Котельные установки и парогенераторы

Котельные установки и парогенераторы. Классификация, характеристики

Котельная установка — это совокупность устройств, необходимых для производства пара или горячей воды. Котельная установка может рассматриваться как отдельная структура тепловой электростанции. Также он может выполнять отдельные услуги (отопление и горячее водоснабжение, технологическое паровое и горячее водоснабжение).

Котельная установка состоит из парового или водогрейного котла и вспомогательного оборудования, необходимого для его работы. Последовательно связанные элементы котельной установки образуют несколько путей (трактов).

Топливный тракт совокупность установок, подготавливающих топливо к сжиганию и транспортирующих его в очаг. При использовании твердого топлива на топливном тракте размещаются бункеры, ленточные конвейеры, поставщики влажного необработанного угля и угольного порошка, мельницы для измельчения угля, мельничные вентиляторы, выключатели, пылеуловители угля и др.

На топливопроводах, сжигающих мазут, размещаются газо-и мазутопроводы, расходомеры, запорная и регулирующая арматура.

Под паровым водным путем понимается система элементов, последовательно соединенных между собой (нагревательные поверхности котла, трубопроводы, выключатели, пароохладители, теплообменники, запорная и регулирующая арматура, входящая в состав котла). Через указанные элементы перемещается нагреваемый теплоноситель.

Газовый воздушный путь состоит из нескольких последовательно соединенных воздушных и газовых путей. В состав воздушного тракта входят комплекты установок (воздуходувные вентиляторы, воздушные короба, воздухонагреватели и горелочные устройства), которые отсасывают, нагревают и подают воздух из атмосферы в очаг. В состав газохода входит совокупность элементов, обеспечивающих движение продуктов сгорания котельной установки (очаг, и другие газоходы очага, устройства очистки дымовых газов, дымососы).

Паровой или водогрейный котел — это устройство, производящее пар или горячую воду с заданными параметрами с использованием тепла, выделяемого при сгорании органического топлива. Основные элементы камера и теплообменные поверхности.

Если в котельном очаге непосредственно без применения органического топлива используются газы других технических устройств (ГТУ газотурбинных установок, технологических установок), такой котел называется эксплуататором утилизатором котлом. В некоторых случаях эксплуатационный котел не имеет очага и воздухонагревателя, образуя его основные элементы – нагревательные поверхности.

Котел и вспомогательное оборудование, обеспечивающее его работу: устройства подготовки топлива, питательные насосы, подающие питательную воду в котел, воздуходувки для сжигания, дымососы, золоуловители, золоулавливающие устройства, выводящие продукты сгорания через дымоход в воздух (атмосферу) и др. Работа котельной установки полностью механизирована и автоматизирована.

Принципиальная (технологическая) схема производства пара паротурбинной электростанции с паровым котлом с пылеулавливающим твердым топливом

1 — вагон с загрузкой топлива;

2 — кузов с выгрузкой топлива;

3 — звено измельчения топлива;

4 — необработанный топливный кузов котла;

5 — мельница для измельчения топлива;

6 — эксгаустер;

7 — барабан котла;

8 — пароперегреватель;

9 — экономайзер;

10 — воздухонагреватель;

11 — вентилятор;

12- деаэратор;

13 — насос питательной воды;

14 — золоуловитель;

15 — дымосос;

16 — дымоход;

17 — ленточный транспортер;

18 — угольный отвал;

19 — багерные насосы системы золоудаления. а-питательная вода; б — перегретый пар; в – продукты горения; шлак и зола.

Твердое топливо завозится на станцию железнодорожными полувагонами. При помощи вагоноопрокидывателя уголь разгружается. С помощью ленточного транспортера уголь направляется в отвал либо в звено дробления. Из него Дробилка поступает в котел. Размер частиц измельченного угля не превышает 25 мм. Дробилка поступает на мельницу, где измельчается и сушится уголь. Далее угольная пыль с помощью первого воздуха подается через горелку в камеру. Второй воздух подается непосредственно в очаг через горелку.

Наиболее распространенным в отечественной энергетике является П-образный профиль паровых котлов с двумя вертикальными призматическими шахтами, верхняя часть которых соединена горизонтальным газоходом. Первая шахта большая по размерам — камеру. Его объем составит от 1000 до 30000 м3 и больше. По всему периметру и высоте стенок очага расположены трубные плоские системы – щиты (экраны) котла. Они получают тепло непосредственно от лучей Факела, имеют лучевые поверхности нагрева.

Вторая вертикальная шахта и плавный газопровод, соединяющий ее с очаговым баллоном, предназначены для размещения поверхностей нагрева, получающих тепло поточным способом, поэтому их называют проточными (конвективными) шахтами и потоковыми газопроводами. Поверхности нагрева, расположенные в проточном газоходе, называются проточными.

1.2 Классификация котлов

В зависимости от типа теплоносителя котельные установки подразделяются на паровые и водогрейные. По назначению котельные установки классифицируются на энергетические, производственные, производственно-отопительные и отопительные.

Энергетические котельные установки производят пар для турбин тепловых электростанций. К таким агрегатам относятся котельные агрегаты большой и средней мощности, которые готовят пар на высоких парметрах.

Промышленные и производственно-отопительные котельные установки производят насыщенный или плохо нагретый пар с давлением и температурой (около 4 МПа и 450 0C). Паром в различных отраслях промышленности(сушка, варка. ректификация, сгущение растворов) в технологических процессах, а также для теплоснабжения систем отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования воздуха.

Отопительные котельные установки (в основном являются водонагревателями, существуют паровые) используются для теплоснабжения систем отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования воздуха производственных и общественных зданий.

По характеру движения воды, смешанного пара и пара паровые котлы классифицируются на барабанные с собственной циркуляцией, барабанные с многократной непроизвольной циркуляцией и прямоточные.

В барабанных котлах с собственной циркуляцией причиной движения паро-смешанной водной смеси по трубам вверх и свободного перемещения воды по нагретым трубам вниз является различная их плотность. Можно установить плотность воды, плотность паров, смешанных с водой, и определить напор, достаточный для собственной циркуляции

В котле с многократной непроизвольной циркуляцией движение воды и паров, смешанных с водой, осуществляется с помощью циркуляционного насоса. В прямоточном котле нет циркуляционной цепи, вода несколько раз не циркулирует, сначала питательная вода через насос последовательно соединена друг с другом, проходит через водонагреватель, нагревательные поверхности , пароперегреватель и переходит в пар.

а — барабанная собственная циркуляция;

б — барабанная многократная непроизвольная циркуляция;

в — прямоточная.

1 — насос питательной воды;

2 — водонагреватель;

3 – барабан;

4 – понижающие трубы;

5 – коллектор;

6 — парообразующие трубы;

7 — пароперегреватель;

8 — циркуляционный насос.

В зависимости от движения продуктов сгорания и воды (трубы жаропрочные и дымогораемые) газотрубные и (вода и пар, смешанный с водой, движутся внутри трубы)водотрубные.

В зависимости от конструктивных особенностей котлы классифицируются на цилиндрические, горизонтально — водотрубные, вертикально-водотрубные.

Из-за выработки пара котлы меньше (около 20 т/ч. до), средняя (35-50 т/час, 160-220 т/час.до) и более (220-250 т/ч и выше).

По уровню давления перегретого пара котлы классифицируются на низкое (ниже 4 МПа), среднее (от 4 МПа до 11 МПа), высокое (свыше 11 МПа) и сверхкритическое (свыше 25 МПа ) давление.

В зависимости от уровня давления в газоходе котлы классифицируются как имеющие собственное, уравновешенное и избыточное давление.

Также котлы могут быть классифицированы по причинам, зависящим от вида сжигаемого топлива, способа удаления шлака из котла и др.

1.3 Характеристики паровых котлов

Паропроизводительностью, т/ч (или кг/с) называют количество пара, вырабатываемого паровым котлом в единицу времени. Расчет котла производится в номинальном (указанном) производственном значении. Под указанной (номинальной) производительностью понимается максимальная нагрузка котла, которая при работе на расчетном топливе имеет место длительное время при указанных значениях показателей пара и питательной воды.

По ГОСТу (ГОСТу) получены следующие признаки типов паровых котлов: П-прямоточный котел (прямой котел); е — имеющий собственную циркуляцию (естественная циркуляция); Пр-циркуляция принудительная (принудительная циркуляция); Пп-прямоточный котел с вторичным перегревом пара); Еп-прямоточный котел с вторичным перегревом пара имеет собственную циркуляцию и второй перегрев; первая цифра – паропроизводительность, т/ч; вторая цифра — давление пара, кгс/см2 (1 кгс/см2 » 0,1 МПа).

Например: Пп-950-255: котел прямоточный с промежуточным перегревом пара, выработка пара 950 т/ч, давление перегретого пара 25,5 МПа (255 кгс/см2), для твердого топлива шлак из очага удаляется в твердом состоянии. При сжигании других видов топлива вводятся дополнительные обозначения: Г-газовое топливо; М-мазут, ГМ-газмазут; Ж-жидкое топливо (жидкое шлакоудаление). Е-420-140 ГМ — котел имеет естественную циркуляцию, сжигает газ и мазут, вырабатывает пар давлением 140 атм 420 т/ч.

1.4 Коэффициенты полезного действия котельной установки. Определение коэффициента полезного действия котельной установки от обратного неравенства

Отношение теплоты, использованной в котельной установке, ко всему тепловому количеству, подаваемому из очага, определяет тепловую эффективность установки и называется коэффициентом /кратным/ ее полезного действия.

Можно определить коэффициенты полезного действия брутто и нетто агрегата. Коэффициент полезного действия Брутто не учитывает энергозатраты котельной установки на собственные нужды (насос питательной воды, воздуходувка-дымосос, дробление топлива, продувка поверхностей нагрева и т.д.), Поэтому определяется следующим образом Коэффициент полезного действия, учитывающий необходимые затраты электрической энергии и тепловой установки на собственные нужды, называется КПД нетто.

Коэффициент полезного действия котельной установки можно определить по прямому и обратному уравнению — определение КПД брутто по прямому равенству требует прямого измерения величин, характеризующих имеющееся тепло, принесенное в очаг, и использованное тепло. Это вызывает много трудностей и ошибок. А теплопотери могут быть определены с очень большой точностью, поэтому Наиболее точным методом определения коэффициента полезного действия котлоагрегата является его определение по обратному уравнению.

Нельзя сказать, что из-за механического недогорания все топливо, подаваемое в установку, сгорает полностью. Поэтому при сгорании топлива в течение часа объем выделяющихся газов будет несколько меньше, чем при полном сгорании. Так как объем продуктов сгорания и расход топлива рассчитываются на 1 кг (1 м3) топлива, то для учета механического меньшего горения количество топлива, подаваемого в очаг, считается немного меньшим и при тепловых расчетах используется рассчитанный расход топлива в часах

1.5 Способы сжигания органического топлива

1.5.1 Горение твердого топлива в слое. Закономерности распределения продуктов сгорания в топливном слое, меры для эффективного сжигания топлива в слое

В промышленных котлах твердое топливо сгорает в неподвижных или кайновых пластах или паровых. Слои топлива располагаются в структуре очага.

Слоистым очагом называют устройство для сжигания в слое кусков твердого топлива с поперечным размером около 100 мм, расположенных в колосниковой решетке толщиной около 300 мм. Топливо поставляется в колосниковую сетку различными способами. Воздух, необходимый для горения, направляется снизу вверх через отверстия решетки (суммарная площадь отверстий составляет 5-15%). Основная масса топлива сгорает в слое в виде кокса, выделившиеся горючие газы также успевают сгорать в слое или вблизи незначительного превышения пласта.

Таким образом, основным способом является послойное сжигание топлива в котлах малой и средней мощности (паропроизводительностью 50-75 т/ч). Такой подход может быть реализован в структурах очага, где потоки газов и воздуха и потоки топлива и шлака движутся взаимно противоположно, параллельно, горизонтально, смешанно:

Горение твердого топлива в слое состоит из следующих этапов:

нагрев пласта;

высыхание топлива в слое;

выделение летучих веществ и образование кокса;

горение летучих веществ и кокса и сжигание шлака.

После того, как твердое топливо опускается в колосниковую решетку сверху, оно неподвижно лежит в клетке. Его горение происходит следующим образом:

В самом верхнем слое помещается чистое топливо, которое начинает нагреваться и высыхать. Под ним располагается слой горящего кокса, а ниже него на поверхности колосниковой решетки располагается слой шлака. Эти слои не имеют четких граней, отделяющихся друг от друга, обычно они смешиваются друг с другом. Но твердое топливо проходит через все эти зоны до тех пор, пока полностью не сгорит.

Изменение температуры по высоте слоя. Максимальные температуры располагаются в зоне горения кокса. Из этой зоны выделяется наибольшее количество тепла. Если температура плавления шлака снижается, образующийся в процессе горения шлак вытекает из кипенно-красного кокса в капельном состоянии или остается в виде горячей золы. Когда капли шлака стекают вниз, колосник погружается и затвердевает, взаимодействуя с направленным вверх потоком воздуха, подаваемым из-под решетки, и накапливается на поверхности решетки. Слой шлака, скопившийся на поверхности колосниковой решетки, защищает сетку от очень высоких температур. Воздух, прошедший через слой шлака, нагревается и равномерно распределяется по слоям.

Эффективное значение избытка воздуха соответствует нижней части слоя, а наибольшая температура в очаге наблюдается над слоем кокса.

При такой организации процесса горения воспламенение топлива начинается под слоем, другими словами, возникают благоприятные возможности для воспламенения и горения топлива. При послойном способе сжигания потоки газа и воздуха и потоки топлива движутся в противоположных направлениях. Скорость потока газа в отдельном слое должна быть такой, чтобы не нарушать устойчивость слоя. То есть масса топливного слоя должна быть выше динамического напора, создаваемого газовоздушным потоком.

Другими словами, аэродинамической характеристикой наложения считается следующее неравенство

где-масса топливной частицы, кг;

— Кратность сопротивления, определяемая условием Рейнольдса;

— Площадь сечения топливной детали, м2;

— Плотность потока газа, проходящего через отдельный слой, кг / м3.

Химические реакции между топливом и закислителем происходят вокруг колосника, который осушен. В зависимости от химических реакций весь процесс горения можно разделить на две зоны: кислородную (К), или зоны окисления и образования (В). В зоне окисления одновременно образуются два оксида углерода – СО2 и СО. На периферии Зоны окисления концентрация О2 уменьшается (до 1-2%), а концентрация и температура СО2 увеличиваются. Характер образования газов при сжигании мелкозернистых гранул антрацита, при скорости продувки воздуха в слое толщиной 25 мм 0,5 м/с.

В зоне образования углерод взаимодействует с угольной кислотой

СО2 + С = 2со-Q.

В результате реакции увеличивается доля СО на всей высоте зоны образования и уменьшается доля углекислоты. Поскольку Реакция идет на поглощение тепла, температура в зоне образования снижается.

Если продукты сгорания содержат водяной пар, образующийся из влаги топлива, то в зоне образования выполняется эндотермическая реакция, при которой водяной пар разлагается

Н2О + С = СО + Н2-Q.

Наличие в топливном слое зон окисления и образования не происходит при горении только углеродной частицы, что характерно для других природных топлив. Для природных топлив толщина отдельного слоя определяется способностью топлива вступать в реакцию, при уменьшении зольности топлива уменьшается и толщина слоя.

В зависимости от способа организации процесса горения из горящего слоя могут быть получены инертные или горючие газы. Если предполагается преобразование теплоты сгорания топлива в физическую теплоту продуктов сгорания, то процесс необходимо осуществлять тонким слоем и обильным легированием подкислителя. Если в процессе сжигания предполагается получение горючих газов, то сжигание должно быть организовано очень толстым слоем и в условиях недостаточной кислотности.

В первом случае топливо сжигается, во втором-газируется.

Толщина слоя топлива зависит от размеров и влажности его кусков. Например, при нанесении мелких частиц бурого и каменного угля размером 20 мм толщина слоя должна быть 50 мм, а при достижении размера частиц 50 мм толщина слоя топлива должна увеличиваться до 200 мм.

Чем влажнее топливо, тем толще должен быть слой топлива, тем больше будет образовываться дополнительная зона сушки помещения. Тогда подготовка топлива к сжиганию будет незначительно продлена, и его воспламенение и воспламенение будут устойчивыми.

1.5.2 Способ камерного нанесения

Камерное сжигание называется способом сжигания топлива в паровом состоянии в особых камерах или камерном очаге. Топливо сгорает в однородной или тонкодисперсной смеси кислорода в воздухе, и тепло, выделяемое при горении, передается на нагреваемые поверхности, окружающие очаг, особенно под действием радиации и под действием потока (конвекции). Соотношение видов теплообмена (радиация, конвекция) может варьироваться от 15 до 50 процентов в зависимости от структуры очага.

В теплообменнике котла сгорает газовое, жидкое и все виды твердого топлива кроме древесины. Здесь через горелку подается топливо и воздух. В активной зоне горения основная масса топлива (80-95%) успевает сгорать. Максимальная температура горения соответствует расчетной длине Факела 5, а оставшаяся масса топлива сгорает в зоне II, где продолжается охлаждение и горение, и выделяемое здесь тепло распределяется по поверхностям испарителя. Продукты газового сгорания вместе с искрящейся золой и негорючим топливом выходят в газопровод 6 котла.

Система шлакоудаления топлива, если оно содержит минеральную часть

Строение камерны может быть различным. К сжигаемым топливам предъявляются следующие требования:

— для сжигания газового топлива степень вмешательства в очаг с воздухом должна быть различной, но близкой к однородной (гомогенной) смеси;

— для сжигания жидкого топлива его вводят в очаг путем распыления в виде очень мелких капель и используют в качестве смеси, смешанной с воздухом;

— для сжигания твердого топлива в очаг вводят смесь очень тонкого угольного порошка и нагретого воздуха.

На практике применяются два разных способа сжигания угольного порошка в зависимости от температуры плавления угольного шлака (удаление шлака в твердом и жидком состоянии).

Немаловажную роль в стабильности камерного горения играют горелочные устройства.

Для сжигания газового и кострового топлива применяют горелки, создающие условия для лучшего смешивания газа с воздухом, не перегревая воздух, чтобы он был кратным избытку, на основе которых применяются два типа горелок — поворотные круглые горелки с проточными перед горловиной и горелки с прямыми струями перед горловиной.

Жидкое топливо выходит из форсунки в виде мелких капель.

Для твердого топлива применяют горелки, которые умеренно или сильно нагревают воздух и подают его таким образом, чтобы кратность избытка находилась в смеси.

Производство, монтаж и поставка котельных установок и парогенераторов осуществляется по городам АстраханьБарнаулБратскВладивостокВолгоградВоронежГрозныйЕкатеринбургИжевскИркутскКазаньКалининградКраснодарКрасноярскМайкопМахачкалаМоскваНижний НовгородНовосибирскОмскПермьРостов-на-ДонуСамараСанкт-ПетербургСаратовСевастопольСимферопольСтавропольТольяттиТомскТюменьУфаЧелябинскЯрославль