Понимание паровых котлов: основы и применение

Основы парового котла

Паровой котел — герметичный сосуд, где вода нагревается в контролируемых условиях для превращения в пар. Котел — по сути теплообменник, передающий тепло воде. Также называют парогенератором. Тепловая энергия для нагрева воды поставляется либо топливом (газ, жидкое, твердое), либо отходным теплом промышленных процессов. Иногда используют солнечную энергию. Пар в котле может быть низкого, среднего или высокого давления. В промышленности пар используют как технологический пар в процессах или для привода турбин на выработку электроэнергии. Каждый котел спроектирован для передачи максимально возможного тепла воде. Теплопередача — проводимость, конвекция, излучение. Относительная доля каждого зависит от типа котла, проектируемой поверхности теплообмена и топлива.

Основные типы котлов

Два главных типа: дymohorno-трубчатые (fire tube) и водяно-трубчатые (water tube).

• Дымогорно-трубчатый: множество труб, через которые проходят горячие газы. Трубы погружены в воду в замкнутом сосуде. Один сосуд/оболочка содержит воду, через нее проходят дымогорные трубы. Газы нагревают воду, превращают в пар, пар остается в том же сосуде. Используются для малых паровых мощностей и низких/средних давлений. Компактные, блочно-модульные, дешевле.
• Водяно-трубчатый: вода нагревается внутри труб, горячие газы окружают их. Обратная схема. Кормовая вода проходит через трубы в барабан. Циркулирующая вода нагревается газами сгорания и превращается в пар в паровом пространстве барабана. Применяется при высоком паропотреблении и высоких давлениях (промышленные процессы, выработка электроэнергии). Особенности: (1) принудительный, индуцированный и балансированный тяга для улучшения эффективности сгорания; (2) низкая толерантность к качеству воды — нужна водаочистная установка; (3) более высокий термический КПД.

Компоненты котельной системы

Основные компоненты: водаочистная установка, нагреватели кормовой воды, деаэраторы, кормовые насосы, экономайзер, перегреватель, атемператор, паровая система, конденсатор, конденсатный насос. Плюс системы контроля расхода воды/пара, топлива, воздуха, химической обработки. Схема потока котельной на рис. 1.

Рис. 1 Схема потока котельной установки

Широко котельная система состоит из: системы кормовой воды, паровой системы, топливной системы. Кормовая вода обеспечивает обработанную воду в котел и автоматически регулирует под паропотребность. Паровая система собирает и контролирует пар. Пар направляется трубопроводом к точке использования. Топливная система включает все оборудование для подачи топлива для выработки тепла. Оборудование зависит от вида топлива.

Система кормовой воды

Кормовая вода — вода, поступающая в котел для превращения в пар. Два источника: конденсат (возвращенный конденсат из процесса) и дополнительная вода (обработанная вода из водаочистной установки). Основные компоненты:

• Нагреватель кормовой воды: КПД котла повышается утилизацией отходящего тепла от потраченного пара для предварительного нагрева кормовой воды. Нагреватели — трубчато-оболочечные теплообменники: вода в трубах, пар в оболочке. Конденсат возвращается в конденсатный бак или горячий колодец.
• Деаэраторы: кормовая вода часто содержит растворенный кислород (недопустимые уровни) от утечек воздуха в конденсаторе, уплотнений насосов или из конденсата. Кислород удаляют механически в деаэраторе. Принцип: растворимость кислорода падает при повышении температуры. Пропускают пар через кормовую воду.
• Экономайзеры: последняя стадия системы кормовой воды. Извлекают тепло от дымовых газов для нагрева пара и повышения КПД. Простые заламеллированные трубчатые теплообменники. Экономайзер снижает расход топлива, передавая тепло дымовых газов входящей воде.

Паровая система

Состоит из парового и илового барабанов, котельных труб, перегревателей, атемператоров, конденсатных систем.

• Паровой и иловый барабаны: паровой барабан — верхний барабан водяно-трубчатого котла, где происходит разделение воды и пара. Содержит внутренние элементы для входа кормовой воды, химической дозировки, слива, контроля уровня, разделения пар-вода. Кормовая вода из экономайзера входит в паровой барабан. Пар выходит сверху через сепараторы. Паровой выход обычно от этого барабана к нижнему барабану через систему подъемных и нисходящих труб. Нижний барабан (иловый) — бак внизу котла, уравнивает распределение воды к генерирующим трубам и собирает твердые осадки (соли от жесткости исилиция).
• Котловные трубы: из высокопрочной углеродистой стали. Трубы сварены в непрерывную стенку. Обычно более одного банка труб. Трубы наиболее уязвимы к отказам из-за проблем с потоком или коррозионными отложениями.
• Перегреватель (Superheater): пар при выходе из котла насыщен (равновесие с водой при давлении/температуре котла). Цель — убрать всю влагу, повышая температуру пара выше точки насыщения. Перегреватель добавляет энергию выходному пару. Добавленная энергия повышает температуру и теплосодержание выше насыщения. Перегретой пар имеет больший удельный объем.
• Атемператоры (Attemperators): контролируют степень перегрева. Атемперация — частичная десуперхеация пара контролируемой инъекцией воды в поток перегретого пара. Обычно используют кормовую воду.
• Конденсатные системы: конденсат из различных теплообменников возвращается в котел как часть кормовой воды. Конденсаты тщательно мониторят по pH и входу кислорода, применяют правильную обработку конденсата.

Топливная система

Системы подачи топлива критичны для работы котлов. Основные функции: транспортировка топлива в котел и распределение внутри для равномерного и полного сгорания. Тип топлива влияет на эксплуатационные особенности. Топливная подача — самая значительная компонента котельной системы. Топливо готовят к сгоранию и транспортируют в котел. Система сгорания обеспечивает стабильность пламени в широком диапазоне расходов, создавая благоприятные условия для зажигания топлива и аэродинамические условия для хорошего смешивания первичного воздуха и топлива. Горели — центральный элемент эффективной системы сгорания.

КПД парового котла

В паровом котле происходят потери энергии: неполное сгорание, излучательные потери от стенок, тепло, уносимое дымовыми газами. КПД показывает эти потери. КПД = (тепло, уносимое выходным паром) / (тепло, поставляемое топливом) × 100 %.

КПД включает термический КПД, КПД сгорания, КПД «топливо-пар». Зависит от размера, типа, конструкции котла и др.

Классификация паровых котлов

По дизайну и конструкции:

Пульверизированный топливный котел (Pulverized fuel boiler)

Большинство угольных электростанций и промышленных водяно-трубчатых котлов используют пульверизированный уголь. Технология развита, >90 % угольной мощности. Уголь помолут в тонкий порошок: <2 % >300 мкм, 70–75 % <75 мкм для каменистого угля. Пульверизированный уголь с частью воздуха сгорания подают через горелочные насадки. Вторичный и третичный воздух могут добавляться. Сгорание при 1300–1700 °C в зависимости от марки угля. Время пребывания частиц в котле 2–5 сек, частицы должны быть достаточно малы для полного сгорания. Преимущества: способность сжигать разное качество угля, быстрая реакция на изменение нагрузки, высокие температуры предварительного нагрева воздуха.

Котел сfluidized bed combustion (FBC)

Горнильная система на основе fluidized bed combustion. Значительные преимущества: компактный дизайн, топливная гибкость, более высокий КПД сгорания, снижение выбросов вредных загрязнителей (SOx, NOx). Топлива: уголь, отвалы обогащения, рисовая шелуха, багасс, сельхозотходы.

В этих котлах FBC происходит при ~840–950 °C. Поскольку температура значительно ниже температуры плавления золы, избегают плавления золы и связанных проблем. Низкая температура сгорания за счет высокого коэффициента теплопередачи при быстром перемешивании в fluidized bed и эффективном извлечении тепла через трубы в слое и стены слоя. Скорость газа поддерживают между минимальной флюидизационной и скоростью уноса частиц — стабильная работа слоя без уноса частиц в газ. Три типа:

1. Атмосферный fluidized bed combustion (AFBC)
2. Атмосферный циркулирующий fluidized bed combustion (CFBC)
3. Подавленный fluidized bed combustion (PFBC)

AFBC котел

Уголь дробят до 1–10 мм в зависимости от ранга угля, типа топлива в горнило. Атмосферный воздух (флюидизация и сгорание) подают под давлением после предварительного нагрева отходящими газами. Внутрислойные трубы с водой — испаритель. Газы сгорания проходят через перегреватель, экономайзер, пылесборники, воздухонагреватель, затем в атмосферу.

CFBC котлы

В циркулирующей системе параметры слоя поддерживают так, чтобы способствовать элютрияции (уносу) твердых частиц из слоя. Элютрация — процесс, когда мелкие частицы уносятся из флюидизированного слоя газовой скоростью. Частицы поднимаются в относительно разреженной фазе в поднятеле твердых частиц, нисходящая труба с циклоном обеспечивает возврат твердых частиц. Нет парогенерирующих труб, погруженных в слой. Генерация и перегрев пара в конвективной секции, водяных стенах и на выходе поднятеля. CFBC обычно экономичнее AFBC для промышленных применений >75–100 т/ч пара.

PFBC котел

Компрессор подает принудительный воздух, горнило — сосуд под давлением. Скорость выделения тепла в слое пропорциональна давлению — используют глубокий слой для извлечения большого тепла. Повышает КПД сгорания и поглощение SO₂ в слое. Пар генерируется в двух пучках труб: один в слое, один над ним. Горячие дымовые газы приводят газовую турбину. PFBC для когенерации (пар + электроэнергия) или комбинированного цикла (газовая турбина + паровая). Комбинированный цикл улучшает общий КПД на 5–8 %.

Котел утилизации отходящего тепла (Waste heat boiler)

Где доступно отходящее тепло средних/высоких температур, устанавливают котел утилизации для экономичного производства пара. Пар может раскрываться в паровую турбину-генератор для выработки электроэнергии. Широко используется для тепловозврата из отходящих газов.