Котельные и турбинные установки ТЭС. Теплофикация.

Котельный агрегат (котельная установка) – комплекс устройств, предназначенных для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

Котельные установки могут быть либо основным элементом тепловой электрической станции, либо выполнять самостоятельные функции. Например, отопительные котельные установки служат для обеспечения отопления и горячего водоснабжения, промышленные — для технологического тепло- и пароснабжения и т. д. В зависимости от назначения котельная установка состоит из парового или водогрейного котла и соответствующего вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу.

Котельные агрегаты, использующие (утилизирующие) теплоту уходящих газов различных технологических процессов вместо теплоты горения топлива называются котлами-утилизаторами.

Теперь подробнее о составе котельной установки.

Для нормального функционирования котла требуется обеспечить подачу, подготовку и сжигание топлива, подготовку воды, подачу окислителя для горения, а также удалить образующиеся продукты сгорания, золу и шлак (при сжигании твердого топлива) и др. Вспомогательное оборудование, предназначенное для этих целей, включает:

ñ дутьевые вентиляторы и дымососы — для подачи воздуха в котел и удаления из него в атмосферу продуктов сгорания;

ñ бункера, питатели сырого топлива и пыли, углеразмольные мельницы — для обеспечения непрерывного транспорта и приготовления пылевидного топлива требуемого качества;

ñ золоулавливающее и золошлакоудаляющее оборудование — комплекс устройств для очистки дымовых газов от золовых частиц с целью охраны окружающей среды от загрязнения и для организованного отвода уловленной золы и шлака;

ñ устройства для профилактической очистки наружной поверхности труб котла от загрязнений;

ñ контрольно-измерительную аппаратуру;

ñ водоподготовительные установки — комплекс устройств для обеспечения обработки исходной (природной) воды до заданного качества.

Для удобства рассмотрения схемы котельной установки целесообразно представить ее в виде отдельных трактов соответствующего назначения: топливного, воздушного, газового, пароводяного и золошлакоудаляющего.

Технологическая схема котельной установки представлена на следующем слайде.

Топливо с угольного склада после дробления подается конвейером в бункер сырого угля 1, из которого направляется в систему пылеприготовления, имеющую углеразмольную мельницу 2. Пылевидное топливо с помощью вентилятора 3 транспортируется по трубам в воздушном потоке к горелкам 4 топки котла 5. К горелкам также подводится вторичный воздух дутьевым вентилятором 13 (через воздухоподогреватель 10). Вода для питания котла подается в его барабан 7 питательным насосом 12 из бака питательной воды 11, имеющего деаэрационное устройство. Перед подачей воды в барабан она подогревается в водяном экономайзере 9. Испарение воды происходит в трубной системе 6. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 8, затем — к потребителю. Уходящие из котла газы очищаются от золы в золоулавливающем устройстве 15 и дымососом 16 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 17.

Основными элементами парового котла являются поверхности нагрева — теплообменные поверхности, предназначенные для передачи теплоты от теплоносителя к рабочему телу (вода, пароводяная смесь, пар или воздух). Поступающая в котельную установку питательная вода недогрета до кипения. При прохождении по поверхностям нагрева котла она постепенно нагревается до состояния насыщения, полностью испаряется, а полученный пар перегревается до заданной температуры.

По происходящим процессам преобразования рабочего тела различают нагревательные, испарительные и пароперегревательные поверхности нагрева. Теплота от продуктов сгорания может передаваться излучением (радиацией) или конвекцией. В соответствии с этим различают поверхности нагрева:

ñ радиационные — получающие в основном теплоту от продуктов сгорания за счет их излучения;

ñ конвективные — с преимущественным получением теплоты конвекцией;

ñ радиационно-конвективные — получающие теплоту излучением и конвекцией примерно в равных количествах.

В качестве нагревательных поверхностей нагрева применяют экономайзеры — обогреваемые продуктами сгорания устройства, предназначенные для подогрева (или для подогрева и частичного парообразования) воды, поступившей в паровой котел. В соответствии с этим различают экономайзеры некипящего или кипящего типа. Экономайзеры располагают в зоне относительно невысоких температур в конвективной опускной шахте; они являются конвективными поверхностями нагрева.

Испарительные поверхности преимущественно располагают в топке, где развиваются наиболее высокие температуры, или в газоходе сразу за топочной камерой.

Это, как правило, радиационные или радиационно-конвективные (полурадиационные) поверхности нагрева — топочные экраны, фестоны, котельные пучки. Топочные экраны (или просто экраны) парового котла — это поверхности нагрева, состоящие из труб, расположенных в одной плоскости у стен топочной камеры и способствующих ограждению последних от воздействия высоких температур. Экраны могут устанавливать и внутри топки, подвергая двухстороннему облучению. В этом случае они называются двухсветными.

В прямоточных котлах докритического давления испарительные топочные экраны располагают в нижней части топки. Поэтому их называют нижней радиационной частью (НРЧ).

Далее - классификация котлов.

Котлоагрегаты можно подразделить на два основных класса: паровые и водогрейные.

Паровые, в свою очередь, по характеру движения воды, пароводяной смеси и пара подразделяются на:

барабанные с естественной циркуляцией;

барабанные с многократной принудительной циркуляцией;

прямоточные.

В барабанных котлах с естественной циркуляцией вследствие разности плотностей пароводяной смеси в подъемных трубах и жидкости в водоопускных трубах будет происходить движение пароводяной смеси вверх, а воды — вниз.

В зависимости от характеристики соответствующего тракта и его оборудования вводится соответствующая классификация паровых котлов.

По виду сжигаемого топлива различают паровые котлы для газообразного, жидкого и твердого топлива.

По особенностям газовоздушного тракта различают котлы с естественной тягой, с уравновешенной тягой и с наддувом.

Паровые котлы, в которых движение воздуха и продуктов сгорания обеспечивается напором, возникающим под действием разности плотностей атмосферного воздуха и газа в дымовой трубе, называются котлами с естественной тягой.

Если сопротивление газового тракта (так же как и воздушного) преодолевается работой дутьевых вентиляторов, то котлы работают с наддувом.

Котлы, в которых давление в топке и начале горизонтального газохода (перед поверхностью нагрева) поддерживается близким к атмосферному совместной работой дутьевых вентиляторов и дымососов, называют котлами с уравновешенной тягой. В этих котлах воздушный тракт находится под давлением и его сопротивление преодолевается с помощью дутьевого вентилятора, а газовый тракт находится под разрежением (сопротивление этого тракта преодолевается дымососом). Работа газового тракта под разрежением позволяет уменьшить выбросы из газоходов в котельное помещение высокотемпературных газов и золы.

В настоящее время стремятся все котлы, в том числе и с уравновешенной тягой, изготовлять в газоплотном исполнении.

По виду водопарового (пароводяного) тракта различают барабанные и прямоточные котлы. Во всех типах котлов по экономайзеру и пароперегревателю вода и пар проходят однократно. Различие определяется принципом работы испарительных поверхностей нагрева. В барабанных котлах пароводяная смесь в замкнутом контуре, включающем барабан, коллекторы и испарительные поверхности нагрева, проходит многократно, причем в котлах с принудительной циркуляцией перед входом воды в трубы испарительных поверхностей ставят дополнительный насос.

По фазовому состоянию выводимого из котла (топки) шлака различают котлы с твердым и жидким шлакоудалением. В котлах с твердым шлакоудалением (ТШУ) шлак из топки удаляется в твердом состоянии, а в котлах с жидким шлакоудалением (ЖМУ) шлак удаляется в расплавленном состоянии.

Паровые котлы характеризуются основными параметрами: номинальной паропроизводительностью, давлением, температурой пара (основного и промежуточного перегрева) и питательной воды.

Под номинальной паропроизводительностью понимают наибольшую нагрузку (т/ч или кг/с), которую стационарный котел должен обеспечивать в длительной эксплуатации при сжигании основного топлива (или при подводе номинального количества теплоты) при номинальных значениях температуры пара и питательной воды (с учетом допускаемых отклонений).

Номинальными давлением и температурой пара считают те, которые должны быть обеспечены непосредственно перед паропроводом к потребителю пара при номинальной производительности котла (для температуры — дополнительно при номинальном давлении и температуре питательной воды).

Номинальной температурой промежуточного перегрева пара называют температуру пара непосредственно за промежуточным пароперегревателем котла при номинальных значениях давления пара, температуры питательной воды, паропроизводительности, а также номинальных значениях остальных параметров пара промежуточного перегрева с учетом допускаемых отклонений. Номинальная температура питательной воды — это температура, которую необходимо обеспечить перед входом воды в экономайзер или в другой относящийся к котлу подогреватель питательной воды (при их отсутствии — перед входом в барабан котла) при номинальной паропроизводительности.

По параметрам рабочего тела различают котлы низкого (менее 1 МПа), среднего (1 —10 МПа), высокого (10— 22,5 МПа) и сверхкритического давления (более 22,5 МПа). Наиболее характерные особенности котла и основные параметры вводятся в его обозначение. В принятых по ГОСТ 3619—82 обозначениях указывается тип котла, паропроизводительность (т/ч) и давление (МПа), температура перегрева и промежуточного перегрева пара, вид сжигаемого топлива и системы шлакоудаления для твердого топлива и некоторые другие особенности.

Буквенные обозначения типа котла и вида сжигаемого топлива: Е — с естественной циркуляцией, Пр — с принудительной циркуляцией, П — прямоточный, Пп — прямоточный с промежуточным перегревом; Еп — барабанный с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом; Г — газообразное топливо, М —мазут, Б — бурые угли, К—каменные угли, Т, Ж — соответственно с твердым и жидким шлакоудалением.

Например, котел барабанный с естественной циркуляцией производительностью 210 т/ч с давлением 13,8 МПа и температурой перегрева пара 565° С на каменном угле с твердым шлакоудалением обозначают: Е-210-13,8-565 КТ.

Еще подробней об особенностях и принципе работы барабанных и прямоточных котлов.

Барабанные котлы

Барабанные котлы нашли широкое применение на тепловых электростанциях и теплоэлектроцентралях. Наличие барабана, в котором зафиксирована граница раздела между паром и водой, является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода после экономайзера (если его нет, то прямо после насоса / из питательного трубопровода) подается в барабан, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан). Верхняя часть объема барабана заполнена паром и называется паровым объемом (пространством) барабана, нижняя, заполненная водой, называется водяным объемом, а поверхность раздела между ними — зеркалом испарения.    

Смесь котловой и питательной воды по опускным необогреваемым трубам из барабана поступает в нижние распределительные коллектора, питающие испарительные поверхности (как правило, это топочные экраны). Вода, поднимаясь по трубам этих поверхностей, воспринимает теплоту от продуктов сгорания топлива (топочных газов), нагревается до температуры насыщения, а затем частично испаряется. Из обогреваемых труб полученная пароводяная смесь поступает в барабан, где происходит разделение пара и воды. Уровень воды (зеркало испарения) делит барабан на водный и паровой объемы. Из последнего пар по трубам, расположенным в верхней части барабана, направляется в пароперегреватель. Вода же, смешиваясь в водяном объеме с питательной водой, поступающей из экономайзера, вновь направляется в опускные трубы.

Прямоточные котлы

В прямоточных котлах отсутствует барабан. Питательная вода в них, как и в барабанных котлах, последовательно проходит экономайзер, испарительные и пароперегревательные поверхности. Движение рабочей среды по поверхностям нагрева однократное. Осуществляется оно за счет напора, создаваемого питательным насосом. Вода, поступающая в испарительную поверхность, на выходе из нее полностью превращается в пар. Это позволяет отказаться от тяжелого и громоздкого барабана.

Теперь поговорим о водогрейных котлах и их особенностях.

Подогрев воды на ТЭЦ для нужд отопления (теплоснабжения потребителей) производят в сетевых подогревателях паром из теплофикационных (регенеративных) отборов турбины. В то же время для покрытия пиковых тепловых нагрузок в отопительный период широко используются водогрейные и пароводогрейные котлы. Среди них наиболее широкое распространение получили газомазутные котлы типов КВГМ и ПТВМ.

Котлы типа КВГМ тепловой мощности 4; 6,5; 10; 20 и 30 Гкал/ч (4,8—35 МВт) имеют горизонтально расположенную топку и поверхности нагрева с прямоточным принудительным движением воды.

При увеличении тепловой мощности наиболее распространенными стали П-образные и башенные компоновки котлов, причем наряду с применением жидкого и газового топлива появились водогрейные котлы со слоевым сжиганием твердого топлива (типа КВ-ТС). Котлы типа ПТВМ теплопроизводительностью 30—180 Гкал/ч (35—210 МВт) выполняют с П-образной или башенной компоновкой. Газомазутные водогрейные котлы ПТВМ-ЗОМ предназначены для подогрева воды от 70 до 150° С, имеют П-образную компоновку.

В зависимости от температуры поступающей сетевой воды и ее расхода котел без переделки может работать по четырехходовой (в зимний период) или двухходовой (в летний период) схеме циркуляции воды. При четырехходовой схеме вода подается в один из нижних коллекторов фронтового экрана и проходит последовательно фронтовой экран, часть пакетов конвективной поверхности, боковые экраны (в два подпотока), оставшуюся часть пакетов конвективной поверхности и задний экран. Отвод горячей воды производят из нижнего коллектора заднего экрана.

Теперь рассмотрим принцип действия и устройство паровой турбины на примере турбины К-210-12,7 ПО ЛМЗ.

Типичная паровая турбина (К-210-12,7 ПО ЛМЗ) показана на рисунке (см. предыдущий слайд). Для того чтобы увидеть внутреннее устройство турбины, при ее изображении «вырезана» передняя верхняя четверть. Точно также показана лишь задняя часть кожуха 2. Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и 18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные роторы цилиндров (ротор ЦВД 47, ротор ЦСД 5 и ротор ЦНД 11) жестко соединяются муфтами 31 и 21. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке и не касается металлической части вкладышей подшипников. Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Иногда между роторами ЦВД и ЦСД устанавливают только один общий для них опорный подшипник (см. позицию 29 на рис.). Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

К каждому из роторов приложено осевое усилие. Они суммируются, и их результирующая осевая сила передается с гребня 30 на упорные сегменты, установленные в корпусе упорного подшипника.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. При монтаже турбины все плоскости разъемов нижних половин корпусов устанавливают специальным образом (для простоты можно считать, что все плоскости разъема совмещают в одной горизонтальной плоскости). При последующем монтаже ось валопровода помещают в эту плоскость разъема, что обеспечивает центровку — ось валопровода будет точно совпадать с осью кольцевых расточек корпусов. Этим будут исключены задевания ротора о статор, которые могут привести к тяжелой аварии.

Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах (см. поз. 45, 28, 7 на рис.). Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите 36. В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

При работе турбины пар из котла по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов (на рис. не показаны) пар по перепускным трубам 1 (на рис. их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан на рис.) к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6, которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

Далее познакомимся с классификацией паровых турбин. Существуют транспортные и стационарные паровые турбины.

Транспортные паровые турбины чаще всего используются для привода гребных винтов крупных судов.

Стационарные паровые турбины — это турбины, сохраняющие при эксплуатации неизменным свое местоположение.

В свою очередь стационарные паровые турбины можно классифицировать по ряду признаков.