Развитие конструкций паровых котлов в 20 веке

В энергетике происходили большие сдвиги, связанные с ростом параметров пара. Топливный кризис после первой мировой войны привел к сжиганию угольной пыли и к повышению параметров пара. В 20 г. появились первые электростанции на давление 80 ат. Первое время (1925-1934 гг.) температура перегретого пара не превышала 450° С.

В период 1935-1948 гг. крупные электростанции в Германии и США строились на давление пара 80-120 ат с начальной температурой пара 480-500°С. В США эти установки были без вторичного перегрева пара, а Германии при 120 ат обычно с промежуточным перегревом. В течении первого периода внедрения высокого давления возникли проблемы из-за нарушений циркуляции, образования накипи и коррозии.

Многобарабанные вертикально-водотрубные котлы того времени получались очень дорогими из-за значительной стоимости цельнокованых барабанов высокого давления, горизонтально-водотрубные секционные котлы имель трудности с уплотнениями многочисленных лючков и ненадежностью циркуляции. В то время появлялись самые разнообразные конструкции котлов.

В результате длительной проверки из всего многообразия разных схем широкое применение нашли только два типа котлов и притом в форме, мало похожей на первоначальную. Этими типами явились котел с принудительной циркуляцией (в 1930-1945 гг. такие котлы нашли широкое распространение для агрегатов средней мощности, а с 50 г. и для мощных котлов котлов на 140-180 ат, и прямоточный котел, оказавшийся пригодным и для давлений выше 140 ат.

Котел с принудительной циркуляцией отличается от аналогичног котла с естественной циркуляцией только включением в циркуляционный контур специального насоса. Применение насоса вносит существенные изменения в конструкцию и эксплуатацию котла. Наличие насоса ведет к свободе компоновки поверхности нагрева, так как расположение кипятильных труб не связывается с необходимостью получения достаточного естественного циркуляционного напора. Большая величина располагаемого напора (3 ат вместо 0,5-1 ат при естественной циркуляции) позволяет применять парообразующие трубы малого диаметра (30 мм и менее) и значительной длины (отношение длины к диаметру до 2000 вместо 500 для котлов с естественной циркуляцией). В некоторых конструкциях часть перепада давления, развиваемая насосом, используется для центробежного отделения пара от воды в барабане, что позволяет уменьшить размеры барабана. Играет роль и независимость циркуляционного напора от нагрузки котла (наличие большой скорости циркуляции при всех паропроизводительностях даже при растопке до начала отдачи пара). Это обеспечивает равномерность прогрева 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 распространение для промышленных силовых установок и в качестве агрегатов, использующих отходящие газы печей, двигателей внутреннего сгорания и т.п. Решающим фактором являлись свобода компоновки, возможность располагать барабан в любом месте относительно поверхностей нагрева.

На мощных электростанциях с пылеугольными топками применение принудительной циркуляции при давлении 80-100 ат не давало существенных преимуществ по компоновке экранных поверхностей (конвективных испарительных поверхностей эти котлы обычно не имеют). Наличие циркуляционных насосов приводит к повышению затрат энергии на собственные нужды котла. Сами насосы, несмотря на их относительную простоту (они одноколесные, консольные), довольно дороги, вызывает определенные трудности уплотнение вала при температуре воды 250-300°С. Такие котлы на мощных электростанциях до 1950 г. имели ограниченное распространение. Они стали шире применяться с переходом на давления 140-180 ат, когда при естественной циркуляции стало труднее обеспечивать надежную работу испарительных поверхностей, особенно на частичных нагрузках.

Прямоточные котлы существенно отличаются от барабанных с многократной циркуляцией. В прямоточных котлах вода проходит однократно не только в экономайзере и пароперегревателе, но и в испарительной части, где она движется до полного испарения. В прямоточных котлах отсутствует барабан, отделяющий пар от воды, питательная вода последовательно проходит эконоиайзер, далее испарительную часть и пароперегреватель. В прямоточных котлах расход рабочего тела не только в экономайзере и пароперегревателе, но и в испарительной части меняется пропорционально нагрузке и при снижении паропроизводительности котла сильно падает. При малых скоростях движения пароводяной смеси легко наступает разделение ее на пар и воду, сопровождающееся резким ухудшением теплообмена на участках поверхности нагрева, не омываемых водой, что связано с опасностью перегрева металла. Поэтому в прямоточных котлах принимают повышенные значения скорости воды при номинальной нагрузке, чтобы сохранить достаточную величину скорости при минимальной нагрузке. Это приводит к значительному гидравлическому сопротивлению испарительной части котла (15-20% рабочего давления).

Для полного испарения воды требуется большая длина труб, превышающая высоту топочной камеры, поэтому приходиться располагать эти трубы в виде лент, обвивающих периметр топки по спирали (система Рамзина), или же осуществлять топочные экраны в виде отдельных вертикальных панелей с восходящим движением пароводяной смеси, соединяя их последовательно наружными (необогреваемыми) опускными трубами (система Бенсона).

Условия водяного режима барабанных и прямоточных котлов отличаются. В барабанных котлах часть воды вместе с накапливающимися солями непрерывно отводится из барабана (продувка). Это позволяет применять для питания таких котлов воду с довольно значительным содержанием хорошо растворимых солей. В прямоточных котлах примеси отлагаются на стенках или уносятся с паром в турбину. При высоких давлениях соли натрия, относительно хорошо растворимые в паре, легко проходят котел. Поэтому содержание солей натрия в питательной воде прямоточных котлов должно быть не больше их допустимого содержания в паре. Отсутствие вывода солей с продувкой приводит к необходимости обессоливания турбинного конденсата. Это несколько усложняет водный режим станций с прямоточными котлами, особенно для ТЭЦ с большими потерями конденсата (приходится подвергать обессоливанию значительные количества воды для покрытия потерь). По мере роста давления и барабанные котлы приходится питать обессоленной водой. Прямоточные котлы несколько дешевле барабанных из-за отсутствия барабана и меньшего количества необогреваемых труб.

Все три типа котельных агрегатов имеют те или иные преимущества. В СССР для установок докритического давления чаще применялись барабанные котлы с естественной циркуляцией. Котлоагрегаты на закритическое давление – прямоточные. В США начиная с 1950 г. для докритического давления в основном использовались котлы с принудительной циркуляцией. В европейских странах после второй мировой войны также чаще использовались барабанные котлы с принудительной циркуляцией.

Температура пара возросла к началу 60 гг. до 570 ° С, затем снизилась до 535-545 ° С. Это было связано с высокой ценой теплостойких сталей и понижением надежности пароперегревателей при высокой температуре пара. Более эффективным способом повышения КПД электростанции оказалось промежуточного перегрева пара, к 1955 г. мощные котлоагрегаты оборудовались промежуточными пароперегревателями с температурой пара, близкой к начальной. В США на сверхмощных агрегатах закритического давления применяется двукратный промперегрев.

Применение газового промперегрева пара вызвало переход на блочную схему станции, при которой каждый котел снабжает паром свою турбину, а станция состоит из отдельных блоков котел – турбина - электрогенератор-трансформатор. Такая компоновка имеет ряд преимуществ по сравнению со старой схемой, когда все котлы отдавали пар в общую паровую магистраль, из которой снабжались паром все турбины. Становятся проще и дешевле трубопроводы (дорогие при высоких параметрах пара, сокращается число крупной запорной арматуры). При одновременном пуске турбины и котла котел начинает отдавать пар на прогрев турбины, как только давление поднимется до 1-2 ат, при растопке котла «на магистраль» отдача пара начинается только после выхода параметров пара на номинальные значения.

С ростом давления повысилась температура питательной воды до 250-280 ° С. Увеличилась роль пароперегревателей. В барабанных котлах тепловосприятие возросло до 40%. В агрегатах закритического давления нет четко выраженной границы пароперегревательной зоны, но доля высокотемпературных поверхностей там еще больше. В этих условиях размещение пароперегревателей только в конвективных газоходах оказалось невозможным, пришлось часть перегревательных поверхностей оформить в виде топочных экранов. Это осложняет условия работы металла трубок, температура которого в радиационных перегревателях значительно превышает температуру пара из-за больших тепловых потоков и умеренной величины коэффициента теплоотдачи к перегретому пару. Стали быстро развиваться полурадиационные поверхности нагрева – ширмовые пароперегреватели. Тепловая нагрузка поверхности ширм не достигает очень высоких значений, опасных для металла труб перегревателей.

Очень большие топочные камеры мощных агрегатов стали делить двухсветными экранами, что позволило разместить большую радиационную поверхность при данном объеме топки.

В итоге сложился тип мощного котельного агрегата с ширмовыми поверхностями пароперегревателя на выходе из топки и конвективными ступенями пароперегревателя и водяного экономайзера в опускной шахте. Сильное развитие пароперегревателей привело к расширению температурной зоны их размещения не только в сторону высоких температур, но и в сторону низких. Дешевая «холодная» часть промперегревателя с начальной температурой пара около 350 ° С размещается в зоне умеренной температуры газов, оставляя для экономайзера высокого давления только небольшую область температуры газов, отвечающую подогреву воды на 50-70° С.

При высоком подогреве воздуха около 400° С при сжигании малореакционных топлив, конвективный экономайзер ограничивается небольшим пакетом, размещенным между двумя ступенями воздухоподогревателя. Во всех остальных случаях предпочитают одноступенчатый подогрев воздуха с использованием более дешевых и компактных регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели.

Развитие хвостовых поверхностей нагрева определяется стремлением снизить температуру уходящих газов и повысить КПД котлоагрегата. После второй мировой войны топливо стало дороже, это сделала целесообразным снижение температуры уходящих газов до 120-130 ° С. Дальнейшее снижение температуры уходящих газов ограничивается интенсивной коррозией поверхности нагрева воздухоподогревателей (при достижении температуры поверхности точки росы, особенно при сжигании сернистых топлив).