В топочной камере по всему
периметру и по всей высоте стен обычно
расположены трубные плоские системы
— топочные экраны, являющиеся радиационнымиповерхностями
нагрева.
Рис. 1. Схема парового
котла ТЭС.
1 — топочная камера (топка);
2 — горизонтальный газоход; 3 —
конвективная шахта; 4 — топочные
экраны; 5 — потолочные экраны; 6 —
спускные трубы; 7 — барабан; 8 —
радиационно-конвективный пароперегреватель;
9 — конвективный пароперегреватель;
10 — водяной экономайзер; 11 —
воздухоподогреватель; 12 — дутьевой
вентилятор; 13 — нижние коллекторы
экранов; 14 — шлаковый комод; 15 — холодная
коронка; 16 — горелки. На схеме не показаны
золоуловитель и дымосос.
По конструктивному устройству
котлы делятся на две группы: с естественной
и принудительной циркуляцией. К первой
группе относятся жаротрубные, локомобильные,
вертикальные цилиндрические, вертикально-
и горизонтально-водотрубные котлы. Ко
второй группе относятся котлы прямоточные
и специальных конструкций.
Важнейшие эксплуатационные
показатели работы паровых котлов – паропроизводительность
и тепловое напряжение поверхности нагрева,
водогрейных котлов – теплопроизводительность
и тепловое напряжение поверхности нагрева.
Паропроизводительностью котла называется отношение
массы пара, вырабатываемое котлом, к интервалу
его работы. Определяется она в килограммах
в час или в тоннах в час. Часть барабана
котла, заполненная водой, называется водяным объемом
, а пространство над водой – паровым объемом . Поверхность,
разграничивающая объем горячей воды
и пара, называется зеркалом испарения
. Поверхность, которая с одной стороны
омывается газообразными продуктами сгорания,
а с другой стороны водой, называется поверхностью нагрева
котла . Отношение паропроизводительности
к поверхности нагрева называется напряжением поверхности
нагрева .
Поверхность нагрева, воспринимающая
теплоту радиацией (излучением) от раскаленного
слоя топлива в топке, называется радиационной поверхностью
нагрева . Поверхность нагрева остальных
частей котла, воспринимающая теплоту
продуктов сгорания путем соприкосновения
с ними, называется конвективной
.
Горячими газами омывается
только та часть котла, которая с внутренней
стороны охлаждается водой. Нельзя допускать
обогрев продуктами сгорания парового
объема барабана котла, так как это приводит
к перегреву металла его стенок и образования
на них отдулин. Линия, отделяющая обогреваемую
газами поверхность от необогреваемой,
называется огневой линией
.
Низший уровень воды, при котором
нет ещё опасности обнаружения стенок
барабана котла, называется наинизшим допустимым
уровнем воды . Он должен быть на 100
мм выше обогреваемых газообразными продуктами
сгорания стенок барабана котла. Чтобы
образующийся пар не уносил с собой значительное
количество влаги, уровень воды не должен
превышать некоторый предел, называемый верхним уровнем
воды . Наинизший допустимый уровень
воды должен быть не менее чем на 25 мм выше
нижней видимой кромки стекла водоуказательного
прибора, а наивысший допустимый уровень
– не меньше чем на 25 мм ниже верхней видимой
кромки стекла прибора. Объем воды, заключенный
между нижним и верхним уровнями воды,
называется питательным объемом
. Питательный объем определяет то количество
воды, которое может быть превращено в
пар без подпитки котла водой.
Теплопроизводительностью (тепловой мощностью) водогрейного
котла называют величину, равную отношению
количества теплоты, воспринимаемой водой
в водогрейном котле, к продолжительности
его работы.
Для водогрейных котлов делят
теплопроизводительность на площадь поверхности
нагрева котла и получают тепловое напряжение
нагрева.
Пароводяная смесь, образующася
в кипятильных трубах водотрубных котлов,
поступает в верхний барабан, в котором
пар отделяется от жидкости , а жидкость
по опускным трубам поступает через коллектор
вновь для нагрева в кипятильных трубах.
Система кипятильных (обогреваемых) труб,
барабан, опускные трубы и коллекторы
для распределения котловой воды называется циркуляционным
контуром котла.
Для надежной работы котла большое
значение имеет организация движения
воды в циркуляционном контуре, которое
называется циркуляцией
. Циркуляция может быть естественной
и принудительной естественная циркуляция
происходит под действием сил, обусловленных
разностью плотностей воды на необогреваемых
участках (опускных трубах) и пароводяной
смеси на подогреваемых участках (кипятильных,
экранных трубах). Расход воды через любой
циркуляционный контур значительно превышает
количество образующего в нем пара. Отношение
количества воды, вошедшей в контур, к
количеству образующегося в нем пара,
называется кратностью циркуляции.
В котлах с принудительной циркуляцией
движение воды по испарительному контуру
осуществляется специальными насосами.
В современных конструкциях
котлов топочные экраны изготавливают
либо из обычных труб (рис. 2, а), либо из плавниковых
труб, сваренных между собой по плавникам
и образующих сплошную газоплотную оболочку
(рис. 2,б).
Аппарат, в котором вода нагревается
до температуры насыщения, называется
экономайзером; образование пара происходит
в парообразующей (испарительной) поверхности
нагрева, а его перегрев — в пароперегревателе.
Рис. 2. Схема выполнения топочных
экранов
а — из обычных труб; б — из плавниковых
труб
Система трубных элементов
котла, в которых движутся питательная
вода, пароводяная смесь и перегретый
пар, образует, как уже указывалось, его
водопаровой тракт.
Для непрерывного отвода теплоты
и обеспечения приемлемого температурного
режима металла поверхностей нагрева
организуется непрерывное движение в
них рабочей среды. При этом вода в экономайзере
и пар в пароперегревателе проходят через
них однократно. Движение же рабочей среды
через парообразующие (испарительные)
поверхности нагрева может быть как однократным,
так и многократным.
В первом случае котел называется
прямоточным, а во втором — котлом с многократной
циркуляцией (рис. 3).
Рис. 3. Схема водопаровых трактов
котлов
а — прямоточная схема; б — схема с естественной
циркуляцией; в — схема с многократно-принудительной
циркуляцией; 1 — питательный насос; 2 —
экономайзер; 3 — коллектор; 4 — парообразующие
трубы; 5 — пароперегреватель; 6 — барабан;
7 — опускные трубы; 8 — насос многократно-принудительной
циркуляции.
Водопаровой тракт прямоточного
котла представляет собой разомкнутую
гидравлическую систему, во всех элементах
которой рабочая среда движется под напором,
создаваемым питательным насосом. В прямоточных
котлах нет четкого разделения экономайзерной,
парообразующей и пароперегревательных
зон. Прямоточные котлы работают на докритическом
и сверхкритическом давлении.
В котлах с многократной циркуляцией
существует замкнутый контур, образованный
системой обогреваемых и необогреваемых
труб, объединенных вверху барабаном,
а внизу — коллектором. Барабан представляет
собой цилиндрический горизонтальный
сосуд, имеющий водяной и паровой объемы,
которые разделяются поверхностью, называемой
зеркалом испарения. Коллектор — это заглушенная
с торцов труба большого диаметра, в которую
по длине ввариваются трубы меньшего диаметра.
В котлах с естественной циркуляцией
(рис. 3,б) питательная вода, подаваемая
насосом, подогревается в экономайзере
и поступает в барабан. Из барабана по
опускным необогреваемым трубам вода
поступает в нижний коллектор, откуда
распределяется в обогреваемые трубы,
в которых закипает. Необогреваемые трубы
заполнены водой, имеющей плотность ρ´, а обогреваемые
трубы заполнены пароводяной смесью, имеющей
плотность ρсм, средняя
плотность которой меньше ρ´. Нижняя точка
контура — коллектор — с одной стороны
подвергается давлению столба воды, заполняющей
необогреваемые трубы, равному Hρ´g, а с другой
— давлению Hρсмg столба
пароводяной смеси.
Температура в топке в зоне
горения факела достигает 1400-1600°С. Поэтому
стены топочной камеры выкладывают из
огнеупорного материала, а их наружная
поверхность покрывается тепловой изоляцией.
Частично охладившиеся в топке продукты
сгорания с температурой 900-1200°С поступают
в горизонтальный газоход котла, где омывают
пароперегреватель, а затем направляются
в конвективную шахту, в которой размещаются
промежуточный пароперегреватель, водяной
экономайзер и последняя по ходу газов
поверхность нагрева — воздухоподогреватель,
в котором воздух подогревается перед
его подачей в топку котла. Продукты сгорания
за этой поверхностью называются уходящими
газами: они имеют температуру 110-160°С.
Поскольку дальнейшая утилизация тепла
при такой низкой температуре нерентабельна,
уходящие газы с помощью дымососа удаляются
в дымовую трубу.
Большинство топок котлов работает
под небольшим разрежением 20-30 Па (2 — 3
мм вод.cт.) в верхней части топочной камеры.
По ходу продуктов сгорания разрежение
в газовом тракте увеличивается и составляет
перед дымососами 2000-3000 Па, что вызывает
поступление атмосферного воздуха через
неплотности в стенах котла. Они разбавляют
и охлаждают продукты сгорания, понижают
эффективность использования тепла; кроме
того, при этом увеличивается нагрузка
дымососов и растет расход электроэнергии
на их привод.
В последнее время создаются
котлы, работающие под наддувом, когда
топочная камера и газоходы работают под
избыточным давлением, создаваемым вентиляторами,
а дымососы не устанавливаются. Для работы
котла под наддувом он должен выполняться
газоплотным.
Поверхности нагрева котлов
выполняются из сталей различных марок
в зависимости от параметров (давления,
температуры и др.) и характера движущейся
в них среды, а также от уровня температур
и агрессивности продуктов сгорания, с
которыми они и находятся в контакте.
Важное значение для надежной
работы котла имеет качество питательной
воды. В котел непрерывно поступает с ней
некоторое количество взвешенных твёрдых
частиц и растворенных солей, а также окислов
железа и меди, образующихся в результате
коррозии оборудования электростанций.
Очень небольшая часть солей уносится
вырабатываемым паром. В котлах с многократной
циркуляцией основное количество солей
и почти все твердые частицы задерживаются,
из-за чего их содержание в котловой воде
постепенно увеличивается. При кипении
воды в котле соли выпадают из раствора
и на внутренней поверхности обогреваемых
труб появляется накипь, которая плохо
проводит тепло. В результате покрытые
изнутри слоем накипи трубы недостаточно
охлаждаются движущейся в них средой,
нагреваются из-за этого продуктами сгорания
до высокой температуры, теряют свою прочность
и могут разрушиться под действием внутреннего
давления. Поэтому часть воды с повышенной
концентрацией солей необходимо удалять
из котла. На восполнение удаленного количества
воды подается питательная вода с меньшей
концентрацией примесей. Такой процесс
замены воды в замкнутом контуре называется
непрерывной продувкой. Чаще всего непрерывная
продувка производится из барабана котла.
В прямоточных котлах из-за
отсутствия барабана нет непрерывной
продувки. Поэтому к качеству питательной
воды этих котлов предъявляются особенно
высокие требования. Они обеспечиваются
путем очистки турбинного конденсата
после конденсатора в специальных конденсатоочистительных
установках и соответствующей обработкой
добавочной воды на водоподготовительных
установках.
Вырабатываемый современным
котлом пар является, вероятно, одним из
наиболее чистых продуктов, производимых
промышленностью в больших количествах.
Энергетические стационарные
котлы, выпускаемые промышленностью, маркируются
следующим образом: Е — паровой котел
с естественной циркуляцией без промежуточного
перегрева пара; Еп — паровой котел с естественной
циркуляцией с промежуточным перегревом
пара; Пп- прямоточный паровой котел с
промежуточным перегревом пара. За буквенным
обозначением следуют цифры: первая —
паропроизводительность (т/ч), вторая —
давление пара (кгс/см2). Например,
ПК — 1600 — 255 означает : паровой котел с
камерной топкой с сухим шлакоудалением,
паропроизводительностью 1600 т/ч, давление
пара 255 кгс/см2.
1.2 Топочное устройство
котлоагрегата предназначено для сжигания
топлива и превращения его химической
энергии в теплоту. Обмуровка котла
– это система огнеупорных и теплоизоляционных
ограждений или конструкций котла, предназначенных
для уменьшения тепловых потерь и обеспечения
газовой плотности. Несущую металлическую
конструкцию, воспринимающую вес котла
с учётом временных и особых нагрузок
и обеспечивающую требуемое взаимное
расположение элементов котла, называют каркасом.
1.3 Пароперегреватель – устройство
для повышения температуры пара выше температуры
насыщения, соответствующей давлению
в котле. Он представляет собой систему
змеевиков. Соединенных на входе насыщенного
пара с барабаном котла и на выходе – с
камерой перегретого пара. Получение перегретого
пара из сухого насыщенного осуществляется
в пароперегревателе отопительного
котла. Пароперегреватель — один
из наиболее ответственных элементов отопительного
котла, так как из всех поверхностей
нагрева он эксплуатируется в наиболее
тяжелых температурных условиях. Змеевики
пароперегревателя и коллекторы, выполненные
из углеродистой стали, могут работать
при температурах перегрева до 425 оС.
По способу тепловосприятия пароперегреватели подразделяются на конвективные,
радиационно-конвективные и радиационные.
В отопительных котлах низкого и среднего
давлений используются конвективные пароперегреватели с вертикальным или горизонтальным
расположением труб. Для получения пара
с температурой перегрева более 500 °С в
отопительных котлах применяют комбинированные
пароперегреватели, т.е. такие, в которых
тепловосприятие в одной части поверхности
происходит за счет излучения, а в другой
— путем конвекции. Радиационная часть
поверхности нагрева пароперегревателя
расположена в виде ширм непосредственно
в верхней части топочной камеры.
1.4 Водяной экмайзер – устройство,
обогреваемое продуктами сгорания топлива
и предназначенное для подогрева или частичного
испарения поступающей в котёл воды. Водяной
экономайзер предназначенный для подогрева питательной
воды перед её поступлением в котёл за
счёт тепла уходящих газов из топки. Применение
водяных экономайзеров повышает КПД котельной
установки.
Как правило, экономайзеры для котельных изготавливают либо из
гладких, либо из ребристых чугунных труб.
Для условий более высоких температур
и давления применяются стальные гладкие
трубы.
Трубы сгибаются в вертикальные змеевики
и компонуются в пакеты (обычно высотой
до 1 м с разрывами 65-80 см). Такая конструкция
максимально удобна для эксплуатации
и обслуживание агрегата. Трубы экономайзера
располагаются в шахматном порядке, что
создает оптимальные условия для теплообмена.