Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки. М.М. Щеголев

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

ВВЕДЕНИЕ

В 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым была
построена первая паровая машина непрерывного действия,
механическая работа которой могла использоваться на заводских
предприятиях для облегчения труда рабочих и повышения
производительности труда Высоко образованный человек, хорошо
знакомый с работами своего гениального современника М. В.
Ломоносова, И. И. Ползунов созданием своей паровой машины опе-
опередил почти на 20 лет заграничные изобретения, в частности
паровую машину Уатта, патент на которую был получен в 1784 г
Однако правящая верхушка феодально-крепостнической царской
России не поняла значения гениального открытия И. И. Ползунова, и оно было забыто.

Иностранцы, занимавшие высокие посты в Академии наук и
других учреждениях, не признавали и не ценили достижений
нашей науки и техники, умышленно тормозили внедрение в жизнь
новых открытий, а зачастую приписывали их себе.

В дальнейшем, с развитием в России капитализма, начала
развиваться промышленность, однако тенденция недооценки своих
творческих сил, преклонения перед заграничными авторитетами,
зависимость от иностранного капитала, всячески тормозившего
развитие отечественной промышленности, мешали прогрессу
нашей науки и техники.

Великая Октябрьская социалистическая революция положила
этому конец.
По инициативе В. И. Ленина был создан план Гоэлро,
сыгравший огромную роль в деле развития нашего народного хозяйства.
В годы сталинских пятилеток Коммунистическая партия и
правительство неуклонно проводили политику индустриализации
нашей страны.

Нет нужды доказывать, какую огромную роль в деле
индустриализации играют энерговооруженность промышленности и
механическая энергия — основной фактор, приводящий в
движение многогранное сложнейшее оборудование, рожденное современной техникой.

Мощный подъем индустриализации промышленности и
сельского хозяйства побудил перестроить котельную и топочную
технику на новых основах с учетом максимального использования
местного топлива.
В настоящее время на электростанциях СССР в отличие от
капиталистических стран максимально используется местное
топливо, на котором вырабатывается Vs всей электроэнергии.
Котлостроение в СССР по существу было создано заново.

Для мощных электростанций потребовались крупнейшие котлоагрегаты с высоким коэффициентом полезного действия
(к. п. д.). Были созданы специализированные заводы,
изготовляющие котельное оборудование.

Непосредственная творческая связь с
заводами-изготовителями во многом способствовала успешной работе
теплотехнических научно-исследовательских институтов: Всесоюзного
теплотехнического института имени Ф. Э. Дзержинского, Центрального
котлотурбинного института имени И. И. Ползунова,
Энергетического института Академии наук СССР имени Г. М.
Кржижановского и др.
Содружество научно-исследовательских институтов, проектных
организаций и промышленности позволило в кратчайший срок
догнать и перегнать зарубежное котлостроение.

Были созданы надежные в работе паровые котлы экранного
типа, прямоточные котлы лауреата Сталинской премии Л. К. Рамзина, на изготовление которых требуется значительно меньше
металла, чем для котлов прежних типов. Переход на топки для
сжигания угольной пыли позволил использовать отбросы топливоперерабатывающих заводов и антрацитовые штыбы,
получив при этом высокий к. п. д.; были освоены топки с жидким
шлакоудалением, облегчающие эксплуатацию котлоагрегатов и
очистку от золы уходящих газов.

Широкое распространение получили шахтно-цепные топки для
торфа Т. Ф. Макарьева, топки для сжигания фрезерного торфа
лауреата Сталинской премии А. А. Шершнева, шахтно-мельничные топки и т. п.
Научно-исследовательскими институтами изучены условия
сжигания топлива, теплопередачи, циркуляции пароводяного
потока, водный и паровой режимы котлов, детально разработан
расчет на прочность котлоагрегатов и целый ряд других вопросов.
Для изучения процессов аэродинамики и теплопередачи котла-
агрегата огромную роль сыграла теория моделирования, разрабо-
разработанная акад. М. В. Кирпичевым и его школой.

Эти исследования облегчили задачи проектирования простых
и надежных котлоагрегатов высокого давления. Сжигание
низкосортного влажного топлива вызвало необходимость применять
для горения подогретый воздух с температурой до 400° и выше,
что в свою очередь потребовало новых конструктивных решений
для пароперегревателей, водяных экономайзеров,
воздухоподогревателей с целью увеличения коэффициентов теплопередачи и
повышения температурного напора между греющей и
нагреваемой средой.

Строительство современных паросиловых станций идет в двух
направлениях — ЦЭС и ТЭЦ.
ЦЭС—конденсационная центральная электрическая станция—
предназначается для выработки электрической энергии и строится
по возможности в непосредственной близости к месту добычи
топлива.

Это объясняется тем, что из себестоимости отпускаемой
электроэнергии более 50% падает на расходы, связанные с
приобретением топлива и его транспортированием. Поэтому понижение
топливной слагающей сказывается на снижении стоимости
отпускаемой электроэнергии с ЦЭС.

На такой станции обыкновенно концентрируется большая
мощность, и станция предназначается для снабжения электроэнергией
целого района. В подобных условиях возможно максимально
механизировать процессы подачи топлива, золоудаления и пр.
Теплоэлектроцентрали строятся в непосредственной близости к
промышленному комбинату или городу, с тем чтобы снабжать
потребителя не только электрической энергией, но и теплом для
целей отопления и нужд производства. Эта станция обладает
весьма высоким к п. д., значительно превышающим
соответствующий коэффициент ЦЭС, благодаря чему сильно снижается
расход топлива.

Следует только отметить, что, располагая станцию в
промышленном центре, необходимо обратить особое внимание на
обезвреживание ее отходов, в первую очередь дымовых газов. Если,
например, сжигаемое в таких условиях топливо имеет много золы и
серы, то отходящие газы надо особенно тщательно очищать, чтобы
они не загрязняли воздух. Связанные с этим дополнительные
расходы на установку и эксплуатацию, однако, ни в какой степени
не могут уничтожить преимущества теплоэлектростанции, как
наиболее экономично работающей. Как правило, нужно стремиться
строить только ТЭЦ.

Если радиус охвата электросетей, идущих от ТЭЦ, достигает
200—400 км, то предельный радиус тепловых сетей равен 15 км.
Ограниченность радиуса раздачи тепла от станции к потреби-
потребителям вызывает ряд неудобств.

ТЭЦ приходится строить непосредственно в городе, что
затрудняет подачу к ней топлива и золо-шлакоудаление.
Кроме того, одновременно в городе даже при наличии очистки
отходящих газов ухудшаются санитарно-гигиенические условия.

целью ликвидации отмеченных затруднений поставлен вопрос
о строительстве ТЭЦ дальнего теплоснабжения городов с
расположением станции на расстоянии до 100 км от города.
Являясь пионером в деле теплофикации, СССР в настоящее
время стоит на первом месте по развитию централизованного
теплоснабжения.

Необходимо отметить, что в ряду источников механической
энергии (топливо, вода и ветер) топливу принадлежит первое
место. Топливо содержит запас химической энергии, находящейся в нем в потенциальном состоянии. В процессе сгорания, т. е. при
реакции соединения горючих элементов топлива с кислородом
воздуха, происходит преобразование химической энергии в тепловую.
В итоге этой реакции получаются газы, тепло которых и
используется далее для получения механической энергии. Эта
трансформация энергии может осуществляться по трем основным схемам
(рис. 1).

Наиболее простой является схема /. топливо, смешиваясь с
воздухом, сгорает непосредственно в самом двигателе, в
результате чего образуются газы с высокой температурой и давлением,
тепловая энергия которых и преобразуется в механическую
работу. По такому принципу работают двигатели внутреннего
сгорания и газовые турбины. Топливом в подобных случаях является
нефть или продукты ее перегонки.

В случаях использования твердого кускового топлива схема
получения механической энергии усложняется (рис. 1, схема //);
дополнительно устанавливается газогенератор, в котором топливо
сначала газифицируется, а затем уже направляется в двигатель
внутреннего сгорания или газовую турбину.

И, наконец, наиболее сложным путем протекает
трансформация энергии по схеме /// с включением промежуточного рабочего
тела — водяного пара. Здесь химическая энергия топлива
преобразуется в тепловую энергию продуктов горения, тепло которых
далее используется для получения водяного пара в паровом котле.
Из котла пар идет в паровую машину или турбину, где тепловая
энергия его преобразуется в механическую работу. Пар далее
направляется в конденсатор, где обращается в воду и насосом
перекачивается опять в паровой котел.

Исторически машины-двигатели начали строиться и внедряться
в промышленность по схеме III, так как общее развитие техники в
то время позволило конструктивно оформить лишь паровой
поршневой двигатель. Создание двигателей по схемам / и //
задерживалось, так как получаемые при этом высокие температуры газов
требовали большой точности изготовления машин и применения
специальных металлов. Это не обеспечивалось
машиностроительной промышленностью того времени.

В настоящее время используются все три схемы одновременно,
но для промышленного получения электроэнергии схема /// имеет
преимущественное распространение. Это объясняется тем, что хотя
экономичность паросиловых установок несколько и ниже (см.
рис. 1), чем двигателей, работающих по первым двум схемам, но
они позволяют использовать все виды топлива, включая и
низкосортное местное. Кроме того, паровые двигатели более надежны в
длительной эксплуатации и позволили создать более компактные
паротурбогенераторы большой мощности. В СССР строятся
турбины мощностью до 150 000 кет.
Следует отметить, что наблюдающаяся в настоящее время
тенденция дальнейшего повышения начального давления и
температуры перегрева пара приближает экономичность паросиловых
установок к двигателям, работающим по первой схеме.

В СССР в настоящее время поставлен вопрос о создании
тепло-электростанций, которые по своей экономичности перекроют
все мировые достижения Предусматривается повышение давления пара до 185—300 атм при температуре перегрева пара 550° с
доведением к. п. д. станции до 39%.
Большие перспективы открываются в области применения
схемы // с использованием подземной газификации угля, на
возможность чего впервые указал еще Д. И. Менделеев, а впоследствии
эту идею энергично поддержал В. И. Ленин.
Коэффициент полезного действия каждой из трех
рассмотренных выше схем получения механической энергии может быть значительно повышен при использовании низкопотенциального тепла
в установке.

В двигателях внутреннего сгорания можно использовать тепло
выхлопных газов и воды, охлаждающей их цилиндры (тогда
использование топлива значительно повышается). Приходится
только снабжать установку дополнительным оборудованием, которое
при малых мощностях сильно ее усложняет. По этим причинам
использование тепловых отбросов в устройствах этого типа
распространяется сравнительно медленно. Гораздо проще и
эффективнее можно использовать тепловые отбросы в случаях
получения механической энергии по схеме ///.

Распределение расходов тепла в паровой установке
конденсационного типа, работающей без использования тепловых отбросов,
изображено на рис. 2. Размер отдельных потерь будет меняться в
зависимости от индивидуальных особенностей установки, но порядок цифр сохранится. Наибольшие размеры приобретает потеря с
водой, охлаждающей конденсатор. Почти 60% тепла, вносимого с
топливом, расходуется на нагревание воды, перекачиваемой через конденсаторы и далее выбрасываемой опять в ту же реку или
озеро, откуда она забиралась насосами центральной
электрической станции. Количество этой воды примерно в 60 раз превышает
расход пара на турбину, причем температура воды по выходе из
конденсаторов не превышает 23—30°.

Если заставить турбину работать с давлением пара на выходе
более 1 ати, не устанавливая конденсатора, то удельный расход
пара на получение механической работы сильно возрастет. Из того
же количества пропущенного через турбину пара будет ВЫработаНО МеНЬШе
электроэнергии, но зато весь отработавший в турбине пар, имеющий
температуру более 100°, можно будет
использовать на нужды производственных
процессов, отопления и т. п. В таком случае
к. п. д. установки в целом сильно
возрастет (до 70% и выше). Подобные
станции, расходующие много пара и
вырабатывающие относительно немного
электрической энергии, получают
распространение в местах расположения
сетей высокого напряжения,
связывающих в кольцо ряд районных
электростанций. Режим работы такой станции определяется тепловым графиком, а получаемая электроэнергия
направляется в общую сеть. Если электроэнергию в общую сеть
передать нельзя, а промышленный комбинат должен иметь свою
тепловую и электрическую энергию, на станции устанавливают
турбины с промежуточным отбором, т. е. часть пара пропускают
через конденсатор, а из турбины производят отбор пара требуемых,
параметров для производственных целей или отопления.
Распределение по количеству пара, идущего в конденсатор и отбираемого
на нужды теплоснабжения, производится в зависимости от
теплового и силового графиков. Чем больше тепловой энергии
потребляет промышленный комбинат, тем меньше получается так
называемый конденсационный хвост и тем выше будет к. п. д.
установки.

Таким образом, схемы паровых установок с использованием
отработавшего тепла располагаются по своей экономичности
между двумя крайними пределами (рис. 3): от чисто
конденсационной установки, работающей с минимальным к. п. д., до установки
без конденсатора с полным использованием тепла, к. п. д. которой
Достигает предельных значений. В середине помещается установка
с отбором пара, причем чем больше этот отбор, тем выше к. п. д.
Когда станция располагается непосредственно на месте добычи
топлива, например, на торфяном болоте, где нет потребителей
тепловой энергии, то количество отбираемого пара достигает
минимальных значений и он расходуется только на регенерацию, т. е.
яа подогрев питательной воды, направляемой из конденсаторов
обратно в котлы. Но даже и это мероприятие, заставляя работать
турбину по регенеративному циклу, повышает экономический
к. п. д. на 6—10%.

Отдельные заводы и поселки, не нуждающиеся в большом
количестве тепловой энергии для технологических процессов и еще
не охваченные теплофикационной сетью, ток получают от
районных электростанций, а теплом снабжаются от собственных
котельных.

Условия социалистического хозяйства предоставляют широкие
возможности для укрупнения котельных и присоединения к одной
котельной ряда объектов, потребляющих тепловую энергию,
расходуемую на производственные цели, отопление, вентиляцию и
горячее водоснабжение целых кварталов. Укрупнение котельных
позволяет в больших масштабах использовать новейшее
оборудование и механизацию, что дает возможность добиться большой
экономии топлива при меньшем количестве обслуживающего
персонала.

Проектирование, монтаж и эксплуатация таких котельных, в
том числе и заводских, должны возлагаться на инженеров-отопителей как работников, наилучшим образом ориентированных в
характерных особенностях режима работы потребителей тепловой
энергии.

К сожалению, еще не везде четко представляют себе значение
и задачи инженера-отопителя, вследствие чего нередко даже
крупные отопительные котельные проектируются недостаточно
продуманно и на эксплуатацию их не обращается должного внимания.
В результате такого отношения к отопительным котельным в
практике эксплуатации даже заводских котельных часто
наблюдается значительный пережог топлива.

Отопительные установки имеют много специфических
особенностей, отличающих их от котельных паросиловых станций. Это
обстоятельство отражено и в данной книге, направленной в
основном на детальное ознакомление с относительно мелкими
агрегатами.