Котельные установки ПТУ и ПГУ

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. Ю. Горюнова, В. Л. Похорилер

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 
ПТУ И ПГУ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
13.03.03, 13.04.03 — Энергетическое машиностроение

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.18:621.165(075.8)
ББК 31.361я73
          Г71

Рецензенты:
завкафедрой энергетики Нижневартовского государственного университета доц., канд. техн. наук А. В. Щекочихин;
начальник теплотехнического управления Свердловского филиала ПАО 
«Т Плюс» д‑р техн. наук Б. Е. Мурманский

Научный редактор — доц., канд. техн. наук Т. А. Недошивина

 
Горюнова, И. Ю.
Г71    Котельные установки ПТУ и ПГУ : учебное пособие / И. Ю. Горюнова, В. Л. Похорилер ; Мин‑во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 128 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3130‑7

Изложены физико‑химические основы рабочих процессов, протекающих в котельных установках. Описаны конструкции паровых котлов и вспомогательного 
оборудования котельных установок. Особое внимание уделено паровым котлам 
электрических станций с блочной структурой.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 
13.03.03, 13.04.03 — Энергетическое машиностроение.

Библиогр.: 5 назв. Табл. 2. Рис. 71.

УДК 621.18:621.165(075.8)
ББК 31.361я73

ISBN 978‑5‑7996‑3130‑7 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2020

Оглавление

Введение ............................................................................................................5

1. Место и значение парового котла в системе электростанции ........................6

1.1. Паровые котлы тепловых электростанций ..........................................6
1.2. Парогенераторы атомных электростанций ..........................................9
1.3. Паровые котлы комбинированных установок ...................................10
Контрольные вопросы к главе 1 ................................................................13

2. Классификация паровых котлов ..................................................................14

2.1. Основы классификации паровых котлов ...........................................14
2.2. Котлы с естественной циркуляцией ...................................................15
2.3. Котлы с многократной принудительной циркуляцией .....................17
2.4. Прямоточные котлы ............................................................................19
2.5. Прямоточные котлы с комбинированной циркуляцией ...................24
2.6. Классификация котлов по государственному стандарту. 
        Заводское обозначение котлов ...........................................................25
Контрольные вопросы к главе 2 ................................................................29

3. Технологическая схема производства пара на тепловой электростанции ....31
Контрольные вопросы к главе 3 ................................................................35

4. Компоновка поверхностей нагрева в паровых котлах ..................................37
Контрольные вопросы к главе 4 ................................................................39

5. Эффективность использования топлива в котле .........................................40
5.1. Располагаемая теплота топлива ..........................................................40
5.2. Полезно использованная теплота .......................................................41
5.3. Определение КПД котла по прямому балансу ...................................42
5.4. Потери теплоты в котле ......................................................................43
5.5. Определение КПД котла методом обратного баланса .......................45
Контрольные вопросы к главе 5 ................................................................45

6. Характеристики движения рабочей среды в паровом котле, 
температурный режим поверхностей нагрева ..................................................47

6.1. Основные характеристики движения пароводяной смеси ................47
6.2. Режимы движения пароводяной смеси ..............................................50
6.3. Температурный режим поверхностей нагрева ...................................52
6.4. Кризисы теплообмена в парообразующих трубах..............................53
6.5. Температурный режим по длине канала ............................................56
Контрольные вопросы к главе 6 ................................................................59

7. Гидродинамика разомкнутых гидравлических систем .................................60

7.1. Характеристики разомкнутых гидравлических систем .....................60
7.2. Гидродинамическая устойчивость потока в трубах паровых котлов .....61

Оглавление

7.3. Тепловая и гидравлическая разверка .................................................64
Контрольные вопросы к главе 7 ................................................................66

8. Поверхности нагрева водопарового тракта котла .......................................67

8.1. Экономайзеры .....................................................................................67
8.2. Парообразующие поверхности нагрева и топочные экраны .............69
8.3. Пароперегреватели ..............................................................................73
Контрольные вопросы к главе 8 ................................................................77

9. Энергетическое топливо и его характеристики ...........................................78

9.1. Виды топлива и его состав ..................................................................78
9.2. Технические характеристики топлива ...............................................79
Контрольные вопросы к главе 9 ................................................................82

10. Подготовка топлива к сжиганию ...............................................................83
10.1. Системы пылеприготовления .........................................................83
10.2. Углеразмольные мельницы .............................................................86
10.3. Подготовка газа и мазута к сжиганию .............................................89
Контрольные вопросы к главе 10 ............................................................89

11. Топочные процессы ...................................................................................91
11.1. Виды топок .......................................................................................91
11.2. Горелочные устройства ....................................................................93
11.3. Топочные процессы .........................................................................98
Контрольные вопросы к главе 11 ............................................................99

12. Газовоздушный тракт котла ....................................................................100
12.1. Состав газовоздушного тракта ......................................................100
12.2. Воздухоподогреватели ...................................................................102
Контрольные вопросы к главе 12 ..........................................................105

13. Золоулавливание .....................................................................................107
Контрольные вопросы к главе 13 ..........................................................109

14. Золошлакоудаление .................................................................................110
Контрольные вопросы к главе 14 ..........................................................112

15. Паровые котлы парогазовых установок ..................................................113
15.1. Особенности тепловых схем парогазовых установок 
          с котлом‑утилизатором .................................................................113
15.2. Классификация котлов‑утилизаторов ..........................................116
15.3. Конструкции горизонтальных и вертикальных 
          котлов‑утилизаторов и их элементов ............................................120
15.4. Особенности эксплуатации котлов‑утилизаторов .......................124
15.5. Прямоточные котлы‑утилизаторы ................................................125
Контрольные вопросы к главе 15 ..........................................................126

Список использованных источников .............................................................127

Введение

П

оверхности нагрева, расположенные в топке и конвективной 
шахте, и соединяющие их трубопроводы, горелочные устройства, топочная камера, воздухопроводы — все это представляет собой собственно паровой котел — устройство для выработки 
пара заданных параметров. Однако для работы котла необходима работа целого ряда устройств и механизмов: топливоприготовительные 
устройства; дутьевые вентиляторы, подающие воздух для горения; дымососы, служащие для отвода продуктов сгорания через дымовую трубу, и другое вспомогательное оборудование.
Паровой котел и весь комплекс перечисленного оборудования составляют котельную установку. Следовательно, понятие «котельная 
установка» шире понятия «паровой котел».
В соответствии с технологической схемой производства пара в состав котельной установки входят:
· топливный тракт — комплекс элементов, в которых осуществляется разгрузка топлива, его подготовка, транспортировка и подача в топочную камеру для сжигания;
· водопаровой тракт — система последовательно включенных элементов оборудования, в которых движется питательная вода, 
пароводяная смесь, перегретый пар высокого давления и перегретый пар промежуточного давления; он включает в себя экономайзер, топочные экраны, пароперегреватели высокого и промежуточного давления;
· воздушный тракт — комплекс оборудования для забора холодного (атмосферного) воздуха, его подогрева, транспортировки 
и подачи воздуха в топочную камеру; он включает в себя короб 
холодного воздуха, дутьевой вентилятор, воздухоподогреватель 
(воздушная сторона) и горелочные устройства;
· тракт дымовых газов — комплекс оборудования, по которому движутся продукты сгорания до выхода в атмосферу; он начинается 
в топке, проходит через пароперегреватели, экономайзер, воздухоподогреватель (газовая сторона), золоуловитель, дымосос и заканчивается дымовой трубой.

1. Место и значение парового котла  
в системе электростанции

1.1. Паровые котлы тепловых электростанций

Э

лектрическая станция представляет собой промышленное 
предприятие для выработки электрической энергии. Основное количество энергии в России и в экономически развитых странах мира производят на тепловых электрических станциях 
(ТЭС), использующих химическую энергию сжигаемого органического топлива. Электрическую энергию вырабатывают также на тепловых 
электрических станциях, работающих на ядерном горючем, атомных 
электрических станциях (АЭС) и на электростанциях, использующих 
энергию потоков воды, — гидроэлектростанциях (ГЭС).
Независимо от типа электростанции электрическую энергию, как 
правило, вырабатывают централизованно, т. е. 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 надежность электроснабжения 
потребителей, уменьшает требуемую резервную мощность, снижает себестоимость вырабатываемой электроэнергии за счет рациональной 
загрузки электростанций, входящих в электрическую систему, и позволяет устанавливать агрегаты большой единичной мощности. Широко пользуются и централизованным снабжением теплотой в виде горячей воды и пара низкого давления, вырабатываемых на некоторых 
электростанциях одновременно с электрической энергией. Электрические станции, электрические и тепловые сети, а также потребители 
электрической энергии и теплоты в совокупности составляют энергетическую систему. Отдельные энергетические системы соединяют 
межсистемными связями повышенного напряжения в объединенные 
энергетические системы.

1.1. Паровые котлы тепловых электростанций

Основными ТЭС на органическом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (КЭС, 
рис. 1.1, а), вырабатывающие только электрическую энергию, и теплофикационные (ТЭЦ, рис. 1.1, б), предназначенные для выработки электрической и тепловой энергии.
Основными тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС является 
паровой котел и паровая турбина. Паровой котел представляет собой 
систему 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. Питательная вода подогревается до температуры насыщения, испаряется, а выделившийся из кипящей (котловой) воды насыщенный пар перегревается.
При сжигании топлива образуются продукты сгорания — теплоноситель, отдающий теплоту воде и пару в поверхностях нагрева, который называется рабочим телом. После поверхностей нагрева продукты сгорания при относительно низкой температуре удаляются из котла 
через дымовую трубу в атмосферу. В результате горения твердого топлива остаются зола и шлак, которые также удаляются из агрегата. Полученный в котле перегретый пар поступает в турбину, в которой его 
тепловая энергия превращается в механическую и передается валу турбины. С последним связан электрический генератор, в котором механическая энергия превращается в электрическую. Отработанный пар 
из турбины направляют в конденсатор — устройство, в котором пар 
охлаждается водой какого‑либо природного (река, озеро, пруд, море) 
или искусственного (градирня) источника и конденсируется.
Конденсатным насосом конденсат перекачивают через подогреватели низкого давления (ПНД) в деаэратор. При доведении конденсата 
до кипения происходит освобождение его от кислорода и углекислоты, 
вызывающих коррозию оборудования. Из деаэратора вода питательным насосом через подогреватели высокого давления (ПВД) подается в паровой котел. Подогрев конденсата в ПНД и питательной воды 
в ПВД производится паром, отбираемым из турбины, — регенеративный подогрев. Регенеративный подогрев воды также повышает КПД 
паротурбинной установки, уменьшая потери теплоты в конденсаторе.
Таким образом, на КЭС паровой котел питается конденсатом производимого им пара. Часть этого конденсата теряется в системе элек

1. Место и значение парового котла в системе электростанции 

Рис. 1.1. Принципиальные схемы КЭС (а), ТЭЦ (б):

1 — паровой котел; 2 — паровая турбина; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — ПНД; 7 — деаэратор; 
8 — питательный насос; 9 — ПВД; 10 — водоподготовительная установка; 11 — регулируемый отбор пара

Перегретый пар
 
Перегретый пар
 

Топливо
 
Топливо
 

Воздух
 
Воздух
 

Уходящие газы
Уходящие газы  

Пар на вторич−

ный прегрв 

Пар после вторичного

перегрева
Зола, шлаки

Зола, шлаки

1  
1
2  

2  
3  

3  

11

1 0

4  
4

7

9
8
6  
5  
9
8  
7  
5  

1 0

1.2. Парогенераторы атомных электростанций

тростанции и составляет утечки. На ТЭЦ часть пара, кроме того, отводится на технологические нужды промышленных предприятий или 
используется для бытовых потребителей. На КЭС утечки составляют 
небольшую долю общего расхода пара (примерно 0,5–1 %), и для их 
восполнения требуется добавка воды, предварительно обрабатываемой в водоподготовительной установке. На ТЭЦ такая добавка может 
достигать 30–50 % и более.
Существует несколько тенденций развития паровых котлов тепловых электростанций: увеличение единичной мощности, повышение 
начального давления пара и его температуры, применение промежуточного перегрева пара, механизация и автоматизация управления, изготовление и поставка оборудования крупными блоками для облегчения и ускорения его монтажа.

1.2. Парогенераторы атомных электростанций

Устройство, в котором осуществляется регулируемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, называется ядерным реактором. В качестве ядерного топлива используют как природные 
изотопы 235U, так и искусственные 233U, 239Pu и др. Ядерная энергия, 
высвобожденная в результате цепной реакции деления, превращается в теплоту, которая теплоносителем отводится из реактора. В зависимости от схемы АЭС бывают одноконтурные, двухконтурные 
и трехконтурные (рис. 1.2).
а                                б                                                     в

1 2
3

4

5
5
5
5
5
5

1
1
2
2
3
3

4
4

2
6
6
7

Рис. 1.2. Принципиальная схема АЭС:

а — одноконтурная; б — двухконтурная; в — трехконтурная: 1 — реактор; 2 — паровая 
турбина; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор; 5 — насос; 6 — парогенератор; 
7 — промежуточный теплообменник

1. Место и значение парового котла в системе электростанции 

В одноконтурной АЭС (рис. 1.2, а) пар образуется непосредственно 
в реакторе. Следовательно, реактор одновременно является и парогенератором. Одноконтурные АЭС проще, дешевле и содержат минимальное число элементов оборудования. Вместе с тем под влиянием 
облучения в реакторе рабочее тело (вода и пар) становится радиоактивным. В этой связи не только реактор, но и другое оборудование 
водопарового тракта электростанции должно иметь биологическую 
защиту. Загрязнение пара приводит к образованию отложений в элементах оборудования. Поскольку эти отложения радиоактивны, то ремонт оборудования затрудняется.
В двухи трехконтурной АЭС (рис. 1.2, б, в) нагреваемый в реакторе поток жидкости, газа или расплава металла является теплоносителем, который передает теплоту рабочему телу в парогенераторе. Наличие двух или трех контуров приводит к необходимости поддерживать 
в реакторе более высокое давление, чем давление пара, направляемого в турбину. Вместе с тем двухи трехконтурные АЭС имеют преимущества перед одноконтурными, так как радиоактивность распространяется только в пределах первого контура.

1.3. Паровые котлы комбинированных установок

В результате применения пара со сверхкритическими параметрами, 
промежуточного перегрева, глубокой регенерации теплоты уходящих 
газов и достижения большой мощности (1200 МВт) тепловая экономичность ГЭС приблизилась к своему термодинамическому пределу.
Следующим шагом в повышении эффективности производства 
электроэнергии на электростанциях является использование комбинированных установок, главным образом парогазовых (ПГУ). Из всех 
известных схем ПГУ практический интерес представляют следующие 
три схемы.
В схеме со сбросом газов в котел (рис. 1.3, а) в высокотемпературной части используется газотурбинная установка (ГТУ), а в низкотемпературной — паротурбинная установка (ПТУ). Теплота выделяется 
в камере сгорания ГТУ в результате сжигания топлива. Горячие газы 
используются в газовой турбине. Отработав в турбине, далее они поступают в топку парового котла, в котором используются в качестве 

1.3. Паровые котлы комбинированных установок

окислителя, так как их состав близок к составу атмосферного воздуха (содержание кислорода 16–18 %). Поэтому воздухоподогревателя 
в паровом котле нет.
Принципиальная схема ПГУ с котлом‑утилизатором отличается 
от схемы со сбросом газов в котле только отсутствием подачи топлива в топку котла. Генерация пара в этом случае производится только 
за счет физической теплоты выхлопных газов ГТУ.
а                                                                        б

8

3
3

4

1

2
5

6

7

7
9

13

15
14

11

10

12

3 

2 

1

 

5
7

9
7

16

17

13 
10 

12

11
15

14

Рис. 1.3. Тепловая схема ПГУ со сбросом газов в котел (а) и тепловая схема ПГУ 
с высоконапорным парогенератором (б):

1 — воздух; 2 — компрессор; 3 — топливо; 4 — камера сгорания; 5 — газовая турбина; 
6 — выхлопные газы; 7 — электрогенератор; 8 — паровой котел; 9 — паровая турбина; 
10 — конденсатор; 11 — конденсатный насос; 12 — ПНД; 13 — деаэратор; 
14 — питательный насос; 15 — ПВД; 16 — высоконапорный паровой котел; 17 — уходящие газы

В схеме с высоконапорным парогенератором (рис. 1.3, б) сжигание топлива происходит при высоком давлении (0,6–0,7 МПа), что интенсифицирует процесс горения и снижает габариты котла. В газовой турбине также работают высокотемпературные газы, которые за газовой 
турбиной охлаждаются частью потока воды, идущей на выработку пара.
В комбинированной установке на ядерном топливе (рис. 1.4) камера сгорания заменяется энергетическим реактором с газовым теплоносителем. В качестве теплоносителя используется инертный газ — 
гелий, температура которого достигает 1500 оС.
Еще одним типом комбинированных систем с участием парового цикла являются магнитогидродинамические установки (МГДустановки), отличительной особенностью которых является безмашинное преобразование части тепловой энергии в электрическую 
(рис. 1.5). Сжатый в компрессоре и подогретый в котле до 1000–1200 оС 

1. Место и значение парового котла в системе электростанции 

атмосферный воздух вместе с топливом поступает в камеру сгорания. 
Образовавшиеся здесь продукты сгорания при температуре 2500 оС 
ионизируются. Интенсификация ионизации газа достигается присадками в камеру сгорания добавок в виде соединений калия, цезия и других щелочных металлов.

1
2

3

4

5

6
7

8

4

Рис. 1.4. Комбинированная парогазовая установка на ядерном топливе:

1 — реактор; 2 — компрессор; 3 — газовая турбина; 4 — электрический генератор; 
5 — парогенератор; 6 — питательный насос; 7 — конденсатор; 8 — паровая турбина

2

1

3
5
6
8
9

4

18

17

7

16

19

13

12

11

15
14

10

Рис. 1.5. Принципиальная схема электростанции с МГД‑установкой:

1 — топливо; 2 — ионизирующие присадки; 3 — горячий воздух; 4 — камера сгорания; 
5 — МГД‑канал; 6 — электромагниты; 7 — газоход; 8 — воздухоподогреватель; 
9 — поверхности нагрева парового котла; 10 — выход продуктов сгорания; 11 — паровой 
котел; 12 — насос; 13 — конденсатор; 14 — электрический генератор; 15 — паровая турбина; 
16 — компрессор; 17 — преобразователь; 18 — электрический ток; 19 — воздух