Паровой котел БМ-35-РФ.
Котел изготовлен Белгородским котельным заводом «Энергомаш» на среднее рабочее давление. Котел барабанный с естественной циркуляцией воды в топочных экранах, реконструирован заводом на факельное сжигание природного газа вместо мазута с повышением паропроизводительности с 35 до 50 т/ч.
Котел имеет П-образный профиль и содержит три основных конструктивных элемента: топочная камера, горизонтальный газоход и конвективная шахта (рис. 7).
Рис. 11. Паровой котел ТЭЦ МЭИ (БМ-35Р): Б – барабан, ВЦ – выносной циклон; ТЭ – топочные экраны; Гор – газовые горелки; КПП-1, КПП-2 – конвективные пароперегреватели первой и второй ступени; ЭК – экономайзер; ТВП – трубчатый воздухоподогреватель; ОП – опускные трубы; НК – нижний коллектор экранов; Ф – фестон; ПО – пароохладитель; ПП – перегретый пар; Пр – продувка из циклона.
Топочная камера обеспечивает сжигание газа и получение насущенного пара в настенных экранах. Она имеет толщину ат = 4,4 м, глубину vт = 4,14 м и высоту пода до середины газового окна hт = 8,5 м. Объем топочной камеры Vт = 147 м3, расчетная лучевоспринимающая поверхность Fл = 131 м2. Тепловое напряжение топочного объема при номинальной нагрузке составляет qv = 270 кВт/м3., при этом температура газов на выходе из топки (перед фестоном) 𝞠ϑт= 11500С.
Все стены топочной камеры экранированы вертикальными испарительными трубами диаметром 60х3 с шагом Sэ = 80 мм (задний экран) и Sэ = 110 мм (остальные экраны). Настенные экраны конструктивно выполнены из 8 секций: по 3 секции на боковых экранах и по одной на фронтовой и задней стенах. Секции имеют выделенные нижние коллектора с самостоятельным подводом опускных труб диаметром 83х4 и 102х3,5 мм. Нижняя часть топки, включая горизонтальный под, выложена огнеупорными плитами и не имеет испарительных экранов. В верхней части топки трубы заднего экрана разведены в три ряда. При этом поперечный шаг труб составляет s1 = 80х3 = 240 мм, а расстояние по ходу газов s2 = 220 мм. Такой пучок топочного экрана называют фестоном. Он обеспечивает свободный выход газов из топки в горизонтальный газоход. Барабан котла выполняет роль сепаратора насыщенного пара. Он имеет внутренний диаметр 1500 мм с толщиной стенки 40 мм.
Горизонтальный газоход имеет неэкранированные боковые стены и наклонный под, а по потолку газохода расположены 40 труб диаметром 38х3 мм, по которым насыщенный пар поступает в поверхность пароперегревателя, который выполнен и виде двух змеевиковых пакетов. Сначала пар поступает в первый пакет (КПП-1), где пар движется в трубах перекрестно-противоточно, а затем прямоточно по отношению к газовому потоку. Здесь пар нагревается от газов примерно с 254 до 3300С. Этот пакет часто называют «холодным». Его поверхность теплообмена составляет F1 = 140 м2. После КПП-1 пар поступает в пароохладитель, где происходит регулируемое снижение температуры пара на входе во второй («горячий») пакет пароперегревателя – КПП-2. Он находится в зоне более высоких температур газов и за счет изменения температуры пара обеспечивает, перегрев до постоянной температуры до 4400С при любой рабочей нагрузке. Он выполнен из труб диаметром 42х3 мм, его поверхность нагрева F2 =110 м2. Из него перегретый пар поступает в выходной коллектор и далее по паропроводу – в турбину (рис. 9).
Трубы в пакетах пароперегревателя установлены коридорно с шагом 60 мм. Газы с высокой температурой омывают змеевики со скоростью 8 – 10 м/с, поэтому конвективный теплообмен здесь превалирует над радиационным, отчего эти поверхности называют конвективными.
Рис. 12. Схема котла №2
Рис. 13. Конвективный пароперегреватель котла №2
Конвективная шахта имеет сечение 4,4 х 1,49 м. Здесь газовый поток вначале омывает 4 змеевиковых пакета экономайзера, а затем проходит по трубкам воздухоподогревателя.
Водяной экономайзер (рис. 10) выполнен из труб диаметром 32х3 мм и имеет поверхность нагрева Fэк = 768 м2.
Рис. 14. Пакет водяного экономайзера: 1 – нижний коллектор; 2 – трубная поверхность; 3 – крепежные и дистанционирующие планки; 4 – опорные балки; 5 – компенсатор тепловых расширений воздухоподогревателя.
Его верхний и нижний коллекторы установлены вдоль правой боковой стены конвективной шахты. Горизонтальные змеевиковые пакеты образованы 48 трубами, выходящими из нижнего коллектора. Разрывы между пакетами составляют 500 мм для осмотров и ремонта. Перед поступлением в нижний коллектор экономайзера часть воды проходит через пароохладитель, а затем смешивается с основным потоком, отчего ее температура становится выше исходной. На выходе из экономайзера вода нагревается до температуры, близкой к насыщению (при tпв = 1040С), а при включенном ПВД (tпв = 1400С) на выходе из экономайзера происходит ее частичное испарение – до 10% массы. Полная высота газохода, в котором размещаются 4 пакета экономайзера равна 7,02 м.
Трубчатый воздухоподогреватель (ТВП) имеет высоту 3,38 м и поверхность нагрева Fвп = 1040 м2, образованную 2500 вертикальными трубами диаметром 40х1,5 мм, установленными в шахматном порядке и закрепленными в верхней и нижней трубных досках (рис. 11). Дымовые газы проходят сверху вниз внутри труб, а воздух движется горизонтально в межтрубном пространстве и имеет два хода, которые создаются за счет промежуточной трубной доски и воздушного короба. Снаружи воздухоподогреватель обшит металлическим кожухом с тепловой изоляцией.
Рис. 15. Трубчатый воздухоподогреватель: 1 – трубная доска для крепления труб; 2 – перебросной воздушный короб; 3 – направляющий лист; 4 – опорные балки каркаса.
Водопаровой тракт котла.
Вода после подогрева в регенеративном цикле паровой турбины подается в котел питательным насосом. Эта вода называется питательной. Питательная вода (ПВ), как было сказано выше, направляется в экономайзер, нагревается до температуры близкой к насыщению при отключенном ПВД или с парообразованием до 10% по массе при включенном ПВД. После экономайзера ПВ направляется в барабан. Туда же поступает пароводяная смесь из поверхностей нагрева топочной камеры. Вода, из которой генерируется пар называется котловой водой.
Рис.16 Подогреватель высокого давления
Таким образом, в паровом котле присутствует питательная и котловая вода. Расход питательной воды равен сумме паропроизводительности котла и расходу продувки.
Рис. 17. Водопаровой тракт котла. Организация двухступенчатого испарения в экранах топки.
Котловая вода из барабана поступает в опускные трубы и далее в нижний коллектор. Из нижнего коллектора вода направляется в топку котла. Так как в процессе опускного движения котловая вода слегка охлаждается за счет потерь через теплоизоляцию, то в топку котла она поступает с недогревом в несколько градусов до линии насыщения. Следовательно, процесс парообразования в топке начинается не сразу. Необходима определенная длина для догрева котловой воды до температуры насыщения. Эта дистанция называется экономайзерным участком.
Рис. 18. Схема контуров циркуляции котла №2.
В процессе парообразования не вся котловая вода переходит в пар, а только ее определенная часть. Эта часть называется паропроизводительность. В поверхностях нагрева количество пара определяется физической величиной, называемой «паросодержание». Паросодержание может рассчитываться по массе (массовое паросодержание) и по объему (объемное паросодержание). Однако, в котельной технике наиболее часто пользуются параметром «кратность циркуляции» – величиной, обратной массовому парсодержанию. Смысл кратности циркуляции заключается в следующем: сколько раз необходимо «прогнать» котловую воду по контуру, чтобы испарить ее всю.
На ТЭЦ МЭИ доля генерируемого пара составляет 10% по массе (массовое паросодержание равно 0,1). Следовательно, кратность циркуляции равна 10.
Парообразование в экранных трубах котла организовано по схеме так называемого «двухступенчатого испарения». Наибольшее число экранных секций (6 из 8) подсоединены непосредственно к объему барабана и образуют первую ступень испарения. Первая ступень обеспечивает около 80% всей паропроизводительности котлоагрегата. Две панели заведены в два выносных циклона диаметром 337х37 мм и высотой 5,08 м и образуют вторую ступень испарения.
Принципы сепарации воды и пара в барабане и циклонах разная. Если в барабане, сепарация происходит за счет разности скоростей воды и пара (всплытие пузырей) и называется гравитационной, то в циклоне пароводяная смесь подается через улиточный ввод по тангенциальной составляющей, и сепарация происходит за счет отбрасывания жидкой фазы к стенкам циклона (за счет более высокой плотности) и концентрации паровой фазы центре циклона. Такая сепарация называется центробежной.
Такая сложная схема испарения обусловлена необходимостью поддержания уровня растворенных и нерастворенных (шлам) примесей в котловой воде. Повышение солесодержания приводит к выпадению накипи на поверхностях нагрева, а также их ускоренной коррозии. Система водоподготовки, безусловно, обеспечивает необходимой качество добавочной воды, однако не делает идеальной, и определенное количество примесей попадает в котел.
Рис. 19. Барабан котла
Необходимо обратить внимание, что питательная вода подается только в барабан, а выносные циклоны не подается. Таким образом, в барабане создается избыток воды, который перетекает из барабана в циклон по специальному трубопроводу. Таким образом, можно говорить, что переток из барабана в циклон является питательной водой для второй ступени испарения.
Для стабилизации солесодержания необходимо часть теплоносителя выводить из основного контура. Такой вывод называется продувкой. Продувка обеспечивает уровень примесей в котловой воде и паре нормам ПТЭ. Так как чистая питательная вода подается в барабан, то он носит название – чистый отсек, выносные циклоны, запитывающиеся более «грязным» перетоком, – солевой отсек. Продувка, очевидно, должна производиться из самой «грязной» точки контура. Поэтому она организована из выносных циклонов. Концентрация примесей в продувке составляет величину в сто раз большую, чем в питательной воде.