Котельные установки и парогенераторы

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк, А. С. Прошин 

Котельные установки 

и парогенераторы 

Уч е б н о е  п о со бие 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 

для студентов вуза, обучающихся по направлению 

13.03.01 — Теплоэнергетика и теплотехника 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2020 

УДК 621.181(075.8) 
ББК 31.361я73 
          М90 

Р е ц е н з е н т ы :
Г. М. Дружинин, д‑р техн. наук, директор по науке и технике  

ОАО «ВНИИМТ»;

С. М. Шанчуров, д‑р техн. наук, проф., заведующий кафедрой энергетики УГЛТУ 

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р  — д‑р техн. наук, проф. А. М. Дубинин 

М90

Мунц, В. А.
Котельные установки и парогенераторы : учебное пособие /  
В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк, А. С. Прошин ; М‑во науки и высш. 
обр. РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 208 с.
ISBN 978‑5‑7996‑3145‑1

В учебном пособии изложены основные принципы создания и устройства котельных установок и парогенераторов. Рассмотрены принципы расчета котлов. Проанализированы основы теплового и аэродинамического расчета котельных установок.

Издание предназначено бакалаврам, обучающимся по направлению 13.03.01 — 

Теплоэнергетика и теплотехника. 

Библиогр.: 9 назв. Табл. 5. Рис. 97. 

Рисунки, размещенные в книге, предоставлены авторами.

УДК 621.181(075.8) 
ББК 31.361я73

 

ISBN 978‑5‑7996‑3145‑1
© Уральский федеральный  
     университет, 2020

Оглавление

Введение ................................................................................................7

Глава 1. Краткая история развития котлов.  
Классификация и типы паровых котлов ..............................................14

1.1. Развитие котельных агрегатов в период  
до внедрения высоких параметров пара .......................................14
1.2. Развитие котельных агрегатов  
на высокие параметры пара ...........................................................27
Вопросы к главе 1 ..........................................................................34

Глава 2. Котельные установки  ............................................................35

2.1. Конструкция современного парового котла ..........................35
2.2. Классификация паровых котлов и их маркировка ................37
2.3. Вспомогательное оборудование котельных  
установок  .......................................................................................42
Вопросы к главе 2 ..........................................................................46

Глава 3. Поверхности нагрева котлов .................................................47

3.1. Тепловосприятие поверхностей нагрева и конструкция  
топочных экранов ..........................................................................47
3.3. Конструкции пароперегревателей и их компоновка .............52

3.3.1. Виды пароперегревателей ..................................................52
3.3.2. Методы газового регулирования температуры  
пара  .............................................................................................60

Оглавление

3.4. Водяные экономайзеры ..........................................................62
3.5. Воздухоподогреватели .............................................................65
Вопросы к главе 3 ..........................................................................71

Глава 4. Водогрейные котлы ...............................................................72

Вопросы к главе 4 ..........................................................................87

Глава 5. Котельное топливо, его технические характеристики ...........88

5.1. Состав топлива и его теплота сгорания ..................................88
5.2. Общие технические характеристики  
твердого топлива ............................................................................92
5.3. Жидкое топливо  .....................................................................96
5.4. Газовое топливо .......................................................................98
Вопросы к главе 5 ........................................................................ 100

Глава 6. Материальный и тепловой баланс процессов  
горения .............................................................................................. 101

6.1. Теоретически необходимое количество воздуха  
и объемы продуктов сгорания ..................................................... 101
6.2. Энтальпия продуктов сгорания  ........................................... 108
6.3. Тепловой баланс процесса горения ...................................... 111
Вопросы к главе 6 ........................................................................ 115

Глава 7. Тепловой расчет котла ......................................................... 116

7.1. Температура газов на выходе из топки  
и степень черноты топки ............................................................. 116
7.2. Расчет теплообмена в топке .................................................. 124
7.3. Тепловой расчет конвективных поверхностей  
нагрева  ......................................................................................... 129

7.3.1. Основные уравнения ....................................................... 129
7.3.2. Коэффициент теплопередачи ......................................... 132
7.3.3. Тепловой расчет чугунного экономайзера ...................... 139

Вопросы к главе 7 ........................................................................ 142

Оглавление

Глава 8. Топки и горелочные устройства ........................................... 143

8.1. Виды топочных устройств ..................................................... 143
8.2. Горелочные устройства промышленных  
и энергетических котлов ............................................................. 146
8.3. Конструкции мазутных форсунок ........................................ 151

8.3.1. Механические форсунки ................................................. 151
8.3.2. Ротационная форсунка .................................................... 152
8.3.3. Пневматические форсунки ............................................. 153

8.4. Слоевые топки ....................................................................... 154
8.5. Подготовка твердого топлива к сжиганию ........................... 156

8.5.1. Свойства угольной пыли ................................................. 156
8.5.2. Системы пылеприготовления ......................................... 159
8.5.3. Пылеприготовительное оборудование ........................... 163

8.6. Пылеугольные топки............................................................. 168

8.6.1. Сжигание высокореакционных топлив .......................... 168
8.6.2. Сжигание низкореакционных топлив ............................ 176

Вопросы к главе 8  ........................................................................ 180

Глава 9. Сокращение вредных выбросов  
в окружающую среду режимными методами  ..................................... 181

Вопросы к главе 9 ........................................................................ 186

Глава 10. Аэродинамический расчет котельных установок ............... 187

10.1. Расчет газового тракта ......................................................... 188

10.1.1. Общий порядок расчета ................................................. 188
10.1.2. Сопротивление ширмового пароперегревателя ........... 190
10.1.3. Сопротивление поперечно‑омываемого  
коридорного пучка труб ............................................................ 191
10.1.4. Cопротивление поперечно омываемого  
шахматного пучка труб ............................................................. 192
10.1.5. Сопротивление чугунного ребристого  
водяного экономайзера  ............................................................ 192
10.1.6. Сопротивление трубчатого воздухоподогревателя  ...... 193

Оглавление

10.1.7. Сопротивление газоходов .............................................. 195
10.1.8. Сопротивление дымовой трубы .................................... 198
10.1.9. Самотяга ......................................................................... 200
10.1.10. Расчет перепада полных давлений  
по газовому тракту ..................................................................... 202

10.2. Выбор тягодутьевого оборудования .................................... 203
Вопросы к главе 10  ...................................................................... 205

Список библиографических ссылок .................................................. 206

Введение

Э

лектрическая станция представляет собой промышленное 
предприятие для выработки электрической энергии. Основную долю электрической энергии в России и большинстве 

крупных экономически развитых стран мира производят на тепловых электрических станциях (ТЭС), использующих для этого химическую энергию сжигаемого органического топлива. Паротурбинные 
электростанции обладают огромной мощностью, однако эффективность использования теплоты сжигаемого топлива относительно невысокая — не более 42 %, в силу физических свойств рабочей среды — 
воды и пара, рис. В.1.

Рис. В.1. Эффективность 
преобразования энергии 
топлива в электрическую 

энергию:

Тл — топливо; ПК — паровой 
котел; Пп — пароперегреватель; ПТ — паровая турбина; 

ЭГ — электрогенератор

Основным типом тепловой электрической станции на органическом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (КЭС), вырабатывающие только электри

введение

ческую энергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), предназначенные 
для выработки тепловой и электрической энергии.

Основными тепловыми агрегатами паротурбинной КЭС являются 

паровой котел и паровая турбина (рис. В.2). Паровой котел представляет собой систему поверхностей нагрева, производящую пар из непрерывно поступающей в него воды путем использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива. Поступающую в паровой котел 
воду называют питательной. Питательная вода в котле подогревается до температуры насыщения, затем испаряется, а полученный насыщенный пар перегревается.

Полученный перегретый пар высокого давления поступает в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую энергию 
вращающегося вала турбины, который связан с электрическим генератором. В электрогенераторе механическая энергия на основе закона Фарадея превращается в электрическую.

 

Рис. В.2. Простейшая тепловая схема КЭС:

1 — паровой котел; 2 — паровая турбина; 3 — электрический генератор;  

4 — конденсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — питательный насос; 7 — ПНД;  

8 — ПВД; 9 — деаэратор; 12 — водоподготовительная установка 

На рис. В.3 в T‑S‑диаграмме представлен цикл паросиловой установки с промежуточным перегревом пара и без него.

Введение

      а 
 
 
 
 
   б

Рис. В.3. Цикл паросиловой установки:

а — при перегретом паре; б — с промперегревом пара 

На современных КЭС с агрегатами единичной электрической мощности 100 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара, при 
котором частично отработавший пар из ступеней турбины возвращают в паровой котел. Обычно применяют однократный промежуточный 
перегрев пара (см. рис. В.2), обеспечивающий заметное повышение 
работоспособности пара. В некоторых установках большой мощности применяют двойной промежуточный перегрев. Промежуточный 
перегрев пара (рис. В.3) увеличивает КПД турбинной установки и, соответственно, снижает удельный расход пара на выработку электроэнергии и расход топлива на паровой котел. Промежуточный перегрев 
пара снижает влажность пара в последних ступенях низкого давления 
турбины и тем самым уменьшает эрозионный износ лопаток. Отработавший пар из турбины поступает в конденсатор, где теплота конденсации пара передается охлаждающей воде и далее рассеивается в окружающей среде. Полученный 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 газов (главным образом от коррозионно‑опасных 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, превышающим давление пара на выходе из котла. Подогрев конденсата 

введение

в подогревателях низкого давления и питательной воды в подогревателях высокого давления производится теплотой конденсирующегося 
пара, отбираемого из ступеней турбины. Этот процесс называют регенеративным подогревом воды. Регенеративный подогрев заметно 
повышает КПД паротурбинной установки. Таким образом, на КЭС 
(см. рис. В.2) паровой котел в основном питается конденсатом производимого им пара.

Принципиальная схема ТЭЦ (рис. В.4) отличается от вышеописанной схемы КЭС дополнительным отбором части пара из турбины 
на теплофикацию жилого района (получение теплоты в виде горячей 
воды на отопление и другие нагрузки), а также на производственные 
нужды. При этом уменьшаются расход пара в конденсатор и связанные с ним тепловые потери.

 

Рис. В.4. Простейшая тепловая схема ТЭЦ:

1 — паровой котел; 2 — паровая турбина; 3 — электрический генератор;  

4 — конденсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — питательный насос; 7 — ПНД;  

8 — ПВД; 9 — деаэратор; 10 — подогреватель сетевой воды;  

11 — отбор пара из турбины; 12 — водоподготовительная установка 

Тенденции развития паровых котлов — это увеличение единичной 

мощности, повышение начального давления пара и его температуры,