Технологическая схема котельной установки

Лекция. Котельные установки. Водогрейные и паровые котлы, водонагреватели. Тепловой баланс и КПД котельных агрегатов.

Водогрейные котлы.

Водогрейный котёл предназначен для нагрева воды под давлением. «Под давлением» обозначает, что кипение воды в котле не допускается: её давление во всех точках выше давления насыщения при достигаемой там температуре (практически всегда оно выше и атмосферного давления).

Водогрейные котлы применяются в основном для теплоснабжения на районных котельных и ТЭЦ. В последнем случае они обычно используются как пиковое оборудование в дни максимальных тепловых нагрузок, а также для резервирования тепла от отборов турбины.

Рис. 1. Принципиальные схемы паровых котлов: а — цилиндрический; б — газотрубный; в — водотрубный с естественной циркуляцией; г — водотрубный с принудительной циркуляцией; д — прямоточный; 7 — барабан котла; 2 — топка; 3 — дымогарные трубы; 4 — нижний барабан (коллектор); 5 — испарительные трубы; 6 — опускная труба; 7 — насос; 8 — коллекторные трубы; 9— трубы нагрева воды (экономайзер); 10 — трубы перегрева пара (пароперегреватель)

Пиковый водогрейный котел устанавливается на ТЭЦ для дополнительного нагрева прямой сетевой воды сверх нагрева в сетевых подогревателях паровой турбины в холодное время года. Обычно этот нагрев осуществляется в пределах 100-150°С. Наиболее распространены в России, мощные пиковые водогрейные котлы марок ПТВМ и КВГМ различных модификаций.

По конструктивным особенностям паровые и водогрейные котлы делятся на:

- газотрубные,

- водотрубные.

Котёл газотрубный (жаротрубный, дымогарный и дымогарно-жаротрубный) — паровой или водогрейный котёл, у которого поверхность нагрева состоит из трубок небольшого диаметра, внутри которых движутся горячие продукты сгорания топлива. Теплообмен происходит посредством нагрева теплоносителя (воды), который находится снаружи трубок.

По конструкции является противоположностью водотрубному котлу.

Газотрубные котлы вытеснены водотрубными котлами.

Котёл водотрубный — паровой или водогрейный котел, у которого поверхность нагрева (экран) состоит из кипятильных трубок, внутри которых движется теплоноситель (вода). Теплообмен происходит посредством нагрева кипятильных трубок горячими продуктами сгорающего топлива. Различают прямоточные и барабанные водотрубные котлы.

Водотрубные паровые котлы по конструкции значительно сложнее газотрубных. Однако они быстро разогреваются, практически безопасны в отношении взрыва, легко регулируются в соответствии с изменениями нагрузки, просты в транспортировке и допускают значительную перегрузку.

Недостатком водотрубных котлов является то, что в их конструкции много агрегатов и узлов, соединения которых не должны допускать протечек при высоких давлениях и температурах. Кроме того, к агрегатам таких котлов, работающих под давлением, затруднен доступ при ремонте.

Для лучшего запоминания конструктивной разницы между газотрубным и водотрубным котлами, полезно знать, что самый известный газотрубный котел - самовар.

Все водогрейные котлы большой мощности — водотрубные, с наддувом воздуха вентиляторами. Пример: ПТВМ ТВГМ

Водогрейные котлы разделяются по температурному уровню теплоносителя (температура воды на выходе):

- низкотемпературные котлы (температура до 115 °С); Низкотемпературный режим работы является экономичным, но выставляет высокие требования к материалу, из которого изготовлен котел. При низких температурах в котле на его поверхностях кратковременно может образовываться конденсат, который может негативно воздействовать на поверхности, находящиеся в контакте с продуктами сгорания.

- котлы на перегретой воде (температура до 150 °С и выше). Отопительные котлы, производящие перегретую воду, характеризует высокая эксплуатационная надежность, долгий срок службы, работа с пониженным уровнем шума и низкими выбросами вредных веществ, простое и удобное управление, быстрый монтаж, удобное техническое обслуживание.

Большинство промышленных водогрейных котлов производят перегретую воду. В качестве исключения можно привести серию твердотопливных котлов где температура воды на выходе из котла равна 95 С.

Разделение котлов по типу применяемого топлива:

 - газовые котлы;

 - жидкотопливные (дизельные) котлы;

 - двухтопливные (газомазутные) котлы

 - котлы на твердом топливе, для промышленных котлов это, в основном, уголь.

Газовые котлы.

Наиболее экономичные котлы на настоящее время. Имеют малый выброс вредных веществ в атмосферу и наиболее полное сгорание топлива.

Промышленные газовые котлы получили в России особое распространение. Это связано с тем стоимость газа намного меньше любого другого источника топлива. Кроме того, в нашей стране подача газа является постоянной, а это позволяет обходиться без построения отдельных хранилищ. Промышленные котлы, работающие на газе просты в обслуживании и эксплуатации, а уровень КПД у них самый высокий. Полностью автоматизированные, безопасные (уровень безопасности промышленного газового котла является сто процентным).

Таким образом газовые котлы относятся к самым безопасным и надёжным. Котлы на других видах топлива обычно применяются, в случаях когда доставка газа затруднительа или его использование является слишком дорогим.

Жидкотопливные (дизельные) котлы.

Жидкотопливные котлы очень близки (по производительности) к газовым. Разница только в том, что жидкотопливный котел работает на солярке (которая бывает «летней» и «зимней»).

Дизельное топливо широко используются по всему миру в качестве либо основного, либо резервного. В Московском энергетическом комплексе дизельное топливо используется как резервное.

Двухтопливные (газомазутные) котлы, которые работают на твердом топливе, и со сменными горелками, могут работать на газе или на дизельном топливе.

Котлы на твердом топливе.

Промышленные котлы на твёрдом топливе в ряде случаев являются единственным видом отопительного оборудования, которое может быть применено на том или ином производстве. Особенно это касается отдалённых регионов, где газ или электроэнергия являются дорогостоящими.

Уголь является наиболее дешевым и легкодоступным топливом. Тем не менее, он никогда не был оптимальным топливом для тепловых и электростанций. Удельное содержание энергии на единицу веса (т. е. теплотворная способность) у угля ниже, чем у нефти или природного газа. Его труднее транспортировать, и, кроме того, сжигание угля вызывает целый ряд нежелательных экологических последствий, в частности выпадение кислотных дождей.

Поэтому во всем мире давно существует тенденция заменять уголь на природный газ.

Технологическая схема котельной установки

Независимо от вида используемого топлива принципиальная технологическая схема котельной включает в себя одни и те же основные элементы, необходимые для нормального функционирования. Заметные отличия если и имеются, то только в устройстве систем хранения и подачи топлива в топки котлов и конструкциях самих топок. По виду теплоносителя, отпускаемого котельной, различают паровые и водогрейные котельные. По типу основных потребителей различают отопительные, производственные и производственно-отопительные котельные. Россия расположена в поясе умеренного климата, и во всех ее регионах отопление необходимо в течение значительной части года. В связи с этим большинство предприятий, использующих раздельный способ производства тепловой и электрической энергии, располагают собственными производственноотопительными котельными.

Важнейшим элементом производственно-отопительной котельной является котельная установка — комплекс устройств и механизмов, предназначенных для получения водяного пара или приготовления горячей воды заданных параметров. Пар и горячую воду в котельных установках получают, используя теплоту, выделяющуюся при сжигании органического топлива в специальных теплообменных аппаратах, называемых соответственно паровыми и водогрейными котлами.

Специальное здание, в котором, как правило, размещается большинство элементов котельной установки и устройств, обеспечивающих ее работу, называется котельной. В этом здании также располагаются химическая лаборатория контроля качества воды и пара, механические мастерские для текущего ремонта, административные и бытовые помещения и т.п.

Принципиальная технологическая схема паровой котельной установки, работающей на твердом топливе, показана на рис. 2. Обязательными элементами такой установки являются:

· 1) котел (котлоагрегат);

· 2) система топливоприготовления и топливоподачи;

· 3) система зол о- и шлакоудаления;

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема паровой котельной установки

· 4) тягодутьевая система;

· 5) система водоподготовки и питания котла водой;

· 6) теплоподготовительные устройства.

Основным элементом котельной установки является котел, состящий из поверхностей нагрева 1.1, которые в современных котлах представляют собой трубы, омываемые с одной стороны газообразными продуктами сгорания топлива, а с другой стороны — водой, паром или пароводяной смесью. По назначению различают несколько типов поверхностей нагрева. В водяных экономайзерах 1.1.1 вода нагревается до температуры, близкой к температуре насыщения. В парогенерирующих трубах 1.1.2 происходит процесс парообразования. В пароперегревателях 1.1.3 происходит перегрев пара. В некоторых котлах вместо экономайзера или наряду с ним устанавливаются воздухоподогреватели 1.1.4. При сжигании влажного биотоплива настоятельно рекомендуется применение воздухоподогревателей для нагрева воздуха перед подачей его в топку.

Продукты сгорания топлива в котле отделены от окружающего пространства обмуровкой 1.2. Поверхности нагрева и обмуровка через каркас 1.3 опираются на фундамент 1.4. Часть котла, в которой организуется процесс сжигания топлива, называется топкой 1.5.

Запорные, регулирующие и предохранительные устройства (вентили, задвижки, краны, предохранительные клапаны) на паро- и водопроводах называются арматурой 1.6. Аналогичные элементы, установленные на газоходах (шиберы, заслонки) и на обмуровке (люки, дверцы, лазы, гляделки, взрывные клапаны), называются гарнитурой 1.7.

Обязательными элементами котла являются контрольно-измерительные приборы, устройства безопасности и система автоматического управления его работой 1.8.

Система топливоприготовления и топливоподачи для котельной, использующей твердое, в частности древесное, топливо, включает в себя топливный склад 2.1 для хранения его запаса. В непосредственной близости от котлов устраивается расходный бункер или расходный склад 2.2, обычно емкостью на один час работы котлов на полную мощность. Топливо из основного склада к расходному доставляется системой внутреннего транспорта топлива 2.3. При использовании древесного топлива в системе возможны различные устройства топливоприготовления 2.4 (короотжимные прессы, корорубки, сушилки для предварительной подсушки коры, руби- тельные машины для производства щепы, мельницы для размола пеллет и т.п.). Если котельная работает на жидком топливе (мазут), то на складе имеются емкости для хранения запасов топлива, устройства для разогрева мазута в холодное время года, система трубопроводов и насосов для его транспортировки.

Система золо- и шлакоудаления используется в котельных, работающих на твердом топливе, и предназначена для сбора и удаления золы и шлака за пределы котельной. Она включает в себя устройства для удаления золы и шлака из топки 3.1, которые могут быть в разной степени механизированы и автоматизированы. Для очистки дымовых газов от золы и частиц несгоревшего топлива служат устройства газоочистки 3.2 (циклоны, механические или электростатические фильтры).

Тягодутьевая система предназначена для подачи воздуха в топку, перемещения газообразных продуктов сгорания по газоходам котла и их удаления в атмосферу. Воздух, необходимый для поддержания горения топлива, подается в топку дутьевым вентилятором 4.1. Большая часть котлов работает с так называемой уравновешенной тягой. Это означает, что во всех газоходах котла поддерживается давление на несколько мм водяного столба ниже атмосферного, что предотвращает проникновение дымовых газов в помещение котельной через неплотности обмуровки и гарнитуры, хотя и приводит к присосам холодного воздуха. Такое разряжение создается дымососом 4.2, который нагнетает продукты сгорания в дымовую трубу

4.3. Для очень малых котлов дымовая труба без вентилятора и дымососа способна обеспечить достаточную тягу. Для более крупных установок участие дымовой трубы в создании тяги незначительно, ее основное назначение — обеспечить приемлемый уровень концентрации вредных выбросов (окислов азота и серы, золы и пр.) на уровне земли. Существуют правила выбора высоты труб в зависимости от вида топлива, мощности котельной и экологического статуса места ее расположения.

Система водоподготовки и питания котла водой включает устройства и аппараты, предназначенные для приготовления из природной воды питательной воды, пригодной для подачи ее в котел и получения пара. Из природной воды удаляются механические примеси, растворенные в ней соли и газы. Механические примеси из воды удаляются в осветлительных фильтрах 5.1. Ионы солей жесткости удаляются в умягчительных фильтрах 5.2 (катионитовых или ионообменных фильтрах). Удаление из воды растворенных в ней газов происходит в деаэраторах 5.3. В паровых котельных используются атмосферные деаэраторы, в водогрейных котельных — вакуумные. В котел питательная вода подается питательным насосом 5.4.

Общим термином теплоподготовительные устройства обозначают теплообменные аппараты, редукционно-охладительные установки (РОУ), редукционные клапаны, насосы и другое оборудование, предназначенное для обеспечения заданных параметров (давление, температура, расход) теплоносителей, отпускаемых внешним потребителям. Пароводяные и водо-водяные подогреватели предназначены для подогрева сетевой воды систем отопления и горячего водоснабжения, подпиточной воды, а также для производственнотехнологических нужд. РОУ предназначены для снижения давления и температуры перегретого пара до необходимых параметров. Если в качестве исходного теплоносителя используется не перегретый, а насыщенный пар, то вместо РОУ используются редукционные клапаны. Для подачи воды используются центробежные насосы. К теплоподготовительным устройствам также относятся трубопроводы и арматура различного назначения.

Водогрейная котельная по структуре во многом аналогична паровой котельной. Некоторые отличия имеются в системах питания котла водой, отпуска теплоты потребителям, контроля и безопасности работы.