Курс лекций по дисциплине Общая энергетика для специальностей

Тема 1.5. Основное тепловое оборудование ТЭС

1.5.1. Общие сведения о паровых котлах

Теплоэлектростанции большой мощности являются паротурбинными установками, основными агрегатами которых являются парогенератор и паровая турбина с электрогенератором.

Современный энергетический котлоагрегат большой мощности представляет собой очень большое и сложное сооружение. Так, например, котлоагрегат, обслуживающий турбину мощностью 300 МВт, производит в час более 900 т пара давлением до 24 МПа и температурой до 565⁰С. Такой котёл потребляет примерно от 150 до 300 т/ч угля в зависимости от его качества и более 900 т/ч воды.

Все технологические процессы такого котлоагрегата механизированы и автоматизированы. Котлоагрегат обслуживается многочисленным вспомогательными механизмами, приводимыми в движение десятками электродвигателей, причём мощность их достигает несколько тысяч кВт.

Габариты такого котла весьма внушительны: высота около 45 метров. Вес только металлических частей агрегата доходит до 4500 тонн. Ещё более крупными являются котлоагрегаты, обслуживающие турбины мощностью 500, 800 и 1200 МВт.

Таким образом, паровой котёл является основным агрегатом тепловой электростанции. Паровым котлом называется устройство для выработки пара с давлением выше атмосферного за счёт теплоты сжигаемого топлива. Необходимая тепловая мощность парогенератора определяется его паропроизводительностью при обеспечении установленных рабочих температуры и давления перегретого пара. При этом в топке котла сжигается расчётное количество топлива.

По назначению паровые котлы делятся на несколько групп: энергетические, промышленные, отопительные, утилизационные, энерготехнологические и специальные.

Энергетические котлы отличаются высокой единичной паропроизводительностью, повышенными параметрами пара, высокими требованиями к надёжности и экономичности и т.д.

Промышленные паровые котлы вырабатывают пар для технологических нужд промышленности.

Отопительные котлы производят горячую воду для отопления промышленных, жилых и общественных зданий.

Водогрейный котёл служит для получения горячей воды с давлением выше атмосферного. Они могут использоваться как пиковые для выдачи сетевой воды на отопление от 100 до 150⁰С.

Котлы-утилизаторы и энерготехнологические используют резервы вторичных энергетических ресурсов при переработке отходов химических производств, бытового мусора как на мусоросжигательном заводе в г. Владивосток и т.д.

Мы с вами в основном будем изучать энергетические парогенераторы.

По давлению пара на выходе из котла они делятся на котлы низкого давления (до 1 МПа), среднего (1÷10 МПа), высокого (14 МПа), сверхвысокого (18÷20 МПа) и сверхкритического давления (более 22,5 МПа).

Энергетические парогенераторы по производительности различаются как котлы малой, средней и большой производительности.

По способу циркуляции воды все котлы сводятся к трём типам: с естественной циркуляцией (рис. 21а), с многократной принудительной циркуляцией (рис. 21б), прямоточные (рис 21в).

Рис 21.

В парогенераторах с естественной циркуляцией движение рабочего тела по испарительному контуру осуществляется за счёт разности плотностей столбов рабочей среды: воды ρ_в в опускной питательной системе и пароводяной смеси ρ_см в подъёмной испарительной части циркуляционного контура (рис.21а).

На практике естественная циркуляция применяется только в парогенераторах до сверхвысоких давлений (не выше 18,5 МПа), так как плотность при таких давлениях в опускных и подъёмных системах практически одинаковы, и движущий напор циркуляции будет очень мал. Циркуляцией в парогенераторе называется явление многократного обращения испаряемой воды в экранных и кипятильных трубах барабанных котлов.

Парогенератор с многократной принудительной циркуляцией (рис.21б) отличается наличием в контуре специальных циркуляционных насосов. В этом случае движение воды и пароводяной смеси осуществляется принудительно. Недостатком системы многократной принудительной циркуляции является наличие специальных циркуляционных насосов сложной конструкции, которые нужно обслуживать и ремонтировать, а также увеличиваются собственные нужды электростанции. В Российской Федерации такие парогенераторы не выпускаются и широкого применения они не нашли.

Прямоточные парогенераторы принципиально отличаются тем, что поступающая в испарительный тракт вода на выходе из него полностью превращается в пар, и движение рабочего тела от входа воды в экономайзер до выхода из котла пара осуществляется принудительно питательным насосом. Дорогой элемент ― барабан в прямоточных парогенераторах отсутствует. Кратность циркуляции в таких котлах равна единице. Надёжная работа трубной системы обеспечивается повышением скорости рабочей среды в трубах.

Ввиду полного испарения воды в тракте особые требования предъявляются в прямоточных парогенераторах к качеству питательной воды. Во избежание отложений солей на стенках труб и связанного с этим перегрева металла поступающая в прямоточный парогенератор вода предварительно проходит химическое обессоливание.

Прямоточный принцип движения рабочей среды по всему тракту позволяет использовать этот тип парогенератора и при сверхкритическом давлении, что невозможно в агрегатах барабанного типа. Принудительная циркуляция позволяет использовать испарительные трубы меньшего диаметра.

1.5.2. Устройство парового котла

Рассмотрим устройство парового котла с естественной циркуляцией (рис.22). Основными рабочими элементами парового котла являются поверхности нагрева, которые представляют собой металлические трубчатые поверхности, омываемые с одной стороны горячими дымовыми газами, а с другой стороны ― водой, пароводяной смесью, паром, воздухом.

Экономайзер (11, 12) ― это трубчатая поверхность нагрева, которая служит для подогрева горячими дымовыми газами питательной воды, подаваемой в котёл питательным насосом. Фактически экономайзер является теплообменным аппаратом.

Питательная вода по трубопроводу (13) подаётся из экономайзера в барабан котла (1), из которого котловая вода, перемешанная с питательной, направляется по опускным трубам (9) на питание испарительных поверхностей нагрева, которые называются топочными настенными экранами (7).

В экранных трубах происходит частичное испарение воды, а в барабане пароводяная смесь разделяется на воду и пар. Таким образом, в барабане имеется водяное (2) и паровое (3) пространства.

Рис.22 Схема устройства парового котла с естественной циркуляцией.

В экранных трубах происходит частичное испарение воды, а в барабане пароводяная смесь разделяется на воду и пар. Таким образом, в барабане имеется водяное (2) и паровое (3) пространства.

Условная поверхность, отделяющая паровое пространство от водяного, называется зеркалом испарения.

Уровень воды в барабане котла измеряется системой водоуказательных приборов, который поддерживается постоянным при данной нагрузке. Различают два крайних по высоте уровня воды в барабане: низший и высший. Низший уровень воды определяется опасением оставить опускные трубы и их экраны без воды, а высший уровень устанавливается так, чтобы влажность пара не превышала допустимых значений, то есть пар не содержал большого количества капель воды.

Объём воды между предельными уровнями называется запасом питания.

Вода в барабане, замыкая цикл, снова поступает в опускные трубы (9) и нижние коллекторы (10). В барабане пар является насыщенным. Насыщенный пар проходит внутрибарабанные сепарационные устройства, оставляя в барабане часть влаги с примесями, и направляется по паропроводу (14) на перегрев в пароперегреватель.

Барабан котла является самым сложным, металлоёмким и дорогим узлом. В барабане осуществляются сбор и раздача рабочей среды, обеспечение запаса воды в котле, разделение пароводяной смеси на воду и пар, а также поддержание концентрации примесей в котловой воде, а, следовательно, качество пара.

Испарительная поверхность парогенератора ― это трубчатая поверхность нагрева, в которой осуществляется испарение воды за счёт теплоты дымовых газов. Дымовые газы передают теплоту поверхностям нагрева за счёт лучеиспускания газов (в этом случае поверхности нагрева называются радиационными) и конвекцией, то есть непосредственного контакта с газами (в этом случае поверхности нагрева называются конвективными).

Все энергетические парогенераторы оборудуются экранами, то есть поверхностями нагрева, которые располагаются на стенах топочной камеры (4), конвективных газоходов (24). Топочные экраны ограждают стены парогенератора от воздействия высоких температур в топке.

Пароперегреватель ― это трубчатая поверхность нагрева, которая служит для подогрева пара выше температуры насыщения за счёт теплоты, переданной конвекцией или комбинированно: радиацией в топке и конвекцией в газоходах в зависимости от их места размещения в котле. Пар в перегревателе проходит последовательно потолочный перегреватель (29), ширмы (30), затем первый контур конвективного перегревателя (15) и второй контур конвективного перегревателя (17). Между ними расположен пароохладитель (16), впрыскивающий питательную воду для поддержания необходимой постоянной температуры перегрева пара. После пароохладителя перегретый пар поступает по паропроводам в турбину.

Ширмы представляют собой плоские трубчатые полурадиационные поверхности, а почему полурадиационные, так они же расположены в верхней части топки, где теплопередача идёт лучеиспусканием и одновременно конвекцией. А правая часть котла называется конвективной шахтой, где тепло передаётся только за счёт конвекции.

Конвекцией называется распространение теплоты в среде с неоднородным распределением температуры, осуществляемое макроскопическими элементами жидкости при её перемещении. Такое распространение теплоты может происходить только в жидкостях и газах, частицы которых легко перемещаются в пространстве. Распространение теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, то есть молекулярным переносом теплоты.

Теплообмен, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты, называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и поверхностью её раздела с другой жидкостью называется теплоотдачей.

В данной схеме парогенератора имеется вторичный промежуточный перегрев пара, осуществляющийся во вторичном промежуточном пароперегревателе (31), который служит для повышения температуры пара, отработавшего в корпусе высокого давления турбины. Перед пароперегревателем установлен фестон (8), который является испарительной поверхностью, образованный из разрежённого в верхней части топки котла заднего экрана.

Фестон предназначен для организации свободного выхода из топки (4) топочных газов в поворотный горизонтальный газоход (23).

Топочная камера парогенератора предназначена для сжигания органического топлива, частичного охлаждения продуктов сгорания за счёт передачи теплоты топочным экранам и выделения из продуктов сгорания золы. Топочная камера (4) имеет на фронтовой стене ряд круглых пылеугольных горелок (5), к которым из системы пылеприготовления подведено топливо с первичным воздухом (6) и вторичным горячим воздухом (20).

Первичный и вторичный воздух нагреваются в воздухоподогревателе (18, 19), и по воздуховоду (21) часть воздуха , который называется первичным, направляется на сушку и транспорт пыли.

Дутьевой вентилятор (28) забирает тёплый воздух из-под крыши котельной (27) и подаёт его на подогрев в воздухоподогреватель.

В нижней части топки предусмотрена система твёрдого золошлакоудаления, которая состоит из холодной воронки (32), шлаковой шахты (25) и канала гидрозолошлакоудаления (26).

Дымовые газы после воздухоподогревателя направляются в золоуловитель, а от него к дымососу, затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу при температуре уходящих газов 120÷160⁰С.

Данный парогенератор имеет со стороны дымовых газов систему под разрежением (или ещё её называют системой с уравновешенной тягой), которую создают совместным действием дымосос и дутьевой вентилятор. При этом дутьевой вентилятор (28) создаёт разрежение (0,001÷0,003 МПа) в воздушном подогревателе, в воздуховодах (20) и горелках (5).

Так как частички золы, содержащихся в уходящих газах обладают абразивным свойством, то дымосос из соображения уменьшения эрозии лопаток устанавливается после золоуловителей и создаёт разрежение, начиная с топки и кончая самим дымососом (до 0,004 МПа). Однако имеется и более простая система под наддувом 0,002÷0,006 МПа, создаваемый работой только дутьевой установки от всаса (27) и вплоть до дымовой трубы.

Дутьевой вентилятор, дымососов, питательный насос, устройства пылеприготовления, золоулавливания, шлакозолоудаления и золоочистки являются вспомогательным оборудованием, обеспечивающим работу парогенератора.

Котёл с внешней стороны имеет наружное ограждение, которое называется обмуровкой (22) и включает в себя обшивку из стального листа толщиной 3÷4 мм со стороны помещения котельной, вспомогательный каркас, огнеупорную обмуровку, тепловую изоляцию толщиной 50÷200 мм. Основное назначение обмуровки и обшивки заключается в уменьшении тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения газовой плотности.

Каждый парогенератор снабжается гарнитурой и арматурой. К гарнитуре относятся все приспособления и устройства ― лючки, лазы, гляделки, шиберы, обдувочные устройства и т.д. К арматуре ― все приборы и устройства, связанные с измерением и регулированием воды и пара (манометры, термопары, водоуказатели, задвижки, вентили, предохранительные и обратные клапаны и т. д. Конструкция котла опирается на стальной несущий каркас, основными элементами которого являются стальные балки и колонны.

Контрольные вопросы.

1. Как делятся котлы по назначению?

2. Какие имеются типы котлов по способу циркуляции воды?

3. Для чего служит экономайзер котла?

4. Для чего служит пароперегреватель котла?

5. Для чего служит воздухоподогреватель котла?

6. Что называется зеркалом испарения котла?

1.5.3. Основные параметры и обозначения паровых котлов

К основным параметрам паровых котлов государственный стандарт (ГОСТ) относит номинальную паропроизводительность, номинальное давление пара, номинальную температуру первичного и промежуточного перегрева пара, номинальную температуру питательной воды.

Номинальная производительность котла D (кг/с) ― это наибольшая паропроизводительность, которую должен обеспечить котёл при длительной эксплуатации, при сжигании основного топлива, при соблюдении номинальных параметров пара и питательной воды, с учётом допускаемых отклонений.

Номинальное давление пара р (МПа) ― это принятое при проектировании котла абсолютное давление пара, которое должно обеспечиваться за пароперегревателем. Напомню, что абсолютное давление р_а среды ― это полное давление, которое равно сумме атмосферного и избыточного давлений:

Номинальные температуры пара t_п и t_пп (⁰С) – это температуры пара, которые должны обеспечиваться котлом непосредственно за пароперегревателями (первичным и промежуточным) при номинальных значениях основных параметров, с учётом допускаемых отклонений.

Номинальная температура питательной воды t_пв (⁰С) ― это температура воды, принятая при проектировании котла и обеспечиваемая для его номинальной паропроизводительности перед входом в экономайзер.

Тепловое совершенство работы парогенератора характеризуется коэффициентом полезного действия брутто (η^бр_к), который представляет собой отношение теплоты, переданное рабочему телу (воде—пару), к теплоте, полученной при сжигании топлива. Для современных мощных парогенераторов тепловые потери небольшие и КПД брутто равен 93÷94%.

Типоразмер парового котла включает: вид циркуляции воды, номинальную производительность и давление. Например, Е-420-140 означает ― котёл с естественной циркуляцией паропроизводительностью 420 т/ч и абсолютным давлением пара 140 кг/см² (или 13,7 МПа). Пп-950-255 означает ― котёл прямоточный с промперегревом пара паропроизводительностью 950 т/ч и абсолютным давлением 255 кг/см² (25 МПа). Пр-1-9 означает ― котёл с принудительной циркуляцией паропроизводительностью 1 т/ч и абсолютным давлением 9 кг/cм² (0,9 МПа). Для других условий к этим обозначениям добавляется индекс: Ж ― топка с жидким шлакоудалением; В ― вихревая топка; Ц ― циклонная топка; Г ― газ; М ― мазут; Н ― котёл под наддувом.

Параллельно с маркировкой ГОСТ существует заводская маркировка парогенераторов. Заводы-изготовители применяют сокращённую маркировку: сначала ставятся первые буквы наименование завода ― Т или ТКЗ (Таганрогский котлостроительный завод), БКЗ (Барнаульский котельный завод), затем буква для характеристики топлива: П ― пылеугольный, М ― мазутный, Г ― газовый, например, БКЗ-420-140ГМ ― паровой котёл Барнаульского котельного завода производительностью 420 т/ч, давлением 140 кг/см², работает на газе и мазуте; ТПП-110 означает, что он «Таганрогский пылеугольный прямоточный, а цифра указывает номер серии котлов; ТГМП-314 ― Таганрогский газомазутный прямоточный котёл, а цифры также означают номер серии котлов.

1.5.4. Поверхности нагрева паровых котлов

В паровых котлах имеются следующие поверхности нагрева: экономайзеры, испарительные элементы, пароперегреватели и воздухоподогреватели.в

Все эти элементы подвержены воздействиям высоких температур и агрессивных сред (котловая вода и пар при высоких давлениях, с одной стороны и дымовые газы, с другой стороны).

1.5.4.1. Экономайзеры

Экономайзеры представляют собой обычные подогреватели питательной воды, использующие теплоту уходящих дымовых газов. Вода как рабочее тело паросиловой установки поступает в змеевики экономайзера под действием давления, создаваемого питательным насосом. Конструктивными деталями экономайзера являются трубы и коллекторы, изготовленные из качественной углеродистой стали (рис.23).

Рис.23 Конструкция трубного пакета, узлов и деталей стального экономайзера:

1―ввод питательной воды; 2―ввод подогретой воды; 3―змеевики; 4―опорные стойки; 5―лазы в газоходы; 6―обмуровка боковой стенки; 7―предохранительные прутки; 8―вид износа трубы без прутков; 9―защитная накладка; 10―соединительный патрубок.

Питательная вода движется снизу вверх, против направления движения дымовых газов. Так как в топке имеется некоторое разряжение, то через неплотности обмуровки могут наблюдаться присосы воздуха. Для снижения присосов при монтаже стараются резко сократить количество проходов труб через обмуровку установкой соединительных патрубков (10) между змеевиками и коллекторами.

Так как частицы золы, уносимые дымовыми газами, обладают абразивным свойством, то наружные поверхности труб экономайзера, особенно первые ряды, подвержены износу. Для уменьшения износа приваривают стальные прутки (7), которые изменяют аэродинамику набегающего газового потока.

К скорости воды в экономайзерных трубках предъявляются следующие требования: при номинальной мощности котла скорость воды должна лежать в пределах 0,4÷2,0 м/с, так как при таких скоростях будет равномерная раздача воды по трубам и из-за повышенных гидравлических сопротивлений экономайзера и перерасхода электроэнергии на привод питательного насоса.

1.5.4.2. Испарительные поверхности нагрева

Испарительные поверхности ― это поверхности парового котла, в которых происходит испарение воды до температуры кипения. Это котельные пучки труб, омываемые горячими топочными газами, фестон на выходе газов из топки, настенные топочные экраны с радиационным обогревом.

Испарительные радиационные поверхности нагрева котла размещаются в топочной камере в радиационной шахте, а конвективные ― в послетопочных газоходах агрегата, то есть в конвективной шахте.

1.5.4.3. Пароперегреватели

Рис.25 Основные конструктивные элементы пароперегревателей:

1―барабан; 2―двухходовая панель радиационного настенного топочного перегревателя; 3―подвесные вертикальные полурадиационные перегревательные ширмы на выходе из топки; 4―конвективный змеевиковый вертикальный перегреватель; 5―конвективный змеевиковый выходной перегреватель; 6―потолочная трубная панель перегревателя; 7―впрыскивающий пароохладитель; 8―выходной коллектор перегретого пара; 9―входной коллектор подвесных труб; 10―выходной коллектор подвесных труб; 11―подвысные трубы перегревателя; 12―опорная планка; 13―змеевики горизонтального перегревателя; 14―горелка.

В
1 2 3 4 5 6 Рис. 24.

пароперегревателях перегрев пара выше температуры насыщения необходим для повышения термического КПД электростанций и предупреждения эрозии лопаточного аппарата проточной части турбины . Перегрев пара осуществляется в трубчатых поверхностях, которые из способа передачи теплоты от дымовых газов можно классифицировать так: радиационные поверхности (передача тепла радиацией), конвективные поверхности (передача тепла конвекцией) и радиационно-конвективные поверхности (рис.25).

Радиационная поверхность нагрева (2) пароперегревателя обычно размещается на стенах топки. Поверхность радиационно-конвективная выполняется в виде U-образных ширм (3) и потолочных панелей (6), а конвективные поверхности в виде змеевиковых пакетов (4 и 5).

Различают перегреватели по способу крепления змеевиков: вертикальные (4) ― первичного перегревателя и горизонтальные (5) ― вторичного.

1.5.4.4. Воздухоподогреватели

По принципу действия воздухоподогреватели делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативном типе воздухоподогревателей передача теплоты от газов к воздуху осуществляется непосредственно через разделяющую их стенку, а в регенеративном ― через промежуточное тело (например, через стенку трубок). Регенеративный подогреватель, как правило, эксплуатируется только как вращающийся, а рекуперативный ― как неподвижный.

Основным видом рекуперативных воздухоподогревателей является трубчатый воздухоподогреватель с вертикально расположенной трубной системой (рис.26).

Рис.26 Трубчатый воздухоподогреватель:

1―стальные трубы 40×1,5 мм;

2, 6―верхняя и нижняя трубные доски толщиной 20÷25 мм; 3―компенсатор тепловых расширений; 4―воздухоперепускной короб; 5―промежуточная трубная доска;

7, 8―опорная рама и колонны.

Трубы прямые и вертикальные, концы которых приварены к трубным доскам и расположены в шахматном порядке. Воздухоподогреватель выполняется в виде отдельных кубов (секций), которые очень удобны для транспорта и монтажа. Секции подобраны для каждого котла так, что они заполняют всё сечение газохода. Трубная система от температуры газов расширяется в основном вверх, поэтому для возможности её перемещения и для обеспечения плотности газохода применяются компенсаторы. Трубные доски секций также уплотняют линзовыми компенсаторами.

Преимущества трубчатых воздухоподогревателей заключаются в том, что они просты по конструкции, надёжны в работе, значительно более плотны по сравнению с воздухоподогревателями других систем, требуют сравнительно небольших расходов металла.

Однако имеются и недостатки: они в большей мере подвергаются коррозии, в результате чего в трубах появляются свищи, через которые воздух утекает в газоход котла. Поэтому рекуперативные воздухоподогреватели применяются на котлах производительностью до 130 кг/с.

Основным типом регенеративного воздухоподогревателя электростанций являются вращающиеся воздухоподогреватели, у которых поверхностью теплообмена служит набивка из тонких гофрированных и плоских стальных листов, которые образуют небольшой диаметр (8÷10 мм) для прохода продуктов сгорания и воздуха (рис.27).

Металлическая набивка в виде секций заполняет цилиндрический пустотелый ротор, который разделён перегородками на изолированные друг от друга секций.

Рис.27 Схема работы регенеративного воздухоподогревателя:

а―общий вид аппарата; б―пластины металлической набивки; 1―вал; 2 и 3―верхняя и нижняя опоры; 4―секция ротора; 5―верхнее переферийное уплотнение; 6―зубья привода; 7―наружная металлическая обшивка (кожух).

Движение газового и воздушного потоков непрерывное и раздельное, а набивка ротора попеременно проходит эти потоки. В газовой части воздухоподогревателя металлическая набивка секторов аккумулирует теплоту, полученную от дымовых газов, а затем отдаёт её воздушному потоку. В конечном счёте происходит непрерывный нагрев воздуха переносом теплоты, которая аккумулирована в газовом потоке. Движение дымовых газов и воздуха – противоточное.

К набивкам предъявляются такие требования, как возможно большая интенсивность теплообмена между воздухом и дымовыми газами и минимальное аэродинамическое сопротивление с той и с другой стороны.

Применение гофрированных листов (рис.27б) обеспечивает интенсивный конвективный теплообмен и соответственно более быстрый нагрев металлической набивки, а затем более глубокое её охлаждение.

В отличие от рекуперативных в регенеративных подогревателях в условиях вращающегося ротора имеют место перетоки воздуха по радиусу ротора, потери воздуха в воздушной части ротора и присосы воздуха в газовый поток. Утечки воздуха и присосы его в газовый поток примерно одинаковы, поэтому их можно рассматривать как перетоки.

Защита от перетоков достигается установкой в верхней и нижней частях ротора кольцевых и радиальных уплотнений.

Регенеративные воздухоподогреватели нашли широкое применение в энергетике на крупных энергоблоках. По конструкции эти подогреватели сложнее рекуперативных, но они компактны, требуют меньшего расхода металла, имеют невысокое аэродинамическое сопротивление и устойчивость к коррозии.

Контрольные вопросы.

1. Чем характеризуется тепловое совершенство работы парогенератора?

2. Какие поверхности нагрева имеются в паровых котлах?

3. Для чего служат испарительные поверхности котла?

4. По какому принципу делятся воздухоподогреватели котла?

5. В чём заключаются преимущества трубчатых воздухоподогревателей и их основной недостаток?

1.5.5. Паровые турбины

Развитие паротурбиностроения в настоящее время характеризуется увеличением единичных мощностей паровых турбин, повышением их надежности, экономичности и маневренности. Отечественная промышленность располагает большими производственными мощностями, квалифицированными кадрами и выпускает паровые турбины, зачастую превышающие по своим показателям лучшие мировые образцы.

Турбинами (от латинского слова turbo — вихрь, вращение) называют лопастные машины, не имеющие поршня и кривошипно-шатунного механизма и преобразующие кинетическую и потенциальную энергию потока рабочего тела в механическую энергию вращения вала. В зависимости от типа рабочего тела турбины разделяют на паровые, газовые и гидравлические.

В паровых турбинах рабочим телом, как правило, служит водяной пар. Паровая турбина является одним из основных элементов тепловой (ТЭС) и атомной (АЭС) электрических станций. Тепловые электрические станции, предназначенные для производства электроэнергии, называют конденсационными электростанциями (КЭС). Если на ТЭС водяной пар используется не только для выработки электроэнергии, но и для теплоснабжения, такую электростанцию называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Преобразование тепловой энергии в электрическую на ТЭС происходит в паротурбинной установке (ПТУ), основными элементами которой являются котел, турбина, конденсатор и электрический генератор.

В зависимости от назначения и характера теплового процесса паротурбинной установки различают несколько типов паровых турбин. Основные параметры и характеристики стационарных паровых турбин, устанавливаемых на ТЭЦ, ТЭС и АЭС для привода электрических генераторов, регламентируются Государственными стандартами. Электрические генераторы, которые приводятся во вращение турбиной, называют турбогенераторами.

Так, ГОСТ 3618—82 «Турбины паровые стационарные для привода турбогенераторов» распространяется на паровые турбины мощностью от 2,5 до 1600 МВт, имеющие следующие начальные параметры пара: абсолютное давление от 3,4 до 23,5 МПа и температуру от 435 до 565°С. Номинальная частота вращения ротора турбин, предназначенных для привода турбогенераторов ТЭС, составляет 50 с^-1. В зависимости от характера теплового процесса различают следующие типы паровых турбин.

Тип К — конденсационные паровые турбины, в которых весь пар, за исключением отборов на регенерацию, проходит через турбину и расширяется в ней до давления ниже атмосферного. Затем пар поступает в конденсатор, где теплота конденсации отдается охлаждающей воде и полезно не используется.

Тип П или Т — теплофикационные турбины с одним производственным (П) или теплофикационным (Т) отбором пара. В таких турбинах часть пара отбирается из промежуточной ступени и направляется к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давлении. Остальной пар продолжает расширяться в последующих ступенях турбины, после чего направляется в конденсатор.

Тип ПТ — теплофикационные турбины с двумя регулируемыми отборами пара: производственным и отопительным. В этих турбинах часть пара отбирается при двух разных давлениях, а остальная его часть продолжает работать в последующих ступенях и поступает в конденсатор.

Тип Р — турбины с противодавлением без регулируемого отбора пара. В этих турбинах весь пар, за исключением отборов на регенерацию, расширяется до давления, необходимого тепловому потребителю. Причем это давление выше атмосферного. Конденсатор в ПТУ с турбинами типа Р отсутствует.

Тип ПР или TP — теплофикационные турбины с противодавлением и одним производственным (ПР) или теплофикационным (TP) регулируемым отбором пара. В этих турбинах часть пара отбирается из промежуточной ступени, а остальная его часть расширяется в последующих ступенях до давления выше атмосферного. Конденсатор в ПТУ с турбинами типа ПР или TP также отсутствует.

В обозначении турбин входят буквы и цифры. Буквы указывают тип турбины, а следующие после них группы цифр ― её мощность, начальное давление пара, давление отбираемого пара или её противодавление. Для конденсационных турбин указывается номинальная мощность, а для остальных ― номинальная и максимальная.

Как и парогенератор, турбинная установка имеет вспомогательное оборудование: конденсатор, циркуляционные насосы, масляную систему, питательные и конденсатные насосы, паровые или водяные эжекторы. Турбинная установка имеет множество автоматических систем управления и защиты.

Номинальной мощностью конденсационных турбин называют мощность, которую они развивают на зажимах турбогенератора при номинальных значениях основных параметров и использовании нерегулируемых отборов для постоянных собственных нужд ТЭС. Номинальная мощность турбин других типов —это наибольшая мощность, развиваемая на зажимах турбогенератора при номинальных значениях основных параметров. Максимальной мощностью этих турбин является мощность, развиваемая на зажимах турбогенератора при работе в конденсационном режиме, т.е. при отключенных регулируемых отборах пара.

Рассмотрим примеры обозначений паровых турбин:

К-210-130 — турбина типа К, номинальной мощностью 210 МВт с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²);

К-800-240 ― турбина типа К, номинальной мощностью 800 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 23,7 МПа (240 кгс/см²);

T-110/120-130 — турбина типа Т, номинальной мощностью 110 МВт и максимальной мощностью 120 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²);

ПТ-25/30-90/10 — турбина типа ПТ, номинальной мощностью 25 МВт и максимальной мощностью 30 МВт, с начальным абсолютным давлением 8,8 МПа (9 кгс/см²) и абсолютным давлением отбираемого пара 1,0 МПа (10 кгс/см²);

Р-100/105-130/15 — турбина типа Р, номинальной мощностью 100 МВт и максимальной мощностью 105 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²) и абсолютным давлением пара за турбиной (противодавлением) 1,45 МПа (15 кгс/см²).

Первый прототип аксиальной одноступенчатой активной турбины с расширяющимися соплами (рис.28) был предложен в 1883 г. шведским инженером Густавом Лавалем. В этой турбине расширение пара происходило только в сопловой решетке одной ступени от начального до конечного давления, что обусловливало очень высокие скорости истечения пара из сопловых каналов.

Рис.28 Схематический разрез одноступенчатой активной турбины:

1―вал; 2―диск; 3―рабочие лопатки; 4―сопловая решётка; 5―корпус; 6―выпускной патрубок.

В 1884 г. английский инженер Чарльз Парсонс предложил многоступенчатую реактивную турбину, расширение пара в которой происходило не в одной, а в ряде следующих друг за другом ступеней, причем не только в сопловых (неподвижных), но и в рабочих (вращающихся) решетках (рис.29), благодаря чему стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и соответственно с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

В конце XIX в. в связи с развитием электрических машин и широким внедрением электроэнергии развитие паротурбостроения пошло быстрыми темпами. Первые паровые турбины в России начали выпускать в 1907 г. на Металлическом заводе в Петербурге.

Первая советская паровая турбина построена в 1924 г. на ЛМЗ. Она была рассчитана на начальные параметры пара 1,1 МПа (11 кгс/см² ), 300°С и имела мощность 2000 кВт. В 1926 г. ЛМЗ была выпущена турбина мощностью 10 тыс. кВт при частоте вращения 50 с^-1, в 1930 г. — турбина мощностью 24 тыс. кВт при частоте вращения 50 с^-1 на начальные параметры пара 2,55 МПа (26 кгс/см²) и 375°С.

В 1978 г. ЛМЗ изготовил уникальную одновальную турбину типа К-1200-240 мощностью 1200 МВт, при частоте вращения 50 с^-1 на начальные параметры пара 23,5 МПа (240 кгс/см ), 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которая при отключении подогревателей высокого давления была рассчитана на повышение мощности до 1400 МВт и являлась самой крупной одновальной турбиной в мире.

Рис.29 Многоступенчатая реактивная турбина:

1―корпус; 2―барабан; 3―подшипник; 4―сопловые лопатки одной из ступеней; 5―рабочие лопатки одной из ступеней.

1.5.6. Основные узлы и конструкция паровой турбины

Паровая турбина является двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в механическую работу вращающегося ротора по преодолению сил сопротивления приводимой машины (электрического генератора, питательного насоса, компрессора, вентилятора и др.).

Всякая турбина состоит из неподвижных и вращающихся частей. Совокупность всех неподвижных частей принято называть статором, турбины, а вращающихся ― ротором. Рассмотрим типичную мощностью 50 МВт с начальными параметрами пара 8,8 МПа, 535°С (рис.30). В этой турбине применен комбинированный ротор. Первые 19 дисков, работающих в зоне высокой температуры, откованы как одно целое с валом турбины, последние три диска ― насадные. Применение насадных дисков в зоне высокой температуры, как правило, не допускается во избежание ослабления натяга их на валу из-за ползучести. Выполнение же трех последних дисков цельноковаными потребовало бы увеличения диаметра поковки ротора.

Совокупность неподвижной сопловой решетки, закрепленной в сопловых коробках или диафрагмах, со своей вращающейся рабочей решеткой, закрепленной на следующем по ходу пара диске, принято называть ступенью турбины. Проточная часть рассматриваемой одноцилиндровой турбины состоит из 22 ступеней, из которых первая называется регулирующей, вторая ― первой нерегулируемой, а все остальные, кроме последней, ― промежуточными.

В каждой сопловой решетке поток пара ускоряется в сопловых каналах специально выбранного профиля и приобретает необходимое направление для безударного входа в каналы между рабочими лопатками. Усилия, развиваемые потоком пара на рабочих лопатках, вращают диски и связанный с ними вал, который передает вращающий момент ротора турбины на приводимую машину (генератор, воздуходувку и др.).

По мере понижения давления пара при прохождении от первой к последней ступени удельный объем его сильно растет, что требует увеличения проходных сечений сопловых и рабочих решеток и соответственно высоты лопаток и среднего диаметра ступеней.

К переднему торцу ротора прикреплен приставной конец вала, на котором установлены бойки двух предохранительных выключателей (датчики автомата безопасности 22), воздействующие на стопорный и регулирующие клапаны, которые прекращают доступ пара в турбину при повышении частоты вращения ротора на 10÷12 % по сравнению с расчетной.

Рис.30 Конструкция одноцилиндровой конденсационной турбины

К-50-90:

1―ротор турбины; 2―корпус турбины; 3―опорно-упорный подшипник; 4―опорный подшипник; 5―регулирующий клапан; 6―сопловая коробка; 7―кулачковый вал; 8―сервомотор; 9―главный масляный насос; 10―регулятор скорости; 11―следящий золотник; 12―картер переднего подшипника; 13―валоповоротное устройство; 14―соединительная муфта; 15―выхлопной патрубок турбины; 16―насадные диски; 17―рабочие лопатки; 18―диафрагмы; 19―обоймы диафрагм; 20―обоймы переднего концевого уплотнения; 21―перепускная труба (от стопорного к регулирующему клапану); 22―датчики автомата безопасности; 23―фундаментная плита; 24―патрубки отбора пара на регенерацию.

Приставной конец вала с помощью гибкой муфты соединен с валом главного масляного насоса, корпус которого своим всасывающим патрубком прикреплен к приливу картера переднего подшипника.

Главный масляный насос предназначен для подачи масла в систему смазки подшипников турбины и генератора (при давлении 0,15 МПа) и в систему регулирования (при давлении 2 МПа), обеспечивающую автоматическое поддержание заданной частоты вращения ротора турбины. Датчиком частоты вращения является быстроходный упругий регулятор скорости, установленный на конце вала насоса. Со стороны выхода пара ротор турбины соединен полугибкой муфтой с ротором генератора.

Рис.31 (продолжение рис. 30)

Статор турбины состоит из корпуса, в который вварены сопловые коробки, соединенные с помощью сварки с клапанными коробками, установлены обоймы концевых уплотнений, обоймы диафрагм, сами диафрагмы и их уплотнения. Корпус этой турбины кроме обычного горизонтального разъема имеет два вертикальных разъема, разделяющих его на переднюю, среднюю части и выходной патрубок. Передняя часть корпуса ― литая, средняя и выходной патрубок ― сварные.

К неподвижным частям турбины относятся также картеры се подшипников. В переднем картере расположен опорно-упорный подшипник, в заднем ― опорные подшипники роторов турбины и генератора.

1.5.7. Принципиальная схема конденсационной установки,

устройство конденсатора

Основными потребителями технической воды на электростанциях являются конденсаторы паровых турбин. Необходимый вакуум в конденсаторе создаётся при конденсации пара охлаждающей водой и отсоса воздуха пароводяными или водоводяными эжекторами. Глубина вакуума в конденсаторах турбин зависит от количества и температуры подаваемой в них охлаждающей воды. При эксплуатации турбоагрегатов, кроме того, на глубину вакуума оказывает влияние степень и характер загрязнение трубок конденсаторов, плотность вакуумной системы, работа эжекторов и т.д. Расчётный вакуум, на который запроектирована турбоустановка в комплексе с конденсатором, выбирается с учётом конструкции и технических характеристик последней ступени турбины. Расчётный вакуум в принципе должен учитывать также стоимость топлива, сжигаемого на электростанции. Например, на турбоагрегате типа К-300-240 ухудшение вакуума на 1% при постоянном расходе пара на турбину вызывает снижение её мощности на 0,8÷1,0% её номинального значения.

При вакуумах ниже расчётного наряду со значительным ухудшением экономичности уменьшается также располагаемая мощность турбины, так как расход пара через неё ограничен конструкцией проточной части.

Температура воды перед конденсаторами турбин зависит от системы технического водоснабжения и района расположения станции, а также от технической характеристики искусственных охладителей, если они применяются. Основная потеря теплоты в турбинной установке происходит в её конденсаторе.

Конденсатор в цикле Карно является холодильником (по второму закону термодинамики).

В состав конденсационной установки турбины входит следующее оборудование: собственно конденсатор, конденсатный и циркуляционный насосы, эжектор, циркуляционные трубопроводы с арматурой и т.д.

Конденсатор — теплообменный аппарат, предназначенный для конденсации отработавшего в турбине пара при низком давлении. Конденсация пара происходит при соприкосновении его с поверхностью, температура которой ниже, чем температура насыщения при данном давлении в конденсаторе. Конденсация пара сопровождается выделением теплоты, затраченной ранее на испарение жидкости, которая отводится при помощи охлаждающей среды. В зависимости от вида охлаждающей среды конденсаторы разделяются на водяные (охлаждающая среда — вода) и воздушные (охлаждающая среда — воздух). Современные паротурбинные установки снабжены водяными конденсаторами. Воздушные конденсаторы имеют по сравнению с водяными более сложную конструкцию и не получили в настоящее время широкого распространения. Водяные конденсаторы делятся на два типа: смешивающие и поверхностные. В смешивающих конденсаторах пар конденсируется на поверхности капель охлаждающей воды. В поверхностных конденсаторах пар и охлаждающая вода разделены стенками металлических трубок. Пока на ТЭС России используются только поверхностные конденсаторы.

Конденсационная установка паровой турбины состоит из собственно конденсатора и дополнительных устройств, обеспечивающих его работу (рис.32). Подача охлаждающей воды в конденсатор осуществляется циркуляционным насосом. Конденсатные насосы служат для откачки из нижней части конденсатора (1) конденсата и подачи его в систему регенеративного подогрева питательной воды. Воздухоотсасывающие устройства предназначены для удаления воздуха, поступающего в турбину и конденсатор вместе с паром и через неплотности фланцевых соединений, концевые уплотнения и др.

Схема простейшего поверхностного конденсатора приведена на рис.33. Он состоит из корпуса, торцевые стороны которого закрыты трубными досками. В эти доски завальцованы конденсаторные трубки, сообщающиеся с водяными камерами. Передняя водяная камера разделяется горизонтальной перегородкой, которая делит все конденсаторные трубки на две секции, образующие так называемые «ходы» воды (на схеме два хода). Вода поступает в водяную камеру через патрубок и проходит по трубкам, расположенным ниже перегородки. В задней камере вода переходит во вторую (верхнюю) секцию трубок. По трубкам этой секции вода идет в обратном направлении, совершая второй «ход», попадает в переднюю камеру и через выходной патрубок удаляется из конденсатора. Число ходов воды бывает от одного до четырех, в соответствии с чем устанавливается число разделительных перегородок в водяных камерах. В современных конденсаторах турбин большой единичной мощности число ходов охлаждающей воды редко превышает два.

Пар, поступающий из турбины в паровое пространство конденсатора, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода. Теоретической основой обеспечения низкого давления пара в конденсаторе является однозначная связь между давлением и температурой конденсирующейся среды. Поскольку температура конденсации определяется климатическими условиями и составляет 25÷45°С, то в конденсаторе поддерживается низкое давление, составляющее в зависимости от режима 3÷10 кПа.

Рис.32 Принципиальная схема конденсационной установки:

1―конденсатор;

2―циркуляционный насос;

3―конденсатный насос;

4―воздухоотсасывающее устройство.

Рис.33 Схема двухходового поверхностного конденсатора:

1―корпус; 2, 3―крышки водяных камер; 4―трубные доски; 5―конденсаторные трубки; 6―приёмный паровой патрубок; 7―конденсатосборник; 8―патрубок отсоса паровоздушной смеси; 9―воздухоохладитель; 10―паронаправляющий щит; 11, 12―входной и выходной патрубки для воды; 13―разделительная перегородка; 14―паровое пространство конденсатора; 15÷17―соответственно входная, поворотная и выходная камеры охлаждающей воды; А―вход пара; Б―отсос паровоздушной смеси; В, Г―вход и выход охлаждающей воды; Д―отвод конденсата.

Чем ниже температура и больше расход охлаждающей среды, тем более глубокий вакуум можно получить в конденсаторе. Образующийся конденсат стекает в нижнюю часть корпуса конденсатора, а затем в конденсатосборник.

Пар, поступающий в конденсатор из выходного патрубка турбины, всегда содержит воздух, попадающий в турбину через неплотности фланцевых соединений, через концевые уплотнения ЦНД и т.п. Наличие воздуха уменьшает теплоотдачу от пара к поверхности охлаждения. Удаление воздуха (точнее, паровоздушной смеси) из конденсатора производится воздухоотсасывающим устройством через патрубок (8). В целях уменьшения объема отсасываемой паровоздушной смеси се охлаждают в специально выделенном с помощью перегородки (10) отсеке конденсатора — воздухоохладителе (9).

Конденсатор в современных турбинах выполняет и другие функции. Например, при пусках и остановках, когда котел вырабатывает большее количество пара, чем требуется турбине, или когда параметры пара не соответствуют необходимым, его направляют (после предварительного охлаждения) в конденсатор, не допуская потерь дорогостоящего рабочего тела путем его выброса в атмосферу. Для возможности приема такого «сбросного» пара конденсатор оборудуется специальным приемно-сбросным устройством.

Кроме того, в конденсатор обычно направляют конденсат из коллекторов дренажей паропроводов, уплотнений, некоторых подогревателей и вводят добавку химически очищенной воды для восполнения потерь конденсата в цикле.

1.5.8. Воздухоотсасывающие устройства

Воздухоотсасываюшие устройства предназначены для удаления паровоздушной смеси из конденсатора и циркуляционной системы и поддержания необходимого вакуума. В паротурбинных установках применяют следующие типы воздухоотсасывающих устройств: пароструйные и водоструйные эжекторы и воздушные насосы.

Принципиальная схема эжектора изображена на рис.34. Рабочее тело (пар — в пароструйном эжекторе, вода — в водоструйном) подается под давлением в приемную камеру, откуда через сопло (или несколько сопл) с большой скоростью направляется в камеру смешения, соединенную с паровым пространством конденсатора. Струя пара или воды, обладая большой кинетической энергией, увлекает за собой паровоздушную смесь из камеры в суживающуюся часть канала переменного сечения и далее поступает в диффузор, в котором происходит торможение потока и преобразование кинетической энергии в потенциальную. Вследствие этого давление на выходе из диффузора превышает давление во внешней среде и происходит постоянное удаление паровоздушной смеси из конденсатора.

Рис.34 Принципиальная схема эжектора:

1―приемная камера;

2―сопло;

3―камера смешения; 4―суживающаяся часть канала; 5―диффузор.

Самое широкое распространение в паротурбинных установках получили пароструйные эжекторы, которые выполняются одно-, двух- и трехступенчатыми. Одноступенчатые эжекторы создают разрежение до 0,073÷0,08 МПа и применяются в качестве пусковых (для быстрого отсоса воздуха из конденсатора при пусках турбины). Двух- и трехступенчатые эжекторы создают более глубокое разрежение и применяются в качестве рабочих, обеспечивая устойчивую и надежную работу турбины при глубоком вакууме.

1.5.9 Питательные и циркуляционные насосы

Питательные насосы в теплосиловых установках являются весьма ответственным элементом технологиче6ской схемы электростанции. Современные питательные насосы выполняются многоступенчатыми с числом ступеней, зависящим от частоты вращения, диаметра ступеней и напора, создаваемого насосом.

Современный питательный насос имеет весьма развитую систему защиты, блокировок, сигнализации и контроля. Это позволяет обеспечивать безопасность работы питательного агрегата и бесперебойную подачу воды в парогенератор.

Все питательные насосы должны иметь на напорной линии обратный клапан, который предохраняет насос от появления обратного тока воды при его аварийном останове.

Циркуляционные насосы предназначены для снабжения электростанции охлаждающей и технической водой. Основная часть подаваемой воды направляется в конденсатор турбин, а остальная часть расходуется на следующие цели:

1. Охлаждение масла в маслоохладителях турбогенератора и питательного насоса.

2. Охлаждение водорода в газоохладителях генератора.

3. Охлаждение воздуха в воздухоохладителях возбудителей генератора, электродвигателях питательных насосов.

4.Охлаждение масла в подшипниках всех прочих вращающихся механизмов электростанции.

5. На прочие нужды, например, на гидрозолоудаление, химическую водоочистку, подпитку тепловой сети и т.д.

Контрольные вопросы.

1. Какое оборудование входит в состав конденсационной установки?

2. Для чего предназначен конденсатор турбины?

3. Для чего предназначено воздухоотсасывающее устройство конденсатора?

4. Куда подаётся на электростанцию охлаждающая и техническая вода?

<< предыдущая страница следующая страница >>