МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ПАРОВОГО КОТЛА В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Электрическая станция представляет со­бой промышленное предприятие для выработ­ки электрической энергии. Основное количе­ство энергии в СССР и в крупных и эко­номически развитых странах мира произво­дя на тепловых электрических станциях, (ГЭС), использующих химическую энергию сжигаемого органического топлива Электри­ческую энергию вырабатывают также на теп­ловых электрических станциях, работающих на ядерном горючем, — атомных электриче­ских станциях (АЭС) и на электростанциях, использующих энергию потоков воды, — гид­роэлектростанциях (ГЭС).

Независимо от типа электростанции элек­трическую энергию, как правило, вырабаты­вают централизованно. Это значит, что от­дельные электрические станции работают параллельно на общую электрическую сеть и, следовательно, объединяются в электрические системы, охватывающие значительную терри­торию с большим числом потребителей электрической энергии. Это повышает надежность электроснабжения потребителей, уменьшает требуемую резервную мощность, снижает се­бестоимость вырабатываемой электроэнергии за счет рациональной загрузки электростан­ций, входящих в электрическую систему, и позволяет устанавливать агрегаты большой единичной мощности. Широко пользуются и централизованным снабжением теплотой в ви­де горячей воды и пара низкого давления, вы­рабатываемых на некоторых электростанциях одновременно с электрической энергией. Элек­трические станции, электрические и тепловые сети, а также потребители электрической энергии и теплоты в совокупности составляют энергетическую систему. Отдельные энергети­ческие системы соединяют межсистемными связями повышенного напряжения в объеди­ненные энергетические системы. В ближайшие годы, на и базе будет создана Единая энер­гетическая система Советского Союза —высшая форма организации энергетического хо­зяйства страны.

Тепловые электростанции. Основными теп­ловыми электрическими станциями на органи­ческом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конден­сационные (К.ЭС), вырабатывающие только электрическую энергию, и теплофикационные (ТЭЦ), предназначенные для выработки электрической и тепловой энергии.

Паротурбинные электростанции выгодно отличаются возможностью сосредоточения огромной мощности в одном агрегате, относи­тельно высокой экономичностью, наименьшими капитальными затратами на их coopужения короткими сроками строительства. Основными тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС являются паровой котел и паровая турбина (рис. 1.1). Паровой котел представляет собой системы поверхностей нагрева для производ­ства пара из непрерывно поступающей в неге воды путем использования теплоты, выделяю­щейся при сжиганий топлива, которое подает­ся в топку вместе с необходимым для горения воздухом. Поступающую в паровой котел воду называют питательной водой. Питательная вода подогревается до температуры насы­щения, испаряется, а выделившийся из кипя­щей (котловой) воды насыщенный пар пере­гревается.

При сжигании топлива образуются про­дукты сгорания — теплоноситель, который в поверхностях нагрева отдает теплоту воде и пару, называемый рабочим телом. После поверхностей нагрева продукты сгорания при относительно низкой температуре удаляются из котла через дымовую трубу в атмосферу. На электростанциях большой мощности дымо­вые трубы выполняют высотой 200 — 300 м и больше, чтобы уменьшить местные концентрации загрязняющих веществ в воздухе. В результате горения твердого топлива остается зола и шлак, которые также удаляются из агрегата. Полученный в котле перегретый пар поступает в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую валу турбины. С последним связан электриче­ский генератор, в котором механическая энер­гия превращается в электрическую. Отрабо­тавший пар из турбины направляют в конден­сатор— устройство, в котором пар охлаждает­ся подои какого-либо природного (река, озеро, пруд, море) или искусственного (градирня) источника и конденсируется.

На современных КЭС с агрегатами единич­ной мощности 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. Обычно при­меняют одноступенчатый промежуточный пе­регрев пара (рис 1.1,а). В установках очень большой мощности применяют двойной про­межуточный перегрев, при котором пар из промежуточных ступеней турбины дважды возвращают в котел. Промежуточный пере­грев пара увеличивает к. п. д. турбинной уста­новки и соответственно снижает удельный расход пара на выработку электроэнергии, я также влажность пара на ступенях низкого давления турбины и уменьшает эрозионный износ лопаток.

Конденсатным насосом конденсат перека­чивают через подогреватели низкого давления (ПНД) в деаэратор. При доведении конден­сата до кипения происходит освобождение его от кислорода и углекислоты, вызывающих коррозию оборудования. Из деаэратора вода питательным насосом через подогреватели вы­сокого давления (ПВД) подается в паровой котел Подогрев конденсата в ПНД и пита­тельной воды в ПВД производится паром, от­бираемым из турбины, — регенеративный подогрев. Регенеративный подогрев воды также повышает к. п. д. паротурбинной установки, уменьшая потери теплоты в конденсаторе.

Таким образом, на КЭС (рис. 1.1,а) паро­вой котел питается конденсатом производи­мого им пара. Часть этого конденсата теряет­ся в системе электростанции и составляет утечки. На ТЭЦ часть пара, кроме того, отво­дится на технологические нужды промыш­ленных предприятий или используется для бытовых потребителей. На КЭС утечки состав­ляют небольшую долю общего расхода пара — около 0,5—1%, и для их восполнения требует­ся добавка воды, предварительно обрабаты­ваемой в водоподготовительной установке. На ТЭЦ эта добавка может достигать 30—50% и более.

Добавочная вода и турбинный конденсат содержат некоторые примеси, главным образом растворенные в воде соли, окислы ме­таллов и газы. Эти примеси вместе с пита­тельной водой поступают в котел. В процессе парообразования в воде повышается концен­трация примесей, и в определенных условиях возможно их выпадение на рабочих поверхно­стях котла в виде слоя отложений, ухудшаю­щего передачу через них теплоты. В процессе парообразования, кроме того, примеси воды частично переходят в пар, однако чистота пара должна быть очень высокой во избежа­ние отложения примесей в проточной части турбины. По обеим причинам нельзя допу­скать большого загрязнения питательной во­ды; допустимое загрязнение питательной воды и вырабатываемого пара регламентируется специальными нормами.

В число устройств и механизмов, обеспечи­вающих работу парового котла, входят: топливоприготовительные устройства; питатель­ные насосы, подающие в котел питательную воду; дутьевые вентиляторы, подающие воздух для горения; дымососы, служащие для отвода продуктов сгорания через дымовую трубу в атмосферу, и другое вспомогательное обо­рудование Паровой котел и весь комплекс перечисленного оборудования составляют ко­тельную установку. Современная мощная ко­тельная установка представляет собой слож­ное техническое сооружение для производства пара, в котором все рабочие процессы пол­ностью механизированы и автоматизированы; для повышения надежности работы ее осна­щают автоматической защитой от аварий.

Тенденции развития паровых котлов: уве­личение единичной мощности, повышение на­чального давления пара и его температуры, применение промежуточного перегрева пара, механизация и автоматизация управления, из­готовление и поставка оборудования круп­ными блоками для облегчения и ускорения его монтажа.

Атомные электростанции. Устройство, в ко­тором осуществляется регулируемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, называется ядерным реактором. В качестве ядерчого топлива используют как природные изотопы ²³⁵U, так и искусственные изотопы ²³³U, ²³⁹Рu и др. Ядерная энергия, освободив­шаяся в результате цепной реакции деления, превращается в теплоту, которая теплоносите­лем отводится из реактора. В зависимости от схемы АЭС бывают: одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные.

В одноконтурной АЭС (рис 1.2,а) пар об­разуется непосредственно в реакторе Следо­вательно, реактор одновременно является и парогенератором. Одноконтурные АЭС проще и дешевле, они содержат минимальное число элементов оборудования Вместе с тем под влиянием облучения в реакторе рабочее тело (вода и пар) становится радиоактивным, в связи с чем не только реактор, но л другое оборудование водопарового тракта электро­станции должно иметь биологическую защиту Загрязнение пара приводит к образованию отложений в элементах оборудования Так как эти отложения радиоактивны, то ремонт оборудования затрудняется.

В двухконтурной АЭС (рис. 1 2,6) нагре­ваемый в реакторе поток жидкости, газа или расплава металла является теплоносителем, который передает теплоту рабочему телу в па­рогенераторе. Следовательно, в двухконтурной АЭС появляется дополнительное оборудова­ние— парогенератор, удорожающий электро­станцию. Для передачи теплоты от теплоноси­теля рабочему телу в парогенераторе необхо­дим перепад температуры. Поэтому при вод­ном теплоносителе температура поступающего в турбину пара ниже, чем в одноконтурной АЭС. Наличие двух контуров приводит к не­обходимости поддерживать в реакторе более высокое давление, чем давление пара, направ­ляемого в турбину. Вместе с тем двухконтурные АЭС имеют преимущества перед одно­контурными, так как радиоактивность распро­страняется только в пределах первого конту­ра, и поэтому вскрытие турбины и другого оборудования в пределах второго контура для ремонта безопасно. Биологическая защита не­обходима только на первом контуре

В трехконтурной АЭС (рис 1 2,0) в каче­стве теплоносителя первого контура применя­ют жидкий натрий. Под влиянием облучения в реакторе натрий склонен к активации с об­разованием изотопа с высокой энергией γ - излучения. Поэтому первый контур отделяют от рабочего контура промежуточным — вторым контуром. Теплоносителем второго контура является также Na или сплав Na—К. Для защиты второго контура от попадания в него при нарушении плотности радиоактивного натрия первого контура давление во втором контуре поддерживается большим, чем в пер­вом контуре. Рабочим телом третьего контура служит вода. В трехконтурных АЭС биологи­ческая защита распространяется на первые два контура.

Комбинированные парогазовые установки и МГДУ. С применением пара сверхкритиче­ских параметров (р=25,5 МПа, t_nn=545°C) и промежуточного перегрева пара (t_вт=545°С), развитием регенерации теплоты, достижением высоких к. п. д. и мощности (1200 МВт и бо­лее) паротурбинных блоков тепловая эконо­мичность ТЭС приблизилась к своему термоди­намическому пределу (к. п. д. несколько более 40%). Дальнейшее повышение начальных па­раметров пара сильно увеличивает стоимость паротурбинных блоков из-за применения более высоколегированных и дорогостоящих сталей. Осложняется при этом и сохранение уже до­стигнутых показателей надежности.

Разработаны и проходят пробную эксплуата­цию комбинированные системы, сочетающие паротурбинную установку (ПТУ) с высоко­температурной газотурбинной установкой (ГТУ). Из всех известных в настоящее время практический интерес представляют парогазо­вые установки (ПГУ), в высокотемпературной части которых работает ГТУ, а в низкотемпе­ратурной ПТУ. На рис. 1.3 показаны две основные схемы ПГУ. В обеих схемах газо­турбинная часть работает на высокотемпера­турной теплоте. В установке, показанной на рис. 1.3,а, эта теплота выделяется в камере сгорания при подаче в нее топлива и сжатого в компрессоре атмосферного воздуха. Обра­зующиеся в ней газы используются в газовой турбине. Выхлопные газы вместе с топливом поступают в топочную камеру парового котла. в котором вырабатывается пар. На этом паре работает паровая турбина. В продуктах сго­рания, поступающих в топку котла, содержит­ся около 16% кислорода, в связи с чем подача воздуха специально для сжигания основной массы топлива в котле не предусматривается, а потому воздухоподогреватель не нужен Удельный расход топлива у ПГУ ниже на 3—4%, чем у ПТУ с теми же начальными па­раметрами пара.

Другая схема ПГУ (рис. 1.3,6) предусмат­ривает высоконапорный паровой котел (ВПК), в котором сжигание топлива и передача теп­лоты совершаются при высоком давлении (0,6—0,7 МПа). Это позволяет интенсифицировать эти процессы и проектировать котел с малым расходом металла и значительно меньших габаритов по сравнению с обычными. Как и в предыдущей схеме, газовая турбина работает на высокотемпературной теплоте продуктов сгорания — топочных газов ВПК. Паровая турбина работает на паре, выраба­тываемом ВПК. Покидающие газовую турби­ну продукты сгорания охлаждаются частью потока воды, идущей на выработку пара. При равенстве начальных параметров пара удель­ный расход топлива на 4—6% ниже, чем у ПТУ. Удельные капиталовложения также ниже на 8—12%.

Разработаны комбинированные парогазо­вые установки на ядерном топливе (рис. 1 4). Здесь камеру сгорания заменяют энергетиче­ский реактор с газовым теплоносителем В ка­честве теплоносителя используется инертный газ — гелий, допускающий повышение темпе­ратуры на выходе из реактора до 1500°С и выше. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы могут эффективно применяться на АЭС с паровыми турбинами В парогазо­вых установках на ядерном горючем паровой котел является утилизатором тепла выхлоп­ных газов газовых турбин

Еще одним типом комбинированных систем с участием парового цикла являются магнитогидродинамические установки (МГД - установки) Отличительная их особенность — безма­шинное преобразование части тепловой энер­гии в электрическую (рис 1 5) Сжатый в компрессоре и подогретый в котле до 1000— 1200°С атмосферный воздух вместе с топли­вом поступает в камеру сгорания. Образовав­шиеся здесь продукты сгорания при темпера­туре 2500°С ионизируются. Интенсификация ионизации газа достигается присадками в камеру сгорания добавок в виде соединений ка­лия, цезия и других щелочных металлов.

Горячие ионизированные газы (высокотемпературная плазма) со свойствами электриче­ского проводника поступают в канал через сопло и движутся в нем со скоростью около 700 м/с Мощными постоянными магнитами в канале создается магнитное поле При движении плазмы в мощном магнитном поте ионизированные частицы индуктируют в цепи постоянный электрических ток, который затем преобразуется в переменный Газовый поток выходит из канала при температуре 1500 — 2000°С Эта высокотемпературная теплота газов используется для подогрева воздуха, не­обходимого камере сгорания, и для генерации пара, используемого в паровой турбине Коэффициент полезного действия МГД установки может достигать 50—60% Около 70—80% всей электроэнергии вырабатывается в МГД-канале, остальные — в паротурбинной установке.

Из рассмотрения принципиальных схем производства электрической энергии на электростанциях следует, что паровой котел на ТЭС и парогенератор на АЭС являются обяза­тельными агрегатами, притом одними из главных практически любой мощности энер­гетической установки Паровой котел и паро­генератор предназначены для производства пара в нужном количестве, обеспечивающем необходимую мощность турбины и за чанные параметры пара.