Введение. История развития в Узбекистане

13.2 Современные паровые котлы

Современные котлы, как уже отмечалось, воспринимают радиационными поверхностями до 50% и более всего выделяемого тепла и во многих случаях могут быть названы экранными, так как возрастает значение экранов в тепловом балансе котла. Если применение подогретого воздуха при высокоценном топливе и отсутствии экранов является невозможным, то такой подогрев становится обязательным фактором в современных котлах с экранированным топочным пространством. В этих топках, несмотря на подогрев воздуха, можно установить желаемую температуру, отняв соответственное количество тепла прямой отдачей.
Экран представляет собой батарею труб с соответствующими коллекторами, включенную в систему цирку­ляции котла параллельно основному циркуляционному контуру. Трубы, находящиеся внутри топочного пространства, выстилают его стены, а сборные коллекторы (трубы большего диаметра) выведены наружу. По внешней стороне стен котла проходят трубы, соединяющие "коллекторы экранов с барабанами котла.
Вследствие высоких тепловых напряжений, которым подвергаются экранные трубы, к питательной воде экранированных котлов предъявляются повышенные требования.
Размещение экранов в топке связано с целым рядом условий. Так, например, для обеспечения зажигания топлива (антрацита) нельзя располагать экран в передней части топки.
В результате применения в современных котлах весьма развитых экранов конвективная поверхность котла сильно сокращается, но при этом возрастает поверхность нагрева пароперегревателя, а также хвостовых поверхностей котла: экономайзера и воздухоподогревателя. Подобное перераспределение поверхностей нагрева приводит к тому, что эти поверхности работают при чрезвычайно больших напряжениях, которые характеризуются величиной удельного паросъема (120-150 кг пара на 1 мч).
На рис. 23 - котлоагрегат ТП-100 Таганрогского завода, однобарабанный, с высокими параметрами пара - 140 ат и 570° С, для блока 200 тыс. кВт, паропроизводи-тельностью 640 т1ч, имеющий камерную топку для работы на антрацитовом штыбе и тощих углях; температура горячего воздуха 403° С, температура уходящих газов 128° С, к. п. д, 90,2%. Этот котел является пока самым мощным из отечественных котлоагрегатов с естественной циркуляцией, так как следующие по мощности блоки в 300 тыс. кВт выполняются уже на закритические параметры пара, на которых могут работать только прямоточные котлоагрегаты.

Рис. 23. Котельный агрегат ТП-100 большой паропроизводительности для блока 200 тыс. кВт;
1 - барабан, 2 - конвективная часть пароперегревателя, 3-регулировочная поверхность вторичного пароперегревателя. 4 - трубчатый воздухоподогреватель, 5 - экономайзер, 6 - газоход, 7 - регенеративный воздухоподогреватель, 8 - пылеугольная горелка, 9 - под с лет кой, !0 -
Активные паровые турбины
Простейшая паровая турбина должна состоять из сопла и рабочего колеса с изогнутыми лопатками. Между рядом расположенными лопатками (рис.36) образуются каналы, по которым движется пар, вытекающий из сопла. В зависимости от профиля лопаток будет видоизменяться форма межлопаточного пространства и рабочий процесс, происходящий в нем. Если рабочие лопатки имеют симметричный профиль, а пространство между лопатками по движению пара имеет постоянное сечение, расширение пара в межлопаточном пространстве происходить не будет.

Рис.36. Способы крепления на дисках турбины фре­зерованных лопаток:
а—с вильчатыми хвостами, б-лопатка с вильчатым хво­стом, в — профиль елочного хвоста, г — с елочными хвостами


Турбины, в которых весь располагаемый перепад тепла превращается в кинетическую энергию только в соплах и на рабочих лопатках расширения не происходит (давление не меняется), а только кинетическая энергия превращается в механическую работу. — называются активными, или турбинами равного давления.



Рис.37. Рабочий процесс в неподвижной рабочей лопатке активной ступени давления с планом скоростей и действующих усилий
Рассмотрим более подробно рабочий процесс в активной ступени давления. Если рабочая лопатка неподвижна (рис. 96), поток пара, выходящий из сопла с абсолютной скоростью с1 под углом а1 к плоскости вращения и поступающий затем в каналы рабочих лопаток, при отсутствии потерь выйдет с лопаток с той же скоостью с1. В реальных условиях потери имеются, по этому пар будет выходить с рабочей лопатки со скоростью, несколько меньше, т.е.с2.
При изменении направления движения в потоке пара возникает центростремительная сила Рц и, как следствие, согласно третьему закону Ньютона, возникает противодействующая сила — сила центробежного давления Р, приложенная к лопатке. Разлагая силу Р. получим составляющие; Рх, действующую в плоскости вращения, и Ру, действующую в направлении, перпендикулярном к плоскости вращения, т. е. вдоль оси вращения. Во избежание осевого сдвига осевое давление Ру в турбинах воспринимается упорными подшипниками.
Если связи, удерживающие диск с лопатками в неподвижном состоянии, убрать, то под действием составляющей рх — силы центробежного давления — начнется их движение, т. е, вращение вместе с валом.


Рис.39. Одноступенчатая активная турбина:
о — рабочий проносе, б — ус­тройство; 1 — вал. 2 — диск, 3 — рабочая лопатка, 4 — соп­ло. 5 — корпус, 6 — выпускной патрубок



Рис.38. План скоростей для движущейся активной ло­патки


При вращении рабочего колеса скорость пара на входе в каналы рабочих лопаток относительно стенок этих каналов будет иметь другую величину и направление. Эта скорость называется относительной скоростью на входе на рабочие лопатки и обозначается буквой w₁ (рис.38). Величину и направление скорости w₁ легко найти, построив параллелограмм скоростей.
Эту скорость наблюдатель мог бы замерить, «разместившись» на входной кромке рабочей лопатки и «перемещаясь» вместе с ней.
Струя пара, изменив направление, покидает лопатку с относительной скоростью w₂, несколько меньшей скорости W



где  — коэффициент скорости, учитывающий потери на рабочей лопатке.
Потеря кинетической энергии 1 кг пара с выходной скоростью составит энергии 1 кг пара на рабочих лопатках определится как разность кинетических энергии на входе и на выходе с рабочей лопатки, т. е.



или

Абсолютную скорость с_з пара, покидающего рабочую лопатку, определяют путем геометрического сложения скорости пара w₂ и окружной скорости и движения ло­патки, Если в некотором удалении от лопатки в результате турбулентного (вихревого) движения скорость c₂ снизится до нуля, то потеря


Изменения давления и абсолютной скорости в активной ступени давления наглядно показаны на рис.39. Полезную работу, совершаемую 1 кг пара на" окружности рабочего колеса, определяют как разность кинетических энергий при входе на рабочую лопатку и при выходе с нее с учетом потерь

В результате трения и вихреобразования в сопле, на рабочей лопатке и по выходе пара с рабочей лопатки
10.4 к.п.д турбины
Относительный индикаторный к. п. д., учитывающий все тепловые потери в турбине, будет по формуле

Кроме выше названных тепловых потерь, в турбине имеют место потери от трения пара о стенки диска, на котором закреплены рабочие лопатки, и вихреобразования при вращении рабочих лопаток h_Т в, потери от утечек пара h_y через зазоры между валом турбины и ее корпусом, между сопловыми диафрагмами и валом, между лопатками и корпусом турбины, а также потери от влажности пара hвл. Конечное состояние пара за турбиной характеризуется точкой 3.
При этом энтальпия отработавшего пара будет выше энтальпии в конце адиабатного расширения, а количество тепла, полезно превращенного в работу, наоборот, меньше (рис.40). Состояние пара по выходе с рабочего колеса характеризуется точкой 2". Отношение работы, развиваемой паром на окружности колеса, к теоретически возможной или к располагаемому перепаду тепла называется относительным к. п. д. на окружности колеса



Рис.40. Тепловой процесс активной ступени давления с учетом потерь в is-диаграмме





Так как к. п. д. на окружности колеса в значительной степени определяет величину к. п. д. турбины, необходимо в первую очередь установить, при каких условиях он будет максимальным.