Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы

Текст добавлен: 25 мая 2017, 11:30

Текст книги "Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы"

Автор книги: Сергей Беликов

Соавторы: Владлен Котлер,Владлен Котлер

Жанры:

Экология

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Назад к карточке книги

5.5. Расположение горелок в топочной камере

При организации факельного процесса сжигания практически все топочные камеры выполняют в виде параллелепипедов, имеющих в горизонтальном сечении форму квадрата или прямоугольника. В продольном сечении принципиально отличаются друг от друга топки с холодной воронкой и слабонаклонным подом. Первые применяют при сжигании угля, торфа, сланцев и твердом шлакоудалении. Вторые используют для газомазутных котлов или пылеугольных топок с жидким шлакоудалением. В последнем случае трубы экранов в нижней части топки и трубы слабонаклонного пода покрывают огнеупорной массой, для удержания которой к трубам приваривают шипы (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Вид на футерованый экран: 1 – экранная труба; 2 – шипы до их покрытия обмазкой; 3 – огнеупорная обмазка

Правильное размещение горелочных устройств в топочном пространстве (с учетом мощности и характеристик этих горелок) обеспечивает эффективное сгорание топлива и заданные параметры теплообмена. Особенно большое значение имеет фактор установки горелок на пылеугольных котлах, когда проблемы шлакования и коррозии топочных экранов во многом определяют надежность всей котельной установки.

В крупных котлах тепловых электростанций традиционные однокамерные топки оборудуют чаще всего вихревыми горелками при однофронтальном или встречном их размещении, или прямоточными горелками при тангенциальной их компоновке (рис. 5.20). Попытки отступить от такой схемы приводили, как правило, к значительным трудностям при эксплуатации котлов.

Рис. 5.20. Схемы расположения вихревых (а, б, в) и прямоточных (г) пылеугольных горелок на стенах топочной камеры: а – фронтальное; б – встречное; в – встречное с боковых стен топки; г – угловое с тангенциальным направлением струй

Так, например, первый отечественный энергоблок мощностью 500 МВт, установленный на Назаровской ГРЭС, был оборудован двухкорпусным котлом Пп 1600/255 Ж (П-49). Котел был рассчитан на сжигание сушонки назаровского бурого угля, получаемой на центральном пылезаводе (ЦПЗ).

По предложению ЦКТИ конструкторы Подольского завода им. С. Орджоникидзе (ЗиО) оснастили котел полуоткрытой топкой с пережимом и жидким шлакоудалением. Мощные прямоточные горелки были установлены встречно, в 1 ярус, на фронтовом и заднем экранах. При этом глубина топки составляла всего лишь 8180 мм (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Топка котла П-49

Первый период эксплуатации котла выявил ряд недостатков организации топочного процесса: температура на выходе из топки оказалась выше расчетной, содержание горючих в пробах, отобранных в сечении пережима, достигало 50 %. Затягивание горения в камеру охлаждения (выше пережима) приводило к интенсивному шлакованию ширмовых поверхностей нагрева. Наблюдался рост температуры газов по тракту, снижающий надежность работы труб промпароперегревателя, нижней трубной доски воздухоподогревателя, электрофильтров и дымососов (за 10 дней работы котла температура уходящих газов увеличивалась до 205 °С при расчетной величине 154 °С).

Причинами неудовлетворительной работы топочного устройства в какой-то мере были грубый помол топлива (R₁₀₀₀ = 2–7 %), неравномерность распределения топлива и воздуха по отдельным горелкам, но главной всё же была аэродинамическая структура потоков топочной камеры, связанная с соударением мощных горелочных струй в центре камеры горения и выносе части не вступившего в реакцию воздуха в камеру охлаждения. Это стало очевидным после отбора проб продуктов сгорания из работающего котла с использованием водоохлаждаемых зондов. На схеме (рис. 5.22) видно, что в камере горения, особенно в её нижней части, содержание кислорода составляло только 0,7 %, в то время как концентрация продуктов неполного сгорания была чрезвычайно высока: СО = 3,56–7,64 % и Н₂ = 0,95–1,82 %. В то же время выше пережима, в камере охлаждения, количество кислорода у фронтового и заднего экранов составляло 3,8–6,0 %, но в центральной части топки механический недожог достигал 10,6 %. Фактически камера сгорания из-за неудачной аэродинамической схемы работала как газогенератор, хотя коэффициент избытка воздуха в горелках был достаточно высоким: α_г = 1,15.

Рис. 5.22. Состав газов и потери с механическим недожегом в топке котла П-49

Реконструкция топочной камеры котла П-49 с заменой встречно размещенных прямоточных горелок вихревыми, с коротким факелом, в значительной степени устранила обнаруженные недостатки и позволила эксплуатировать энергоблок с показателями, близкими к расчетным. Новые котлы для мощных энергоблоков, рассчитанных на сжигание канско-ачинских углей, выполнялись уже с тангенциальными горелками, создающими вихревую аэродинамику в топочной камере с твердым шлакоудалением.

Большое влияние на расположение горелок в топочной камере оказывает тип шлакоудаления. Если топочная камера рассчитана на жидкое шлакоудаление, то вихревые горелки размещают обычно по встречной компоновке в один или два яруса по высоте. Такое решение связано с необходимостью максимального увеличения температуры в нижней части топочной камеры, вблизи слабонаклонного пода, по которому должен стекать в летку жидкий шлак.

Но если топка имеет холодную воронку, то есть рассчитана на твердое шлакоудаление, целесообразнее разместить горелки в три или даже четыре яруса по высоте. За рубежом успешно работают котлы даже с пятиярусным размещением вихревых горелок. То же самое можно сказать о газомазутных котлах, несмотря на отсутствие у них холодных воронок.

При многоярусном расположении горелок удается избавиться от концентрированного тепловыделения, приводящего к чрезмерно высоким тепловым потокам и тем самым повысить надежность топочных экранов у прямоточных котлов.

В некоторых случаях конструкторам приходится отступать от традиционных компоновок с горизонтальным или тангенциальным размещением горелок и проектировать топочные камеры, в которых процесс горения топлива развивается в вертикальном факеле. На рис. 5.23 приведены различные варианты топок вертикального горения, получившие некоторое распространение в Западной Европе, в США, а также на электростанциях Российской Федерации.

На рис. 5.23,а показан установленный на ТЭС Гольдберг (ФРГ) котел паропроизводительностью 450 т/ч с параметрами пара 20,5 МПа, 530/530 °С, с инвертной топкой. Размещение 12 горелок на потолке топочной камеры связано с желанием обеспечить лучшее заполнение топки, чем при фронтовом их расположении. Кроме того, облегчается трассировка пылевоздухопроводов к горелкам и газы поступают к холодной воронке уже охлажденными, что снижает опасность шлакования холодной воронки при сжигании бурых углей.

На рис. 5.23,б показана двухкамерная топка с потолочным расположением горелок. Такие предтопки с жидким шлакоудалением особенно часто встречаются на электростанциях ФРГ, сжигающих антрацит или малореакционные каменные угли. Как правило, предтопки отделены от камеры догорания шлакоулавливающим пучком, а потолочные горелки (вихревые или прямоточные) располагаются на одном или на двух уровнях. Показанный на рис. 5.23,б котел установлен на ТЭС Aschaffenburg (блок № 2 мощностью 150 МВт) и работает на высококачественных каменных углях из Рурского и Саарского бассейнов, а также ЮАР или Польши.

На рис. 5.23,в приведен пример отечественной топки вертикального горения. Несколько обычных газомазутных котлов в 1970–1980-е гг. были реконструированы с установкой так называемых подовых горелок. В частности, на рис. 5.23,в показан котел БКЗ-320-140 ГМ, установленный на Уфимской ТЭЦ-2, которая работала на мазуте.

И, наконец, на рис. 5.23,г приведена схема «плечевой» топки – наиболее интересного варианта вертикального горения, если говорить о сжигании малореакционных углей типа Т и АШ.

Мощные угольные энергоблоки с «плечевыми» топками имеются в США, Великобритании, ФРГ и некоторых других странах. По мнению многих специалистов именно такие топочные устройства необходимы для успешного сжигания трудновоспламеняющихся углей с выходом летучих V_daf ≤ 13 %. Особенности топки, показанной на рис. 5.23,г:

– потолочное расположение прямоточных горелок и такая скорость вторичного воздуха, которая обеспечивает опускание факела вдоль фронтового и заднего экранов;

– разворот факела у пода (или около холодной воронки) и подъем его по центру топки;

– наличие окологорелочных воздушных струй, препятствующих движению факела по закороченной траектории;

– наличие сопл третичного воздуха на фронтовом и заднем экранах.

Аэродинамическая структура факела в «плечевой» топке облегчает воспламенение топлива как в результате уменьшения количества воздуха, подаваемого вместе с топливом, так и благодаря интенсивному подмешиванию горячих продуктов сгорания к корню факела. Увеличение времени пребывания в высокотемпературной зоне, как и более тонкий размол угольной пыли, повышают степень выгорания коксовых частиц, снижая тем самым потери с механическим недожогом.

Рис. 5.23. Топки вертикального горения: а – инвертная; б – двухкамерная, с потолочным расположением горелок; в – с подовым расположением горелок; г – «плечевая»

Глава 6. Компоновка поверхностей нагрева котельных установок

В главе 1 уже рассматривался вопрос о последовательности процессов, результатом которых является получение перегретого пара: питательная вода нагревается в экономайзере, превращается в пар в испарительных поверхностях нагрева (как правило – в экранах топочной камеры), а затем происходит перегрев пара в ширмовом (полурадиационном) и конвективном пароперегревателях. Для утилизации теплоты уходящих дымовых газов и лучшей организации топочного процесса энергетические котлы имеют еще одну поверхность нагрева – воздухоподогреватель, в котором холодный воздух нагревается до 300–400 °С. Взаимное расположение всех перечисленных узлов котельного агрегата (то есть компоновка поверхностей нагрева) во многом определяет не только экономичность котла, но и надежность его работы. Размещение поверхностей нагрева в газоходах после топочной камеры должно учитывать аэродинамику газового потока, неравномерность скоростей по сечению, опасность износа и возможность очистки поверхностей нагрева в случае их загрязнения.

6.1. Теплообмен в топке и парообразующие поверхности нагрева

В главе 1 сформулированы причины, заставляющие в некоторых случаях отказываться от традиционной П-образной компоновки и выбирать башенную, Т-образную или инвертную компоновку котельного агрегата. Но во всех случаях процесс сжигания органического топлива начинается и заканчивается в топочной камере, ограждающими поверхностями которой являются парообразующие экраны. Исключение составляют котлы сверхкритического давления (СКД), в которых ограждающими поверхностями в топке являются экономайзерная поверхность (обычно – нижняя радиационная часть – НРЧ) и пароперегревательная (средняя и верхняя радиационные части – СРЧ и ВРЧ).

В топочной камере происходит не только горение топлива, о котором шла речь в главе 5, но и сложный радиационно-конвективный теплообмен между пламенем горения летучих, раскаленных частиц кокса и золы, а также трехатомных продуктов сгорания, с одной стороны, и экранами топочной камеры – с другой.

По интенсивности излучения в видимой области спектра все виды пламени делят на светящиеся, полусветящиеся и несветящиеся. Разное излучение факела зависит от наличия в нем твердых частиц (интенсивность их излучения выше) и трехатомных газов (имеющих меньшую интенсивность излучения). По приблизительным оценкам, доля излучения трехатомных газов составляет 20–30 %, в то время как на долю золовых частиц, заполняющих весь объем топки, приходится от 40 до 60 % суммарного излучения топочной среды. Остальная часть излучения на топочные экраны приходится на коксовые частицы (при сжигании твердого топлива).

В общем виде тепловосприятие поверхностей нагрева определяется из уравнения теплообмена в топке, которое, исходя из закона Стефана-Больцмана, может быть представлено в виде:

, (6.1)

где Q_л – тепловосприятие поверхностей нагрева, кВт; а_т – интегральный коэффициент теплового излучения топки; C₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67·10^-8 Вт/ (м²·К⁴); ψ_э – коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева; F_ст – площадь поверхности стен, ограждающих топку, м²; T – средняя температура продуктов сгорания в топке, К; Т_ст– средняя температура поверхности нагрева, К.

Экранирование топочных камер осуществляют по-разному, в зависимости от параметров и мощности котельной установки. На барабанных котлах для организации естественной циркуляции на стенах размещают вертикальные экраны. В прямоточных котлах можно встретить топочные экраны в виде спиральной навивки (схема Рамзина), вертикальных экранов (схема Бенсона) и, реже, в виде многоходовой горизонтальной навивки с общим подъемным движением среды в блочном исполнении (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схемы гидравлических контуров поверхностей нагрева с принудительным движением рабочего тела: а – горизонтальная навивка экранов; б – вертикальные панели; в – U-образная панель; г – N-образная панель; д – многоходовая вертикальная панель; е – многоходовая горизонтальная панель

Движение среды в экранах прямоточных котлов обеспечивается питательным насосом, поэтому требуемую скорость рабочей среды можно получить при любой компоновке экранов.

Для надежной работы барабанных котлов необходимо обеспечить отвод теплоты от топочных экранов при естественной циркуляции. В замкнутом контуре гидравлической системы, включающей барабан, опускные необогреваемые трубы, нижний коллектор и обогреваемые подъемные трубы движущий напор создается за счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси в трубках топочных экранов. Полезным напором циркуляции S_пол является разность между движущим напором S_дв и сопротивлением подъемных труб:

S_пол = S_дв− Δр_под. (6.2)

Если обозначить через Н расстояние по высоте от уровня воды в барабане до оси нижнего коллектора, а плотности воды и пароводяной смеси – через ρ’ и ρ’’, то движущий напор будет равен:

S_дв = H(ρ’−ρ’’)g. (6.3)

Разность давлений столбов воды и пароводяной смеси при установившемся движении уравновешивается суммой гидравлических сопротивлений, возникающих вследствие движения рабочей среды в замкнутой гидравлической системе.

При расчете естественной циркуляции необходимо учитывать, что полезный напор циркуляции зависит от давления в контуре. Чем выше давление, тем больше плотность пароводяной смеси в подъемных трубах, что приводит к снижению S_пол. Уже при давлении 18 МПа этот напор приобретает столь малое значение, что надежность естественной циркуляции становится проблематичной. Именно по этой причине давление в барабанных котлах ограничивают обычно величиной 15–16 МПа.

При расчете простого контура циркуляции с одинаковыми характеристиками подъемных труб основное уравнение циркуляции (S_пол = Δp_оп) решают графически. На рис. 6.2 приведена диаграмма циркуляции простого контура с непосредственным присоединением парообразующих труб к барабану. Из приведенного графика видно, что с увеличением скорости циркуляции ω₀ полезный напор уменьшается, а гидравлическое сопротивление опускных труб растет (пропорционально квадрату расхода воды). Пересечение кривых S_пол и Δр_оп определяет режим, при котором полезный напор расходуется на преодоление сопротивления.

Рис. 6.2. Диаграмма циркуляции простого контура: А – рабочая точка; W₀^д– действительная скорость циркуляции (расход воды)

6.2. Пароперегреватели и методы регулирования температуры пара

Пароперегреватель, с одной стороны, – самый ответственный элемент котельной установки (он выдает конечный продукт – перегретый пар строго определенной температуры), а с другой – самый опасный элемент в отношении надежности металла (температура пара именно здесь достигает своего максимального значения). Все виды пароперегревателей можно разделить на три вида:

1) конвективные, получающие теплоту от газов за счет конвекции;

2) радиационные, получающие теплоту радиацией из топочной камеры;

3) полурадиационные, или ширмовые, получающие теплоту как за счет конвекции, так и за счет радиации.

Существует и другая классификация, основанная на тепловой схеме блока: основным, или первичным, называют пароперегреватель, в котором нагревается весь полученный в котле насыщенный пар. Если же в котле перегревается пар, частично уже отработавший в цилиндре высокого давления паровой турбины, то эту поверхность нагрева называют промежуточным, или промпароперегревателем. Очень редко встречаются котлы с двойным промежуточным перегревом пара.

Конвективные пароперегреватели выполняют, как правило, из гладкотрубных вертикальных змеевиков, приваренных к входному и выходному коллекторам. Последние располагают обычно вне зоны обогрева. Для первичного пароперегревателя используют стальные трубы внутренним диаметром 20–30 мм, а для промпароперегревателя – диаметром до 50 мм. Делается это для того, чтобы снизить массовую скорость и тем самым – уменьшить гидравлическое сопротивление промпароперегревателя.

Большое значение имеет схема включения конвективного пароперегревателя, которая определяет взаимное движение дымовых газов и потока пара. Максимальный температурный напор обеспечивает противоточная схема (рис. 6.3,а). Благодаря этому несколько сокращается требуемая поверхность нагрева, но при этом последние по ходу пара змеевики оказываются в зоне максимальных температур газов. Облегчить температурные условия для металла можно за счет прямоточной схемы (рис. 6.3,б), но температурный напор в этом случае будет меньше, а значит, необходимая поверхность – больше. На практике чаще всего используют одну из смешанных схем (рис. 6.3,в,г), которые обеспечивают достаточную надежность выходных змеевиков пароперегревателя и одновременно не требуют характерных для прямоточных схем увеличенных поверхностей нагрева.

Рис. 6.3. Схема взаимного движения пара и продуктов сгорания в конвективных пароперегревателях

Радиационные пароперегреватели можно встретить на барабанных котлах высокого давления и, конечно, на котлах сверхкритического давления, у которых доля тепла, приходящаяся на перегрев пара, еще выше. На барабанных котлах радиационный пароперегреватель располагают в виде потолочных труб, а также в виде настенных экранов в верхней части топочной камеры. На прямоточных котлах радиационными пароперегревателями являются поверхности средней (СРЧ), верхней (ВРЧ) радиационной части, а также стены горизонтального газохода.

Достоинства радиационных пароперегревателей – их малое гидравлическое сопротивление по пароводяному тракту и полное отсутствие гидравлического сопротивления по газовому тракту. Трубы радиационного пароперегревателя могут располагаться как вертикально, так и горизонтально. Крепление их осуществляется, как и в случае парообразующих экранов в топке, с учетом неизбежных температурных перемещений при пуске и останове котла.

Полурадиационные пароперегреватели выполняют обычно в виде ширм (чаще – вертикальных, хотя встречаются и горизонтальные). Каждая ширма представляет собой набор труб, образующих плоскую ленту с общими входным и выходным коллекторами. Располагают ширмы обычно на выходе из топки, хотя известны попытки устанавливать так называемые низкоопущенные ширмы в средней и даже в нижней части топочных камер. Ширмы устанавливают на некотором расстоянии одна от другой (600–900 мм), что значительно снижает опасность их шлакования.

Недостатком вертикальных ширм, которые обычно подвешиваются к расположенным вне зоны обогрева коллекторам, является их недренируемость. Невозможность слива конденсата приводит к определенным трудностям при растопке котла, а также создает проблему стояночной коррозии. В этом отношении горизонтальные ширмы имеют существенные преимущества, но конструкция их креплений оказывается более сложной.

Всё вышесказанное относится к основному, то есть к первичному пароперегревателю. Вторичный (промежуточный) пароперегреватель выполняют, как правило, конвективным и располагают его в зоне умеренных температур (не выше 850 °С). Дело в том, что первичный пароперегреватель охлаждается паром с начала растопки котла, а промпароперегреватель в первый период, до пуска турбины, не охлаждается. Правда, современные энергоблоки (а промежуточный перегрев пара возможен только при блочном исполнении «котел – турбина») имеют, как правило, редукционно-охладительные установки (РОУ), которые решают проблему охлаждения промпароперегревателя при пусках и аварийных остановах.

Регулирование температуры перегретого пара при изменении нагрузки котла зависит от характеристики пароперегревателя. У радиационных поверхностей с увеличением нагрузки повышается расход пара, а тепловосприятие растет незначительно. В результате температура на выходе из радиационного пароперегревателя будет снижаться по мере увеличения нагрузки.

У конвективного пароперегревателя всё иначе: количество проходящих через него продуктов сгорания увеличивается пропорционально росту нагрузки (что увеличивает конвективную теплоотдачу). Одновременно повышается температура газов на выходе из топки, увеличивая температурный напор. В результате температура на выходе из конвективного пароперегревателя с ростом нагрузки увеличивается.

И только при правильном сочетании радиационного и конвективного пароперегревателя можно получить такую регулировочную характеристику, при которой изменение нагрузки котла не потребует включения средств регулирования температуры перегрева пара.

Кроме изменения нагрузки, на температуру пара влияют и другие факторы. В барабанных котлах, например, снижение температуры питательной воды (при неизменном расходе топлива) приводит к уменьшению расхода пара и, следовательно, повышению его температуры, так как поверхность пароперегревателя у барабанных котлов фиксированная. У прямоточных котлов снижение температуры питательной воды уменьшает и температуру перегретого пара.

Значительное изменение избытка воздуха или поступление более влажного топлива увеличивают расход газов через конвективный пароперегреватель, а следовательно – и температуру перегретого пара. Такой же эффект может наблюдаться при подшлаковке топочных экранов (при этом повышается температура газов на выходе из топки). Но в тех случаях, когда происходит шлакование самого пароперегревателя, температура пара, наоборот, снижается.

Каковы бы ни были причины изменения температуры перегретого пара, котельная установка (по крайней мере – в регулировочном диапазоне) должна выдавать пар требуемых параметров с допустимым, весьма незначительным отклонением от паспортных данных.

Регулировать температуру перегретого пара можно за счет установки поверхностного пароохладителя или путем впрыска чистого конденсата. В первом случае (он чаще встречается на котлах малой производительности) пар поступает в трубчатый теплообменник, охлаждающей средой в котором служит питательная вода.

В крупных котлах чаще используют впрыскивающий пароохладитель, представляющий собой участок коллектора с защитной рубашкой и встроенной форсункой-распылителем. Через неё в поток перегретого пара впрыскивается конденсат в количестве, необходимом для достижения нужной температуры пара.

В некоторых котлах устанавливают 2 или даже 3 впрыскивающих пароохладителя, предназначенных для поддержания нужной температуры не только на выходе из пароперегревателя, но и в промежуточных зонах (для повышения надежности работы металла).

На энергоблоках со вторичным перегревом пара часто применяют паро-паровые теплообменники (ППТО) для перераспределения теплоты между свежим паром и паром промежуточного перегрева. Если, например, основной пароперегреватель выполнен радиационным, а промпароперегреватель – конвективным, то снижение нагрузки приводит к росту температуры свежего пара и снижению температуры промперегрева. В этом случае использование ППТО позволит удержать обе температуры в допустимом диапазоне.

От описанных выше способов регулирования температуры пара принципиально отличаются газовые методы с обеспечением воздействия на температуру пара за счет изменения тепловосприятия с газовой стороны.

На некоторых котлах с прямоточными горелками имеется возможность изменять положении факела по высоте топки. В результате меняется температура газов на выходе из топки, что и приводит к изменению температуры пара. Еще один метод газового регулирования – рециркуляция дымовых газов. Отбираются дымовые газы обычно за экономайзером при температуре около 350 °С. Если эти сравнительно низкотемпературные газы подавать в нижнюю часть топки, уменьшается теплоотвод к топочным экранам, а температура газов на выходе из топки повышается. К тому же увеличивается и расход газов через конвективный пароперегреватель. Всё это помогает удержать нужную температуру пара при снижении нагрузки.

Газы рециркуляции можно подавать и в верхнюю часть топки (этот метод иногда используют для защиты первых конвективных поверхностей нагрева от шлакования). Падение температуры газов после смешения с газами рециркуляции в этом случае позволяет снизить температуру перегретого пара.

На мощных котлах иногда применяется метод байпасирования поверхностей нагрева продуктами сгорания, когда специальные шиберы перераспределяют дымовые газы между параллельными газоходами (метод «расщепленного газохода»).

Назад к карточке книги "Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы"