Котельные установки

Е. А. Бойко




            КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ


Учебное пособие






2-е издание, переработанное и дополненное














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.165
ББК31.361я73
    Б77



Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент, начальник отдела службы испытания и наладки тепломеханического оборудования
АО «Красноярский инженерно-аналитический центр»
ООО «Сибирская генерирующая компания» Пачковский Сергей Владимирович; кандидат технических наук, доцент, главный специалист дирекции по техническому перевооружению и новому строительству ОСП «Сибирьэнергомонтаж» АО «Сибирьэнергоремонт» Янов Сергей Романович





      Бойко, Е. А.
Б77 Котельные установки : учебное пособие / Е. А. Бойко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 668 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0744-1
      Изложены теоретические основы горения, даны основные сведения о котельных установках. Рассмотрена общая схема котельного агрегата, представлены конструкции паровых котлов, топочных и горелочных устройств. Показаны характеристики энергетических топлив, методы их подготовки и сжигания. Рассмотрены основные типы котельных агрегатов, вспомогательное оборудование, строительные конструкции, компоновки, тепловые схемы, основы эксплуатации паровых котлов и способы снижения вредных выбросов в окружающую среду.
      Для студентов энергетических и технических вузов тепло- и электроэнергетических, энергомашиностроительных направлений подготовки. Может быть использовано производственнотехническим персоналом, занимающимся проектированием, наладкой и эксплуатацией котельных установок тепловых электростанций.

                                                             УДК 621.165
                                                             ББК31.361Я73










ISBN 978-5-9729-0744-1

   © Е. А. Бойко, 2021
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ

     Учебное пособие «Котельные установки тепловых электростанций» написано в соответствии с учебной программой одноименной учебной дисциплины уровней и направлений подготовки 13.03.01 и 13.04.01 - теплоэнергетика и теплотехника, 13.03.03 и 13.04.03 -энергетическое машиностроение.
     По своему содержанию и построению предлагаемое учебное пособие заметно отличается от предыдущего для данных направлений [ 1 ]. Это связано с изменениями в технологии энергетического использования топлив и новыми техническими решениями в котельной технике, а также с учетом происшедшего пересмотра структуры типовых учебных планов и появлением новых учебных дисциплин, смежных с данным курсом.
     Основную направленность содержания настоящего пособия автор видит в раскрытии и анализе рабочих процессов, протекающих в энергетических котлах, что соответствует требованиям к наличию профессиональных компетенций бакалавров и магистрантов по вышеуказанным направлениям подготовки как специалистов конструкторско-проектного, эксплуатационноналадочного, и ремонтно-монтажного профилей.
     В начале учебного пособия приводится общее устройство парового котла и рассматривается современное конструктивное исполнение его поверхностей нагрева, позволяющее в дальнейшем на этой основе показать характер аэродинамических, гидравлических, механических и физико-химических процессов в различных элементах котла и создание конструкций поверхностей, удовлетворяющих условиям оптимальной их работы.
     Достаточно детально рассматриваются вопросы, связанные с котельным топливом и его подготовкой к сжиганию. Особое внимание уделяется рассмотрению физической сущности рабочих процессов в топочных и горелочных устройствах.
     Исходя из вышеуказанной направленности учебного пособия, большее внимание уделено изложению гидравлических и физико-химических процессов в различных элементах парового котла. В отличие от предыдущего издания усилен анализ температурного режима поверхностей нагрева с учетом интенсивности тепловосприятия труб и роста внутренних отложений, с позиции современных представлений изложены процессы коррозии металла, организация водно-химических режимов для разных типов котлов.
     В заключение рассмотрены принципы теплового расчета котельного агрегата, построение его тепловой схемы. Более развиты главы, излагающая вопросы современных конструкций и эксплуатации паровых котлов, они содержат тепловые и конструкционные характеристики поверхностей нагрева котла, процессы с газовой стороны и методы поддержания установленной температуры пара. Здесь же рассмотрены вопросы защиты окружающей среды.

Книга сопровождается большим числом цветных иллюстраций для лучшего усвоения материала. С учетом учебной направленности книги, приведенные иллюстрации в известной мере упрощены для подчеркивания главного, о чем идет речь в разделе, приводятся принципиальные схемы. В отличие от предыдущего издания в конце глав приведены контрольные вопросы для самопроверки, а в ряде случаев - расчетные примеры, которые помогают приобретению практических навыков использования полученных знаний.
     Содержание материала и последовательность его изложения в учебном пособии отражает многолетний опыт преподавания курса «Котельные установки» на кафедре «Тепловые электрические станции» в политехническом институте ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» для студентов уровней и направления подготовки 13.03.01 и 13.04.01 - теплоэнергетика и теплотехника, впервые созданного профессором И.С. Дерингом.
     Дисциплина базируется на предварительном изучении студентами учебных курсов по дисциплинам «Техническая термодинамика», «Топливо и основы теории горения», «Тепломассообмен», «Гидрогазодинамика».
     С глубокой признательностью автор отмечает творческую помощь при подготовке данного учебного пособия, оказанную ему сотрудниками кафедры «Тепловые электрические станции» политехнического института СФУ.
     Все замечания и пожелания читателей по учебному пособию автор примет с благодарностью и просит направлять их по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. ак. Киренского, 26а, Политехнический институт ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» или по адресу электронной почты EBoiko@sfu-kras. ги.




Автор

ВВЕДЕНИЕ


Функция и место парового котла в тепловой схеме ТЭС


      Электрическая станция представляет собой промышленное предприятие для выработки электрической энергии. Основное количество электрической энергии в России и в большинстве крупных экономически развитых стран мира производят на тепловых электрических станциях (ТЭС), использующих химическую энергию сжигаемого органического топлива (рис. В.1). Значительную долю электрической энергии вырабатывают также на электростанциях, преобразующих теплоту ядерных реакций - атомных электрических станциях (АЭС), и на электростанциях, использующих энергию больших потоков
воды, - гидроэлектростанциях (ГЭС).
     Независимо от типа электростанции электрическую энергию, как правило, вырабатывают централизованно. Это значит, что отдельные электрические станции работают параллельно на общую электрическую сеть и, следовательно, объединяются в электрические системы, охватывающие значительную территорию с большим числом потребителей электрической энергии. Это повышает общую резервную мощность и надежность электроснабжения потребителей, а также снижает себестоимость вырабатываемой электроэнергии.

Рис. В.1. Вид современной тепловой электростанции

     Тепловые электростанции. Основным типом тепловой электрической станции на органическом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (КЭС), вырабатывающие преимуще-

ствеппо только электрическую энергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), предназначенные для выработки тепловой и электрической энергии.
     Централизованное снабжение теплом крупных городов и поселков в виде горячей воды и пара низкого давления значительно повышает эффективность использования энергии сжигаемого топлива и улучшает состояние воздушного бассейна в зоне городов.
     Паротурбинные электростанции выгодно отличаются возможностью сосредоточения огромной мощности в одном агрегате, однако эффективность использования энергии сжигаемого топлива не столь высока (см. рис. В.2), и прежде всего, в силу физических свойств рабочего вещества энергетических установок - воды и пара.







 Рис. В.2. Эффективность преобразования энергии топлива в электрическую энергию: ПК -паровой котел; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; К — конденсатор; ЭГ — электрогенератор


     Основными тепловыми агрегатами паротурбинной КЭС являются паровой котел и паровая турбина (см. рис. В.З и рис. В.4, а). Паровой котел представляет собой систему поверхностей нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в него воды путем использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива. Подаваемую в паровой котел воду называют питательной водой. Питательная вода в котле подогревается до температуры насыщения, испаряется, а полученный насыщенный пар затем перегревается (рис. В.5).
     Полученный перегретый пар высокого давления поступает в турбину, где его потенциальная тепловая энергия превращается в механическую энергию вращающегося вала турбины. С последним связан электрический генератор, в котором механическая энергия на основе закона Фарадея превращается в электрическую. Система основных элементов тепловой электростанции (котельный агрегат - паровая турбина - конденсатор - питательный насос - котельный агрегат) образует замкнутый контур, работающий по циклу Ренкина (рис. В.4).
     На современных КЭС с агрегатами единичной электрической мощности 100 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара, при котором частично отработавший пар из промежуточных ступеней турбины возвращают

в паровой котел. Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и соответственно снижает удельный расход пара на выработку электроэнергии и расход топлива в паровой котел (рис. В.4). Промежуточный перегрев пара снижает также влажность пара в последних ступенях низкого давления турбины, и, тем самым, уменьшает эрозионный износ лопаток.


Рис. В.З. Принципиальная схема пылеугольной паротурбинной ТЭС. Котельная установка: ТТХ - топливно-транспортное хозяйство; ПС - система пылеприготовления; ТК - топочная камера; ПП - пароперегреватель; ВЭК - водяной экономайзер; ВЗП - воздухоподогреватель; ДВ - дутьевой вентилятор; ГО - система газоочистки; ДС - дымосос; Паротурбинная установка: ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; КН - конденсатный насос; ХВО - химводоочистка; ЦН - циркуляционный насос; ПИД - подогреватель низкого давления; Д - деаэратор; ПН - питательный насос; ПВД - подогреватель высокого давления

     Отработавший пар из турбины поступает в конденсатор, где теплота конденсации пара (скрытая теплота парообразования - значительная часть энергии пара) передается охлаждающей воде и далее рассеивается в окружающей среде. Полученный основной конденсат перекачивают конденсатными насосами через подогреватели низкого давления в деаэратор, где конденсат доводится до кипения при давлении деаэратора, освобождаясь при этом от растворенных в воде коррозионно-агрессивных газов (кислорода и углекислоты). Сюда же поступает очищенная добавочная вода, компенсирующая потери пара и конденсата в цикле. Из деаэратора вода питательным насосом через

подогреватели высокого давления подается в паровой котел под давлением, превышающем давление пара на выходе из котла. Подогрев основного конденсата в подогревателях низкого давления и питательной воды в подогревателях высокого давления производится теплотой конденсирующегося пара, отбираемого из проточной части (ступеней) турбины. Этот процесс называют регенеративным подогревом воды. Регенеративный подогрев заметно повышает КПД паротурбинной установки.

Рис. В.4. Простейшая принципиальная тепловая схема КЭС (я) и ТЭЦ (б): 1 -паровой котел; 2 - паровая турбина; 3 - электрогенератор; 4 конденсатор; 5 -конденсатный насос; 6 - питательный насос; 7 - подогреватель низкого давления; 8 - подогреватель высокого давления; 9 - деаэратор; 10 - производственный потребитель пара; 11 - подогреватель сетевой воды; 12 - тепловой потребитель; 13 - сетевой насос; 14 - подвод химически очищенной воды для восполнения потерь пара и конденсата

     Принципиальная схема ТЭЦ (см. рис. В.4, б) отличается от вышеописанной схемы КЭС наличием дополнительных отборов части пара из промежуточных ступеней турбины на теплофикацию жилых районов (горячее водоснабжение), а также на производственные нужды. При этом уменьшается расход пара в конденсатор и связанные с ним тепловые потери.

Рис. В.5. Теоретический цикл Ренкина в TS-диаграмме

Рис. В.6. Теоретический цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара в TS-диаграмме

Тенденция развития паровых котлов - это увеличение единичной мощности, повышение начальных параметров (давления и температуры) пара (см. рис. В.7), применение промежуточного перегрева пара (рис. В.6) и регенеративного подогрева питательной воды (рис. В.8), полная механизация и автоматизация управления, изготовление и поставка оборудования крупными блоками для облегчения и ускорения монтажа.
     С применением пара сверхкритического давления (/? = 25,5 МПа) и перегрева пара (Г = 545-565 °C), развитием регенерации тепла тепловая экономичность ТЭС приблизилась к своему термодинамическому пределу (КПД около 42 %). Дальнейшее повышение начальных параметров пара уже мало повышает тепловую экономичность паротурбинных блоков, но сильно увеличивает их стоимость из-за необходимости применения более высоколегированных и дорогостоящих сталей. Осложняется при этом и сохранение уже до
Рис. В.7. Пути повышения эффективности термодинамического цикла Ренкина на HS-диаграмме: а — влияние начальной температуры пара; б — влияние начального давления пара; в - совместное влияние начальных параметров; г - влияние конечного давления

Рис. В.8. Цикл Ренкина в TS-диаграмме без регенерации (а) и с регенеративным подогревом питательной воды (б)

     Исходя из обеспечения электроэнергией резко переменных потребностей в ней в пределах суточного и недельного графиков необходимым стано-

вится создание маневренного эпергооборудования, позволяющего изменить нагрузку многократно в течение недели и за короткое время. Этим задачам отвечают комбинированные парогазовые установки (ПГУ), представляющие различное сочетание паротурбинной (ПТУ) и газотурбинной установок (ГТУ). Наиболее распространенными являются ПГУ с низконапорным и ПГУ с высоконапорным парогенератором, ПГУ с пиковой ГТУ, позволяющие расширить маневренность энергетических установок и повысить эксплуатационный КПД на 4—5 % по сравнению с ПТУ.
     В комбинированной ПГУ с низконапорным парогенератором (рис. В.9) высокотемпературные газы после ГТУ (450-500 °C) поступают в топку котла, дополнительно поступают подготовленное для сжигания котельное топливо и часть горячего воздуха. В этой схеме паротурбинная часть установки может работать как самостоятельно (при остановленной газовой турбине), так и в комбинированном варианте.
     Газотурбинная установка используется для выработки дополнительной электроэнергии в часы пиковой нагрузки. Она обладает высокой маневренностью, быстрым набором мощности (пуск в работу на полную мощность осуществляется за несколько минут) и работает от 500 до 2000 часов в году. Низконапорный парогенератор (паровой котел) может работать на твердом топливе или мазуте, газовая турбина - на природном газе или жидком топливе. Электрическая мощность ГТУ составляет около 1/3 от общей мощности ПГУ. Так ПГУ-450Т включает ПТУ мощностью 300 МВт и ГТУ мощностью 150 МВт.


Рис. В.9. Комбинированная ПГУ с низконаиорным парогенератором: 1 - забор воздуха; 2 - компрессор; 3 - ввод топлива; 4 - газовая турбина; 5 - камера сгорания; 6 - паровой котел; 7 - газовый тракт; 8 - паровой тракт; 9 — паровая турбина; 10 - электрогенератор; 11 конденсатор; 12 конденсатный насос; 13 подогреватель низкого давления; 14 деаэратор; 15 - питательный насос; 1 б - подогреватель высокого давления

     На рис. В. 10 показана схема комбинированной ПГУ с использованием высоконапорного парогенератора, который вырабатывает пар высоких параметров (р = 13,8 МПа , t = 545 °C) и обеспечивает работу паровой турбины.