Котельные установки

Технологию обработки воды следует выбирать в зависимости от требований к качеству пара, питательной и котловой воды, воды для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, количества и качества сбрасываемых стоков, а также от качества исходной воды . Показатели качества исходной воды для питания паровых котлов, производственных потребителей и подпитки тепловых сетей закрытых систем теплоснабжения необходимо в ыбирать на основании анализов, выполненных в соответствии с ГОСТ 2761-57* «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Правила выбора и оценки качества». Вода для подпитки тепловых сетей открытых систем теплоснабжения и систем горячего водоснабжения должна отвечать ГОСТ 2874-73 «Вода питьевая». Показатели качества пара и питательной воды паровых котлов должны соответствовать ГОСТ 20995-75 «Котлы паровые стационарные давлением до 4 МПа. Показатели качества питательной воды и пара».

Способ обработки воды для питания паровых котлов следует принимать исходя из указанных требований СНиП II-35-76. Так же в СНиП оговорены нормы обработки воды систем теплоснабжения и горячего водоснабжения. Технология обработки воды для открытых систем теплоснабжения и систем горячего водоснабжения, а также применяемые реагенты и материалы не должны ухудшать качество исходной воды. При выборе реагентов и материалов необходимо руководствоваться Перечнем новых материалов и реагентов, разрешенных Главным санитарно-эпидемиологическим управлением Министерства здравоохранения РФ для применения в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения. Объем химического контроля качества воды для тепловых сетей открытых систем теплоснабжения и систем горячего водоснабжения должен соответствовать ГОСТ 2874-73 «Вода питьевая». При выборе оборудования для обработки исходной воды и конденсата, а также оборудования реагентного хозяйства, кроме указаний настоящего раздела, следует руководствоваться строительными нормами и правилами по проектированию наружных сетей и сооружений водоснабжения СНиП 2.04.02-84*.

 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  
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 10небольшого 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. 
Паровые двухбарабанные котлы с развитыми котельными пучками типа Е, Е (КЕ), ДКВ. 
 
В котлах типа Е применяемых для сжигания газового, жидкого и твердого топлива, топочная камера 2 изнутри покрыта боковыми 6 и фронтально-потолочными экранами, соединенными с входными коллекторами . Пароводяная смесь из экранов поступает в верхний барабана топкой в газоходе, имеющем поперечные перегородки, расположен котельный пучок , образующий с барабанами 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 применяют с продольным расположением барабанов , причем нижний барабан  укорочен, что позволяет в передней части котла разместить колосниковую решетку  и топочную камеру, покрытую экранами . Вода в экраны поступает из коллекторов , а пароводяная смесь отводится в переднюю часть барабана . Отпускные трубы  экранов служат одновременно опорами передней части верхнего барабана, а задняя часть барабана 6 через трубы котельного пучка и нижний барабан  опирается на постамент. 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 . Между трубами котельного пучка предусмотрены вертикальные перегородки , 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 (как и в котлах ДКВр производительностью более 10 т/ч) на собственно топку  и камеру догорания. Топочные экраны из труб диаметром 51×2,5 установлены с плотным шагом S= 55 мм, что позволяет облегчить обмуровку за экранами. Конструктивно котлы этой серии похожи на котлы ДКВр. В случае применения экономайзера и пароперегревателя их устанавливают отдельно в газоходе за котлом.\

 2.2. Прямоточные  котлы. 
В прямоточных котлах отсутствует барабан. Питательная вода в них, как и в барабанных котлах, последовательно проходит экономайзер , испарительные  и пароперегревательные поверхности . Движение рабочей среды по поверхностям нагрева однократное. Осуществляется оно за счёт напора, создаваемого питательным насосом. Вода, поступающая в испарительную поверхность, на выходе из неё полностью превращается в пар. Это позволяет отказаться от тяжелого и громоздкого барабана. Надёжное охлаждение металла труб испарительной поверхности обеспечивается повышенными скоростями рабочего тела. В прямоточных котлах нет чёткой фиксации границ между экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зонами. Изменение параметров питательной воды (температуры, давления), характеристик топлива, воздушного режима приводит к изменению соотношения между размерами экономайзерной, испарительных и пароперегревательных зон. Меняется и положение границ между этими зонами. Так, снижение давления в котле приводит к уменьшению размеров экономайзерной зоны (зоны подогрева), увеличению испарительной зоны (из-за роста при снижении давления величины теплоты парообразования) и некоторому сокращению зоны перегрева. 
 
Прямоточные котлы по сравнению с барабанными имеют значительно меньший аккумулирующий объем воды. Поэтому при их работе требуется синхронизация подачи воды, топлива и воздуха в котле. При ее нарушении в турбину может поступать недогретый либо чрезмерно перегретый пар. 
 
Прямоточные котлы могут работать как на докритических, так и на сверхкритических давлениях. Требования к качеству питательной воды у них значительно выше, чем у барабанных котлов, ибо даже при ее хорошем качестве (когда содержание солей в ней измеряется миллионными долями грамма) из-за постоянного роста отложений в трубах прямоточные котлы приходится периодически останавливать и подвергать кислотной промывке. Наиболее интенсивное отложение солей происходит в той части испарительной зоны, в которой испаряются последние капли влаги и начинается перегрев пара. В котлах докритического давления эта часть испарительной зоны по величине изменения энтальпии достаточно узка (200- 250 кДж/кг) и ее размещают в конвективной шахте (выносная переходная зона). При сравнительно невысокой температуре продуктов сгорания, обтекающих змеевики выносной переходной зоны, отложения солей вызывают незначительный рост температуры стенки металла. Поэтому толщину отложений можно допускать большой, не опасаясь пережога труб, удлиняя тем самым межпромывочный период котла. 
 
Появление прямоточных котлов связано со стремлением упростить конструкцию барабанных котлов, отказаться от громоздкого дорогостоящего барабана. Их распространение в России связаны с именем Л. К. Рамзина, под руководством которого был проведен большой объем исследовательских и конструкторских работ по созданию прямоточного котла докритического давления, а также создан котел сверхкритического давления. 
 
В котле Л. К. Рамзина вода после питательного насоса по трубопроводам направляется в экономайзер  и далее по необогреваемым трубам во входные коллекторы радиационной части, разделенной по высоте на нижнюю радиационную  (НРЧ) и верхнюю  (ВРЧ) части. Иногда выделяют также и среднюю радиационную часть (СРЧ), устанавливаемую после НРЧ. Нижняя радиационная часть выполнена в виде ленты труб с горизонтально- подъемной навивкой по стенам топки. В НРЧ вода догревается до кипения и примерно 80% ее испаряется. Из НРЧ пароводяная смесь направляется в переходную зону 6, расположенную в конвективном газоходе. В переходной зоне завершается испарение воды и осуществляется слабый перегрев пара (на 10- 20°С). При этом часть солей, содержащихся в воде, может выпадать в виде накипи на стенках труб. Затем пар направляется в ВРЧ и после потолочных труб в выходной конвективный перегреватель, а оттуда в турбину. 
 
Прямоточные котлы нашли широкое применение на электростанциях. Вследствие того, что при давлении выше критического плотности пара (рп)и воды (рв) практически равны, барабанные котлы с естественной циркуляцией не могут работать и основным типом котлов становятся прямоточные. В отопительных же котельных и на теплоэлектроцентралях при докритическом давлении в основном применяются барабанные котлы с естественной циркуляцией, которые рассматриваются при изложении последующего материала. 
 
^ 3. Особенности современных паровых котлов 
На электростанциях большинство прямоточных котлов работает при СКД в энергоблоках мощностью 300 МВт и выше. В эксплуатации находятся также прямоточные котлы ДКД, установленные в энергоблоках 150- 200 МВт, но их производство для крупной энергетики прекращено. 
 
В 60-х годах мощные прямоточные котлы изготовляли двухкорпусными, т. е. в виде двух симметричных корпусов, составляющих с турбиной дубль- блок. Эксплуатация не выявила существенных преимуществ по надежности энергоблоков с двухкорпусными котлами в сравнении с однокорпусными. Недостатки же их усложнили эксплуатацию. Это способствовало переходу к производству однокорпусных паровых котлов для работы в моноблоке. При этом сокращается число рабочих потоков, укрупняется вспомогательное оборудование (РВП, ДВ, ДМ). 
 
Однокорпусные котлы для энергоблоков 300 МВт выполняются с призматической топочной камерой без пережима, что позволяет снизить до безопасного уровня средние тепловые нагрузки топочных экранов в зоне ядра факела. Этому служит рециркуляция продуктов сгорания, отбираемых при относительно низкой температуре из конвективного газохода и подаваемых дымососом рециркуляции в топочную камеру. Уменьшено тепловосприятие рабочей среды в НРЧ, что, кроме стабилизации температурного режима экранов, способствует уменьшению высокотемпературной коррозии. Сжигание организованно при минимальных избытках воздуха, позволяющих эффективно бороться с низкотемпературной газовой коррозией и интенсивным загрязнением поверхностей нагрева. 
 
В последние годы широкое распространение получили котлы с газоплотными ограждениями. Принцип газоплотности легче реализуется при выполнении топочных экранов из вертикальных панелей с одноходовым движением рабочей среды. Такая возможность появляется в котлах высокой производительности. Газоплотные ограждения позволяют существенно повысить экономичность и надежность оборудования. Основные преимущества газоплотных котлов: отсутствие присосов в топку и газоходы ( снижение q2 ); уменьшение собственного расхода энергии на транспорт воздуха и продуктов сгорания при замене дымососа дутьевым вентилятором ; возможность реализации оптимального режима горения с предельно малыми избытками воздуха и тем самым предотвращение низкотемпературной коррозии и сильного загрязнения поверхностей нагрева, а при сжигании сернистого мазута – и высокотемпературной коррозии ; замена тяжелой обмуровки легкой тепловой изоляцией ( уменьшение потери теплоты и сокращение продолжительности пусков и остановолв, облегчение каркаса и фундамента котла );облегчение очистки топки от шлака и сажи обмывкой экранов водой без повреждения обмуровки. 
 
Применение наддува предъявляет ряд требований к конструкции котла: предпочтительно однокорпусное его исполнение, уменьшающее удельную поверхность дорогостоящих газоплотных стенок; ограждение топки и газоходов сварными экранными панелями; уменьшение числа автономных регулируемых потоков рабочей среды, позволяющее наряду с другими достоинствами, общими для котлов всех типов, обеспечить минимальный объем сложной герметизации в местах прохода труб через газоплотные стенки; уменьшение размера фронта топочной камеры и соответствующее увеличение глубины и высоты; в целях уменьшения разности температур между свариваемыми панелями- рециркуляция рабочей среды в настенных поверхностях нагрева и байпасирование ее мимо обогреваемых поверхностей нагрева. 
 
В котлах с наддувом выход труб перегревателя СКД выполняют через сварные панели потолка, имеющего второе перекрытие. Конвективные пакеты промперегревателя располагают в опускном газоходе горизонтально и для уменьшения влияния возможных температурных неравномерностей его секционируют по ширине газохода на автономные параллельные потоки. Все стены конвективной шахты также покрыты газоплотными экранами из труб экономайзера или пароперегревателя. 
 
Современные крупные агрегаты конструируются таким образом, что основной несущий каркас котла совмещается с каркасом здания. При этом совмещении достигается заметная экономия металла, например для газомазутного котла ТГМП- 204 около 1500 т на один энергоблок мощностью 800 МВт. Такая конструкция применяется на новых котлах энергоблоков мощностью 500, 800 и 1200 МВт, не только газомазутных, но и пылеугольных.

Вода в котел подается насосами 5, приводимыми в действие электродвигателями. Пройдя через поверхность нагрева, вода нагревается и поступает к потребителям, где отдает часть тепла и с пониженной температуройснова возвращается в котел. Дымовые газы из котла удаляются в атмосферу через трубу 2.

Рис. 1.2. Схема районной отопительной котельной установки с водогрейными котлам

Схема циркуляции воды в барабанном котле

1 Питательный насос 2 Экономайзер 3 Подъемные трубы 4 Опускные трубы 5 Барабан 6 Пароперегреватель 7 Пар потребителю

 Вода в этом котле, пройдя экономайзер,попадает в барабан (находится вверху котла), из которого под действием силытяжести (в котлах с естественной циркуляцией) попадает в опускныенеобогреваемые трубы, а затем в подъёмные обогреваемые, где происходит парообразование (подъёмные и опускные трубы образуют циркуляционный контур). Из-за того, что плотность пароводяной смеси в экранных трубах меньше плотностиводы в опускных трубах, пароводяная смесь поднимается по экранным трубам в барабан. В нем происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Вода заново идёт в опускные трубы, а насыщенный пар уходит в пароперегреватель. В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции воды по циркуляционному контуру - от 5 до 30 раз. Котлы с принудительной циркуляцией оснащены насосом, который создаёт напор в циркуляционном контуре. Кратность циркуляции составляет 3-10 раз. Примером барабанных паровых котлов служат котлы производства ЗАО«Бийский котельный завод» серии ДКВр, Е, ДЕ.

Прямоточные котлы

 Прямоточные котлы не имеют барабана. Через испарительные трубы вода проходит однократно, постепенно превращаясь в пар. Зона, где заканчивается парообразование, называется переходной. После испарительных труб пароводяная смесь (пар) попадает в пароперегреватель. Очень часто прямоточные котлы имеют промежуточный пароперегреватель, куда направляется пар из турбины для повторного нагрева с последующим возвратом в турбину. Прямоточный котел является разомкнутой гидравлической системой. Такие котлы работают не только на до критическом, но и на сверхкритическом давлении. Прямоточный паровой котёл не требует особенной конструкции котельногопомещения и зачастую снижены требования по эксплуатационному контролю и периодическому техническому надзор. Преимуществом прямоточного парового котлаявляется его быстрая готовность к работе с укороченным временем нагрева. Этоособенно важно там где котёл используется как находящийся в резерве или каккотёл для пиковых нагрузок. В таких целях жаротрубно-дымогарный котёл пришлосьбы поддерживать длительное время без необходимости в нагретом состоянии. Котлы, которые не требуются для ежедневной эксплуатации, имеют тем выше потери при простое, чем больше их водяной объём. Основное правило: при регулярном простое более чем 36 часов преимущественным является использование прямоточного парового котла. Точное определение времени простоя зависит вкаждом специальном случае от большого числа параметров. Прямоточные паровые котлы требуют жёсткого соответствия между выработкой пара и подачей топлива. Поэтому следует использовать прямоточные паровые котлы, которые работают при малой мощности по 2-х ступенчатой схеме,так что подача топлива и воды регулируется автоматически по отбору пара. Таким образом сокращается частота включений горелки при меняющихся нагрузках. Высокая частота включений является недостатком прямоточных паровых котлов по сравнению с жаротрубно-дымогарными котлами. Прямоточные паровые котлы не имеют аккумулирующих паровых и водяных объёмов и этот недостаток должен быть компенсирован за счёт регулирования подачи топлива. Это приводит к частому включению-выключению котла т.е. к работев режиме полная-неполная нагрузка. Устройства управления и регулирования подвергаются в этом случае существенно более высокому износу. В дальнейшем каждый розжиг сопровождается небольшим отложением сажи, который приводит к сокращению временных периодов между очистками поверхностей нагрева по сравнению с жаротрубно-дымогарными котлами. Частое включение-выключение горелки является причиной повышенного расхода топлива: при каждом новом розжиге горелки топочная камера должна быть провентилирована свежим воздухом по причине опасности возникновения вспышки. Таким образом нагретый воздух теряется через дымовую трубу.