Развитие котельных агрегатов на высокие параметры пара

Параллельно с вышеописанными изменениями профиля котельного агрегата в теплоэнергетике происходили большие сдвиги, связанные с ростом параметров пара.

Топливный кризис, имевший место после первой мировой войны, не только вызвал к жизни пылесжигание, но и дал сильный толчок применению повышенных параметров пара.

В течение первого периода внедрения высокого давления (1925—1930 гг.) значительные трудности были связаны с большей чувствительностью первых котлов высокого давления к нарушениям циркуляции, образованию накипи и коррозии.

Кроме того, многобарабанные вертикально-водотрубные котлы, того времени получались очень дорогими из-за значительной стоимости цельнокованых барабанов высокого давления, а, секционные котлы имели ряд трудностей с уплотнениями многочисленных лючков и ненадежностью циркуляции.

Все это привело к поискам новых путей генерации пара. Почти одновременно появились самые разнообразные типы котлов: с промежуточным теплоносителем (котлы Рутса, Шмидта — Гартмана), с получением насыщенного пара путем вдувания в воду перегретого (котлы Леффлера), с принудительной циркуляцией (котлы Ла-Монта), прямоточный с парообразованием при давлении выше критического и дросселированием пара до рабочего давления (котлы Бенсона) и ряд других.

Эти типы котлов внесли много нового в организацию внутрикотловых процессов, в конструкцию отдельных элементов, в технологию изготовления котлоагрегатов и тема самым сильно способствовали техническому прогрессу в котлостроении. Однако в результате длительной промышленной проверки из всего многообразия новых предложений широкое применение нашли только два типа котлов и притом в форме, мало похожей на первоначальную. Этими типами явились — котел с принудительной, циркуляцией, нашедший в 1930—1945 гг. довольно значительное распространение для агрегатов средней мощности, а за последнее время идля мощных котлов, сверхвысокого давления (140—180 ат. и, в особенности, прямоточный котел, оказавшийся пригодным не только для сверхкритического давления, но и для всего диапазона высоких давлений (100 ата и выше).

Котел с принудительной циркуляцией по принципиальной схеме аналогичен котлу с естественной циркуляцией и отличается только включением в циркуляционный контур специального насоса (рис. 1.11).

Рис. 1.11 Схема котла с искусственной циркуляцией

1 – барабан, 2- опускные трубы, 3 – насос многократной принудительной циркуляции, 4 – испарительные трубы, 5 – фестон, 6 - пароперегреватель

Однако применение насоса вносит ряд существенных изменений в конструкцию и эксплуатацию кoтла. Наличие насоса ведет к большей свободе компоновки поверхности нагрева, так как расположение кипятильных труб не связывается с необходимостью получения достаточного естественного циркуляционного напора. Большая величина располагаемого напора — обычно около 3 ат вместо 0,5—1 ат при естественной циркуляции, позволяет применять кипятильные трубы малого диаметра (d_вн=30 мм и менее) и значительной длины (L/d до 2 000 вместо L/d< 500 для котлов с естественной циркуляцией). Часть перепада давления, развиваемого насосом, используется для центробежного отделения пара от воды в, барабане, что позволяет уменьшить размеры барабана.

Значительную роль играют независимость циркуляционного напора от нагрузки котла и, следовательно, наличие большой скорости циркуляции при всех паропроизводительностях и даже при растопке до начала, отдачи пара. Это обеспечивает равномерность прогрева всего котла во время растопки и позволяет использовать в испарительных поверхностях не только восходящее, но и нисходящее движение пароводяной смеси.

Эти преимущества обеспечили котлам с принудительной циркуляцией быстрое распространение для промышленных силовых установок и в качестве агрегатов, использующих отходящие газы печей, двигателей внутреннего сгорания и т. п. В этих условиях решающим фактором являлись свобода компоновки и возможность располагать барабан в любом месте относительно поверхностей нагрева и размещать последние в ограничен­ных габаритах.

На мощных электростанциях с пылеугольными топками применение принудительной циркуляции при среднем и даже высоком давлении (80—100 ата) не давало существенных преимуществ по компоновке экранных поверхностей, а конвективных испарительных поверхностей эти котлы, как правило, не имеют.

Вместе с тем наличие циркуляционных насосов приводило к некоторому повышению затраты энергии на собственные нужды котла. Сами насосы, несмотря на их относительную простоту (они выполняются одноколесными, консольными), являлись довольно дорогими элементами котла, а уплотнение вала при высокой температуре воды (250—230° С) вызывало определенные трудности.

Прямоточные котлы (рис. 1. 12) по своей схеме резко отличаются от барабанных котлов с многократной циркуляцией. В своей простейшей форме прямоточный котел представляет собой непрерывный обогреваемый змеевик, в один конец которого поступает питательная вода, а из другого выходит перегретый пар. Такая конструкция не содержит ряда дорогих элементов: барабана, коллекторов, опускных необогреваемых труб, которые значительно удорожают барабанные котлы. Однако практически, уже начиная, с мощности котла D=3—8 т/ч, приходится применять несколько-параллельных витков и число их в больших котлах доходит до 50—100 и выше.

Так как, в котлоагрегате неизбежно, возникает так называемая температурная разверка, характеризуемая тем, что отдельные витки начинают выдавать пар, различной температуры, то на пути рабочего тела приходится устанавливать несколько промежуточных коллекторов, в которых потоки, идущие из отдельных труб, смешиваются, и затем снова распределяются по, трубам следующего участка поверхности нагрева.

Рис. 1.12. Схема прямоточного котла высокого давления 1 – экономайзер; 2 – нижняя радиационная часть (испарительная); 3 – переходная зона; 4 – верхняя радиационная часть (перегревательная); 5 – конвективный пароперегреватель; 6 – первая ступень воздухоподогревателя; 7 – вторая ступень воздухоподогревателя

В прямоточном котле скорость входа воды в трубки меняется пропорционально нагрузке и, составляет при номинальной паропроиз-водительнорти 1,5—2,0 м/сек, при частичных нагрузках сильно падает. Поэтому в прямоточных котлах избегают нисходящих участков кипятильных труб, по крайней мере в зоне начала испарения, где паросодержание смеси и скорость ее невелики, и поэтому возможен застой пара в местах перехода от подъемного к нисходящему движению.

Вместе с тем число параллельно включенных труб, определяемое расходом питательной воды, даже при малом диаметре труб (d_aH «30 мм) оказывается недостаточным для того, чтобы занять вертикальными подъемными трубами весь периметр топки. Поэтому в советских прямоточных котлах трубы располагаются в виде ленты, обвивающей пери­метр, топочной камеры по спирали, что позволяет при небольшом числе труб покрыть все стенки, не прибегая к опускному движению (рис. 1.12).

В первых немецких прямоточных котлах применялась та же схема, но в дальнейшем перешли на конструирование экранов в виде вертикальньх отдельных панелей, последовательно соединенных опускными –наружными (необогреваемыми) трубами). Это заметно увеличило расход металла, но упростило монтаж, так как отдельные панели можно было полностью собирать на заводе.

Относительно высокие скорости рабочего тела в трубах прямоточного котла и большая длина труб испарительной зоны приводят к довольно большому гидравлическому сопротивлению этой зоны, особенно при невысо­ких давлениях, когда велик удельный объем пара.

Для снижения напора питательного насоса, преодолевающего это сопротивление, в советских котлах выпуска 1943—1945 гг. входная скорость была снижена примерно до 0,6 м. Это привело к расслоению потока пароводяной смеси в трубах, пульсации температур металла и многочисленным повреждениям труб. Эти повреждения создали впечатление о меньшей надежности прямоточных котлов, что задержало их распространение в СССР. В начале 50-х годов прямоточные котлы новых выпусков (скорость входа воды при номинальной нагрузке до 2 м/сек) по надежности работы поверхностей нагрева уже не уступали барабанным котлам.

Известные, ограничения в применении прямоточных котлов вносит их водный режим. В барабанных котлах загрязнения, содержащиеся в питательной воде, в основном удаляются с продувкой; в прямоточных бесеепараторных котлах испарение в трубках безостаточное и соли либо отлагаются на стенках, либо растворяются в паре и уносятся с ним в турбину. При низких давлениях растворяющая способность пара невелика и "большинство солей отлагается на стенках в зоне испарения остатков воды («переходная» зона).

Несмотря на питание прямоточных котлов водой с малым солесодержанием (турбинный конденсат, дистиллат испарителей), в этой зоне накапливаются отложения и поэтому очень скоро переходную зону стали выносить из топки в область умеренных температур. В таких условиях можно было безопасно накапливать в котле значительные количества солей (до 100 кг) и удалять их периодической промывкой.

По мере перехода к высоким давлениям растворяющая способность, пара увеличивается и уже при 100—140 ата соли натрия практически полностью проходят котел транзитом и поступают с паром в турбину. В итоге на ряде прямоточных котлов, имевших в питательной воде в основном соли натрия, стало обнаруживаться отсутствие отложений в котле, но сильный занос турбин. Для борьбы с этим наряду с мероприятиями по улучшению водного режима начали разрабатывать различные сепарационные устройства для непрерывного вывода солей из котла.

Принципиальная схема сепараторного прямоточного котла показана на рис. 1.13. Как видно из рисунка, в зоне малой влажности устанавливается сепаратор, отделяющий воду от пара. Вода, содержащая основную массу солей, отводится в дренаж, а пар направляется в пароперегреватель.

Главной трудностью является поддержание на входе в сепаратор устойчивого и притом небольшого влагосодержания. При высоком влагосодержании продувка будет велика, что ведет к значительным энергетическим потерям; при малом среднем влагосодержании часть труб будет выдавать в сепаратор перегретый пар. В этом случае растворимые в паре соли натрия будут поступать в сепаратор вместе с паром и, смешиваясь с влагой, поступающей издругих труб, растворяться в ней. Однако, слабо растворимые в воде и почти нерастворимые в паре не очень высокого давления соли кальция будут отлагаться на, трубках до сепаратора и эффект сепарации понизится. В целом можно сказать, что сепараторы, применяющиеся и в зарубежных, прямоточных котлах (Зульцер), и в СССР, облегчают задачу получения чистого пара при пониженном качестве конденсата, но не позволяют применять питательную воду со значительным солесодержанием, как это можно делать в барабанных котлах.

Рис. 1.13. Схема прямоточного сепараторного котла 1 – экономайзер; 2 – нижняя радиационная часть (испарительная); 3 – переходная зона; 4 – сепаратор; 5 – продувка; 6 – верхняя радиационная часть (перегревательная); 7 – конвективный пароперегреватель

Вместе с тем применение сепараторов привело к отделению поверхности пароперегревателя от испарительной зоны, что повысило стабильность перегрева на прямоточных котлах применение сепараторов привело к отделению поверхности пароперегревателя от испарительной зоны, что повысило стабильность перегрева на прямоточных котлах. Однако и на бессепараторных прямоточных котлах успехи автоматического регулирования обеспечили достаточно устойчивое поддержание температуры перегрева. В целом прямоточные котлы оказались для мощных конденсационных станций высокого давления достаточно надежными.

Вместе с тем за эти годы и барабанные котлы высокого давления значительно улучшили свои показатели. - Применение методов внутрикотловой обработки воды обеспечило безнакипной режим кипятильных труб; исследование естественной циркуляции позволило надежно использовать ее при 100—140 и даже 180 ата. Все это сильно повысило надежность котлов, высокого давления с естественной циркуляцией, а переход на радиационные одно-барабанные котлы и изготовление барабанов путем сварки свели цену барабанов к небольшой части общей стоимости котлоагрегата (10—15% и даже меньше).

В итоге котлы с естественной циркуляцией оказались способными выдержать конкуренцию со стороны прямоточных котлов и котлов с многократной принудительной циркуляцией. В дальнейшем все три типа развивались параллельно.