Краткие сведения о прямоточных котлах

Прямоточные котлы могут работать как на докритическом, так и на сверхкритическом давлении (СКД) перегретого пара и характеризуются однократным движением рабочего тела по всем поверхностям нагрева (от входа воды в экономайзер и до выхода из котла перегретого пара) под действием напора создаваемого питательным насосом. В настоящее время прямоточные котлы, работающие на сверхкритическом давлении (СКД) перегретого пара широко используются в энергетике. Для нихрасход питательной воды должен превышать расход перегретого пара на величину технологических протечек:

D_пв= D_пе+D_пр

Состояние рабочего тела по мере продвижения по тракту котла, непрерывно изменяется (уд. объём, температура, давление, энтальпия).

 

Рис. 4.1. Состояние рабочего тела по мере продвижения по тракту прямоточного котла

1 – экономайзерная зона (ЭКО, НРЧ); 2 – парообразовательная зона (СРЧ, ПЗ); 3 - пароперегревательная зона (ВРЧ, конвективный пароперегреватель);

 

Прямоточные котлы имеют некоторые отличия от барабанных котлов в протекании ряда технологических процессов. Так барабан, в котле с естественной циркуляцией, фиксирует границы экономайзерной, испарительной и перегревательной поверхностей которые не изменяются при переходе от одной нагрузки к другой. В прямоточном котле, поскольку котёл не имеет барабана, этих границ нет. В этом случае нельзя говорить о процессе испарения (парообразования), так как переход от состояния воды к состоянию пара происходит во всей массе рабочей среды постепенно без образования зоны двухфазного состояния (вода и пар). Эту область перехода от воды к состоянию пара называют зоной фазового перехода, которая при нарушении стационарного режима работы будет перемещаться вдоль тракта рабочей среды в котле.

К другой отличительной особенности следует отнести то, что в прямоточных котлах все примеси поступающие с питательной водой не могут удаляться с продувкой, подобно барабанным котлам, и потому откладываются на стенках поверхностей нагрева или уносятся с паром в турбину. В принципе и в прямоточных котлах возможно удаление солей продувкой при установке специального промывочного сепаратора в конце испарительного участка [10]. Однако это приводит к усложнению пароводяной схемы, так называемого, сепараторного котла и существенному усложнению системы регулирования этой схемы из-за смещения зоны фазового перехода при нарушении стационарного режима работы котлоагрегата [12].

На практике для исключения пережога труб прямоточных котлов работающих на докритическом давлении зону, в которой испаряются последние капли влаги и начинается перегрев пара, выносят из топки в конвективный газоход и называют эту зону вынесенной переходной зоной испарения. В переходной зоне идёт интенсивное выпадение и отложение примесей, а так как температура стенок металла труб в переходной зоне ниже, чем в топке, то опасность пережога труб значительно снижается и толщину отложений можно допускать большей. Соответственно удлиняется межпромывочный период труб переходной зоны без снижения надёжности их работы. В тоже время для бессепараторных прямоточных котлов характерно колебание солесодержания перегретого пара при переменном тепловыделении в топке (т.е. при изменении паропроизводительности котла) вследствие перемещения зоны отложения солей в переходной зоне.

Для котлоагрегатов сверхкритических давлений переходная зона, т.е. зона усиленного выпадения солей, также имеется, но она сильно растянута. Так, если для высоких давлений её энтальпия измеряется величиной 200-250 кДж/кг, то для сверхкритических давлений возрастает до 800 кДж/кг и тогда выполнение вынесенной переходной зоны становится нецелесообразным. В этих случаях переходную зону от воды к пару (зону фазового перехода) оставляют в топочной камере, но её располагают в области более низких тепловых потоков. При этом повышаются требования к чистоте питательной воды, которая должна в этом случае, содержать примесей не больше, чем в вырабатываемом котлом перегретом паре. Если же у прямоточного котла на сверхкритическое давление когда-либо и выполняют вынесенную переходную зону, то это делается только из соображений обычного охлаждения дымовых газов.

Прямоточные котлы отличаются небольшой тепловой аккумулирующей способностью. Под аккумулирующей способностью понимается способность котла в течение определённого времени изменять свою производительность за счёт изменения давления пара за котлом, вызванного изменением нагрузки турбоагрегата (например, выделять дополнительное количество пара при понижении давления или уменьшать выдачу пара при повышении давления).

Аккумулирующая способность зависит от количества тепла, содержащегося в воде, паре и металле котлоагрегата. В барабанном кот­ле 60-65% тепла заключено в воде, 25-30% - в металле и 10-15% в паре. В прямоточном котле сверхкритического давления около 70% тепла приходится на металл (в трубах малого диаметра 32–42 мм при толщине стенки 4–6 мм масса рабочей среды внутри трубы много меньше массы ме­талла) и оставшаяся часть определяется водосодержанием котла.

Известно, что аккумулирующая способность паровых энергетических котлов при падении давления пара за котлом на один процент, всегда выше их секундной паропроизводительности. При этом полная аккумулирующая способность барабанного парового котла примерно в 2-3 раза превосходит аккумулирующую способность прямоточного котла. Большая аккумулирующая емкость обеспечивает известную стабилиза­цию режима работы котла, с одной стороны замедляет его разгрузку при резком снижении (сбросе) мощности турбины, с другой, при резком увеличении (набросе) мощности турбины и снижении давления перегретого пара обеспечивает большую продолжительность его работы с повышенной паропроизводительностью. Так бара­банный котел ТП-100 (блок 200 МВт) при погасании факела может обес­печить паропроизводительность, близкую к номинальной, в течение 50 секунд за счет допустимого (до 15%) снижения давления пара. При переводе данного блока в режим собственных электрических нужд (в случае аварийного отключения внешних потребителей электроэнергии) с небольшим расходом пара на турбину – поддерживает этот режим в течение 17–18 минут, которых является достаточно для определения причин сраба­тывания автоматики. Прямоточный котел ПК-47 такой же мощности может удержать блок в режиме собственных нужд при погасании факела не бо­лее 4 мин. Следует отметить также, что из-за малого аккумулирующего объёма воды у прямоточных котлов важную роль играет синхронность подачи воды, топлива и воздуха. При нарушении этого соответствия могут быть допущены недопустимые отклонения температуры перегретого пара, в связи с чем, для прямоточных котлов автоматизация регулирования всех процессов является обязательной.

Идея использования котлов прямоточного типа впервые высказана в 1785 году. Начало промышленного производства прямоточных котлов следует отнести к 1893 году со строительства судового прямоточного котла, выполненного русским инженером Д. И. Артемьевым, в конструкции которого были воплощены: прямоточное движение рабочей среды, полное экранирование топки трубами, выносной циклон. В дальнейшем были разработаны и нашли промышленное применение три конструктивные схемы прямоточных котлов, прямоточные котлы конструкции разработчиков: Бенсона, Зульцера и Рамзина (рис. 4.2.).

 

 

Рис. 4.2. Конструктивные схемы прямоточных котлов:

а) – Бенсона: 1- экранные панели; 2 – пароперегреватель; 3 – вынесенная переходная зона испарения; 4 – экономайзер; 5 – воздухоподогреватель; 6 – ввод питательной воды; 7 – вывод перегретого пара; 8 – вывод продуктов сгорания;

б) – Зульцера: 1- горизонтальные панели экранов; 2 – вертикальные панели экранов; 3 – вынесенная переходная зона испарения; 4 – пароперегреватель; 5 – экономайзер; 6 – воздухоподогреватель; 7 – ввод питательной воды; 8 – вывод перегретого пара; 9 - вывод продуктов сгорания;

в) – Рамзина: 1- экономайзер; 2 – перепускные необогреваемые трубы; 3 – нижний распределительный коллектор воды; 4 – экранные трубы; 5 – верхний сборный коллектор смеси; 6 – вынесенная переходная зона испарения; 7 – настенная часть перегревателя; 8 – конвективная часть перегревателя; 9 - воздухоподогреватель; 10 – горелка.

 

Конструктивная схема прямоточного котла Бенсона (рис. 4.2.а) выполненного на среднюю производительность и на средние параметры пара включала три вертикальных подъёмных панели из труб с внутренним диаметром 25 мм размещённых на каждой стене топки. Направление движения рабочего тела в экранах организовывалось снизу вверх, что способствовало более устойчивой работе котла. Из верхних коллекторов одних панелей в нижние коллектора других пароводяная смесь передавалась по наружным опускным трубопроводам. Наличие наружных опускных трубопроводов со смесительными коллекторами в котлоагрегатах Бенсона сильно удорожали их стоимость и являлись негативной стороной конструкции.

Второй зарубежной конструкцией являлся прямоточный котёл системы Зульцера. Для малой производительности (до 28 кг/с) эти агрегаты выполнялись одновитковыми, что полностью исключало неравномерное распределение рабочего тела по системе параллельных трубок. При этом длина витка и его гидравлическое сопротивление чрезмерно возрастало. В дальнейшем котлы Зульцера на среднюю производительность (рис. 4.2.б) строились многовитковыми со смешанным расположением трубок в топке. Горизонтальная компоновка применялась для однофазных сред: для экономайзера внизу топки и перегревателя вверху. Трубы с двухфазной средой (вода-пар) располагались вертикально в средней части топочной камеры в виде петель, так что подъёмные и опускные трубы в отличие от системы Бенсона располагались в топке. Прямоточные котлы системы Зульцера на высокие производительности и давление в 50-е годы нашли широкое распространение в США.

Прямоточные котлы конструкции Л. К. Рамзина явились крупным достижением отечественного энергомашиностроения. Первый промышленный котёл Рамзина, построенный на 56 кг/с, 14 МПа, 500^оС и установленный в 1933-1934 гг. на одной из Московских ТЭЦ, успешно проработал 40 лет. Особенностью котла являлась компоновка радиационных поверхностей нагрева в виде горизонтально-подъёмной навивки трубок по стенам топки с минимумом коллекторов (рис. 4.2.в). Как показала в дальнейшем практика, такое экранирование имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Позитивным является равномерный обогрев отдельных трубок, включённых в ленту, так как трубки проходят по высоте топки все температурные зоны в одинаковых условиях. Негативным – невозможность изготовления радиационных поверхностей заводскими крупными блоками, а также повышенная склонность к теплогидравлическим разверкам при сверхвысоких (СВД) и сверхкритических давлениях (СКД) из-за большого приращения энтальпии в длинном змеевике.

В настоящее время при сооружении мощных энергоблоков на высокие и закритические давления особенности трёх систем прямоточных котлов в значительной степени сгладились и стало повсеместным комбинированное блочное исполнение как горизонтальной навивки, так и вертикальных панелей. Первые прямоточные котлы для энергоблоков на СКД с минимальной принятой для них единичной мощностью 300 МВт выпущены в двухкорпусном исполнении (дубль-блоки) из соображений повышения надёжности их работы и электроснабжения потребителей. В этом случае дубль-блок по существу представлял собой установку из двух отдельных котлов. В дальнейшем практика сооружения котлов на СКД показала, что котлы в моноблочном исполнении имеют меньшую металлоёмкость в основном за счёт снижения массы каркаса, проще в управлении и не уступают дубль-блокам по надёжности. В настоящее время котлы на СКД выпускают только в моноблочном исполнении, даже для энергоблока мощностью 1200 МВт. При этом для уменьшения тепловой разверки общий поток рабочей среды перед экономайзером разделяется на несколько регулируемых потоков (обычно два), которые дальше в свою очередь делятся на нерегулируемые потоки. Это позволяет повысить маневренность котлоагрегата в целом, так как за счёт уменьшения диаметра коллекторов снижается толщина их стенок, повышается допустимая скорость изменения в них температуры при пусках котла и сокращается время растопки.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: