Паровые и водогрейные котлы. Конвективные поверхности нагрева

 

 

Классификация котлов

 

Котельные агрегаты разделяются на паровые, предназначенные для производства водяного пара, и водогрейные, предназначенные для получения горячей воды.

По виду сжигаемого топлива и соответствующего топливного тракта различают котлы для газообразного, жидкого и твердого топлива.

По газовоздушному тракту различают котлы с естественной и уравновешенной тягой и с наддувом. В котле с естественной тягой сопротивление газового тракта преодолевается под действием разности плотностей атмосферного воздуха и газа в дымовой трубе. Если сопротивление газового тракта (так же, как и воздушного) преодолевается с помощью дутьевого вентилятора, то котел работает с наддувом. В котле с уравновешенной тягой давление в топке и начале газохода поддерживается близким к атмосферному совместной работой дутьевого вентилятора и дымососа. В настоящее время стремятся все выпускаемые котлы, в том числе и с уравновешенной тягой, изготовлять газоплотными.

По виду пароводяного тракта различают барабанные (рис. 3.1, а, б)и прямоточные (рис. 3.1, в) котлы. Во всех типах котлов через экономайзер 1 и пароперегреватель 6 вода и пар проходят однократно. В барабанных котлах многократно циркулирует пароводяная смесь в испарительных поверхностях нагрева 5 (от барабана 2 по водоопускным трубам 3 к коллектору 4 и барабану 2). Причем в котлах с принудительной циркуляцией (рис. 3.1, б) перед входом воды в испарительные поверхности 5 устанавливают дополнительный насос 8. В прямоточных котлах (рис. 3.1, в) рабочее тело по всем поверхностям нагрева проходит однократно под действием напора, развиваемого питательным насосом 7.

В котлах с рециркуляцией и комбинированной циркуляцией для увеличения скорости движения воды в некоторых поверхностях нагрева при пуске прямоточного котла или работе на пониженных нагрузках обеспечивают принудительную рециркуляцию воды специальным насосом 8 (рис. 3.1, г).

По фазовому состоянию выводимого из топки шлака различают котлы с твердым и жидким шлакоудалением. В котлах с твердым шлакоудалением (ТШУ) шлак из топки удаляется в твердом состоянии, а в котлах с жидким шлакоудалением (ЖШУ) – в расплавленном.

Рис. 3.1. Схемы пароводяного тракта котла: а – барабанного с естественной циркуляцией;
б – барабанного с принудительной циркуляцией; в – прямоточного; г – прямоточного
с принудительной циркуляцией: 1 – экономайзер; 2 – барабан котла; 3 – водоопускные трубы;
4 – коллектор экранных труб; 5 – испарительные поверхности нагрева; 6 – пароперегреватель;
7 – питательный насос; 8 – циркуляционный насос

 

Водогрейные котлы характеризуют по их теплопроизводительности, температуре и давлению подогретой воды, а также по роду металла, из которого он изготовлен.

Водогрейные котлы бывают стальные и чугунные.

Чугунные котлы изготавливают для отопления отдельных жилых и общественных зданий. Их теплопроизводительность не превышает 1 – 1,5 Гкал/ч, давление – 0,3 – 0,4 МПа, температура – 115 ^оС. Стальные водогрейные котлы большой теплопроизводительности устанавливают в крупных квартальных или районных котельных, которые могут обеспечить теплоснабжение крупных жилых районов.

Паровые котельные агрегаты выпускаются различными по типу, паропроизводительности и параметрам производимого пара.

По паропроизводительности различают котлы малой производительности – 15 – 20 т/ч, средней производительности – от 25 – 35 до 160 – 220 т/ч и большой производительности от 220 – 250 т/ч и выше.

Под номинальной паропроизводительностью понимают наибольшую нагрузку (в т/ч или кг/с) стационарного котла, с которой он может работать в течение длительной эксплуатации при сжигании основного вида топлива или при подводе номинального количества теплоты при номинальных значениях пара и питательной воды с учетом допускаемых отклонений.

Номинальные значения давления и температуры пара – это параметры, которые должны быть обеспечены непосредственно перед паропроводом к потребителю пара при номинальной паропроизводительности котла (а температура также при номинальном давлении и температуре питательной воды).

Номинальная температура питательной воды – это температура воды, которую необходимо обеспечить перед входом в экономайзер или другой подогреватель питательной воды котла (или при их отсутствии – перед входом в барабан) при номинальной паропроизводительности.

По давлению рабочего тела различают котлы низкого (менее 1 МПа), среднего
(1 – 10 МПа), высокого (10 – 25 МПа) и сверхкритического давления (более 25 МПа).

Котельные агрегаты вырабатывают насыщенный или перегретый пар с температурой до 570 °С.

По назначению паровые котлы можно разделить на промышленные, устанавливаемые в производственных, производственно-отопительных и отопительных котельных, и энергетические, устанавливаемые в котельных тепловых электрических станций.

По типу компоновки котлы можно разделить на вертикально-циллиндрические, горизонтальной компоновки (с развитой испарительной поверхностью нагрева) и вертикальной компоновки.

 

Барабанные паровые котлы

 

Барабанные котлы широко применяют на ТЭС и в котельных. Наличие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода в них, как правило, после экономайзера 1 (см. рис. 3.1, а) подается в барабан 2, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан и экраны). Смесь котловой и питательной воды по опускным необогреваемым трубам 3 из барабана поступает в нижние распределительные коллектора 4, а затем в экраны 5 (испарительные поверхности). В экранах вода получает теплоту Q от продуктов сгорания топлива и закипает. Образующаяся пароводяная смесь поднимается в барабан. Здесь происходит разделение пара и воды. Пар по трубам, соединенным с верхней частью барабана, направляется в перегреватель 6, а вода снова в опускные трубы 3.

В экранах за один проход испаряется лишь часть (от 4 до 25 %) поступающей в них воды. Тем самым обеспечивается достаточно надежное охлаждение труб. Предотвратить накопление солей, осаждающихся при испарении воды на внутренней поверхности труб, удается благодаря непрерывному удалению части котловой воды из котла. Поэтому для питания котла допускается использование воды с относительно большим содержанием растворенных в ней солей.

Замкнутую систему, состоящую из барабана, опускных труб, коллектора и испарительных поверхностей, по которой многократно движется рабочее тело, принято называть контуром циркуляции, а движение воды в нем – циркуляцией. Движение рабочей среды, обусловленное только различием веса столбов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называют естественной циркуляцией, а паровой котел – барабанным с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция возможна лишь в котлах с давлением, не превышающим 18,5 МПа. При большем давлении из-за малой разности плотностей пароводяной смеси и воды устойчивое движение рабочей среды в циркуляционном контуре обеспечить трудно. Если движение среды в циркуляционном контуре создается насосом 8 (см. рис. 3.1, б), то циркуляция называется принудительной, а паровой котел – барабанным с принудительной циркуляцией. Принудительная циркуляция позволяет выполнять экраны из труб меньшего диаметра как с подъемным, так и опускным движением среды в них. К недостаткам такой циркуляции следует отнести необходимость установки специальных насосов (циркуляционных), которые имеют сложную конструкцию, и дополнительный расход энергии на их работу.

Простейший барабанный котел, используемый для получения водяного пара, состоит из горизонтального цилиндрического барабана 1 с эллиптическими днищами, на 3/4 объема заполненного водой, и топки 2под ним (рис. 3.2, а). Стенки барабана, обогреваемые снаружи продуктами горения топлива, играют роль теплообменной поверхности.

С ростом паропроизводительности резко возросли размеры и масса котла. Развитие котлов, направленное на увеличение поверхности нагрева при сохранении водяного объема, шло по двум направлениям. Согласно первому направлению увеличение теплообменной поверхности достигалось благодаря размещению в водном объеме барабана труб, обогреваемых изнутри продуктами сгорания. Так, появились жаротрубные (рис. 3.2, б), затем дымогарные и, наконец, комбинированные газотрубные котлы. В жаротрубных котлах в водном объеме барабана 1 параллельно его оси размещены одна или несколько жаровых труб 3 большого диаметра (500 – 800 мм), в дымогарных – целый пучок труб 3 малого диаметра. В комбинированных газотрубных котлах (рис. 3.2, в) в начальной части жаровых труб расположена топка 2, а конвективная поверхность выполнена из дымогарных труб 3. Производительность этих котлов была невелика, ввиду ограниченных возможностей размещения жаровых и дымогарных труб в водяном объеме барабана 1.Их использовали в судовых установках, локомобилях и паровозах, а также для получения пара на собственные нужды предприятия.

 

Рис. 3.2. Схемы котлов: а – простейшего барабанного; б – жаротрубного; в – комбинированного газотрубного; г – водотрубного; д – вертикально-водотрубного; е – барабанного современной конструкции

Второе направление в развитии котлов связано с заменой одного барабана несколькими, меньшего диаметра, заполненными водой и пароводяной смесью. Увеличение числа барабанов привело сначала к созданию батарейных котлов, а замена части барабанов трубами меньшего диаметра, расположенными в потоке дымовых газов, – к водотрубным котлам. Благодаря большим возможностям увеличения паропроизводительности это направление получило широкое развитие в энергетике. Первые водотрубные котлы имели наклоненные к горизонтали (под углом 10 – 15°) пучки труб 3, которые с помощью камер 4 присоединялись к одному или нескольким горизонтальным барабанам 1 (рис. 3.2, г). Котлы такой конструкции получили название горизонтально-водотрубных. Среди них особо следует выделить котлы русского конструктора В. Г. Шухова. Прогрессивная идея, связанная с разделением общих камер, барабанов и трубных пучков на однотипные группы (секции) одинаковой длины и тем же числом труб, заложенная в конструкцию, позволила осуществлять сборку котлов разной паропроизводительности из стандартных деталей.
Но такие котлы не могли работать при переменных нагрузках.

Создание вертикально-водотрубных котлов – следующий этап развития котлов. Пучки труб 3, соединяющие верхние и нижние горизонтальные барабаны 1,стали располагать вертикально или под большим углом к горизонту (рис. 3.2, д). Повысилась надежность циркуляции рабочей среды, обеспечился доступ к концам труб и тем самым упростились процессы вальцовки и очистки труб. Совершенствование конструкции этих котлов, направленное на повышение надежности и эффективности их работы, привело к появлению современной конструкции котла (рис. 3.2, е):однобарабанного с нижним коллектором 5 небольшого диаметра; опускными трубами 6 и барабаном 1, вынесенными из зоны обогрева за обмуровку котла; полным экранированием топки; конвективными пучками труб с поперечным омыванием продуктами сгорания; предварительным подогревом воздуха 9, воды 8 и перегревом пара 7.

Конструктивная схема современного барабанного котла определяется его мощностью и параметрами пара, видом сжигаемого топлива и характеристиками газовоздушного тракта. Так, с ростом давления меняется соотношение между площадями нагревательных, испарительных и перегревательных поверхностей. Увеличение давления рабочего тела от
р = 4 МПа до р = 17 МПа приводит к уменьшению доли теплоты q, затраченной на испарение воды с 64 до 38,5 %. Доля теплоты, расходуемой на подогрев воды, увеличивается при этом с 16,5 до 26,5 %, а на перегрев пара – с 19,5 до 35 %. Поэтому с повышением давления растут площади нагревательной и перегревательной поверхностей, а площадь испарительной поверхности уменьшается.

В отечественных промышленных и промышленно-отопительных котельных широко распространены котельные агрегаты типа ДКВР (двухбарабанный котел, водотрубный, реконструированный) с номинальной паропроизводительностью 2,5; 4; 6,5; 10 и 20 т/ч, изготовляемые Бийским котельным заводом.

Котлы типа ДКВР (рис. 3.3 и 3.4) изготовляют в основном на рабочее давление пара
14 кгс/см² для производства насыщенного пара и с пароперегревателем для производства перегретого пара с температурой 250 °С. Кроме того, котлы паропроизводительностью 6,5 и 10 т/ч изготовляют на давление 24 кгс/см² для производства пара, перегретого до 370 °С, а котлы паропроизводительностью 10 т/ч также на давление 40 кгс/см² для производства пара, перегретого до 440 °С.

Котлы типа ДКВР выпускают в двух модификациях по длине верхнего барабана.
У котлов паропроизводительностью 2,5; 4,0 и 6,5 т/ч, а также у более ранней модификации котла паропроизводительностью 10 т/ч верхний барабан выполнен значительно более длинным, чем нижний. Барабаны соединены системой гнутых цельнотянутых стальных кипятильных труб наружным диаметром 51×2,5 мм, образующих развитую конвективную поверхность нагрева. Трубы расположены в коридорном порядке и своими концами завальцованы в барабаны. В продольном направлении трубы расположены на расстоянии между осями (шаг) 110, а в поперечном 100 мм.

 

Пароперегреватель в котлах типа ДКВР выполняют вертикальным змеевиковым из стальных цельнотянутых труб наружным диаметром 32 мм. Его размещают в начале котельного пучка, отделяя от камеры догорания двумя рядами кипятильных труб. Для того чтобы можно было разместить пароперегреватель, часть кипятильных труб не устанавливают. Трубный пучок и экраны в сборе с барабанами, коллекторами и опорной рамой этих котлов вписываются в железнодорожный габарит; это позволяет собирать металлическую часть котла на заводе и доставлять ее на монтажную площадку в собранном виде, что упрощает монтаж.

При установке котлов типа ДКВР с низкотемпературными поверхностями нагрева целесообразно предусматривать только водяной экономайзер либо только воздухоподогреватель, чтобы не усложнять компоновку и эксплуатацию котельного агрегата. Такое решение целесообразно еще и потому, что температура дымовых газов за котлами с развитыми поверхностями нагрева относительно низка и составляет приблизительно 250 – 300 °С, вследствие чего количество теплоты, уносимой дымовыми газами, относительно невелико. Более целесообразно устанавливать водяные экономайзеры, тогда агрегат получается компактным и простым в эксплуатации. При этом предпочтительнее выбирать чугунные ребристые экономайзеры, так как их изготовляют из недефицитного материала и они меньше страдают от коррозии.

Котлы типа ДКВР довольно чувствительны к качеству питательной воды, поэтому вода, используемая для их питания, должна подвергаться умягчению и деаэрации. Работа котельных установок с котлами типа ДКВР легко поддается автоматизации, особенно при сжигании жидкого и газообразного топлив.

Парогенераторы серии ДКВР хорошо компонуются со слоевыми топочными устройствами и первоначально были разработаны для сжигания твердого топлива. Позднее ряд парогенераторов перевели на сжигание жидкого и газообразного топлива. При работе на жидком и газообразном топливе производительность парогенераторов может быть выше номинальной на 30 – 50 % При этом нижняя часть верхнего барабана, расположенная над топочной камерой, должна быть защищена огнеупорным кирпичом или торкретом.

В ЦКТИ была обследована работа большого числа промышленных котельных, в которых эксплуатировались парогенераторы серии ДКВР. В результате обследования было установлено, что 85 % парогенераторов используют газ и мазут. Кроме того, были выявлены недостатки в работе парогенераторов: большие присосы воздуха в конвективную часть поверхности нагрева и водяной экономайзер, недостаточная степень заводской готовности, более низкие эксплуатационные КПД по сравнению с расчетными.

При разработке новой конструкции газомазутных парогенераторов серии ДЕ (рис. 3.5) особое внимание было обращено на увеличение степени заводской готовности парогенераторов в условиях крупносерийного производства, снижение металлоемкости конструкции, приближение эксплуатационных показателей к расчетным.

Во всех типоразмерах серии от 4 до 25 т/ч диаметр верхнего и нижнего барабанов парогенераторов принят равным 1000 мм. Толщина стенок обоих барабанов при давлении 1,37 МПа равна 13 мм. Длина цилиндрической части барабанов в зависимости от производительности изменяется от 2240 мм (парогенератор производительностью 4 т/ч) до 7500 мм (парогенератор производительностью 25 т/ч). В каждом барабане в переднем и заднем днище установлены лазовые затворы, что обеспечивает доступ в барабаны при ремонте.

Топочная камера от конвективной поверхности нагрева отделена газоплотной перегородкой.

Во всех парогенераторах серии предусмотрено двухступенчатое испарение. Во вторую ступень испарения выделена часть труб конвективного пучка. Общим опускным звеном всех контуров первой ступени испарения являются последние (по ходу продуктов сгорания) трубы конвективного пучка. Опускные трубы второй ступени испарения вынесены за пределы газохода.

Парогенератор производительностью 25 т/ч имеет пароперегреватель, обеспечивающий небольшой перегрев пара, до 225 °С.

Котельный агрегат типа ГМ-10 предназначается для производства перегретого пара с давлениями 1,4 и 4 МПа и температурами соответственно 250 и 440 °С. Котел предназначается для работы на природном газе и мазуте и отличается тем, что работает с наддувом, т. е. при избыточном давлении в топке. Это позволяет работать без дымососа.

Во избежание выбивания дымовых газов в окружающую среду котел выполнен с двойной стальной обшивкой. Через пространство, образуемое листами обшивки, проходит воздух, подаваемый дутьевым вентилятором, в результате чего через случайные неплотности в окружающую среду может выбиваться только холодный воздух.

По своей компоновке котел двухбарабанный асимметричный: кипятильный пучок и пароперегреватель размещены рядом с топкой. Топливо и воздух поступают в топку через комбинированные горелки, конструкция которых обеспечивает быстрый переход от сжигания одного вида топлива к сжиганию другого.