание топлива может осуществляться не в факеле, а в слое. Циркуляция воды и пароводяной смеси в испарительной системе котла может быть принудительной с помощью насосов. Водяной экономайзер и воздухоподогреватель могут располагаться в несколько ступеней и т.д.

Тепловой баланс котельного агрегата

Тепловой баланс котельного агрегата составляют на 1 кг твёрдого или жидкого топлива или на 1 м3 газообразного топлива.

Расходная часть теплового баланса котла содержит теплоту выработанного пара и различные потери.

Qрасх = Qпол + Qух(1) + Qх.н.(2) + Qм.н.(3) + Qн.о.(4) + Qф.ш.(5),

где Qпол — теплота (полезная), затраченная на выработку пара;

Qух(1) — потери теплоты с уходящими газами. Это основные потери, составляющие 5-12% при температуре уходящих газов 120-180 °С;

Qх.н.(2) — потери теплоты от химического недожога — 0-2%. Их снижение возможно при повышении температуры горения и улучшении перемешивания компонентов горения;

Qм.н.(3) — потери теплоты от механической неполноты сгорания — 2-3% при хорошей организации процесса, 9-10% при сжигании твердого топлива и плохой организации процесса сжигания;

Qн.о.(4) — потери теплоты от наружного охлаждения (во внешнюю среду) — 1-2%;

Qф.ш.(5) — потери с физическим теплом шлаков. Для топок с жидким шлакоудалением – 1-2%, с сухим шлакоудалением 0,2-0,3%.

Топочные устройства котлов

Топочные устройства котлов могут быть слоевые — для сжигания крупнокускового топлива и камерные — для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого пылевидного топлива.

Некоторые из вариантов организации топочных процессов представлены на рис. 8.2.

Схемы организации топочных процессов
Рис. 8.2. Схемы организации топочных процессов

Слоевые топки бывают с плотным и кипящим слоем, камерные подразделяются на факельные и циклонные.

При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не нарушая его устойчивости, т.е. сила тяжести частиц топлива больше динамического напора воздуха.

При сжигании в кипящем слое из-за повышенной скорости воздуха нарушается устойчивость частиц в слое, они переходят в состояние «кипения», т.е. переходят во взвешенное состояние. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что способствует интенсификации процесса горения.

При факельном сжигании топливо сгорает в объёме топочной камеры, для чего частицы твердого топлива должны иметь размер до 100 мкм.

При циклонном сжигании частицы топлива под влиянием центробежных сил отбрасываются на стенки топочной камеры и, находясь в закрученном потоке в зоне высоких температур, полностью выгорают. Допускается размер частиц больший, чем при факельном сжигании. Минеральная составляющая топлива в виде жидкого шлака удаляется из
циклонной топки непрерывно.

Организация движения воды и пароводяной смеси

В зависимости от организации движения воды и пароводяной смеси по испарительной системе котлы бывают с естественной и принудительной циркуляцией.

Принципиальные схемы движения рабочего тела в котлах представлены на рис.8.3. В котлах с естественной циркуляцией движение воды и пароводяной смеси осуществляется по замкнутому контуру: барабан 3 котла — опускные трубы 2 — коллектор 4 — подъёмные трубы 1 — барабан 3 котла. Это происходит за счёт разности плотности воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъёмных трубах. При этом за один ход воды по циркуляционному контуру она только частично превращается в пар. Отношение массы воды, циркулирующей в системе за единицу времени, к массе вырабатываемого пара за то же время называется кратностью циркуляции. Для котлов с естественной циркуляцией она равна 15-100.

Принципиальные схемы движения рабочего тела в котлах
Рис. 8.3. Принципиальные схемы движения рабочего тела в котлах
1-подъёмные трубы; 2-опускные трубы; 3-барабан; 4-коллектор; 5-испарительная система; 6-циркуляционный насос; 7-водяной экономайзер; 8-пароперегреватель; 9-питательный насос

Котельные агрегаты с многократной принудительной циркуляцией имеют специальный насос 6, обеспечивающий циркуляцию воды и пароводяной смеси в испарительной системе 5 котла. Кратность циркуляции 6-10. Прямоточные котельные агрегаты, имеющие кратность циркуляции, равную 1, оборудованы параллельно соединёнными трубами, составляющими поверхности нагрева котла. За счёт энергии питательного насоса 9 вода проходит отдельные участки труб, исполняющие роль водяного экономайзера 7, испарительных поверхностей нагрева 5 и пароперегревателя 8. В этих котлах к качеству питательной воды предъявляются более высокие требования, чем в других типах котлов, так как удаление солей из воды в котле невозможно.

Турбинные установки

Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве привода электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, крупных насосов.

В паровой турбине рабочий процесс осуществляется следующим образом (рис. 8.4). Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.

Схема одноступенчатой турбины активного типа
Рис. 8.4. Схема одноступенчатой турбины активного типа
1-сопло; 2-лопатки; 3-диск ротора; 4-вал ротора

Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловой аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловой аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа — проточную часть турбины.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов, конденсационные, теплофикационные и противодавленческие.

В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных — в соплах и в каналах рабочих лопаток. В основном производят комбинированные турбины.

Конденсационная и противодавленческая турбины используются в качестве привода к электрогенераторам, турбовоздуходувкам и другим машинам. Отработавший в противодавленческой турбине пар поступает в конденсационную турбину, отработавший в конденсационной турбине пар поступает в конденсатор, где превращается в воду (конденсат).

Теплофикационная турбина отдает весь отработавший в турбине пар потребителю теплоты.

В теплофикационной турбине с отборами пара часть пара, не доработавшая до давления в конденсаторе, отбирается из промежуточных ступеней турбины потребителю; при этом остальная часть пара проходит через все ступени турбины в конденсатор.

Все рубрики