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

лок в объеме топочной камеры. В этой связи большое значение имеет компоновка горелочных устройств. Наиболее эффективными с точки зрения устойчивости и экономичности процесса горения в топке считаются: диагональная компоновка прямоточных горелок, при которой их оси пересекаются в центре топки; тангенциальная компоновка, оси горелок являются касательными к воображаемой окружности в центре топки; блочная компоновка горелок, при которой оси двух горелок каждого блока пересекаются, не доходя до центра топочной камеры. В настоящее время широкое распространение имеют щелевые прямоточные горелки с внешней подачей аэропыли и центральным подводом вторичного воздуха, так как они, по условиям воспламенения, имеют преимущества перед прямоточными горелками с внутренней подачей пыли.

К прямоточным пылеугольным горелкам относятся и горелки – амбразуры. Этот тип горелочных устройств применяется на пылеугольных котлах средней и большой производительности, использующих топливо с высоким выходом летучих веществ (бурый уголь, торф, сланцы и т.п.) и комплектуемых так называемыми шахтными размольными мельницами. К шахтным размольным мельницам относятся молотковые мельницы или мельницы – вентиляторы, укомплектованные сепараторами инерционного типа. В настоящее время применяют два типа горелок – амбразур: с горизонтальным рассекателем и с насадками; горелки последнего типа называются эжекционными. В первом типе горелок пылевоздушный поток разделяется горизонтальным рассекателем на два потока. Каждый поток смешивается с вторичным воздухом, подаваемым в топку, через специальные сопла (шлицы), расположенные над и под амбразурой. Эффективность перемешивания пылевоздушной смеси обеспечивается высокой скоростью выхода из шлиц. Эжекционные горелки наиболее эффективны на котлах большой производительности. При этом часть вторичного воздуха подают через специальные сопла, расположенные на противоположной стене топки, навстречу основному потоку, и тем самым обеспечивается регулирование положения ядра факела в топочной камере. При обслуживании горелок эксплуатационный персонал обязан: контролировать отсутствие отложений в амбразуре и соплах; не допускать обгорания и эксплуатацию горелок с деформированными или оплавленными эжектирующими насадками; регулярно осуществлять ревизию состояния горелок и своевременно очищать их от отложений. При изменениях нагрузки котла выдерживание необходимых скоростей выхода вторичного воздуха осуществляется за счет изменения количества включенных в работу шлиц.

Комбинированные горелочные устройства позволяют осуществлять легкий переход со сжигания одного вида топлива на сжигание другого, а в некоторых случаях обеспечивают и совместное сжигание двух видов топлива. Конструкция комбинированных горелок должна обеспечивать сжигание каждого из видов топлива в оптимальных условиях.

В комбинированных газомазутных горелках каналы подвода воздуха (регистры) выполняются общими для обоих видов топлив, а расположение каждого вида горелочного устройства (мазутной форсунки и канала ввода газа) выбирается исходя из условий обеспечения быстрого и полного смешения топлива с воздухом. На мощных паровых газомазутных котлах устанавлива-

51

ются в основном два типа газомазутных горелок: конструкции ТКЗ и конструкции ЗиО. Горелки отличаются способом ввода газа в поток воздуха и методом регулирования расхода воздуха на горелку при переменных нагрузках [19]. Газомазутная горелка ТКЗ коаксиального типа с центральной подачей газа. Воздух подводится через тангенциальный лопаточный регистр, а регулирование расхода обеспечивается перемещающимся дисковым шибером. Горелка комплектуется механической мазутной форсункой и электрозапальником для обеспечения безопасного воспламенения топлива. Газомазутная горелка конструкции ЗиО имеет два самостоятельных канала подвода воздуха, который завихривается в тангенциальных лопаточных аппаратах и поступает в периферийный и центральный каналы горелки. Природный газ вводится в поток воздуха в основном с периферии, из специального кольцевого коллектора, и частично - из отверстий центрального коаксиального канала. Подача мазута осуществляется паромеханической форсункой. Для ее охлаждения организуется подача третичного воздуха. При снижении нагрузки котла расход воздуха по периферийному кольцевому каналу уменьшается прикрытием специального регулирующего шибера, установленного перед горелкой.

При эксплуатации комбинированных газомазутных горелок руководствуются следующими принципами:

1)в средних и мощных газомазутных котлах осуществляют в основном раздельное сжигание газа и мазута. При совместном сжигании возрастают потери теплоты от химической неполноты сгорания, так как различные условия смешения и время воспламенения топлив приводят к ухудшению выгорания одного из них - чаще мазута. Неполное сгорание мазута ведет к сажеобразованию, что, помимо потерь от химической неполноты сгорания, вызывает загрязнение поверхности нагрева отложениями сажи и понижает экономичность установки;

2)в целях снижения интенсивности коррозионных процессов в низкотемпературной части газового тракта (экономайзера и воздухоподогревателя), при сжигании в качестве основного топлива мазута с содержанием серы более 0,5 %, в регулировочном диапазоне нагрузок котла коэффициент избытка воздуха на выходе из топки должен быть менее 1,03. Эксплуатация газомазутных котлов с низкими избытками воздуха требует тщательного выполнения горелок и подводящих воздуховодов для того, чтобы исключить неравномерность распределения топлива и воздуха по горелкам. При этом форсунки должны тарироваться и допустимое расхождение их производительности не должно превышать более 1,5 %, а контроль за расходом воздуха через каждую горелку должен вестись по давлению воздуха перед ней;

3)не допускается использование горелок с пульсацией факела, которая может быть вызвана неравномерной подачей топлива или нарушением аэродинамики горелки;

4)необходимо обеспечивать минимальные присосы холодного воздуха в топку для исключения высокотемпературной сероводородной коррозии экранных труб;

5)при эксплуатации газомазутных топок с комбинированными горелочными устройствами эксплуатационный персонал должен руководствоваться соответствующими режимными картами.

52

Комбинированные пылегазовые горелки конструктивно компонуются на базе пылеугольных вихревых и прямоточных горелок. При этом различают пылегазовые горелки с внешним и внутренним смесеобразованием при периферийном и центральном вводе газа. Пылегазовые горелки широко используются на котлах средней и большой мощности. При этом экономичность работы котельной установки во многом зависит от конструкции и типа горелочных устройств, на выбор которых существенное влияние оказывают свойства угольной пыли и газа; тип топочного устройства; способ сжигания топлива; соотношение топливных составляющих газа и угольной пыли.

При эксплуатации пылегазовых горелок необходимо руководствоваться следующим:

1)переход на сжигание твердого топлива (начало подачи пыли в топку) с выходом летучих менее 15 % разрешается при тепловой нагрузке топки на растопочном топливе не ниже 30 % номинальной [2]. При работе на топливах

свыходом летучих более 15 % разрешается подача пыли при меньшей тепловой нагрузке, которая должна быть установлена местной инструкцией исходя из обеспечения устойчивого воспламенения пыли. При пуске котла после кратковременного простоя (до 30 мин) разрешается переход на сжигание твердого топлива с выходом летучих менее 15 % при тепловой нагрузке в топке не ниже 15 % номинальной;

2)режим сжигания газа и пыли (совместный и раздельный) должен регламентироваться режимными картами, составленными по результатам соответствующих испытаний и наладки;

3)в работе следует иметь по возможности большее количество горелок для обеспечения устойчивого режима горения и равномерного заполнения топки факелом;

4)должна строго соблюдаться правильная очередность включения (отключения) горелок: в начале должны включаться симметрично расположенные горелки нижних ярусов, а отключение горелок должно осуществляться в обратной последовательности;

5)при одной и той же нагрузке котла температура перегретого пара повышается с увеличением содержания газа в смеси сжигаемого топлива, что объясняется уменьшением радиационного теплообмена в топке;

6)плановый останов котла, работающего одновременно на пыли и газе, производят сначала прекращением подачи пыли, а затем - газа.

В общем случае производственные инструкции по обслуживанию горелочных устройств должны отражать следующее: конструкцию и принцип работы горелки; регулировочные характеристики (регулировочный диапазон работы, регулировочные параметры); последовательность включения в работу и отключения; типовые дефекты; правила содержания элементов горелочных устройств на отключенных и включенных в работу горелках; меры безопасности при обслуживании горелок.

2.2.3.2. Лазы, гляделки и предохранительные устройства топок

При эксплуатации котельной установки оперативный персонал обязан контролировать процесс горения в топке, состояние поверхностей нагрева и обмуровки. Для обеспечения этих требований в стенках топочной камеры

53

монтируются лазы и гляделки. Дверцы и крыши лазов и гляделок должны быть прочными, плотными и должны исключать возможность самопроизвольного открытия. На котлах, работающих под избыточным давлением газов в топке, лючки должны быть оснащены устройствами, исключающими выбивание газов наружу при их открывании.

Каждый котел с камерным сжиганием топлива (пылевидного, газообразного, жидкого) или с шахтной топкой должен быть снабжен взрывными предохранительными устройствами. Взрывные предохранительные устройства устанавливаются в стенке топки таким образом, чтобы исключить травмирование персонала при их срабатывании.

2.2.4. Поверхности нагрева котлоагрегатов

Надежность и экономичность работы котлов в значительной степени определяются состоянием поверхностей нагрева. Повреждаемость поверхностей нагрева является наиболее частой причиной аварийных остановов котлоагрегатов и составляет 60-70 % от общего числа нарушений в работе оборудования ТЭС [21]. Задача продления ресурса и сохранения физикохимических свойств металла поверхностей нагрева котлоагрегатов на уровне показателей, обеспечивающих длительную его прочность, должна быть на одном из первых мест в деятельности работников электростанций. В большинстве случаев причины повреждаемости поверхности нагрева субъективны

имогут быть ликвидированы или смягчены за счет проведения правильной технической и организационной политики, без привлечения значительных материальных и трудовых ресурсов электростанций.

Вобщем случае повреждаемость поверхности нагрева котла является, как правило, следствием дефектов производства труб металлургического происхождения (закаты, трещины, раковины и др.); дефектов монтажа и ремонта (несоблюдение требований по сборке и сварке панелей, нарушение режимов термообработки металлов, несоответствие указаниям чертежей и др.); тепловой усталости металла; коррозионных явлений; нарушений условий эксплуатации. В то же время известно, что повреждаемость поверхностей нагрева котлоагрегатов особенно резко увеличивается при одновременном воздействии перечисленных факторов, т. к. максимальный вред происходит при их сочетании. Поэтому проблема повышения надежности работы поверхностей нагрева котлоагрегатов должна решаться комплексно, по широкому спектру направлений, с глобальным анализом причин повреждаемости поверхностей нагрева.

Данный подход может быть эффективно реализован при использовании так называемых экспертных систем.

Под экспертной системой обычно понимают программу или программноаппаратные средства, использующие при решении задач экспертные знания.

Использование экспертных систем позволяет всесторонне оценить техническое состояние поверхностей нагрева и котлоагрегата в целом, по полученным результатам выработать программу действий и первоочередные меры, реализация которых позволит поднять уровень эксплуатации котлоагрегатов

иповысить их надежность.

54

Далее рассмотрим основные поверхности нагрева энергетических барабанных котлов с точки зрения вопросов эксплуатации и мероприятий, обеспечивающих надежность их работы.

2.2.4.1. Топочные экраны

Топочные экраны размещаются в топочной камере и представляют собой панели, выполненные из параллельно включенных труб и закрывающие внутренние стенки топки. Экраны барабанных котлов с уравновешенной тягой, проектируемых до 60-х годов, выполнялись гладкотрубными и подвешивались к каркасу агрегата. В 60-х годах в энергетическом котлостроении начали широко применяться мембранные экраны из плавниковых труб или с применением специальных вставок.

Мембранные экраны, выполняемые в виде вертикальных, подвешенных газоплотных панелей, имеют ряд преимуществ: повышенное тепловое восприятие; отсутствие присосов воздуха; возможность осуществления поддува котлоагрегата; меньший удельный расход металла; легкую и дешевую обмуровку; высокую заводскую блочность поставки. Основным недостатком мембранных экранов следует считать ограничение разности температур (50…100 С) между смежными свариваемыми панелями или трубами.

Для котлов с жидким шлакоудалением топочные экраны в зонах интенсивного горения топлива футеруются специальной огнеупорной набивной массой, в несколько раз уменьшающей тепловосприятие экрана, что необходимо для поддержания высокой температуры в топке.

Следует отметить, что топочные краны эксплуатируются в тяжелых условиях: высокие температура и давление рабочего тела, высокая температура факела, большая интенсивность обогрева, агрессивная среда топочных газов. Поэтому обеспечение надежной работы топочных экранов является сложной задачей, которая в каждом конкретном случае должна решаться комплексно, на основе результатов испытаний и наладки работы котла.

К основным причинам неполадок в работе топочных экранов барабанных котлов следует отнести:

нарушение циркуляции рабочего тела;

коррозию наружных и внутренних поверхностей экранных труб;

эрозию топочных экранов;

наличие отложений на внутренних и наружных поверхностях труб;

тепловую усталость металла;

перегрев экранных труб выше расчетных температур;

отсутствие должного контроля за тепловыми перемещениями и целост-

ностью экранных труб.

Циркуляционные повреждения экранных труб наиболее часто проис-

ходят по следующим причинам:

1) упуск уровня воды в барабане. При упуске уровня во входных сечениях опускных труб возникает кавитация (т.е. самоиспарение котловой воды), что вызывает резкое увеличение сопротивления опускных труб и снижение скорости циркуляции в контуре.

Явление кавитации в опускных трубах, как правило, приводит к разрыву экранных труб в зоне наибольшего обогрева. На практике уровень воды в ба-

55

рабане должен поддерживаться в строго определенном диапазоне. Устанавливаются нормальные, оптимальные и предельные показания уровня воды для каждого котла. Верхние значения уровней устанавливаются из условия исключения ухудшения качества насыщенного пара, нижнее – по исключению кавитации в опускных трубах.

В качестве основных мероприятий, способствующих исключению упуска уровня на работающих барабанных котлах, следует считать:

регулярный контроль правильности показаний уровней в водоуказательных колонках барабана и в сниженных указателях уровня;

исключение эксплуатации котла при уровнях в барабане, близких к предельным;

постоянный контроль за работой автоматики питания котла и средств сигнализации;

контроль за работоспособностью автоматической системы защиты котла;

своевременное обнаружение и устранение дефектов (парений, пропусков запорной арматуры, повреждение тепловой изоляции и т.п.) на водо-

указательных колонках и сниженных указателях уровня;

2)охлаждение топочных экранов при расшлаковке топки струей воды на работающем котле. Специальные исследования процессов водной расшлаковки котлов показали резкое уменьшение скорости циркуляции до нуля даже при кратковременном охлаждении водой нижней части экранов, что приводило к разрывам труб в верхних участках. В этой связи одной из задач наладки топочного режима является достижение бесшлаковочной работы котла; в тех случаях, когда предотвратить шлакование топочных экранов не удается, расшлаковка должна осуществляться на остановленном в горячий резерв котле. В некоторых случаях допускается проводить водные расшлаковки экранов котлов среднего давления при сниженных нагрузках, не допуская при этом длительного и сосредоточенного охлаждения труб водой;

3)резкое изменение давления в котле, вызванное колебаниями паровой нагрузки. Так, при понижении давления может возникнуть парообразование в опускных трубах, в результате движущий напор циркуляции падает, увеличивается сопротивление контура, циркуляция в подъемных трубах ослабляется. При повышении давления и неизменном тепловосприятии труб удлиняется экономайзерный участок циркуляционного контура, что приводит к ослаблению циркуляции в нем. Особенно сильно отражается нарушение циркуляции

вслабо обогреваемых трубах контура. Таким образом, резкое повышение давления более опасно при малых нагрузках, а понижение - при больших нагрузках котлоагрегата. Исследования котлов высокого давления показали, что допустимые скорости падения давления в них не должны превышать 2,5…3,0 атм/мин; скорость повышения давления в диапазоне нагрузок выше

средних – не более 0,5 атм/мин, а при меньших нагрузках – не более

0,25 атм/мин; 4) неустойчивая работа топки, характеризуемая сильной пульсацией пла-

мени и периодическим обрывом факела. В этих случаях циркуляция становится неравномерной и пульсирующей, в отдельных трубах возможна мгновенная остановка пароводяного потока и образование паровых пробок, закрывающих все сечение трубы. Температура стенок экранных труб на корот-

56

кое время повышается выше допустимых значений. Частая или длительная эксплуатация котла в режимах неустойчивой работы топки приводит вначале

кпоявлению отдулин, а далее – к разрыву экранных труб;

5)неправильное пользование периодической продувкой. Известно, что в период проведения продувки скорость воды в экранных трубах продуваемой панели понижается, а температура металла самих труб может повышаться на

10-12 С. Поэтому в каждом конкретном случае возможность и режим проведения периодической продувки котлов высокого давления должны устанавливаться по результатам специальных испытаний и регламентироваться соответствующими производственными инструкциями;

6) повышенное гидравлическое сопротивление входных участков экранных труб, возникающее вследствие засорения их шламом, продуктами коррозии и т.п. В этом случае, даже при небольшом парообразовании в экранной трубе, количество поступающей из опускной трубы воды может оказаться недостаточным для восполнения испарения и вода начнет поступать сверху из барабана навстречу выходящему из экранной трубы пару. Подобные нарушения циркуляции среды в экранных трубах, в зависимости от количественного состава и направления движения в ней пара и воды, классифицируются как режим образования устойчивого свободного уровня, пробковый режим, опрокидывание циркуляции. Четкую грань между этими режимами циркуляции провести трудно, и с практической точки зрения это не имеет особого значения, так как эти режимы являются аварийными.

На основании изложенного очевидно, что основными эксплуатационными мероприятиям по предупреждению циркуляционных повреждений экранных труб являются:

исключение упуска уровня воды в барабане;

исключение водных расшлаковок экранов на работающем котле;

исключение недопустимых скоростей изменения давления за котлом при постоянной тепловой нагрузке котла;

качественное ведение водно-химического режима котла;

качественные наладка и ведение топочного режима котла.

Коррозия представляет собой разрушение металла в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды. Коррозия металла носит общий и локальный характер. При протекании локальной коррозии оборудование значительно быстрее выходит из строя, чем при общей равномерной коррозии. Коррозии подвержены обе стороны поверхности нагрева: внутренняя - со стороны рабочей среды (воды, пара, воздуха) и наружная – со стороны дымовых газов (теплоносителя). При эксплуатации котельных агрегатов выявлено множество видов коррозии поверхностей нагрева [20]. Для наружных поверхностей экранов котлов высокого давления характерна высокотемпературная газовая коррозия. Основным коррозионноактивным компонентом является сероводород H2S. Даже при незначительных объемных концентрациях сероводорода у поверхности металла (0,04-0,07 %) скорость коррозии увеличивается примерно в 10 раз. Характер разрушений экранов от газовой коррозии напоминает по внешнему виду абразивный износ золой. В качестве основного направления борьбы с этим явлением следует считать наладку топочного режима и организацию рациональной аэродинамики в топочной камере, обеспечивающие интенсификацию воспламе-

57

нения топлива и равномерность размещения факела в топке. На котлах среднего и низкого давлений температура стенки экранов ниже 400 С, и поэтому этот вид разрушения металла не наблюдается.

Интенсивность и вид коррозии внутренних поверхностей нагрева котла зависят от большого количества факторов. Для экранных поверхностей нагрева барабанных котлов характерны следующие виды коррозии:

пароводяная коррозия. Возникает при нарушении циркуляции в парообразующих трубах. На интенсивность пароводяной коррозии основное влияние оказывает рабочая температура и химический состав металла. Для углеродистых сталей скорость пароводяной коррозии до 500 С невелика, а при дальнейшем росте температуры скорость коррозии резко возрастает;

подшламовая коррозия. Этот вид локальной коррозии развивается в виде раковин под слоем шлама Fe3O4. Причиной является агрессивное воздействие на сталь оксидов трехвалентного железа и меди, скапливающихся на поверхности;

щелочная хрупкость. Возникает чаще всего в тех элементах испарительных поверхностей, металл которых испытывает высокие напряжения, близкие

кпределу текучести, и находится в контакте с высококонцентрированными растворами агрессивных сред, чаще всего едкого натра NaOH;

стояночная коррозия. Возникает при простое котлоагрегата в резерве или ремонте. Стояночная коррозия труб вызывается тем, что во время простоев поверхность металла не бывает совершенно сухой и к ней имеется беспрепятственный приток кислорода из атмосферного воздуха.

Основными эксплуатационными мероприятиями по предупреждению коррозионных повреждений экранных труб являются:

качественное ведение принятого на станции водно-химического режима котлов;

обеспечение условий по соблюдению устойчивой циркуляции рабочей среды в экранных поверхностях нагрева;

контроль за расширениями экранов и недопущение их защемления;

соблюдение принятой технологии и параметров консервации оборудо-

вания.

Эрозия представляет собой процесс механического истирания абразивными частицами летучей золы или угольной пыли поверхностей нагрева и других частей котла при соприкосновении с ними или ударе о них. Эрозия экранных поверхностей нагрева происходит в тех случаях, когда поток аэропыли ударяется об экранные трубы или когда трубы, огибающие амбразуры горелок, находятся под механическим воздействием этого потока. Повреждения первого вида имеют место в топках со щелевыми горелками, а повреждения второго вида наблюдаются в основном в топках с турбулентными горелками. Для исключения эрозийного износа экранных труб необходимо своевременно устранять дефекты горелочных устройств, проводить их наладку, а также в некоторых случаях применять защитные накладки или кожухи, монтируемые на горелках или экранных трубах.

Загрязнения экранных труб во многом определяют надежность и экономичность работы котла. Так, наружные загрязнения вызывают недоиспользование теплоты топлива за счет понижения теплоотдачи от дымовых газов. Внутренние отложения на трубах, кроме того, вызывают рост температуры

58

металла, что в свою очередь ведет к налипанию на трубках жидкого шлака. Наблюдаемый при этом чрезмерный нагрев стенок трубок приводит к их разрыву.

Процессы наружного загрязнения поверхностей нагрева возникают преимущественно при пылевидном сжигании топлива. Количество отложений на наружной поверхности труб зависит от зольности топлива, состава золы, способа сжигания топлива, температурного режима газоходов и т.п.

Беззольными топливами являются лишь горючие газы, но они могут давать, при неправильной организации сжигания, сажистые отложения на трубах. Мазут содержит золы обычно не более 0,3 % (соли натрия и калия), однако она большей частью осаждается на поверхностях нагрева.

Экранные поверхности нагрева подвергаются в основном шлакованию. Процесс шлакования труб представляется в следующем виде. Сфероидальные капли расплавленной минеральной массы движутся в общем высокотемпературном потоке топочных газов. Если аэродинамика топочной камеры не достаточно совершенна и происходит наброс факела на относительно холодные трубы экранов, то капли золы ударяются в трубы, мгновенно охлаждаются и прилипают к металлической стенке или эоловому налету на ней. По мере утолщения слоя шлака на трубе температура наружной поверхности его (шлака) постепенно возрастает до температуры вязкого, а затем и жидкого состояния минеральной части топлива. При этом шлакование труб протекает особенно интенсивно. При достижении жидкоплавкого состояния шлаковой поверхности дальнейшее налипание золы прекращается, и излишки ее стекают вниз в виде жидкого шлака.

Основным способом расшлаковки экранных поверхностей нагрева энергетических котлов является механическое удаление отложений струей рабочего вещества. В качестве рабочих веществ для очистки поверхностей нагрева может использоваться водяной пар, сжатый воздух, вода и твердые сыпучие вещества (песок, дробь) [17].

Внутренние поверхности экранных труб могут быть загрязнены сва-

рочным градом, песком, землей и другими посторонними предметами, а также могут иметь отложения в виде рыхлого слоя или плотной и прочной накипи. Первый вид загрязнений характерен для котлов, пускаемых в эксплуатацию после монтажа или ремонта, и ликвидируются эти загрязнения при проведении так называемых предпусковых химических очисток. Второй вид внутренних отложений характерен для котлов, находящихся в эксплуатации. Причинами образования отложений в этом случае являются: выделение труднорастворимых солей в процессе упаривания воды; оседание взвешенных веществ, находящихся в котловой воде; коррозия металла труб. Солевые отложения в основном встречаются у котлов низкого и среднего давлений. Наличие внутренних отложений в поверхностях нагрева котлов высокого давления свидетельствует о неэффективной работе водоподготовительного оборудования или некачественном ведении водно-химического режима котла. Согласно ПТЭ режим эксплуатации водоподготовительных установок и воднохимический режим должны обеспечивать работу оборудования электростанции без повреждений и снижения экономичности, вызванных коррозией внутренних поверхностей теплоэнергетического оборудования, а также образованием накипи и отложений на теплопередающих поверхностях. Известно, что

59