Паровые котлы

            Паровые котлы характеризуются   основными параметрами: номинальной паропроизводительностью, давлением, температурой пара (основного и промежуточного перегрева) и питательной воды.

             Под номинальной паропроизводительностью  понимают наибольшую нагрузку (т/ч  или кг/с), которую стационарный котел должен обеспечивать в длительной эксплуатации при сжигании основного топлива (или при подводе номинального количества теплоты) при номинальных значениях температуры пара и питательной воды (с учетом допускаемых отклонений).

             Номинальными давлением и температурой пара считают те, которые должны быть обеспечены непосредственно перед паропроводом к потребителю пара при номинальной производительности котла (для температуры  - дополнительно при номинальном давлении и температуре питательной воды).

            Номинальной температурой промежуточного  перегрева пара называют температуру  пара непосредственно за промежуточным  пароперегревателем котла при  номинальных значениях давления  пара, температуры питательной воды, паропроизводительности, а также номинальных значениях остальных параметров пара промежуточного перегрева с учетом допускаемых отклонений.

          Номинальная температура питательной  воды - это температура, которую  необходимо обеспечить перед  входом воды  в экономайзер  или в другой относящийся к котлу подогреватель питательной воды (при их отсутствии – перед входом в барабан котла) при номинальной паропроизводительности.

         По параметрам рабочего тела  различают котлы низкого (мене 1 МПа), среднего (1-10 МПа) и сверхкритического давления (более 22,5 МПа). Наиболее характерные особенности котла и основные параметры вводятся в его обозначение. В принятых по ГОСТ 3619-82 обозначениях указывается тип котла, паропроизводительность (т/ч) и давление (МПа), температура перегрева и промежуточного перегрева пара, вид сжигаемого топлива и системы шлакоудаления для твердого топлива и некоторые другие особенности.

         Буквенные обозначения типа котла  и вида сжигаемого топлива:  Е – с естественной циркуляцией,  Пр – с принудительной циркуляцией, П – прямоточный, Пп – прямоточный с промежуточным перегревом; Еп – барабанный с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом; Г – газообразное топлива, М – мазут, Б – бурые угли, К – каменные угли, Т,Ж – соответственно с твердым и жидким шлакоудалением.

         Например, котел барабанный с  естественной циркуляцией производительностью  210 т/ч с давлением 13,8 МПа и температурой перегрева 565ºС на каменном угле с твердым шлакоудалением обозначают: Е-210-13,8-565 КТ.

2.1. Особенности и принцип работы барабанных котлов

Барабанные котлы нашли  широкое применение на тепловых электростанциях  и теплоэлектроцентралях. Наличие  барабана, в котором зафиксирована  граница раздела между паром  и водой, является отличительной  чертой этих котлов. Питательная вода после экономайзера 2 (если его нет, то прямо после насоса 1 из питательного трубопровода) подается в барабан 3 (рис. 8,а), где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан). Верхняя часть объема барабана заполнена паром и называется паровым объемом (пространством) барабана, нижняя, заполненная водой, называется водяным объемом, а поверхность раздела между ними – зеркалом испарения. Смесь котловой и питательной воды с плотностью рв по опускным необогреваемым трубам из барабана поступает в нижние распределительные коллектора 5, питающие испарительные поверхности 6 (как правило, это топочные экраны). Вода, поднимаясь по трубам этих поверхностей, воспринимает теплоту от продуктов сгорания топлива (топочных газов), нагревается до температуры насыщения, а затем частично испаряется. Из обогреваемых труб полученная пароводяная смесь поступает в барабан, где происходит разделение пара и воды. Уровень воды (зеркало испарения) делит барабан на водный и паровой объемы. Из последнего пар по трубам, расположенным в верхней части барабана, направляется в пароперегреватель 7 (рис. 8,а). Вода же, смешиваясь в водяном объеме с питательной водой, поступающей из экономайзера, вновь направляется в опускные трубы.

 Уровень воды в  барабане при работе котла  колеблется между низшим и высшим положением. Первое из них устанавливают исходя из обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы, а второе – из исключения возможности попадания воды в пароперегреватель. Объем воды, заключенный между этими уровнями, позволяет барабанному котлу некоторое время работать без подачи в него питательной воды.

В парообразующих трубах за один проход испаряется лишь часть (4-25%) поступающей в них воды. Это  позволяет обеспечить достаточно надежное охлаждение металла подъемных труб, а также предотвратить накопление солей, выпадающих при испарении воды на внутренней поверхности труб, путем организации непрерывного удаления части котловой воды из котла. Поэтому для питания воды котла допускается использование воды с довольно значительным содержанием растворимых в ней солей.

Замкнутую систему, состоящую  из барабана 3, опускных труб 4, коллектора 5 и подъемных труб 6, по которым многократно движется рабочее тело, принято называть контуром циркуляции, а многократное движение оды в нем – циркуляцией. Движение рабочей среды, обусловленное только различием между массой столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называется естественной циркуляцией, а паровой котел – барабанным с естественной циркуляцией.

Возникающий в контурах циркуляции перепад давлений, называемых движущим напором циркуляции, зависит от высоты контура Н и разности плотностей воды Р в опускных и пароводяной смеси Р в подъемных трубах:

Он расходуется на преодоление сопротивления движению рабочего тела по трубам. Обычно его величина в паровых котлах с естественной циркуляцией относительно невелика (не более 0,1 МПа), что не позволяет развивать в контурах циркуляции высоких скоростей. Так как при невысоких скоростях пароводяной смеси возможно ее расслоение, то в котлах с естественной циркуляцией обогреваемые трубы не могут располагаться горизонтально или быть слабонаклоненными: преимущественное расположение труб  - вертикальное.

Естественную циркуляцию следует принять к котлах с давлением в барабане на выше 17,5-18,5 МПа. При высоком давлении (близком к критическому) из-за малой разницы в плотностях пара и волы обеспечение устойчивого движения рабочей среды в циркуляционном контуре весьма затруднительно. В этом случае в котле следует использовать принудительную циркуляцию.

Установка циркуляционного  насоса в котлах с принудительной циркуляцией (рис. 8,б) позволяет повысить напор в циркуляционном контуре  и обеспечить произвольное (как вертикальное, так и горизонтальное) расположение обогреваемых труб, а так же повысить степень парообразования, влекущее уменьшение кратности циркуляции (отношение количества поступающей в контур циркуляции воды к количеству образующегося пара). Так, если в паровых котлах с естественной циркуляцией в зависимости от высоты контура и параметров рабочего тела кратность циркуляции составляет К=5÷30, то  в паровых котлах с принудительной циркуляцией она уменьшается до К=3÷10.

2.1.1. Барабанные котлы с естественной циркуляцией малой производительности (низкого и среднего давления)

Простейшим барабанным котлом с естественной циркуляцией  является цилиндрический котел (рис. 9,а), выполненный в виде горизонтального  барабана 2, на ¾ объема заполненного водой, с топкой 1 под ним. Стенки барабана, обогреваемые снаружи продуктами горения топлива, выполняют роль теплообменной поверхности. Этот котел при простоте конструкции и ряде эксплуатационных достоинств имел относительно большие габаритные размеры, малую величину удельного паросъема (количество пара, кг, с 1 м² поверхности нагрева), значительную величину удельного расхода металла, низкий КПД.

Совершенствование его  конструкции было связано с повышением паропроизводительности котла, параметров пара, вырабатываемого кот лом, его  КПД, а также с уменьшением удельного расхода металла на изготовление. Это производилось путем увеличения поверхностей нагрева в одном агрегате, например, расположением в водном объеме барабана  труб, обогреваемых топочными газами. Так появились жаротрубные, дымогарные и комбинированные газотрубные котлы. В жаротрубных котлах (рис. 9,б) в одном объеме барабана 2 устанавливали несколько жаровых труб 3 большого диаметра (500-800 мм),  а в дымогарных и комбинированных газотрубных котлах (рис. 9,в) устанавливали пучок дымогарных труб 4 малого диаметра, причем в комбинированных котлах топочная камера 1 размещалась внутри барабана 2 у одной из его стен.

Производительность этих котлов и повышение параметров пара ограничивались возможностью размещения труб в водяном объеме барабана.

Дальнейшее развитие конструкции паровых котлов связано  с заменой одного барабана несколькими  цилиндрами меньшего диаметра, заполненными водой и пароводяной смесью. Это  привело вначале к созданию батарейных паровых котлов, а затем при  замене части этих цилиндров  трубами меньшего диаметра, расположенными в потоке дымовых газов, к созданию водотрубных котлов. Большие возможности увеличения паропроизводительности в этом типе котлов обеспечили их широкое распространение в энергетике. Первоначально водотрубные котлы имели слабонаклоненные к горизонтали (10-15º) пучки труб 6, которые с помощью камер 5 (рис. 9,г) или круглых камер присоединялись к одному или нескольким горизонтальным барабанам. Колы такой конструкции получили название горизонтально-водотрубных. Среди них следует выделить котлы В. Г. Щухова (рис. 9,д), широко ранее применявшиеся  при давлении 0,8-1,5 МПа. Идея разделения общих камер, барабанов и труб на однотипные группы (секции0 с одинаковой длинной и числом труб, заложенная в их конструкцию, давала возможность собирать котлы разной паропроизводительности из стандартных деталей. Вместе с тем котлы не были приспособлены к резким изменениям нагрузки, сложно решались вопросы очистки труб от загрязнений, затраты металла на единицу производительности были высоки.

 В значительной  мере эти проблемы удалось  решить в вертикально-водотрубных  котлах (рис. 9, е, ж).

Вертикально-водотрубные  котлы, получившие широкое применение  в энергетике, в отличие от газотрубных  обладают практически неограниченными  возможностями увеличения паропроизводительности. Основные особенности конструктивных изменений сводились к следующему. Последовательно осуществлен переход от многобарабанной (рис. 9,е) к однобарабанной конструкции (рис. 9.ж). Нижний барабан 7 заменен цилиндрической камерой 10 небольшого диаметра (коллектором). Опускные трубы 9 и барабан 2 частично вынесены из зоны обогрева за обмуровку котла. Реализовано полное экранирование топочной камеры. Конвективные пучки труб с продольным омыванием дымовыми газами заменены на пучки 6 с поперечным омыванием. Внедрены подогрев воздуха и пароперегреватели 8.

Некоторые типы современных  вертикально-водотрубных котлов, применяемых  в котельных установках небольшой  мощности.

2.1.2. Паровые двухбарабанные котлы с развитыми котельными пучками типа Е, Е (КЕ), ДКВ.

В котлах типа Е (рис.10), применяемых  для сжигания газового, жидкого и  твердого топлива, топочная камера 2 изнутри покрыта боковыми 6 и фронтально-потолочными 5 экранами, соединенными с входными коллекторами 1 и 3. Пароводяная смесь из экранов поступает в верхний барабан 7 (из боковых экранов после коллектора 4). За топкой в газоходе, имеющем поперечные перегородки, расположен котельный пучок 9, образующий с барабанами 7 и 10 самостоятельный циркуляционный контур,  в котором по передним, сильно обогреваемым трубам, поднимается пароводяная смесь, а по задним, слабообогреваемым, опускается вода.

Эти котлы малой производительности (до 1 т/ч) и давления (0,9 МПа), не имеют  экономайзеров и перегревателей, предусмотрена установка дымососа для удаления газов.

Котлы ДКВ, ДКВр (рис. 11) применяют  с продольным расположением барабанов 6 и 10, причем нижний барабан 10 укорочен, что позволяет в передней части котла разместить колосниковую решетку 1 и топочную камеру 3, покрытую экранами 4. Вода в экраны поступает из коллекторов 2, а пароводяная смесь отводится в переднюю часть барабана 6. Отпускные трубы 5 экранов служат одновременно опорами передней части верхнего барабана, а задняя часть барабана 6 через трубы котельного пучка 7 и нижний барабан 10 опирается на постамент 11. Котлы выпускаются производительностью 2,5- 3,5 т/ч на насыщенном или перегретом паре с давлением 1,3- 3,8 МПа. В котлах производительностью 10, 20 и 35 т/ч экранированы не только боковые стенки топки, но фронтовая и задняя (рис. 11). Между трубами котельного пучка предусмотрены вертикальные перегородки 9, обеспечивающие более полное омывание труб газами в результате горизонтальных поворотов. При установке пароперегревателя его размещают за правой перегородкой вместо части труб кипятильного пучка.

 Котлы малой мощности  серии Е (КЕ), выпускаемые производительностью  2,5-25 т/ч для получения насыщенного  и перегретого пара, используются  на технологические и отопительно-  вентиляционные нужды различных отраслей промышленности, строительства, сельского хозяйства. Они предназначены для слоевого сжигания бурых и каменных углей, имеют экранированную трубами топочную камеру, разделенную кирпичной перегородкой 13 (как и в котлах ДКВр производительностью более 10 т/ч) на собственно топку 3 и камеру догорания 12 (рис. 12). Топочные экраны из труб диаметром 51×2,5 установлены с плотным шагом S= 55 мм, что позволяет облегчить обмуровку 8 за экранами. Конструктивно котлы этой серии похожи на котлы ДКВр. В случае применения экономайзера и пароперегревателя их устанавливают отдельно в газоходе за котлом.

2.1.3. Котлы типа Е (ДЕ) и Е (ГМ).

Для использования насыщенного и перегретого (до 380-440°С) пара давлением 1,4-3,9 МПа на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения широко используются газомазутные котлы серии Е (ДЕ) и Е (ГМ).

Котлы Е (ДЕ) производительностью 4- 25 т/ч (за исключением топки) похожи на котлы Е (КЕ) и ДКВр – двухбарабанные с продольным расположением барабанов. Они экранированы по всем стенам топки, в газоходе между барабанами имеют котельный пучок с установленными в нём перегородками. Котлы изготавливаются и поставляются блоками, включающими барабаны, экраны и кипятильный (котельный) пучок, каркас и опорную раму. Отдельными блоками поставляются чугунные экономайзеры и пароперегреватели. На монтаже котлы обмуровывают и обшивают металлическим листом.