3. 2 парогенераторы (паровые котлы)

Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.

Горячий теплоноситель (например, вода под высоким давлением)

Вода

Рис. 3.2.1. Принципиальная схема простейшего парогенератора

Горячие газообразные продукты сгорания А

Топливосжигающие парогенераторы {паро­вые котлы) могут иметь весьма различные конструктивные схемы и исполнения. На рис. 2.2.5 приведена одна из наиболее часто встре­чающихся принципиальных схем паровых кот­лов для электростанций и городских котельных теплоснабжения. Агрегат состоит из следующих частей:

• 
  топка и газоходы, в которых размещаются
  поверхности нагрева, состоящие из водяных
  и паровых труб,
  
• 
  подогреватель воды (экономайзер), исполь­
  зующий тепло отходящего горячего газа для
  подогрева подаваемой в котел воды,
  
• 
  воздухоподогреватель, использующий пони­
  женную, но все еще достаточно высокую тем­
  пературу отходящего газа для подогрева пода­
  ваемого в топку воздуха,
  
• 
  система механических, электрических и хими­
  ческих фильтров для удаления из отходящего
  дымового газа веществ, вредных для окружа­
  ющей среды (прежде всего летучей золы, дву­
  окиси серы и окислов азота),
  
• 
  устройства удаления золы и шлака, возникаю­
  щих в топке и газоходах,
  
• 
  питательный насос, воздуходувка и дымосос,
  
• 
  устройства подготовки топлива (например,
  мельницы для размола твердого топлива),
  
• 
  устройства очистки поверхностей нагрева,
  
• 
  устройства автоматического регулирования,
  измерения и сигнализации,
  
• 
  устройства защиты,
  

■ другое вспомогательное оборудование.


Рис 2,2,5,Toorkütus – топливо; Kolle – топка,Kütuse ettevalmistus – топливоподготовка; Õhk – воздух;

Põlemisgaasid – газы горения;Tuhk, räbu – зола, шлак; Lendtuhk – летучая зола;

Jahutusvesi – охлаждающая вода; Toitepump – питательный насос; Auru- veekadu – потери воды, пара;

Veepaak – емкость воды; Veepuhasti - водоочистка

1 – поверхности нагрева в топке, 2 – парперегреватель, 3 – водяной экономайзер, 4 – воздухоподогреватель.
Одно из возможных конструктивных исполне­
ний парового котла с естественной циркуляцией
воды и с докритическими параметрами пара схе­
матично показано на рис. 2.2.6. Устройство топки
рассчитано на сжигание пылевидного, жидкого или газообразного топлива. Поверхность нагре­ва для испарения воды состоит из системы вер­тикальных параллельных водяных труб (экран­ных труб), проложенных по стенкам топки. Внизу трубы соединены между собой коллектором, а наверху входят в барабан, снабженный сепара­тором пара. Так как при каждом прохождении экранных труб только 5...12% воды превраща­ется в пар, то между барабаном и коллектором предусмотрена постоянная естественная цирку­ляция воды. Относительно редко с той же целью может использоваться циркуляционный насос. Выходящий из барабана насыщенный (влажный) пар направляется в пароперегреватель, а затем по паропроводам к потребителям пара.


Trummel – Барабан, Küllastunud aur – Насыщенный пар, Ülekuumendatud aur – перегретый пар, Uuesti ülekuumendatud aur тurbiini vaheväljavõttes- промежуточный перегретый пар от отбора турбины, Vee eelsoojendi (ökonomaizer) - экономайзер, Vesi – вода, Õhu eelsooojendi – воздухоподогреватель, Õhk – воздух, Filtrid – фильтры, Lendtuhk – летучая зола, Kütus – топливо, Põhjatuhk, räbu– зола, шлак, Kolle - топка, Kollektor – коллектор.
На выходе пароперегревателя имеется автома­тический регулятор температуры пара (на рисун­ке не показан), основанный на том принципе, что в случае необходимости в пар, протекающий в паровых трубах (обычно в нескольких точках) впрыскивается вода. Дополнительные повер­хности нагрева, как показано и на рис. 2.2.5, предназначены для подогрева воды и воздуха. Тепло газа, возникающего при сгорании топлива, используется, таким образом, в наибольшей воз­можной степени, благодаря чему кпд парового котла составляет обычно 90...93%. Фильтры для удаления вредных веществ из отходящих газов условно показаны в виде единого комплекса. В действительности же они могут располагаться в различных местах газоходов котла, так как для конвертирования, например, хлора и окислов азота в другие соединения нужны более высо­кие температуры. Двуокись серы, как показано и на рис. 2.2.6, наиболее просто удаляется при помощи жженой извести СаО, которая соеди­няется с двуокисью серы и водой, образуя гипс СаSО₄ • 2Н₂О. Существуют, однако, и другие мето­ды, в том числе получение товарной серной кис­лоты Н₂SО₄ и сернокислого аммония (NH₄)₂SО₄, используемого как удобрение. Летучую золу, особенно характерную при сжигании сланца или бурого угля, удаляют из отходящих газов при помощи центробежных устройств (циклонов) и электростатических фильтров высокого напря­жения. Зола, выпадающая из топки и газоходов, может удаляться водой как, например, на эстон­ских сланцевых электростанциях, или сухим способом, менее проблемным для окружающей среды.

На мощных электростанциях количество раз­личных выбросов может быть весьма значитель­ным. В качестве примера на рис. 2.2.7 приведен суммарный баланс сжигания топлива, возника­ющих выбросов и получения энергии на эстон­ских сланцевых электростанциях в 1990 году, когда они работали с максимальной мощнос­тью. Химические фильтры не применялись, и из выбрасываемого дымового газа удалялась толь­ко летучая зола [3.4]. Особенностью того време­ни было и использование части тонкозернистой золы, выделяемой в фильтрах, для производства стройматериалов.

Õhk –воздух, Põlevkivi- сланец, Katlad – котлы, Soojus – тепло, Narva linna kaugküte – теплоцентраль г. Нарва, Elektrienergia – электроэнергия, Turbiin-generaator agregaatid –турбогенераторные агрегаты, Soojuskaod – потери тепла, Tükloonid – циклоны, Elektrostaatilised filtrid – электростатические фильтры, Tuhk – зола, Hüdrauliline tuhaärastus – гидрозолоудаление, Tuhatiigid – золоотвалы (пруды), Ehitusmaterjalide tootmiseks - в производство стройматериалов.
Температура производимого в котлах элект­ростанций пара, предназначенного для питания паровых турбин, находится обычно в пределах

450...650 °С, а давление может достигать 35 МРа. Паропроизводительность котлов составляет обычно 10...4000 t./h, что соответствует выходной тепловой мощности от 3 до 3500 MW. В котлах, предназначенных для отопительных котельных, применяются более низкие параметры пара, а их тепловая мощность обычно не превышает 100 МW.

Барабанный котел не является единственным типом паровых котлов. Так, например, в случае сверхкритических параметров пара применя­ются прямоточные котлы, устройство которых существенно отличается от вышерассмотренных. Могут применяться и другие конструкции топок- кусковое топливо может сжигаться на решет­ках, твердое зернистое топливо во взвешенном кипящем слое и т. д.

В топках с кипящим слоем воздух подается снизу и распределяется при помощи топочной решетки равномерно. Благодаря этому смесь, состоящая из зернистого топлива (в случае слан­цев - со средним диаметром частиц около 5 mm и с наибольшим диаметром 40 mm), а также из золы, газообразных продуктов сгорания и иног­да песка, образует взвешенный слой, напоми­нающий в какой-то степени кипящую жидкость (оттого и название). Существует много разновид­ностей таких топок]. На рис. 2.2.8 представлен принцип конструкции топки с циркулирую­щим кипящим слоем, в которой выделяющиеся из кипящего слоя твердые частицы направля­ются частично, при помощи циклонной камеры, обратно в топку.

Сера, содержащаяся в топливе, в кипящем слое полностью соединяется с сорбентом, который для этой цели добавляют в топливо, или (напри­мер, в случае сжигания сланцев) с содержащим­ся в топливе кальцием в сернокислый кальций. Поэтому отпадает необходимость в специальных фильтрах для вылавливания окиси серы из дымо­вого газа. В 2004 г. на каждой из двух Нарвских электростанций (на Прибалтийской и Эстонской) взамен прежних котлов с топками для пылевид­ного топлива были приняты в эксплуатацию два котла с циркулирующим кипящим слоем. Каждая пара котлов питает паром турбину мощностью 215 МW.

Peenkütus ja väävlisorbent – зернистое топливо и сорбент серы, Põlev keevkiht – горящий кипящий слой, Kolderest – топочная решетка. Õhk - воздух, Aur – пар, Filter - фильтр, Tuhk – зола.
Кроме топливосжигающих существуют и дру­гие типы парогенераторов. Так, на солнечных электростанциях башенного типа исполь­зуются парогенераторы, поверхности нагрева которых отапливаются концентрированным сол­нечным излучением при помощи системы зер­кал (гелиостатов) .. Число таких зер­кал (каждое площадью в несколько квадратных метров) может доходить до нескольких сотен или даже нескольких тысяч, а температура на поверхности приема излучения обычно состав­ляет 400... 600 °С.
3.3 ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

Входящий пар

В паровой турбине перегретый пар направляется через сопла или при помощи венцов направляю­щих лопаток на рабочие лопатки, кругообразно размещенные во вращающейся части (в роторе) турбины и прикрепленные к ее валу. Сила, дейс­твующая на рабочие лопатки, приводит ротор во вращение, причем, частота вращения обычно составляет несколько тысяч оборотов в минуту. Наиболее часто встречающийся принцип уст­ройства турбины упрощенно представлен на рис. 3.3.1.

1 – вал ротора, 2 – корпус турбины, 3 - направляющие лопатки, 4 – рабочие лопатки

Как направляющих, так и рабочих лопа­ток имеется в одном венце обычно не менее нескольких десятков, а число размещенных друг за другом венцов (ступеней турбины) зависит от параметров пара, типа и мощности турбины. В современных мощных турбинах наиболее часто имеется от 10 до 30 ступеней, но встречаются турбины и с меньшим числом ступеней. Так как пар, отдавая свою энергию, на каждой ступени расширяется, то корпус турбины (называемый также цилиндром) имеет форму расширяющегося конуса. Конусообразное устройство турбины отражается и в условном обозначении турбины в теплотехнических схемах.

Сила, действующая на рабочие лопатки, может определяться прямым давлением пара (в актив­ной турбине) или его реактивным действием (в реактивной турбине).

Есть также турбины, у которых часть ступеней активная, а часть - реактивная {активно-реак­тивные турбины).

Чем выше параметры (давление и температу­ра) пара и чем больше номинальная скорость вращения турбины, тем меньше при заданной мощности ее масса и размеры. Поэтому стремят­ся выбирать параметры пара максимально высо­кими, насколько это позволяет материал лопаток турбины (специальная механически прочная и жаростойкая сталь). Скорость вращения турби­ны определяется требуемой скоростью враще­ния приводимой машины. На топливосжигающих и ядерных электростанциях турбины предусмат­риваются для привода синхронных генераторов, частота вращения которых при частоте перемен­ного тока 50 Hz и двухполюсной конструкции равна 3000 r/min. На ядерных электростанциях, где параметры пара ниже, часто целесообраз­но применять меньшую скорость вращения -1500 r/min, и соответственно четырехполюсные генераторы.

У вращающихся машин различают скорость вращения и частоту вращения. Первая из них измеряется в ради­анах в секунду (rad/s) и очень редко через какие-либо другие единицы угла и времени. Вторая величина обыч­но выражается в оборотах в минуту (1/min или, на прак­тике, r/min, где буква r означает латинское слово reversio, 'оборот') [3.11]; реже применяются обороты в секунду (с обозначением 1/s или г/s) .

В Северной Америке, а также в некоторых стра­нах других континентов стандартная сетевая часто­та переменного тока равна 60 Нz, а частота враще­ния турбин и генераторов соответственно обычно 3600 r/min, что, по сравнению с частотой 50 Нz, поз­воляет уменьшить материалоемкость как турбин, так и генераторов. Для еще большего уменьшения материалоемкости турбины ее иногда предусмат­ривают на большую частоту вращения (например, на 10 000 r/min), а между турбиной и генератором устанавливают редуктор.

Основной областью применения паровых турбин являются тепловые электростанции, где при их помощи получается в настоящее вре­мя приблизительно 82 % всей электроэнергии мира. Они, как и относящиеся к ним быстро­ходные синхронные генераторы (турбогенера­торы), изготовляются с номинальной мощнос­тью от нескольких киловатт до приблизительно 1400 МW. Кроме паротурбинных электростанций они находят применение в приводах морских судов, а также (реже) в некоторых промышлен­ных установках.

Самые мощные в мире паровые турбины установлены на ядерной электростанции Палюэль (Ра1ие1) во Франции. Их мощность составляет 1400 МW/, давление входящего пара 7 МРа и потребление пара 7775 t /h.

Мощные паровые турбины могут состоять из нескольких соединенных между собой цилинд­ров, как показано, например, на рис. 2.3.5.



Aurugeneraatorist - из парогенратора; Auru vaheülekuumendis – промежуточный перегрев пара (для повышения к.п.д. турбины); Kõrgrõhuosa – цилиндры высокого давления ЦВД.; Madalrõhuosa – цилиндры низкого давления ЦНД.
После прохождения турбины пар обычно кон­денсируется (превращается в воду). Такие тур­бины называются конденсационными, и к ним всегда пристроен конденсатор, охлаждаемый водой или (реже) воздухом. Принцип устройства водоохлаждаемого конденсатора представлен на рис. 2.3.7. Выходящий из турбины пар кон­денсируется на поверхности труб, через которые перекачивается холодная вода. Чем ниже темпе­ратура охлаждающей воды, тем ниже и давление пара в конденсаторе; обычно оно намного ниже атмосферного и составляет 3...5кРа. Так как в зону низкого давления турбины через уплотне­ния попадает некоторое количество воздуха, то конденсатор снабжен насосом удаления возду­ха.




Схема соединения конденсационной турбины. и конденсатора. Числовые значения давления пара и температуры охлаждающей воды приведены в качестве примера.

Kondensaator – конденсатор, Kondensaadipump- конденсационный насос, Jahutusveepump – насос охлаждающей воды.
Охлаждающей водой конденсатора отводится тепло, которое освобождается при конденса­ции пара и составляет на современных тепло­вых электростанциях обычно приблизительно 55 % от энергии, содержащейся во входящем в турбину паре высоких параметров. Исходя из этого можно считать, что кпд конденсационной турбины на таких станциях равен приблизи тельно 45 %. В случае более низких параметров пара (например, на ядерных электростанциях) кпд турбинного агрегата может быть еще ниже. Кпд можно несколько повысить путем одно- или многократного промежуточного перегрева пара высокого давления, как это показано, например, на рис. 2.3.5.

Чтобы охлаждающая вода конденсатора не слишком нагревалась (это снизило бы кпд тур­бины), ее требуется относительно много - от 50 до 100 кg на каждый килограмм пара, или 0,10...0,15 m³ на каждый киловатт-час получае­мой электроэнергии. Так как охлаждающая вода нагревается в конденсаторе только на 15...20 К, то техническое использование содержащегося в ней тепла весьма затруднительно, и поэтому такая слабо нагревшаяся вода обычно направля­ется обратно в тот же водоем, откуда она бралась, или (в случае замкнутого контура охлаждения) в охладительную башню (градирню), откуда тепло отводится охлаждающим воздушным потоком в атмосферу.

Энергию пара можно использовать более пол­но, если часть пара до выхода из турбины ото­брать для питания различных паропотребителей (например, парового отопления или водонагре­вателей) . Такие турбины называются турбинами с отбором пара и устанавливаются на электростанциях, отпускающих потребителям как электроэнергию, так и тепло - на теплоэлек­троцентралях (ТЭЦ). Тепловая выходная мощ­ность таких станций обычно в 2...4 раза больше, чем электрическая, а кпд составляет обычно приблизительно 60 %. Еще выше (до 85 %) может быть кпд турбин с противодавлением, у кото­рых весь выходящий пар, обычно при давлении 0,2. ..0,5 МРа, используется для питания промыш­ленных паропотребителей.

3.4 ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

По своему устройству газовая турбина похожа на паровую . Разница в том, что ротор турбины, вместо пара, приводится в дви­жение газом высокого давления, получаемым при сжигании топлива. Сжигание газообразного или жидкого топлива происходит в камере сго­рания, куда под высоким давлением подаются как топливо, так и воздух. Для получения сжато­го воздуха в составе газовой турбины (обычно на одном валу с ротором турбины) имеется ком­прессор (см. 2.4.2). Давление газа на входе в турбину обычно равно 0,6. ..1,2 МРа, а температура газа может быть до 900 °С (в слу­чае охлаждаемых лопастей до 1б00°С). Сово­купность газовой турбины и компрессора часто называется газотурбинным двигателем. Для запуска этого агрегата обычно пользуются пус­ковым (чаще всего электрическим) двигателем.

Выхлопной газ турбины обладает настолько высокой температурой (приблизительно до 500 оС) и скоростью, что может эффективно использоваться

• 
  для подогрева вводимого в турбину сжатого
  воздуха,
  
• 
  для отопления специально предусмотренного
  для этой цели парового котла, с направлением
  получаемого пара в паровую турбину (напри­
  мер, на комбинированных газотурбинно-паро-
  турбинных электростанциях),