Теплогенерирующие устройства. 
Теплотехника

Котельные установки

Основные понятия

Котельная установка состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования. Она предназначена для получения пара или горячей воды (рабочего тела котла). Нагрев рабочего тела производится за счет теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива, протекании технологического процесса утилизации теплоты отходящих газов или электрической энергии.

По назначению котельные установки делятся па энергетические, производственно-отопительные и отопительные.

Энергетические котельные установки служат для выработки пара высоких параметров, необходимого для работы паровых турбин (тепловых электростанций, главных судовых двигателей и т. п.).

Производственно-отопительные — для выработки тепловой энергии, направляемой как на технологические нужды, так и на отопление производственных, служебных и жилых помещений.

Отопительные котельные установки вырабатывают тепловую энергию для отопления и обеспечения санитарно-бытовых нужд потребителей.

На судах энергетические котлы называются главными, а производственно-отопительные и отопительные — вспомогательными.

По месту установки (монтажа) котлоагрегатов различают котельные установки стационарные и мобильные. К первому типу на водном транспорте относятся котельные промышленных предприятий и портов, ко второму — судовые котельные установки.

Котельные промышленных предприятий и портов оборудованы паровыми и водогрейными котлами различных типов, работающих на твердом, жидком и газообразном топливах. Заводские и портовые котельные оборудованы в основном паровыми, а отопительные котельные жилищного фонда промышленных предприятий — водогрейными котлами. В заводских котельных обычно устанавливают паровые котлы типов ДКВР, Е (КЕ, ДЕ, Е-1/9 и др.) иароироизводительностью 2,5—10 т/ч, а также котлы Шухова, ВВД и др. Широко используются в стационарных котельных судовые паровые водотрубные котлы и газотрубные котлы типов КВ-5 и КВ-3, КАВ. Нашли применение и современные паровые и водогрейные котлы небольшой паропроизводительности типа КВ, НР-18, «Кивиыли», «Искитим», «Универсал» и др., которые размещаются в отопительных котельных и могут давать пар давлением 0,07 МПа или горячую воду температурой до 115 °C.

Схема судовой паротурбинной установки. Судовые котлы применяются как в качестве источника энергии для движения судна, так и с целью обеспечения подачи тепловой энергии в системы теплоснабжения судна: на обогрев топливных и масляных цистерн, в системы отопления, на санитарно-бытовые нужды и тли Принципиальная схема реальной судовой паротурбинной установки представлена на рис. 15.1. Подобная схема может быть использована и в береговых котельных.

Рис. 15.1. Принципиальная схема судовой паротурбинной установки.

В топке парового котла химическая энергия топлива превращается в теплоту, носителем которой являются газообразные продукты сгорания. Эта теплота передается в котле рабочему телу, т. е. идет на образование и перегревание пара. Перегретый пар из котла 1 поступает в турбину, разделенную на две части: высокого 2 и низкого 3 давления. В турбине пар расширяется, и часть теплоты, подведенной к нему в котле, превращается в работу. Затем пар поступает в конденсатор 5, где конденсируется, отдавая остальную, не превращенную в работу, часть теплоты охлаждающей воде. В судовых условиях охлаждающая вода берется из-за борта специальным циркуляционным насосом 6 и прогоняется через трубы конденсатора. Па внешней поверхности труб происходит конденсация пара. Вода, получающаяся при конденсации пара, — конденсат забирается конденсатным насосом 7 и подается к первому подогревателю питательной воды 8 и затем в деаэратор 9, предназначенный для удаления воздуха, растворенного в воде. Кроме того, деаэратор является второй ступенью подогрева питательной воды. Из него вода забирается питательным насосом 10 и нагнетается в котел, пройдя предварительно через второй подогреватель 11 питательной воды. Во втором подогревателе питательной воды осуществляется третья ступень подогрева.

Питательную воду подогревают паром, отбираемым из турбины. В рассматриваемой установке предусмотрено три отбора:

• • отбор I — из промежуточной ступени турбины высокого давления 2 для подогрева воды во втором подогревателе 11;
• • отбор 11 — из патрубка между турбинами для подогрева в деаэраторе 9. При этом конденсат греющего пара смешивается с питательной водой. В деаэратор 9 подается также конденсат отбора I из подогревателя 11, иод собственным давлением, равным давлению отбора 1;
• • отбор III — из промежуточной ступени турбины низкого давления 3 для подогрева в первом подогревателе 8, откуда образующийся конденсат отводится в конденсатор 5, где давление меньше.

Перегретый^[1] пар в судовых пароэнергетических установках обычно^[2] имеет давление 1,5—4,0 МПа, иногда выше, и температуру 300—400°С. В конденсаторе поддерживается глубокий вакуум при абсолютном давлении 0,005—0,006 МПа. Этому давлению соответствует температура кипения (или конденсации) 33—36°С. В процессе конденсации указанные параметры не меняются, следовательно, при такой же температуре конденсат покидает конденсатор. В зависимости от котельного давления питательная вода подогревается до 120—200°С.

Во время работы установки по различным причинам происходит естественная потеря воды и пара в системе. Она составляет 3—4% от паронроизводительности котлов. Для восполнения потерь в систему подается добавочная вода. В приведенной на рис. 15.1 схеме добавочная вода (ДВ) засасывается конденсатным насосом.

Природная вода в большей или меньшей степени всегда содержит различные примеси. Особенно нежелательными являются соли, находящиеся в состоянии истинного раствора. Чтобы исключить возможность образования накипи на поверхностях нагрева парового котла, природная вода должна подвергаться предварительной (докотловой) обработке и обработке внутри котла.

При работе установки в конденсатор поступает некоторое количество воздуха. Он попадает в конденсатор по двум каналам в соизмеримых количествах: через неплотности фланцевых соединений и с питательной водой. Растворенный в питательной воде воздух заносится в котел, проходит с паром через турбину и поступает вместе с ним в конденсатор, где пар превращается в конденсат, последний отводится, а воздух накапливается. Присутствие воздуха в конденсаторе ухудшает теплообмен и приводит к снижению вакуума. Для нормальной работы из конденсатора необходимо непрерывно удалять воздух струйными насосами (эжекторами) 4.

Как показано на рис. 15.1, перегретый пар подается не только к главным двигателям, но и к вспомогательным турбогенераторам ВТ, представляющим собой судовую электростанцию. Вырабатываемая ею электрическая энергия используется для привода электрифицированных вспомогательных механизмов, для освещения, обеспечивает работу элементов автоматики и общесудовые нужды.

Источником теплоты высокой температуры (теплоотдатчиком) в цикле такого теплового двигателя, как паросиловая установка, являются газообразные продукты сгорания топлива, движущиеся по газоходам котла, а источником теплоты низкой температуры (теплоприемником) — охлаждающая вода, циркулирующая по трубкам конденсатора и уносящая больше половины теплоты, подведенной к пару в котле. Отвод такого большого количества теплоты в окружающую среду (забортную воду в судовых условиях) в соответствии со вторым законом термодинамики, обеспечивает превращение остальной части теплоты в работу. Поэтому при данных параметрах пара в котле и в конденсаторе и отсутствии необратимых потерь уменьшение количества отводимой теплоты невозможно.

Схема судовой котельной установки. В котельную установку (рис. 15.2) входят котел и вспомогательное оборудование, необходимое для его работы.

Рис. 15.2. Схема судовой котельной установки.

Устройство котла. Собственно котел состоит из двух пучков водогрейных труб 2 и 12, закрепленных в корпусе пароводяного 1 и водяного 11 коллекторов, труб топочного экрана 4, присоединенных к пароводяному коллектору 1 вверху и к экранному коллектору 7 внизу. Топка 9 служит для сжигания топлива.

Топочный экран 4 представляет собой сплошной ряд соприкасающихся труб, воспринимающих теплоту, передаваемую излучением. Пучки 2 и 12 состоят из труб, расположенных одна за другой с определенным интервалом. В интервалах между трубами в поперечном к ним направлении движутся газы (рис. 15.2 показано стрелками). Вода и пароводяная смесь в трубах совершают циркуляцию: в пучке 2 и в рядах пучка 12, находящихся в зоне высоких температур, пароводяная смесь поднимается (подъемные трубы), а в трубах пучка 12, расположенных в зоне более низких температур, вода опускается (опускные трубы); в трубах топочного экрана нагреваемая среда (пароводяная смесь) движется вверх — в пароводяной коллектор, а опускается по трубам, расположенным за экраном.

В пароперегревателе 3 происходят подсушка и перегревание пара. В парообразующей части котла пар находится в равновесии с жидкостью и поэтому не может иметь температуру выше температуры кипения, соответствующей давлению пара в котле. Так, например, при абсолютном давлении 1,6 МПа эта температура равна 201,4°С. В целях повышения термического КПД цикла пар перегревают до 300—400°С.

К так называемым хвостовым поверхностям нагрева относят водяной экономайзер 13 и газовый воздухоподогреватель 15. В водяном экономайзере 13 происходит подогрев питательной воды. Для подогрева воздуха в газовом воздухоподогревателе 15 используется часть теплоты, уносимой газообразными продуктами сгорания топлива. Здесь подогревается воздух, необходимый для сгорания топлива.

Питательная система включает в себя систему трубопроводов, механизмов и устройств, предназначенных для подготовки подачи питательной воды в котел. В оборудование питательной системы входят питательные насосы, фильтры, установка для дообработки (обессоливание или умягчение добавочной воды) и подогреватели питательной воды, находящиеся вне котла.

Устройства для хранения, подачи и сжигания топлива включают следующие элементы: при использовании жидкого топлива это емкости для хранения топлива (расходные цистерны и танки), топливные насосы 6 (см. рис. 15.2), перекачивающие насосы, фильтры, форсунки 8; при использовании твердого топлива — механизмы, обслуживающие механические топки, или инструменты для ручного обслуживания топки, а также водяной эжектор для удаления из котельного отделения шлаков и бункеры топлива.

В состав котлоагрегата входят: непосредственно котел, аппаратура и устройства для автоматического регулирования и защиты парового котла; арматура — клапаны и краны, установленные непосредственно на котле, и измерительные приборы, необходимые для наблюдения за его работой; тепловая изоляция 5 и 14 котла, опоры 10 и фундамент.

Для подачи воздуха в топку обычно применяется дутьевой вентилятор У 7, а для удаления продуктов сгорания — вытяжной вентилятор (дымосос) 16, устанавливаемый в начале дымовой трубы. В некоторых случаях дутье и интенсификация тяги осуществляются струйными аппаратами.

В простейшем случае ограничиваются естественной тягой (самотягой). Движущим напором естественной тяги (самотяги) Я является разность весов столба холодного воздуха р_Xigh и столба газов в дымовой трубе р_rgh:

rjeg — ускорение свободного падения; h — высота дымовой трубы, измеряемая для котлов на твердом топливе от пода топки, а для котлов, работающих на жидком или газообразном топливе, — от оси нижней форсунки до верхнего среза дымовой трубы, м; р_в и р_г — плотности соответственно наружного воздуха и газов в дымовой трубе, кг/м³

При этом сила тяги, приходящаяся на единицу площади, выражается в паскалях. Из формулы (15.1) следует, что сила естественной тяги прямо пропорциональна высоте дымовой трубы.

Рабочий процесс котла можно рассматривать как несколько отдельных процессов превращения энергии, которые происходят в воздушно-газовом и пароводяном трактах. Носителями энергии являются материальные потоки (воды, пара, топлива, воздуха), взаимодействие которых в элементах котла образует три подпроцесса, неразрывно связанных между собой и составляющих рабочий процесс. Основным из них являются:

• • сгорание топлива в топке, для реализации которого необходимы непрерывный подвод топлива и воздуха, распыление топлива и образование смеси «топливо — воздух»;
• • собственно горение;
• • отвод продуктов сгорания (дымовых газов).

Факторы, влияющие на полноту сгорания топлива, рассматривались ранее (см. гл. 14).

Процессы сгорания топлива и отвода дымовых газов сопровождаются процессами теплообмена, т. е. передачей теплоты от продуктов сгорания к нагреваемой среде: воде, пару, воздуху.

Котел представляет собой сложный теплообменный аппарат, в котором имеют место все способы передачи теплоты: излучение, конвекция, теплопроводность.

Наиболее сложным является теплообмен в топке. Происходящие в ней явления представляют собой комплекс взаимосвязанных физико-химических процессов смесеобразования и горения, теплообмена и аэродинамики, которые затрудняют изучение процессов теплообмена. Основная часть теплоты в топке передается излучением, поэтому поверхности теплообмена топки (экранные трубы и трубы притопочного пучка) называются радиационными или лучевоспринимающими.

Экранная поверхность, расположенная в топке, играет существенную роль в тепловом балансе котла: она воспринимает около 40% всей теплоты, передаваемой котельным поверхностям нагрева.

По мере движения по газоходу продукты сгорания отдают теплоту поверхностям нагрева, и их температура понижается, а конвективная составляющая в суммарном теплообмене растет. Если средняя температура потока газов не превышает 350 °C, то их излучением можно пренебречь.

К конвективным поверхностям относятся пучки труб, расположенные в газоходах, через которые проходят газы. Это парообразующие пучки, пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель.

Парообразующие трубы, расположенные в выходном сечении топки (трубы притопочного пучка), вместе с лучистой энергией воспринимают также теплоту, передаваемую конвекцией при проходе через них газов, покидающих топку. Поэтому поверхность этих труб учитывают при расчете теплообмена в топке как лучевоспринимающую и при расчете конвективных поверхностей нагрева как конвективную.

Все поверхности нагрева утилизационных котлов рассчитывают как конвективные.

Одновременно с процессами сгорания и теплопередачи протекают процессы генерации пара в парообразующих элементах, перегрева пара в пароперегревателе и нагрева воды и воздуха в экономайзере и воздухоподогревателе, т. е. те процессы, которые формируют полезный эффект котла — требуемое количество пара с заданными параметрами.

В результате того, что экранные трубы п трубы притопочного и конвективного пучков находятся в зоне высоких температур и воспринимают значительное количество тепловой энергии, в них происходит процесс парообразования. Образовавшиеся пузырьки пара вместе с водой поднимаются вверх. Такие трубы называются подъемными. Необогреваемые трубы, расположенные за сплошным топочным экранным рядом труб, называются опускными: они заполнены водой, движущейся вниз, поскольку она имеет большую плотность, чем плотность образующейся в подъемных трубах пароводяной смеси.

При выходе из подъемных труб паровые пузырьки проходят через слой воды и зеркало испарения в пароводяном коллекторе и попадают в пароводяное пространство. Неиспарившаяся вода смешивается с питательной водой и снова участвует в процессе циркуляции. От пара при прохождении через внутриколлекторные сепарирующие устройства^[3] отделяются капельки влаги, и он поступает в пароперегреватель и к судовым потребителям насыщенного пара со степенью сухости х = 0,98-^0,995.

Использование хвостовых поверхностей нагрева (экономайзеров и газовых воздухоподогревателей) позволяет значительно повысить экономичность работы котла за счет увеличения его КПД в результате уменьшения потерь теплоты с уходящими газами.

Пароперегреватель, воздухоподогреватель и водяной экономайзер называются дополнительными поверхностями нагрева, в отличие от основной парообразующей поверхности нагрева котла. Дополнительные поверхности нагрева не являются неотъемлемыми элементами котла: часть из них или все они могут отсутствовать.

Различие в компоновке и конструктивном оформлении поверхности нагрева собственно котла и составных его элементов привело к появлению различных типов котельных агрегатов.

• [1] Перегретый нар называют также «свежим», «острым», «энергетическим».
• [2] На современных электростанциях, где применяются установки большой мощности, используется пар давлением до 30 МПа и температурой до 600X.
• [3] В утилизационных котлах с многократной принудительной циркуляцией сепаратор является отдельным элементом котла.