Ликбез №32: Пар и уголь
Выработка энергии на ТЭЦ в общих словах выглядит просто: уголь сжигают, чтобы получить пар, который раскручивает турбины, дающие электричество. На практике же все гораздо сложнее. Газета «Сибирский энергетик» узнала об этом в котельном отделении котлотурбинного цеха Усть-Илимской ТЭЦ.
Система пылеприготовления
«На многих станциях существует разделение на котельный и турбинный цеха, – говорит машинист центрального теплового щита управления котлами Усть-Илимской ТЭЦ Евгений Тарасов, когда мы заходим в огромное – 350 метров между торцами – шумное помещение. – У нас цех совмещенный, поэтому и называется котлотурбинным». Язык терминов в данном случае как нельзя лучше отражает единство двух составляющих тепловой энергетики. Без пара, который вырабатывают котлы, нет электричества, которое вырабатывают турбины. Есть и обратная зависимость – питательная вода для котлов приходит из турбинного отделения.
Место предыдущей остановки – топливно-транспортный цех. Единая для всех ТЭЦ схема: от ближайшей железнодорожной станции, куда приходят вагоны с разрезов, до угольного склада – площадки под открытым небом, где хранится сырье. Усть-Илимская ТЭЦ отличается лишь тем, что сюда топливо привозят самосвалами. «Со склада его бульдозерами подают на качпитатели – устройства, куда уголь ссыпается и откуда впоследствии по ленточным конвейерам поступает в бункера. По всей длине цеха тянется ленточный конвейер, который распределяет уголь по котлам – первому, второму, третьему и так до седьмого», – рассказывает машинист центрального теплового щита управления котлами Александр Губанов.
Бункера – по два на каждый агрегат – находятся примерно в 26 метрах от уровня земли. Напрямую из них уголь в котлы не подают: кусочки топлива для начала нужно размолоть в пыль. Поэтому их с помощью шнекового питателя – устройства, внутри которого находится винт, напоминающий изобретение Архимеда, – подают в мельницу. По пути топливо подсушивают горячими – до 600 градусов Цельсия – газами, которые забирают из топки котла и передают по системе труб. Дело в том, что уголь сам по себе содержит влагу, к тому же в зависимости от погодных условий может набирать воду, пока хранится на улице.
Размол угля производится путем многократных ударов шарнирно подвешенными билами – так называют металлические конструкции с двумя проушинами. Вес каждой – около 12 кг. Несколько десятков бил крепят с помощью билодержателей к дискам на валу. В результате получается многоярусный «цветок» со 120 билами. Он заключен в корпус мельницы, внутренняя часть которого покрыта прочной броней. Электродвигатель раскручивает вал мельницы до нескольких сотен оборотов в минуту, так что куски угля, диаметр которых достигает пары сантиметров, размалываются в мельчайшую пыль.
Пылегазовоздушную смесь, получившуюся на выходе из мельниц, мощный вентилятор тянет вверх по специальному тракту. Она попадает в сепаратор, где крупная и мелкая фракции разделяются. Происходит это под воздействием простых физических законов. Сепаратор представляет собой конус, внутри которого расположены направляющие лопатки. Они создают вихревой поток, в котором кружится смесь. Центробежная сила прижимает к стенкам крупные частицы. Под действием силы тяжести они осыпаются в мельницу и домалываются. А смесь пыли и газов продолжает свой путь по тракту под крышу корпуса, где расположены циклоны – очистители, предназначенные для отделения взвешенных частиц от газа. Готовая пыль, проходя через щепоуловители, очищается от мусора и накапливается в бункере пыли. А газовый поток и наиболее тонкая пыль отсасываются мельничным вентилятором и сбрасываются. Таким образом, потери топлива полностью исключены. Подобная схема применяется на большинстве агрегатов любой тепловой электростанции.
Магия числа восемь
Установленные под бункером пыли пылепитатели дозируют нужное количество пыли в пылепровод. На каждый бункер пыли – их, как и бункеров сырого угля, по два на агрегат – приходится восемь питателей. Транспорт пыли осуществляется воздухом, засасываемым в смеситель за счет разрежения, создаваемого паровым эжектором, который установлен в пылепроводе котла.
Топка П-образного котла, в свою очередь, состоит из двух предтопков. Если взглянуть на ее разрез сверху, увидим два сообщающихся между собой восьмигранника. На каждой грани по одной горелке. Вместе с угольной пылью на нее подают воздух. Его забирают с улицы. Но прежде, чем попасть в топку, воздух, проходящий через конвективную шахту, обязательно подогревают – чем выше температура, тем выше коэффициент полезного действия котла. На входе в топку он обычно нагрет до 300 градусов Цельсия. «Рабочий цикл котла зависит от разрежения, – объясняет Тарасов. – В топку подаются воздух и топливо, происходит горение. В процессе горения увеличивается объем топочных газов – дыма. Раз они есть, значит, нужен дымосос. У обычной печки эту роль играет труба, у нас же тяги от двух труб высотой 180 и 250 метров не хватает, поэтому используются вентиляторы с мощными электродвигателями. Их по два на каждый котел, такие же насосы стоят на подаче воздуха».
Высота котлов БКЗ-420, установленных на Усть-Илимской ТЭЦ, достигает почти 42 метров. Топливо сжигают в нижней части котла, на первом десятке метров. Ядро факела находится на уровне 5,4 метра от пола котельного отделения. О температуре внутри него можно только догадываться, но она крайне высока. Датчики, установленные на отметке 13 метров, показывают 1580–1590 градусов по Цельсию. При этом несколько ниже, на уровне 10,8 метров, заканчивается камера горения. С этой отметки начинается камера охлаждения. Из газов, которые проходят через нее, энергетики стремятся забрать как можно больше тепла. Часть из них забирают в качестве сушильного агента для подготовки топлива. Поскольку котел в разрезе напоминает букву П (бывают, впрочем, и Т-образные конструкции), газы, поднимаясь, проходят через верхнюю перемычку и спускаются через конвективную шахту. Проходя сквозь нее, они подогревают воздух, который подается в топку по отдельным трубам, и воду. На выходе из котла температура дымовых газов составляет не больше 130–150 градусов.
Сила воды
Питательная вода, которая поступает в котельное отделение, на выходе из турбинного отделения нагрета до 220 градусов. Кажется, это противоречит школьному курсу физики, из которого все помнят, что вода закипает при 100 градусах Цельсия, но есть один нюанс: подают ее под давлением 17,26 мегапаскаля. Это в 170 раз больше нормального атмосферного давления, которое, если отойти от привычных миллиметров ртутного столба, составляет 101,325 килопаскаля. «При атмосферном давлении это будет не вода, а пар, – добавляет Тарасов. – Но при таком давлении она еще остается жидкостью».
Проходя через экономайзеры, установленные в конвективной шахте котла, она благодаря уходящим газам нагревается до 330 градусов и поступает в барабан, который находится наверху агрегата – на отметке 36 метров. В барабане происходит отделение пара от воды. Пар отводится в пароперегреватель, где нагревается до 550 градусов, и подается на турбины ТЭЦ. Вода через опускные трубы поступает в нижние коллекторы и подается в котел.
Топка котла изнутри покрыта экранами – множеством труб, сваренных между собой. Тепло, которое высвобождается при сжигании угля, через их стенки нагревает воду, превращая ее в пароводяную смесь. Последняя поднимается по трубам в барабан котла, где смешивается со смесью, приходящей из экономайзеров. Дальше цикл повторяется – пар поступает в паропровод, идущий к задвижкам турбин, а отделенная от него в барабане вода уходит в котел. В турбоагрегатах пар механически раскручивает ротор турбины, который вращает генератор, а он, в свою очередь, вырабатывает электричество.
Уголь, который используют для производства двух видов энергии, не сгорает без остатка. Одним из продуктов его сжигания становится сухая зола уноса, которая уходит с дымовыми газами и оседает в улавливающих установках. Другой остаточный продукт – шлак. В нижней части топки установлен шлаковый комод, на котором предусмотрены лючки. Если открыть лючок, можно увидеть, как струя расплавленного шлака из летки котла поступает в шлаковые ванны, заполненные водой, гранулируется. Заглядывать приходится буквально краем глаза с применением средств защиты, ведь там бушует яркое пламя. Далее шнековым транспортером шлак дробится и удаляется из ванны в канал, который тянется вдоль всего цеха ниже уровня пола.
«Зола улавливается в батарейном золоуловителе. Далее она поступает в золосмывной аппарат. Здесь она омывается водой. Назвать получившуюся смесь пульпой я не могу, потому что пульпа – это вода, шлак и зола», - говорит Тарасов. Именно эту смесь с помощью багерных насосов перекачивают в золоотвал ТЭЦ. На нем стоит система управления насосными установками. Воду, которая содержится в пульпе, очищают от золы со шлаком и возвращают в производственный цикл станции.
Наш друг – газета «Сибирский энергетик» – о том, как организован процесс водоподготовки на тепловой станции, работающей на угле. Казалось бы, вода – источник генерации только на ГЭС; но на ТЭЦ без нее не получится пара, а без пара – тепла и электричества. Но в тепловой генерации воду для использования в технологическом процессе сначала специально готовят.
Водяной пар вращает турбину, к валу которой присоединен ротор генератора. На выходе получается электроэнергия. Процесс выглядит просто, но это только кажется. Наши коллеги из «Сибирского энергетика» изучили тонкости работы угольной электростанции на примере ТЭЦ-10 «Иркутскэнерго».
