Классификация котлов ТЭС, области использования, схемы циркуляции рабочей среды

Стандартные параметры пара энергетических котлов

Е- БКЗ-320 (барноугольный), Е-320 (т/ч) / 140 (Р перегретого пара атм.), П-57 (подольский), Пп (промперегрев) – 1650 (т/ч) / 255 (атм) (агрессоввский), Пп-950/255 ГМ (ТГМП-114).

Энергетическое топливо. Характеристики, классификация, элементный состав органического топлива

Топливом можно считать всякое вещество, выделяющее при опреде­ленных условиях большое количество тепловой энергии, которую в зависи­мости от технических и экономических показателей используют в различных отраслях. В котельных установках выделившаяся теплота используется для получения рабочего тела - водяного пара или горячей воды, используемых в технологических и отопительных установках, а также производства электри­ческой энергии. В настоящее время топливо можно разделить на две группы, разли­чающиеся по принципу освобождения энергии: горючее, выделяющее тепло­ту при взаимодействии с другим веществом (окислителем); расщепляющееся (ядерное), которое выделяет теплоту в результате расщепления вещества топ­лива с одновременным образованием молекул других химических элементов. Горючее топливо делят на органическое и неорганическое. Органиче­ское топливо включает углеводородные химические соединения природного и искусственного происхождения, углерод и водород, а также их смеси. Неор­ганическим топливом являются неорганические вещества и их композиции, которые при взаимодействии с окислителем выделяют большое количество теплоты. Такими веществами могут быть металлы: алюминий (А1), магний (Mg), железо (Fe) и др. Органическое топливо делят на ископаемое природное и искусственное, которое, в свою очередь, подразделяют на композиционное и синтетическое. Ископаемое природное топливо - это топливо, накопленное в недрах Земли и являющееся продуктом биохимических и химических превращений органи­ческого вещества растений и микроорганизмов, существовавших на Земле 0,5-500 млн. лет назад. К нему относятся: уголь, сланец, торф, природный газ, извлекаемые человеком из недр Земли. Искусственное топливо - это органи­ческое топливо, созданное человеком путем соответствующей переработки, как правило, природных соединений (в том числе и природных топлив) с це­лью получения топлив с новыми наперед заданными свойствами. Композици­онное топливо - это механическая смесь горючих (в том числе органического топлива), а в ряде случаев горючих и негорючих веществ, обладающая новы­ми теплотехническими свойствами по сравнению со свойствами исходных горючих. К композиционному топливу относятся топливные суспензии, топ­ливные эмульсии, топливные брикеты, гранулы, топливо из горючих отходов и др. Синтетическое топливо - продукт термохимической переработки го­рючих веществ (в том числе и органического топлива), обладающий новыми теплотехническими свойствами по сравнению с исходным горючим вещест­вом. К синтетическому топливу относятся все продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, жидкое топливо и газ, полученные из угля, и др. Элементарный состав органического топлива.

Горючая часть топлива(твердого и жидкого) представляет собой в основном органические соединения, образованные пятью химическими элементами: углеродом( C ), водород ом ( H ), серой ( S ), кислородом( O ) и азотом( N ). При этом кислород и азот топлива не участвуют в экзо-термических реакциях и поэтому являются как бы внутренним балластом» топлива. Горючая часть топлива включает также некоторые минеральные соединения (например, бисульфид железа FeS ), которые взаимодействуют с кислородом воздуха при высокой температуре также со значительным тепловыделением. Минеральные компоненты топлива типа FeS₂ , так называемый железный колчедан, имеют две минералогические разновидности: пирит и марказит.

Теплота сгорания топлива

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы массы, кДж/кг, или объема, кДж/м , топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (или 1 м3 газового топлива) при условии, что образующиеся при сгорании водяные пары конденсируются и выделяется их теплота конденсации. В паровых котлах продукты сгорания не охлаждаются до температуры конденсации паров. В этих условиях теплота конденсации теряется, и общее используемое тепловыделение при горении топлива будет меньше. Количест­во теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жид­кого (или 1 м газового) топлива за вычетом теплоты конденсации водяных паров, называют низшей теплотой сгорания . Высшая и низшая теплота сгорания топлива связаны соотношением . Для определения низшей теплоты сгорания преобразуем формулы (3.11) и (3.12) и получим для рабочей массы

В горючей массе топлива также будет иметь место различие между высшей и низшей теплотой сгорания, но только за счет влаги, образующейся при горении водорода Теплота сгорания топлива определяется экспериментально по калори­метру. Средний состав и теплота сгорания всех известных месторождений то­плив определены и сведены в таблицы расчетных характеристик топлив. Теплота сгорания условного топлива. Паровые котлы одинаковой паро- производительности и тепловой мощности могут потреблять существенно разное количество топлива, так как его теплота сгорания у разных видов топ­лив меняется в широких пределах. Для сравнения экономичности работы электростанций и упрощения расчетов введено понятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания

Процессы горения топлива

Горение представляет собой быстрое соединение кислорода с горючими элементами топлива (углеродом, водородом и серой) и сопровождается выделением тепла и света. Кислород подается в топку с воздухом. Сухой воздух состоит из двух элементов: 21% кислорода и 79% азота. В горении топлива участвует только кислород. Для того чтобы горение топлива началось, надо довести температуру до температуры воспламенения, при которой горение происходит самостоятельно, без подвода тепла. Температура воспламенения зависит от вида топлива и условий, в которых совершается процесс горения. Температура воспламенения мазута равна 500—700°, каменного угля 500°, антрацита 700°, дров 300°. Углерод является основным составным элементом любого топлива, он сгорает или в углекислый газ (СО2), или в окись углерода (СО). Когда в топку подводится достаточное количество воздуха (а значит, и кислорода), реакция горения углерода протекает полностью. При недостатке воздуха реакция горения углерода будет протекать не полностью, причем будет выделяться значительно меньше тепла. Вследствие неполного сгорания углерода получается не углекислый газ, а окись углерода. Вторым горючим элементом, который входит в состав топлива, является водород (Н2). Процесс горения водорода тоже сопровождается выделением тепла. Из уравнений горения углерода как основного горючего элемента всякого топлива видно, что при неполном горении углерода, т. е, когда горение происходит с недостатком воздуха и в результате горения вместо углекислоты (СО2) получается окись углерода (СО), тепла будет выделяться в три раза меньше. Отсюда следует вывод, что необходимо стремиться создать такие условия, при которых горение топлива будет происходить полностью, т. е. с достаточным количеством воздуха, чтобы углерод сгорал в углекислоту (СО2). Зная состав топлива каждого сорта, можно подсчитать количество воздуха, необходимого для полного сжигания. Если разделить количество воздуха, действительно введенное в топку для сжигания 1 кг или 1 м3 топлива, на расчетное количество воздуха, т. е. на количество воздуха, необходимое для тех же целей, но определенное в результате расчетов (теоретически), то получится число, называемое коэффициентом избытка воздуха. Следовательно, коэффициентом избытка воздуха называется отношение воздуха, практически необходимого для сжигания единицы топлива (кг, м3), к расчетному (теоретическому) количеству воздуха. Необходимо всегда стремиться к полному сжиганию топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха.

Горелочные устройства

Обязательным элементом всех водогрейных котлов (кроме электрических) является горелка, которая: - подготавливает топливо и воздух для горения, придавая им требуемые направление и скорость; - смешивает газовое топливо и воздух или распыляет жидкое топливо и смешивает его с воздухом; - подает подготовленную топливовоздушную смесь в камеру горения, стабилизируя воспламенение топлива. Кроме топлива, в горелку подается воздух, содержащий, как правило, 20,9 % кислорода (по объему). Количество воздуха, требуемое для полного сгорания 1 м3 (или 1 кг) топлива, называется «теоретически необходимым». На практике, однако, через горелку приходится подавать большее количество воздуха, чтобы обеспечить определенную скорость горения на завершающей стадии процесса: дело в том, что скорость горения зависит от концентрации кислорода в зоне горения, и если количество воздуха будет равно теоретически необходимому, то в конце топочного процесса скорость горения окажется недопустимо низкой. Избыток воздуха в горелке характеризуется коэффициентом "α", который является отношением фактически поданного воздуха к теоретически необходимому. В инструкциях и некоторых документах, изданных зарубежными производителями котлов и горелок, можно встретить другое понятие «избыток воздуха», обозначающее превышение объема фактически поданного воздуха над теоретически необходимым (в процентах). Другими словами, избыток воздуха, например, в 10 %, соответствует коэффициенту избытка воздуха "α" = 1,1 и т.д. Остановимся подробнее на особенностях горелок, рассчитанных на сжигание разных видов топлива. Комбинированные горелки. Их жидкотопливная и газовая части скомпонованы с дутьевым вентилятором в единый блок. В состав комбинированных горелок входят также встроенный или выносной топливный насос, устройства подготовки топливовоздушной смеси - механический или электронный регулятор соотношения «топливо-воздух», газовый и жидкотопливный трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными приборами, а в случае сжигания мазута - еще и встроенный (или выносной) подогреватель жидкого топлива. Жидкотопливные горелки. При сжигании жидкого топлива в топочную камеру подается распыленное топливо - капли дизельного или печного топлива. В результате распыления многократно увеличивается поверхность частиц жидкого топлива, а значит, и скорость его сгорания. Устройство, которое обеспечивает распыление жидкого топлива, называется форсункой. Благодаря ей из каждой капли жидкого топлива диаметром 1 мм получается миллион капель диаметром 10 мкм, что приводит к увеличению поверхности испарения в 600 раз. В горелках, которые устанавливают на водогрейные котлы небольшой мощности, обычно используют механические форсунки. В них распыление осуществляется за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие (сопло) или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании потока топлива. Обычно на головке механической форсунки имеется маркировка, содержащая все необходимые сведения: расход топлива (при определенном давлении с вязкости топлива), угол раскрытия и тип конуса (полый, полный, универсальный), дата изготовления форсунки, и т.д. Механические форсунки могут быть традиционного или возвратного типа. Первые работают с постоянным давлением, и все поступающее к форсунке топливо выходит из нее в топку в распыленном виде. Форсунки возвратного типа - это механические форсунки с внутренней рециркуляцией жидкого топлива. Они несколько сложнее традиционных, но имеют значительно больший диапазон регулирования. Применяют такие форсунки обычно в модулируемых горелках, которые обеспечивают экономичную работу установки при переменных нагрузках.

Камерные топки котлов ТЭС

Камерная топка выполненная обычно в виде прямоугольной призматической камеры состоящей из вертикальных стен, потолочного перекрытия и холодной воронки или пода, выложенных из огнеупорных материалов. На внутренних поверхностях К. т. размещают топочные экраны (изготовляемые из труб диаметром 32—76 мм, в которых циркулирует котловая вода), а также потолочный или настенный радиационный пароперегреватель (в паровых котлах). Топливо вводится в К. т. вместе с воздухом, необходимым для горения, через горелочные устройства, которые размещают на стенах топки, а также по её углам. Топливо сгорает в струе воздуха (в факеле). В таких топках сжигают твёрдое пылевидное топливо, а также газообразное и жидкое топливо. При сжигании пылевидного топлива часть золы уносится дымовыми газами из топки в газоходы котла; остальная часть золы выпадает из факела в виде капель шлака и удаляется из топки либо в твёрдом гранулированном виде, либо в жидком расплавленном виде, стекая с пода топки через летку в шлакоприёмное устройство, заполненное водой. Схема камерной топки.

Классификация котлов ТЭС, области использования, схемы циркуляции рабочей среды

По способу организации движения рабочей среды в поверхностях топочных экранов все конструкции паровых котлов разделяются на три типа: с прямоточным движением (рис. 1.2, я), с естественной циркуляцией (рис. 1.2,6) и с принудительной циркуляцией (рис. 1.2, в). Движение воды в поверхности экономайзера и пара в пароперегревателе во всех паровых котлах однократное (прямоточное) и происходит за счет избыточного давления, создаваемого питательным насосом перед входом воды в паровой котел.

Рис. 1.2. Схема водопарового тракта котла: а) — прямоточного; в) — барабанного с естественной циркуляцией; в) — барабанного с принудительной циркуляцией; П.Н — питательный насос; РПК — регулятор питания котла; ЭК — экономайзер; т.э — топочные экраны; Пе — пароперегреватель; п.п — перегретый пар; ОП — опускные грубы; НПЦ — насос принудительной циркуляции; Б — барабан; Пр — вывод из барабана части воды (продувка). Прямоточной паровой котел. Прямоточный котел характеризуется последовательным включением и однократным прохождением рабочей средой всех поверхностей нагрева (рис. 1.2, л). Вода, поступающая в экономайзер, с практически тем же расходом проходит одним ходом все поверхности, включая топочные экраны, полностью испаряется и затем в виде перегретого пара покидает котел и по паропроводу направляется к турбине. В такой конструкции котла при переменных режимах работы изменяются размеры зон нагрева и испарения воды и нагрева пара, что влияет на выходные параметры пара (прежде всего его температуру). Известная стабилизация параметров обеспечивается поддержанием постоянного соотношения между расходом топлива (тепловыделением) и расходом воды. Ввиду этого прямоточный котел требует применения более совершенной быстродействующей системы автоматического регулирования. Отсутствие необходимости отделения пара от воды в рабочем тракте котла позволяет использовать его не только при докритическом, но и при сверхкритическом давлении рабочей среды. В связи с этим прямоточные котлы являются универсальными, применимыми для любых давлений пара и в настоящее время широко используются в энергетике. Паровые котлы с естественной циркуляцией. Отличительной конструктивной особенностью такого котла является наличие барабана (рис. 1.2,6), выполняющего роль сепаратора пара из потока пароводяной смеси, поступающей в него из топочных экранов. Барабан котла вместе с системой необогреваемых опускных труб, выходящих из него, и подъемных (экранных) труб внутри топочной камеры образует замкнутый циркуляционный контур, в котором при горении топлива в топке организуется движение воды (опускные трубы) и пароводяной смеси (подъемные трубы). Движение рабочей среды происходит за счет возникновения естественного напора, определяемого разностью гидростатических давлений массы воды и пароводяной смеси в опускных и подъемных трубах и названного движущим напором естественной циркуляции. Возникающий в контуре циркуляции движущий напор обеспечивает движение рабочей среды в подъемных трубах с небольшой скоростью (около 1 м/с), при этом за один проход через подъемные трубы происходит частичное испарение воды (от 0,03 до 0,25 кг/кг), поэтому полное испарение исходного 1 кг воды произойдет при многократном прохождении контура. Паровые котлы с принудительной циркуляцией. В парообразующих трубах можно организовать принудительное движение рабочей среды за счет специального насоса, установленного на опускных трубах. Такие агрегаты получили название котлов с принудительной циркуляцией (рис. 1.2, в). Движущий напор циркуляции в этом случае в несколько раз превышает напор естественной циркуляции. Это позволяет увеличить скорость движения и располагать парообразующие трубы в топке любым образом (наклонно, горизонтально), исходя из размещения котла в ограниченных по высоте помещениях, и более удобно его конструировать. Повышается надежность циркуляции рабочей среды в экранных трубах. Однако значительным оказывается расход электроэнергии на привод насоса принудительной циркуляции, поэтому в этом случае уменьшают значение кратности циркуляции до = 3 — 5. Наличие в двух последних типах паровых котлов барабана-сепаратора насыщенного пара позволяем использовать их только при докритическом давлении, обычно не более р - 18МПа. Питательная вода, поступающая в котел с температурой 230~270°С после регенеративного нагрева паром из отборов турбины и термической обработки в деаэраторе с целью удаления агрессивных газов (см. рис. В.2), содержит небольшое остаточное количество взвешенных и растворенных веществ.