Понятие котла и котельной установки

ТЕМА16. КОТЕЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Понятие детонации, октанового числа и цетанового числа.

Нефтяные топлива.

Из нефти в зависимости от температуры перегонки получают нефтепродукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазуты. Для бытового отопления выпускают печное бытовое топливо. В отопительных котельных большой мощности, которые работают на жидком топливе, обычно используют мазут, а в небольших котельных и бытовых энергоустановках - печное бытовое топливо.

Мазуты, применяемые в котлах, подразделяют на топливо средней вязкости (марки 40В и 40) и топливо тяжелое (марки 100В, 100 и 200).

По содержанию в них серы топочные мазуты делят на три группы: малосернистые, сернистые, высокосернистые. Зольность мазутов не превышает 0,1...0,3%. Количество влаги в мазуте колеблется от 0,5 до 5%.

Дизельное топливо выпускают двух марок - ДТ и ДМ. Дизельное топливо в основном используют в дизелях, в том числе в дизельных электростанциях.

Керосин используют как топливо в теплогенераторах, сушилках в авиации, а также для бытовых целей.

В качестве топлива для отечественных двигателей внутреннего сгорания обычно применяют бензин и дизельное топливо.

При обычном сгорании топлива фронт пламени распространяется в цилиндре со скоростью 20...30 м/с. Как ненормальное явление процесс сгорания может принимать детонационный (взрывной) характер, при котором скорость распространения фронта пламени достигает 2000...2500 м/с. Внешние признаки этого явления: резкие металлические стуки в цилиндре, перегрев двигателя, периодические выбросы черного дыма из выпускной трубы, понижение мощности и экономичности двигателя. Кроме того повышается износ отдельных частей двигателя, а иногда они разрушаются.

Детонационная стойкость топлива оценивается октановым числом. Чем оно выше, тем больше детонационная стойкость. Если топливо склонно к детонационному сгоранию, то его октановое число можно увеличить, добавляя незначительные количества специальных веществ - антидетонаторов.

Температура самовоспламенения топлива - это наименьшая температура, при которой топливо воспламеняется без постороннего источника пламени. Самовоспламеняемость топлива оценивается цетановым числом. Дизельное топливо так же, как и бензин, должно иметь очень небольшое количество веществ, способствующих коррозии, а наличие механических примесей и воды в нем вообще недопустимо.

Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива или подводимой от посторонних источников (обычно с горючими газами), называют котлами. Они делятся соответственно на котлы паровые и водогрейные. Котлы, использующие (т.е. утилизирующие) теплоту отходящих из печей газов или других основных и побочных продуктов различных технологических процессов, называют котлами-утилизаторами.

С целью обеспечения стабильной и безопасной работы котла его снабжают вспомогательным оборудованием, служащим для подготовки и подачи топлива, воздуха, очистки воды, отвода продуктов сгорания и их очистки от золы и токсичных примесей, удаление золошлаковых остатков.

Комплекс устройств, включающий в себя собственно котел и вспомогательное оборудование, называют котельной установкой. Котельные установки, снабжающие паром турбины тепловых электрических станций, называют энергетическими. Для снабжения паром производственных потребителей и отопления зданий в ряде случаев создают специальные производственные и отопительные котельные установки.

В качестве источников теплоты для котельных установок используются природные и искусственные топлива, отходящие газы промышленных печей и других устройств, солнечная энергия, энергия деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония) и т.д.

16.1 Паровой котёл и его основные элементы

Развитие конструкций котлов. Исто­рически развитие паровых котлов шло в направлении повышения паропроизводительности, параметров производимого пара (давления и температуры), надеж­ности и безопасности в эксплуатации, увеличения экономичности (КПД) и сни­жения массы металлоконструкций, при­ходящейся на 1 т вырабатываемого пара.

Исходным типом современных котлов был простой цилиндрический ко­тел (рис. 16.1, а), выполненный в виде горизонтального барабана с топкой под ним. Стенки барабана были одновремен­но и поверхностью нагрева. В дальней­шем увеличение поверхности нагрева шло по двум направлениям. В одном случае непосредственно в водяном пространстве барабана размещались большие и малые трубы; при этом большие одновременно

Рис 16.1. Схема развития паровых котлов:

а - простой цилиндрический котел; 6 – водотрубный котел с наклонным трубным пучком; б – двухбарабанный вертикально-водотрубный котел; Стрелками показано движение продуктов сгорания в газоходах; 1 – барабан; 2 – топка; 3 – трубы кипятильного (испарительного) пучка; 4 – опускные трубы; 5 – коллекторы, объединяющие трубы поверхностей нагрева; 6 – водяной экономайзер для предварительного подогрева воды перед подачей ее в барабан; 7 – перегородки в газоотводах котла; ПВ – питательная вода; П – пар

являлись топкой (котлы с жаровыми тру­бами), а по малым пропускались продук­ты сгорания (котлы с дымогарными тру­бами). В другом случае к барабану при­соединялись дополнительные наружные трубные поверхности нагрева – кипя­тильные пучки, заполненные водой и обогреваемые топочными газами (во­дотрубные котлы).

Рис. 18.2. Современный вертикально-водо­трубный барабанный паровой котел с естест­венной циркуляцией:

ПВ — подача питательной воды; НП — линия на­сыщенного пара; ПП — отвод перегретого пара; 7— подача топлива к горелке. В — подвод возду­ха к воздухоподогревателю; ГВ — горячий воздух; ПС — УГ —тракт продуктов сгорания топлива и уходящих (из котла) газов; Ш — шлак; 1 — эк­ранные трубы; 2 — барабан; 3 — пароперегрева­тель; 4 — водяной экономайзер; 5 — воздухоподо­греватель; 6 — коллекторы; 7 — горелка; 8 — топ­ка; 9 контур (стена) топки и газоходов; 10 — опускная труба; 11 — излучающий теплоту топоч­ный факел

Уменьшение диаметра труб этих по­верхностей и увеличение их количества вели к росту удельной поверхности на­грева (м2/м3 объема газохода). В котлах этого типа движение среды.через кипя­тильный пучок труб обеспечивалось за счет естественной циркуляции: парово­дяная смесь в трубах кипятильного (ис­парительного) пучка, которая, естествен­но, легче воды, поднималась вверх, вы­тесняемая водой, поступающей из бара­бана по опускным трубам. Чтобы предотвратить образование пароводяной смеси в опускных трубах и уменьшить их сопротивление, увеличивали их диаметр по сравнению с подъемными – кипя­тильными (рис. 16.1,6) и уменьшали обогрев, располагая их в зоне более ни­зких температур продуктов сгорания (рис. 16.1, в). В дальнейшем опускные трубы вынесли за изоляционную стенку (обмуровку) котла (рис. 16.2). Исполь­зование вертикальных трубок в качестве кипятильного пучка (см. рис. 16.1, в) по­высило надежность циркуляции пароводяной смеси в них. Котлы этого типа получили название вертикально–одотрубных. Впоследствии вертикаль­ные (подъемные) трубы испарительной поверхности нагрева стали располагать и на стенах топки. Так появились эк­ранные поверхности нагрева. (Название связано с тем, что они, выпол­няя свою основную функцию в качестве испарительной поверхности, еще и экра­нируют стены топки от излучения топоч­ного объема, препятствуя налипанию на них размягченного шлака и золы.) Вместо нижних барабанов в качестве коллекторов (рис. 16.2, 16.1,6), объединяющих трубы поверхностей на­грева и являющихся переходными эле­ментами между ними и опускными труба­ми, в котлах высокого давления исполь­зуются цилиндрические камеры (трубы) относительно небольшого диаметра. Ба­рабан постепенно перестал играть роль поверхности нагрева. Более того, стрем­ление повысить надежность работы кот­ла явилось причиной выноса барабана из зоны обогрева.

Целесообразность перегрева пара для энергетических установок потребовала размещения специальных поверхностей нагрева – пароперег­ревателей. Так, к середине XX века оформилась принципиальная схема кон­струкции барабанного вертикально–водо­трубного котла с многократной естественной циркуляцией, имеющего эк­ранированную топку (рис. 16.2).

Устройство современного парового котла. Одна из схем котла с естественной циркуляцией приведена на рис. 16.2. Ба­рабанный паровой котел состоит из то­почной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды, парово­дяной смеси, пара), воздухоподогревате­ля, соединительных трубопроводов и воз­духоводов.

Топливо подается к горелкам 7 (рис. 16.2). К горелкам подводится также воздух, предварительно нагретый уходящими из котла газами в воздухопо­догревателе 5. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную каме­ру (топку) 8 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500 °С) факел, излучающий теплоту на трубы /, расположенные на внутрен­ней поверхности стен топки. Это испари­тельные поверхности нагрева – экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С про­ходят через верхнюю часть заднего экра­на, трубы которого здесь разведены в два–три ряда, и омывают пароперегре­ватель 3. Затем продукты сгорания дви­жутся через водяной экономайзер, воз­духоподогреватель и покидают котел с температурой около 110–150°С.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогрева­ется в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходя­щих газов), экономя тем самым теплоту сожженого топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах. Испа­рительные поверхности подключены к ба­рабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют цирку­ляционный контур. В барабане происхо­дит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насы­щенный пар из барабана поступает в па­роперегреватель 3, перегретый пар на­правляется к потребителю.

Все поверхности нагрева котла, в том числе и воздухоподогреватель, как пра­вило, трубчатые. Лишь некоторые мощ­ные паровые котлы имеют воздухоподог­реватели иной конструкции.

Нижнюю трапециевидную часть топ­ки котельного агрегата называют холод­ной воронкой – в ней охлаждается вы­падающий из факела частично спекший­ся зольный остаток, который в виде шлака проваливается в специальное при­емное устройство. Газомазутные котлы не имеют холодной воронки.

Газоход, в котором расположены во­дяной экономайзер и воздухоподогрева­тель, называют конвективным (конвек­тивная шахта), в нем теплота передается воде и воздуху в основном конвекцией. Поверхности нагрева, встроенные в этот газоход и называемые также хвостовы­ми, позволяют снизить температуру про­дуктов сгорания от 500–700 °С после пароперегревателя почти до 100 °С, т. е. полнее использовать теплоту сжига­емого топлива.

Вся трубная система и барабан котла поддерживаются каркасом, состоящим из колонн и поперечных балок. Топка и газоходы защищены от наружных теплопотерь обмуровкой – слоем огнеупор­ных и изоляционных материалов. С на­ружной стороны обмуровки стенки котла имеют газоплотную обшивку стальным листом с целью предотвращения присосов в топку избыточного воздуха и вы­бивания наружу запыленных горячих продуктов сгорания, содержащих ток­сичные компоненты. Для повышения на­дежности работы котла в ряде случаев движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре (барабан – опускные трубы – нижний коллектор – подъемные трубы – барабан) осуще­ствляется принудительно (насосом). Это – котлы с многократной принудительной циркуляцией.

Одними из последних являются кон­струкции прямоточных котлов с принудительным – при помощи пита­тельного насоса – движением воды, па­роводяной смеси и перегретого пара. Для этих агрегатов необходимость в бараба­не отпадает, и он не устанавливается. По прямоточной схеме работают также практически все водогрейные котлы, не имеющие ни испарительных, ни перегре­вающих поверхностей. Основные схемы движения потока вода – пароводяная смесь – пар в современных котельных агрегатах показаны на рис. 16.3.

В газоходах и топке котла за счет тяги специально устанавливаемого ды­мососа поддерживается разрежение. Оно не позволяет продуктам сгорания выби­ваться в атмосферу котельного цеха че­рез возможные неплотности обмуровки, через лючки и лазы.

Паровые котлы оснащаются система­ми дистанционного управления и автома­тизации, обеспечивающими надежную, безопасную и экономичную их работу.

Рис. 16.3. Схемы движения воды, пароводя­ной смеси и пара в котельном агрегате: а — естественная циркуляция: б — многократно-принудительная циркуляция; в - прямоточное движение: 1 — подвод питательной воды; 2 — ба­рабан; 3 — необогреваемые опускные трубы; 4 — нижний коллектор; 5 — обогреваемые подъемные трубы, 6— отвод насыщенного пара; 7 — цирку­ляционный насос; 8 — испарительная поверхность; 9 — питательный насос: 10— экономайзерная часть поверхности нагрева; 11 — пароперегревательная часть поверхности нагрева; 12 — отвод перегретого пара

На предприятиях страны установле­ны изготовленные отечественными заво­дами паровые котлы различных кон­струкций. Размеры паровых котлов так­же различны. Некоторые в собранном виде можно перевозить автомобильным транспортом; в то же время крупнейшие котлы тепловых электрических станций имеют высоту до 100 м.

Наиболее крупными из выпускаемых в настоящее время котлов являются энергетические. Их паропроизводительность достигает 4000 т/ч, а мощность питающейся от них турбины может до­ходить до 1200 МВт, давление пара – до 25 МПа, температура перегретого па­ра – до 560 °С.

16.3 Паровые и водогрейные котлы

Паровые

Исторически развитие паровых котлов шло в направление повышения паропроизводительности, параметров производимого пара, надежности и безопасности в эксплуатации, увеличения КПД и снижения массы металлоконструкций, приходящейся на 1 т. вырабатываемого пара.

Исходным типом современных котлов был простой цилиндрический котел, выполненный в виде горизонтального барабана с топкой под ним. Стенки барабана были одновременно и поверхностью нагрева. В дальнейшем увеличение поверхности нагрева шло по двум направлениям. В одном случае непосредственно в водяном пространстве барабана размещались большие и малые трубы; при этом большие одновременно являлись топкой, а по малым пропускались продукты сгорания. В другом случае к барабану прикреплялись дополнительные наружные трубные поверхности нагрева - кипятильные пучки, заполненные водой и обогреваемые топочными газами.

Паровые котлы, применяемые в сельскохозяйственном производстве, подразделяют на котлы с избыточным давлением пара до -70 кПа (до 0,7 ати) и котлы с избыточным давлением пара выше -70 кПа (более 0,7 ати).

Котлы малой производительности с избыточным давлением пара до 70 кПа. К паровым котлам малой производительности с избыточным давлением пара до 70 кПа, применяемым в сельскохозяйственном производстве для выработки пара, используемого на технологические, хозяйственные и бытовые нужды, относятся отечественные котлы марок КТ-Ф-300, КТ-500, КТ-1000, КВ-300у, КЖ-Ф-500, КВ-300Л, Д-900, КУ-Ф-600, КГ-300, Д-721Г-Ф, КГ-1500.

Срок эксплуатации котлов малой производительности составляет 5 лет, котла-утилизатора КУ-Ф-600 — 7 лет. Паровой котел Д-900 горизонтальный, трехходовый по газу, жаротрубнодымогарного типа. Внутри барабана 8, размещены жаровая труба 3, газоходы первой 5 и второй 6 ступеней, дымовые камеры 4, 9 и 77. Вода насосом подается вначале в противонакипное магнитное устройство, а затем — в водяной экономайзер.

Образующиеся при сжигании топлива дымовые газы проходят предварительно жаровую трубу, дымовую камеру, дымовую камеру второго газохода, дымоход, пароперегреватель и водяной экономайзер. При этом теплота дымовых газов передается через поверхности нагрева воде и пару. Генерируемый в барабане котла пар проходит через сухопарник, освобождается в нем от водяных брызг и по паропроводу поступает в пароперегреватель, где в результате восприятия теплоты дымовых газов превращается из насыщенного пара в перегретый. Топливо к форсунке горелки подается шестеренным топливным насосом и распыляется механическим способом: при истечении топлива через узкое отверстие форсунки.

Котлы малой и средней производительности с давлением пара более 70кПа. Характерными представителями паровых котлов данной группы паропроизводительностью от 2,5 до 25 т/ч являются котлы следующих трех типов: котлы типа Е (КЕ) паропроизводительностью 2,5...25 т/ч со слоевыми топочными устройствами; газо-мазутные котлы типа Е (ДЕ) паропроизводительностью 1...25 т/ч; котлы типа ДКВр паропроизводительностью 2,5...20 т/ч с газо-мазутными топками. Котлы типа ДКВр (двухбарабанные, вертикально-водотрубные, реконструированные) производят насыщенный или перегретый пар номинальным давлением 1,3...3,9 МПа и с номинальной температурой до 442 °С. Котел ДКВр-14ГМ имеет паропроизводительность 4 т/ч и избыточное давление пара 34 МПа (14ати), укомплектован газо-мазутной горелкой. Верхний инижний барабаны котла расположены вдоль его продольной оси. Оба барабана соединены между собой вертикальными трубами и, по которым происходит естественная циркуляция воды и пара.

В передней части котла размещена топка; выходящие из нее топочные газы движутся горизонтально, отдавая теплоту трубам экранного 3и конвективного 6пучков. Чтобы увеличить продолжительность пребывания газов и предотвратить воздействие открытого пламени на трубы конвективного пучка 6, в топочной камере и газоходах котла установлены вертикальные несквозные перегородки 7 так, что газ движется зигзагообразно между ними.

В передней части котла вдоль стен топочной камеры установлены трубы экрана, а в задней трубы котельного пучка, заполняющие все пространство котла, от перегородки до задней стенки котла. У боковых стен котла в их нижней части расположены коллекторы (по одному у каждой стены). Трубы экрана своими верхними концами соединены с верхним барабаном а нижними — с коллектором. Питательная вода из системы водоподготовки поступает в верхний барабан. Котлы типа Е (КЕ), имеют сходную с котлами ДКВр конструкцию. Они также имеют верхний и нижний барабаны, два боковых экрана в топке и конвективный пучок, выполненные из труб диаметром 51x2,5 мм. Топочная камера образована боковыми экранами, фронтовой и задней стенками. Трубы конвективного пучка развальцованы в верхнем и нижнем барабанах. Установкой одной шамотной перегородки, отделяющей камеру догорания от пучка и одной чугунной перегородки, образующей два газохода, в пучке создается горизонтальный разворот газов при поперечном омывании труб. Экраны и крайние боковые ряды труб конвективного пучка объединены общими коллекторами по всей длине котла. Эти котлы работают на твердом топливе и при паропроизводительности 4; 6,5 и 10 т/ч имеют слоевую механическую топку для сжигания каменных и бурых углей с пневмомеханическим забрасывателем и решеткой обратного хода.

Паровые котлы жаротрубного типа (подобно котлу Д-900) выпускаются не только с давлением пара до 70 кПа, но и с большим давлением. К их числу относятся, в частности, следующие котлы зарубежного производства, реализуемые на отечественном рынке: двухходовые жаротрубные котлы «Гариони Навал» (Garioni Naval)

паропроизводительностью 300...5000 кг/ч и давлением 1,2 МПа; трехходовые котлы этой же фирмы производительностью 1... 1,2 и давлением 1,2 МПа;

четырехходовые жаротрубные котлы модели СВ фирмы «Кливер Брукс» (Cleaver Brooks) низкого — 0,1 МПа и высокого 1...2,4 МПа давления, производительностью 0,7...12 т/ч. Из числа зарубежных котлов двухбарабанного типа (подобно котлам ДКВр, Е (КЕ), Е (ДЕ)), поставляемых на отечественный рынок, можно назвать котлы вышеупомянутой фирмы «Кливер Брукс» модели FLX. Конструкционные особенности этих котлов следующие: котел имеет два горизонтальных барабана — верхний и нижний, соединенных системой выгнутых труб; (большая опускная труба расположена вне зоны горения; оребрение на трубах отсутствует; использована пятиходовая система движения дымовых газов; соединение труб конусное разборное; горелка расположена на передней двери и имеет принудительный наддув; Боковые стенки котла съемные. Потребляемое топливо — газ или соляровое масло. Паровые котлы модели FLX имеют тепловую мощность 350...2100 кВт, рабочее избыточное давление пара 0,081 МПа, КПД котла 90...92%.

Водогрейные

Водогрейные котлы применяют для нагрева воды, используемой в системах отопления, а также на производственные и бытовые нужды. Температура питательной воды в водогрейных котлах разной конструкции колеблется в пределах от 70 до 104 °С, а подогретой — от 95 до 170 °С.

Водогрейные котлы изготовляют в чугунном и стальном исполнении. Преимущество последних по сравнению с первыми состоит в том, что они более надежны в работе при перегревах, а недостаток заключается в подверженности коррозии.

Кроме того, различают водогрейные котлы, используемые в системах централизованного водоснабжения, и водогрейные котлы, применяемые как автономные источники питания. Представителями котлов первой группы являются стальные водогрейные котлы типов КВ-ТС, КВ-ГМ тепловой мощностью 2... 116,3 МВт. Котлы типа КВ-ГМ (котел водогрейный газо-мазутный) выпускают тепловой мощностью 4,6; 7,6; 11,6; 23,3; 34,9 МВт. Эти котлы имеют топочную камеру с горизонтальным потоком газов и поверхности нагрева с прямоточным и противоточным принудительным движением воды. При работе котлов на мазуте использована прямоточная схема, т. е. вода вначале подается в радиационные поверхности топочных экранов, а затем в конвективные поверхности нагрева. При работе котлов на газе используют противоточную схему, т. е. вода вначале подается в конвективные поверхности нагрева, а затем в радиационные поверхности топочных экранов.

Котлы КВ-ГМ-4 и КВ-ГМ-6,5 поставляются заводом-изготовителем единым транспортабельным блоком (без обмуровки). Они имеют одинаковую высоту 3,84 м (от пола до верхнего коллектора) и одинаковую ширину 2,04 м (между осями труб боковых экранов) и отличаются один от другого только глубиной топочной камеры и конвективной шахты.

Водогрейный котел КВ-ГМ-4-150 предназначен для покрытия основных нагрузок в системах централизованного теплоснабжения. Он представляет собой агрегат, подогревающий воду тепловых сетей от 70 до 150 С с постоянным расходом воды через котел. Котел оборудован одной ротационной газо-мазутной горелкой типа РГМГ, устанавливаемой на улиточном воздушном коробе. Топочная камера котла, как и конвективная шахта, полностью экранирована мембранными панелями, сваренными из труб диаметром 51x4 мм с шагом 80 мм и проставок шириной 30 мм и толщиной 4 мм. Мембранные панели обеспечивают газоплотность котла. Трубы заднего экрана топки в верхней части разведены в фестон с шагом 160 мм.

Конвективная поверхность нагрева котла состоит из двух пакетов. Каждый пакет набирается из П-образных ширм, выполненных из труб диаметром 28x3 мм. Ширмы пакетов установлены параллельно фронту котла и расположены таким образом, что их трубы образуют шахматный пучок. Число параллельных труб в каждой ширме.

Трубы экрана покрывают все шесть поверхностей топки: ее фронтальную и заднюю части, боковые поверхности, пол и потолок; своими концами они (так же, как и трубы потолочного и заднего экранов конвективной шахты) вварены в коллекторы. Для удаления наружных отложений с труб конвективной поверхности нагрева котел оборудован дробеочистительной установкой. Дробь транспортируется в верхний бункер с помощью воздуходувки.

Представителем стальных водогрейных котлов малой производительности является водогрейный котел марки КАСВ-1,8ЛЖ (котел автоматизированный стальной, водогрейный, тепловой мощностью 1,86 МВт, работающий на легком жидком топливе),. Котел характеризуют следующие технологические параметры: КПД > 90%, температура воды на входе 60 °С, температура воды на выходе до 115 °С, давление до 0,07 МПа.

Корпус котла представляет собой стальной горизонтальный цилиндр, внутри которого находятся топочная камера, выполненная в виде жаровой трубы, и конвективный газоход, состоящий из 152 дымогарных труб.

Образующиеся в результате сжигания топлива в горелке топочные газы из жаровой трубы направляются в поворотную камеру (пространство между передней трубной доской и внутренним эллиптическим днищем передней крышки)и далее в дымогарные трубы. Топочные газы отводятся из котла через штуцер в задней стенке котла. Нагреваемая вода находится в межтрубном пространстве котла, образованном корпусом, дымогарными трубами, передней и задней трубными досками.