Устройство паровых котлов

К атегория:

Общие сведения о кранах и котлах

Устройство паровых котлов

На краны устанавливают паровые котлы исключительно вертикального типа с дымогарными или кипятильными трубами. По производительности эти котлы могут быть отнесены к группе котлов малой мощности. На рис. 6 изображен паровой вертикальный с дымогарными трубами котел, устанавливаемый на кране ПК-ЦУМЗ-15.

Рис. 6. Котел с дымогарными трубами крана ПК-ЦУМЗ-15:
А -топка; В -водяное пространство; В -паровое пространство; Г-расширенные проходы между трубами; Д -шуровочнос отверстие; Е - дымовая коробка; 1 - лист топки; г -огневая решетка; 3 -грязевое кольцо; 4 -наружная обечайка; 5 -дымовая решетка; 6 - дымогарные трубы; 7 - шуровочная дверца; S - отражательный лист; 9 - колосники; 10 - промывочный люк; 11 - люк-лаз; 12 - обмуровка котла; 13 - зольник; 14 - искроуловительная сетка; 15 - обечайка шуровочного отверстия; 16 - дутьевое устройство; 17 - контрольная пробка; 18 - рычаг управления колосниками; 19 - лапа котла

Аналогичного типа котлы, имеющие лишь другие данные и размеры, установлены на кранах ПК-6.

Основными частями этого котла являются: топка, в которой происходит сгорание топлива; цилиндрическая часть котла, образующая водяное и паровое пространства, где испаряется вода, превращаясь в пар; дымовая камера, куда направляются газы из дымогарных труб и из которой через дымовую трубу они выходят в атмосферу.

Топка котла образуется из топочного листа, свальцованного в цилиндрический барабан, и огневой решетки. Топочный лист и огневая решетка сделаны из листовой топочной стали марки 15К.

Огневая решетка изготовлена штамповкой и представляет собой диск с отогнутыми вниз краями, соединенными с топочным листом.

Цилиндрическую часть котла образует свальцованный в барабан котельный лист из стали марки 20К. Кромки цилиндрических барабанов, решеток и элементов котла соединены между собой в стык при сварном соединении.

Рис. 7. Промывочный люк

Барабан цилиндрической части котла имеет несколько больший диаметр, чем топка, благодаря чему топка, входя в барабан, образует нижнюю часть водяного пространства.

Внизу, между цилиндрическим барабаном котла и топкой, расположено грязевое кольцо, изготовленное из стали марки Ст. 3 прямоугольного сечения; концы кольца свариваются в стык. Посредством этого кольца цилиндрическая часть котла соединена стопкой; котел установлен на поворотной раме крана и укреплен лапами.

Топливо забрасывается в топку на колосниковую решетку через отверстие в наружном листе нижней части котла и в листе самой топки. Кромки этих отверстий отгибаются и в месте стыка свариваются, образуя шуровочное отверстие. Снаружи оно закрыто массивной чугунной литой дверкой.

Отражательный лист, прикрепленный на стойках к внутренней стороне шуровочной дверки, служит для предохранения ее от чрезмерного нагревания.
Для промывки и очистки котла в наружном листе образованы два ряда промывочных люков, устройство которых показано на рис. 7.

Первый ряд люков расположен над грязевым кольцом и служит для очистки водяного пространства от грязи и шлама, оседающих на кольцо, второй ряд размещен на уровне огневой решетки и служит для промывки и очистки ее поверхности.

Чтобы облегчить очистку котла, ремонт и осмотр его внутренней части с противоположной шуровочному отверстию стороны топки несколько выше уровня огневой решетки расположен люк-лаз (рис. 8) размером 300 X 400 мм.

Рис. 8. Люк-лаз:
1 -наружный лист котла; 2 - усиливающее кольцо окна лаза; 3 - прокладка; 4 - крышка лаза; 5-шпилька; 6 - скоба люка

В отверстиях огневой и дымовой решеток закрепляются концы дымогарных труб (рис. 9); в одну из труб ставится контрольная пробка, сплав которой при снижении уровня воды ниже допустимого выплавляется. Дымогарные трубы увеличивают поверхность нагрева. Чем больше труб, тем больше общая поверхность нагрева и тем больше пара будет давать котел. В рассматриваемом котле крана ПК-ЦУМЗ-15 имеются 122 дымогарные трубы.

Для облегчения доступа к дымогарным трубам, расположенным в центральной части котла, их размещают в виде четырех пучков, отделенных между собой двумя взаимно-перпендикулярными расширенными проходами.

Расстояние между центрами двух соседних труб называется шагом расположения труб, а тело решетки между двумя отверстиями под трубы - перемычкой, или мостиком.

Мостики, в особенности в огневой решетке, вследствие больших температурных воздействий являются наиболее уязвимым местом, в котором чаще всего появляются трещины. Поэтому за состоянием мостиков необходимо внимательно следить при эксплуатации котла, а при ремонтах не уменьшать их величину.
Верхний конец труб развальцовывается на больший диаметр, а нижний, наоборот, подкатывается на меньший диаметр, благодаря чему при смене или ремонте они достаточно легко вынимаются кверху даже в том случае, если на их поверхности имеется небольшой слой накипи. Уменьшенного диаметра нижние концы труб, кроме того, можно закрепить в огневой решетке при помощи прокладных колец из мягкой отожженной [красной меди. Такие кольца не только уплотняют соединения, но и предохраняют кромки отверстии решетки от повреждений.

Нижний конец дымогарных труб ставят в отверстие огневой решетки с таким расчетом, чтобы он выступал в сторону огня на 8 мм; после постановки трубы выступающий конец ее отбуртовывают и в обязательном порядке обваривают.

Верхние концы дымогарных труб также выступают за пределы решетки на величину 10-15 мм; их уплотняют развальцовкой изнутри. В верхней части котла установлена дымовая коробка, выполненная из листовой стали толщиной 4-5 мм. Чтобы облегчить доступ к решетке и дымогарным трубам (для очистки), цилиндрическая часть дымовой коробки имеет лючки или отъемный верх.

В нижней части топки установлена колосниковая решетка, на которой лежит слой горящего топлива.

Рис. 9. Дымогарная труба: 1 - труба; 2 - медное прокладное кольцо; 3 - контрольная пробка

Колосниковая решетка состоит из отдельных колосниковых плит, в теле которых сделаны щели для прохода воздуха. Она устанавливается так, чтобы слой горящего топлива располагался несколько выше уровня грязевого кольца. Это позволяет избежать чрезмерного перегрева листа топки в случае скопления на грязевом кольце слоя шлама. От величины живого сечения (сумма всех щелей в колосниках) колосниковой решетки зависит скорость потока воздуха и интенсивность сгорания топлива. Обычно в колосниковых решетках крановых котлов жи-полной площади решетки.

Отдельные плиты колосниковой решетки выполнены подвижными, они поворачиваются на горизонтальных цапфах. Это облегчает очистку решетки от шлака. При помощи рычагов такие плиты занимают наклонное положение, в результате слой шлака разрыхляется, взламывается и сбрасывается в зольник.

Чтобы усилить тягу в дымовой коробке котла, установлен сифон - кольцеобразная трубка с отверстиями, в которые при необходимости подается пар. Кроме того, применяется дутьевое устройство, имеющее вид фасонного рожка с тремя соплами, направленными кверху. Отработавший в паровой машине пар направляется в это устройство и, выходя через сопла, образует вдоль дымовой трубы веерообразный поток, создавая в ней дополнительное разрежение, в результате чего приток воздуха, проходящего через колосниковую решетку, усиливается.

Для уменьшения тепловых потерь цилиндрическая поверхность котла снаружи покрыта (обмурована) слоем (в 30-40 мм) асбестогли-няной массы.

Обмуровочная масса на поверхность котла может быть нанесена горячим способом следующим образом. В котле поднимают давление пара до 3-4 кГ/см2, а затем на поверхность котла наносят слой жидкого асбеста и по мере высыхания - слой асбестоглиняной массы. Обмуровка котла может быть выполнена и холодным способом, в этом случае котел после обмуровки немедленно обшивают кровельным железом и выдерживают его неподвижно в течение не менее суток.

Равномерная толщина слоя обмуровки и укрепление обшивки достигаются тем, что на котел ставится несколько так называемых маячных колец, отстоящих от цилиндрической части котла на величину толщины обмуровочного слоя. К этим маячным кольцам специальными поясами прижимается наружная обшивка котла.

На ряде кранов, в том числе на кранах грузоподъемностью 7,5 т завода им. Январского восстания, установлены котлы с кипятильными трубами.

Котел с кипятильными трубами (рис. 10) состоит из наружного вертикального барабана, закрытого сверху штампованной крышкой. Внутри барабана расположена жаровая труба, верхняя часть которой постепенно суживается и переходит в дымогарную трубу. Для предохранения барабана от быстрого прогорания с внутренней стороны вставлена предохранительная труба, образующая кольцевое газовое пространство. Внутри предохранительной трубы помещен пароперегреватель в виде трубчатого двухрядного змеевика.

Для увеличения поверхности нагрева в жаровую трубу вварены две пары кипятильных труб, расположенных параллельно друг другу. В нижней части жаровая труба соединена с наружным барабаном грязевым кольцом.

Вваренная в наружный барабан и жаровую трубу круглая обечайка образует шуровочное отверстие, закрываемое чугунной литой дверцей с отражательным листом.

Котел посредством опорного грязевого кольца устанавливается и крепится к раме крана, в которой смонтирован литой противовес, являющийся одновременно зольником котла; на этот противовес уложены колосники, образующие колосниковую решетку.

Для устранения перегревов стенок в зоне грязевого кольца на колосники уложена футеровка, выполненная из шамота.

Для осмотра и ремонта котла сделан специальный лаз, а против каждой из кипятильных труб установлены смотровые люки. Около грязевого кольца имеются три малых промывочных люка для очистки и удаления шлама из нижней части котла.

Нижняя часть жаровой трубы и колосниковая решетка образуют топку котла.

Пространство между жаровой трубой и наружным барабаном, а также внутренняя часть кипятильных труб составляют водяной объем, а пространство между наружным барабаном и дымогарной трубой - паровой.

Рис. 10. Вертикальный паровой котел с кипятильными трубами:
1 -наружный барабан; 2 -жаровая труба; 3 -грязевое кольцо; 4 - кипятильная труба; 5 -змеевик пароперегревателя; 6 - пароотборная труба; 7 - дымогарная труба; 8 -дымовая труба; 9 - предохранительная труба; 10 -туровочная дверца; 11 - футеровка; 12- колосники; 13 - прогивовес-зольник; 14 - опорное кольцо

В горловине жаровой трубы установлены две контрольные пробки, подающие сигнал в случае понижения уровня воды ниже допустимого предела.
Внутри парового пространства помещена труба, по которой пар поступает в верхнюю часть змеевика пароперегревателя и, пройдя по нему, выходит в пароподающую магистраль.

Элемент стационарного котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, объединяющий группу труб, называют коллектором.

Элемент котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, для отделения пара от воды, очистки пара и для запаса воды в котле, называют барабаном .

Элемент котла, предназначенный для передачи теплоты к рабочей среде или воздуху, называют поверхностью нагрева .

Поверхность нагрева котла, получающую теплоту в основном излучением, называют радиационной поверхностью нагрева .

Поверхность нагрева котла, получающую теплоту в основном конвекцией, называют конвективной поверхностью нагрева .

Поверхность нагрева стационарного котла, расположенную на стенах топки и газоходов и ограждающую их от воздействия высоких температур, называют экраном .

Группу труб конвективной парообразующей поверхности стационарного котла, соединенных общими коллекторами или барабанами, называют котельным пучком .

Трубу котла, по которой циркулирующая вода поступает в раздающий коллектор подъемных труб или нижний барабан, называют опускной трубой .

Трубу котла, по которой пароводяная смесь отводится из коллектора экрана в барабан или выносной циклон, называют отводящей трубой экрана .

Необогреваемую трубу, по которой рабочая среда перепускается из одного элемента поверхности нагрева в другой, называют перепускной трубой .

Трубу, по которой производится продувка или удаление воды и пара из элементов поверхностей нагрева котла, называют продувочной трубой .

Устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле, называют пароперегревателем.

Устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для подогрева или частичного парообразования воды, поступающей в котел, называют экономайзером.

Устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей в топку котла, называют воздухоподогревателем .

Устройство котла, предназначенное для отделения воды от пара, называют сепарационным устройством.

Устройство для понижения температуры перегретого пара называют пароохладителем.

Несущую металлическую конструкцию, воспринимающую нагрузку от массы котла, с учетом временных и особых нагрузок и обеспечивающую требуемое взаимное расположение элементов котла, называют каркасом .

Устройство котла, предназначенное для сжигания органического топлива, частичного охлаждения продуктов сгорания и выделения золы, называют топкой.

Топку котла, предназначенную для сжигания твердого кускового органического топлива в слое, называют слоевой топкой .

Слоевую топку котла, в которой загрузка топлива и удаление шлака и золы частично механизированы, называют полумеханической топкой.

Слоевую топку котла, в которой загрузка топлива и удаление шлака и золы производятся вручную, называют ручной тропкой .

Слоевую топку котла, в которой загрузка топлива и удаление шлака и золы полностью механизированы, называют механической топкой .

Топку котла, в которой пылевидное, жидкое или газообразное топливо сжигается в факеле, называют камерной топкой .

Камерную топку котла с многократной циркуляцией топливовоздушной смеси, которая достигается специальной формой стен топки, компоновкой горелок и способом подачи топлива и воздуха, называют вихревой топкой .

Камерную топку котла, в которой основная масса топлива сжигается во вращающемся топливно-воздушном потоке, называют циклонной топкой .

Топку котла, в которой часть твердого топлива сжигается в слое, а мелкие фракции и горючие газы – в струе воздуха над слоем, называют факельно-слоевой топкой .

Часть топки котла, в которой происходит воспламенение и горение основной массы топлива, называют камерой горения .

Часть топки котла, в которой происходит догорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания, называют камерой охлаждения .

Местное сужение поперечного сечения топки котла, называют пережимом топки .

Часть топки, в которой происходит подогрев, подсушка топлива, а иногда его воспламенение и горение, называют предтопок .

Нижнюю часть камерной топки котла, предназначенную для отвода твердого шлака, называют холодной воронкой .

Нижнюю часть топки котла, образованную горизонтальными и слабонаклонными поверхностями или экранами, называют подом.

Канал, предназначенный для направления продуктов сгорания топлива и размещения поверхностей нагрева котла, называют газоходом .

Нижнюю часть газохода котла, предназначенную для сбора золы, выпадающей из потока продуктов сгорания топлива, называют золовым бункером .

Бункер для сбора твердого шлака, расположенный под холодной воронкой стационарного котла, называют шлаковым бункером .

Устройство для сбора и удаления расплавленного шлака, расположенное под топкой стационарного котла, называют шлаковой ванной.

Котлы различают по следующим признакам:

По назначению:

Энергетически е - вырабатывающие пар для паровых турбин; их отличает высокая производительность, повышенные параметры пара.

Промышленные - вырабатывающие пар как для паровых турбин, так и для технологических нужд предприятия.

Отопительные - производящие пар для отопления промышленных,жилых и общественных зданий. К ним относятся и водогрейные котлы. Водогрейный котел - устройство, предназначенное для получения горячей воды с давлением выше атмосферного.

Котлы-утилизаторы - предназначены для получения пара или горячей воды за счет использования тепла вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) при переработке отходов химических производств, бытового мусора и т.д.

Энерготехнологические - предназначены для получения пара за счет ВЭР и являющиеся неотъемлемой частью технологического процесса (например, содорегенерационные агрегаты).

По конструкции топочного устройства (рис. 7):

Рис. 7. Общая классификация топочных устройств

Различают топки слоевые - для сжигания кускового топлива и камерные - для сжигания газового и жидкого топлива, а также твердого топлива в пылевидном (или мелкодробленом) состоянии.

Слоевые топки подразделяются на топки с плотным и кипящим слоем, а камерные - на факельные прямоточные и циклонные (вихревые).

Камерные топки для пылевидного топлива подразделяют на топки с твердым и жидким шлакоудалением. Кроме того, по конструкции они могут быть однокамерными и многокамерными, а по аэродинамическому режиму - под разрежением и под наддувом .

В основном используется схема под разряжением, когда в газоходах котла дымососом создается давление меньше атмосферного, то есть разряжение. Но в некоторых случаях при сжигании газа и мазута или твердого топлива с жидким шлакоудалением может использоваться схема под наддувом.

Схема котла под наддувом. В этих котлахвысоконапорная дутьевая установка обеспечивает избыточное давление в топочной камере 4 - 5 кПа, которое позволяет преодолеть аэродинамическое сопротивление газового тракта (рис. 8). Поэтому в этой схеме отсутствует дымосос. Газоплотность газового тракта обеспечивается установкой мембранных экранов в топочной камере и на стенах газоходов котла.

Достоинства данной схемы:

Сравнительно низкие капитальные затраты на обмуровку;

Более низкий по сравнению с котлом, работающим под разряжением, расход электроэнергии на собственные нужды;

Более высокий КПД за счет снижения потерь с уходящими газами из-за отсутствия присосов воздуха в газовый тракт котла.

Недостаток - сложность конструкции и технологии изготовления мембранных поверхностей нагрева.

По виду теплоносителя , генерируемого котлом: паровые и водогрейные .

По перемещению газов и воды (пара):

Газотрубные (жаротрубные и с дымогарными трубами);

Водотрубные;

Комбинированные.

Схема жаротрубного котла. Котлы предназначены для замкнутых систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и выпускаются для работы при допустимом рабочем давлении 6 бар и допустимой температуре воды до 115°С. Котлы предназначены для работы на газообразном и жидком топливе, в том числе на мазуте и сырой нефти, и обеспечивают КПД при работе на газе - 92 % и на мазуте - 87 %.

Стальные водогрейные котлы имеют горизонтальную реверсивную камеру сгорания с концентрическим расположением дымогарных труб (рис. 9). Для оптимизации тепловой нагрузки, давления в камере сгорания и температуры отходящих газов дымогарные трубы оснащены турбулизаторами из нержавеющей стали.

Рис. 8. Схема котла под «наддувом»:

1 - воздухозаборная шахта; 2 - высоконапорный вентилятор; 3 - воздухоподогреватель 1-й ступени; 4 - водяной экономайзер 1-й ступени; 5 - воздухоподогреватель 2-й ступени; 6 - воздуховоды горячего воздуха; 7 - горелочное устройство; 8 - газоплотные экраны, выполненные из мембранных труб; 9 - газоход

Рис. 9. Схема топочной камеры жаротрубных котлов:

1 - передняя крышка;

2 - топка котла;

3 - дымогарные трубы;

4 - трубные доски;

5- каминная часть котла;

6 - люк каминной части;

7 - горелочное устройство

По способу циркуляции воды все разнообразие конструкций паровых котлов на весь диапазон рабочих давлений можно свести к трем типам:

- с естественной циркуляцией - рис. 10а;

- с многократной принудительной циркуляцией - рис. 10б;

- прямоточные - рис. 10в.

Рис. 10. Способы циркуляции воды

В котлах с естественной циркуляцией движение рабочего тела по испарительному контуру осуществляется за счет разности плотностей столбов рабочей среды: воды в опускной питательной системе и пароводяной смеси в подъемной испарительной части циркуляцион-ного контура (рис. 10а). Движущий напор циркуляции в контуре можно выразить формулой

, Па,

где h - высота контура, g - ускорение свободного падения, , - плотность воды и пароводяной смеси.

При критическом давлении рабочая среда является однофазной и ее плотность зависит только от температуры, а так как последние близки между собой в опускной и подъемной системах, то движущий напор циркуляции будет очень мал. Поэтому на практике естественная циркуляция применяется для котлов только до высоких давлений, обычно не выше 14 МПа.

Движение рабочего тела по испарительному контуру характери-зуется кратностью циркуляции К, которая представляет собой отношение часового массового расхода рабочего тела через испарительную систему котла к его часовой паропроизводительности. Для современных котлов сверхвысокого давления К=5-10, для котлов низких и средних давлений К составляет от 10 до 25.

Особенностью котлов с естественной циркуляцией является способ компоновки поверхностей нагрева, заключающийся в следующем:

· опускные трубы не должны обогреваться для сохранения на достаточно высоком уровне ;

· подъемные трубы должны иметь такую конструкцию, чтобы исключить образование паровых пробок при движении по ним пароводяной смеси;

· скорости воды и смеси во всех трубах должны быть умеренными для получения невысоких гидравлических сопротивлений, что достигается выбором труб поверхностей нагрева достаточно большого диаметра (60 - 83 мм).

В котлах с многократной принудительной циркуляцией движение рабочего тела по испарительному контуру осуществляется за счет работы циркуляционного насоса, включаемого в опускной поток рабочей жидкости (рис. 10б). Кратность циркуляции поддерживается невысокой (К=4-8), поскольку циркуляционный насос гарантирует ее сохранение при всех колебаниях нагрузки. Котлы с многократной принудительной циркуляцией позволяют экономить металл для поверхностей нагрева, так как допускаются повышенные скорости воды и рабочей смеси, частично улучшая, таким образом, охлаждение стенки труб. Габариты агрегата при этом несколько снижаются, так как диаметр трубок можно выбирать меньшим, чем для котлов с естественной циркуляцией. Эти котлы могут применяться вплоть до критических давлений 22,5 МПа, наличие барабана дает возможность хорошо осушать пар и продувать загрязненную котловую воду.

В прямоточных котлах (рис. 10в) кратность циркуляции равна единице и движение рабочего тела от входа в экономайзер и до выхода из агрегата перегретого пара принудительное, осуществляемое питательным насосом. Барабан (достаточно дорогой элемент) отсутствует, что дает при сверхвысоком давлении известное преимущество прямоточным агрегатам; однако это обстоятельство вызывает при сверхкритическом давлении удорожание станционной водоподготовки, поскольку повышаются требования к чистоте питательной воды, которая должна в этом случае содержать примесей не больше, чем выдаваемый котлом пар. Прямоточные котла универсальны по рабочему давлению, а на закритическом давлении вообще являются единственными генераторами пара и находят широкое применение в современной электроэнергетике.

Существует разновидность циркуляции воды в прямоточных парогенераторах - комбинированная циркуляция, осуществляемая за счет особого насоса или дополнительного параллельного циркуляционного контура естественной циркуляции в испарительной части прямоточного котла, позволяющая улучшить охлаждение экранных труб при малых нагрузках котла за счет увеличения на 20-30 % массы циркулируемой через них рабочей среды.

Схема котла с многократной принудительной циркуляцией на докритическое давление представлена на рис. 11.

Рис. 11. Конструктивная схема котла с многократной принудительной циркуляцией:

1 - экономайзер; 2 - барабан;

3 - опускная питательная труба; 4 - циркуляционный насос; 5 - раздача воды по циркуляционным контурам;

6 - испарительные радиационные поверхности нагрева;

7 - фестон; 8 - пароперегреватель;

9 - воздухоподогреватель

Циркуляционный насос 4 работает с перепадом давления 0,3 МПа и позволяет применять трубы малого диаметра, что дает экономию металла. Малый диаметр труб и невысокая кратность циркуляции (4 - 8) вызывают относительное снижение водяного объема агрегата, следовательно, снижение габаритов барабана, уменьшение сверлений в нем, а отсюда общее снижение стоимости котла.

Малый объем и независимость полезного напора циркуляции от нагрузки позволяют быстро растапливать и останавливать агрегат, т.е. работать в регулировочно-пусковом режиме. Область применения котлов с многократной принудительной циркуляцией ограничивается сравнительно невысокими давлениями, при которых можно получать наибольший экономический эффект за счет удешевления развитых конвективных испарительных поверхностей нагрева. Котлы с многократной принуди-тельной циркуляцией нашли распространение в теплоутилизационных и парогазовых установках.

Прямоточные котлы. Прямоточные котлы не имеют зафиксированной границы между экономайзером и испарительной частью, между испарительной поверхностью нагрева и пароперегревателем. При изменении температуры питательной воды, рабочего давления в агрегате, воздушного режима топки, влажности топлива и других факторов соотношения между поверхностями нагрева экономайзера, испарительной части и перегревателя меняются. Так, при понижении давления в котле снижается теплота жидкости, повышается теплота испарения и снижается теплота перегрева, поэтому уменьшается зона, занимаемая экономайзером (зона подогрева), растет зона испарений и уменьшается зона перегрева.

В прямоточных агрегатах все примеси, поступающие с питательной водой, не могут удаляться с продувкой подобно барабанным котлам и откладываются на стенках поверхностей нагрева или уносятся с паром в турбину. Поэтому прямоточные котлы предъявляют высокие требования к качеству питательной воды. Для уменьшения опасности пережога труб из-за отложения солей в них зону, в которой испаряются последние капли влаги и начинается перегрев пара, на докритических давлениях выносят из топки в конвективный газоход (так называемая вынесенная переходная зона ).

В переходной зоне идет энергичное выпадение и отложение примесей, а так как температура стенки металла труб в переходной зоне ниже, чем в топке, то опасность пережога труб значительно снижается и толщину отложений можно допускать большей. Соответственно удлиняется межпромывочная рабочая кампания котла.

Для агрегатов закритических давлений переходная зона, т.е. зона усиленного выпадения солей, также имеется, но она сильно растянута. Так, если для высоких давлений ее энтальпия измеряется величиной 200-250 кДж/кг, то для закритических давлений возрастает до 800 кДж/кг, и тогда выполнение вынесенной переходной зоны становится нецелесообразным, тем более, что содержание солей в питательной воде здесь так мало, что практически равно их растворимости в паре. Поэтому, если котел, спроектированный на закритическое давление, имеет вынесенную переходную зону, то делается это только из соображений обычного охлаждения дымовых газов.

Из-за малого аккумулирующего объема воды у прямоточных котлов важную роль играет синхронность подачи воды, топлива и воздуха. При нарушении этого соответствия в турбину можно подать влажный или чрезмерно перегретый пар, в связи с чем для прямоточных агрегатов автоматизация регулирования всех процессов является просто обязательной. Прямоточные котлы конструкции профессора Л.К. Рамзина. Особенностью котла является компоновка радиационных поверхностей нагрева в виде горизонтально-подъемной навивки трубок по стенам топки с минимумом коллекторов (рис. 12).

Рис. 12. Конструктивная схема прямоточного котла Рамзина:

1 - экономайзер; 2 - перепускные необогреваемые трубы; 3 - нижний распределительный коллектор воды; 4 - экранные трубы; 5 - верхний сборный коллектор смеси; 6 - вынесенная переходная зона; 7 - настенная часть перегревателя; 8 - конвективная часть перегревателя; 9 -воздухоподогреватель; 10 - горелка

Как в дальнейшем показала практика, такое экранирование имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Позитивным является равномерный обогрев отдельных трубок, включенных в ленту, так как трубки проходят по высоте топки все температурные зоны в одинаковых условиях. Негативным - невозможность выполнения радиационных поверхностей заводскими крупными блоками, а также повышенная склонность к теплогидравлическим разверкам (неравномерное распределение температуры и давления в трубах по ширине газохода) при сверхвысоком и сверхкритическом давлении из-за большого приращения энтальпии в длинном змеевике.

Для всех систем прямоточных агрегатов соблюдаются некоторые общие требования. Так, в конвективном экономайзере питательная вода до поступления в топочные экраны не догревается до кипения примерно на 30 °С, что устраняет образование пароводяной смеси и неравномерное ее распределение по параллельным трубкам экранов. Далее, в зоне активного горения топлива, в экранах обеспечивается достаточно высокая массовая скорость ρω ≥ 1500 кг/(м 2 ·с) при номинальной паропроизводительности D н, что гарантирует надежное охлаждение трубок экранов. Около 70 - 80 % воды превращается в пар в экранах топки, а в переходной зоне испаряется оставшаяся влага и весь пар перегревается на 10-15 °С во избежание отложения солей в верхней радиационной части перегревателя.

Кроме того, паровые котлы классифицируются по давлению пара и по паропроизводительности.

По давлению пара:

Низкого - до 1 МПа;

Среднего от 1 до 10 МПа;

Высокого - 14 МПа;

Сверхвысокого - 18-20 МПа;

Сверхкритического - 22,5 МПа и выше.

По производительности:

Малая -до 50 т/ч;

Средняя - 50-240 т/ч;

Большая (энергетическая) - свыше 400 т/ч.

Маркировка котлов

Для маркировки котлов установлены следующие индексы:

- вид топлива : К - каменный уголь; Б - бурый уголь; С - сланцы; М - мазут; Г - газ (при сжигании мазута и газа в камерной топке индекс типа топки не указывается); О - отходы, мусор; Д - другие виды топлива;

- тип топки: Т - камерная топка с твердым шлакоудалением; Ж - камерная топка с жидким шлакоудалением; Р - слоевая топка (индекс вида топлива, сжигаемого в слоевой топке, в обозначении не указывается); В - вихревая топка; Ц - циклонная топка; Ф - топка с кипящим слоем; в обозначение котлов с наддувом вводится индекс Н ; при сейсмически стойком исполнении - индекс С .

- способ циркляции: Е - естественная; Пр - многократная принудительная;

Пп - прямоточные котлы.

Цифрами указывается:

- для паровых котлов - паропроизводительность (т/ч), давление перегретого пара (бар), температура перегретого пара (°С);

- для водогрейных - теплопроизводительность (МВт).

Например: Пп1600-255-570 Ж . Прямоточный котел паропроизводи-тельностью 1600 т/ч, давление перегретого пара - 255 бар, температура пара - 570 °С, топка с жидким шлакоудалением.

Компоновка котлов

Под компоновкой котла подра-зумевается взаимное расположение газохо-дов и поверхностей нагрева (рис. 13).

Рис. 13. Схемы компоновки котлов:

а --- П-образная компоновка; б - двухходовая компоновка; в - компоновка с двумя конвективными шахтами (Т-образная); г - компоновка с U-образными конвективными шахтами; д - компоновка с инверторной топкой; е - башенная компоновка

Наиболее распространена П-образная компоновка (рис.13а - одноходовая , 13б - двухходовая ). Преимуществами ее являются подача топлива в нижнюю часть топки и вывод продуктов сгорания из нижней части конвективной шахты. Недостатки этой компоновки — неравномерное заполнение газами топочной камеры и неравномерное омы-вание продуктами сгорания поверхностей на-грева, расположенных в верхней части агре-гата, а также неравномерная концентрация золы по сечению конвективной шахты.

Т-образная компоновка с двумя конвек-тивными шахтами, расположенными по обе стороны топки с подъемным движением газов в топке (рис. 13в), позволяет уменьшить глубину конвективной шахты и высоту гори-зонтального газохода, но наличие двух кон-вективных шахт усложняет отвод газов.

Трехходовая компоновка агрегата с дву-мя конвективными шахтами (рис. 13г) иногда применяется при верхнем распо-ложении дымососов.

Четырехходовая компоновка (Т-образная двухходовая) с двумя вертикальными пе-реходными газоходами, заполненными разря-женными поверхностями нагрева, применяет-ся при работе агрегата на зольном топливе с легкоплавкой золой.

Башенная компоновка (рис. 13е) используется для пиковых парогенераторов, работающих на газе и мазуте в целях ис-пользования самотяги газоходов. При этом возникают затруднения, связанные с креплением конвек-тивных поверхностей нагрева.

U - образная компоновка с инверторной топкой с нисходящим в ней потоком продуктов сгорания и подъемным их движением в конвективной шахте (рис. 13д) обеспечивает хорошее заполнение топки факелом, низкое расположение пароперегревателей и минимальное сопротивление воздушного тракта вследствие малой длины воздуховодов. Недостаток такой компоновки - ухудшенная аэродинамика переходного газохода, обусловленная расположением горелок, дымососов и вентиляторов на большой высоте. Такая компоновка может оказаться целесообразной при работе котла на газе и мазуте.

Котельная установка (котельная) - это сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило - воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло- и пароснабжении или при местном теплоснабжении зданий.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Ее основные элементы - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства. В общем случае котельная установка представляет собой совокупность котла (котлов) и оборудования, включающего следующие устройства: подачи и сжигания топлива; очистки, химической подготовки и деаэрации воды; теплообменные аппараты различного назначения; насосы исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные - для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, расходуемой у потребителя и утечек в сетях, питательные для подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие); баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воздушный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовую трубу; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности сжигания топлива; тепловой щит или пульт управления.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.

Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают теплоту воде.

Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водяной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответственно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и питательной воды; приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

В зависимости от использования их теплоты котельные делятся на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.

Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные бывают на промышленных предприятиях и обеспечивают теплотой системы отопления и вентиляции, горячего водоснабжения зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные решают те же задачи, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.

Устройство встроенных в жилые и общественные здания котельных в настоящее время допускается только при соответствующем обосновании и согласовании с органами санитарного надзора.

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.

2. Классификация котельных установок

Котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду получаемого теплоносителя их делят на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды).

Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.

Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления производственных и жилых помещений.

В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные бывают местные (индивидуальные), групповые и районные.

Местные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115 °С или паровыми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котельные предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.

Групповые котельные установки обеспечивают теплотой группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Их оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специально сооруженных отдельных зданиях.

Районные отопительные котельные служат для теплоснабжения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

Отдельные элементы принципиальной схемы котельной установки принято условно показать в виде прямоугольников, кружков и т.п. и соединять их между собой линиями (сплошными, пунктирными), обозначающими трубопровод, паропроводы и т. п. В принципиальных схемах паровых и водогрейных котельных установок имеются существенные различия. Паровая котельная установка (рис. 4, а) из двух паровых котлов 1, оборудованных индивидуальными водяными 4 и воздушными 5 экономайзерами, включает групповой золоуловитель 11, к которому дымовые газы подходят по сборному борову 12. Для отсоса дымовых газов на участке между золоуловителем 11 и дымовой трубой 9 установлены дымососы 7 с электродвигателями 8. Для работы котельной без дымососов установлены шиберы (заслонки) 10.

Пар от котлов по отдельным паропроводам 19 поступает в общий паропровод 18 и по нему к потребителю 17. Отдав теплоту, пар конденсируется и по конденсатопроводу 16 возвращается в котельную в сборный конденсационный бак 14. Через трубопровод 15 в конденсационный бак подается добавочная вода из водопровода или химводоочистки (для компенсации объема, не вернувшегося от потребителей).

В случае, когда часть конденсата теряется у потребителя, из конденсационного бака смесь конденсата и добавочной воды подается насосами 13 по питательному трубопроводу 2 сначала в экономайзер 4, а затем в котел 1. Воздух, необходимый для горения, засасывается центробежными дутьевыми вентиляторами 6 частично из помещения котельной, частично снаружи и по воздуховодам 3 подается сначала к воздухоподогревателям 5, а затем к топкам котлов.

Водогрейная котельная установка (рис. 4, б) состоит из двух водогрейных котлов 1, одного группового водяного экономайзера 5, обслуживающего оба котла. Дымовые газы по выходе из экономайзера по общему сборному борову 3 поступают непосредственно в дымовую трубу 4. Вода, нагретая в котлах, поступает в общий трубопровод 8, откуда подается к потребителю 7. Отдав теплоту, охлажденная вода по обратному трубопроводу 2 направляется сначала в экономайзер 5, а затем опять в котлы. Вода по замкнутому контуру (котел, потребитель, экономайзер, котел) перемещается циркуляционными насосами 6.

Рис. 5. : 1 - циркуляционный насос; 2 - топка; 3 - пароперегреватель; 4 - верхний барабан; 5 - водоподогреватель; 6 - воздухоподогреватель; 7 - дымовая труба; 8 - центробежный вентилятор (дымосос); 9 - вентилятор для подачи воздух в воздухоподогреватель

На рис. 6 представлена схема котельного агрегата с паровым котлом, имеющим верхний барабан 12. В нижней части котла расположена топка 3. Для сжигания жидкого или газообразного топлива используют форсунки или горелки 4, через которые топливо вместе с воздухом подается в топку. Котел ограничен кирпичными стенами -обмуровкой 7.

При сжигании топлива выделяющаяся теплота нагревает воду до кипения в трубных экранах 2, установленных на внутренней поверхности топки 3, и обеспечивает ее превращение в водяной пар.

Рис 6.

Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, образуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя 11, проходят через экономайзер 5 и воздухоподогреватель 6, где они также охлаждаются вследствие передачи теплоты воде, поступающей в котел, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа 17 удаляются через дымовую трубу 19 в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой.

Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом 16 в водяной экономайзер 5, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла 12. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана 12. Затем пар поступает в пароперегреватель 11, где за счет теплоты дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается.

Из пароперегревателя 11 пар поступает в главный паропровод 13 и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную.

Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке.

Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором 18 в воздухоподогреватель 6, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.

Рис. 7.

Для правильного монтажа всех элементов котельной используют монтажную схему, пример которой показан на рис. 9.

Рис. 9.

Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей.

Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с водогрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации.

Водогрейная котельная имеет один теплоноситель - воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя - вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водогрейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая котельные по сложности устройства бывают различными в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями - трубопроводами, газопроводами и др.

Устройство котлов меньшей мощности показано ниже в пункте 4 данной темы. Чтобы лучше понять устройство и принципы действия котлов разной мощности, желательно сравнить устройство этих менее мощных котлов с устройством описанных выше котлов большей мощности, и найти в них основные элементы, выполняющие такие же функции, а также понять основные причины различий в конструкциях.

3. Классификация котельных агрегатов

Котлы как технические устройства для производства пара или горячей воды отличаются многообразием конструктивных форм, принципов действия, используемых видов топлива и производственных показателей. Но по способу организации движения воды и пароводяной смеси все котлы могут быть разделены на следующие две группы:

Котлы с естественной циркуляцией;

Котлы с принудительным движением теплоносителя (воды, пароводяной смеси).

В современных отопительных и отопительно-производственных котельных для производства пара используются в основном котлы с естественной циркуляцией, а для производства горячей воды - котлы с принудительным движением теплоносителя, работающие по прямоточному принципу.

Современные паровые котлы с естественной циркуляцией делают из вертикальных труб, расположенных между двумя коллекторами (верхним и нижним барабанами). Их устройство показано на чертеже на рис. 10, фотография верхнего и нижнего барабана с соединяющими их трубами - на рис. 11, а размещение в котельной - на рис. 12. Одна часть труб, называемых обогреваемыми «подъемными трубами», нагревается факелом и продуктами сгорания топлива, а другая, обычно не обогреваемая часть труб, находится вне котельного агрегата и носит название «опускные трубы». В обогреваемых подъемных трубах вода нагревается до кипения, частично испаряется и в виде пароводяной смеси поступает в барабан котла, где происходит ее разделение на пар и воду. По опускным не обогреваемым трубам вода из верхнего барабана поступает в нижний коллектор (барабан).

Движение теплоносителя в котлах с естественной циркуляцией осуществляется за счет движущего напора, создаваемого разностью весов столба воды в опускных и столба пароводяной смеси в подъемных трубах.

Рис. 10.

Рис. 11.

Рис. 12.

В паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией поверхности нагрева выполняются в виде змеевиков, образующих циркуляционные контуры. Движение воды и пароводяной смеси в таких контурах осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

В прямоточных паровых котлах кратность циркуляции составляет единицу, т.е. питательная вода, нагреваясь, последовательно превращается в пароводяную смесь, насыщенный и перегретый пар.

В водогрейных котлах вода при движении по контуру циркуляции нагревается за один оборот от начальной до конечной температуры.

По виду теплоносителя котлы разделяются па водогрейные и паровые. Основными показателями водогрейного котла являются тепловая мощность, то есть теплопроизводительность, и температура воды; основными показателями парового котла - паропроизводительность, давление и температура.

Водогрейные котлы, назначением которых является получение горячей воды заданных параметров, применяют для теплоснабжения систем отопления и вентиляции, бытовых и технологических потребителей. Водогрейные котлы, работающие обычно по прямоточному принципу с постоянным расходом воды, устанавливают не только на ТЭЦ, но и в районных отопительных, а также отопительно-производственных котельных в качестве основного источника теплоснабжения.

Рис. 13.

Рис. 14.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы (парогенераторы) могут быть разделены на две группы: водотрубные котлы и жаротрубные котлы. В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В жаротрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а вода омывает трубы снаружи.

По принципу движения воды и пароводяной смеси парогенераторы подразделяются на агрегаты с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Последние подразделяются на прямоточные и с многократно-принудительной циркуляцией.

Примеры размещения в котельных котлов разной мощности и назначения, а также другого оборудования, показаны на рис. 14- 16.

Рис. 15.

Рис. 16. Примеры размещения бытовых котлов и другого оборудования