Конспект лекций по курсу «Теплоэнергетика» для металлургических специальностей

Конспект лекций по курсу «Теплоэнергетика» для металлургических специальностей

Оглавление

1.Общая характеристика энергопотребления в чёрной металлургии

1.1. Энергоносители и их распределение…………………………….

1.2. Газоснабжение заводов чёрной металлургии……………………..

1.3. Использование топлива в металлургических печах………………..

2.Тепловые электростанции металлургических заводов

2.1. Виды электростанций………………………………………………..

2.2. Устройство типового энергоблока…………………………………..

2.3. Основные законы перехода тепловой энергии в работу………..

3. Паросиловое оборудование ТЭС

3.1. Котельные установки………………………………………………

3.2. Паровые турбины…………………………………………………….

4. Вспомогательное оборудование ТЭС

4.1.Насосы…………………………………………………………………

4.2. Тягодутьевые машины………………………………………………

5. Компрессоры…………………………………………………………….

 

Общая характеристика энергопотребления в чёрной металлургии

Газоснабжение заводов чёрной металлургии

Газообразное топливо является основным видом топлива на металлургических заводах. Система газоснабжения завода должна обеспечивать бесперебойную работу всех потребителей, быть простой, удобной, безопасной и экономичной.

Основными элементами системы газоснабжения являются: газопроводы с соответствующим оборудованием, газорегуляторные пункты и установки, газосмесительные станции. В зависимости от давления транспортируемого газа различают газопроводы низкого (до 5 кПа), среднего (>5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (>0,3 МПа) давления. Природный газ поступает в промышленные сети предприятия от городских распределительных сетей через ответвления и ввод. Давление его на вводе от 0,3 до 1,2 МПа. Транспортирование газа к цехам осуществляется по межцеховым, а в цехах по внутрицеховым газопроводам.

По способу прокладки различают надземные и подземные газопроводы. По территории промышленных предприятий газопроводы, как правило, прокладывают над землёй. При этом исключается подземная коррозия газопроводов, менее опасны утечки газов, облегчается обслуживание и ремонт.

При необходимости снижения давления природного газа до заданной величины и поддержания его на определённом уровне применяют ГРП и ГРУ.

Если цехи расположены компактно, то устанавливают один центральный ГРП. Если цехи расположены далеко друг от друга, то ГРП устанавливают вблизи от агрегатов, которые потребляют наибольшее количество газа. ГРУ устанавливают в помещении, где расположены установки небольшой производительности.

В схему ГРП входит основной газопровод с необходимой арматурой, обводной газопровод (байпас) и щит с контрольно-измерительными приборами.

Для очистки газа от механических примесей применяют фильтры.

На основном газопроводе имеются предохранительные клапаны, а также необходимые отключающие устройства. Во время ремонта оборудования на основной линии газ поступает к потребителям через байпас.

На заводах, располагающих различными видами газообразного топлива, строят газосмесительные станции (ГСС). Применение смесей газов для отопления некоторых печей приводит к более эффективному использованию топлива.

Для повышения давления газа, подаваемого потребителям, а также транспортируемого на значительные расстояния, на заводах строят газоповысительные станции (ГПС), например, для транспортировки коксового газа к нагревательным печам и сжигания его с помощью инжекционных горелок давление его надо повысить.

Повышение давления газа производится газодувками или компрессорами.

 

Тепловые электростанции металлургических заводов

Виды электростанций

Основным звеном энергетической системы металлургического предприятия является тепловая электрическая станция (ТЭС), генерирующая электрическую и тепловую энергию, а также энергию сжатого воздуха.

Тепловые электрические станции отличаются друг от друга тем, каким образом на них получают пар, обладающий запасом потенциальной энергии и могущий совершать работу в турбине. В настоя­щее время на большинстве электростанций пар для их работы получают в котельных установках за счет химической энергии сжигаемого топлива. Именно за этими станция­ми сохраняется традиционное название − тепло­вые электрические станции (ТЭС).

Те ТЭС, которые, кроме электроэнергии, в боль­шом количестве отпускают тепло для нужд промыш­ленного производства, отопления зданий и т.д., называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Вырабаты­вать тепло в виде пара и горячей воды на ТЭЦ исключительно выгодно.

Тепловые электрические станции металлургических заводов включают в себя установки по производству электрической и тепловой энергии, а также установки по производству сжатого воздуха для обеспечения доменных печей дутьём, т. е. являются одновременно и паровоздуходувными станциями (ПВС). Поэтому их называют ТЭЦ-ПВС.

 

Котельные установки

Котельными установками называют комплекс оборудования, предназначенного для преобразования химической энергии топлива в теплоту с целью получения горячей воды или пара заданных параметров.

В зависимости от назначения различают установки таких типов: энергетические для обслуживания ТЭС (с давлением пара 10..30 МПа), отопительно – производственные (до 4 МПа) и отопительные (0,15…0,2 МПа).

Котельная установка состоит из одного или нескольких котлоагрегатов 6 и дополнительного оборудования: тягодутьевых ус­тановок (вентиляторов 8, дымососов 10, дымовой трубы 11) для подачи воздуха в топку и удаления дымовых газов из котельной, устройств для удаления шлаков и золы 7, золоулавливаю­щего устройства 9 для очистки продуктов сгорания от летучей золы, пи­тательных насосов 1 для подачи воды в котельный агрегат, топливо­приготовительного оборудования (в случае использования твёрдого топлива − мельниц 3, пылепроводов 4), питательных трубопроводов 2, паропроводов 5 и устройств для теплового контроля и автоматического управления работой котель­ной установки.

Котельную установку обслуживают система топливоподачи и водо­подготовительные устройства для очистки питательной воды от раство­pённых в ней солей и газов.

Котельный агрегат состоит из следующих элементов: собственно парового котла 7, 10,9, пароперегревателя 12, водяного эко­номайзера 14, воздухоподогревателя 15, топочного устройства 2, обму­ровки 16, каркаса 5, арматуры, гарнитуры и соединительных коммуни­каций (труб и каналов).

Назначение парового котла (как элемента котлоагрегата) − прев­ращение поступающей в него воды в насыщенный пар заданного давле­ния. Котел состоит из разреженного пучка труб − фестона 10, системы экранных труб 9 и барабана 7.

Размещенные у стен топки экранные трубы 9 расположены верти­кально. Из барабана 7 по опускным трубам 4 к нижним коллекторам 1 экранных труб подводится вода. Топочные экраны воспринимают теп­лоту от продуктов сгорания топлива, заполняющих топочное простран­ство 2. Поэтому в экранных трубах часть воды превращается в пар. Пароводяная смесь движется снизу вверх и отводится в барабан котла 7. Здесь пар отделяется от воды: и поступает в паровое пространство 8, а вода из водяного пространства 6 − в опуск­ные трубы 4. Так осуществляется непрерывное движение воды по зам­кнутому пути, называемое естественной циркуляцией воды и происходящее вследствие разности плотностей пароводяной смеси (в экранных трубах) и воды (в опускных трубах).

Фестонные трубы 10 являются продолжением экранных труб, раз­мещенных около задней стенки топки. Они образуются путем развод­ки труб заднего однорядного экрана в несколько рядов.

Насы­щенный пар из парового про­странства барабана котла по трубам поступает во входной кол­лектор 13 пароперегревателя, далее в змеевики, где перегрева­ется до требуемой температуры, а оттуда поступает в выходной коллектор 11 и к потребителю.

Основное назначение водяного экономайзера 14 заключается в подогреве питательной воды. Вода подается питательным насосом во входной (нижний) коллектор экономайзера, проходит по зме­евикам, поступает в выходной коллектор, а оттуда - в барабан котла.

Воздухоподогреватель 15 служит для подогрева поступающего в топку воздуха

за счет тепла продуктов сгорания. В нем газы движутся сверху вниз внутри труб, омываемых снаружи поперечным потоком воздуха.

На рис показана П-образная компоновка агрегата. Для нее характерно наличие двух вертикальных шахт - топочной и конвективной - и соедини­тельного газохода, расположенного сверху. Образующиеся в топке продукты горения движутся в топочном пространстве снизу вверх, омывают фестон и направляются в соединительный газоход, где распо­ложен пароперегреватель, затем поступают в конвективную шахту и движутся в ней сверху вниз, омывая последовательно поверхности на­грева водяного экономайзера и воздухоподогревателя. Охлажденные продукты горения отсасываются дымососом и через дымовую трубу уда­ляются в атмосферу.

 

Паровые турбины

Паровая турбина – это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара пре­вращается в кинетическую, а последняя в свою очередь, преобразуется в механиче­скую энергию вращения вала.

По своему назначению различают турбины энерге­тические, промышленные и вспомога­тельные.

Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энерго­систему, и отпуска тепла крупным потребителям, например, жилым районам, городам и т.д. Их уста­навливают на крупных ТЭС, АЭС и ТЭЦ. Энерге­тические турбины характеризуются, прежде всего, большой мощностью (до 1000-1200 МВт), а их режим работы − прак­тически постоянной частотой вращения. Большинство энергетических турбин выполняют на номи­нальную частоту вращения 3000 об/мин.

Промышленные турбины также служат для производства тепловой и электрической энергии, однако их главной цепью является обслуживание про­мышленного предприятия, например, металлурги­ческого, текстильного, химического и др. Часто та­кие турбины работают на маломощную индивиду­альную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вра­щения, например, воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических.

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производ­ства электроэнергии ─ обычно для привода пита­тельных насосов и воздуходувок котла.

Принципиально паровая турбина содержит ряд ступеней, каждая из которых образуется венцом неподвижных лопаток корпуса и подвижных лопаток ротора.

Профили подвижных и неподвижных лопаток обычно выполняют совершенно одина­ковыми. Устройство и рабо­чий процесс нетрудно уяснить из схематического разреза турбины.

Свежий пар с давлением р_о поступает в коль­цеобразную камеру 7, откуда идёт на непод­вижные (направляющие) лопатки первой сту­пени. В междулопаточных каналах пар расши­ряется и давление его несколько понижается, а скорость возрастает от с_о до с₁. Затем пар попадает в первый ряд подвижных (рабочих) лопаток. Между рабочими лопатками тоже происходит расширение пара, т. е. давление его продолжает понижаться; относительная скорость пара возрастает, но абсолютная ско­рость пара с ₂ при выходе будет меньше с₁, так как работа получается за счет уменьшения ки­нетической энергия.

Со скоростью с₂ пар поступает во второй ряд направляющих лопаток. Здесь снова про­исходят его расширение и возрастание скорости до с₁. На рабочих лопатках второй ступени­ скорость пара вновь падает до с₂ и т.д.

Объём пара по мере понижения его давления возрастает, поэтому приходится посте­пенно увеличивать длину лопаток, чтобы полу­чить увеличивающиеся сечения междулопаточ­ных каналов. Начиная с того места, где длина лопаток получается уже достаточно большой, увеличен диаметр барабана, на котором они закреплены. Это позволяет разместить боль­шее число лопаток на окружности ротора и тем самым увеличить суммарное сечение каналов не за счет высоты лопаток.

При прохождении пара от одного конца турбины до другого давление его падает от давления при входе в турбину до противодав­ления конденсатора. Так как на каждом ряде лопаток возникает осевое усилие и имеется разность давлений, действующая на кольцевые уступы барабана, то в общем на вал турбины передается значительное осевое давление, направленное в сторону выпуска пара. Поэтому турбины прихо­дится снабжать для компенсации осевого уси­лия специальными разгрузочными приспособлениями, в данном случае это разгрузочный поршень 8.

Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор. Здесь пар конденсируется при соприкосновении его с поверхно­стью, температура которой ниже, чем температура насыщения при данном давлении в конденсаторе. Конденсация пара сопровождается выделением теп­лоты, затраченной ранее на испарение жидкости, ко­торая отводится при помощи охлаждающей среды.

Теоретической основой обеспечения низкого давления пара в конденсаторе является однозначная связь между давлением и тем­пературой конденсирующейся среды. Поскольку температура конденсации определяется климатическими условиями и составляет 25-45 , то в кон­денсаторе поддерживается низкое давление, со­ставляющее в зависимости от режима 3-10 кПа. Чем ниже температура и больше расход охлаждаю­щей среды, тем более глубокий вакуум можно по­лучить в конденсаторе. Образующийся конденсат стекает в нижнюю часть корпуса конденсатора, а затем в конденсатосборник.

 

Общие сведения

Вспомогательное теплоэнергетическое оборудование это в основном машины, обеспечивающие принудительное перемещение (подачу) текучих сред, которые могут быть в жидком и газообразном состояниях.

Машины для подачи жидкостей называют насосами, а машины для подачи газов называют – вентиляторами.

Конструктивно вентиляторы и насосы представляют собой турбомашины преимущественно с центробежными рабочими органами.

Принципиально центробежная одноступенчатая турбомашина состоит из рабочего колеса 1 с лопастями 2 и обтекателем 3, вала 4, подшипников 5, спирального отвода 6, входного патрубка 7, напор­ного патрубка 8 и диффузора 9, который применяется только для вентиляторов.

При вращении рабочего колеса 1 в направлении, показанном стрелкой, жидкость, находящаяся в межлопастных каналах, под действием лопастей 2 приходит в движение. Перемещаясь вдоль лопастей от входа в колесо к выходу из него, поток жидкости по­лучает приращение полной энергии – суммы потенциальной и кинетической энергии (статического и скоростного напора) и затем поступает в спиральный отвод 6. В постепенно расширяю­щемся спиральном отводе кинетическая энергий потока частично преобразовывается в потенциальную – в статический напор (дав­ление), который еще больше возрастает в диффузоре. Поток жидко­сти поступает в рабочее колесо непрерывно, так как в центре ко­леса при работе турбомашины непрерывно создается разрежение. Обтекатель необходим для безу­дарного подвода жидкости к ло­пастям.

Применяются также многосту­пенчатые (многоколесные) турбо­машины с несколькими рабочими колесами, закрепленными на одном валу. Для увеличения напора (давления) служат турбомашины с последовательным соединением нескольких колес, при котором жидкость последовательно проходит через все рабочие колеса 1 и расположенные между ними напра­вляющие лопаточные отводы 2, где скоростной напор частично преобразовывается в статический.

Основными рабочими параметрами вентиляторов и насосов являются подача, напор и мощность.

Подача (производительность) Q – количество жидкости транспортируемой в единицу времени (м³/c, м³/мин, м³/ч, кг/c). Термин подача применим только по отношению к насосам.

Напор (давление) H, p – приращение полной удельной энергии, полученной жидкостью в турбомашине. Единица измерения напора - м. водяного столба; давления - Па.

Давление связано с напором соотношением

p=ρgH,

где ρ – плотность воды кг/м³.

Мощность полезная – это приращение энергии потока в единицу времени, которое определяется соотношением:

N_п = pQ/1000 = ρgH/1000, кВт

Мощность общая – это энергия, потребляемая приводным двигателем, которая зависит от КПД турбоагрегата η

N_о= N_п/η

Насосы

Применительно к использованию в теплоэнергетике все центробежные насосы могут быть разделены на следующие группы:

– насосы для чистой воды: циркуляционные и сетевые;

– конденсатные:

– питательные;

– насосы для кислых сред;

– насосы для подачи смесей жидкостей и твердых частиц.

Рассмотрим характерные черты указанных групп на­сосов. Насосы для чистой воды применяются для хозяйст­венного, технического и противопожарного водоснабжения электрических станций и промышленных предприятий. Они бывают одноколёсными и многоколёсными.

Конденсатные насосы применяются для удаления конденсата, а также как горячие дренажные насосы бойлерных установок. Они предназначены для перекачивания конденсата и дренажа при температуре до 393 К.

Питательные насосы применяются для подачи пита­тельной воды в паровые котлы. В большинстве случаев это центробежные многоступенчатые насосы высокого дав­ления, приспособленные к подаче воды с высокой температурой. В качестве приводов этих насосов кроме электродвигателей используются и паровые турбины.

Насосы для кислых сред изготовляются из специаль­ных нержавеющих сталей.

Насосы для подачи смесей жидкостей и твердых ча­стиц специфичны. Поток жидкости содержащей твердые частицы, проходя с большой скоростью через проточную часть, истирает внутренние поверхности насоса.

В теплоэнергетике такие насосы употребляются для перекачки золосмесей и шлакосмесей в системах гидрозолоудаления, а также при производстве работ по очистке гидротехнических сооружений станции (каналов, колодцев).

 

Вентиляторы

Вентиляторами называют машины для перемещения чистых газов и смесей газовс мелкими твер­дыми материалами, имеющие степень повышения давления не более 1,15 при плотности потока 1,2 кг/м³.

Вентиляторы теплоэнергетического назначения (тягодутьевые машины) обеспечивают непрерывную подачу в топку котла воздуха, необходимого для горения топлива, и удаления в атмосферу продуктов горения после их охлаждения. Вентиляторы на теплоэнергетических предприятиях работают на внешние сети, характерной особенностью которых является наличие дымовых труб.

 

Внешняя сила, которая принуждает воздух поступать в топку, а газообразные продукты горения двигаться по газоходам и дымовой трубе в атмосферу, называется тягой. Различают естественную и искусственную тягу. Естественная тяга обеспечивается дымовой трубой, а искусственная создается дымососом.

Естественная тяга возникает из-за разности давлений вследствие различия плотностей наружного холодного воздуха и горячих дымовых газов в трубе, в результате которой возникает движение потока дымовых газов по газоходам котла.

Дымовые трубы выполняются стальными при высоте до 35 м, кирпичными − до 100 м, железобетонными − более 100 м.

Для котлов тепловых электрических станций промышленностью выпускаетсяоколо 50 типоразмеров вентиляторов и дымососов с подачами 4,5÷900 тыс. м³/ч и давлениями более 10 кПа. Вентиляторы ТЭС подразделяются по их назначению на следующие группы: дутьевые; мельничные; горяче−дутьевые; дымососы.

Дутьевые вентиляторы (ВД) работают на воздухе с Т ≤ 293 К, подавая его через систему воздухопроводов и воздухоподогреватель в топочную камеру. Этот воздух называют первичным в отличие от вторичного, подаваемого непосредственно с топливом.

Вентиляторы горячего дутья (Г) работают на воздухе, подогретом до 473−673 К.

Мельничные вентиляторы (М) применяются в системах пылеприготовления и подают смесь горячего вторичного воздуха с угольной пылью через горелки в топочную камеру.

Давление, развиваемое дутьевыми и мельничными вентиляторами, определяется сопротивлениями воздушного и пылевоздушного трактов и необходимым давлением в топочной камере.

Дымососы транспортируют дымовые газы по газоходам котла и дымовой трубе и совместно с последней преодолевают сопротивления этого тракта и системы золоулавливания.

 

Компрессоры

Назначение компрессоров состоит в сжатии газов и перемещении их к потребителям по трубопроводным системам.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объемная подача , которая исчисляется обычно при условиях всасывания, начальное и конечное давления или степень повышения давления и мощность N на валу компрессора.

Компрессоры соответственно способу действия можно разделить на три основные группы: объемные, лопастные и струйные.

При классификации по конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные – на центробежные и осевые.

В промышленном производстве наибольшее распространение имеют лопастные компрессоры и главным образом центробежные. Они широко применяются на горно-металлургических, химических и других предприятиях в качестве: дутьевых машин (p < 0,3 МПа); источника энергии для пневматического оборудования (p = 0,5..1,0 МПа); криогенных машин (p > 3,0 МПа).

Центробежный компрессор действует аналогично центробежному многоколёсному насосу. Вал центробежного компрессора соединяется с валом приводного двигателя или непосредственно, или через механическую передачу, повышающую частоту вращения вала компрессора, чем достигается уменьшение размеров компрессора, снижается его масса и стоимость.

Давления, создаваемые компрессорами, работающими в технологических схемах производств, достигают больших значений. Однако получение высокого давления в одной ступени компрессора затруднительно.. В комп­рессорах лопастных (центробежных и осевых) причина кроется в недопустимости таких скоростей рабочих лопас­тей, выполненных из материала с определенной прочно­стью, которые обеспечили бы требуемое высокое давление. Поэтому следует, во-первых, применять возможно более интенсивное охла­ждение газа в процессе сжатия его и, во-вторых, произво­дить сжатие в последовательно соединенных ступенях, осуществляя понижение температуры газа в охладителях, включенных в поток между ступенями.

Общая схема компрессора с трёхступенчатым сжатием и охлаждением представлена на рисунке. Здесь компрессор разделён на три последовательные ступени 3,4,5, между которыми помещены два промежуточных охладителя 1, а на выходе воздуха во внешнюю сеть – концевой охладитель 2.

Применение ступенчатого сжатия с охлаждением газа в охладителях между ступенями дает большую экономию в энергии, расходуемой на привод компрессора.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.Теплоэнергетика металлургических заводов / Ю.И. Розенгарт, З.А. Мурадова, Б.З. Теверовский и др. – М.: Металлургия, 1985. – 303 с.

2. Хейфец Р.Г., Куваев Г.Н. Теплоэнергетика металлургических заводов. – Уч. пособ. – Д.:НМетАУ, 2000. – 66 с.

3. Теплотехника / И.Т. Швец, В.И.Толубинский и др.− Киев: Изд − во «Вища школа», 1976.− 517с.

Конспект лекций по курсу «Теплоэнергетика» для металлургических специальностей

Оглавление

1.Общая характеристика энергопотребления в чёрной металлургии

1.1. Энергоносители и их распределение…………………………….

1.2. Газоснабжение заводов чёрной металлургии……………………..

1.3. Использование топлива в металлургических печах………………..

2.Тепловые электростанции металлургических заводов

2.1. Виды электростанций………………………………………………..

2.2. Устройство типового энергоблока…………………………………..

2.3. Основные законы перехода тепловой энергии в работу………..

3. Паросиловое оборудование ТЭС

3.1. Котельные установки………………………………………………

3.2. Паровые турбины…………………………………………………….

4. Вспомогательное оборудование ТЭС

4.1.Насосы…………………………………………………………………

4.2. Тягодутьевые машины………………………………………………

5. Компрессоры…………………………………………………………….