Паровые котлы

В котлах Е (ГМ) (рис. 13) сохранены  верхний 8 и нижний 11 барабаны, соединенные трубами котельного пучка 10, как и в ранее рассмотренных конструкциях  котлов низкого давления. Однако высота и объём топочной камеры 3 значительно превышают размеры котельного пучка. Топочная камера плотно экранирована трубами 2, питающимися водой из нижнего коллектора 1, соединенного опускными трубами 15 с нижним барабаном 11. Пароводяная смесь из экранов 2 собирается в выходных коллекторах 6 и по трубам 7 отводится в верхний барабан или в выносной циклон 5. Трубы заднего однорядного экрана переходят вверху в многорядный фестон 9.

Котел имеет помимо топки  и соединительного газохода, в  котором расположен котельный пучок, еще два газохода - опускной и  подъемный. В опускном газоходе расположен стальной змеевиковый пароперегреватель 12 и воздухоподогреватель 14, а в подъемном – вынесенный экономайзер из чугунных ребристых труб. Поверхности нагрева подвешены к балкам каркаса, опирающегося вместе с обмуровкой на фундамент. Основные характеристики котлов типа Е (ГМ) приведены в таблице 1.

С повышением производительности котлов и применением факельного сжигания твёрдого топлива, а также в газомазутных котлах увеличиваются объём топки и поверхность её стен, которые в современных котлах покрыты трубами – топочными экранами. Так как в котлах с естественной циркуляцией топочные экраны преимущественно испарительные поверхности нагрева, то с ростом производительности котла роль кипятильных (котельных) пучков постепенно уменьшается и отпадает надобность в установке двух барабанов, что видно при сопоставлении котлов (рис. 10 – 13) с однобарабанным котлом (рис. 14).

Однобарабанные вертикально  – водотрубные паровые котлы  с естественной циркуляцией среднего давления выпускаются на давление 2,4 и 3,9 МПа, производительностью 25, 35, 50, 75, 100 и 160 т/ч  с перегревом пара до 440*С. Как правило, они имеют П – образную компоновку с размещением топки в подъёмной шахте и конвективных поверхностей нагрева (экономайзера, воздухоподогревателей, а иногда и ступеней пароперегревателя ) в опускном газоходе.

На рис. 14 приведён однобарабанный котёл типа БКЗ -7539Ф (Е -75 -3,9 -440 –БТ) с пылевидным сжиганием твёрдого топлива. Все стены топочной камеры 4 экранированы испарительными трубами 5, образующими вместе с опускными трубами 6, нижними 2 и верхними 7 коллекторами и барабаном 8 отдельные циркуляционные контуры. Трубы заднего экрана переходят в верхней части у горизонтального газохода в четырёхрядный фестон 9. Размалываемое в мельницах 1 топливо вместе с подсушивающим воздухом входит в топку через прямоточные горелки 3, расположенные на фронтовой стене.

 В горизонтальном  газоходе за фестоном расположен  вертикальный пароперегреватель 10, состоящий из двух ступеней (1 и 2).

В опускной конвективной шахте расположены экономайзер 11 и воздухоподогреватель 12 (по две ступени 1 и 11). Подобная компоновка поверхностей нагрева котла характерна для большинства котлов с естественной циркуляцией как среднего, так и высокого давления, производительностью равной или более 35 т/ч.

2.1.4. Барабанные котлы высокого давления.

На тепловых электростанциях России и в промышленных котельных при докритическом давлении наиболее распространёнными являются котлы с естественной циркуляцией. В основном это однобарабанные котлы (рис. 15) с топочными камерами 3 больших размеров, покрытыми из нутрии экранными трубами 2, являющимися испарительной поверхностью нагрева. Как в котлах среднего давления повышенной производительности, вода в экранные трубы поступает из барабана 6 по опускным трубам 4 и раздающему нижнему коллектору 1, а пароводяная смесь отводится в верхние коллекторы 5 и перепускным трубам поступает снова в барабан 6. Насыщенный пар, отделяемый в барабане от воды, по подводящим трубам направляется сначала в радиационный потолочный пароперегреватель 7, а затем в различной последовательности в ширмовый 8 и конвективный пароперегреватель 9.

Соотношение размеров нагревателей, испарительной и перегревательной поверхностей котла, их компоновка в  нём во многом зависит от параметров пара (температуры и давления). Поскольку с увеличением давления и температуры энтальпия жидкости и пара возрастает, а теплота парообразования, наоборот, падает, то с ростом параметров пара увеличивается доля экономайзерной и перегревательной поверхностей в котле и соответственно уменьшается доля испарительной поверхности (рис. 16).

В зависимости от параметров пара и соотношения испарительных и перегревательных поверхностей на выходе из топки устанавливают ширмовый пароперегреватель 8 (рис. 15) в котлах высокого давления или фестон 9 (рис. 14) на котлах среднего и пониженных значений высокого давления. Пароперегреватели располагают в горизонтальном переходном газоходе и также иногда в верхней части опускного газохода конвективной шахты. Далее по ходу газов находятся экономайзер и воздухоподогреватель.

Барабанные котлы с  естественной циркуляцией в отечественной энергетике применяют до давлений 18,5 МПа. При более высоком давлении (рис. 17) плотность пара приближается к плотности воды, и развиваемый напор естественной циркуляции стремится к нулю, а при Р>22,5 МПа пароводяная смесь становится однородной (рп≈рв) и движение рабочего тела при естественной циркуляции прекращается, т.е. при таком давлении барабанные котлы с естественной циркуляцией неработоспособны. При Р>Ркр используются только прямоточные котлы.

2.2. Прямоточные котлы.

В прямоточных котлах отсутствует барабан. Питательная вода в них, как и в барабанных котлах, последовательно проходит экономайзер 2 (рис. 8,в), испарительные 6 и пароперегревательные поверхности 7. Движение рабочей среды по поверхностям нагрева однократное. Осуществляется оно за счёт напора, создаваемого питательным насосом 1. Вода, поступающая в испарительную поверхность, на выходе из неё полностью превращается в пар. Это позволяет отказаться от тяжелого и громоздкого барабана. Надёжное охлаждение металла труб испарительной поверхности обеспечивается повышенными скоростями рабочего тела. В прямоточных котлах нет чёткой фиксации границ между экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зонами. Изменение параметров питательной воды  (температуры, давления), характеристик топлива, воздушного режима приводит к изменению соотношения между размерами экономайзерной, испарительных и пароперегревательных зон. Меняется и положение границ между этими зонами. Так, снижение давления в котле приводит к уменьшению размеров экономайзерной зоны (зоны подогрева), увеличению испарительной зоны (из-за роста при снижении давления величины теплоты парообразования) и некоторому сокращению зоны перегрева.

Прямоточные котлы по сравнению с барабанными имеют  значительно меньший аккумулирующий объем воды. Поэтому при их работе требуется синхронизация подачи воды, топлива и воздуха в котле. При ее нарушении в турбину  может поступать недогретый либо чрезмерно перегретый пар.

Прямоточные котлы могут  работать как на докритических, так  и на сверхкритических давлениях. Требования к качеству питательной воды у  них значительно выше, чем у  барабанных котлов, ибо даже при  ее хорошем качестве (когда содержание солей в ней измеряется миллионными долями грамма) из-за постоянного роста отложений в трубах прямоточные котлы приходится периодически останавливать и подвергать кислотной промывке. Наиболее интенсивное отложение солей происходит в той части испарительной зоны, в которой испаряются последние капли влаги и начинается перегрев пара. В котлах докритического давления эта часть испарительной зоны по величине изменения энтальпии достаточно узка (200- 250 кДж/кг) и ее размещают в конвективной шахте (выносная переходная зона). При сравнительно невысокой температуре продуктов сгорания, обтекающих змеевики выносной переходной зоны, отложения солей вызывают незначительный рост температуры стенки металла. Поэтому толщину отложений можно допускать большой, не опасаясь пережога труб, удлиняя тем самым межпромывочный период котла.

Появление прямоточных  котлов связано со стремлением упростить  конструкцию барабанных котлов, отказаться от громоздкого дорогостоящего барабана. Их распространение в России связаны  с именем Л. К. Рамзина, под руководством которого был проведен большой объем исследовательских и конструкторских работ по созданию прямоточного котла докритического давления, а также создан котел сверхкритического давления.

В котле Л. К. Рамзина (рис. 18) вода после питательного насоса 8 по трубопроводам направляется в экономайзер 7 и далее по необогреваемым трубам во входные 1 коллекторы радиационной части, разделенной по высоте на нижнюю радиационную 2 (НРЧ) и верхнюю 4 (ВРЧ) части. Иногда выделяют также и среднюю радиационную часть (СРЧ), устанавливаемую после НРЧ. Нижняя радиационная часть выполнена в виде ленты труб с горизонтально- подъемной навивкой по стенам топки (рис. 18, б). В НРЧ вода догревается до кипения и примерно 80% ее испаряется. Из НРЧ пароводяная смесь направляется в переходную зону 6, расположенную в конвективном газоходе. В переходной зоне завершается испарение воды и осуществляется слабый перегрев пара (на 10- 20°С). При этом часть солей, содержащихся в воде, может выпадать в виде накипи на стенках труб. Затем пар направляется в ВРЧ и после потолочных труб в выходной конвективный перегреватель, а оттуда в турбину.

Прямоточные котлы нашли  широкое применение на электростанциях. Вследствие того, что при давлении выше критического плотности пара (рп)и воды (рв) практически равны (рис. 17), барабанные котлы с естественной циркуляцией не могут работать и основным типом котлов становятся прямоточные. В отопительных же котельных и на теплоэлектроцентралях при докритическом давлении в основном применяются барабанные котлы с естественной циркуляцией, которые рассматриваются при изложении последующего материала.

3. Особенности современных паровых котлов

На электростанциях  большинство прямоточных котлов работает при СКД в энергоблоках мощностью 300 МВт и выше. В эксплуатации находятся также прямоточные котлы ДКД, установленные в энергоблоках 150- 200 МВт, но их производство для крупной энергетики прекращено.

В 60-х годах мощные прямоточные котлы изготовляли  двухкорпусными, т. е. в виде двух симметричных корпусов, составляющих с турбиной дубль- блок. Эксплуатация не выявила существенных преимуществ по надежности энергоблоков с двухкорпусными котлами в сравнении с однокорпусными.  Недостатки же их усложнили эксплуатацию. Это способствовало переходу к производству однокорпусных паровых котлов для работы в моноблоке. При этом сокращается число рабочих потоков, укрупняется вспомогательное оборудование (РВП, ДВ, ДМ).

Однокорпусные котлы  для энергоблоков 300 МВт выполняются  с призматической топочной камерой без пережима, что позволяет снизить до безопасного уровня средние тепловые нагрузки топочных экранов в зоне ядра факела. Этому служит рециркуляция продуктов сгорания, отбираемых при относительно низкой температуре из конвективного газохода и подаваемых дымососом рециркуляции в топочную камеру. Уменьшено тепловосприятие рабочей среды в НРЧ, что, кроме стабилизации температурного режима экранов, способствует уменьшению высокотемпературной коррозии. Сжигание организованно при минимальных избытках воздуха, позволяющих эффективно бороться с низкотемпературной газовой коррозией и интенсивным загрязнением поверхностей нагрева.

В последние годы широкое  распространение получили котлы  с газоплотными ограждениями. Принцип  газоплотности легче реализуется при выполнении топочных экранов из вертикальных панелей с одноходовым движением рабочей среды. Такая возможность появляется в котлах высокой производительности. Газоплотные ограждения позволяют существенно повысить экономичность и надежность оборудования. Основные преимущества газоплотных котлов: отсутствие присосов в топку и газоходы ( снижение q2 ); уменьшение собственного расхода энергии на транспорт воздуха и продуктов сгорания при замене дымососа дутьевым вентилятором ; возможность реализации оптимального режима горения с предельно малыми избытками воздуха и тем самым предотвращение низкотемпературной коррозии и сильного загрязнения поверхностей нагрева, а при сжигании сернистого мазута – и высокотемпературной коррозии ; замена тяжелой обмуровки легкой тепловой изоляцией ( уменьшение потери теплоты и сокращение продолжительности пусков и остановолв, облегчение каркаса и фундамента котла );облегчение очистки топки от шлака и сажи обмывкой экранов водой без повреждения обмуровки.

Применение наддува  предъявляет ряд требований к конструкции котла: предпочтительно однокорпусное его исполнение, уменьшающее удельную поверхность дорогостоящих газоплотных стенок; ограждение топки и газоходов сварными экранными панелями; уменьшение числа автономных регулируемых потоков рабочей среды, позволяющее наряду с другими достоинствами, общими для котлов всех типов, обеспечить минимальный объем сложной герметизации в местах прохода труб через газоплотные стенки; уменьшение размера фронта топочной камеры и соответствующее увеличение глубины и высоты; в целях уменьшения разности температур между свариваемыми панелями- рециркуляция рабочей среды в настенных поверхностях нагрева и байпасирование ее мимо обогреваемых поверхностей нагрева.