Тема 2. «Основное и вспомогательное оборудование ТЭС»

2.1 Паровые котлы.

2.2 Турбины и генераторы.

2.3 Нагнетательные машины ТЭС

Основное и вспомогательное оборудование ТЭС»

К основному оборудованию ТЭС относятся паровые котлы (парогенераторы), турбины, синхронные генераторы, трансформаторы.

Все перечисленные агрегаты стандартизованы по соответствующим показателям. Выбор оборудования определяется в первую очередь типом электростанции и ее мощностью. Практически все вновь проектируемые электростанции являются блочными, в качестве их основной характеристики используется мощность турбоагрегатов.

В настоящее время выпускаются серийные отечественные конденсационные блоки ТЭС мощностью 200, 300, 500 и 800 МВт. Для ТЭЦ наряду с блоками мощностью 250 МВт используются турбоагрегаты мощностью 100 и 175 МВт, для которых блочный принцип сочетается с отдельными поперечными связями оборудования.

При заданной мощности электростанции номенклатура оборудования, включаемого в состав блоков, выбирается по его мощности, параметрам пара и виду используемого топлива.

Паровые котлы

Паровой котел (ПК) - теплообменный аппарат для получения пара с давлением, превышающим атмосферное, образующий вместе с вспомогательным оборудованием котельный агрегат.

Характеристиками ПК являются:

- поверхность нагрева, т. е. поверхность, с одной стороны омываемая дымовыми газами, а с другой стороны – питательной водой;

- паропроизводительность,рабочее давление пара;

- КПД, т. е. отношение количества тепла, содержащегося в паре, к теплотворной способности топлива, израсходованного для получения этого пара.

Характерными для ПК являются также вес, габариты, расход металла и имеющееся оборудование для механизации и автоматизации обслуживания.

Первые ПК имели шарообразную или близкую к ней форму. Такую форму имел и ПК, построенный в 1765 И. И. Ползуновым,создавшим первую универсальную паровую машину и тем самым положившим начало энергетическому использованию водяного пара. Сперва ПК изготовлялись из меди, затем из чугуна. В конце 18 века уровень развития чёрной металлургии дал возможность изготовить стальные цилиндрические ПК из листового материала путём склёпывания. Постепенные изменения в конструкциях ПК привели к многочисленным разновидностям. Цилиндрический котёл, имевший диаметр до 0,9 ми длину 12 м,монтировался с помощью кирпичной обмуровки, в которой выкладывались все газовые каналы. Поверхность нагрева такого ПК образовывалась лишь в нижней части котла.

Стремление к повышению параметров ПК привели к увеличению габаритов и увеличению числа потоков воды и пара. Увеличение числа потоков пошло по двум направлениям.

С одной стороны — создание стальных цилиндрических топок внутри основного цилиндрического объема котла, что привело к пронизыванию всего котла пучками жаровых (большого диаметра) и дымогарных (малого диаметра) труб и таким образом к созданию газотрубных котлов (рисунок 1). Улучшение теплопередачи от дымовых газов к воде привело к тому, что температура газов на выходе из котла понизилась и КПД котла повысился. Это направление развития ПК характеризовалось созданием конструкций компактных транспортных котлов (паровозного, судового, локомобильного и т. п.).

Рисунок 1 - Локомобильный газотрубный паровой котёл

С другой стороны — последовательное увеличение числа цилиндров котла, превратившихся в водяные трубы, что привело к созданию конструкций водотрубных котлов.

Увеличение поверхности нагрева водотрубных котлов сопровождалось увеличением габаритов и, в первую очередь, высоты ПК. КПД ПК достиг 93—95%. Были созданы водотрубные ПК большой паропроизводительности для питания паром турбин мощных электростанций. Водотрубные котлы стали строиться барабанного типа, в которых сочетались пучки прямых или изогнутых труб с цилиндрическими стальными барабанами (рисунок 2).

Рисунок 2 - Однобарабанный водотрубный паровой котёл

Дальнейшее совершенствование водотрубных ПК сделало возможным осуществление ПК, состоящего сплошь из стальных труб малого диаметра, в которые с одного конца поступает вода под давлением,
а с другого выходит пар заданных параметров, так называемого прямоточного котла. Таким образом, это ПК, в котором полное испарение воды происходит за время однократного (прямоточного) прохождения воды через испарительную поверхность нагрева. В прямоточный ПК вода с помощью питательного насоса подаётся в экономайзер.

Экономайзер - это теплообменник, в котором питательная вода перед подачей в котёл подогревается уходящими из котла газами, что повышает КПД ПК. Экономайзеры изготовляют из стальных, преимущественно гладких труб.

Из экономайзера вода поступает в змеевики или подъёмные трубы, расположенные в топке и составляющие испарительную поверхность. В выходной части змеевиков испаряются остатки влаги и начинается перегрев пара. В этой, так называемой переходной зоне, содержание пара в воде достигает 90-95% (по объёму). Змеевики переходной зоны во избежание пережога частично выводят из топки в газоходы, где теплонапряжение меньше. После переходной зоны пар окончательно перегревается в радиационном и конвективном пароперегревателях.

Пароперегреватель - элемент котлоагрегата для перегрева пара, то есть для повышения его температуры сверх температуры насыщения. Состоит из укрепленных параллельно стальных труб с внутренним диаметром 20-60 мм, присоединённых непосредственно к барабану котла или к входному, выходному, а иногда к промежуточному коллектору (рисунок 3). По направлению движения пара относительно дымовых газов различают пароперегреватели с параллельным током, противотоком и смешанным током. В зависимости от места расположения пароперегревателя в котле и, следовательно, от вида теплообмена, осуществляющегося в нём, различают радиационные, ширмовые (полурадиационные) и конвективные пароперегреватели.

Рисунок 3 - Внешний вид пароперегревателя

Радиационные пароперегреватели размещают на потолке топочной камеры или же на стенках её, часто между трубами экранов. Они, как и испарительные экраны, воспринимают тепло, излучаемое факелом сжигаемого топлива. Ширмовые пароперегреватели, выполненные в виде отдельных плоских ширм из параллельно включенных труб, укрепляются на выходе из топки перед конвективной частью котла. Теплообмен в них осуществляется как излучением, так и конвекцией. Конвективные пароперегреватели располагают в газоходе котлоагрегата обычно за ширмами или за топкой; они представляют собой многорядные пакеты из змеевиков. Пароперегреватели, состоящие только из конвективных ступеней, обычно устанавливают в котлоагрегатах среднего и низкого давления при температуре перегретого пара не выше 440-510ºС. В котлоагрегатах высокого давления со значительным перегревом пара применяют комбинированные пароперегреватели, включающие конвективную, ширмовую, а иногда и радиационную части. При давлении пара в 14 МПа (140 кгс/см²) и выше обычно, кроме основных (первичных) пароперегревателей, устанавливают вторичные (промежуточные), в которых перегревается пар, частично отработавший в турбине.

В прямоточном ПК отсутствуют барабан и опускные трубы, что значительно снижает удельный расход металла, т. е. удешевляет конструкцию котла. Существенный недостаток таких котлов заключается в том, что соли, попадающие в котёл с питательной водой, либо отлагаются на стенках змеевиков в переходной зоне, либо вместе с паром поступают в паровые турбины, где оседают на лопатках рабочего колеса, что снижает КПД турбины. Поэтому к качеству питательной воды для таких ПК предъявляются повышенные требования Другим недостатком прямоточных ПК является увеличенный расход энергии на привод питательного насоса.

Прямоточные ПК устанавливают главным образом на конденсационных электростанциях, где питание котлов осуществляется обессоленной водой. Применение их на теплоэлектроцентралях связано с повышенными затратами на химическую очистку добавочной (подпиточной) воды. Наиболее эффективны прямоточные ПК для сверхкритических давлений (выше 22 МПа), где другие типы котлов неприменимы.

Основными характеристиками паровых котлов является их производительность и параметры пара после первичного и промежуточного перегревателей. Расход пара на турбину устанавливается обычно для зимнего режима работы электростанции. Производительность парового котла должна выбираться с учетом увеличения расхода пара на турбину вследствие повышения давления в конденсаторе в летнее время года, утечек пара и конденсата, включения сетевых установок для отпуска теплоты и других расходов. В соответствие с этим производительность парового котла выбирается по максимальному пропуску свежего пара через турбину с учетом расхода пара на собственные нужды электростанции и обеспечения некоторого запаса для использования вращающегося резерва и других целей.

Накрупных электростанциях монтируют мощные водотрубные однобарабанные и прямоточные котлы высокого давления (до 25 МПа) с паропроизводительностью до нескольких т/час и температурой до 650ºС.

Теплофикационный котёл - это котлоагрегат теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), обеспечивающий одновременное снабжение паром теплофикационных турбин и производство пара или горячей воды для технологических, отопительных и др. нужд. В отличие от котлов КЭС в теплофикационных котлах обычно используют в качестве питателя воды возвращаемый загрязнённый конденсат. Для таких условий работы наиболее пригодны барабанные котлоагрегаты со ступенчатым испарением. На большинстве ТЭЦ теплофикационные котлы имеют поперечные связи по пару и по воде. В РФ на ТЭЦ наиболее распространены барабанные котлы паропроизводительностью 420 т/ч (давление пара 14 Мпа, температура 560ºС). С 1970 на мощных ТЭЦ с преобладающими отопительными нагрузками при возврате почти всего конденсата в чистом виде применяют моноблоки с прямоточными котлами паропроизводительностью 545 т/ч (25 МПа, 545ºС).

К теплофикационным ПК можно отнести и пиковые водогрейные котлы, которые используют для дополнительного подогрева воды при повышении тепловой нагрузки сверх наибольшей, обеспечиваемой отборами турбин. При этом вода нагревается сначала паром в бойлерах до 110-120ºС, а затем в котлах до 150-170ºС. В РФ эти котлы устанавливают обычно рядом с главным корпусом ТЭЦ. Применение сравнительно дешёвых пиковых водогрейных теплофикационных котлов для снятия кратковременных пиков тепловых нагрузок позволяет резко увеличить число часов использования основного теплофикационного оборудования и повысить экономичность его эксплуатации.

Турбины и генераторы

Паровые турбины (ПТ) ТЭС комплектуются с электрическими генераторами: каждой турбине соответствует свой генератор. Мощность турбины КЭС выбирается в соответствии с мощностью блоков, а число их устанавливается по заданной мощности электростанции.

ПТ используются в качестве основных двигателей промышленных когенерационных систем (производящих тепловую и электрическую энергию) в течение многих лет. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой паровой машины, ПТ использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара.

Электрическая мощность системы зависит от того, насколько велик перепад давления пара на входе и выходе турбины. КПД паровой турбины в части генерации электроэнергии является самым низким из всех рассматриваемых технологий (до 25%), но в составе когенерационных систем суммарная эффективность может достигать 84% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Из этого следует, что ПТ находят применение в местах, где потребность в тепловой энергии намного выше, чем в электрической.

Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться под высокими давлением и температурой (например, 42 кг/см² при 400°С или 63 кг/см² при 480°С). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к росту капитальных расходов и стоимости сопровождения.

Паровые турбины бывают двух типов:

- с противодавлением (когда давление пара на выходе турбины выше атмосферного);

- конденсационные (когда давление пара на выходе турбины ниже атмосферного).

Применение конденсатора на выходе турбины позволяет увеличить электрическую эффективность, но практически сводит к нулю последующее использование отходящего тепла.

Попытки создать ПТ делались очень давно. Известно описание примитивной ПТ, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). Однако только в конце 19 в., когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, К.Г. Лаваль (Швеция) и Ч.А. Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга в 1884-89 создали промышленно пригодные ПТ. Лаваль применил расширение пара в конических неподвижных соплах в один приём от начального до конечного давления и полученную струю (со сверхзвуковой скоростью истечения) направил на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск. ПТ, работающие по этому принципу, получили название активных ПТ. Парсонс создал многоступенчатую реактивную ПТ, в которой расширение пара осуществлялось в большом числе последовательно расположенных ступеней не только в каналах неподвижных (направляющих) лопаток, но и между подвижными (рабочими) лопатками.

ПТ оказалась очень удобным двигателем для привода вращающихся механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, лёгкой, экономичной и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие ПТ пошло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания специализированных ПТ различного назначения.

Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых ПТ Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные ПТ развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно увеличить единичную мощность ПТ, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала ПТ с вращаемым ею механизмом.

Реактивная ПТ Парсонса некоторое время применялась (в основном на военных кораблях), но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным ПТ, у которых реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенчатым активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее.

В зависимости от характера теплового процесса ПТ обычно подразделяют на 3 основные группы: чисто конденсационные, теплофикационные и специального назначения.

Чисто конденсационные ПТ (рисунок 4) служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Эти ПТ работают с выпуском отработавшего пара в конденсатор, где поддерживается вакуум. Чисто конденсационные ПТ могут быть стационарными или транспортными.

Рисунок 4 - Конденсационная турбина в разрезе

Стационарные ПТ в соединении с генераторами переменного электрического тока (турбогенераторы) - основное оборудование КЭС. Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее и тем ниже стоимость 1 квт установленной мощности. Поэтому мощность ПТ растет из года в год и к 1974 достигла 1200 Мвт в агрегате при давлении свежего пара до 35 МпА (1 Па =1 н/м² =10^-5кгс/см²) и температуре до 650ºС. Принятая в РФ частота электрического тока 50 Гц требует, чтобы частота вращения ПТ, непосредственно соединённой с двухполюсным генератором, равнялась 3000 об/мин.

В зависимости от назначения стационарные ПТ электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых ПТ требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80%). От пиковых ПТ требуется возможность быстрого пуска и включения в работу, от ПТ собственных нужд - особая надёжность в работе.

Транспортные ПТ используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить ПТ на локомотивах, однако паротурбовозы распространения не получили. Для соединения быстроходных ПТ с гребными винтами, требующими невысокой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые редукторы. В отличие от стационарных ПТ (кроме турбовоздуходувок), судовые ПТ работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна.

Теплофикационные ПТ служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии на ТЭЦ.

Для отпуска тепловой нагрузки на нужды отопления и горячего водоснабжения устанавливают турбины типа Т (Т-100, Т-175, Т-250). При наличии на ТЭЦ промышленной и отопительной тепловых нагрузок устанавливают турбины типа ПТ, а при преимущественно промышленной - типа ПР или Р.

Резервные турбины на ТЭЦ не устанавливаются. Для резервирования отпуска теплоты промышленным потребителям применяютсяредукционно-охладительные установки, производительность которых должна покрывать отпуск пара потребителям одной из турбин. Для отопительной нагрузки резервом являются пиковые водогрейные котлы.

К теплофикационным ПТ относятся ПТ с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У ПТ с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (сушка, отопление и др.). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой ПТ, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной ПТ или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В ПТ с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень ПТ) выбирают в зависимости от нужных параметров пара. У ПТ с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему. Давление пара ПТ для отопительных целей обычно составляет 0,12МН/м² (0,12 МПа), а для технологических нужд (сахарные, деревообрабатывающие, пищевые предприятия) 0,5-1,5 МН/м².

ПТ специального назначения обычно работают на отбросном тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся ПТ мятого пара, двух давлений и предвключённые (форшальт). ПТ мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющий давление немного выше атмосферного. ПТ двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней. Предвключённые ПТ представляют собой турбины с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих ПТ направляют в другие ПТ с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых ПТ возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции ПТ. ПТ специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные ПТ, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Все стационарные ПТ имеют нерегулируемые отборы пара из 2-5 ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды.

В РФ установлено 4 ступени начальных параметров пара: давление 3,5 Мн/м², температура 435ºС для ПТ мощностью до 12 Мвт; 9 Мн/м², 535ºС для ПТ до 50 Мвт; 13 Мн/м², 565ºС для ПТ до 100 Мвт и 24 Мн/м², 565ºС для ПТ мощностью 200 и 300 Мвт. Давление отработавшего пара 3,5-5 кн/м². Удельный расход тепла от 7,6 кдж/вт×ч у самых мощных ПТ до 13 кдж/вт×ч у небольших конденсационных турбин.

В РФ не строят стационарных реактивных ПТ, но отдельные зарубежные фирмы традиционно продолжают выпускать ПТ с активной частью высокого давления и последующими реактивными ступенями.