Анализ мирового опыта создания угольных энергоблоков с применением технологии ультра-суперкритического пара

Котельный пучок

Котельный пучок — это система параллельно включенных труб конвективной парообразующей поверхности котла, соединенных общими коллекторами или барабанами. Пароперегревательные поверхности нагрева (или пароперегреватели) могут быть радиационными, полурадиационными или конвективными. Радиационные пароперегреватели располагают на стенах топки или на ее потолке и соответственно называют настенным радиационным или потолочным пароперегревателем. В прямоточных котлах топочные экраны, расположенные в средней и верхней частях, преимущественно являются перегревательными. Их соответственно называют средней (СРЧ) или верхней радиационной частью (ВРЧ). 
 
Полурадиационные пароперегреватели устанавливают в выходном сечении топки. Как правило, это ширмовые пароперегреватели — поверхности нагрева, в которых соседние трубы одного ряда отстоят друг от друга на значительном расстоянии (не менее пяти диаметров трубы). Конвективные пароперегреватели а преимущественно устанавливают в переходном горизонтальном газоходе или в начале (по ходу газов) конвективной шахты. При повышении давления перегретого пара стали применять дополнительный (промежуточный) перегрев пара, для чего в котлах предусматриваются соответственно промежуточные пароперегреватели. 
 
Совокупность последовательно расположенных по ходу рабочего тела поверхностей нагрева, соединяющих их трубопроводов и установленных дополнительных устройств составляет пароводяной тракт парового котла. Промежуточные пароперегреватели являются элементами пароводяного тракта промежуточного перегрева пара. 
 
Топливный тракт рассматриваемого котла представляет собой совокупность оборудования для транспорта топлива и подготовки его к сжиганию. Он включает конвейер, бункер и питатель угля, а также питатели пыли, топливные течки и пылепроводы. Бункера сырого топлива — емкости, предназначенные для хранения определенного, постоянно возобновляемого запаса топлива, обеспечивающие непрерывную работу котельной установки в условиях неравномерного поступления топлива в котельную. 
 
Питатели сырого топлива — устройства для дозирования и подачи топлива из бункера в мельницу, предназначенную для получения угольной пыли требуемого качества. В мельницу одновременно с топливом для его сушки подается по коробу сушильный агент, в данном случае воздух. Готовая пылевоздушная смесь из мельниц через горелки 8 подается в топочную камеру. Для сжигания топлива в качестве окислителя используют воздух, забираемый из атмосферы дутьевым вентилятором. Оборудование, обеспечивающее забор воздуха, его подогрев (воздухоподогреватели) и подачу через элементы котла и топливного тракта (короб, мельница, пылепроводы к горелкам) образует воздушный тракт котла.

Воздушный тракт

Воздушный тракт (кроме заборного воздуховода) работает под избыточным давлением, развиваемым дутьевым вентилятором. Подогрев воздуха в воздухоподогревателе позволяет обеспечить сушку топлива и повысить интенсивность и экономичность горения топлива. Различают рекуперативные и регенеративные воздухоподогреватели. Рекуперативный (в данном случае трубчатый) воздухоподогреватель — теплообменник, в котором теплота от продуктов сгорания передается воздуху через разделящую их стенку теплообменной поверхности. 
 
Регенеративный воздухоподогреватель — это такой теплообменник, в котором передача теплоты осуществляется через одни и те же периодически нагреваемые (продуктами сгорания) и охлаждаемые (воздухом) теплообменные поверхности. Из топочной камеры продукты сгорания проходят последовательно все поверхности нагрева и после очистки от золы в золоуловителях выводятся через дымовую трубу в атмосферу. Указанное оборудование входит в газовый тракт котла. Газовый тракт котла может находиться под давлением (дутьевого вентилятора) либо, как в рассматриваемой котельной установке, под разрежением. 
 
В последнем случае в газовом тракте после золоуловителей устанавливают дымососы. Шлакоудаляющие устройства, золоуловители и каналы входят в тракт золошлакоулавливания и золошлакоудаления.Помимо поверхностей нагрева, других элементов пароводяного тракта с установленной на нем арматурой, топочной камеры и газоходов непосредственными элементами парового котла считают: обмуровку —систему огнеупорных и теплоизоляционных ограждений или конструкций, предназначенных для уменьшения тепловых потерь и обеспечения газовой плотности; 
каркас — несущую металлическую конструкцию, воспринимающую нагрузку от массы котла с находящимся в нем рабочим телом (с учетом временных и особых нагрузок) и обеспечивающую требуемое взаимное расположение его элементов. На каркасе котла располагают площадки обслуживания и переходные лестницы.

Типы котлов

Барабанные котлы нашли широкое применение на тепловых электростанциях и теплоэлектроцентралях. Наличие барабана, в котором зафиксирована граница раздела между паром и водой, является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода после экономайзера (если его нет, то прямо после насоса / из питательного трубопровода) подается в барабан, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан). Верхняя часть объема барабана заполнена паром и называется паровым объемом (пространством) барабана, нижняя, заполненная водой, называется водяным объемом, а поверхность раздела между ними — зеркалом испарения.  
 
Смесь котловой и питательной воды с плотностью р„ по опускным необогреваемым трубам из барабана поступает в нижние распределительные коллектора, питающие испарительные поверхности (как правило, это топочные экраны). Вода, поднимаясь по трубам этих поверхностей, воспринимает теплоту от продуктов сгорания топлива (топочных газов), нагревается до температуры насыщения, а затем частично испаряется. Из обогреваемых труб полученная пароводяная смесь поступает в барабан, где происходит разделение пара и воды. Уровень воды (зеркало испарения) делит барабан на водный и паровой объемы. Из последнего пар по трубам, расположенным в верхней части барабана, направляется в пароперегреватель. Вода же, смешиваясь в водяном объеме с питательной водой, поступающей из экономайзера, вновь направляется в опускные трубы. 
 
Уровень воды в барабане при работе котла колеблется между низшим и высшим положением. Первое из них устанавливают исходя из обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы, а второе — из исключения возможности попадания воды в пароперегреватель. Объем воды, заключенный между этими уровнями, позволяет барабанному котлу некоторое время работать без подачи в него питательной воды. В парообразующих трубах за один проход испаряется лишь часть (4—25%) поступающей в них воды. Это позволяет обеспечить достаточно надежное охлаждение металла подъемных труб, а также предотвратить накопление солей, выпадающих при испарении воды на внутренней поверхности труб, путем организации непрерывного удаления части котловой воды из котла.  
 
Поэтому для питания котла допускается использование воды с довольно значительным содержанием растворимых в ней солей. Замкнутую систему, состоящую из барабана, опускных труб, коллектора и подъемных труб 6, по которой многократно движется рабочее тело, принято называть контуром циркуляции, а многократное движение воды в нем — циркуляцией. Движение рабочей среды, обусловленное только различием между массой столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называют естественной циркуляцией, а паровой котел — барабанным с естественной циркуляцией. 
 
Возникающий в контурах циркуляции перепад давлений ДЯдВ, называемый движущим напором циркуляции, зависит от высоты контура Н и разности плотностей воды рв в опускных и пароводяной смеси рсм в подъемных трубах Он расходуется на преодоление сопротивления движению рабочего тела по трубам. Обычно его величина в паровых котлах с естественной циркуляцией относительно невелика (не более 0,1 МПа), что не позволяет развивать в контурах циркуляции высоких скоростей. Так как при невысоких скоростях пароводяной смеси возможно ее расслоение, то в котлах с естественной циркуляцией обогреваемые трубы не могут располагаться горизонтально или быть слабонаклоненными: преимущественное расположение труб — вертикальное.  
 
Естественную циркуляцию следует применять в котлах с давлением в барабане не выше 17,5—18,5 МПа. При высоком давлении (близком к критическому) из-за малой разницы в плотностях пара и воды обеспечение устойчивого движения рабочей среды в циркуляционном контуре весьма затруднительно. В этом случае в котле следует использовать принудительную циркуляцию. 
 
Установка циркуляционного насоса в котлах с принудительной циркуляцией позволяет повысить напор в циркуляционном контуре и обеспечить произвольное (как вертикальное, так и горизонтальное) расположение обогреваемых испарительных труб, а также повысить степень парообразования, влекущее уменьшение кратности циркуляции (отношение количества поступающей в контур циркуляции воды к количеству образующегося пара). Так, если в паровых котлах с естественной циркуляцией в зависимости от высоты контура и параметров рабочего тела кратность циркуляции составляет /(„ = = 5-7-30, то в паровых котлах с принудительной циркуляцией она уменьшается до /(„ = 3-7-

Котлы высокого давления.

В прямоточных котлах отсутствует барабан. Питательная вода в них, как и в барабанных котлах, последовательно проходит экономайзер, испарительные и паро-перегревательные поверхности. Движение рабочей среды по поверхностям нагрева однократное. Осуществляется оно за счет напора, создаваемого питательным насосом. Вода, поступающая в испарительную поверхность, на выходе из нее полностью превращается в пар. Это позволяет отказаться от тяжелого и громоздкого барабана.  
 
Надежное охлаждение металла труб испарительной поверхности обеспечивается повышенными скоростями движения рабочего тела. В прямоточных котлах нет четкой фиксации границ между экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зонами. Изменение параметров питательной воды (температуры, давления), характеристик топлива, воздушного режима приводит к изменению соотношения между размерами экономайзерной, испарительных и пароперегревательных зон. Меняется и положение границ между этими зонами. Так, снижение давления в котле приводит к уменьшению размеров экономайзерной зоны (зоны подогрева), увеличению испарительной зоны (из-за роста при снижении давления величины теплоты парообразования) и некоторому сокращению зоны перегрева. 
 
Прямоточные котлы по сравнению с барабанными имеют значительно меньший аккумулирующий объем воды. Поэтому при их работе требуется синхронизация подачи воды, топлива и воздуха в котле. При ее нарушении в турбину может поступать недогретый либо чрезмерно перегретый пар. Прямоточные котлы могут работать как на докритических, так и на сверхкритических давлениях. Требования к качеству питательной воды у них значительно выше, чем у барабанных котлов, ибо даже при ее хорошем качестве (когда содержание солей в ней измеряется миллионными долями грамма) из-за постоянного роста отложений в трубах прямоточные котлы приходится периодически останавливать и подвергать кислотной промывке.  
 
Наиболее интенсивное отложение солей происходит в той части испарительной зоны, в которой испаряются последние капли влаги и начинается перегрев пара. В котлах докритического давления эта часть испарительной зоны по величине изменения энтальпии достаточно узка (200—250 кДж/кг) и ее размещают в конвективной шахте (выносная переходная зона). При сравнительно невысокой температуре продуктов сгорания, обтекающих змеевики выносной переходной зоны, отложения солей вызывают незначительный рост температуры стенки металла. Поэтому толщину отложений можно допускать большой, не опасаясь пережога труб, удлиняя тем самым межпромывочный период котла. 
 
Появление прямоточных котлов связано со стремлением упростить конструкцию барабанных котлов, отказаться от громоздкого дорогостоящего барабана. Их распространение в СССР связано с именем Л. К. Рамзина, под руководством которого был проведен большой объем исследовательских и конструкторских работ по созданию прямоточного котла докритического давления, а также создан котел сверхкритического давления. В котле Л. К. Рамзина вода после питательного насоса по трубопроводам направляется в экономайзер и далее по необогреваемым трубам во входные коллекторы радиационной части, разделенной по высоте на нижнюю радиационную (НРЧ) и верхнюю радиационную (ВРЧ) части. Иногда выделяют также и среднюю радиационную часть (СРЧ), устанавливаемую после НРЧ. 
 
Нижняя радиационная часть выполнена в виде ленты труб с горизонтально-подъемной навивкой по стенам топки. В НРЧ вода догревается до кипения и примерно 80% ее испаряется. Из НРЧ пароводяная смесь направляется в переходную зону, расположенную в конвективном газоходе. В переходной зоне завершается испарение воды и осуществляется слабый перегрев пара (на 10—20° С). При этом часть солей, содержащихся в воде, может выпадать в виде накипи на стенках труб. Затем пар направляется в ВРЧ и после потолочных труб в выходной конвективный перегреватель, а оттуда в турбину.  
 
Прямоточные котлы нашли широкое применение на электростанциях. Вследствие того что при давлении выше критического плотности пара (р„) и воды (рв) практически равны, барабанные котлы с естественной циркуляцией не могут работать и основным типом котлов становятся прямоточные. В отопительных же котельных и на теплоэлектроцентралях при докритическом давлении в основном применяются барабанные котлы с естественной циркуляцией, которые рассматриваются при изложении последующего материала.

На тепловых электростанциях СССР и в промышленных котельных при докритическом давлении наиболее распространенными являются котлы с естественной циркуляцией. В основном это однобарабанные котлы с топочными камерами больших размеров, покрытыми изнутри экранными трубами, являющимися испарительной поверхностью нагрева. Как и в котлах среднего давления повышенной производительности, вода в экранные трубы поступает из барабана по опускным трубам и раздающему нижнему коллектору, а пароводяная смесь отводится в верхние коллекторы и по перепускным трубам поступает снова в барабан. Насыщенный пар, отделяемый в барабане от воды, по подводящим трубам направляется сначала в радиационной потолочный пароперегреватель, а затем в различной последовательности в ширмовый и конвективный пароперегреватель. 
 
Соотношение размеров нагревательной, испарительной и перегревательной поверхностей котла, их компоновка в нем во многом зависит от параметров пара (температуры и давления). Поскольку с увеличением давления и температуры энтальпия жидкости и пара возрастает, а теплота парообразования, наоборот, падает, то с ростом параметров пара увеличивается доля экономайзерной и перегревательной поверхностей в котле и соответственно уменьшается доля испарительной поверхности. В зависимости от параметров пара и соотношения испарительных и перегревательных поверхностей на выходе из топки устанавливают ширмовый пароперегреватель в котлах высокого давления или фестон на котлах среднего и пониженных значений высокого давления.  
 
Пароперегреватели располагают в горизонтальном переходном газоходе и также иногда в верхней части опускного газохода конвективной шахты. Далее по ходу газов находятся экономайзер и воздухоподогреватель. Барабанные котлы с естественной циркуляцией в отечественной энергетике применяют до давлений 18,5 МПа. При более высоком давлении плотность пара р„ приближается к плотности воды, и развиваемый напор естественной циркуляции стремится к нулю, а при Р^22,5 МПа пароводяная смесь становится однородной (рп«рв) и движение рабочего тела при естественной циркуляции прекращается, т. е. при таком давлении барабанные котлы с естественной циркуляцией неработоспособны. При Р> Ркр используются только прямоточные котлы.

Топка

В топках с твердым шлакоудалением не следует допускать расплавления шлака и его налипания на стены топки. В топках же с жидким шлакоудалением для свободного самопроизвольного вытекания из топки образующегося шлака необходимо поддерживать температуру газов внизу топки выше, чем температура жидкоплавкого состояния золы. Эту температуру называют температурой нормального жидкого шлакоудаления Ее величина определяется химическим составом шлака и, как правило, она на 100—200° С больше 
 
Влага, как и минеральная часть, является балластом топлива. Она снижает его теплоту сгорания. Кроме того, влага, превращаясь при горении в пар, отнимает часть теплоты сгоревшего топлива. Поскольку температура уходящих газов котла обычно выше 100°С, то теплота, затраченная на испарение, полезно не используется, а теряется в атмосфере. Принято влагу, содержащуюся в топливе, разделять на внешнюю и внутреннюю (гигроскопическую). Внешняя влага попадает в топливо при его добыче, транспортировке и хранении. Количество ее колеблется в широких пределах (1 — 40%). Эта влага может быть удалена из топлива при его сушке. Внутренняя влага связана как с органической частью топлива, так и с минеральными примесями в нем. К ней относят коллоидную и гидратную влагу.  
 
Коллоидная влага присутствует в топливе в виде гелей. Количество ее зависит от природы и состава топлива, содержания влаги в атмосферном воздухе. Гидратная влага химически связана с минеральными примесями топлива. Содержание ее в топливе невелико, при сушке топлива часть коллоидной влаги испаряется, содержание гидратной влаги не меняется. Влажное твердое топливо после пребывания на воздухе теряет влагу, а подсушенное, наоборот, приобретает ее. Эти процессы идут в указанном направлении до тех пор, пока не наступит равновесие между парциальным давлением пара в воздухе и паров воды в топливе. Топливо с полученной таким образом влажностью называют воздушно-сухим. 
 
Если воздушно-сухое топливо нагреть при атмосферном давлении до температуры 105° С, то практически вся приобретенная влага из топлива будет удалена. Влагу, удаленную из воздушно-сухого топлива, называют гигроскопической. Принято состав топлива представлять в виде совокупности входящих в него отдельных элементов и компонентов, выраженных в массовых процентах. Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания, называют рабочим, а вещество, составляющее его,— рабочей массой.

Существует два основных вида топок, с “мокрым” низом и “сухим”. В мокрых котлах нижний зольный слой поддерживается в жидком состоянии, и эвакуируется так-же жидким. Мокрый нижний слой обеспечивает более удобный процесс эвакуации золы и имеет высокую ценность при сжигании летучих углей, с высоким содержанием зольных веществ. Однако при строительстве котлы с мокрым низом обходятся дороже на 4-6 % и имеют более высокие эксплуатационные расходы, по сравнению с котлами с традиционным, “сухим” низом. По фазовому состоянию выводимого из котла (топки) шлака различают котлы с твердым и жидким шлакоудалением. В котлах с твердым шлакоудалением (ТШУ) шлак из топки удаляется в твердом состоянии, а в котлах с жидким шлакоудалением (ЖМУ) шлак удаляется в расплавленном состоянии.

Топливо

Если из горючей массы выделить серу колчеданную и сульфатную, то оставшуюся массу топлива называют органической массой. Состав рабочей и сухой массы одного и того же топлива в зависимости от условий добычи и погоды может колебаться в достаточно широких пределах. Состав же горючей массы стабилен. Поэтому его используют для проведения пересчета горючей массы на сухую и рабочую. Формулы пересчета состава с одной массы на другую выведены из приведенных выше уравнений составов. Коэффициенты пересчета одинаковы для всех элементов пересчитываемых масс топлива. Например, при пересчете с сухой на рабочую массу надо поэлементно состав сухой массы умножить на коэффициент (100— Wr,)/\00, т. е. О = С"(100-и^)/100;Нл = Н"(100— W',)/ /100 и т. д. 
 
В табл. 4 приведено значение коэффициентов пересчета составов твердого и жидкого топлив. 
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих (водорода Н2, углеводородов метанового ряда, тяжелых углеводородов С,„Н„, сероводорода H2S и оксида углерода СО) и небольшого количества негорючих (кислорода 02, азота N2, диоксида углерода СО2 и водяных паров Н20) газов. Состав топлива задается в виде составляющих его соединений в процентах по объему, а все расчеты ведут исходя из единицы объема сухого газа, взятого при нормальных условиях (давлении 0,1 МПа и температуре 0°С) 
 
Важными теплотехническими характеристиками твердых топлив являются величина выхода летучих и свойства коксового остатка. Если топливо нагревать без доступа воздуха, то из него в результате термического разложения нестойких содержащих кислород углеводородистых соединений выделяются летучие вещества и остается твердый нелетучий остаток (кокс). 
 
Выход летучих V'"1 определяется по уменьшению горючей массы топлива при нагревании его в течение 7 мин без доступа воздуха при температуре 850° С. Эту величину принято давать в процентах от горючей массы топлива. В состав летучих обычно входят водород Н, углеводороды СН, оксид углерода СО, диоксид углерода С02. Величина выхода летучих и температура начала их выхода зависят от возраста топлива. Чем выше выход летучих и ниже температура начала их выделения, тем легче воспламеняется топливо. Наибольший выход летучих и наименьшую температуру начала их выхода имеют молодые топлива: торф, бурые угли. 
 
Твердый остаток, который остается после выхода летучих из топлива, может иметь различный вид: спекшийся, слабоспекшийся и порошкообразный. Лишь некоторые каменные угли дают плотный, спекшийся остаток с большим числом пор, называемый коксом. Теплота сгорания топлива определяется опытным путем и представляет собой ту теплоту, которая выделяется при полном сжигании 1 кг (1 м3 для газа) топлива. Поскольку количество выделяемой теплоты зависит от конечного состояния продуктов сгорания, в частности от того, в каком агрегатном состоянии находится влага (в виде пара или воды), различают высшую Q, и низшую Qi теплоту сгорания топлива.  
 
Различие между ними состоит в том, что высшая теплота сгорания топлива учитывает теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров (влага в продуктах сгорания находится в виде воды), а низшая эту теплоту не учитывает. Так как в паровом котле температура продуктов сгорания достаточно высока и конденсации водяных паров не происходит, то теплота, затраченная на испарение влаги, теряется. Поэтому в тепловых расчетах котла используется величина низшей теплоты сгорания рабочего топлива.