Пароводогрейные котлы

Развитие централизованного теплоснабжения требует создания нового оборудования, способного эффективно вырабатывать технологический пар и перегретую воду для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Многолетний опыт эксплуатации в СССР независимых экранных контуров с естественной циркуляцией, включенных на выносные циклоны, позволил разработать простую схему перевода серийных водогрейных котлов на комбинированную выработку пара и перегретой воды.

На рис. 7-23 показано, какую принципиальную схему имеют комбинированные пароводогрейные котлы, разработанные Всесоюзным заочным политехническим институтом, Дорогобужским котельным заводом и институтом «Энергомонтажпроект». В этой схеме в зависимости от потребности в паре все или часть экранов (например, боковые) выключаются из гидравлического контура водогрейного котла и переводятся в парообразующий контур с естественной циркуляцией. В паровом контуре устанавливаются выносные циклоны и горизонтальные уравнительные емкости. Горизонтальные уравнительные емкости связаны с выносными циклонами «дыхательными» трубами. Сетевой насос подает питательную воду в выносные циклоны и водогрейный контур. В водогрейном контуре сетевая вода нагревается последовательно в конвективной и экранных (фронтовой и задний экраны) поверхностях нагрева и направляется к потребителям. В других схемах питательная вода поступает из уравнительных емкостей. Из выносных циклонов вода по опускным трубам поступает в нижние коллекторы боковых экранов. В подъемных трубах боковых экранов образуется пароводяная эмульсия, которая собирается в верхних коллекторах. Верхние коллекторы экранов соединены с циклонами, в которых происходит отделение капелек воды от пара. Из выносных циклонов пар поступает к потребителям или в теплообменники. Наличие теплообменников позволяет использовать излишки пара (при недостаточном его расходе потребителями) для подогрева сетевой воды.

При необходимости получения пара с р> 1 МПа для подачи воды в выносные циклопы (уравнительные емкости) устанавливается специальный насос, забирающий питательную воду из деаэратора питательной воды. При получении пара низкого давления (менее 1 МПа) питание парового контура производится сетевым насосом. Однако при этом качество сетевой воды должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к питательной воде для парогенераторов.

Использование боковых экранов в качестве парового контура позволяет получить 10-15 % пара от общей теплопроизводительности котла. Комбинированные котлы такого типа не требуют глубокого регулирования, так как пар в основном используется на собственные нужды п расход его изменяется пропорционально теплофикационной нагрузке котельной. Однако при включении всех топочных экранов паропроизводительность комбинированных котлов, выполненных по рассмотренной схеме, может достигать 40-45 % номинальной нагрузки водогрейного котла.

В этом случае комбинированные пароводогрейные котлы может снабжать паром технологических потребителей. Однако выработка пара в количестве 40-45 % потребует одновременно выработки горячей воды до 50-60 % номинальной теплопроизводительности котла, что в летний период может оказаться излишним. Поэтому комбинированные пароводогрейные котлы, выполненные по приведенной на рис. 7-23 схеме, имеют ограниченное применение. Из сказанного ясно, что комбинированный пароводогрейный котел, используемый для снабжения технологических потребителей паром и одновременно вырабатывающий горячую воду, должен иметь гибкое регулирование. В качестве одного из требований технического задания на разработку комбинированных пароводогрейных котлов ВНИПИэнергопром выдвигает то, что выработка пара котлом должна составлять не менее 35 % номинальной теплопроизводительности при водогрейной нагрузке всего 3-5 %.

Кафедрой теоретической и промышленной теплотехники Всесоюзного заочного политехнического института и Дорогобужским котельным заводом проведены исследования и разработаны технические решения, обеспечивающие гибкое регулирование паровой и водогрейной нагрузок при переводе серийных водогрейных котлов на комбинированный пароводогрейный режим работы. При этом в зависимости от конкретных условий рекомендуется один из трех вариантов (рис. 7-24): а установка дополнительного воздухоподогревателя, б установка второй конвективной шахты с размещением в ней поверхностей нагрева парового контура или в - разделение существующей конвективной шахты на две части с размещением в одной из частей конвективных поверхностей нагрева парового контура.

При установке параллельно конвективной шахте отдельно стоящего трубчатого воздухоподогревателя (рис. 7-24, а) регулирование паровой и водогрейной нагрузок достигается изменением количества продуктов сгорания, проходящих через конвективную шахту и воздухоподогреватель. Для этого под конвективной шахтой и под воздухоподогревателем установлены поворотные шиберы.

Для снижения температуры продуктов сгорания перед воздухоподогревателем до 500 °С забор их производится после первого конвективного пакета водогрейного котла. Рассмотренный вариант обеспечивает поддержание постоянной паровой нагрузки котла при изменении его теплопроизводительности от 100 до 60 % номинальной. Гидравлический контур водогрейной части котла остается неизменным, кроме установки выносных циклонов и уравнительных емкостей. Недостатком этого варианта является довольно высокая нагрузка по горячей воде (15-20 % номинальной) при общей нагрузке котла 50-60 % номинальной.

При установке второй конвективной шахты (рис. 7-24, б) в ней размещаются: конвективный пароперегреватель, пакеты водяного экономайзера и небольшой трубчатый воздухоподогреватель. Вторая конвективная шахта рассчитывается на пропуск всех продуктов сгорания при общей нагрузке комбинированного котла не более 50-60 % номинальной. Регулирование паровой и водогрейной нагрузок производится изменением количества продуктов сгорания, проходящих через первую и вторую конвективные шахты посредством поворотных шиберов, установленных за ними.

При этом варианте увеличивается максимальная возможная паропроизводительность котла. При общей нагрузке котла 50-60 % номинальной нагрузка по горячей воде не превышает 4-5 % номинальной. Такие комбинированные пароводогрейные котлы могут обеспечивать выработку технологического пара круглый год.

При разделении существующей конвективной шахты на две части (рис. 7-24, б) в одной из частей взамен водогрейных поверхностей нагрева устанавливается водяной экономайзер парового контура. Регулирование паровой и водогрейной нагрузок производится изменением количества продуктов сгорания, проходящих через первую и вторую часть шахты, посредством поворотных шиберов. В связи с тем что в водяном экономайзере доля кипящей воды может превышать 20%, ввод питательной воды после водяного экономайзера должен производиться в основном в циклоны (80-85 %) и только 15-20% в уравнительные емкости. При этом для улучшения сепарации питательную воду в циклоны вводят тангенциально.

Преимуществом рассматриваемого варианта является сохранение габаритов серийного водогрейного котла, а также меньший расход металла на конвективные поверхности нагрева, недостатком - трудность поддержания постоянной паровой нагрузки при большом колебании суммарной нагрузки котла (в пределах 100-50 % номинальной).

На рис. 7-25 показан комбинированный пароводогрейный котел ПТВМ-30-М с дополнительным воздухоподогревателем. Параллельно конвективной водогрейной шахте устанавливается трубчатый воздухоподогреватель с поверхностью нагрева площадью Н= 1500 м2. Отбор продуктов сгорания на воздухоподогреватель производится после первого конвективного пакета водогрейной шахты. Для отбора продуктов сгорания задний экран шахты в месте отбора выполнен в виде многорядного фестона. При пропуске всех продуктов сгорания через воздухоподогреватель максимальная температура горячего воздуха составляет 265 °С. Регулирование паровой нагрузки котла осуществляется изменением количества продуктов сгорания, направляемых в воздухоподогреватель посредством поворотных шиберов, установленных после конвективной шахты и воздухоподогревателя.

На рис. 7-26 приведена характеристика работы комбинированного пароводогрейного котла ПТВМ-30-М. Кривые 1 и 4 показывают изменение паропроизводительности котла и мощности по горячей воде в зависимости от суммарной нагрузки при включенном воздухоподогревателе, а кривые 2 и 3 - те же величины при выключенном воздухоподогревателе. Из кривых ясно, что максимальная паропроизводительность котла составляет 34 т/ч при мощности по горячей воде 15 МВт н 100 %-ной суммарной нагрузке котлоагрегата. При выключенном воздухоподогревателе максимальная паропроизводительность котла составляет 25 т/ч при мощности по горячен воде 21 МВт. Таким образом, постоянную паровую нагрузку 25 т/ч можно поддерживать при изменении суммарной нагрузки котлоагрегата в пределах N/Nном = 55/100 %. Минимальная мощность по горячей воде при указанном изменении суммарной нагрузки котлоагрегата составляет 5 МВт.

На рис. 7-27 показан комбинированный пароводогрейный котел, созданный на базе серийного водогрейного котла КВ-ГМ-50, с дополнительной конвективной шахтой, в которой размещены пароперегреватель 1, водяной экономайзер 2 и воздухоподогреватель 3. Этим обеспечивается достаточно глубокое регулирование паровой и теплофикационной нагрузок.

На рис. 7-28 и 7-29 показана циркуляционная схема парообразующего контура и гидравлическая схема водогрейной части комбинированного пароводогрейного котла. В парообразующий контур включены все экраны топочной камеры. При этом два циклона, на которые включены боковые и задний экраны, являются чистовым отсеком, а третий циклон с включенным на него фронтовым экраном является солевым отсеком. Непрерывная продувка производится из солевого циклона с использованием ее теплоты в расширителе непрерывной продувки.

Характеристика работы котла приведена на рис. 7-30. Из нее ясно, что при поминальной нагрузке котла максимальная паропроизводительность составляет 57 т/ч (кривая 1), а мощность по горячей воде 16 МВт (кривая 4). При этом режиме 40 % продуктов сгорания пропускается через первую конвективную шахту и 60 % через дополнительную. Регулирование количества вырабатываемого котлом пара и горячей воды производится изменением расхода продуктов сгорания через первую и вторую (дополнительную) шахты посредством шиберов, имеющихся в газовом тракте котлоагрегата. Увеличение мощности котла по горячей воде (при номинальной суммарной нагрузке) до 27 МВт (кривая 3) может быть достигнуто за счет снижения его паропроизводительности до 45 т/ч (кривая 2) путем полного отключения дополнительной шахты и пропуска всех продуктов сгорания только через первую конвективную шахту.

При изменении общей нагрузки котлоагрегата от 60 до 100 % номинальной паропроизводительность котла может поддерживаться постоянной 45 т/ч, а мощность по горячей воде регулироваться в пределах от 13 до 27 МВт путем изменения расхода продуктов сгорания через вторую дополнительную шахту. Если общая нагрузка котлоагрегата, уменьшаясь, становится ниже 60 % поминальной, приходится все продукты сгорания пропускать через дополнительную шахту; паропроизводительность котла при этом будет изменяться но кривой l в соответствии с изменением общей нагрузки котлоагрегата. При пропуске всех продуктов сгорания через первую конвективную шахту паропроизводительность котла будет изменяться в зависимости от общей нагрузки по кривой 2.

Комбинированный котел имеет две горизонтальные уравнительные емкости, выполненные из труб диаметром 535 мм, длиной 6500 мм, обеспечивающие необходимый запас питательной воды. Запас воды в котле допускает перерыв в подаче питательной воды при максимальной паровой нагрузке свыше одной минуты, что больше, чем в современных барабанных котлах с естественной циркуляцией.

Рассмотренные конструкции комбинированных пароводогрейных котлов показывают, что наиболее простым способом перевода серийных водогрейных котлов на комбинированный режим работы является применение безбарабанных парообразующих контуров с естественной циркуляцией. В соответствии с этой схемой топочные экраны включаются на выносные циклоны и дополнительно устанавливаются горизонтальные уравнительные емкости.