Котельные установки

1.

Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)
Тепловые электрические станции
(Введение в специальность)
Тема 5
КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
«Все начинается от печки»
Ефимов Николай Николаевич – проф., д.т.н., зав каф. ТЭСиТ

2. Что такое котельная установка

Котельная установка это комплекс устройств и агрегатов,
обеспечивающий получение водяного пара или горячей воды за счет
сжигания топлива.
Котельная установка - котельный агрегат и вспомогательное
оборудование, к которым относятся дымососы, вентиляторы, система
пылеприготовления, золоулавливающие и золоудаляющие устройства.
Основными параметрами котла являются паропроизводительность,
давление и температура пара. Котлы выпускаются :
- докритического среднего (р = 3,0 ÷ 3.5 МПа); высокого (р = 9,0 ÷ 13,0
МПа) и сверхкритического (р = 24,0 ÷ 30,0 МПа) давления.
- Современные котлоагрегаты имеют паропроизводительность D =
1000, 1650, 2650, 3950 т/ч. При этом энергоблок обеспечивает
мощность N = 300, 500, 800, 1200 МВт соответственно.
- Температура пара за котлом по условиям прочностных свойств
металла поддерживается в пределах 545 ÷ 560 0С..

3. Системы котельной установки

Система топливоприготовления и топливоподачи, в которой топливо
разгружается после транспортировки, дробится до размеров примерно 25
мм, складируется и подается в систему пылеприготовления.
Система пылеприготовления измельчает топливо до размеров частиц
20÷60 мкм, подсушивает, выделяет мелкие фракции (сепарирует) и подает
топливо в горелки.
Система воспламенения и сжигания топлива (горелки, топочная камера,
воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха).
Система производства пара состоит из водяного экономайзера,
испарительных поверхностей нагрева, барабана, переходной зоны,
пароперегревателей, и промперегревателя, должна подогреть
питательную воду до температуры насыщения, испарить и перегреть пар.
Система шлакоудаления (шлаковая ванна, дробилки шлака, гидроподачи
золы и шлака на золоотвал.
Система дутья воздуха подогревает воздух до 250÷4000С и подает его к
системам пылеприготовления и сжигания топлива.
Система тяги готовит уходящие газы к выбросу в атмосферу.

4. Технологическая схема производства пара в котельной установке

топливо
1
2
3
4
5 6
7
8
пар к турбине
пар
промперегрева
уходящие
газы
9
10
11
12
13
воздух
пар промперегрева
питательная
вода
зола
22
21
20
19 18
шлак
17
16
15
14
отходы

5. Конструктивные схемы котла

П-образной (а), Г-образной (б), Т-образной (в) , N-образной (г),
или башенной (д)
1
2
1
3
а)
б
в)
г)
д)

6. Система производства пара

Подогрев воды до температуры насыщения происходит в
водяном экономайзере; производство пара – в испарительных
(парообразующих) поверхностях нагрева; перегрев пара в
пароперегревателях. Все эти теплообменники выполнены из
труб и имеют свои конструктивные особенности.
Для непрерывного отвода тепла от продуктов сгорания и
обеспечения нормального температурного режима металла
поверхностей нагрева рабочее тело в них движется
непрерывно.
При этом вода в водяном экономайзере и пар в
пароперегревателе движутся однократно относительно
поверхностей нагрева.
В испарительных трубах движение воды и пара в котлах
различных типов может осуществляться многократно.

7.

Конструктивные схемы движения
пароводяной среды в котле
7
7
7
5
3
5
3
6
2
6
2
8
2
6
4
1
5
а)
4
5
1
б)
Различают котлы с:
- естественной циркуляцией (а);
- принудительной циркуляцией (б);
- прямоточные котлы (в).
1
5
в)

8. Котлы с естественной циркуляцией

Замкнутый контур естественной циркуляции (циркуляционный
контур) состоит из двух систем труб: обогреваемой и необогреваемой
объединенных вверху барабаном и внизу коллектором.
Напор естественной циркуляции определяется по уравнению
Sдв = (ρ' - ρсм) gН,
где Н – высота контура, м.
В контуре с естественной циркуляцией движение многократное: в
процессе прохождения контура вода испаряется не полностью, а
лишь частично.
Неиспарившаяся часть воды вновь проходит контур.
Паросодержание на выходе из подъемных труб составляет 3 ÷
20%.
Поэтому вода проходит циркуляционный контур 35 ÷ 5 раз.
Отношение массового расхода циркулирующей воды Gв, к
количеству образующегося пара Gп называется кратностью
циркуляции:
К= Gв / Gп = 5 ÷ 35

9. Барабанные паровые котлы с принудительной многократной циркуляцией

• Такие котлы (б) становятся независимыми от высоты
контура.
• Циркуляционный насос 8 встроенный в контур
естественной циркуляции позволяет располагать
парообразующие трубы, как с вертикальным подъемным
движением, так и с опускным и горизонтальным
движением пара. В таких котлах кратность циркуляции
как правило ниже; она составляет К = 3 ÷ 10.
• Отличительной особенностью котлов с естественной и
принудительной многократной циркуляцией является
барабан, поэтому котлы называют барабанными.
• Такие котлы выполняются докритическими.

10. Прямоточные котлы

• Прямоточные котлы не имеют барабана, и через
испарительные трубы теплоноситель проходит однократно
(К = 1).
• Такие котлы выполняются как на докритическом, так и
сверхкритическом давлениях.
• При сверхкритическом давлении парообразование в котлах
происходит практически мгновенно, поэтому участок
поверхности нагрева, в котором завершается
парообразование и начинается перегрев пара, называют
переходной зоной.
• Для облегчения работы металла труб поверхностей нагрева
современных котлов, переходная зона выносится в область
умеренных температур – за пароперегреватели, где t = 650 ÷
750 0C.

11.

Система топливоприготовления и топливоподачи
Для газообразного топлива устанавливается газораспределительное
установка (ГРУ), создающее требуемое давление природного газа перед
горелками.
При сжигании мазута требуются насосы и эстакады обслуживания для
перекачки мазута из железнодорожных цистерн в емкости; мазутные
подогреватели для подогрева до температуры (800С).
Более сложная система топливоприготовления при работе ТЭС на
твердых топливах, где она является предвключенной ко второй системе –
пылеприготовления.
Система топливоприготовления и топливоподачи выполняется единой
для всей электростанции
1
2
3
4
7
5
6

12. Система пылеприготовления

На современных ТЭС устанавливается индивидуальная система
пылеприготовления для каждого котла.
В зависимости от марки топлива, его влажности и выхода летучих,
типа мельницы, типа топочного устройства, характера изменения
нагрузки котла они могут быть:
• индивидуальными замкнутыми с прямым вдуванием и различными
схемами сушки топлива;
• индивидуальными замкнутыми системами пыле-ния с промбункером
с различными схемами сушки топлива и подачи сушильного агента в
топку котла;
• индивидуальная разомкнутая система пылеприготовления с
промбункером.
• В замкнутых системах сушильный агент после подсушки топлива
направляется в основные, или в сбросные горелки.
• В разомкнутых схемах сушильный агент сбрасывается в
атмосферу (для влажных и низкореакционных топлив).

13. Технологическая схема замкнутой системы пылеприготовления с промбункером

На ТЭС применяются индивидуальные замкнутые системы пыле-ния:
схемы с промежуточным бункером применяются при установке ШБМ.
Среднеходные, молотковые мельницы и мельницы-вентиляторы
применяются в схемах с прямым вдуванием.
Сепараторы выполняются гравитационными или инерционными
1
10
2
11
3
4
5
9
12
16
13
6
7
5
5
17
14
15
8
19
18

14. Типы мельниц

• Шаровые барабанные мельницы (ШБМ) могут обеспечить
самый тонкий помол топлива Однако они работают с
большими затратами на размол топлива (затраты на
собственные нужды).
• Среднеходные мельницы (СМ) обеспечивают достаточно
тонкий помол. В некоторых случаях они могут заменить ШБМ,
к тому же СМ имеют меньшие затраты на собственные нужды.
• Молотковые мельницы (ММ) производят более грубый помол
твердого топлива. Они применяются для размола бурых углей
в системах с прямым вдуванием; имеют затраты на
собственные нужды такие же как и СМ.
• Мельницы-вентиляторы используются для самого грубого
помола мягких и высокореакционных топлив. Они
применяются в простых системах пылеприготовления с
прямым вдуванием и с гравитационными сепараторами.

15. Конструктивные схемы топки котла

Конструктивные схемы исполнения нижней части топочной камеры котла
1
2
3
4
9
10
а)
5
б)
7
6
8
в)
д)
г)
е)
ж)
Конструктивные схемы размещения горелок в сечении топки котла
а)
б)
в)
г)
д)

16. Топочные процессы в котле

Количество воздуха, необходимое для полного выгорания 1
кг топлива называется теоретически необходимым Vв0 .
В реальных условиях горения в отдельных участках
топочного объема топливо получает больше воздуха, чем
требуется, а в других – меньше. Поэтому для полного
выгорания топлива воздуха в топку приходится подавать
больше, чем Vв0 .
Отношение действительного количества воздуха
подаваемого для горения топлива к теоретически
необходимому называют коэффициентом избытка
воздуха: α = Vв Vв0 .
При эксплуатации котлов поддерживают это соотношение
равным α = 1,05 ÷ 1,25.

17. Располагаемая теплота сгорания топлива

Для твердых топлив, кДж/кг; для газомазутных топлив, кДж/м3:
Qрр Qнр Qв.вн Qф.т Qд Qк
Qнр - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива;
Qв.вн - теплота, вносимая в топку воздухом при подогреве его вне
котла (калорифером на паре и др.);
Qф.т - физическая теплота топлива при внешнем подогреве;
Qд - теплота, вносимая с паровым дутьем;
Qк - теплота, затрачиваемая на разложение карбонатов в топливе.
Коэффициент полезного действия брутто котла :
6
ηáð q1 100 qi
, q i - потери тепла в котле
Коэффициент полезного действия нетто котла будет равен
i 2
ηí ηáð
Qcp
B Q pp
где Qср – расход тепла на собственные нужды, кДж

18. Тепловой баланс котла

• В процессе паропроизводства неизбежны потери. Для определения к.п.д.
составляется тепловой баланс котла:
Q pp Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 , или 100 = q1 q2 q3 q4 q5 q6 , (%),
• где Q1 , q1 - использованная в котле теплота для производства перегретого
пара, кДж/кг и % соответственно;
• Q2 , q2 - потери тепла с уходящими газами, кДж/кг и %;
• Q3 , q3 - потери тепла от химического недожега, кДж/кг и %, газообразные
горючие элементы СО, Н2, СН4 могут не сгореть в котельном агрегате изза пониженной температуры или недостатка кислорода;
• Q4 , q4 - потери тепла от механического недожега, кДж/кг и %, в связи с
тем что часть топлива, поступающего в топку не участвует по разным
причинам во всех стадиях горения; q4 ≈ 0,5 ÷ 5,0 %;
• Q5 , q5 - потери тепла от наружного охлаждения котла, кДж/кг и %, т.к.
стены котла и труб частично охлаждаются окружающим воздухом;
• Q6 , q6 - потери тепла с физической теплотой шлака, кДж/кг и %,
покидающего топку котла.

19. Системы тяги и дутья котла

• При работе котла требуется непрерывный подвод воздуха к горелкам и
удаление продуктов сгорания. Это обеспечивается за счет:
- естественной тяги (самотяга);
- уравновешенной тяги;
- работы котла под наддувом.
• Естественная тяга ( Па, мм.в.ст.) создается за счет разности статических
давлений атмосферного воздуха и столба дымовых газов в вертикальной
Δðñàì g Í ρàò ρã
или наклонной дымовой трубе:
где Н - высота дымовой трубы, м;
ρàò , ρã - плотности атмосферного воздуха и дымовых газов, кг/м3.
• Самотяга всегда направлена вверх. В дымовой трубе при разности
температур воздуха и дымовых газов в 1200С самотяга составляет 0,4
мм.в.ст. на 1 м. высоты дымовой трубы. При высоте трубы, например, в
100 м Δðñàì = 40 мм.в.ст.
• Для современных котлов при больших объемах, выбрасываемых газов,
такая тяга недостаточна.

20. Уравновешенная тяга и тяга под наддувом

Современные котлы работают с уравновешенной тягой, когда подача
воздуха в котел осуществляется дутьевым вентилятором, а удаление газов дымососом. В этом случае весь газовый тракт котла находится под
разряжением.
При работе котла под наддувом в системе тяги нет дымососа. Он может
устанавливаться только для резерва. В этом случае все оборудование систем
дутья и тяги котельной установки находится под давлением и поэтому
должно быть герметичным.
1
2
3
4
3
Система дутья
5
6
7
8
Система тяги
9
р ат
10
Δр см

21. Автоматическое регулирование рабочих параметров котла

Автоматическое регулирование котлоагрегата предназначено для:
• поддержания в оптимальном режиме эксплуатационных, рабочих
параметров;
• обеспечения режимов пуска и останова котла;
• предотвращения аварийных ситуаций на котельной установке;
Автоматическое регулирование состоит из следующих регуляторов:
• температуры перегретого пара;
• питания котла питательной водой и уровня в барабане;
• питания котла топливом;
• дутья и тяги
Регулирование температуры перегретого пара
на выходе из котла выполняется :
1
2
впрыском котловой воды в коллекторы
пароперегревателя;
байпасированием части пара меньшей
5
температуры;
паропаровым теплообменником;
газовым регулированием; рециркуляцией
уходящих газов
3
4

22. Регулирование температуры перегретого пара

При регулировании впрыском необходимо чтобы температура пара
была выше заданной. Тогда регулирующий орган (впрыск) снижает
температуру пара до требуемой величины. Впрыск может
осуществляться в выходном коллекторе (3), в рассечку (2) и до
пароперегревателей (1).
Каждый из этих способов регулирования имеет свое запаздывание.
Самое большое запаздывание при регулировании впрыском до
пароперегревателей (1). Оно составляет до 150 с.
Наименьшую инерционность имеет схема с впрыском после
пароперегревателей – до 10 ÷ 15 с. Однако в этом случае температура
пара в последнем пароперегревателе должна быть выше заданной и
может при этом колебаться, что нежелательно для металла труб, из
которых выполнен пароперегреватель.
Наиболее рационально применять регулирование температуры пара
впрыском в рассечку. Запаздывание при таком способе регулирования
составляет 50 ÷ 70 с

23. Схемы регулирования параметров пара

1
2
4
3
3
5
6
9
8
7
Схема автоматического регулирования
температуры пара для барабанных
котлов.
При регулировании температуры пара
на прямоточных котлах используются
более сложные регуляторы. Для
прямоточных котлов применяются два и
более регулятора с 2 ÷ 3 сигналами на
входе.
Вода
Регулирование тепловой нагрузки особенно
прямоточных котлов требует совместного и
согласованного регулирования расходов
топлива и питательной воды. Наиболее
распространенный способ такого
регулирования по соотношению «вода –
теплота»
3
Теплота
D п.в
рп
Dп
5
9
8
7
6

24. Регулирование дутья и тяги

Регулирование дутья (а) осуществляется по соотношениям:
• топливо – воздух;
• теплота – воздух;
• нагрузка – воздух
Регулирование тяги (б) осуществляется только одним сигналом.
Регулирующим органом являются поворотные лопатки на
турбомашине
О2
рм
10
6
h в.п
11
Sг
6
7
6
7
6
8
8
9
9
а)
б)

25. Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Благодарю за внимание
Ефимов Николай Николаевич – проф., д.т.н., зав
каф. ТЭС