Способы получения теплоты из органического топлива

 

Наиболее экономичным способом получения теплоты для промышленных и бытовых потребителей является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки теплоты и электроэнергии называют теплофикацией.

Тепловые электрические станции (ТЭС) используют химическую энергию топлива для получения тепловой, механической и электрической энергии. Около 80 % всей вырабатываемой электрической энергии получают за счет химической энергии органического топлива.

Тепловая электростанция включает большое количество различных видов теплосилового и электрического оборудования и строительных конструкций. Основными теплосиловыми установками ТЭС являются парогенерирующая (или котельная) и паротурбинная.

Последовательность получения и использования пара и преобразования одних видов энергии в другие можно проследить на примере технологической схемы ТЭС, работающей на твердом топливе (рис. 1.3).

 

С места добычи твердое топливо доставляется на электростанцию, как правило, по железной дороге с саморазгружающихся вагонах 14. Вагон поступает в закрытое разгрузочное устройство 15 с вагоноопрокидывателем, где топливо высыпается в находящийся под вагоноопрокидывателем приемный бункер, из которого попадает на ленточный конвейер 16. Конвейером уголь подается на склад резервного топлива 13 или через дробильную установку 12 в бункера сырого угля 5, из которого топливо поступает в систему пылеприготовления. Уголь размалывается в мельницах 22. Угольная пыль, пройдя сепаратор 7 и пылевой циклон 8, поступает в пылевой бункер 6, из которого вместе с горячим воздухом, подаваемым вентилятором 20, направляется в топку 21 котла 9. образующиеся в топке высокотемпературные продукты сгорания при движении по газоходам нагревают воду в теплообменниках 10 котла до состояния перегретого пара.

Из парового котла 9 перегретый пар поступает в турбину 2, где происходит его расширение и преобразование его энергии в кинетическую энергию на лопатках турбины, затем в механическую – на ее валу. Вал турбины и ротора электрогенератора 1 соединены соосно с помощью муфты и вращаются синхронно (с одинаковой скоростью). При вращении ротора-электромагнита образуется магнитное поле, а в обмотках статора, пересекаемых этим магнитным полем, вырабатывается электроэнергия, которая с помощью повышающих трансформаторов 30 преобразуется в ток высокого напряжения и передается потребителям.

После турбины отработавший пар поступает в конденсатор 28, где конденсируется, отдавая циркуляционной воде скрытую теплоту фазового превращения. Охлаждающую воду в конденсатор 28 подают из природного 24 или искусственного источника циркуляционными насосами 25, расположенными в насосной станции 23. Конденсатным насосом 32 конденсат подается через подогреватели низкого давления (ПНД) 31 в деаэратор 4 для удаления из воды газов (О ₂, СО ₂), вызывающих коррозию. Сюда же для восполнения утечек пара и конденсата поступает добавочная питательная вода, прошедшая химводоочистку 29. Для повышения КПД ТЭС питательная вода, кроме ПНД, подогревается еще в подогревателях высокого давления (ПВД) 26 и питательными насосами 27 перекачивается в паровой котел 9, и цикл снова повторяется.

Охлажденные в теплообменниках 10 продукты сгорания очищаются от золы в золоуловителях 19 и дымососом 17 через дымовую трубу 11 выбрасываются в атмосферу. Уловленная зола и шлак по каналам 18 гидрозолоудаления направляются в золоотвал.

Контроль за работой тепловой электростанции осуществляется с пульта управления 3.

При отсутствии комбинированной выработки энергии применяется раздельное производство электрической энергии на конденсационных электростанциях (КЭС) и теплоты в котельных установках (рис. 1.4).

Котельная установка представляет собой тепловой генератор, в котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела, в качестве которого используются вода или водяной пар. Рабочее тело, называемое теплоносителем, транспортируется к теплоприемникам потребителей и после использования теплового потенциала вновь возвращается в котельную установку для повторения цикла.

По виду вырабатываемого теплоносителя котельные установки бывают паровыми и водогрейными. По назначению они подразделяются на три основных типа:

· энергетические – установки, производящие тепловую энергию для последующего преобразования ее в электрическую энергию и входящие поэтому в комплекс энергетических сооружений электрических станций (рис. 1.3). В них вырабатывается перегретый водяной пар средних, высоких и сверхкритических параметров;

· производственные – установки, производящие тепловую энергию для технологических нужд различных производств (рис. 1.4). Они, как правило, являются паровыми, вырабатывающими сухой насыщенный или перегретый пар низких и средних параметров;

· отопительные – установки, производящие тепловую энергию для целей теплоснабжения городов. Как правило, они являются водогрейными и предназначены для получения перегретой воды с температурой 115 – 150 °С.

 

 

 

Рис. 1.4. Технологическая схема котельной установки для производства водяного пара:
1 – топливный бункер; 2 – мельница для помола топлива; 3 – горелка; 4 – котлоагрегат; 5 – топочная камера; 6 – устройство золошлакоудаления; 7 – экранные трубы; 8 – пароперегреватель; 9 – барабан котла; 10 – нижние коллектора экранов; 11 – экономайзер; 12 – воздухоподогреватель;
13 – воздухозаборный короб; 14 – вентилятор; 15 – золоуловитель; 16 – устройство гидро-
золоудаления; 17 – дымосос; 18 – дымовая труба; 19 – деаэратор; ВПУ – водоподготови-
тельнаяустановка; ПН – питательный насос

 

Часто встречаются сочетания производственных и отопительных котельных установок, вырабатывающих одновременно пар для производственно-технологических нужд и горячую воду для отопительно-бытовых целей.

Для получения пара в котельной установке необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить сжигание топлива, отдачу теплоты от продуктов сгорания топлива рабочему телу, удаление продуктов сгорания топлива; подать рабочее тело – воду, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар.

Теплообменные устройства, служащие для:

· подогрева воды продуктами сгорания топлива или другими газами перед поступлением воды в котел, называют водяным экономайзером;

· образования пара из воды при постоянных давлении и температуре за счет получения теплоты от продуктов сгорания называют парообразующими (испарительными) поверхностями нагрева;

· нагрева пара, выходящего из котлоагрегата, до температуры, превышающей температуру насыщения при давлении в котле, называют пароперегревателем;

· подогрева воздуха, подаваемого в топку котла, продуктами сгорания топлива, уходящими из котла (или из водяного экономайзера), называют воздухоподогревателем.

Комплекс всех этих теплообменных устройств называют котельным агрегатом (парогенератором).

Для осуществления перечисленных процессов котельная установка включает: собственно котел или котельный агрегат; устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию – топливоподачу и топливоприготовление; установку для нагнетания необходимого для горения воздуха – дутьевой вентилятор; оборудование для удаления очаговых остатков топлива – шлако- и золоудаление; установку для отсоса продуктов сгорания топлива из установки – дымосос, перед которым иногда устанавливают приспособления, отделяющие золу из дымовых газов; сооружения для отвода дымовых газов – дымовую трубу; устройства для подготовки воды путем освобождения ее от вредных примесей – оборудование для химической очистки и деаэрации; насосы для увеличения давления воды до большего, чем давление в котле, и подачи ее в котлоагрегат – питательные насосы.

Все эти устройства размещаются в специальном здании, называемом котельной, включающем в себя помещения для различных вспомогательных производственных служб, мастерских и бытовых помещений.

Кроме указанного, вне здания котельной обычно располагаются устройства для разгрузки и перемещения твердого топлива по складу, а также его сортировки, дробления и подачи в емкости котельной; устройства для приемки, разгрузки и подачи жидкого топлива по емкостям, аппаратам для подогрева, фильтрации и транспорта в котельную; трубопроводы, подводящие газ к котельной, и газорегулировочные пункты (ГРП) для приема, очистки и снижения давления газа перед котлами; сооружения для удаления шлака и золы из котельной и с ее территории; склады для хранения материалов (в том числе горючих и смазочных) и запасных частей, необходимых при эксплуатации и ремонтах оборудования котельной установки; устройства для приемки и преобразования электрической энергии, потребляемой котельной установкой. Иногда на территории устанавливают баки-аккумуляторы с горячей водой.

На территории котельной регламентировано устройство проездов и площадок разного назначения, зеленой зоны для защиты окружающего пространства от шума и загрязнений.

На рис. 1.5 изображена схема устройства производственной котельной, работающей со слоевым сжиганием твердого топлива и снабжающей паром производственное предприятие.

 

 

Рис. 1.5. Схема устройства производственной котельной, работающей на твердом топливе:
1 – подогреватель сырой воды; 2, 3 – фильтры химической очистки воды; 4 – деаэратор; 5 – бак для конденсата; 6 – насос для перекачки конденсата; 7 – конвейер для подачи топлива; 8 – бункер для топлива; 9 – насос питательной воды; 10 – питатель топлива; 11 – цепная механическая колосниковая решетка; 12 – экраны в топочной камере; 13 – обмуровка; 14 – барабан котла; 15 – коллектор перегретого пара; 16 – главный запорный вентиль; 17 – регулятор температуры перегретого пара;
18 – пароперегреватель; 19 – водяной экономайзер; 20 – воздухоподогреватель; 21 – бункер для шлака; 22 – дутьевой вентилятор; 23 – батарейный золоуловитель; 24 – дымосос; 25 – дымовая труба; 26 – затворы на течках провала и золы; 27 – каналы для удаления шлака и золы водой; 28 – главный паропровод и коллектор; 29 – редукционно-охладительная установка; 30 – арматура; 31 – газоходы
от котлоагрегата к дымовой трубе

 

Вода, поступающая из какого-то источника водоснабжения, например, водопровода, подогревается в теплообменнике 1 перед химической очисткой от загрязняющих ее примесей и солей в фильтрах 2, 3 и удалением из нее коррозионно-агрессивных газов в деаэраторе 4. После такой подготовки вода питательным насосом 9 направляется в котельный агрегат.

 

Барабанный котельный агрегат с естественной циркуляцией состоит из поверхностей нагрева, испаряющих воду экранов 12 и перегревающих пар – пароперегревателя 18, нагревающих воду – водяного экономайзера 19, подогревающих воздух – воздухоподогревателя 20. Котлоагрегат имеет обмуровку 13, топочное устройство 11, газоходы 31, запорную и регулирующую арматуру 30.

Котлоагрегат состоит из элементов, представляющих собой цилиндры (трубы и сосуды) разного диаметра, соединяемые между собой с помощью сварки или вальцовки.

Основными деталями котлоагрегата являются барабан 14, коллекторы 15и трубы.

Для возможности осмотра и очистки барабанов и коллекторов выполняют отверстия, называемые лазами, или люками.

Внутренний объем парового котла, занятый водой, называют водяным пространством, занятый паром – паровым пространством; поверхность, отделяющая паровое пространство от водяного, – зеркалом испарения. В паровом пространстве устанавливают устройства для сепарации влаги и пара.

При работе парового котла уровень воды в барабане колеблется между низшим и высшим положением. Низший допускаемый уровень воды в барабанах паровых котлов устанавливается (определяется) для исключения возможности перегрева металла стенок элементов котлоагрегата и обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы контуров циркуляции. Обычно низший уровень располагается выше на 100 мм над верхней точкой соприкосновения горячих дымовых газов с неизолированной стенкой элемента котла.

Положение высшего допускаемого уровня воды в барабанах паровых котлов определяется из условий предупреждения попадания воды в паропровод или пароперегреватель.

Объем воды, содержащейся в барабане между высшим и низшим уровнем, определяет «запас питания», т. е. время, позволяющее котлу работать без поступления в него воды.

Производительность котлоагрегата определяют по количеству теплоты или массовому количеству пара, получаемого из агрегата. Иногда размеры или производительность котлоагрегата характеризуются величиной поверхностей нагрева. Поверхности нагрева называют радиационными – при передаче теплоты рабочему телу от продуктов сгорания топлива излучением и конвективными – при передаче теплоты соприкосновением. Радиационные поверхности при размещении в топочной камере называются экранами 12, они защищают стены от прямого воздействия излучающей среды.

Топочное устройство 11 служит для сжигания топлива. В топочном устройстве может быть осуществлено слоевое сжигание топлива, когда твердое топливо подается для сжигания на колосниковую решетку того или иного типа (рис. 1.5), или камерное сжигание, когда топливо сжигается в факеле при подаче его через горелки или форсунки (рис. 1.4).

Для подачи твердого топлива на цепную колосниковую решетку, механически перемещающуюся вдоль топочной камеры, служит питатель топлива 10. К питателю топливо поступает из бункера 8. Для загрузки бункера используется конвейер 7, представляющий собой чаще всего ленточный транспортер.

На пути от склада до бункеров котельной из топлива извлекаются металлические предметы, куски древесины, а само топливо дробится.

Воздух, необходимый для горения топлива при слоевом сжигании, подается вентилятором 22под колосниковую решетку. В ряде случаев его предварительно подогревают в воздухоподогревателе 20.Иногда часть воздуха подается непосредственно в топочную камеру.

Для удаления шлака и провалившихся через решетки частиц твердого топлива в нижней части слоевых топок выполняют специальные емкости – бункера, затворы и течки 26, располагаемые под и в конце колосниковой решетки.

В камерных топках для твердого пылевидного топлива с сухим шлакоудалением в их нижней части для сбора шлака выполняют так называемые «холодные» (шлаковые) воронки, под которыми размещаются бункера для шлака.

Пар, полученный в испарительных поверхностях нагрева, после осушки и освобождения от части солей направляется в пароперегреватель 18, где происходит испарение вынесенной из барабана воды и нагрев пара до заданной температуры.

Пароперегреватель состоит из стальных труб, выполняемых в виде змеевиков и объединяемых коллекторами 15, которые обычно размещаются вне газоходов. Иногда часть змеевиков помещают в топочной камере. В первом случае перегреватель называется конвективным 18, во втором – радиационным. Так как перегреватель стремятся расположить в области сравнительно высоких температур, необходимо обеспечивать его надежную работу при всех режимах работы правильным выбором скорости движения пара, распределением его по змеевикам, подбором и изготовлением труб из металла, обладающего надлежащими свойствами. Из соображений надежности работы трубы пароперегревателя часто делают из специальных легированных сталей. Для исключения возможности повышения температуры перегретого пара устанавливают специальные регуляторы 17.

В водяном экономайзере 19 уходящими газами нагревается питательная вода, а иногда вода тепловых сетей. Водяные экономайзеры котлоагрегатов среднего и высокого давления изготовляют из стальных труб, для низкого давления – из чугунных или стальных труб.

При частичном испарении воды в трубах экономайзер называют кипящим. Чугунные водяные экономайзеры выполняют только некипящими. Вода подогревается до температуры, на 20 – 40 °С меньшей температуры насыщенного пара в барабане 14 котла.

В водяной экономайзер вода подается питательным насосом 9, за счет напора которого и осуществляется ее принудительное движение в трубах экономайзера.

Воздухоподогреватель 20 в небольших котлоагрегатах располагают обычно после водяного экономайзера. В воздухоподогревателе подогревается воздух, идущий в топочную камеру, под решетку и в систему для подсушки и размола топлива. В случае сжигания топлив с высоким содержанием влаги или твердого топлива в камерной топке подогрев воздуха является обязательным. При сжигании твердого топлива в слое или жидких и газообразных топлив в камере в большинстве случаев для котельных агрегатов малой производительности можно ограничиться установкой только водяного экономайзера.

Воздух в воздухоподогреватель нагнетается дутьевым вентилятором 22 через входные короба-воздуховоды и отводится к топочной камере (или в систему приготовления топлива) коробами горячего воздуха.

При сжигании в камере газообразного топлива весь воздух вводится через горелку, в которой газ и воздух перемешиваются; при сжигании жидкого топлива весь воздух также вводится через горелку, но топливо с помощью форсунок сначала превращается в мелкие капли, которые затем перемешиваются с воздухом.

Если в камерной топке сжигается твердое топливо, то оно предварительно измельчается в пылеприготовительных установках до размера частиц в несколько микрометров. В этом случае одна часть воздуха вводится через горелку в смеси с топливом (первичный воздух) и другая – через специальные устройства в той же горелке или рядом с ней (вторичный воздух). Иногда часть вторичного воздуха отделяется и вводится через специальные устройства в нижней части или на задней стене топочной камеры.

При сжигании твердого топлива, кроме дымовых газов, образуются шлак и зола, которые необходимо удалить из котлоагрегата и с территории котельной. Из бункеров шлак через течку попадает в устройства для удаления 27, пройдя в некоторых случаях специальную дробилку.

Системы шлакоудаления могут быть механическими, пневматическими и гидравлическими; при небольших количествах шлака до 0,06 кг/с (до 200 кг/ч) применяют удаление шлака при помощи вагонеток с простой механизацией.

Вместе со шлаком удаляется зола, уловленная из дымовых газов с помощью золоулавливающих установок 23, размещаемых перед дымососами 24. Золоулавливающие установки и бункера шлака отделяются от устройств для золошлакоудаления специальными затворами 26.

Охлажденные и очищенные от золы дымовые газы удаляются через дымовые трубы 25, высота которых определяется таким образом, чтобы предупредить недопустимое загрязнение воздушного бассейна в районе котельной. Дымовые трубы выполняются стальными, кирпичными или железобетонными (с защитной обмуровкой внутри).

При работе котлоагрегатов с давлением в топочной камере выше давления атмосферного воздуха или при небольшой производительности котельной, когда оказывается достаточной тяга, развиваемая дымовой трубой, дымососы не устанавливаются. В очень мелких котельных установках иногда можно обойтись и без дутьевых вентиляторов.

Дымовые газы, пройдя газоходы котлоагрегата, направляются в золоуловители 23, затем в борова 31, дымососы 24 и дымовую трубу 25. Дымовые газы с высокой температурой, полученные при сгорании топлива в топочной камере, имеют давление, отличающееся от атмосферного.

Для изоляции дымовых газов от внешней среды применяют обмуровку 13, которая выполняется из кирпича или огнеупорного материала, из металлических щитов с огнеупорами. Обмуровка может опираться непосредственно на фундамент, на металлические конструкции – каркас или крепиться на трубах экранов топочной камеры и газоходов.

Обмуровку в разных частях котлоагрегата выполняют различной, так как, например, в топочной камере обмуровка должна быть особо высокоогнеупорной, стойкой против химического воздействия шлаков, малотеплопроводной, дешевой, простой по конструкции, достаточно плотной. Обычно обмуровку изготовляют из недефицитных материалов. Каркас служит для крепления и поддержания всех элементов котельного агрегата – барабанов, поверхностей нагрева, трубопроводов, обмуровки, лестниц и площадок и представляет собой металлические конструкции обычно рамного типа, соединенные с помощью сварки или болтами. Каркас закрепляют на фундаменте, а иногда выполняют совмещенным с каркасом здания, в котором устанавливается котельный агрегат.

Гарнитурой называются устройства, позволяющие обслуживать топочную камеру, колосниковые решетки и газоходы котельного агрегата – лазы, гляделки и люки с крышками и дверками для осмотра и другие устройства для очистки деталей топки и поверхностей нагрева в газоходах, шиберы и заслонки для регулирования тяги и дутья и лючки для обдувки.

Арматура 30 котельного агрегата состоит из устройств, обеспечивающих безопасное его обслуживание, – предохранительных клапанов, манометров, водоуказательных приборов, водопробных клапанов, регулирующих и запорных устройств для подачи, продувки и спуска воды, для отключения агрегата от трубопроводов топлива, воды и пара.

К вспомогательным устройствам котельной установки принято относить оборудование на ее территории для разгрузки, хранения и подачи топлива. Снабжение котельной топливом может осуществляться различными путями – по железной дороге, автотранспортом и по трубопроводам. При сжигании твердого и жидкого топлива топливное хозяйство состоит из устройств и сооружений для разгрузки, приема, складирования и подачи топлива в бункера котельной или трубопроводы котельной.

При использовании жидкого топлива, подаваемого в железнодорожных или автомобильных цистернах, на территории котельной выполняются устройства для разгрузки топлива – его слива и хранения. Жидкое топливо из хранилищ перекачивается насосами, подогревается для снижения вязкости и фильтруется для освобождения от частиц, способных нарушить работу форсунок, подготавливающих топливо к сжиганию.

Газообразное топливо, подведенное к котельной по газопроводу, поступает в газорегулировочный пункт – ГРП или газорегулировочное устройство – ГРУ, где его давление снижается до требуемой величины. Далее топливо поступает в газопровод 35 и к горелкам 36 котельной, оборудованной агрегатами с камерной топкой (рис. 1.6).

Вода, предназначенная для подачи в паровые котлы или в тепловые сети и водогрейные котлы, должна удовлетворять ряду технических, санитарных и экономических требований.
В случае поступления воды в котельную из городского водопровода обработка сводится к ее умягчению и снижению щелочности в специальных фильтрах 2 и 3(см. рис. 1.5); при использовании воды из открытых водоемов воду необходимо очистить от взвешенных веществ.

До поступления в устройства для химической очистки вода должна быть нагрета в теплообменниках 1.Загрязненный конденсат, возвращаемый от технологических потребителей, также подвергается очистке.

 

Рис. 1.6. Схема размещения оборудования в котельной, работающей на газообразном топливе: обозначения как на рис. 1.5; 32 – топочная камера; 33 – пучок кипятильных труб; 34 –нижний барабан; 35 – газопровод; 36 – горелка; 37 – подземный газоход «боров»; 38 – шибер; 39 – щит
с контрольно-измерительными приборами; 40 – здание котельной

 

Подготовленные вода и конденсат направляются в устройства для удаления из них растворенных газов – деаэраторы 4.После деаэраторов с помощью питательных насосов 9 вода направляется в котельный агрегат или подпиточными насосами в тепловые сети.

В небольших котельных иногда для подачи питательной воды в паровой котел используются поршневые паровые насосы или инжекторы. В котельных с крупными паровыми котлами, как правило, используются центробежные насосы с электрическим приводом и с приводом от паровой турбины. Для подпитки водой тепловых сетей, когда в качестве источника теплоснабжения установлены стальные водогрейные котлы, применяются центробежные насосы, обычно с электрическим приводом. Чугунные водогрейные котлы разрешается при определенных условиях подпитывать водой прямо из водопровода.

Размещение оборудования котельной установки на открытой площадке или в здании принято называть компоновкой. Если все оборудование расположено внутри здания, как это показано на рис. 1.6, компоновку называют закрытой; при размещении части оборудования вне здания компоновка будет открытой.

Все котельные установки с давлением выше 0,07 МПа (0,7 кгс/см²) и температурой выше 115 °С подлежат регистрации в государственной организации, контролирующей правильность конструкции котлоагрегата, соответствие установленным правилам и законам оборудования и здания котельной и соблюдение обслуживающим персоналом Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов.