Владлен Котлер - Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы

Природный газ поступает на тепловые электростанции от мест добычи по магистральным газопроводам, давление в которых может составлять 5–7 МПа. Непосредственно к ТЭС газ подается от газораспределительных станций (ГРС) с давлением 0,7–1,3 МПа. После ввода на ТЭС газ попадает в местный газорегулировочный пункт (ГРП), в котором его давление снижается до необходимого уровня и поддерживается постоянным в пределах от 0,05 до 0,12 МПа. Кроме регуляторов давления, в ГРП имеются фильтры, необходимые для очистки газа от механических примесей. Здесь установлены также предохранительные клапаны, срабатывающие при аварийном повышении давления газа, расходомер, манометр и продувочная свеча. На крупных электростанциях ГРП располагается в отдельном помещении. Прокладка всех газопроводов на территории ТЭС выполняется наземной, на железобетонных или металлических эстакадах.

В последние годы для снижения избыточного давления газа всё чаще стали применять турбодетандеры – газотурбинные генераторы, работающие на перепаде давления газа. На тепловых электростанциях турбодетандеры врезают параллельно газораспределительным станциям, понижающим давление природного газа из магистрального трубопровода.

При пропуске газа через турбину детандера сброс давления осуществляется за счет передачи энергии турбине, которая вращает генератор электрического тока. Незначительное количество газа при этом используется для подогрева рабочего тела на выходе из турбины.

В зависимости от перепада давления и объема применяемого на ТЭС природного газа турбодетандеры могут иметь мощность от 1 до 36 МВт. Поскольку при работе турбодетандера практически не происходит расходование топлива, получаемая энергия является «экологически чистой», то есть не приводит к выбросам в атмосферу как токсичных, так и тепличных газов. Кроме того, выработка электроэнергии турбодетандерами экономит расход природного газа, а значит, еще больше снижает выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.

После ГРП газ подается в котельный цех и через индивидуальные расходомеры поступает к каждому котлу. На этих линиях обязательно устанавливают автоматический регулятор расхода газа (АРР) и отсекающий быстродействующий клапан (БК). Последний срабатывает при возникновении аварийной ситуации, а регулятор АРР обеспечивает необходимую тепловую мощность при работе котла на газе.

Газопроводы к котлам прокладывают в виде тупиковых ответвлений от общестанционной магистрали. Все газопроводы, как и положено по технике безопасности [3], снабжаются свечой, отводящей газ при продувке газопроводов в атмосферу. Свечи обычно выводят в места, недоступные для пребывания людей. Через свечи вытесняется также газовоздушная смесь, появляющаяся в газопроводе перед растопкой котла. Схема газопроводов с необходимой арматурой в помещении котельного цеха приведена на рис. 3.18. Для газопроводов используются стальные бесшовные трубы, диаметр которых выбирается по расходу газа и принятой скорости его движения. Рекомендуемые значения скорости составляют 60–80 м/с для магистральных газопроводов и 40–60 м/с для отводов к котлам.

Рис. 3.18. Схема газопроводов в помещении котельной

На электростанциях, расположенных по соседству с предприятиями металлургического профиля, часто сжигают доменный или коксовый газ. В этих случаях система газоснабжения принципиально не отличается от схемы подачи природного газа. Но в любом случае для котлов, получающих из общей магистрали технологический газ, должен быть предусмотрен индивидуальный ГРП, в котором осуществляются дросселирование и поддержание постоянного давления газа.

Котельная установка сконструирована и работает в строгом соответствии с законом сохранения энергии. Это значит, что тепловая энергия, полученная в топке в результате сгорания органического топлива, расходуется на нагревание и превращение воды в пар, а также на перегрев этого пара до заданной температуры. Некоторая часть тепловой энергии при этом теряется в окружающую среду, с уходящими газами, с физическим теплом золы и шлака. Присутствует среди потерь и несгоревшая часть топлива – химический и механический недожог (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема основных тепловых потоков котла

Для превращения химической энергии органического топлива в тепловую, в топочную камеру котла подаются топливо и окислитель, а из котла удаляются продукты сгорания. Конструкторы котла и эксплуатационный персонал (каждый – в зоне своей компетенции) стараются обеспечить максимально полное сгорание топлива, минимальные потери в окружающую среду и максимальную степень охлаждения продуктов сгорания, покидающих котельную установку. Всё это вместе приводит к повышению коэффициента полезного действия – КПД (брутто).

Приходная часть материального баланса котла — это топливо (В, кг/с) и окислитель (L B, кг/с), в качестве которого используется организованно подаваемый в топку горячий воздух. Кроме того, в негазоплотных котлах, работающих под разрежением, в топку и конвективные газоходы подсасывается некоторое количество воздуха (ΔL ти ΔL к, кг/с). При этом подсосанный в конвективный газоход воздух в процессе горения не участвует, то есть является полностью балластным.

Расходная часть материального баланса — газообразные продукты сгорания, покидающие котел, и твердые очаговые остатки – золошлаки (последние – только при сжигании твердого топлива). При этом шлак удаляется через холодную воронку или через летку (в топках с жидким шлакоудалением), а зола уноса улавливается в электрофильтрах или других золоуловителях (за исключением небольшой части, уносимой газообразными продуктами сгорания через дымовую трубу).

Таким образом, уравнение материального баланса по газовоздушному тракту можно записать в таком виде:

B + L B+ ΔL = L r+ ΣG з/ш. (4.1)

В случае сжигания жидкого или газообразного топлива в этом уравнении последний член отсутствует.

Расход топлива В определяется мощностью (паропроизводительностью) котельного агрегата, а необходимый расход окислителя (кислорода) можно подсчитать по содержанию в топливе горючих компонентов – углерода С, водорода Н и серы S.

Так, например, количество кислорода, необходимое для полного сгорания углерода, легко определить, зная молекулярные массы углерода (12), кислорода (32) и плотность кислорода при 20 °С и 101,3 кПа (1,428 кг/м 3):