Назначение и описание объекта регулирования

Котельная установка паротурбинного судна состоит из одного или нескольких паровых котлов, вспомогательных механизмов, трубопроводов, теплообменных аппаратов и воздуховодов. Назначение котельной установки — производство пара в необходимом количестве с заданными параметрами при возможно меньших удельных расходах топлива. При этом должна быть обеспечена высокая надежность.

Заданные значения параметров (давление Pр и температура перегрева ) определяют располагаемую потенциальную энергию пара, поэтому от точности поддержания их зависит экономичность работы потребителей пара.

Экономичность сжигания топлива в топках котлов зависит главным образом от точности поддержания оптимального соотношения расходов топлива и воздуха, которое характеризуется коэффициентом избытка воздуха .

Надежная работа котельной установки может быть обеспечена при обязательном условии удержания уровня воды Н в пароводяных барабанах котлов в определенных заданных пределах, подаче топлива и воздуха в топки в соответствии с количеством и параметрами вырабатываемого пара.

Автоматика современной судовой котельной установки обычно состоит из систем автоматического регулирования топливосжигания, питания котлов водой, температуры перегретого пара, аварийной защиты и предупредительной сигнализации по срыву факела в топке, прекращению подачи воздуха в топку, повышению давления пара, отклонению уровня воды за заданные пределы.

Судовым котлом называют устанавливаемый на судне теплообменный аппарат, в котором энергия органического топлива преобразуется в энергию пара или воды, используемую для нужд судна. В соответствии с принятой классификацией судовые котлы различают по ряду признаков.

По назначению котлы делят на главные и вспомогательные. Главным называют судовой котел, производящий, пар для главных двигателей, вспомогательного оборудования котла, технологических общесудовых и хозяйственно-бытовых потребителей. Вспомогательный котел предназначен для обеспечения паром или горячей водой вспомогательного оборудования, технологических, обще судовых и хозяйственно-бытовых потребителей.

Требования, предъявляемые к вспомогательным паровым котлам, следующие: минимальные масса и габариты, автоматизация управления и защиты, простота и надежность в эксплуатации, высокая экономичность, хорошая маневренность, т. е. возможность быстрого перехода с одного режима работы на другой. Последние два требования в большей степени относятся к ГПК, а также к ВПК, обеспечивающим работу турбогенераторов, турбоприводов и другого оборудования с высокими маневренными характеристиками.

Все паровые котлы (ПК) разделяются на две основные группы:

водотрубные и газотрубные. В водотрубных ПК газы омывают трубы снаружи, а вода и пар движутся внутри труб, в газотрубных ПК наоборот — газы движутся внутри труб, а вода и пар омывают их снаружи.

В зависимости от организации движения воды и пароводяной смеси паровые котлы могут быть с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. В ПК с принудительной циркуляцией специальный насос создает необходимый напор для преодоления сопротивления движению воды и пароводяной смеси. Все газотрубные ПК относятся к паровым котлам с естественной циркуляцией. Они имеют вертикальное или горизонтальное расположение труб.

Паровые котлы, у которых часть парообразующей поверхности работает как водотрубная, а другая — как газотрубная, называются газоводотрубными.

Основные характеристики ВПК следующие; паропроизводительность D — количество производимого пара в единицу времени, кг/с; рабочее давление пара р — избыточное давление в пароводяном коллекторе (сепараторе), МПа; температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя tп.п.°С; температура питательной воды на входе в экономайзер или в пароводяной коллектор (сепаратор) при отсутствии экономайзера tп.в. °С;

расход топлива В, кг/с; коэффициент полезного действия (КПД) этта, представляющий собой отношение полезно используемой теплоты к теплоте, которая выделяется при полном сжигании топлива, израсходованного за тот же промежуток времени, в долях единицы или в процентах; масса ПК без воды (сухая масса) Gд и с водой Gд+Gв, кг.

Водотрубные вертикальные вспомогательные паровые котлы с естественной циркуляцией являются самыми распространенными, особенно на морских судах. Некоторые из них выполняются с развитыми поверхностями нагрева, т. е. кроме парообразующих имеются и иные поверхности нагрева, другие ПК имеют только парообразующую поверхность нагрева.

Изображенный на рис. 1. водотрубный вертикальный паровой котел состоит из пароводяного коллектора 5, верхняя часть которого заполнена паром (эта часть называется паровым пространством). Нижняя часть пароводяного коллектора 5 вместе с водяным коллектором 10 и соединяющими их трубами 7, 8, 11 заполнена водой — эта часть называется водяным пространством,

Поверхность раздела парового и водяного пространств называется зеркалом испарения, уровень которого обозначается на всех схемах знаком у. Трубы 8 обычно располагаются вплотную друг к другу и образуют сплошной боковой экранный ряд (или просто экран); относительный шаг (отношение расстояния между осями двух соседних груб в ряду, называемые шагом S1, к диаметру трубы d) для такого ряда равен единице. Перед вводом в коллектор трубы 8 разводятся и образуют два ряда с относительным шагом S1/d=2. Трубы 11 составляют многорядный притопочный парообразующий пучок. Величина шага S1 в пучке является очень важным параметром, от которого зависит скорость газов, что в конечном итоге определяет тепловую напряженность в ПК.

Необогреваемые трубы 7, расположенные за сплошным экранным рядом труб 8, называются опускными. По ним парогенераторная вода из пароводяного коллектора 5 опускается вниз в коллектор 10 и далее поступает в трубы 8 и 11, Эти трубы обогреваются. и на внутренних стенках труб образуются пузырьки пара, которые вместе с водой поднимаются вверх; поэтому трубы 8 и 11 называются подъемными. Суммарная наружная поверхность всех подъемных труб составляет парообразующую поверхность нагрева ВПК.

При выходе из подъемных труб паровые пузыри проходят через слой воды и зеркало испарения в коллекторе 5 и попадают в его паровое пространство. Неиспарившаяся котловая вода смешивается в коллекторе 5 с непрерывно поступающей питательной водой (ПВ) и снова участвует в естественной циркуляции по описанной схеме.

Пространство, ограниченное передней 17 и задней 15 стенками, экранными трубами 8 и поверхностью, проходящей через оси труб первого ряда пригоночного пучка, называется топкой. Длина топки определяется размером Lт. Такую же длину имеют все остальные газоходы ВПК, где располагаются конвективные поверхности нагрева,

Топочное устройство 9, расположенное на передней стенке, состоит из форсунки 19, куда поступает топливо (Т), и воздудонаправляющего аппарата 18, через который в топку проходи необходимый для сгорания топлива воздух. В топке сгорает топливо и образуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые, двигаясь по газоходам ВПК, последовательно обогревают все поверхности нагрева и на выходе из котла имеют температуру tух.

За притопочным парообразующим пучком располагается пароперегреватель. Насыщенный пар (НП) из пароводяного коллектора 5 поступает во входной коллектор пароперегревателя и, проходя по трубам 12, перегревается. Из выходного коллектора перегретый пар (ПП) направляется к потребителям.

Рис. 1.1.1 Водотрубный вертикальный ВПК с естественной циркуляцией

За пароперегревателем располагаются так называемые хвостовые поверхности нагрева: экономайзер и воздухоподогреватель. Питательная вода в количестве, равном суммарному количеству отбираемого потребителями пара, питательным насосом подается во входной коллектор экономайзера, Из него вода поступает в параллельно включенные трубы 13, где подогревается, но не доводится до кипения. Из выходного коллектора экономайзера вода через питательный клапан 16 направляется в пароводяной коллектор.

Последним по ходу газов является воздухоподогреватель, который состоит из труб 14, закрепленных в нижней и верхней трубных досках 1. Газы проходят внутри труб. Снаружи трубы омываются воздухом (В), подаваемым вентилятором. Нагретый воздух поступает к топочному устройству.

Все стенки ВПК представляют собой прочный металлический каркас, к которому крепятся коллекторы, листы обшивки, покрытые теплоизоляционными материалами (на схемах заштрихованы). Обычно делают двойные стенки. Пространство между ними заполнено воздухом, подаваемым в воздухонаправляющий аппарат и далее в топку.

Передняя и задняя стенки топки и газоходов в районе парообразующего пучка и пароперегревателя с внутренней стороны выкладываются огнеупорным кирпичом. Такая кладка называется футеровкой.

Уровень воды и давление пара в пароводяном коллекторе контролируют с помощью водоуказательного прибора 6 и манометра 3. Для защиты ВПК от повышения давления выше допустимого служит предохранительный клапан 4.

Воздушный тракт котла состоит из комплекса оборудования и устройств для приема атмосферного воздуха, его подогрева. транспортировки и подачи в топку. Газовый тракт начинается в топке, проходит через парообразующие ПН, ПП, ЭК, ВП и заканчивается дымовой трубой. Воздушный и газовый тракты соединены между собой последовательно и образуют газо-воздушный тракт.

На ВПК устанавливают различную запорную арматуру: клапаны 2 для отключения пароперегревателя и разобщения ПК с потребителями, клапаны для продувки и др.

Развитие хвостовых поверхностей нагрева связано с усложнением конструкции, увеличением габаритов, массы и стоимости ВПК, а также с увеличением аэродинамического сопротивления движению воздуха и газов и расходов энергии на его преодоление. Поэтому ВПК, предназначенные для теплоснабжения судна, обогрева жидкого груза и работы паровых насосов, выполняют без хвостовых поверхностей и пароперегревателя; они имеют только парообразующую поверхность. Главное преимущество их заключается в простоте конструкции, компактности и более высокой надежности в работе (повышенный расход топлива, который имеет место при более низких значениях КПД, не имеет существенного значения в тепловом балансе всей энергетической установки).