Схема тепловой электрической станции (ТЭСТЭЦ)

В котлах с естественной циркуляцией (рис. 3,б) питательная вода, подаваемая насосом, подогревается в экономайзере и поступает в барабан. Из барабана по опускным необогреваемым трубам вода поступает в нижний коллектор, откуда распределяется в обогреваемые трубы, в которых закипает. Необогреваемые трубы заполнены водой, имеющей плотность ρ´, а обогреваемые трубы заполнены пароводяной смесью, имеющей плотность ρ_см, средняя плотность которой меньше ρ´. Нижняя точка контура — коллектор — с одной стороны подвергается давлению столба воды, заполняющей необогреваемые трубы, равному Hρ´g, а с другой — давлению Hρ_смg столба пароводяной смеси. Возникающая разность давлений H(ρ´ — ρ_см)g вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции S_дв (Па):

S_дв = H(ρ´ — ρ_см)g,

где H — высота контура; g - ускорение свободного падения.

В отличие  от однократного движения воды в экономайзере и пара в пароперегревателе движение рабочего тела в циркуляционном контуре  является многократным, так как при  проходе через парообразующие трубы  вода испаряется не полностью и паросодержание смеси на выходе из них составляет 3-20%.

Отношение массового расхода циркулирующей  в контуре воды к количеству образовавшегося  пара в единицу времени называется кратностью циркуляции

R = m_в/m_п.

В котлах с естественной циркуляцией  R = 5-33, а в котлах с принудительной циркуляцией — R= 3-10.

В барабане образовавшийся пар отделяется от капель воды и поступает в пароперегреватель  и далее в турбину.

В котлах с многократной принудительной циркуляцией (рис. 3,в) для улучшения циркуляции устанавливается дополнительно циркуляционный насос. Это позволяет лучше компоновать поверхности нагрева котла, допуская движение пароводяной смеси не только по вертикальным парогенерирующим трубам, но также по наклонным и горизонтальным.

Поскольку наличие в парообразующих поверхностях двух фаз — воды и пара — возможно лишь при докритическом давлении, барабанные котлы работают при давлениях  меньше критических.

Температура в топке в зоне горения факела достигает 1400-1600°С. Поэтому стены  топочной камеры выкладывают из огнеупорного материала, а их наружная поверхность  покрывается тепловой изоляцией. Частично охладившиеся в топке продукты сгорания с температурой 900-1200°С поступают  в горизонтальный газоход котла, где омывают пароперегреватель, а затем направляются в конвективную шахту, в которой размещаются промежуточный пароперегреватель, водяной экономайзер и последняя по ходу газов поверхность нагрева — воздухоподогреватель, в котором воздух подогревается перед его подачей в топку котла. Продукты сгорания за этой поверхностью называются уходящими газами: они имеют температуру 110-160°С. Поскольку дальнейшая утилизация тепла при такой низкой температуре нерентабельна, уходящие газы с помощью дымососа удаляются в дымовую трубу.

Большинство топок котлов работает под небольшим  разрежением 20-30 Па (2 — 3 мм вод.cт.) в  верхней части топочной камеры. По ходу продуктов сгорания разрежение в газовом тракте увеличивается  и составляет перед дымососами 2000-3000 Па, что вызывает поступление атмосферного воздуха через неплотности в  стенах котла. Они разбавляют и охлаждают  продукты сгорания, понижают эффективность  использования тепла; кроме того, при этом увеличивается нагрузка дымососов и растет расход электроэнергии на их привод.

В последнее  время создаются котлы, работающие под наддувом, когда топочная камера и газоходы работают под избыточным давлением, создаваемым вентиляторами, а дымососы не устанавливаются. Для  работы котла под наддувом он должен выполняться газоплотным.

Поверхности нагрева котлов выполняются из сталей различных марок в зависимости  от параметров (давления, температуры  и др.) и характера движущейся в них среды, а также от уровня температур и агрессивности продуктов  сгорания, с которыми они и находятся  в контакте.

Важное  значение для надежной работы котла  имеет качество питательной воды. В котел непрерывно поступает  с ней некоторое количество взвешенных твёрдых частиц и растворенных солей, а также окислов железа и меди, образующихся в результате коррозии оборудования электростанций. Очень  небольшая часть солей уносится вырабатываемым паром. В котлах с  многократной циркуляцией основное количество солей и почти все  твердые частицы задерживаются, из-за чего их содержание в котловой воде постепенно увеличивается. При  кипении воды в котле соли выпадают из раствора и на внутренней поверхности  обогреваемых труб появляется накипь, которая плохо проводит тепло. В результате покрытые изнутри слоем накипи трубы недостаточно охлаждаются движущейся в них средой, нагреваются из-за этого продуктами сгорания до высокой температуры, теряют свою прочность и могут разрушиться под действием внутреннего давления. Поэтому часть  воды с повышенной концентрацией солей необходимо удалять из котла. На восполнение удаленного количества воды подается питательная вода с меньшей концентрацией примесей. Такой процесс  замены воды в замкнутом контуре называется непрерывной продувкой. Чаще всего непрерывная продувка производится из барабана котла.

В прямоточных  котлах из-за отсутствия барабана нет  непрерывной продувки. Поэтому к  качеству питательной воды этих котлов предъявляются особенно высокие  требования. Они обеспечиваются путем  очистки турбинного конденсата после  конденсатора в специальных конденсатоочистительных установках и соответствующей обработкой добавочной воды на водоподготовительных установках.

Вырабатываемый  современным котлом пар является, вероятно, одним из наиболее чистых продуктов, производимых промышленностью  в больших количествах.

Так, например, для прямоточного котла, работающего  на сверхкритическом давлении, содержание загрязнений не должно превышат 30-40 мкг/кг пара.

Современные электростанции работают с достаточно высоким КПД. Теплота, затраченная  на подогрев питательной воды, ее испарение  и получение перегретого пара, — это полезно использованная теплота Q₁.

Основная  потеря тепла в котле происходит с уходящими газами Q₂. Кроме того, могут быть потери Q₃ от химической неполноты сгорания, обусловленные наличием в уходящих газах CO, H₂, CH₄ ; потери с механическим недожогом  твердого топлива Q₄, связанные с наличием в золе частичек несгоревшего углерода;  потери в окружающую среду через ограждающие котел и газоходы конструкции Q₅;  и, наконец, потери с физической теплотой шлака Q₆.

Обозначая q₁ = Q₁ / Q , q₂ = Q₂ / Q  и т.д., получаем КПД котла: 

η_k = Q₁ / Q= q₁=1-( q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆),

где Q - количество тепла, выделяющегося при полном сгорании топлива.

Потеря  тепла с уходящими газами составляет 5-8% и уменьшается с уменьшением  избытка воздуха. Меньшие потери соответствуют практически горению  без избытка воздуха, когда воздуха  в топку подается лишь на 2-3% больше, чем теоретически необходимо для  горения.

Отношение действительного объёма воздуха V_Д, подаваемого в топку,  к теоретически необходимому V_Т для сгорания топлива называется коэффициентом избытка воздуха:

α = V_Д/V_Т ≥ 1.

Уменьшение α может привести к неполному сгоранию топлива, т.е. к возрастанию потерь с химическим и механическим недожогом. Поэтому принимая q₅ и q₆ постоянными, устанавливают такой избыток воздуха a, при котором сумма потерь

q₂+ q₃+ q₄ → min .

Оптимальные избытки воздуха поддерживаются с помощью электронных автоматических регуляторов процесса горения, изменяющих подачу топлива и воздуха при  изменениях нагрузки котла, обеспечивая  при этом наиболее экономичный режим  его работы. КПД современных котлов составляет 90-94%.

Все элементы котла: поверхности нагрева, коллекторы, барабаны, трубопроводы, обмуровка, помосты и лестницы обслуживания — монтируются на каркасе, представляющем собой рамную конструкцию. Каркас опирается  на фундамент или подвешивается  к балкам, т.е. опирается на несущие  конструкции здания. Масса котла  вместе с каркасом довольно значительна. Так, например, суммарная нагрузка, передаваемая на фундаменты через колонны  каркаса котла паропроизводительностью D=950 т/ч, составляет 6000 т. Стены котла покрываются изнутри огнеупорными материалами, а снаружи — тепловой изоляцией.

Применение  газоплотных экранов приводит к  экономии металла на изготовление поверхностей нагрева; кроме того, в этом случае вместо огнеупорной кирпичной обмуровки  стены покрываются лишь мягкой тепловой изоляцией, что позволяет на 30-50% уменьшить массу котла.

Энергетические стационарные котлы, выпускаемые промышленностью России, маркируются следующим образом: Е — паровой котел с естественной циркуляцией без промежуточного перегрева пара; Еп — паровой котел с естественной циркуляцией с промежуточным перегревом пара; Пп - прямоточный паровой котел с промежуточным перегревом пара. За буквенным обозначением следуют цифры: первая — паропроизводительность (т/ч), вторая — давление пара (кгс/см²). Например, ПК — 1600 — 255 означает : паровой котел с камерной топкой с сухим шлакоудалением, паропроизводительностью 1600 т/ч, давление пара 255 кгс/см².