Котельные установки


Е. В. Барочкин, В. Н. Виноградов, А. Е. Барочкин










                Котельные установки




Учебное пособие

Под редакцией доктора технических наук, профессора Е. В. Барочкина











Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2021

УДК 621.18
ББК 31.361
    Б24

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»

Рецензенты :
начальник отдела испытаний и наладки энергетического оборудования ЗАО «Ивэнергосервис» В. К. Макаронов;
кандидат технических наук, профессор
(ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина») В. И. Субботин



    Барочкин, Е. В.
Б24 Котельные установки : учебное пособие / Е. В. Барочкин, В. Н. Виноградов, А. Е. Барочкин ; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е. В. Барочкина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 440 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0691-8

   Рассмотрено устройство парового котла, показана взаимосвязь основных элементов котельной установки. Даны сведения о составе органического топлива, характеристиках горелочных устройств. Описаны процессы подготовки твердого топлива к сжиганию, режимы и методы получения чистого пара в барабанных котельных агрегатах.
   Для студентов тепло- и электроэнергетических, а также энергомашиностроительных направлений подготовки. Может быть полезно инженерам-теплоэнергетикам.

                                                УДК 621.18
                                                ББК 31.361




ISBN 978-5-9729-0691-8 © Барочкин Е. В., Виноградов В. Н., Барочкин А. Е., 2021
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ
   Основную направленность содержания данного учебного пособия авторы видят в раскрытии и анализе рабочих процессов, протекающих в энергетических котлах, что соответствует характеру подготовки бакалавров по профилю «Тепловые электрические станции».
   В главе 1 учебного пособия приводится общее описание устройства парового котла и раскрывается современное конструктивное выполнение 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.
   В главе 2 приведены сведения о составе и свойствах органического топлива, а также сведения о видах топлив и основных характеристиках твердого, жидкого и газообразного топлив.
   В главе 3 приведены теоретические основы процессов горения органического топлива: твердого, жидкого и газообразного. Приведены сведения о расчётах теоретического и действительного расход воздуха на горение, а также об определении объемов продуктов сгорания.
   Глава 4 посвящена эффективности работы и основам теплового расчета парового котла. Рассмотрено общее уравнение теплового баланса котла и все потери тепловой энергии, имеющие место в котлоагрегате при сжигании различных видов топлив.
   В главе 5 приведено подробное описание технологической схемы котельной установки, трактов парового котла, процессов подготовки твердого топлива к сжиганию. Представлены характеристики угольной пыли и углеразмольного оборудования.
   Глава 6 посвящена конструкции топочных устройств и устройства для сжигания топлив. Подробно рассмотрены характеристики и конструкции горелочных устройств для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива.
   В главе 7 описаны поверхности нагрева паровых котлов, их конструкции и характеристики, приведены конструкции топочных экранов, рассмотрены конструкции пароперегревателей и их компоновки.
   Гидродинамике пароводяного тракта котельных установок посвящена глава 8. Приведены сведения о циркуляции рабочего тела в котле, методах расчетов контуров циркуляции котлоагрегатов, гидродинамике при принудительном движении рабочего

3

тела в поверхностях нагрева паровых котлов и др. Рассмотрены температурные режимы испарительных поверхностей нагрева.
   В главе 9 рассмотрены водно-химические режимы и методы получения чистого пара в барабанных котельных агрегатах, показаны причины загрязнения воды и пара в паровых котлах. Подробно рассмотрены внутрибарабанные устройства и процессы, протекающие в контурах испарения барабанных котлов.
   В главе 10 приведены основные сведения о загрязнениях, абразивном износе и коррозии поверхностей нагрева котла. Рассмотрены процессы в поверхностях нагрева котлов при низкотемпературной коррозии, показаны методы борьбы с ней. Отдельный подраздел главы 10 посвящен методам сокращения вредных выбросов в окружающую среду.
   В главе 11 показаны основные задачи, связанные с эксплуатацией паровых котлов, рассмотрены эксплуатационные режимы работы паровых котлов. Приведены статические характеристики паровых котлов в нерасчетных режимах работы.
   В главе 12 изложены основные принципы получения пара на атомных электрических станциях, приведены конструкции парогенераторов, применяемых на АЭС, показаны особенности работы парогенераторов в двухконтурных схемах АЭС.
   Учебное пособие сопровождается большим числом иллюстраций для лучшего усвоения материала. С учетом учебной направленности книги, приведенные иллюстрации в известной мере упрощены для подчеркивания главного, о чем идет речь в главе, приводятся принципиальные схемы. В конце глав для самопроверки приведены контрольные вопросы.
   Написание книги между авторами распределилось следующим образом: введение, гл. 1-5, 10, 12 написаны д-ром техн. наук Е. В. Барочкиным; гл. 6, 7 - канд. техн. наук А. Е. Барочкиным; гл. 8, 9 - канд. техн. наук В. Н. Виноградовым и канд. техн. наук А. Е. Барочкиным; гл. 11 - д-ром техн. наук Е. В. Барочкиным и канд. техн. наук А. Е. Барочкиным.
   Авторы выражают искреннюю признательность рецензенту за ценные замечания по содержанию учебного пособия: канд. техн. наук, профессору кафедры ПТЭ ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина» В. И. Субботину. Авторы надеются, что книга будет полезна студентам, аспирантам и инженерам-теплоэнергетикам.
          Доктор технических наук, профессор Е. В. Барочкин

4

ВВЕДЕНИЕ
   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. Значительную долю электрической энергии вырабатывают во многих странах мира на электрических станциях, преобразующих теплоту ядерных реакций, - атомных электрических станциях (АЭС).
   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.
   Тепловые электростанции. Основным типом тепловой электрической станции являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (КЭС), вырабатывающие 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 теплоты сжигаемого органического топлива не столь высока (рис. В.1.1), и прежде всего, в силу физических свойств рабочего вещества энергетических установок - воды и пара.
   Основными тепловыми агрегатами паротурбинной КЭС являются паровой котел и паровая турбина (рис. В.1.2).
   Паровой котел представляет собой систему поверхностей нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в него воды путем использования теплоты, выделяющейся при

5

сжигании органического топлива. Поступающую в паровой котел воду называют питательной водой.
   Питательная вода в котле подогревается до температуры насыщения, испаряется, а полученный насыщенный пар затем перегревается. Полученный перегретый пар высокого давления поступает в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую энергию вращающегося вала турбины. С последним связан электрический генератор, в котором механическая энергия превращается в электрическую.



Рис. В.1.1. Эффективность преобразования энергии топлива в электрическую энергию: Тл - топливо; ПК - паровой котел;
Пе - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина;
ЭГ - электрогенератор

   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.
   Обычно применяют однократный промежуточный перегрев пара (рис. В.1.2, а), обеспечивающий заметное повышение

6

работоспособности пара. В отдельных установках большой мощности применяют двойной промежуточный перегрев.
   Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и соответственно снижает удельный расход пара на выработку электроэнергии и расход топлива в паровой котел.

Топливо

Уходящие газы

Перегретый пар

Воздух

  Пар на проме- I жуточный перегрев

Пар

Зола, шлаки

после промежуточного

перегрева

4

8

6

9

К

Рис. В.1.2, а. Принципиальная 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

   Промежуточный перегрев пара снижает также 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 (значительная часть тепловой энергии пара) передается охлаждающей воде и далее рассеивается в окружающей среде.

7

   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 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 (рис. В.1.2, а) паровой котел в основном питается конденсатом производимого им пара.
   Принципиальная схема ТЭЦ (рис. В.1.2, б) отличается от вышеописанной схемы КЭС дополнительным отбором части пара из промежуточных ступеней турбины на теплофикацию жилого района (получение горячей воды), а также на производственные нужды. При этом уменьшаются расход пара в конденсатор и связанные с ним тепловые потери.
   В число устройств и механизмов, обеспечивающих работу парового котла, входят: топливоприготовительное оборудование, питательные насосы, дутьевые вентиляторы, подающие в котел воздух для горения, дымососы, служащие для удаления продуктов сгорания через дымовую трубу в атмосферу, и другое вспомогательное оборудование, необходимое для обеспечения эксплуатации котла. Паровой котел вместе с комплексом перечисленного оборудования составляет котельную установку. Следовательно, понятие «котельная установка» шире понятия «паровой котел».
   Современная мощная котельная установка представляет собой сложное техническое сооружение, в котором все рабочие процессы полностью механизированы и автоматизированы; для повышения надежности работы ее оснащают автоматической защитой от аварий.

8

Перегретый пар

11

Уходящие газы

Топливо

Воздух

Зола, шлаки

Рис. В.1.2, б. Принципиальная 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 - промышленный отбор пара

   Тенденции развития паровых котлов - это увеличение единичной мощности, повышение начального давления пара и его температуры, применение промежуточного перегрева пара, полная механизация и автоматизация управления, изготовление и поставка оборудования крупными блоками для облегчения и ускорения монтажа.
   В настоящее время паротурбинные блоки, работающие со сверхкритическим давлением пара (р = 25,5 МПа) с температурой перегретого пара (tпп = 540 °C), с широко развитой системой регенерации теплоты и с промежуточным перегревом пара имеют максимально возможный КПД для этих параметров, который находится в диапазоне 40-42 %.

9

   Следующим шагом в развитии ТЭС может стать переход на суперсверхкритические параметры оборудования электростанций. Достижение параметров пара на выходе из котла: давления p о = 29-30 МПа и температуры перегретого пара tо = 580 °С, температуры промежуточного пара tпп = 580 °С и температуры вторичного промежуточного пара tпп2 = 600 °С позволит получить КПД электростанции на уровне 47 %.
   Дальнейшее повышение начальных параметров пара уже мало повышает тепловую экономичность паротурбинных блоков, но сильно увеличивает их стоимость из-за применения более высоколегированных и дорогостоящих сталей. Осложняется при этом и сохранение уже достигнутых показателей надежности.

10