Раздел 2. Источники возобновляемой нетрадиционной энергетики

У середині XX століття розвиток теплових електростанцій ішов шляхом збільшення одиничної потужності та економічності енергетичного устаткування. При цьому у 50-ті роки XX століття в СРСР почали будувати ТЕС з енергоблоками 100, 150 і 200 МВт, а у 60-ті роки вводити в експлуатацію на електростанціях енергоблоки потужністю 300, 500 і 800 МВт. Введений в експлуатацію також один енергоблок потужністю 1200 МВт. У цих блоках встановлені котли на надкритичні параметри пари.

Перехід котлів на надкритичні параметри пари диктувався економічною доцільністю, яка визначалася оптимальним балансом економії палива за рахунок підвищення термічного к.к.д. циклу і дорожчання устаткування та експлуатації. Відмова від застосування в могутніх блоках барабанних котлів на докритичні параметри пари визначалася значним зростанням вартості котла в результаті збільшення маси барабана, яка для котла блоку 500 МВт досягала 200 т. Монтаж і експлуатація такого котла значно ускладнюються, тому оптимальна потужність енергоблоків з барабанними котлами, що несуть базове навантаження, не перевищує 400 МВт. У зв'язку з цим при створенні блоків великої потужності було ухвалено рішення про перехід на прямоточні котли надкритичного тиску.

Перші прямоточні котли для енергоблоків 300 МВт моделей ТПП-110 і ПК-39 та котли для енергоблоків 800 МВт моделей ТПП-200, ТПП-200-1 були виготовлені на початку 60-х років XX століття. Виконувалися вони двокорпусними. Парові котли ТПП-110 і ПК-39 були виготовлені з несиметричним розташуванням поверхонь нагріву в кожному корпусі (моноблоці).

У котлі ТПП-110 в одному корпусі розміщена основна частина первинного пароперегрівника, в другому корпусі – решта частини цього пароперегрівника і вся поверхня нагріву проміжного пароперегрівника. При такому розташуванні пароперегрівників температура пари в кожному з них регулюється шляхом зміни співвідношення «живильна вода – паливо». Додатково температура проміжної пари регулюється в газопаровому теплообміннику.

Перерозподіл теплового навантаження між корпусами, який має місце при регулюванні температури пари, небажаний, оскільки при спалюванні антрацитового штибу та інших видів низькореакційного палива відбувається зниження температури гарячого повітря, що призводить до збільшення втрат теплоти від недопалювання палива.

У двокорпусному паровому котлі моделі ПК-39, виготовленому по Т-подібній схемі, первинний і проміжний пароперегрівники розташовані у чотирьох конвективних шахтах корпусів несиметрично до вертикальної осі котла. При зміні кількості продуктів згорання у правій і лівій конвективній шахті кожного корпусу відбувається перерозподіл теплосприйняття первинним і проміжним пароперегрівниками, що призводить до зміни температури пари. У двокорпусному паровому котлі із симетричними корпусами моделей ТПП-200, ТПП-200-1 конвективні шахти кожного корпусу розділені на три частини вертикальними перегородками. У середній частині конвективної шахти розміщуються пакети водяного економайзера, у двох крайніх – пакети конвективного пароперегрівника високого тиску і проміжного.

Досвід експлуатації котлів ТПП-110 підтвердив можливість регулювання температури первинної і проміжної пари шляхом зміни співвідношення «живильна вода – паливо» в кожному з корпусів. Разом з тим при експлуатації цих котлів спостерігалася підвищена кількість їх аварійних зупинок. Істотно ускладнювалася експлуатація котлів.

Мал. 2.13. Конструктивна схема парового котла ТПП-312А

Аналогічна картина спостерігалася при дослідній експлуатації котла ПК-39.

Надалі замість цих котлів вироблялися двокорпусні агрегати, але із симетричним розташуванням поверхонь нагріву в корпусах – дубль-блоки (ТПП-210, ТПП-210А, ТГМП-114, ПК-41, ПК-49, П-50).

Застосування двокорпусних котлів із симетричним розташуванням поверхонь нагріву підвищує надійність роботи енергоблока. При аварійній зупинці одного з корпусів енергоблок може працювати зі зниженим навантаженням на іншому корпусі. Проте робота з одним корпусом менш економічна. До недоліків двокорпусних котлів відноситься також складність схеми трубопроводів, велика кількість арматури, підвищена вартість.

Досвід експлуатації енергоблоків з котлами надкритичного тиску показав, що коефіцієнт використання агрегатів з одним корпусом не нижчий, ніж з двома. Крім того, внаслідок зменшення кількості пароводяної арматури і приладів автоматичного регулювання спрощується обслуговування енергоблоків з однокорпусними котлами. Ці обставини зумовили перехід до виробництва однокорпусних котлів надкритичного тиску.

Паровий котел ТПП-312А паропродуктивністю 1000 т/год (мал. 2.13) призначений для роботи на кам'яному вугіллі в блоці з турбіною 300 МВт. Він виробляє перегріту пару з тиском 25 МПа й температурою 545°С та має к.к.д. 92%. Котел – однокорпусний, з промперегрівом, П-подібної компоновки з відкритою призматичною топковою камерою. Екрани по висоті топкової камери розділені на чотири частини: нижню радіаційну частину, середню, що складається з двох частин, і верхню радіаційну частину. Нижня частина топкової камери екранована ошипованими, покритими карборундом, трубами. Шлаковидалення – рідке. На виході з топкової камери розташований ширмовий пароперегрівник, у конвективній шахті – конвективні пароперегрівники високого і низького тиску. Температура пари високого тиску регулюється впорскуванням живильної води, а пари низького тиску – паропаровим теплообмінником. Підігрів повітря здійснюється в регенеративних повітропідігрівниках.

Розроблені і знаходяться в експлуатації наступні однокорпусні котли надкритичного тиску: пиловугільні ТПП-312, П-57, П-67, газомазутні ТГМП-314, ТГМ-324, ТГМП-344, ТГМП-204, ТГМП-1204. У 2007 році на ТКЗ «Красный котельщик» виготовлені котли ТПП-660 паропродуктивністю 2225 т/год й тиском пари на виході 25 МПа для енергоблоків ТЕС «Бар» (Індія). Термін служби котлів – 50 років.

На останньому енергоблоці ТЕС «Неmweg» в Нідерландах (див. розділ 4) встановлений паровий двопрохідний котел за технологією Бенсона (мал. 2.14) паропродуктивністю при повному навантаженні 1980 т/год, спроектований фірмою «Mitsui Bаbсосk Еnегgу» й призначений для роботи на кам'яному вугіллі (як основному виді палива) і газі в блоці з турбіною потужністю 680 МВт.

Цей радіаційний прямоточний котел надкритичного тиску виробляє пару з тиском 26 МПа і температурою 540/568°С. Він працює в режимі модифікованого ковзаючого тиску, за якого тиск турбіни на вході регулюється до рівня, що змінюється разом з навантаженням енергоблоку.

Котел обладнаний трьома пароперегрівниками з проміжними впорскуючими пароохолоджувачами й двома блоками проміжних пароперегрівників (хоча це цикл з одноразовим проміжним перегрівом). Економайзер є горизонтальним змійовиком з труб з ребристою поверхнею. Первинний пароперегрівник виконаний у вигляді одного горизонтального і одного вертикального блоку. Вторинний ширмовий пароперегрівник є підвісним одноконтурним блоком, а останній ступінь пароперегрівника також виконаний у вигляді одноконтурного підвісного блоку. Температура гострої пари на виході котла 540°С.

Мал. 2.14. Котел надкритичного тиску ТЕС «Неmweg» (Нідерланди) в розрізі: 1 – пальники з низьким виділенням NОх; 2 – отвори гострого дуття; 3 – перегрівники високого тиску; 4 – промпароперегрівник; 5 – насос; 6 – корпус сепаратора

Система проміжного пароперегрівника котла має два ступеня – первинний і кінцевий. Первинний ступінь включає два горизонтальні блоки, кінцевий ступінь промперегреву представлений вертикальним блоком у вигляді складеного контура, розташованого в газоході котла. На виході котла температура перегрітої пари складає 568°С.

 Мал. 2.15. Загальна схема сучасного газомазутного парового котла ТГМП-805С3 (в розрізі)

Система сажообдувки котла складається з 107 воздуходувок, що приводяться в дію програмованим логічним контролером. Видалення зольного залишку здійснюється скребковим конвеєром, що проходить під топкою, і гідравлічним транспортом до резервуару-фільтру для зольного залишку.

Температура димових газів на виході складає біля 350°С. Далі вони охолоджуються до 130°С в регенеративних повітропідігрівниках, що обертаються.

Конструкція котла передбачає мінімізацію викидів NOx за рахунок використання пальників з низьким виділенням NOx і гострого дуття. Досягненню хороших екологічних показників сприяє десульфуризація димових газів, що дозволяє видаляти SO2 з відпрацьованих газів.

Сучасний газомазутний паровий котел ТГМП-805СЗ (мал. 2.15) паропродуктивністю 2650 т/год призначений для вироблення перегрітої пари з робочим тиском 25,5 МПа і температурою 545°С для парової турбіни потужністю 800 МВт. Котел прямоточний, газомазутний, однокорпусний, підвішений на хребтових балках, що опираються на колони будівлі котельного відділення, і може встановлюватися в районах із сейсмічністю 8 балів. Він має відкриту топкову камеру призматичної форми. Вона утворена суцільнозварними трубчастими панелями, в нижній частині яких розміщується суцільнозварний горизонтальний подовий екран, а у верхній частині – горизонтальний газохід, закритий зверху суцільнозварним трубчастим стельовим екраном. Екрани топкової камери розділені по висоті на нижню і верхню радіаційні частини.

На фронтовій і задній стінах топкової камери котла розміщено 36 газомазутних пальників. У горизонтальному газоході послідовно по ходу газів розміщено п'ять вертикальних конвективних поверхонь нагріву – парогенеруюча поверхня нагріву, що включена в пароводяний тракт котла до вбудованої засувки, три частини пароперегрівника високого тиску, вихідний ступінь пароперегрівника низького тиску.

Регулювання температури вторинної пари здійснюється за допомогою рециркулюючих газів. В опускному газоході, екранованому суцільнозварними трубчастими панелями, послідовно по ходу газів розміщений вхідний ступінь пароперегрівника низького тиску і водяний економайзер.

Одним з найзначніших досягнень теплоенергетики кінця XX століття в світі стало впровадження супернадкритичних котлів, які на даний час здатні працювати при тиску пари на виході 30 МПа і температурі 600/650°С. Це стало можливим завдяки розробкам в області технології матеріалів, які можуть витримувати умови високих температур і тиску. У «великій енергетиці» вже працюють котли (їх частіше називають «парогенераторами») продуктивністю більше 4000 т/год. Такі котли забезпечують парою енергоблоки 1000–1300 МВт на електростанціях в США, Росії, Японії і у деяких країнах Європи.

На даний час продовжується розробка нових моделей парових котлів для енергоблоків ТЕС. При цьому котли конструюються як на супернадкритичні, надкритичні, так і докритичні параметри пари. Наприклад, на 2 енергоблоках ТЕС «Нейвелі» (Індія) потужністю по 210 МВт кожний встановлені парові котли Еп-690-15,4-540 ЛТ, призначені для роботи на низькокалорійних індійських лігнітах. Це барабанні котли з природною циркуляцією, докритичного тиску з промперегрівом, однокорпусні, з твердим шлаковидаленням, баштового типу. Паропродуктивність такого котла 690 т/год, параметри пари – тиск 15,4 МПа на виході з котла й 3,5 МПа на виході з промпароперегрівника, температура пари 540°С.
ТЕС «Нейвелі» (Індія) – 2210 МВт – з котлами баштового типу Еп-690-15,4-540 ЛТ

Топкова камера котла відкрита і обладнана 12 спареними прямоточними багатоканальними пальниками, встановленими на всіх стінах топки в два яруси. Для очищення поверхонь нагріву встановлені апарати водяної і парової обдувки.

Необхідно відзначити, що енергетика країн СНД базується на застосуванні двох типів парових котлів – прямоточних і котлів з природною циркуляцією. У зарубіжній практиці нарівні з прямоточними котлами широко використовуються котли з примусовою циркуляцією.

Окрім основних – парових котлів високого і надкритичного тиску, – на ТЕС в даний час використовуються й інші типи котлів: пікові водогрійні котли, котли для спалювання вугілля в киплячому шарі, котли з циркуляційним киплячим шаром й котлиутилізатори. Деякі з них і стануть прообразом котлів для майбутнього розвитку теплоенергетики.