75 группа 2 вариант / Режимы роботы и эксплуатации ТЭС / КУ / Учебное пособие

ка свободно лежит на трубах. Таким образом, топочная камера парового энергетического котла является эффективной поверхностью нагрева радиационного типа.

Общая классификация топочных камер представлена на рис. 2.2. Разнообразие конструкций топочных камер вызвано тем, что топочные процессы в котельном агрегате определяют паропроизводительность, экономичность и надежность котельной установки. Поскольку энергетические топлива, применяемые на тепловых электростанциях, имеют различные характеристики (состав, теплота сгорания, выход летучих, зольность, влажность, вязкость и др.), эффективность их использования и эффективность котельной установки в целом во многом зависят от конструкции топочной камеры и топочных устройств.

Основными критериями для оценки работы топки служат:

теплонапряжение топочного объема (qv = Q / Vt), МВт/(м3 ч);

температура газов на выходе из топки (Vт );

потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива (q3);

потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива (q4). Первые два фактора определяют пределы надежной работы топки по ус-

ловиям шлакования, последние – характеризуют экономичность процесса горения топлива.

В соответствии с рис. 2.2 топочные камеры классифицируются по различным признакам:

1)по виду сжигаемого топлива – на топки для сжигания газового и жидкого топлива (мазутные, газовые, газомазутные) и топки для сжигания пылевидного топлива. Конструктивной особенностью топок для сжигания газового и жидкого топлива является наличие в нижней части топки горизонтального или слабонаклонного пода. Следует отметить, что на современных энергетических паровых котлах крайне редко выполняются топочные камеры, предназначенные только для сжигания газа или только для сжигания мазута. Чаще изготовляются и используются газомазутные топочные камеры, в которых осуществляется раздельное (в разных топочных устройствах) сжигание газа и мазута, т.к. при совместном сжигании возрастают потери от химической неполноты сгорания;

2)по способу удаления шлака – на топки с твердым и жидким шлакоудалением. Отличительными конструктивными особенностями топок с твердым шлакоудалением являются: открытые экраны по всей высоте топки и наличие холодной воронки. Для топок с жидким шлакоудалением характерно наличие закрытых огнеупорной тепловой изоляцией экранов в зоне интенсивного горения и горизонтального или слабонаклонного к центру топки пода с шлаковой леткой. Для обеспечения жидкого шлакоудаления необходимо, чтобы температура газов у стен нижней части топки и в районе пода была выше температуры текучести шлака. А температура газов на выходе из топки, для топок с твердым и жидким шлакоудалением, должна быть ниже температуры

начала деформации золы (т.е. V'' t1) во избежание шлакования труб конвективных поверхностей нагрева;

3) по конфигурации различают – открытые, т.е. без изменения сечения по высоте топки, и полуоткрытые (с пережимом сечения) топки. Полуоткрытые топки используются для повышения эффективности работы котлов с жидким шлакоудалением;

40

Топочные камеры для сжигания газового и жидкого топлива

Топочные камеры для сжигания пылевидного топлива

Вихревые

Рис. 2.2. Классификация топочных камер паровых энергетических котлов

41

4)по числу топочных камер – на однокамерные и многокамерные. Причем

кмногокамерным относятся также и циклонные топки. Многокамерные топки используются для котлов с жидким шлакоудалением и газомазутных котлов, при этом обеспечивается наиболее полное сжигание топлива; высокая степень улавливания шлака (до 85-90 %); более широкий диапазон устойчивого удаления жидкого шлака (до 40-50 % от номинальной нагрузки котла); повышение маневренности тепловой работы топки при переходе с мазута на природный газ и наоборот.

Следует отметить, что применение многокамерных, а именно циклонных топок для газомазутных котлов, является более дорогим решением по сравнению с однокамерными топками. Более рациональным решением, обеспечивающим уменьшение температур факела, локальных тепловых потоков на топочные экраны, снижение выхода окислов азота, является применение подовых горелок в открытой топочной камере, с регулированием степени крутки вторичного воздуха, что и способствует выравниванию температур газов на выходе из топки при сжигании газа и мазута;

5)по интенсивности тепловыделения в топке – факельные и вихревые топочные камеры. Мерой интенсивности тепловыделения является температура факела в топке. В вихревых топках обеспечивается повышенная турбулизация горючей смеси в зоне интенсивного горения, в результате чего активизируются реакции окисления горючей части топлива и происходит рост тепловыделения в единице объема топки. Конструктивно вихревые топки выполняются с циклонными предтопками либо с выделенными вихревыми камерами, и предназначены они для эффективного сжигания твердого топлива, для котлов с жидким шлакоудалением, а также газа и мазута в газомазутных котлах.

Основными эксплуатационными показателями, характеризующими работу топочных камер, являются:

1)температура газов на выходе из топки. Данный показатель отражает степень охлаждения топочной камеры, качество топочного режима и косвенно степень загрязнения экранов наружными отложениями. По уровню температуры топочных газов в режимах пуска котельной установки контролируют величину стартового расхода топлива, интенсификацию пуска и исключение пережога пароперегревательных поверхностей нагрева котла. В режимах аварийного останова котла по температуре газов на выходе из топки контролируется эффективность продувки пароперегревательных поверхностей нагрева для исключения их пережога. Кроме того, для всех котлов, использующих для сжигания твердое топливо, контролируется температура газов, покидающих топку, которая должна быть ниже температуры начала деформации золы, во избежание шлакования труб на входе в конвективные поверхности котла;

2)коэффициент избытка воздуха на выходе из топки (αт''). Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо с большим выходом летучих веществ относится по условиям горения к высоко реакционным топливам, оно легче воспламеняется, быстрее горит и для его сжигания требуются меньшие избытки воздуха, чем для топлив с малым выходом летучих. Сжигание мазута и газового топлива требует также меньших избытков воздуха. Разный избыток

42

воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания. Согласно нормам теплового расчета котельных агрегатов коэффициент избытка воздуха для различных топлив принимают в следующих пределах:

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности котла;

3)равномерность распределения температуры по ширине топочной камеры котла. Данный показатель имеет важное значение для лучшего использования поверхностей нагрева котла, предупреждения температурных перекосов, уменьшения химической и механической неполноты сгорания. К примеру,

врежиме пуска котла неравномерность распределения температуры в топочной камере, в первую очередь, ведет к неравномерности обогрева и снижению надежности циркуляции рабочего тела в экранных поверхностях нагрева, а также к возникновению разности температур металла барабана и появлению в его стенках дополнительных температурных напряжений, что в конечном итоге служит основной причиной ограничения скорости растопки котла. При эксплуатации котла в регулировочном диапазоне нагрузок тепловой перекос в топке вызывает повышение температуры отдельных витков пароперегревателя выше допустимых пределов, что может быть причиной ограничения паровой нагрузки котла. Таким образом, основными эксплуатационными мероприятиями, обеспечивающими равномерность распределения температуры газов в топочной камере, могут быть: равномерное или симметричное зажигание растопочных горелок по периметру топки; розжиг большего числа горелок, соответственно при меньшей производительности каждой из них; тарирование, подбор и регламентируемая очередность включения растопочных горелок; недопущение шлакования и нарушения защитных оболочек экранов; обеспечение равномерного заполнения факелом топочной камеры и т.п;

4)число работающих горелок и количество подаваемого топлива в топку. Тепловой режим топки должен соответствовать заданному режиму работы котельной установки. Не допускается превышение предельных теплонапряжений в топке. Контроль уровня теплонапряжений ведут комплексно по показаниям температуры газов на выходе из топки, количеству подаваемого в топку топлива, паропроизводительности котла, отсутствию шлакования топки;

5)давление в топочной камере. Различают топочные камеры, эксплуатируемые под избыточным давлением или под разряжением. Следует отметить, что большинство топочных камер эксплуатируются под разряжением. Разряжение поддерживается в верхней части топки на уровне (2-5) мм вод. ст. Топочные камеры, предназначенные для работы под давлением, выполняются (как и другие элементы газового тракта котла) в так называемом газоплотном варианте;

6)количество золы (шлака), оседающей в топке. Чем больше негорючих примесей топлива осаждаются в топочной камере в виде золы и шлака, тем

43

более благоприятно это сказывается на работе котельного агрегата, так как уменьшается золовой износ и, как правило, занос золой конвективных поверхностей нагрева;

7)содержание горючих в шлаке и уносе, характеризующих механический недожог. Следует помнить, что содержание горючих в уносе, помимо повышения потери тепла q4, вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева;

8)чистота наружных поверхностей экранных труб. Определяет надежность и экономичность работы котла. Наружные загрязнения экранных труб могут быть одной из причин ограничения паровой нагрузки котла;

9)степень использования рециркуляции дымовых газов. Подача рециркулирующих дымовых газов может производиться в нижнюю или верхнюю часть топки, или же в газоход перед пароперегревателем. Выбор того или иного решения зависит от ряда условий и целей применения рециркуляции. Для повышения температуры перегретого пара или подавления окислов азота рециркулирующие дымовые газы подаются в нижнюю часть топки (в холодную воронку или горелки). Подача рециркулирующих газов в верхнюю часть топки не оказывает существенного влияния на работу топочной камеры, но обеспечивает снижение температуры газов на выходе из топки и используется для снижения температуры перегретого пара или как способ борьбы со шлакованием фестона и перегревательных поверхностей нагрева. При этом экономические показатели котельной установки при использовании рециркуляции дымовых газов практически во всех случаях снижаются.

Что же касается особенностей эксплуатации топок, то они определяются в основном видом и качеством подаваемого для сжигания топлива.

2.2.3.1. Горелки котлов

Горелкой котла (горелка) называется устройство для ввода в топку котла топлива, необходимого для его сжигания воздуха и обеспечения устойчивого сжигания топлива [10].

Устройство, включающее горелку, скомпонованную с запальным устройством, запорными топливными клапанами, гляделкой, средствами автоматического управления, регулирования и сигнализации, называется горелочным устройством.

Горелки являются важным элементом топочного устройства. От их работы и размещения в топке зависит характер смесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяет интенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания, а следовательно, тепловую мощность и эффективность топки. Выбор типа, единичной мощности горелок и их компоновка оказывают решающее влияние на работу паровых котлов. Горелки котла позволяют управлять длиной и другими геометрическими параметрами факела,

атакже степенью заполнения им топочного объема.

Вобщем случае к горелочным устройствам энергетических котлов предъявляются следующие требования:

обеспечение устойчивости горения – характеризуемой отсутствием

''проскока'' пламени в горелку или отрыва пламени факела, т.е. его погасание. Поскольку горючая смесь выходит из горелочных устройств со скоростью бо-

44

лее 20 м/с, а скорость распространения пламени невысока, то проскок пламени практически невозможен, но отрыв реален, и необходимо принимать меры к его недопущению, как конструктивные, так и организационные при эксплуатации горелочных устройств;

обеспечение эффективного смесеобразования топлива с подавае-

мым в горелку (топку) воздухом, что способствует быстрому воспламенению горючей смеси и более полному сгоранию топлива;

малое сопротивление по первичному и вторичному воздуху, способствующее минимизации энергетических затрат на привод тягодутьевых механизмов;

широкий диапазон регулирования производительности горелочных устройств и положения факела в топке. С точки зрения эксплуатации необходимо, чтобы регулировочный диапазон изменения нагрузок котла обеспечивался без отключения горелочных устройств, даже при работе на минимальнодопустимой нагрузке. При этом, исключался бы как проскок пламени в горелку или пульсация при работе на минимальной нагрузке, так и отрыв пламени при работе на номинальной (максимальной) паровой нагрузке котла. Кроме этого, для случаев регулирования температуры перегретого пара и исключения шлакования поверхностей нагрева необходимо иметь также конструктивные элементы в горелочных устройствах, позволяющие управлять положением факела в топке;

надежность работы горелочных устройств – характеризуется в основном конструктивной прочностью, термической стойкостью и отсутствием отложений или забивания топливом элементов горелочного устройства;

простота конструкции, технологичность изготовления, ремонта и обслуживания горелочных устройств. В конструкции горелки должны быть предусмотрены специальные гляделки для контроля пламени и лючки или специальные разъемы для ревизии и очистки внутренних устройств горелки.

Следует отметить, что для надежности и экономичности работы топки и котла в целом решающее значение имеет компоновка горелок. Различают: однофронтальное, встречное, встречносмешенное, угловое встречное, угловое тангенциальное и подовое расположение горелок. Горелки могут размещаться в один, два, три и более ярусов. Более подробная информация о преимуществах той или иной компоновки горелок дается в соответствующей ли-

тературе [9, 16, 17, 19, 20].

Горелки котлов классифицируют по разным признакам. По виду подаваемого для сжигания топлива различают горелки газовые; мазутные; пылеугольные; комбинированные, среди которых выделяют газомазутные, пылегазовые, пылемазутные, пылегазомазутные.

Газовые горелки по характеру смешения потоков воздуха и газа разделяются на две группы: с внешним и внутренним смесеобразованием. В горелках с внешним смесеобразованием встреча потоков воздуха и газа осуществляется вне горелки, на выходе из амбразуры. В горелках с внутренним смесеобразованием организуется предварительное перемешивание потоков воздуха и газа в пределах самой горелки, т.е. до воспламенения горючей смеси.

Непосредственно подвод газа может осуществляться в центр горелки – центральный подвод, или же по периферии – периферийный подвод газа.

45

Известно, что природные газы, содержащие углеводороды, могут гореть светящимся или несветящимся факелом (беспламенное горение) в зависимости от конструкции горелки и условий смешения газа с воздухом. При этом полнота сгорания газа может быть достигнута как при несветящемся, так и при светящемся пламени при соответствующей конструкции горелок. Так, конструкции газовых горелок с внешним смесеобразованием дают светящийся факел, причем лучшие результаты достигаются при центральном вводе газа. Конструкции горелок с внутренним смесеобразованием дают несветящийся факел, и лучшие результаты достигаются при периферийном подводе газа.

Следует отметить, что в качестве режимного критерия характеризующего экономичность сжигания газа может служить соотношение динамических напоров воздуха и газа:

n В 2В ;

yГ 2Г

где n – безразмерный параметр; yВ, yГ – плотность воздуха и газа;

В, Г – соответственно скорости воздуха и газа в расчетных сечениях. При этом для горелок с внешним смесеобразованием оптимальное отно-

шение n 1, а для горелок с внутренним смесеобразованием n 0,1.

В условиях эксплуатации необходимо учитывать также различия при сжигании газа светящимся и несветящимся факелом. При светящемся факеле радиационное тепловосприятие экранами сравнительно велико, что уменьшает температуру топочных газов на выходе из топки и ведет к понижению температуры перегретого пара. При несветящемся факеле радиационное тепловосприятие экранов значительно меньше, и это ведет к повышению температуры на выходе из топки, к более интенсивному конвективному теплообмену и росту температуры перегретого пара. Поскольку избытки воздуха в этом случае пониженные – потери с уходящими газами снижаются. Однако при использовании горелок, формирующих несветящийся факел, должно быть обеспечено хорошее предварительное смешение газа с воздухом до его воспламенения. При невыполнении этого условия метан и тяжелые углеводороды, попадая в зону высоких температур, разлагаются с выделением углерода в виде сажи. Горение в топке затягивается, а пламя становится светящимся и коптящим. В этом случае, для поддержания на соответствующем уровне температуры перегретого пара и улучшения топочного режима, необходимо повысить избытки воздуха, что и приводит к снижению экономичности работы котельной установки из-за увеличения потерь с уходящими газами и от химической неполноты сгорания.

Мазутные горелки в общем случае представляют собой устройства, включающие центробежные форсунки и специальные завихривающие элементы, называемые воздушными регистрами.

Центробежные мазутные форсунки предназначены для тонкого распыления и распределения в воздушном потоке жидкого топлива, поступающего в топку котла, и в зависимости от способа распыления классифицируются как механические, паровые, паромеханические, ротационные.

46

Механические форсунки являются наиболее распространенным видом форсунок. Распыл мазута в них обеспечивается за счет подачи его под избыточным давлением (2,5-4,5 МПа) в вихревую камеру форсунки и выходом закрученной массы мазута через узкое отверстие – сопло. При этом создается интенсивно вращающийся вихрь, истечение жидкого топлива из сопла происходит в виде пленки с большой скоростью (до 80 м/с) и в виде широко расходящегося конуса. Толщина вытекающей пленки составляет около 0,2…0,4 диаметра сопла. Пленка на выходе из сопла растягивается, утоняется, и под действием динамических колебаний разрушается на капли, которые при повторных соударениях еще более измельчаются, и по мере испарения пары топлива сгорают. Производительность механических форсунок может быть доведена до нескольких тонн мазута в час. К основным достоинствам механических форсунок следует отнести: простоту конструкции, несложность изготовления, сравнительно небольшой расход энергии на подачу и распыл мазута. Основным недостатком механических форсунок следует считать – ограниченный диапазон регулирования производительности (не более 40 %) за счет снижения давления мазута перед форсункой. При большем снижении производительности распыл мазута существенно ухудшается, образуется много крупных капель и происходит неполное сгорание топлива. Механические форсунки преимущественно применяются на котлах, использующих в качестве основного топлива мазут.

Впаровых форсунках распыление топлива достигается в результате использования кинетической энергии струи пара, вытекающей из форсунки, а мазут может поступать в форсунку под небольшим давлением. Головка паровой форсунки может иметь дополнительную насадку для укорочения длины факела. Давление мазута перед форсункой при наличии насадки порядка 0,5 МПа, без насадки – 0,15 МПа. Расход пара на распыл составляет 0,3 кг/кг. Давление пара 0,5 – 2,5 МПа. Диапазон регулирования паровых форсунок составляет (20…100) %. Данный тип форсунок чаще используют на водогрейных и промышленных паровых котлах.

Впаромеханических форсунках используются преимущества паровых и механических форсунок. На больших нагрузках котла пар на форсунку не подается, а работает только механическое распыливание. При малых нагрузках котла (менее 60 %) параллельно механическому подключается и паровое распыливание. С использованием паромеханических форсунок диапазон регулирования расширяется до тех же значений, что и для паровых, и при их большой производительности во всем диапазоне регулирования сохраняется высокая экономичность. Отличительной конструктивной особенностью паромеханических форсунок является наличие двух завихрителей: для мазута и для пара.

Вротационных форсунках для распыла мазута и смешения его с воздухом используются вращающие элементы: вал, воздушный компрессор, распределитель мазута, распыливающая чаша. Форсунки обеспечивают тонкий распыл мазута, широкий диапазон регулирования (20…100 %), но имеют сравнительно низкую надежность. Ротационные форсунки имеют ограниченное применение и чаще используются в промышленных котельных установках.

Воздушные регистры мазутных горелок предназначены для обеспечения качественного перемешивания каплей распыленного мазута с воздухом и

47

достижения эффективного сжигания мазута. В отличие от пылеугольных горелок поступающий для горения мазута воздух не делят на первичный и вторичный, а одним потоком подают через воздушные регистры. Воздушные регистры выполняют трех видов: улиточный, аксиальный лопаточный и тангенциальный лопаточный. Улиточный завихритель применяют на горелках небольшой мощности, т.к. для мощных горелок улиточный завихритель получается громоздким. Аксиальный лопаточный аппарат наиболее прост в изготовлении, имеет наименьшее гидравлическое сопротивление, но для пропуска всего потока воздуха требует большого диаметра канала и создает меньшую, по сравнению с другими, степень крутки. В тангенциальном лопаточном регистре поток воздуха движется к центру канала из периферийной камеры по касательной к стенкам канала. Он имеет несколько большее сопротивление, но отличается высокой степенью крутки потока и возможностью регулирования размера проходного сечения. Этим достигается сохранение необходимой степени крутки воздушного потока и удовлетворительное перемешивание топлива с воздухом при изменениях нагрузки котла.

Пылеугольные горелки по характеру смесеобразования делят на вихревые (центробежные) и прямоточные (струйные). Классификация и характеристика этих горелок приводятся в табл. 2.1, 2.2.

Пылеугольными горелками организуется подача в топочную камеру в необходимых пропорциях пыли и воздуха, осуществляется полное или частичное их смешение, обеспечивается розжиг пылевого факела мазутом или горючим газом. В каждой пылеугольной горелке монтируется устройство в виде специального канала или отверстия, для установки растопочной мазутной форсунки и запальника, обеспечивающего первоначальный розжиг форсунки.

Через вихревые пылеугольные горелки пылевоздушная смесь и вторичный воздух подаются в виде закрученных струй, образующих в топочном объеме конусообразно – расходящийся факел. С усилением степени крутки потоков увеличивается угол раскрытия струи и расширяются ее границы, что обеспечивает более быстрый ее прогрев и воспламенение факела. Степень крутки вторичного воздуха регулируется в период наладки так называемым языковым шибером, расположенным во входном патрубке улитки. Изменение нагрузки котла осуществляется за счет изменения количества подаваемой в топку угольной пыли. При этом подача первичного воздуха изменяется незначительно, а регулирование дутья происходит главным образом за счет изменения расхода вторичного воздуха. Вихревые горелки универсальны и применяются для любого твердого топлива, но наибольшее распространение они получили при сжигании топлив с малым выходом летучих веществ. У котлов средней мощности вихревые горелки, как правило, устанавливают на фронтовой стене топки. Для котлов большой мощности преимущественно применяют встречное расположение горелок на боковых стенах топочной камеры.

Прямоточные горелки характеризуются тем, что аэросмесь и вторичный воздух подаются в топку без закрутки, со сравнительно низкой турбулизацией. При этом создаются дальнобойные струи с малым углом расширения и с вялым перемешиванием первичного и вторичного потоков. Необходимая для горения турбулентность потока создается при взаимодействии струй, выходящих непосредственно из горелки, и при взаимодействии струй разных горе-

48