Влияние технических характеристик топлива на профиль мощных котельных агрегатов
Котельные агрегаты сейчас имеют место быть по всей нашей стране: в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Омске, Нижнем Новгороде, Казани, Липецке, Владимире, Воронеже, Туле, Рязани, Улан-Удэ, Самаре и т. д. Свойства сжигаемого топлива оказывают очень большое влияние на профиль современного котельного агрегата, и по существу каждому сорту топлива в наилучшей степени отвечает свой профиль котлоагрегата. Это играет особенно большую роль в стране, где ассортимент энергетических топлив исключительно широк и охватывает топлива, весьма сильно разнящиеся по техническим характеристикам. По существу ни одна из зарубежных стран не использует столь разнообразных топлив, а в ряде крупных индустриальных стран мира преобладают всего два-три основных энергетических топлива. В итоге в этих странах складывается определенный профиль котлоагрегата, приспособленного к преобладающему виду топлива, а в отдельных случаях при применении других видов топлива создаются котельные агрегаты по специальному заказу. Следует иметь при этом в виду, что в крупных зарубежных странах вообще широко применяется индивидуальное проектирование котлоагрегатов для отдельных крупных станций, а нередко и на одной станции устанавливают различные котлы, поставляемые разными фирмами вследствие конкуренции. В нашей же стране с целью уменьшения объема проектных и конструкторских работ и увеличения выпуска котлоагрегатов вполне возможен такой вариант, как то, что на данном заводском оборудовании широко применяются стандартизация паропроизводительностей и параметров пара и типизация даже наиболее крупных котлов.
Государственный стандарт (ГОСТ) предусматривает определенные паропроизводительности котлов, причем для каждой паропроизводительности котлы изготовляются, только на одну-две ступени параметров цикла (давление и температура пара за пароперегревателем и температура питательной воды перед котельным агрегатом). Обычно на каждую паропроизводительность и параметры пара выпускается несколько типов агрегатов, каждый из которых предназначен для сжигания определенной группы топлив.
В 1940—1950 гг. мощные котельные агрегаты с камерными топками были в значительной степени унифицированы, т. е допускали сжигание всех основных энергетических топлив СССР. Исключение составлял лишь пароперегреватель, величина поверхности нагрева которого изменялась для различных топлив при сохранении габаритов газохода, рассчитанных на размещение наибольшей требуемой поверхности нагрева. Для топлив, требовавших меньшей поверхности нагрева пароперегревателя, просто устанавливали укороченные змеевики. Объем топочной камеры и поверхность экранов также выбирались по тому топливу, которое требовало наибольших Vm и Hр. При этом для всех других топлив объем топки по условиям полноты сжигания получался ненужно большим. Однако ряд топлив с низкой температурой размягчения золы требовал глубокого охлаждения газов в топке, т. е. большой поверхности экранов.
Так как температура газов на выходе из топки при данных нагрузке и поверхности экранов зависит от сорта топлива (особенно от его приведенной влажности), то выбор для всех топлив одинаковой поверхности нагрева экранов приводил к разным температурам газов на выходе из топки. Выбирая поверхность экранов для топлива, требующего наибольшего значения этой величины, получали температуру на выходе из топки для каждого данного топлива наперед заданной и в ряде случаев ненужно низкой. Для топлив с высоким выходом летучих это только удорожало котельный агрегат, но не приводило к ухудшению процесса горения, однако для тощих углей и АШ полнота сгорания и особенно устойчивость горения на сниженных нагрузках заметно ухудшались. Кроме того, для АШ требовалось «утепление» зоны воспламенения, и поэтому в зоне горелок устанавливался зажигательный пояс.
Применявшаяся ранее съемная конструкция этого пояса требовала частого ремонта, и ее заменили, начиная с котельных агрегатов выпуска 1953—1954 гг., ошипованными экранами, что уже требовало для АШ изменения конструкции экранных поверхностей (правда, без изменения габаритов топочной камеры). С другой стороны, ненужно низкая температура газов на выходе из топки для ряда топлив приводила к увеличению требуемой для них поверхности перегревателя. Это удорожало и увеличивало габариты «унифицированного» агрегата и ухудшало стабильность температуры перегретого пара из-за смещения конвективного пароперегревателя в зону низких температур газов. Эти трудности возрастали при повышении параметров пара, когда становилось все сложнее разместить увеличивающийся конвективный пароперегреватель в зоне температур, ограниченных, с одной стороны, температурой на выходе из топки котла, а с другой — температурой, достаточно высокой для интенсивной передачи тепла поверхности нагрева пароперегревателя.
Значительные трудности возникали при создании унифицированных агрегатов и в части конвективных поверхностей нагрева. В первую очередь это касалось выбора свободного сечения газохода; уменьшение сечения вело к росту скоростей газов и интенсивному износу труб летучей золой, увеличение — к заносу трубных пучков мелкими частицами золы. Величина скорости газа в газоходе данного сечения довольно значительно меняется в зависимости от свойств топлива, так, у подмосковного угля она примерно на 30% выше, чем у сухих углей.
Чем более строгие требования предъявлялись к бесперебойной работе котлов, тем труднее оказывалось обеспечить их при постоянном сечении газохода для всех топлив. Таким образом, унификация котельных агрегатов наряду с рядом несомненных преимуществ приводила к увеличению стоимости унифицированных котлоагрегатов и ухудшению их эксплуатационных качеств сравнительно со специализированными. В итоге уже с 1950—1952 гг., когда производственная база заводов заметно расширялась, начали уменьшать объем унификации и перешли на выпуск сперва двух вариантов котельного агрегата: 1) для АШ и сухих каменных углей со значительным выходом летучих; 2) для умеренно влажных бурых углей. Котлы, предназначенные для АШ и каменных углей, характеризовались применением барабанно-шаровых мельниц, круглых турбулентных горелок и зажигательного пояса в топке (котел ПК-10), котлоагрегаты для умеренно влажных бурых углей (например, котел ПК-14) —топкой с шахтными мельницами, увеличенным сечением конвективной шахты и меньшими габаритами газохода для размещения пароперегревателя.
В дальнейшем трудности с размещением пароперегревателя (особенно при повышении температуры пара до 540—570° С) привели к разделению первого типа на две группы: для АШ и каменных углей с большим выходом летучих. При сжигании мазута или природного газа котлоагрегаты могут выполняться без устройств для отвода шлака из топки, а температура газов на выходе из топочной камеры и скорости в газоходах не лимитируются количеством и свойствами золы. Это позволяет резко сократить габариты котлов, предназначенных для работы на газе или мазуте и сильно удешевить станцию в целом. Поэтому даже при весьма ограниченном использовании мазута и газа на электростанциях и очень малой потребности в специализированных котельных агрегатов для этих топлив было целесообразно выпускать специальную модификацию котлов для газа и мазута.
Далее при значительном увеличении потребления этих топлив явилась необходимой разработка специального типа котла, полностью использующего все возможности беззольного топлива. В части агрегатов, предназначенных для твердого топлива, наметилась тенденция к дальнейшему уменьшению унификации по топливу, связанная с применением новых типов топочных устройств и хвостовых поверхностей нагрева.
Для твердых топлив с относительно легкоплавкой золой и умеренной приведенной зольностью расширяется применение топок с высоким шлакоулавливанием: для сжигания пыли — с предтопками ВТИ и для дробленого угля — с горизонтальными циклонными предтопками. Эти топки, улавливая 80—95% золы, резко снижают золосодержание газов, что позволяет поднять скорости последних, т. е. сократить сечение газоходов. При таких топках это увеличение скоростей даже необходимо, так как отсутствие в газах крупных частиц золы приводит при умеренных скоростях газов к недопустимо сильному заносу конвективных поверхностей мелкими частицами золы. С другой стороны, шлакование топки (камеры охлаждения) сокращается, и это облегчает применение наддува с отказом от дымососов. Глубокое улавливание золы в топке позволяет применять упрощенную очистку уходящих газов или даже вообще отказаться от специальных золоуловителей.
Однако эти весьма перспективные топочные устройства котлов не являются универсальными. Пока их еще не применяют для топлив с очень малым выходом летучих (АШ). Применение их для влажных бурых углей возможно лишь при использовании разомкнутого цикла подсушки топлива, что сильно меняет профиль котельного агрегата. При очень тугоплавкой золе применение их даже для сухих топлив невозможно или потребует присадки добавок, снижающих температуру плавления золы, что еще недостаточно опробовано и может оказаться неэффективным или неэкономичным. Наконец, при высокой приведенной зольности выпуск основной массы минеральных примесей в виде жидкого шлака приводит к значительному увеличению потерь с физическим теплом шлаков. Поэтому применение топок с высоким шлакоулавливанием для подобных топлив неэкономично. Таким образом, этот вид топочных устройств котельных агрегатов пригоден лишь для определенного типа топлив и зачастую может оказаться непригодным для углей крупных месторождений, если хотя бы отдельные шахты или пласты его дают уголь с особо тугоплавкой золой.
Наоборот, для тех угольных месторождений, у которых все энергетические угли обладают золой с высокими температурами начала деформации и размягчения, может оказаться целесообразной разработка специальных котлов с высокой температурой газов на выходе из топки. Конечно, это целесообразно только в том случае, когда такие месторождения (например, экибастузское) надежно обеспечивают топливом данного типа ряд электростанций достаточно большой суммарной мощности. Для станций, предназначенных для постоянного сжигания только практически беззольного газообразного или жидкого топлива, является целесообразной разработка специальных агрегатов, работающих с наддувоми имеющих не только высокую температуру газов на выходе из топки, но и повышенные скорости в газоходах. Такие агрегаты могут иметь и своеобразную компоновку в связи с отсутствием золоуловителей и дымососов; стоимость станции с такими котлами может быть сильно снижена.
