Котельные установки тепловых электростанций

Ìèíñê
«Âûøýéøàÿ øêîëà»
2015

Допущено 
Министерством образования
Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия 
для студентов учреждений 
высшего образования 
по специальностям
«Тепловые электрические станции»,
«Паротурбинные установки атомных
электрических станций» 

Ã.È. Æèõàð
Êîòåëüíûå 
óñòàíîâêè
òåïëîâûõ 
ýëåêòðîñòàíöèé

УДК 621.182:621.311.22(075.8)
ББК 31.37я73
 
Ж 75

Р е ц е н з е н т ы : кафедра энергосбережения, гидравлики и теплотехники 
Белорусского государственного технологического университета (доктор технических наук, профессор В.И. Володин); профессор кафедры ППС Белорусского государственного аграрного технического университета доктор технических наук, профессор энергетики и электротехники В.И. Русан

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой 
ее части не может быть осуществлено без разрешения изда тельства.

ISBN 978-985-06-2554-0 
© Жихар Г.И., 2015
 
© Оформление. УП «Издательство 
 
 
“Вы шэй шая школа”», 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

Процесс сжигания в топочных устройствах энергетических 
котлов связан с подготовкой топлива и воздуха к сжиганию и 
сопровождается сопутствующими явлениями. Например, при 
сжигании твердые топлива подвергаются сушке и размолу, а 
воздух, применяемый как окислитель, – высокому нагреву. 
Сопутствующими процессами, в частности, являются шлакование топочной камеры и образование на конвективных 
поверхностях нагрева связанных отложений, а при сжигании 
мазутов – коррозия экранных поверхностей. Образование 
токсичных оксидов азота наблюдается при сжигании любого 
вида топлива.
Основная направленность данного учебного пособия состоит в раскрытии и анализе рабочих процессов, протекающих в энергетических котлах при сжигании топлива, что соответствует характеру подготовки инженеров-теплоэнергетиков 
как специалистов эксплуатационно-наладочного профиля. 
Рассмотрены энергетические топлива и их технические 
характеристики, подготовка топлива к сжиганию и эффективность использования теплоты топлива в паровых котлах.
В учебном пособии последовательно освещаются общие 
вопросы физико-химических явлений сложного процесса горения топлива, дается описание различных способов сжигания энергетических топлив.
Вопросы организации топочных процессов и сжигания 
топлива рассматриваются с позиции теории горения и турбулентных струй. Такой подход позволяет разрабатывать более 
перспективные технологические методы камерного сжигания энергетических топлив и более совершенные топочные 
устройства с учетом физико-химических свойств топлив и их 
минеральных примесей, а также требуемой высокой интенсивности сжигания и теплопередачи в топочной камере при 
высокой надежности и экономичности работы котлов энергетических блоков тепловых электростанций. Большое внимание уделено организации сжигания топлива и конструкции 
топочных устройств, мероприятиям по снижению вредных 
выбросов оксидов азота в окружающую среду режимными 
способами.

В учебном пособии рассматриваются процессы, происходящие на внешней стороне поверхностей нагрева, т.е. механизм образования отложений и их очистка, абразивный износ 
конвективных поверхностей нагрева и коррозия поверхностей 
нагрева. Приводятся основные параметры современных энергетических и водогрейных котлов большой мощности, а также 
описание котлов с кипящим слоем.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Тепловые электрические станции» БНТУ за оказанную помощь 
при оформлении рукописи учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Основными тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС 
являются паровой котел и паровая турбина. Паровой котел 
представляет собой системы поверхностей нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в него воды путем 
использования теплоты, выделяющейся при сжигании топлива, которое подается в топку вместе с необходимым для горения воздухом. Поступающую в паровой котел воду называют 
питательной водой. Она подогревается до температуры насыщения – испаряется, а выделившийся из кипящей (котловой) 
воды насыщенный пар перегревается.
При сжигании топлива образуются продукты сгорания, 
которые в поверхностях нагрева отдают теплоту воде и пару. 
После поверхностей нагрева продукты сгорания при относительно низкой температуре удаляются из котла через дымовую  
трубу в атмосферу. На электростанциях большой мощности 
дымовые трубы выполняют высотой 200–300 м и больше, чтобы уменьшить местные концентрации загрязняющих веществ 
в воздухе.
В результате горения твердого топлива остаются зола и 
шлак, которые также удаляются из агрегата. Полученный в 
котле перегретый пар поступает в турбину, где его тепловая 
энергия превращается в механическую, передаваемую валу 
турбины. С последним связан электрический генератор, превращающий механическую энергию в электрическую. Отработанный пар из турбины направляют в конденсатор, в котором он охлаждается водой какого-либо природного (река, 
озеро, пруд, море) или искусственного (градирня) источника 
и конденсируется.
На рис. В.1 показана котельная установка с барабанным 
паровым котлом при сжигании твердого топлива.
Котельная установка – совокупность парового котла и 
вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу. 
В ее состав кроме парового котла входят оборудование топливоприготовления, тягодутьевая установка и устройства золоулавливания газовоздушного тракта котла, питательные насосы 
и регулирующие устройства питательного тракта, электродвигатели и системы управления и защиты парового котла.

Рис. В.1. Котельная установка с барабанным паровым котлом при сжигании твердого топлива:
1 – барабан; 2 – опускные трубы из барабана; 3 – экранные подъемные трубы; 4 – экономайзер; 5 – пароперегреватель; 6 – воздухоподогреватель; 
7 – горелочное устройство; 8 – пароохладитель; 9 – указатель уровня воды; 10 – манометр; 11 – предохранительный клапан; 12 – главная паровая задвижка; 13 – углеразмольная шаровая барабанная мельница; 14 – сепаратор пыли; 15 – пылевой циклон; 16 – транспортер сырого угля; 17 – бункер 
сырого угля; 18 – питатель сырого угля; 19 – клапан для пропуска угля и пыли; 20 – бункер пыли; 21 – регулятор подачи пыли; 22 – мельничный 
вентилятор; 23 – короб горячего воздуха; 24 – воздухозаборник; 25 – дутьевой ветилятор; 26 – скруберный золоуловитель; 27 – дымосос; 28 – дымовая 
труба; 29 – шлакоприемник; 30 – канал шлако- или золоуловителя; 31 – колонны каркаса котла; 32 – непрерывная продувка из барабана; 33 – продувка нижних коллекторов поверхностей нагрева; 34 – трубопровод питательной воды; 35 – питательный регулирующий клапан

Рядом с котлом располагаются система пылеприготовления из поступающего на станцию кускового топлива, тягодутьевая установка, обеспечивающая подачу воздуха в котел и 
отвод продуктов сгорания после их очистки в дымовую трубу. 
К обслуживанию котельной установки относят питательные 
насосы, подающие воду в котел, которые по технологической 
схеме расположены в турбинном отделении. На рисунке этот 
тракт начинается с питательных магистралей, пришедших из 
турбинного отделения. К котельной установке относится также система дренажей коллекторов и непрерывной продувки 
котла с оборудованием для использования теплоты этих потоков (сепараторы, теплообменники). 
Топливо сжигается во взвешенном состоянии в большом 
объеме топочной камеры. Ее стены экранированы одним рядом плотно расположенных труб, внутри которых вверх в барабан поступают кипящая вода и насыщенный пар высокого 
давления. Далее насыщенный пар идет в пароперегреватель, 
состоящий из большого количества змеевиковых труб диаметром 32–42 мм, образующих два змеевиковых пакета, после 
чего – в главный паропровод и направляется в турбину.
Продукты сгорания на выходе из перегревателя при температуре около 700 °С омывают змеевиковые трубы поверхности экономайзера. Нагрев воздуха, поступающего в горелки топки, происходит в трубчатом воздухоподогревателе, где 
обеспечено перекрестное движение воздуха по отношению 
к газам. Он состоит из множества вертикальных труб диаметром 40 мм, внутри которых движутся горячие газы, а снаружи между трубами в поперечном направлении перемещается 
воздух.
Продукты сгорания после воздухоподогревателя называют 
уходящими газами.
Котел для сжигания твердого топлива имеет в нижней части топки устройство для удаления шлаков, образующихся в 
зоне ядра горящего факела. Это устройство называется холодной воронкой. При сжигании газа и мазута такой проблемы 
нет, и нижняя часть топки имеет горизонтальный под, выложенный огнеупорным материалом.
Обмуровка стен топочной камеры и газоходов данного котла крепится к специальному каркасу котла, который принимает на себя также массу металла всех поверхностей нагрева, 
коллекторов и барабана.

ГЛАВА 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО 
И ЕГО КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1. Виды топлива и его состав

Энергетическое топливо – горючие вещества, которые 
экономически целесообразно использовать для получения в 
промышленных целях больших количеств теплоты. Его основными видами являются органические топлива: угли, торф, 
горючие сланцы, древесина, продукты переработки нефти 
(мазута), природный газ.
Угли ископаемые – твердое горючее полезное ископаемое 
растительного происхождения. Характеристики и состав твердого топлива, в том числе и выход летучих веществ, спекаемость кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения 
угля. С увеличением выхода летучих веществ и содержания в 
них более реакционноспособных газов воспламенение топлива становится легче, а кокс, благодаря большой пористости, 
получается более реакционноспособным. В соответствии с существующей классификацией (ГОСТ 25543) ископаемые угли 
подразделяются на три вида в зависимости от основных генетических признаков (табл. 1.1), в качестве которых рассматриваются: средний показатель отражения витринита Rо, теплота 
сгорания влажной беззольной массы Qs
af  и выход летучих веществ на сухую беззольную массу Vdaf. 

Таблица 1.1. Основные показатели качества углей

Вид угля
Средний показатель отражения 
витринита, Rо

Теплота сгорания 
влажной беззольной массы Qs
af, 
кДж/кг

Выход летучих веществ на сухую 
беззольную массу,
Vdaf, %

Бурый уголь
Менее 0,6
Менее 24
–

Каменный уголь
0,4–2,59
24 и более
8 и более

Антрацит
2,20 и более
–
Менее 8

В зависимости от технологических свойств бурые угли, каменные угли и антрациты объединяются в технологические 
марки, группы и подгруппы.
Бурые угли в зависимости от величины максимальной влагоемкости на беззольное топливо W af
max

 делятся на три группы. 

К группе 1Б относятся бурые угли с максимальной влагоемкостью 50% и более, к группе 2Б – угли с максимальной влагоемкостью 30–50%, к группе 3Б – угли с максимальной влагоемкостью менее 30%.
Бурые угли характеризуются высоким (более 40%) выходом летучих веществ на сухую беззольную массу, неспекшимся коксовым остатком, пониженным содержанием углерода и 
повышенным содержанием кислорода. При сушке на воздухе 
теряют механическую прочность и растрескиваются, обладают повышенной склонностью к самовозгоранию.
Каменные угли и антрациты в зависимости от выхода летучих веществ и толщины пластического слоя делятся на технологические марки, а те, в свою очередь, – на группы. Перечень 
и обозначение марок и групп приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Перечень и обозначение марок 
и групп каменных углей и антрацитов

Марка угля
Обозначение
Группа

Выход летучих 
веществ на сухую беззольную 
массу, %

Характеристика нелетучего остатка

1
2
3
4
5

Длиннопламенный
Д
–
Более 42
От порошкообразного до слабоспекающегося

Газовый
Г
1Г, 2Г
35 и более
Спекшийся

Газовый жирный отощенный
ГЖО
1ГЖО, 
2ГЖО
37
–

Газовый жирный 
ГЖ
1ГЖ, 
2ГЖ
31–37
Спекшийся

Жирный
Ж
1Ж, 2Ж
24–37
Спекшийся

Коксовый жирный
КЖ
–
25–33
Спекшийся

Коксовый
К
1К, 2К
17–33
Спекшийся

Коксовый отощенный
КО
1 КО, 
2КО
18–26
–

Коксовый слабоспекшийся
КС
1КС, 
2КС
17–29
–

Отощенный 
спекшийся 
ОС
1ОС, 
2ОС
14–27
–

Тощий спекшийся
ТС
–
10–14
–

Слабоспекшийся
СС
1СС, 
2СС, 
3СС

17–37
От порошкообразного до слабоспекшегося

Тощий
Т
1Т, 2Т
9–17
От порошкообразного до слабоспекшегося

Антрациты
А
1А, 2А, 
3А
2–9
Не спекающийся

Приведенная выше классификация не охватывает ископаемые угли, подвергшиеся окислению в природных условиях в период формирования угольных залежей. Примером 
окисления углей могут служить каменные угли Кузнецкого 
бассейна I и II второй групп окисленности, сажистые (выветренные) бурые угли Канско-Ачинского бассейна и др. Окисленные угли характеризуются пониженной высшей теплотой 
сгорания на сухую беззольную массу Qs
daf  (I группа окисленности на 10%, II группа – на 25%), повышенной зольностью 
и влажностью, частичной или полной потерей спекаемости. 
Так, например, неокисленные угли марки ДР Кузнецкого 
бассейна подземной добычи имеют Qs
daf = 32,3 МДж/кг и 

Wi
r = 12%; угли I группы окисленности ДРОК I характеризуются Qs
daf  = 30,8 МДж/кг и Wi
r= 15%; угли II группы окисленности ДРОК II имеют Qs
daf  = 28,5 МДж/кг и Wi
r= 18%.
Угли с высокой степенью углефикации (Сdaf = 90–93%), 
малым выходом летучих веществ на сухую беззольную массу 
(Vdaf = 2–9%) и теплотой сгорания несколько меньшей, чем у 
тощих углей, относят к антрацитам.
При рассортировке по крупности (грохочении) ископаемые угли и сланцы разделяются на классы в соответствии с 
ГОСТ 19242 (табл. 1.3).   

1
2
3
4
5

Окончание табл. 1.2