Котельные установки и парогенераторы

   1.4. Составление и расчёт тепловой  схемы котла.

   При составлении и расчете тепловой схемы парового котла выявляются два аспекта: теплотехнический, связанный  с распределением тепловосприятий нагреваемой среды по отдельным поверхностям нагрева при соответствующем изменении энтальпии газов, и конструктивный, учитывающий взаимное расположение поверхностей нагрева. На рис. 1.3 приведена тепловая диаграмма и тепловая схема барабанного котла высокого давления.

   При составлении и расчете тепловой схемы парового котла необходимо иметь выходные параметры: паропроизводительность D, кг/с; давление р, МПа; температура перегретого пара t_пп ^оС, а при наличии вторичного перегрева пара еще давление р_вп и температура t_вп,. Одновременно с установлением выходных параметров рабочей среды следует определить вид сжигаемого в котле топлива, ибо его технические характеристики необходимы для выбора некоторых температур тепловой схемы.

   Оптимальная экономичность и надежность работы агрегата достигается за счет рационального выбора и поддержания при эксплуатации в определенных пределах температур соответствующих сред в ряде точек газового, водопарового и воздушного трактов. Для формирования тепловой схемы должны быть выбраны температуры уходящих газов θ_ух, питательной воды t_пв, горячего воздуха t_гв газов на выходе из топки θ”_т. Выбор указанных температур с учетом рекомендаций по температурному режиму металла отдельных поверхностей нагрева (вторичный пароперегреватель, выходные пакеты первичного пароперегревателя, поверхности нагрева при СКД в зоне максимальной теплоемкости), устойчивости протекания гидродинамических процессов создает систему граничных условий или опорных точек, в которую вписываются отдельные поверхности нагрева, что предопределяет распределение приращения энтальпий рабочей среды между поверхностями нагрева и рациональное их размещение вдоль потока продуктов сгорания. При этом необходимо стремиться обеспечить высокие температурные напоры и противоток рабочего тела и продуктов сгорания, что не всегда возможно.

   Прежде  всего на основании технико-экономических  расчетов с учетом стоимости сжигаемого топлива и поверхностей нагрева принимается оптимальная температура уходящих газов. В соответствии с нормами теплового расчета котлов для дешевых топлив с повышенной влажностью

    Рис. 1.3. Тепловая диаграмма и тепловая схема барабанного котла высокого давления. 

W^п = (2…3%)*10³ кг/кДж, например, Канско-Ачинского месторождения с открытым способом добычи угля, для котлов высокого давления θ_ух = 150…170 ^оС. Здесь в значительной степени лимитирует точка росы газов, когда на трубах воздухоподогревателя осаждается влага, способствующая коррозии металла, особенно для сернистых топлив. Для топлив с влажностью до W^п = 0,5%*10³ кг/кДж температура уходящих газов принимается более низкой 120…140 ^оС. Чем более дорогое топливо, тем ниже должна быть принята температура θ_ух, но обычно не ниже 110 ^оС во избежание слишком громоздких хвостовых поверхностей нагрева котла.

   Температура питательной воды t_пв поступающей в экономайзер, устанавливается на основании технико-экономического расчета тепловой схемы турбинной установки. Чем выше параметры пара перед турбиной, тем выше оказывается t_пв. Так, для котлов высокого давления t_пв = 230…240 ^оС, а для котлов на СКД t_пв = 260…275 ^оС.

   Температура горячего воздуха увязана с температурой питательной воды. Ориентировочно температуру горячего воздуха (за первой ступенью) можно оценить по выражению

где Δt = 40…80 оС, при этом меньшая цифра относится к сухим топливам.

   Выбор температуры горячего воздуха производят по условиям сушки или сжигания топлива. При сжигании каменных и бурых углей t_гв = 300…400 ^оС (более высокая температура при Жидком шлакоудалении). При сушке бурых углей газами в замкнутой схеме пылеприготовления при твердом шлакоудалении рекомендуется принимать t_гв = 300…350 ^оС, а при разомкнутой схеме пылеприготовления независимо от вида топлива t_гв ≤ 350 ^оС. При замкнутой схеме пылеприготовления и воздушной сушке бурых углей температура горячего воздуха принимается 350…400 ^оС. При сжигании мазута и газа t_гв = 250…300 ^оС.

   При одноступенчатом подогреве воздуха конструкция воздухоподогревателя более компактна. Пределом его применения служит сближение температуры воздуха и газов, когда Δt_вп^вых сильно уменьшается почти до нуля. Для обеспечения компактности воздухоподогревателя разница температур на выходе Δt_вп^вых = θ_вп’ – t_вп’’ принимается не менее 30 ^оС. В этом случае наибольшая температура подогрева воздуха в одноступенчатом подогревателе будет около 270 ^оС (при θ_ух ≈ 130 ^оС). Температура холодного воздуха t_хв обычно принимается равной 30 ^оС.

   Температура газов на выходе из топочной камеры θ”_т, перед ширмами зависит от сжигаемого топлива. Для нешлакующих топлив (газ, мазут) выбирается около 1250 ^оС исходя из оптимального соотношения долей радиационного и конвективного теплообмена в поверхностях нагрева котла. Температура газов на выходе из топки принимается ниже температуры начала деформации золы t₁: для шлакующих (большинства твердых топлив) не выше 1200 ^оС, а для сильношлакующих бурых углей не выше 1100 ^оС.

   Распределение теплоты на подогрев воды, испарение и перегрев пара зависит от параметров перегретого пара — давления и температуры. Для распределения теплоты газов по отдельным поверхностям нагрева рассчитывается тепловая схема котла.

   Расчет тепловой схемы котла  начинается с воздухоподогревателя. По балансу теплоты

определяется  энтальпия газов на входе в  поверхность нагрева I’_вп.

   Q^г_вп — теплота, переданная газами; Q^в_вп — теплота, воспринятая воздухом (обе величины в расчете на 1 кг топлива); φ — коэффициент сохранения теплоты; по θ^”_т, определяется энтальпия газов на выходе из топки I’’_т. Затем рассчитывается лучистое тепловосприятие топки

где Q_т = Q^р_р * (100 — q₃ — q₄ — q₆)/(100 — q₄) + Q_в — Q_в.вн + r * I_отб.

     Q_л учитывает все количество теплоты, воспринятое поверхностями топочной камеры, включая и лучистое тепловосприятие ширм и потолочного пароперегревателя, а также настенного, если последний имеется.

  Дальнейший  расчет тепловой схемы основывается  на балансе теплоты Q^г_б, кДж/кг, переданной газами; и Q_б^ср, воспринятой нагреваемой средой (перегретым паром и водой в экономайзере):

где Q^г_б = φ * (I' — I" + ΔαI⁰_прс); Q_б^ср = ΔiD/В_p; ΔαI⁰_прс — количество теплоты, вносимое присасываемым воздухом, кДж/кг.

   Пароперегреватель докритических параметров имеет ширмовые и конвективные поверхности нагрева, последние обычно разделены на две части по ходу пара: первая — противоточная, вторая — прямоточная (выходной пакет) с примерно одинаковым тепловосприятием (в выходном пакете Δi_пп^вых = 160…200 кДж/кг).

   Распределение теплоты между поверхностями нагрева обычно замыкают на экономайзере, для которого из баланса определяют энтальпию воды на выходе i"_эк и проверяют ее допустимость по возможному парообразованию х_эк ≤ 15%, при этом

где i' — энтальпия воды при насыщении, кДж/кг; r — теплота испарения, кДж/кг.

   Результаты расчетов оформляются графически, как показано на рис. 1.3. Масштабы для построения графика выбираются произвольно с учетом удобства расположения поверхностей нагрева.

   После расчета схемы нормами теплового расчета котлов рекомендуется проверить невязку теплового баланса

где Q^р_р — располагаемая теплота сгорания топлива, обычно Q^р_р = Q^p_н, кроме сланцев; η_к — коэффициент полезного действия котла. Допустимая невязка баланса (ΔQ/ Q^р_р) * 100 ≤ 0,5%.

   Прямоточный котел имеет сложную гидравлическую схему. Поэтому целесообразно для него показать изменение состояния среды по пароводяному тракту, как это сделано применительно к агрегату с вторичным перегревом пара энергоблока 500 МВт (рис. 1 .4). Пароперегреватель вторичного пара полностью размещен в конвективной шахте. В гидравлической схеме предусмотрен паро-паровой теплообменник (ППТО), передающий теплоту радиационных поверхностей нагрева вторичному пару, имеющему только конвективный обогрев. Для упрощения тепловой схемы блока и для предохранения промежуточного пароперегревателя от пережога при растопке пакеты вторичного перегревателя размещаются в зоне умеренной температуры газов, не выше 800…840 ^оС при номинальной нагрузке агрегата.

Рис. 1. 4. Изменение состояния нагреваемой  среды СКД по тракту прямоточного котла. 

   В прямоточных котлах типа Рамзина на высокое давление организуется переходная зона, обычно вынесенная в конвективную шахту, куда поступает пароводяная смесь с паросодержанием х = 0,7…0,8. В переходной зоне осуществляется не только доиспарение воды, но и некоторый перегрев пара на 80…160 кДж/кг. Переходную зону выносят в область пониженных тепловых потоков в связи с ухудшенным внутренним теплооЬменом. Вбда, поступающая из экономайзера в НРЧ, недогревается до состояния закипания на 120…160 кДж/кг во избежание парообразования при переменных нагрузках.

   В прямоточных котлах на СКД переходная зона необязательна. Некоторое своеобразие в распределении приращений энтальпии по отдельным поверхностям нагрева получается из-за отсутствия фиксированных точек. Однако наличие зоны максимальной теплоемкости (3МT) с ухудшенным теплообменом требует размещения ее в области умеренных тепловых потоков, обычно в экранах СРЧ. Приращение энтальпии в экономайзере выбирается с учетом достаточности температурного напора на входном участке вторичного пароперегревателя. Перегрев первичного пара осуществляется в ВРЧ, ширмах и двух конвективных пакетах. Выходной пакет часто имеет приращение энтальпии около 100…125 кДж/кг.

Для мощных прямоточных котлов на СКД (к блокам 300 — 800 МВт) целесообразно принимать  два независимо регулируемых потока рабочей среды. Это значительно упрощает регулирование перегрева и обеспечивает требования для более полного применения автоматизированной системы управления (АСУ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕМЕНТАХ КОТЛА 

2.1. Теплообмен  в топочной камере.

    Сложные физико-химические процессы, происходящие в топочных камерах, требуют создания методов расчета, достаточно полно  отвечающих реальным условиям теплообмена с учетом аэродинамики и горения. В настоящее время методы расчета радиационного теплообмена в топочных камерах развиваются по различным направлениям: эмпирическому, аналитическому, а также основанному на приложении теории подобия к топочным процессам.

    Эмпирический  метод сводится к установлению связей между переменными величинами, полученными в результате экспериментальных исследований. Недостаток этого метода заключается в невозможности применения полученных зависимостей для других условий опыта, в трудности учета значительного числа факторов.

   Аналитический метод заключается в решении  систем уравнений, описывающих исследуемые процессы. Из-за большой сложности математического описания решение этих уравнений до недавнего времени было невозможно без существенного упрощения многих факторов. Однако в связи с внедрением современных математических методов и средств вычислительной техники появляется возможность осуществления поставленной задачи.