
- •Часть II. Котлотурбинные энергетические установки
- •Часть II. Котлотурбинные энергетические установки.
- •Isbn 5-7723-0403-8 © Севмашвтуз, 2004 г.
- •Глава 3.
- •3.1. Назначение и классификация судовых паровых
- •3.2. Характеристики паровых котлов
- •3.3. Конструктивные особенности и принцип действия
- •3.4. Топочные процессы. Топки паровых котлов.
- •3.5. Конструкция основных элементов паровых котлов
- •3.6. Тепловой баланс и кпд парового котла
- •3.7. Принципы регулирования основных параметров
- •3.8. Расчеты паровых котлов
- •3.9. Классификация и особенности паровых турбин
- •3.10. Принцип действия активной и реактивной
- •3.11. Многоступенчатые паровые турбины
- •3.12. Радиальные и радиально-осевые турбины
- •3.13. Разделение потоков пара.
- •3.14. Ступени полного и экономического хода.
- •3.16. Потери энергии в паровых турбинах
- •3.17. Особенности расширения пара в многоступен-чатых турбинах. Мощность и кпд паровой турбины
- •3.18. Способы регулирования мощности паровых
- •3.19. Системы паротурбинных установок
- •3.20. Нерегенеративные тепловые схемы ктэу
- •3.21. Регенеративные тепловые схемы 2-го рода
- •3.22. Регенеративные тепловые схемы 1-го рода
- •3.23. Тепловые схемы с промежуточным перегревом
- •3.24. Способы повышения экономичности ктэу.
- •3.25. Размещение ктэу на судне
- •Часть 2.
- •164500, Г. Северодвинск, ул. Воронина, 6
3.7. Принципы регулирования основных параметров
работы паровых котлов. системы, обслуживающие
работу паровых котлов
Любой паровой котел может работать надежно и экономично, если выполняются следующие условия:
-
уровень воды в паровом коллекторе находится в заданных пределах;
-
подача воздуха в топку соответствует подаче топлива с необходимым коэффициентом избытка воздуха (
= 1,05 ÷ 1,15);
-
температура топлива, подаваемого в котел, обеспечивает качественное его распыливание в топочных устройствах;
-
параметры работы котла соответствуют заданной нагрузке.
Выполнение этих условий осуществляется с помощью систем, обслуживающих работу котла, и соответствующих регуляторов:
-
регулятора питания (регулирование уровня воды в котле);
-
регулятора давления пара (регулирование горения);
-
регулятора расхода (давления) воздуха;
-
регулятора температуры топлива;
-
других локальных регуляторов.
К системам, обслуживающим работу котла, относятся:
-
питательная система;
-
топливная система;
-
система подачи воздуха и удаления газов;
-
система автоматического регулирования и защиты котла;
-
система теплотехнического контроля;
-
вспомогательные системы котла: верхнего и нижнего продувания; отбора проб котловой воды; ввода присадок в котел; мокрого хранения; внутренней и наружной химических чисток; сажеобдувки; дозерная установка.
Принципы регулирования уровня воды в котле.
Питательные системы паровых котлов
Питательная система предназначена для непрерывной подачи в котел питательной воды заданной температуры в количестве, обеспечивающем поддержание уровня воды в паровом коллекторе в допустимых пределах.
Поддержание заданного уровня воды в паровом коллекторе является одной из главнейших задач, обеспечивающих надежную работу котла. При высоком уровне воды в котле возможны забросы котловой воды в пароперегреватель и, как следствие, разрушение его конструкций от гидравлических ударов. Интенсифицируется также вредное явление уноса в пароперегреватель влажного пара вместе с содержащимися в нем солями. Отложения солей на стенках труб пароперегревателя, паропроводов и в проточной части турбин могут вызвать неработоспособность и выход из строя этих элементов котлотурбинной установки: пережог трубной системы пароперегревателя, коррозионные и эрозионные разрушения паропроводов и арматуры, выплавление упорных подшипников турбин. При низком уровне воды в паровом коллекторе возможен срыв естественной циркуляции и упуск воды из котла, приводящие к прекращению охлаждения парообразующих труб и неизбежному пережогу трубной системы испарительной части.
Рис.
31. Принцип действия простейшего
поплавкового регулятора уровня.
преобразуется на чувствительном
элементе регулятора (мембране) в
перемещение чувствительного элемента,
и его рассогласование с заданным
поступает на сервопривод управления
питательным клапаном котла. При
повышении уровня воды в паровом коллекторе
давление жидкости в полости над мембраной
увеличивается, вызывая прогиб мембраны
вниз. Перемещение мембраны через
усилительное реле передается на
сервопривод, закрывающий питательный
клапан, и уменьшающий расход питательной
воды в котел. При снижении уровня воды
в паровом коллекторе давление жидкости
прогибает мембрану вверх, перемещая
тарелку питательного клапана на открытие
и увеличивая подачу питательной воды
в котел.
питания;
Рис. 32. Принцип
действия одноимпульс- ного
гидравлического регулятора питания
котла.
– конденсационный сосуд;
– экономайзер котла;
–
одноимпульсный регулятор
– питательный насос;
– питательный клапан;
– эталонный уровень в КС;
– уровень воды в паровом коллекторе;
– сигнал разности уровней.
В зависимости от типа тепловой схемы, используемой в каждой конкретной КТЭУ, возможно применение питательных систем котлов с различными типами водоподогревателей: поверхностного и смесительного типов.
В питательных системах котлов с водоподогревателем поверхностного типа (рис. 33.а), водоподогреватель устанавливается на напорном трубопроводе питательного насоса. Питательная вода с напора основного питательного насоса (как правило, это насос с турбоприводом – ТПН) подается в водоподогреватель, где происходит ее предварительный подогрев паром перед подачей в котел. Подогретая питательная вода через ДРП и питательный клапан поступает в экономайзер котла. В целях резервирования механизмов, на случай выхода из строя основного питательного насоса, параллельно с ним в систему включается резервный питательный насос (обычно с электроприводом – ЭПН). Схема питательной системы предусматривает также питание котла напрямую, без использования водоподогревателя, а также в обход регулятора питания – ДРП.
Рис.
33. Схемы питательных системы котлов:
а)
– с водоподогревателем поверхностного
типа – ВПП;
б)
– с водоподогревателем смесительного
типа (деаэратором).
– конденсатный
насос;
– турбопитательный насос;
– деаэратор;
– водоподогреватель
поверхностный;
– электропитательный насос;
– двухимпульсный
регулятор питания котла;
– бустерный насос;
– слив конденсата
греющего пара.
В питательных системах котлов с водоподогревателем смесительного типа (деаэратором) подогрев питательной воды осуществляется в деаэраторе путем смешивания греющего пара с мелко распыленным конденсатом, подаваемым от конденсатного насоса (рис. 33.б). Подогретая питательная вода скапливается в нижней части деаэратора и забирается бустерным насосом, создающим необходимые условия для работы питательного насоса. Питательный насос через регулятор питания и питательный клапан подает воду в паровой котел. Параллельно с основным питательным насосом обычно включается резервный питательный насос, работающий в режимах пуска-остановки котла или пускающийся автоматически при выходе из строя основного питательного насоса.
Принципы регулирования давления пара в котлах.
Топливные системы паровых котлов
Давление пара, вырабатываемого котлом, находится в прямой зависимости от расхода топлива, подаваемого для сжигания в топку. Чем больше расход топлива, тем более высокое давление пара можно поддерживать в котле при неизменной его паропроизводительности. И наоборот, при постоянном давлении пара за счет изменения расхода топлива можно изменять паропроизводительность котла.
Таким образом, регулирование давления пара сводится к регулированию подачи топлива в топку котла. Принцип построения систем регулирования давления пара в паровых котлах основан на сравнении заданного значения давления пара с фактическим, и изменения количества подаваемого топлива в топку котла в соответствии с расхождением этих значений.
Регулирование расхода топлива в паровых котлах можно производить следующими способами:
-
изменением количества включенных в работу форсунок котла при постоянной производительности каждой из них (нерегулируемые форсунки); Данный способ не позволяет осуществить плавное регулирование расхода топлива, так как при включении очередной форсунки подача топлива в топку котла увеличивается на фиксированную величину, равную производительности включенной в работу форсунки;
-
изменением производительности самих форсунок (регулируемые форсунки). При осуществлении такого способа регулирования возможны три варианта:
-
Регулирование подачи топлива в топку за счет изменения давления топлива перед форсунками котла;
-
Регулирование подачи топлива в топку за счет изменения геометрических характеристик самой форсунки (проходного сечения топливного канала и др.);
-
Регулирование подачи топлива в топку котла за счет слива части топлива из топливного канала форсунки;
-
комбинированный способ регулирования, при котором на котле устанавливаются одна - две регулируемые форсунки в совокупности с остальными – нерегулируемыми. При таком способе регулирования при включении в работу очередной нерегулируемой форсунки производительность регулируемой уменьшается на величину, равную производительности включенной форсунки.
В судовых котельных установках в большинстве случаев применяются следующие способы регулирования давления пара:
-
На всех нагрузках работают все форсунки котла, перед которыми одновременно меняется давление топлива с помощью регулирующего топливного золотника;
-
Регулирование осуществляется включением и выключением нерегулируемых форсунок с одновременным изменением расхода топлива путем слива части его из каналов регулируемых форсунок;
-
Регулирование осуществляется включением и выключением части форсунок с одновременным изменением давления топлива перед форсунками с помощью программного регулятора давления топлива;
Топливная система котла предназначена для непрерывной подачи топлива в топку в количестве, обеспечивающем поддержание заданного давления пара, с температурой, обеспечивающей качественное распыливание топлива в топочных устройствах.
Принципиальная схема топливной системы зависит от типа примененных форсунок (регулируемые, нерегулируемые или их комбинация), и используемого варианта регулирования давления пара. Ниже приведены две типовые схемы топливных систем судовых котельных установок с постоянным и переменным давлением топлива перед форсунками.
В топливной системе с постоянным давлением топлива (рис. 34.а) топливо из расходной топливной цистерны через фильтр ФХН основным топливным насосом ТНН подается к нефтеподогревателю. Температура топлива за нефтеподогревателем поддерживается в заданных пределах регулятором РТН путем воздействия на клапан подачи греющего пара в нефтеподогреватель. Постоянное давление топлива за топливными насосами поддерживается регулятором РДТ воздействием на клапан слива топлива в топливную цистерну. После нефтеподогревателя подогретое топливо, пройдя через фильтр ФГН и быстрозапорный топливный клапан, поступает к топливному блоку. В РДП происходит сравнение заданного значения давления пара с фактическим. Рассогласование сигналов заданного и фактического значений давления пара поступает от РДП на механический привод, и от него – к золотникам топливного блока, к регулятору давления воздуха и к клапану слива топлива из форсунок, установленному на сливной топливной магистрали. Топливный блок осуществляет включение-отключение топливных форсунок в соответствии с заданной нагрузкой котла и распределение топлива по включенным форсункам. Изменение расхода топлива, подаваемого в топку котла, осуществляется сливом части топлива из форсунок в РТЦ.
Резервный насос ЭНН включается в работу автоматически при выходе из строя основного топливного насоса, и в режимах работы котла, близких к полным нагрузкам, когда производительности основного насоса становится недостаточно для обеспечения заданной паропроизводительности (давления пара). Для обеспечения соответствия между подачами топлива и воздуха, с механического привода РДП управляющий сигнал выдается на регулятор давления воздуха РДВ.
Работа топливной системы котлов с переменным давлением топлива (рис. 34.б) во многом схожа с работой рассмотренной выше топливной системы. Плавность регулирования расхода топлива достигается согласованными действиями регулирующего топливного золотника, регулятора перепада давления топлива, программного регулятора давления топлива, управляющего устройства сервоприводами топочных устройств и топливных насосов.
Рис.
34. Схемы топливных систем паровых котлов
и регулирования давления пара:
а)
с постоянным давлением топлива перед
форсунками;
б)
с переменным давлением топлива перед
форсунками.
– расходная
топливная цистерна;
– фильтр холодного топлива;
– электронефтяной
насос;
– турбонефтяной насос;
– фильтр горячего топлива;
– быстрозапорный топливный клапан;
– топливный блок;
– нефтеподогреватель;
– топливная форсунка;
– механический привод;
– регулятор температуры топлива;
– регулятор давления топлива;
– регулятор
давления пара;
– регулятор давления воздуха;
– регулятор расхода воздуха;
– задатчик регулятора давления пара;
– слив конденсата греющего пара из
нефтеподогревателя;
– клапан слива топлива из регулируемых
форсунок;
– программный регулятор давления
топлива;
– регулятор перепада давления топлива;
– дроссельный золотник;
– регулирующий топливный золотник;
– система автоматического регулирования;
– форсуночные
устройства;
– сервоприводы топочных устройств;
– заданное значение
давления пара;
– импульс
фактического значения давления пара
в котле;
– заданное значение
давления топлива;
– импульс
фактического значения давления топлива
за нефтеподогревателем;
– заданное значение
температуры топлива за нефтеподогревателем;
– фактическое
значение температуры топлива за
нефтеподогревателем;
– перепад давления
топлива на регулирующем топливном
золотнике.
Топливный блок управляет изменением подачи пара на турбопривод ТНН, открытием-закрытием регистров ВНУ, включением-выключением очередной форсунки, автоматическим включением-отключением резервного ЭНН. Для обеспечения соответствия между подачами топлива и воздуха, с механического привода РДП управляющий сигнал выдается на регулятор расхода воздуха РРВ системы подачи воздуха в котел.
Регулирование подачи воздуха в паровых котлах.
Воздушные системы паровых котлов
Воздушная система предназначена для подачи в топку котла воздуха в количестве, обеспечивающем качественное сгорание топлива с необходимым коэффициентом избытка воздуха.
Для
обеспечения качественного сгорания
топлива и экономичной работы котла
коэффициент избытка воздуха в должен
находиться в пределах
.
Снижение коэффициента избытка воздуха
приводит к неполноте сгорания топлива
(увеличению потери
),
образованию сажистых отложений на
поверхностях нагрева и снижению КПД
котла.
Увеличение
коэффициента избытка воздуха приводит
к дополнительным потерям теплоты с
уходящими газами –
.
Принципы регулирования подачи воздуха в котлах с вентиляторным дутьем и в высоконапорных котлах имеют свои особенности.
В котлах с вентиляторным дутьем
основным элементом системы подачи
воздуха является регулятор давления
воздуха – РДВ (рис. 35). В этом
регуляторе суммируются сигналы по
давлению атмосферного воздуха –
,
избыточному давлению воздуха в коробе
котла –
,
и сигнал заданного значения нагрузки
котла, поступающий от РДП. Суммарный
сигнал выдается на регулирующий орган.
В главных котлах регулирующим органом
обычно является клапан подачи пара на
турбину котельного турбовентилятора
– ТВК (рис. 35.а). В котельных
установках, у которых в воздушных
системах используются электровентиляторы,
регулирующим органом является привод
воздушной заслонки, расположенной за
котельным вентилятором (рис. 35.б).
Рис.
35. Схема регулирования подачи воздуха
в котлах с вентиляторным дутьем:
а
– в главных котлах с турбовентилятором
– ТВК;
б
– в главных и вспомогательных котлах
с электровентилятором.
– регулятор
давления воздуха;
– котельный турбовентилятор;
– котельный
электровентилятор;
– клапан подачи пара на котельный
турбовентилятор;
– регулирующая воздушная заслонка;
– атмосферное
давление воздуха;
– давление воздуха в кожухе котла;
– заданное значение
давления воздуха для данной нагрузки
котла.
Рис.
36. Схема регулирования подачи воздуха
в высоконапорных котлах.
– турбонаддувочный
агрегат;
– газовая турбина;
– турбокомпрессор;
– добавительная паровая турбина;
– воздушная заслонка системы защиты
котла;
– регулятор расхода воздуха;
– подача пара на ДПТ;
– забор воздуха компрессором из
атмосферы;
– выброс дымовых газов в атмосферу;
– сопловый клапан
добавительной паровой турбины ТНА.
– заданное значение
перепада давления на газовом импульсе
котла (от РДП);
– давление воздуха
на выходе из компрессора;
– давление газов
перед газовой турбиной ТНА.
Система защиты паровых котлов
Система защиты предназначена для предотвращения аварии котла в нештатных ситуациях.
Защита котлоагрегата обычно производится по следующим аварийным параметрам:
-
при достижении давления пара в котле более чем на 5 % превышающего рабочее значение;
-
при разрывах трубопровода питательной воды или главного паропровода;
-
при срыве факела в топке котла;
Система защиты также служит для экстренной остановки (в течение 1-2 секунд) котла воздействием вручную на БЗУ.
Дополнительно к перечисленному в высоконапорных котлах система защиты срабатывает:
-
при угрозе помпажа осевого компрессора;
-
при увеличении частоты вращения ротора ТНА выше допустимой;
-
при падении давления в системе смазки ТНА ниже допустимого предела;
В систему защиты котла обычно входят следующие устройства:
-
импульсные и главные предохранительные клапаны, расположенные на паровом коллекторе котла;
-
быстрозапорное устройство котла – БЗУ, включающее в себя главный и вспомогательный стопорные клапаны с сервоприводами, отключающие котел от магистралей перегретого и насыщенного пара, и быстрозапорный топливный клапан, отключающий котел от топливной системы;
-
невозвратно-запорный питательный клапан, предотвращающий упуск воды из котла при разрыве питательного трубопровода;
В систему защиты ВНК дополнительно входят следующие устройства:
-
командный блок, расположенный на ТНА и предназначенный для выдачи управляющего сигнала на БЗУ для остановки котлоагрегата по сигналам защиты ТНА;
-
быстрозапорный клапан ТНА, предназначенный для быстрого прекращения подачи пара на добавительную турбину ТНА;
-
заслонка перепуска воздуха, предназначенная для снятия нагрузки с ТНА по воздуху;
-
клапан блокировки ТНА по маслу, предназначенный для остановки котлоагрегата при падении давления масла в системе смазки ТНА, и предотвращения пуска ТНА без смазки.
Система теплотехнического контроля паровых котлов
Система теплотехнического контроля предназначена для постоянного или периодического контроля основных параметров работающего котла. С этой целью котельную установку оборудуют следующими контрольно-измерительными приборами:
-
не менее чем двумя водоуказательными приборами;
-
манометрами, термометрами, расходомерами, солемерами, уровнемерами, кислородомерами, газоанализаторами и другими контрольно-измерительными приборами.
Водоуказательные приборы – ВУП являются ответственным элементом любого котлоагрегата. От надежности и точности их показаний непосредственно зависит надежность работы котла. Каждый котел имеет не менее двух независимых ВУП, устанавливаемых на паровом коллекторе котла со стороны переднего фронта (зоны обслуживания). На ВУП отмечаются нижний, средний и верхний уровни воды в котле.
В настоящее время в судовых котельных установках широко применяются дистанционные указатели уровня воды в котле, показывающие приборы которых выведены на пульт управления котельной установкой.
Вспомогательные системы паровых котлов
Системы продувания, отбора проб и дозерная установка предназначены для поддержания качества котловой воды в соответствии с применяемым водным режимом работы котла. Система продувания также служит для спуска воды или полного осушения котла и пароперегревателя.
Система продувания (рис. 37) состоит из клапанов верхнего (на паровом коллекторе) и нижнего (на водяном коллекторе) продувания, клапанов осушения (продувания) пароперегревателя, установленных на нижнем коллекторе пароперегревателя, инжектора системы осушения котла, клапанов продувания в трюм и за борт.
Продувание котла (вернее и нижнее)
производится периодически в соответствии
с заданным режимом работы для поддержания
необходимой концентрации солей в
котловой воде. Клапан продувания
пароперегревателя предназначен
для спуска воды из пароперегревателя
после мокрого хранения котла и для
обеспечения организации движения пара
в пароперегревателе при вводе в действие
котла с момента зажигания первой форсунки
и до начала отбора пара. Для ускорения
осушения пароперегревателя (уменьшения
времени ввода котла в действие) часто
используют специальные инжекторы. При
давлении пара в котле до 0,2 МПа
продувание котла осуществляется в трюм,
при давлении более 0,2 МПа продувание
котла переводится за борт.
Рис.
37. Системы нижнего и верхнего продувания
котла, продувания пароперегревателя, отбора
проб и дозерная установка.
Пробы котловой воды берутся из парового коллектора котла через клапан и охладитель системы отбора проб (рис. 37). Периодичность отбора проб и показатели качества котловой воды указываются в инструкции по эксплуатации котлоагрегата.
Дозерная установка (рис. 37) состоит из баков для приготовления химических растворов, соответствующих водному режиму работы котла, насоса дозерной установки и клапана ввода присадок в паровой коллектор. Концентрация растворов, количество вводимых присадок и периодичность их ввода в котел зависят от результатов анализа проб котловой воды и производятся в соответствии с заданным водным режимом работы котла.
Система мокрого хранения котла (рис. 38) предназначена для заполнения котла обескислороженной и обессоленной водой и состоит из насоса котловой воды, обескислораживающего и обессоливающего фильтров, бака мокрого хранения (расширительной емкости) и клапанов выпуска воздуха. При мокром хранении весь пароводяной тракт котла полностью заполняется водой, пропущенной через ионообменные фильтры. При этом предотвращается возникновение и развитие коррозии в поверхностях нагрева и коллекторах парового котла.
Рис.
38. Системы выпуска воздуха и мокрого
хранения котла.
– обессоливающий
ионообменный фильтр;
– обескислораживающий
ионообменный фильтр
Рис.
39. Системы наружной и внутренней
химической чистки котла.
– бак системы
внутренней химической чистки котла;
– бак системы наружной химической
чистки котла;
– ротаметр;
– подача пара на эжекторы системы
наружной химической чистки;
– эжекторы;
Система сажеобдувки предназначена для периодической обдувки паром высокого давления и очистки от сажистых отложений поверхностей нагрева при работе котла. Сажеобдувочные устройства представляют собой поворотные трубы, расположенные в газоходах котла возле поверхностей нагрева, с установленными на них соплами (рис. 40). На современных судовых котлах устанавливается от 10 до 20 сажеобдувочных устройств.
Обдувка радиационных поверхностей нагрева производится крупносопловыми (одно-два сопла), а конвективных поверхностей нагрева – многосопловыми сажеобдувочными устройствами. Современные сажеобдувочные устройства производительностью 30 ÷ 40 т/ч производят обдувку поверхностей нагрева от сажи в течение 5 ÷ 10 минут, расходуя при этом 1 ÷ 1,5 тонны перегретого пара.
В высоконапорных котлах сажеобдувочные устройства не устанавливаются. Очистка поверхностей нагрева от сажистых отложений в ВНК производится в режиме самообдува за счет высоких скоростей движения газов в газоходе котла на режимах оборотов ТНА, близких к максимальным. При этом значительная часть отложений уносится с потоком газа в газоход котла за газовой турбиной.
Рис.
40. Система сажеобдувки котла
с
вентиляторным дутьем.