Виды печей?
Для чего предназначена горелка?
В чем отличие печей с пламенным и беспламенным горением?
МОДУЛЬ 6. Котельные установки.
Тема 11. Паровой котел и его основные элементы. Поверхности нагрева котла. Конструкции котлов, тепловой баланс парового котла. Коэффициент полезного действия котла.
Паровой котел и его основные элементы
Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива или подводимой от посторонних источников (обычно горючими газами), называют котлами. Котлы, использующие (т.е.утилизирующие) теплоту отходящих из печей газов или других основных и побочных продуктов различных технологических процессов, называют котлами-утилизаторами.
С целью обеспечения стабилизации и безопасной работы котел снабжают вспомогательным оборудованием, служащим для подготовки и подачи топлива, воздуха, очистки и подачи воды, отвода продуктов сгорания и их очистки от золы и токсичных примесей. Комплекс устройств, включающих котел и вспомогательное оборудование, называют котельной установкой.
Котельные установки, снабжающие паром турбины тепловых электрических станций, называют энергетическими. Для снабжения паром производственных потребителей и отопления зданий создают специальные производственные и отопительные котельные установки
Исторически развитие паровых котлов шло в направление повышения паропроизводительности, надежности и безопасности, увеличивая КПД и снижения массы металлоконструкций.
Барабанный паровой котел (рис. 32) состоит из топочной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды,пароводяной смеси, пара), воздухоподогревателя, соединительных трубопроводов и воздуховодов.Топливо подается к горелкам 7.
Рис. 32 Современный вертикально-водотрубный барабанный паровой котел с естественной циркуляцией:
ПВ - подача питательной воды, НП - линия насыщенного пара, ПП - отвод перегретого пара, Т - подача топлива к горелке, В - подвод воздуха к воздухоподогреву, ГВ - орячей воздух, ПС – УГ - тракт продуктов сгорания топлива и уходящих газов, Ш - шлак; 1 - экранные трубы; 2 - барабан; 3-пароперегреватель; 4 - водяной экономайзер; 5 - воздухоподогреватель; 6 -коллектоы; 7 - горелка; 8 - топка; 9 - контур (стена) топки и газоходов; 10 -опускная труба; 11 - излучающий теплоту топочный факел.
К горелкам подводится воздух, нагретый уходящими из котла газами в воздухоподогревателе 5.Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную камеру 8, сгорает, образуя высокотемпературный (1500°С) факел, излучающий теплоту на трубы 1, расположенные на внутренней поверхности стен топки. Это испарительные поверхности нагрева-экраны. Отдав часть теплоты экрану, топочные газы с температурой около 1000°С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого разведены в два, три ряда, и омывают пароперегреватель 3.
Затем продукты сгорания движутся через водяной экономайзер, воздухоподогреватель, и покидают котел с температурой 110-150°С. Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной.Она подогревается в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходящих газов), экономя тем самым теплоту сожженного топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах 1. Испарительные поверхности подключены к барабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 3, перегретый пар направляется к потребителю.
Все поверхности нагрева котла, в том числе и воздухоподогреватель, как правило, трубчатые. Нижнюю трапециевидную часть топки называют холодной воронкой – в ней охлаждается выпадающий из факела частично спекшийся зольной остаток, который в виде шлака проваливается в специальное приемное устройство. Газомазутные котлы не имеют холодной воронки.
Газоход, в котором расположены водяной экономайзер и воздухоподогреватель, называют конвективным, так как теплота передается конвекцией. Вся трубная система и барабан котла поддерживаюся каркасом, состоящим из колонок и поперечных балок.
Топка и газоходы защищены от наружных теплопотерь обмуровкой-слоем огнеупорных и изоляционных материалов. С наружной стороны обмуровки стенки котла имеют обшивку стальным листом с целью предотвращения присосов в топку избыточного воздуха и выбивания наружу запыленных горячих продуктов сгорания, содержащих токсичные компоненты. Для повышения надежности в ряде случаев движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре (барабан - опускные трубы - нижний коллектор - подъемные трубы - барабан) осуществляется принудительно (насосом). Это - котлы с многократной принудительной циркуляцией.
Одними из последних является конструкции прямоточных котлов с принудительным - при помощи питательного насоса - движением воды, пароводяной смеси и перегретого пара. Для этих агрегатов надобность в барабане отпадает, и он не устанавливается (рис. 33 ).
Рис. 33 Схема движения воды, пароводяной смеси и пара в котельном агрегате:
а – естественная циркуляция, б – многократно-принудительная циркуляция, в – прямоточное движение: 1 – подвод питательной воды: 2 – барабан; 3 –необогреваемые опускные трубы; 4 - нижний коллектор; 5 – обогреваемые подъемные трубы; 6 – отвод насыщенного пара; 7 – циркуляционный насос; 8 -испарительная поверхность; 9 - питательный насос; 10 - экономайзерская часть поверхности нагрева; 11 - пароперегревательная часть поверхности нагрева; 12 -отвод перегретого пара.
В газоходах и топке котла за счет тяги дымососа поддерживается разрежение, которое не позволяет продуктам сгорания выбиваться в атмосферу через возможные неплотности обмуровки, через люки и лазы. Котлы оснащают системами дистанционного управления и автомотизации. Наиболее крупными является энергетические котлы, их паропроизодительность достигает 4000т/ч, а мощность питающийся от нее турбины может доходить до 1200МВт, давление пара – до 25МПа, температура перегретого пара – до 560°С.
Поверхности нагрева котла
1. Испарительные поверхности (парогенерирующие) располагаются обычно в топочной камере и воспринимают теплоту излучения. Это экранные трубы, а также устанавливаемый на выходе из топки небольших котлов конвективный пучок труб. Внутренний диаметр труб 40 – 80 мм. Экраны представляют собой ряд параллельно включенных вертикальных подъемных труб, соединенных между собой коллекторами. Зазор между трубами 4 – 6 мм.
2. Пароперегреватель предназначен для повышения температуры пара, поступающего из испарительной системы котла. Его трубы (d=22 - 54мм) могут располагаться на стенках или потолке топки и воспринимать теплоту излучением (радиационный пароперегреватель) либо в основном конвекцией(конвективный пароперегреватель). В этом случае трубы располагаются в горизонтальном газоходе или начале конвективной шахты.
Температура перегретого пара должна поддерживаться постоянной всегда, независимо от режима работы и нагрузки котлоагрегата. Поскольку при ее понижении повышается влажность пара в последних ступенях турбины, а при повышении температуры сверх расчетной появляется опасность термических деформаций и снижения прочности отдельных деталей турбины. Температуру пара поддерживают постоянной при помощи пароохладителей впрыскивающего действия, путем впрыскивания обессоленной воды в поток пара. Вода при испарении снижает часть теплоты пара и его температуру.
3. Низкотемпературные поверхности нагрева располагаются в конвективном газоходе и работают при невысоких температурах продуктов сгорания. Это экономайзеры и воздухоподогреватели. Цель их установки - максимальное использование теплоты уходящих газов. Водяные экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды, выполняются из стальных труб 28 - 38мм, согнутых в вертикальные змеевики и скомпанованные в пакеты (в шахматном порядке). Крепление труб змеевиков и их дистанционирование осуществляется опорными стойками, закрепленных на полых (для воздушного охлаждения), изолированных со стороны горячих газов балках каркаса. Общее число труб выбирается исходя из скорости воды не ниже 0,5 - 1м/с. Эти скорости обусловлены необходимостью смывания со стенок труб пузырьков воздуха, способствующих коррозии и, предотвращения расслоения пароводяной смеси, которое может привести к перегреву верхней стенки трубы и ее разрыву.
4. Воздухоподогреватели предназначены для нагрева воздуха, забираемого из атмосферы и идущего затем в топку на горение. По принципу действия воздухоподогреватели делят на рекуперативные и регенеративые.
Все тепловоспринимающие элементы котла являются типичными теплообменниками: Поверхность нагрева рассчитывается по уравнению теплопередачи:
F=Bp∙Q / k∙∆t ср (111)
k - коэффициент теплопередачи;
∆t ср- среднелогарифмическая разность температур продуктов сгорания и рабочей среды;
Bp∙Q - количества воспринимаемой теплоты.
Bp – расчетный расход топлива, то есть его количество, действительно сгоревшее в топке. Это же количество теплоты, которое передается в данной поверхности рабочему телу (воде, пару)
Bp∙Q= D (hвых –hвх ) (112)
D - расход рабочего тела; hвх и hвы - энтальпии рабочего тела на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее (на 1кг рабочего тела)
Тепловой баланс и КПД парового котла
Q прих ≈ Qrі (113)
Qrі - низшая теплота сгорания единицы топлива в рабочем состоянии.
Qr і =Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 (114)
Q2, Q3, Q4, Q5 – потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от механического недожина, через ограждения топки и конвективных газоходов.
Q1- часть теплоты, затрачиваемая на подогрев, испарения воды и перегрев пара, остальное потери.
или
100=q1+q2+q3+q4+q5 (115)
Доля теплоты, использованная в котельном агрегате (переданной воде и пару), есть коэффициент полезного действия котла брутто ηк (так называют КПД, подсчитанный без учета зтрат энергии на собственные нужды).
Таким образом, ηк=Q1 ∙100/Qrі = q1
или ηk=100 - (q2+q3+q4+q5)
Теплота Q1, воспринятая водой и паром в котле, может быть определена:
Q1=1/B ∙ D ∙ (hпе - hп.в ) (116)
D - расход рабочего тепла; В - расход топлива.
hпе и hп.в-энтальпии перегретого пара и питательной воды
B=D ∙ (hпе - hп.в )/Qrі ∙ ηk (117)
Современные котлы являются довольно совершенными агрегатами; их КПД превышает 90%.
Нарушение режима работы котлоагрегата может привести к крупным авариям, выводящим оборудование из строя.
Так, вследствие малого количества пылевидного, жидкого и газообразного топлива, находящегося в топке, прекращение даже на очень короткое время подачи топлива или воздуха ведет к погасанию факела. Дальнейшее восстановление их подачи в топку приводит к накоплению в потухшей топке большого количества топлив воздушной смеси и взрыву ее в результате воспламенения.
Увеличение отбора пара потребителю при неизменной подаче питательной воды приводит к быстрому снижению уровня воды в барабане котла, оголению входной части опускных труб, то есть прекращению подачи воды в экранные трубы, их перегреву и разрушению. Надежность и безопасность работы котельной установки обеспечивает автоматическое регулирование процесса. Для своевременного предупреждения вахтенного персонала о недопустимом изменении основных параметров котельные установки оборудуются световыми и звуковыми устройствами сигнализации. Каждый паровой котел должен иметь также защитные устройства – предохранительные клапаны, устанавливаемые на барабане котла и выходном коллекторе пароперегревателя. Эти клапаны предохраняют барабан и поверхности нагрева от недопустимого повышения давления, выпуская пар при достижении определенного давления в барабане.
Кроме того, камерные топки для сжигания твердого пылевидного топлива оборудуются газовыми предохранителями (взрывными) клапанами, которые дают выход продуктам сгорания при взрыве пыли для предотвращения разрушения обмуровки, трубной системы и каркаса.
Вопросы для самопроверки
1. Можно ли создать барабанный котел с естественной циркуляцией для работы на сверхкритических параметрах?
2. Назовите основные потери теплоты в котельном агрегате?
3. Может ли КПД котла быть выше ста процентов?
4. В чем различие и что общего между золой и шлаком?
Модуль 7. Паровые и газовые турбины.