Паровые котлы и их схемы

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 3
1. Принцип и особенности работы паровых котлов ТЭС. Классификация, параметры и маркировка………………………………………4
2.Котлы с естественной циркуляцией…………………………………… 7
3.Прямоточные котлы……………………………………………………. 9
4. Пути совершенствования котельного оборудования ………………14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….16
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………..….. 17ВВЕДЕНИЕ
Паровой котел ТЭС предназначен для получения водяного пара обычно высокого давления и температуры. Так как тепловые электрические станции в большинстве случаев имеют весьма большую мощность (порядка многих десятков, и даже тысяч киловатт), поэтому современные паровые котлы электрических станций имеют большую паропроизводительность,
Одним из значительных достижений энергетиков конца ХХ века в мире стало внедрение сверхкритических котлов, которые в настоящее время способны работать при давлении пара на выходе 30 МПа и температуре 600/650°С. Это стало возможным благодаря разработкам в области технологии материалов, которые могут выдерживать условия высоких температур и давлений. В «большой энергетике» уже работают котлы производительностью более 4000 т/ч. Такие котлы обеспечивают паром энергоблоки 1000–1300 МВт на электростанциях в США, России, Японии и в некоторых странах Европы
Переход котлов на сверхкритические параметры пара экономически целесообразен нахождением оптимального баланса экономии топлива за счёт повышения термического КПД цикла и удорожания оборудования и эксплуатации.
В настоящее время продолжается разработка новых моделей паровых котлов для энергоблоков ТЭС. При этом котлы конструируются как на суперсверхкритические, сверхкритические, так и докритические параметры пара. К примеру, на 2 энергоблоках ТЭС «Нейвели» (Индия) мощностью по 210 МВт каждый установлены паровые котлы Еп-690-15,4-540 ЛТ, предназначенные для работы на низкокалорийных индийских лигнитах.
В данной работе рассмотрены устройство и функционирование паровых котлов ТЭС, приведено описание классификации и типов паровых котлов, изучены основные пути совершенствования ТЭС.
1. Принцип и особенности работы паровых котлов ТЭС. Классификация, параметры и маркировка
Паровой котел - это устройство, имеющее систему поверхностей нагрева для получения пара из непрерывно поступающей в него питательной воды путем использования теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива.
По виду сжигаемого топлива различают паровые котлы для газообразного, жидкого и твердого топлива.
Современные паровые котлы электрических станций по виду пароводяного тракта разделить на два основных вида: котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительной циркуляцией; среди котлов второго типа на электростанциях России наибольшее распространение получили так называемые прямоточные котлы.
На рисунке 1а изображена прямоточная схема котла, а во втором — котлом с естественной циркуляцией (рисунок 1б), и многократно-принудительная схема циркуляции – рисунок 1в.

Рисунок 1 - Схема водопаровых трактов котлов
а - прямоточная схема; б - схема с естественной циркуляцией; в - схема с многократно-принудительной циркуляцией; 1- питательный насос; 2 -экономайзер; 3 - коллектор; 4 - парообразующие трубы; 5 - пароперегреватель; 6 - барабан; 7 - опускные трубы; 8 - насос многократно-принудительной циркуляции.
Во всех элементах пароводяного тракта прямоточного котла движется под напором рабочая среда, создаваемым питательным насосом. В прямоточных котлах нет четкого разделения экономайзерной, парообразующей и пароперегревательных зон.
В котлах с многократной циркуляцией существует замкнутый контур, образованный системой обогреваемых и необогреваемых труб, объединенных вверху барабаном, а внизу - коллектором.
В современных конструкциях котлов топочные экраны изготавливают либо из обычных труб (рисунок 2а), либо из плавниковых труб, сваренных между собой по плавникам и образующих сплошную газоплотную оболочку (рисунок 2б).

Рисунок 2 - Схема выполнения топочных экранова - из обычных труб; б - из плавниковых труб
Применение газоплотных экранов приводит к экономии металла на изготовление поверхностей нагрева; кроме того, в этом случае вместо огнеупорной кирпичной обмуровки стены покрываются лишь мягкой тепловой изоляцией, что позволяет на 30-50% уменьшить массу котла.
Устройство, в котором вода нагревается до температуры насыщения, называется экономайзером; парообразование происходит в парообразующей (испарительной) поверхности нагрева, а его перегрев — в пароперегревателе.
По уровню начального давления различают ТЭС докритического давления, сверхкритического давления (СКД) и суперсверхкритических параметров (ССКП).
Котлы низкого (мене 1 МПа), среднего (1-10 МПа). Критическое давление – это 22,1 МПа (225,6 ат). В российской теплоэнергетике начальные параметры стандартизованы: ТЭС и ТЭЦ строятся на докритическое давление 8,8 и 12,8 МПа (90 и 130 ат), и на СКД – 23,5 МПа (240 ат). К суперсверхкритическим параметрам условно относят давление более 24 МПа (вплоть до 35 МПа) и температуру более 560°С (вплоть до 620°С), использование которых требует новых материалов и новых конструкций оборудования.
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 – газ, М – мазут, Б – бурые угли, К – каменные угли, Т,Ж – соответственно с твердым и жидким шлакоудалением.
2. Котлы с естественной циркуляцией
В котлах с естественной циркуляцией (рисунок 3) питательная вода подается насосом в экономайзере, где подогревается и дальше поступает в барабан представляющий собой стальной цилиндр, рассчитанный на высокое давление. Барабан имеет систему опускных (холодных) и подъемных (обогреваемых) трубок. Тепло, образовавшееся в результате сжигания топлива, подводится к подъемным (обогреваемым) трубкам. Необогреваемые трубы заполнены водой, а обогреваемые трубы заполнены пароводяной смесью, имеющие разные плотности и соответственно удельные веса. Возникающая разность давлений вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции.
Солесодержание котловой воды в результате многократной циркуляции все время увеличивается вследствие непрерывно происходящего испарения, и его поддерживают на неизменном уровне производя непрерывный или периодический выпуск котловой воды из барабана (устраивают так называемую продувку котла).

Рисунок 3 - Схема парового котла ТЭС
1 - топочная камера (топка); 2 - горизонтальный газоход; 3 - конвективная шахта; 4 - топочные экраны; 5 - потолочные экраны; 6 - спускные трубы; 7 - барабан; 8 - радиационно-конвективный пароперегреватель; 9 - конвективный пароперегреватель; 10 - водяной экономайзер; 11 - воздухоподогреватель; 12 - дутьевой вентилятор; 13 - нижние коллекторы экранов; 14 - шлаковый комод; 15 - холодная коронка; 16 - горелки.Для использования насыщенного и перегретого (до 380-440°С) пара давлением 1,4-3,9 МПа на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения широко используются газомазутные котлы серии Е (ДЕ- двух барабанный котел с естественной циркуляцией) и Е (ГМ).
С повышением производительности котлов и применением факельного сжигания твёрдого топлива, а также в газомазутных котлах увеличиваются объём топки и поверхность её стен, которые в современных котлах покрыты трубами – топочными экранами. Так как в котлах с естественной циркуляцией топочные экраны преимущественно испарительные поверхности нагрева, то с ростом производительности котла роль кипятильных (котельных) пучков постепенно уменьшается и отпадает надобность в установке двух барабанов. На тепловых электростанциях России и в промышленных котельных при докритическом давлении наиболее распространёнными являются котлы с естественной циркуляцией. В основном это однобарабанные котлы (рисунок 3) с топочными камерами больших размеров, покрытыми из нутрии экранными трубами, являющимися испарительной поверхностью нагрева. Однобарабанные вертикально – водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией среднего давления выпускаются на давление 2,4 и 3,9 МПа, производительностью 25, 35, 50, 75, 100 и 160 т/ч с перегревом пара до 440°С. Как правило, они имеют П – образную компоновку с размещением топки в подъёмной шахте и конвективных поверхностей нагрева (экономайзера, воздухоподогревателей, а иногда и ступеней пароперегревателя ) в опускном газоходе (БКЗ -75-39Ф (Е -75 -3,9 -440 –ГМ)).3. Прямоточные котлы
В принципе, прямоточный котел представляет собой обогреваемый змеевик, в один конец которого подается вода, а из другого конца непрерывно поступает перегретый пар. Схема прямоточного котла представлена на рисунке ниже. Она настолько проста, что не требует специальных пояснений.

Рисунок 4 - Схема прямоточного котла ТЭС
В этом случае вода или пар протекают через трубы котельной установки благодаря напору, создаваемому насосом. Естественная циркуляция здесь вообще отсутствует, в силу чего прямоточные котлы именуются также котлами с принудительной циркуляцией.
Основное отличие между современными крупными котельными установками с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией (в частности, прямоточными) сводится к устройству испарительной поверхности (экранной поверхности) и к отсутствию барабана у прямоточного котла.
По трубам экранной поверхности прямоточного котла вода и пар движутся за счет работы насоса. В котле же с естественной циркуляцией движение воды и пара по трубам экранной поверхности происходит вследствие разности удельных весов воды и пара. Что касается прочих элементов котельной установки (водяного подогревателя, пароперегревателя, воздушного подогревателя, топки), то они по существу одинаковы у обоих типов котлов.
К недостаткам прямоточных котлов по сравнению с барабанными котлами следует отнести особо высокие требования к качеству питательной воды, предъявляемые эксплуатацией прямоточных котлов
Первые прямоточные котлы для энергоблоков 300 МВт моделей ТПП-110 и ПК-39 и котлы для энергоблоков 800 МВт моделей ТПП-200, ТПП-200-1 были изготовлены в начале 60-х годов XX века. Первые из них были изготовлены с несимметричным расположением поверхностей нагрева в каждом корпусе (моноблоке).
В двухкорпусном паровом котле модели ПК-39, изготовленном по Т-образной схеме, первичный и промежуточный пароперегреватели расположены в четырех конвективных шахтах корпусов несимметрично к вертикальной оси котла. При изменении количества продуктов сгорания в правой и левой конвективной шахте каждого корпуса происходит перераспределение тепловосприятия первичным и промежуточным пароперегревателями, что приводит к изменению температуры пара. В двухкорпусном паровом котле с симметричными корпусами моделей ТПП-200, ТПП-200-1 конвективные шахты каждого корпуса разделены на три части вертикальными перегородками. В средней части конвективной шахты размещаются пакеты водяного экономайзера, в двух крайних – пакеты конвективного пароперегревателя высокого давления и промежуточного.
В дальнейшем вместо этих котлов производились двухкорпусные агрегаты – дубль-блоки (ТПП-210, ТПП-210А, ТГМП-114, ПК-41, ПК-49, П-50).
Применение двухкорпусных котлов с симметричным расположением поверхностей нагрева повышает надёжность работы энергоблока. При аварийной остановке одного из корпусов энергоблок может работать с пониженной нагрузкой на другом корпусе. Однако работа с одним корпусом менее экономична. Коэффициент использования агрегатов с одним корпусом не ниже, чем с двумя. Эти обстоятельства обусловили переход к производству однокорпусных котлов сверхкритического давления.
Разработаны и находятся в эксплуатации следующие однокорпусные котлы сверхкритического давления: пылеугольные ТПП-312, П-57, П-67, газомазутные ТГМП-314, ТГМП324, ТГМП-344, ТГМП-204, ТГМП-1204. В 2007 году на ТКЗ «Красный котельщик» изготовлены котлы ТПП-660 паропроизводительностью 2225 т/ч и давлением пара на выходе 25 МПа для энергоблоков ТЭС «Бар» (Индия). Срок службы котлов – 50 лет.
На ТЭС «Hemweg» в Голландии установлен паровой двухпроходной котел по технологии Бенсона (рисунок 3) паропроизводительностью при полной нагрузке 1980 т/ч, спроектированный фирмой «Mitsui Babcock Energy» и предназначенный для работы на каменном угле (как основном виде топлива) и газе в блоке с турбиной мощностью 680 МВт.
Этот радиационный прямоточный котел сверхкритического давления вырабатывает пар с давлением 26 МПа и температурой 540/568°С.
Котел оборудован тремя пароперегревателями с промежуточными впрыскивающими пароохладителями и двумя блоками промежуточных пароперегревателей (хотя это цикл с однократным промежуточным перегревом).

Рисунок 5 - Котел сверхкритического давления ТЭС «Hemweg»
1 - горелки с низким выделением NOx ; 2 -отверстия острого дутья; 3 - перегреватели высокого давления; 4 - промпароперегреватель; 5 - насос; 6 - корпус сепаратора
Экономайзер представляет собой горизонтальный змеевик из труб с ребристой поверхностью. Первичный пароперегреватель устроен в виде одного горизонтального и одного вертикального блока. Вторичный ширмовый пароперегреватель представляет собой подвесной одноконтурный блок, а последняя ступень пароперегревателя также выполнена в виде одноконтурного подвесного блока.
Конструкция котла предусматривает минимизацию выбросов NO x за счет использования горелок с низким выделением NO x и острого дутья.
Современный газомазутный паровой котел ТГМП-805СЗ паропроизводительностью 2650 т/ч предназначен для выработки перегретого пара с рабочим давлением 25,5 МПа и температурой 545 °C для паровой турбины мощностью 800 МВт. Котел прямоточный, газомазутный, однокорпусный, подвешен на хребтовых балках, опирающихся на колонны здания котельного отделения.
Необходимо отметить, что энергетика стран СНГ базируется на применении двух типов паровых котлов – прямоточных и котлов с естественной циркуляцией. В зарубежной практике наравне с прямоточными котлами широко используются котлы с принудительной циркуляцией.
КПД современных котлов составляет 90-94%.
Кроме основных – паровых котлов высокого и сверхкритического давления – на ТЭС в настоящее время используются и другие типы котлов: пиковые водогрейные котлы, котлы для сжигания углей, древесных отходов в кипящем слое, котлы с циркуляционным кипящим слоем и котлы-утилизаторы. Некоторые из них и станут прообразом котлов для будущего развития теплоэнергетики.
Пути совершенствования котельного оборудования
Сегодня более 70 % основного оборудования электростанции России отработали парковый ресурс, и необходимо решить вопрос о модернизации оборудования, а также ликвидации безнадежно устаревших установок отрабо- тавших более 50 лет. Состояние, в котором находиться теплоэнергетика в большинстве районов России с учетом физического износа и морального старения, требует обновления. В арсенале российских энергетиков огромное количество разработок «новых» технологий 30 летней давности, так и не внедренных у нас.
Пути совершенствования:
1. Управление. Совершенствование организации энергетического хозяйства предприятий. Внедрение АСУ ТП. С 70-х годов XX века в СССР и в мире начали создавать «интеллектуальные» системы и сегодня есть пилотные проекты в США, Китае, Канаде, Индии, Японии, Европе. «Smart Grid» (умные сети) – это полностью интегрированная энергосистема, оснащенная умными датчиками и способная предвидеть пиковые нагрузки и быстро перераспределять, не допуская сбоев в электроснабжении.
2. Внедрение современного высокоэкономичного оборудования. В котельном оборудовании: использование топок вихревых, циклонных, с циркулирующим «кипящим» слоем, установка дополнительных хвостовых поверхностей с целью использования тепла конденсации водяных паров в уходящих газах, имеющие 2-х светные экраны, газоплотные топки со спиральной навивкой или внутренним винтовым оребрением, применение мембранных конструкций. Создание котлов на альтернативном топливе (биотопливо, водоугольные суспензии и т.д.).
3. Создание энергоблоков БПЭ – блоки повышенной эффективности, парогазовые установки такие как одновальные конденсационные ПГУ-400 (ГТ-270 + К-130 и горизонтальным КУ); создание блоков на суперсверхкритические параметры типа Е-250/300-29,5-600/600. Первый блок К-100-30-600/600 был построен на Каширинской ГРЭС еще в 1963 году. До 2020 года необходимо освоить пылеугольные блоки на ССКП 330-800МВт и паросиловые блоки с ЦКС с КПД 45 %, а до 2035 года внедрить технологии ПГУ с внутрицикловой газификацией угля.
4. Водоподготовка для котлов ТЭС. Сегодня начинают внедрять ВПУ (водоподготовительные установки), «обратного осмоса». Применение противоточных H-Na- фильтров. Использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) для создания защитных пленок на металле с увеличением срока службы оборудования (котлов, турбин, арматуры) и трубопроводов, ингибиторов.
6. Экологические проблемы. Внедрение безотходных и малоотходных технологий и с пользованием золы, шлака, уходящих газов, сточных вод на производство дополнительных продуктов; Внедрение топок ЦКС и трехступенчатого сжигания топлива, использование водоугольного топлива улучшает экологические характеристики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Много сложных вопросов должно быть решено для обеспечения хорошей, надежной работы котельной установки. К числу таких вопросов, в частности, относятся: правильная организация процесса сжигания топлива, позволяющая с высокой экономичностью использовать низкосортные сорта топлива; предварительная очистка подаваемой в котел воды, в результате которой сводятся к минимуму отложения солей при испарении и унос солей с паром в тепловой двигатель (паровую турбину); улавливание золы из дымовых газов - вопрос, имеющий исключительно важное значение при сжигании топлива в виде пыли, и многие другие.
Комплекс проблем, связанный с формированием инновационной энергетики и пути совершенствования котельного оборудования ТЭС в России, может быть осуществлен в рамках государственной программы по созданию нормативно-правовой базы с закладкой мощного ресурса модернизации; определению приоритетов по отношению к нетрадиционной энергетике.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ       
Основы  современной энергетики. В 2 тт. Т.1 "Современная  теплоэнергетика"; Т.2 "Современная  электроэнергетика". 4-е изд., перераб. и доп. М.: МЭИ, 2008, 1104 стр.
Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт О.К. и др. Теплотехника: Учебник для вузов / Под ред. А.П. Баскакова. – М.:Энергоатомиздат, 1991. – 224с.
Гиршфельд В.Я., Морозов Г.Н. Тепловые электрические станции: Учебник для техникумов. -2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1986, 224 с.
Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для вызов. Под ред. В.Я. Гиршфельда.-3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1987, 328 с.
СТО 70238424.27.100.018-2009 Тепловые электростанции. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования.
Трухний А.Д. Основы современной энергетики: учебник для вузов: в 2т./ под общей редакцией чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 472с.
Цели и приоритеты энергетической стратегии России до 2030 года. Этапы и механизмы их реализации. – URL: http://ueip.org/energy-strategyrussia/energy-politika/innovacionnaya-nauchno-texnicheskaya/.