Схема тепловой электрической станции

Примерно 85 % электрической энергии в нашей стране производится на тепловых электрических станциях, на которых электрическая энергия вырабатывается с использованием химической энергии сжигаемого органического топлива.

Конденсационные электрические станции (КЭС) предназначены только для выработки электрической энергии. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) вырабатывают как электрическую, так и тепловую энергию. На рис. 2.1 показаны тепловые схемы подобных паротурбинных электрических станций.

Основными тепловыми агрегатами тепловой электрической станции являются паровой котел и паровая турбина. Паровой котел – это устройство для выработки пара с давлением выше атмосферного за счет сжигания топлива.

В тепловой схеме конденсационной электрической станции (рис. 2.1, а) вырабатываемый в котельном агрегате пар поступает в турбину 2, которая приводит в действие генератор 3, вырабатывающий электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор 5, откуда конденсатным насосом 6 направляется в подогреватель 7 низкого давления и далее в деаэратор 8, где из воды удаляются растворенные в ней газы – О₂, СО₂ и др.

Из деаэратора вода питательным насосом 9 подается в подогреватель 11 высокого давления. Деаэратор 8, подогреватели низкого 7 и высокого 11 давлений обогреваются паром регенеративных отборов от турбины 2. Для восполнения потерь конденсата используется вода, очищенная в установке 10 химической очистки воды.

Тепловая схема теплоэлектроцентрали (рис. 2.1, б) отличается от схемы конденсационной электрической станции наличием отводящих паропроводов к промышленным и тепловым потребителям пара и специальных подогревателей 13 сетевой воды – бойлеров, использующих отборы пара из турбины, насосов 14 сетевой воды, подающих горячую воду потребителям теплоты 12. Подпитка тепловой сети осуществляется с помощью подпиточного насоса 15.

Последовательность получения и использования пара и преобразования одних видов энергии в другие можно проследить на примере электрической станции, работающей на твердом топливе (рис. 2.2).

Рис. 2.1. Упрощенная схема тепловой электрической станции: а – КЭС (конденсационной); б – ТЭЦ (теплоэлектроцентрали); 1 – паровой котел; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – преобразователь электрической энергии; 5 – конденсатор; 6 – конденсатный насос; 7 – подогреватель низкого давления; 8 – деаэратор; 9 – питательный насос; 10 – установка химической очистки воды; 11 – подогреватель высокого давления; 12 – потребители теплоты; 13 – подогреватели сетевой воды (бойлеры); 14 – насос сетевой воды; 15 – подпиточный насос

Рис. 2.2. Электрическая станция, работающая на твердом топливе: 1 – генератор; 2 – турбина; 3 – щит управления; 4 – деаэратор; 5 – бункер сырого топлива (угля); 6 - бункер угольной пыли; 7 – сепаратор; 8 – циклон; 9 – паровой котел; 10 – поверхности нагрева котла; 11 – дымовая труба; 12 – дробильное помещение; 13 – резервный склад; 14 – железнодорожные вагоны; 15 – разгрузочный сарай; 16 – конвейеры; 17 – дымососы; 18 – каналы гидрозолоудаления; 19 – золоудалитель; 20 – дутьевой вентилятор; 21 – топка парового котла; 23 – береговая насосная станция; 24 – водоем; 25 – насосы; 26 – подогреватели высокого давления; 27 – питательные насосы; 28 – подогреватели низкого давления; 29 – конденсатные насосы; 30 – конденсаторы; 31 – установка химической очистки воды; 32 – преобразователи (трансформаторы) электроэнергии

Схема котельной установки

Котельная установка состоит из котла и вспомогательного оборудования. Котлом называют устройство для получения пара или нагрева воды с давлением выше атмосферного, использующее для этой цели теплоту сгорания органического топлива, технологических процессов, электрической энергии или отходящих газов. В состав котла могут входить: топки, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, каркас, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка.

Вспомогательным оборудованием считают: тягодутьевые машины, устройства очистки поверхностей нагрева, топливоприготовления и топливоподачи, оборудование шлако- и золоудаления, золоулавливающие и другие газоочистительные устройства, газовоздуховоды, трубопроводы воды, пара и топлива, арматура, гарнитура, автоматика, приборы и устройства контроля и защиты, водоподготовительное оборудование и дымовую трубу.

К арматуре относят регулирующие и запорные устройства, предохранительные и водопробные клапаны, манометры, водоуказательные приборы.

В гарнитуру входят лазы, гляделки, люки, шиберы, заслонки.

Здание, в котором располагаются котлы, называют котельной.

Рассмотрим в качестве примера работу котельной установки, изображенной на рис. 2.3.

Привозимое топливо для сжигания с помощью вагоноопрокидывателя 5 поступает в приемный бункер угля 3, откуда транспортными устройствами направляется на топливный склад 1 или для сжигания.

Далее топливо поступает для предварительного измельчения на дробилку 4, а затем с помощью ленточного транспортера 6 подается в бункер сырого угля 7.

Питатель сырого угля 8 осуществляет дозированную подачу топлива на шаровую барабанную мельницу 9. Здесь происходит окончательное измельчение угля до размеров, обеспечивающих быстрое и экономичное сгорание в камерной топке 25 котла.

Рис. 2.3. Схема котельной установки:

1 – топливный склад; 2 – топливо на сжигание; 3 – приемный бункер угля; 4 – дробилка; 5 – вагоноопрокидыватель; 6 – ленточный транспортер; 7 – бункер сырого угля; 8 – питатель сырого угля; 9 – шаровая барабанная мельница; 10 – течка возврата; 11 – сепаратор угольной пыли; 12 – мельничный вентилятор; 13 – циклон; 14 – бункер угольной пыли; 15 – питатель угольной пыли; 16 - горячий первичный воздух; 17 – вторичный воздух; 18 – горелка; 19 – пар из пароперегревателя; 20 – непрерывная продувка; 21 – барабан; 22 – водоопускные трубы; 23 - сепарирующее устройство; 24 – сухой насыщенный пар; 25 – топка котла; 26 – экранные трубы; 27 – радиационная часть пароперегревателя; 28 – фестон; 29 – воздухоподогреватель; 30 – трубы экономайзера; 31 – конвективная часть пароперегревателя; 32 - пароохладитель; 33 – дутьевой вентилятор; 34 – золоуловитель; 35 – дымосос; 36 – дымовая труба; 37 – система гидрозолоудаления; 38 – уходящие газы; 39 – шлаковый комод; 40 – питательный насос; 42 – паровая турбина; 43 – деаэратор; 44 – водоумягчитель; 45 – механический фильтр; 46 – насос сырой воды; 47 – бак сырой воды; 48 – подпиточная сырая вода; 49 – возврат конденсата

Сепаратор угольной пыли 11 отделяет крупные фракции угольной пыли, которые по течке возврата 10 возвращаются в мельницу для размола.

Транспорт угольной пыли, его подсушка обеспечиваются подачей в мельницу части горячего воздуха (первичный воздух) 16. Готовая для сжигания аэропыль из сепаратора поступает в циклон 13, где основная часть пыли отвеивается от транспортирующего воздуха и попадает в бункер угольной пыли 14. Первичный же воздух с остатками угольной пыли мельничным вентилятором 12 подается на горелку 18. Сюда же с помощью питателя угольной пыли 15 поступает топливо. Пылепитатели выполняются шнековыми или лопастными. На горелку подается вторичный воздух 17 в количестве, необходимом для полного сгорания топлива с учетом его избытка.

В топке котла 25 происходит горение угольной пыли. Высокая температура ПС обеспечивает интенсивную отдачу теплоты газами за счет излучения. Экран 26 воспринимает лучистую теплоту. Экран – это вертикальные трубы, закрывающие стены топочной камеры изнутри. В экранных трубах происходит парообразование.

Вода из барабана 21 по водоопускным трубам поступает в коллекторы, расположенные в нижней части котла, из которых распределяется по экранным трубам 26. В трубах вода частично испаряется, и полученная пароводяная смесь возвращается в барабан. Циркуляция обеспечивается за счет того, что плотность пароводяной смеси в экранных трубах меньше, чем в водоопускных.

В барабане происходит отделение пара от воды. Сухой насыщенный пар 24 поступает в радиационную часть 27 пароперегревателя, где претерпевает первую стадию перегрева.

Вторая стадия перегрева осуществляется в конвективной части 31 пароперегревателя. Здесь температура газов ниже, поэтому большая часть теплоты передается конвекцией.

Между перегревателями 27 и 31 расположен пароохладитель 32, предназначенный для поддержания температуры перегретого пара на постоянном максимально допустимом уровне с тем, чтобы максимально использовать жаропрочностные свойства металла пароперегревателя и этим обеспечить максимальный эффект дальнейшего использования тепловой энергии пара (например, для получения максимального КПД паросилового цикла). После пароперегревателя пар 19 направляется к потребителю пара – к паровой турбине или на технологические нужды.

Перед конвективной частью пароперегревателя 27 (по ходу газов) располагается фестон 28 – разряженный пучок труб, являющийся продолжением труб заднего экрана. В этой зоне газы имеют температуру, близкую к температуре плавления золы топлива, поэтому может происходить процесс налипания расплавленной золы (шлака) на поверхности труб, охлаждающих газы. Для того чтобы исключить возможность образования шлаковых мостов между трубами и последующего забивания шлаковой массой промежутков между ними, расстояние между трубами в этом котельном пучке делается больше, чем на стенках топочной камеры.

В конвективной шахте установлены экономайзер 30 и воздухоподогреватель 29. Теплопередача от газов происходит конвективным способом.

Питательная вода в экономайзере нагревается до температуры кипения или даже частично превращается в пар, после чего направляется в барабан.

Далее газы направляются к воздухоподогревателю 29.

Основное назначение воздухоподогревателя и экономайзера – уменьшение потерь теплоты с уходящими газами, т.е. повышение КПД котельной установки.

В воздухоподогревателе осуществляется подогрев воздуха, что обеспечивает более интенсивное воспламенение и горение топлива и дает возможность подсушивать топливо в процессе размола его в мельнице.

Дутьевой вентилятор 33 забирает воздух из верхней части котельной, где воздух имеет температуру выше, чем в нижней части помещения.

В нижней части топки – холодной воронке – происходит охлаждение и затвердевание части содержащихся в факеле капелек расплавленной золы. Это часть золы выпадает в шлаковый комод 39, другая, меньшая часть в бункер под конвективной шахтой, третья часть улавливается в золоуловителе 34.

Вся зола поступает в систему гидрозолоудаления 37 и с помощью воды по трубопроводу направляется на золоотвал.

Часть золы, оставшаяся в дымовых газах, рассеивается дымовой трубой 36. Дымосос 35 обеспечивает движение газов по тракту и некоторое разряжение на выходе из топки.

С помощью дутьевых вентиляторов повышенного давления в топках и газовом тракте котлов под наддувом поддерживается давление несколько выше атмосферного, а дымососы в них отсутствуют. Во избежание утечек газов из газового тракта такие котлы выполняются газоплотными.

Высота дымовой трубы должна обеспечить достаточное рассеивание вредных примесей (SO₂, NO_Х, частиц золы). Концентрация их на уровне 1,5 м от земли (на уровне дыхания человека) не должна превышать ПДК по санитарным нормам.

Дымовая труба должна создать самотягу в газовом тракте за счет разности в плотностях воздуха и продуктов горения. Самотяга частично, а в малых котлах иногда и полностью исключает затраты энергии на тягодутьевые установки (дымососы и вентиляторы).

Отработавший у потребителя пар конденсируется, и в котельную возвращается конденсат 49, где поступает в деаэратор 43. Деаэратор предназначен для удаления из воды растворенных в ней О₂, СО₂ и прочих газов.

Диоксид углерода находится частично в растворенном (свободная углекислота), а частично в химически связанном с водой состоянии, образуя угольную кислоту. Наличие О₂ и СО₂ в воде обуславливает коррозию металла.

Все газы, выделяясь в теплообменниках, сильно ухудшают теплообмен, снижая эффективность установок.

Часть воды и водяного пара теряется в котельной установке или у потребителя пара, поэтому в установку подают подпиточную сырую воду 48.

Природная вода содержит растворенные газы, механические и коллоидные примеси, растворы солей. При парообразовании некоторые соли и перешедшие в воду продукты коррозии конструкционных материалов оседают на внутренних поверхностях нагрева котла в виде плотной, трудно отделимой накипи. Накипь уменьшает коэффициент теплопередачи и суживает проходные сечения в котельных трубах, что приводит к снижению экономичности и производительности установки, а также к аварийному разрушению металла в связи с его перегревом.

Другая часть примесей выпадает в объеме котловой воды в виде мелкодисперсных взвешенных частиц, составляющих осадок – шлам.

Для удаления шлама из нижних точек (барабанов, коллекторов) во избежание аварий котлов и снижения эффективности их работы применяют периодическую продувку.

Часть примесей может оседать в проточной части турбины, что снижает их экономичность и мощность и приводит к аварии.

Поэтому сырую воду до подачи в котельную установку осветляют (освобождают от взвесей), умягчают (снижают содержание в ней солей жесткости) или подвергают ее химическому обессоливанию.

В схеме сырая вода поступает в бак сырой воды 47 и подается насосом 46 в механический фильтр 45, где из воды удаляются механические примеси.

Далее вода поступает в водоумягчитель 44 или обессоливающую установку и затем в деаэратор.

Вода из деаэратора откачивается питательным насосом 41 с электродвигателем 40 или паровой турбиной 42, отработавший пар из которой поступает в деаэратор в качестве греющей среды.

Вода, направляемая питательными насосами в котел, называется питательной водой.

С каждой порцией подпиточной воды в котле накапливаются все новые порции примесей. Вместе с насыщенным паром из барабана котла уносятся капельки воды, содержащей примеси, которые откладываются в пароперегревателе и в проточной части турбины.

Для удаления растворенных в котловой воде примесей осуществляют из барабана котла непрерывную продувку 20, т.е. непрерывно удаляют из него часть воды.

Для уменьшения уноса капелек влаги в барабане предусмотрено сепарирующее устройство 23.