2.4. Паровые энергетические котлы

Паровые энергетические котлы средней мощности объединяют в одно семейство большое число различных типов водотрубных котлов паропроизводительностью от 100 до 640 т/ч. Энергетические котлы средней мощности выпускаются на среднее и высокое давление перегретого пара, при этом они конструктивно выполняются как барабанными, с естественной и принудительной циркуляцией, так и прямоточными. В паровых котлах средней производительности наиболее часто используются камерные пылеугольные и газомазутные топки. В последние годы в этих котлах применяются также топочные устройства, позволяющие сжигать низкокалорийное топливо в циркулирующем кипящем слое, а также вихревые топки различных конструкций.

Паровые энергетические котлы средней мощности работают как на уравновешенной тяге, так и под наддувом. В них может сжигаться твердое топливо, а также природный газ и мазут.

Производство энергетических котлов средней мощности начало бурно развиваться в СССР в конце 40-х годов прошлого века, когда для восстановления после войны народного хозяйства и дальнейшего его роста требовалось интенсивное наращивание энергетических мощностей. Для повышения термического коэффициента полезного действия паросиловой установки необходим был переход на более высокие параметры пара (давление и температуру перегрева).

В 1947 году был создан первый образец двухбарабанных котлов высокого давления паропроизводительностью 230 и 170 т/ч, которые серийно выпускались до 1958 года различной модификации: пылеугольные, газомазутные, для сжигания отходов углеобогащения, с камерными топками и горизонтальными циклонными предтопками. Особенностью этих котлов является наличие двух барабанов, соединенных между собой большим количеством перепускных труб. Наличие двух барабанов обуславливалось стремлением произвести максимальную осушку пара до поступления его в пароперегреватель. Такое усложнение конструкции связано было с тем, что при проектировании этих котлов не были еще известны надёжно работающие при высоком давлении сепарационные устройства.

Появление новых конструкций паросепарационных устройств позволило отказаться от двухбарабанной конструкции котлов высокого давления и перейти к однобарабанной конструкции котла высокого давления (10 МПа) – ТП-13 паропроизводительностью 220 т/ч, но с более высоким давлением и температурой перегрева 540°С.

До 1962 года котлы этой серии, предназначенные для сжигания угольной пыли, оборудовались угловыми щелевыми горелками, установленными по две на каждой боковой стене. При совместном сжигании угольной пыли и доменного газа турбулентные пылеугольные горелки устанавливались на боковых стенах навстречу друг другу, а газовые горелки – на фронтальной стене.

В аналогичном по паропроизводительности и параметрам пара газомазутном котле ТГМ-151 практически отказались от горизонтального переходного газохода между топочной камерой и опускной конвективной шахтой, а трубчатый воздухоподогреватель был заменен регенеративным вращающимся.

Дальнейшее повышение параметров пара привело к разработке котлов с давлением пара 14 МПа и температурой перегрева 570°С. У всех котлов этой группы, работающих на различных топливах, топочная камера разделена на две части двухсветным экраном, что позволило удержать рост размеров котла при увеличении примерно вдвое его паропроизводительности (с 220 до 420 т/ч).

Рис. 2.9. Продольный разрез котла ТП-80 паропроизводительностью 420 т/ч для сжигания антрацита и тощих углей: 1 – барабан; 2 – топочная камера; 3 – пылеугольные горелки; 4 – под с леткой; 5 – ширма; 6 – конвективная часть пароперегревателя; 7 – экономайзер; 8 – трубчатый воздухоподогреватель; 9 – выносной сепарационный циклон

На рис. 2.9 представлен разрез такого котла для сжигания низкореакционного топлива – антрацита и тощих углей. Топочная камера котла ТП-80 рассчитана на жидкое шлакоудаление и оборудована высоким зажигательным поясом. Горелочные устройства расположены навстречу друг другу на фронтовой и задней стенах топки.

Для эффективного сжигания низкореакционного топлива применен высокий подогрев воздуха (до 400°С), что обусловило двухступенчатую компоновку воздухоподогревателя, то есть расположение выходной его части в области повышенных температур газового потока.

В целях дальнейшего повышения экономичности паротурбинного цикла на котлах производительностью 420 т/ч введен вторичный перегрев пара. Из этой группы котлов представляет интерес котел марки ТП-92 паропроизводительностью 420 т/ч, на 14 МПа, 570/580°С (рис. 2.10). В этом котле используется каменный уголь низкой влажности при умеренной температуре горячего воздуха. Удаление шлака – твердое. Топочная камера, как и в других котлах паропроизводительностью 420 т/ч, разделена на две части двухсветным экраном. Одноступенчатый воздухоподогреватель расположен не под экономайзером, а в отдельной, самостоятельной шахте.

Рис. 2.11. Паровой котел ТПЕ-430 в разрезе

Рис. 2.10. Котел ТП-92 паропроизводительностью 420 т/ч для сжигания маловлажных каменных углей: 1 – барабан котла; 2 – топочная камера; 3 – горелочные устройства; 4 – устройство для механического шлакоудаления; 5 – ширмы; 6 – конвективный пароперегреватель; 7 – водяной экономайзер; 8 – трубчатый воздухоподогреватель

В газомазутных котлах этой серии несколько увеличена радиационная часть пароперегревателя. Вместо трубчатого используются регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели, устанавливаемые не под экономайзером, а позади него. В освободившейся части опускного газохода располагается конвективная часть пароперегревателя. Благодаря этому длина горизонтального газохода сведена к минимуму, то есть опускная конвективная шахта располагается почти вплотную к топочной камере.

В настоящее время более современные (по сравнению с описанными) паровые энергетические котлы средней производительности выпускаются ведущими фирмами–производителями энергетического оборудования России.

В настоящее время барабанные паровые котлы с естественной циркуляцией в интервале производительности от 100 до 500 т/ч выпускаются в Таганроге и Подольске. ПО «Красный котельщик» (г. Таганрог) выпускает паровые котлы производительностью от 160 т/ч (на среднее давление) до 630 т/ч (на сверхкритическое давление). В Украине производство энергетических котлов отсутствует.

Типичным представителем семейства барабанных котлов средней производительности является котел ТПЕ-430 (рис. 2.11). Он имеет производительность 500 т/ч при давлении перегретого пара 13,8 МПа и температуре перегрева 560°С и предназначен для сжигания углей марки СС. Коэффициент полезного действия котла 90,5%.

Паровой котел однобарабанный, с естественной циркуляцией, имеет П-образную компоновку поверхностей нагрева. Котел выполнен газоплотным и предназначен для работы на уравновешенной тяге.

Стены топочной камеры, горизонтального и опускного конвективного газоходов образованы газоплотными панелями из труб, между которыми вварена полоса. Пароперегреватель котла состоит из радиационного и ширмового пароперегревателей, расположенных в верхней части топки, и двух конвективных ступеней в горизонтальном газоходе. Мембранный экономайзер состоит из двух ступеней и находится в опускном газоходе. Котел оборудован 8 плоскофакельными горелками.

Для подогрева воздуха котел ТПЕ-430 снабжен трубчатым и регенеративным воздухоподогревателями.

Регулирование температуры перегрева пара осуществляется впрыском собственного конденсата. В котле применено твердое шлакоудаление.

Процессы подпитки воды, горения и регулирования температуры перегрева пара полностью автоматизированы.

Параллельно с барабанными котлами до настоящего времени развивались конструкции прямоточных котлов средней производительности. В начале 50-х годов XX столетия прямоточные котлы высокого давления стал изготавливать Подольский машиностроительный завод. Одним из первых был создан котел марки СП-67 производительностью 230 т/ч, давлением 9,8 МПа и температурой 510°С.

В последующем производство прямоточных энергетических паровых котлов средней мощности, генерирующих пар высокого давления, было сосредоточено на ПО «Красный котельщик».

Паровой котел ПК-38-Р (ПП-270-13,8545/545ГМ) предназначен для выработки перегретого пара с рабочим давлением 13,8 МПа и температурой 545°С, имеет паропроизводительность 270 т/ч и к.п.д. 92,8%. Он может работать как в качестве низконапорного парогенератора по схеме дожигания в составе парогазовой установки, так и в составе традиционной паросиловой установки. Это прямоточный, газомазутный котел, выполненный по П-образной компоновке и устанавливаемый на собственном каркасе (рис. 2..12).

Топочная камера – открытая, призматическая, прямоугольного сечения. При реконструкции котла в газомазутный сохранена «холодная» воронка. Над «холодной» воронкой на боковых стенах установлено 6 газомазутных горелок треугольником вниз (по 3 горелки на стене). Для снижения генерации оксидов азота топка котла оснащена схемой ступенчатого сжигания, для чего над горелками установлены сопла критического дутья.

Первый промышленный энергетический прямоточный котел (паропроизводительность 200 т/ч, давление 13,8 МПа, температура перегретого пара 500°С) в СССР был разработан профессором Л.К. Рамзиным и установлен в 1933–1934 гг. на одной из московских ТЭЦ (ТЭЦ ВТИ).

Леонид Константинович Рамзин (1887–1948)– один из крупнейших теплотехников ХХ века, изобретатель прямоточного котла. Блестяще окончив в 1914 году Московское высшее техническое училище, был оставлен в МВТУ для занятий научной и педагогической деятельностью. Исключительные способности, энергия и трудолюбие в течение 5 лет сделали Рамзина одной из самых ярких фигур энергетического сообщества России. Десять лет он руководил кафедрами «Топливо, топки и котельные установки» и «Тепловые станции» МВТУ. Он являлся одним из организаторов Всероссийского теплотехнического института (ВТИ), а с 1921 года по 1930 год был директором, затем с 1944 по 1948 год научным руководителем этого института. На рубеже 1920–1930-х годов ученый вел успешные изыскания главного своего детища – прямоточного парового котла, предназначенного для использования дешевого топлива. В 1943 году Рамзиным была организована кафедра котлостроения в Московском энергетическом институте для подготовки инженеров-конструкторов по котлостроению, которой он руководил до 1948 года. Основные труды Л.К. Рамзина посвящены проблемам котлостроения, расчетам котельных установок, теории излучения в топках, исследованию топлив, теплофикации и проектированию теплосиловых станций.

Рис. 2.12. Общий вид прямоточного парового котла ПК-38-Р в разрезе

Топка и поворотный газоход экранированы трубами нижней, средней и верхней радиационной части и имеют навивку Рамзина. Котел обшит металлом по каркасу.

На выходе из топки в поворотном газоходе установлен ширмовый пароперегреватель, в опускном газоходе – конвективный пароперегреватель высокого давления, две ступени конвективного пароперегревателя низкого давления, водяной экономайзер, газовый подогреватель воды высокого и низкого давления.

Регулирование температуры пара низкого давления осуществляется байпасированием первой ступени конвективного пароперегревателя низкого давления, а дополнительно – рециркуляцией дымовых газов, отбираемых после водяного экономайзера.

Котел снабжен необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами, средствами защиты, а также автоматизированной системой управления технологическим процессом.