Вспомогательные системы паровых котлов

 

Системы продувания, отбора проб и дозерная установка предназначены для поддержания качества котловой воды в соответствии с применяемым водным режимом работы котла. Система продувания также служит для спуска воды или полного осушения котла и пароперегревателя.

 

Система продувания (рис. 37) состоит из клапанов верхнего (на паровом коллекторе) и нижнего (на водяном коллекторе) продувания, клапанов осушения (продувания) пароперегревателя, установленных на нижнем коллекторе пароперегревателя, инжектора системы осушения котла, клапанов продувания в трюм и за борт.

Продувание котла (вернее и нижнее) производится периодически в соответствии с заданным режимом работы для поддержания необходимой концентрации солей в котловой воде. Клапан продувания пароперегревателя предназначен для спуска воды из пароперегревателя после мокрого хранения котла и для обеспечения организации движения пара в пароперегревателе при вводе в действие котла с момента зажигания первой форсунки и до начала отбора пара. Для ускорения осушения пароперегревателя (уменьшения времени ввода котла в действие) часто используют специальные инжекторы. При давлении пара в котле до 0,2 МПа продувание котла осуществляется в трюм, при давлении более 0,2 МПа продувание котла переводится за борт.

Рис. 37. Системы нижнего и верхнего продувания котла, продувания пароперегревателя,          отбора проб и дозерная установка.

 

Пробы котловой воды берутся из парового коллектора котла через клапан и охладитель системы отбора проб (рис. 37). Периодичность отбора проб и показатели качества котловой воды указываются в инструкции по эксплуатации котлоагрегата.

 

Дозерная установка (рис. 37) состоит из баков для приготовления химических растворов, соответствующих водному режиму работы котла, насоса дозерной установки и клапана ввода присадок в паровой коллектор. Концентрация растворов, количество вводимых присадок и периодичность их ввода в котел зависят от результатов анализа проб котловой воды и производятся в соответствии с заданным водным режимом работы котла.

 

Система мокрого хранения котла (рис. 38) предназначена для заполнения котла обескислороженной и обессоленной водой и состоит из насоса котловой воды, обескислораживающего и обессоливающего фильтров, бака мокрого хранения (расширительной емкости) и клапанов выпуска воздуха. При мокром хранении весь пароводяной тракт котла полностью заполняется водой, пропущенной через ионообменные фильтры. При этом предотвращается возникновение и развитие коррозии в поверхностях нагрева и коллекторах парового котла.

 

 

Рис. 38. Системы выпуска воздуха и мокрого хранения котла.    – обессоливающий ионообменный фильтр;    – обескислораживающий ионообменный фильтр

Система наружной химической чистки котла (рис. 39) предназначена для размягчения и разрыхления сажистых отложений на поверхностях нагрева путем ввода в топку растворов углекислого аммония и углекислого натрия. Система состоит из бака для приготовления раствора, ротаметра для замера расхода моющего средства, и эжекторов подачи раствора в топочное пространство и удаления отходов. Монтаж системы производится только на период проведения чистки котла. Приготовленный и подогретый раствор распыливается с помощью пара в топочном пространстве котла специальным эжекторным устройством, устанавливаемым вместо одной из форсунок, после чего производится отмывка поверхностей нагрева водой и при необходимости – механическая чистка. Удаление смытых загрязнений производится в специальную емкость или базовое средство эжектором системы химической чистки котла.

Рис. 39. Системы наружной и внутренней химической чистки котла.    – бак системы внутренней химической чистки котла; – бак системы наружной химической чистки котла; – ротаметр; – подача пара на эжекторы системы наружной химической чистки; – эжекторы;

Система внутренней химической чистки котла (рис. 39) предназначена для размягчения и удаления накипи с внутренних поверхностей трубной системы котла. Чистка производится 10 % раствором сульфаминовой кислоты, прокачиваемым насосом внутренней химической чистки через парообразующий контур, или дополнительно через пароперегреватель и экономайзер. Периодически при промывке производится отбор проб раствора, по результатам которых делается заключение о чистоте контура.

 

Система сажеобдувки предназначена для периодической обдувки паром высокого давления и очистки от сажистых отложений поверхностей нагрева при работе котла. Сажеобдувочные устройства представляют собой поворотные трубы, расположенные в газоходах котла возле поверхностей нагрева, с установленными на них соплами (рис. 40). На современных судовых котлах устанавливается от 10 до 20 сажеобдувочных устройств.

 

Обдувка радиационных поверхностей нагрева производится крупносопловыми (одно-два сопла), а конвективных поверхностей нагрева – многосопловыми сажеобдувочными устройствами. Современные сажеобдувочные устройства производительностью 30 ÷ 40 т/ч производят обдувку поверхностей нагрева от сажи в течение 5 ÷ 10 минут, расходуя при этом 1 ÷ 1,5 тонны перегретого пара.

 

В высоконапорных котлах сажеобдувочные устройства не устанавливаются. Очистка поверхностей нагрева от сажистых отложений в ВНК производится в режиме самообдува за счет высоких скоростей движения газов в газоходе котла на режимах оборотов ТНА, близких к максимальным. При этом значительная часть отложений уносится с потоком газа в газоход котла за газовой турбиной.

Рис. 40. Система сажеобдувки котла          с вентиляторным дутьем.

Расчеты паровых котлов

 

При проектировании паровых котлов с целью достижения заданных параметров и характеристик работы котла и обеспечения надежности его работы на всех возможных режимах производятся различные виды расчетов: тепловые, аэродинамические, гидравлические и прочностные. Целью расчетов является создание наивыгоднейшей конструкции котла при заданных типе судна, параметрах работы энергетической установки, марки используемого топлива.

 

Тепловой расчет котла является основным видом расчета и обычно состоит из двух частей: расчета теплообмена в топке котла (лучистого теплообмена), и расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева (конвективного теплообмена).

 

Основными задачами расчета теплообмена при проектировании паровых котлов являются:

- определение количества тепла, переданного от теплоносителя (горячих газов) нагреваемой среде в топке котла и в каждой конкретной поверхности нагрева;

- определение температуры газов на выходе из топки и из каждой конкретной поверхности нагрева.

Исходными данными для теплового расчета котлов являются:

- полная заданная паропроизводительность котла –, [ кг/с ]; (в том числе паропроизводительность по насыщенному (или охлажденному) пару, [ кг/с ]);

- заданные параметры перегретого пара за главным стопорным клапаном – [ ^o C ]; [ МПа ];

- заданное рабочее давление пара в котле –, [ МПа ];

- заданная температура насыщенного (или охлажденного) пара – (), [ ^o C ];

- заданная температура питательной воды –, [ ^o C ];

- заданная температура подаваемого в топку воздуха –, [ ^o C ];

- марка и теплота сгорания топлива –, [ МДж/кг ].

 

Для утилизационных котлов, работающих от теплоты выхлопных газов других типов двигателей, дополнительно задаются следующими значениями:

- температурой выхлопных газов ДВС (ГТД) перед котлом –, [ ^o C ];

- средним коэффициентом избытка воздуха для данного двигателя –;

- мощностью двигателя –, [ кВт ];

- удельным расходом топлива в двигателе – [ кг/кВт ×ч ];

- маркой топлива для данного типа двигателя –, [ МДж/кг ].

Целью расчета теплообмена в топке котла является определение количества теплоты, переданной излучением факела радиационным поверхностям нагрева котла и определение температуры газов на выходе из топки при известной площади лучевоспринимающей поверхности. Иногда может стоять обратная задача: определение площади лучевоспринимающей поверхности, достаточной для восприятия заданного количества теплоты. Искомой величиной при расчете теплообмена в топке является температура газов на выходе из топки.

Расчет теплообмена в топке очень сложен. Излучение горящего факела и физическая структура пламени настолько сложны и многообразны, что учесть все факторы, влияющие на распределение тепла факела в топке, и создать точную математическую модель для этих явлений практически невозможно. В настоящее время используются несколько приближенных методов расчета теплообмена в топке, основным из которых является метод ЦКТИ. Температура газов на выходе из топки, определенная в результате теплового расчета топки, является исходными данными для расчета конвективного теплообмена.

 

Целью расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева является:

- определение количества теплоты, переданной от теплоносителя нагреваемой среде, и температуры продуктов сгорания за каждой конкретной конвективной поверхностью нагрева;

- определение наивыгоднейшей компоновки и размеров поверхностей нагрева.

 

Основными уравнениями, решаемыми при расчетах теплообмена в конвективных пучках труб, являются:

 

уравнение теплопередачи:         ,   [ кДж/ч ];

уравнение теплового баланса:       ,   [ кДж/ч ].

 

где:

– количество теплоты, переданной через поверхность нагрева,

[ кДж/с ];

  – коэффициент теплопередачи, [ кДж/м² ×с ×^оС ];

– средний температурный напор (разность температур) между

     продуктами сгорания и нагреваемой средой, [ ^оС ];

– площадь расчетной поверхности нагрева, [ м² ];

  – коэффициент удержания тепла для каждой конкретной

     поверхности нагрева;

– расход топлива, [ кг/с ];

и    – энтальпии продуктов сгорания перед поверхностью нагрева и

   после нее.

 

Данные, полученные в ходе теплового расчета котла, служат основой для аэродинамического, гидравлического расчетов котлоагрегата и являются необходимыми при расчетах котла на прочность.

 

Целью и задачами аэродинамического расчета парового котла являются:

- определение аэродинамических показателей топки;

- определение аэродинамических сопротивлений воздушно-газового тракта котла на различных его участках;

- определение скоростей движения газов в трубных системах котла;

- определение напора, производительности и мощности воздухоподающего устройства (вентилятора или компрессора).

 

Для проведения аэродинамического расчета весь воздушно-газовый тракт котла разбивают на отдельные участки, имеющие однородное строение: воздухоподводящие трубы, короб котла, фронты, ВНУ и фурмы, топку, трубные пучки одинакового строения и т.д. Для каждого отдельного участка определяется значение местного сопротивления. Часто значения сопротивлений определяют экспериментальным методом с помощью продувки модели участка в аэродинамических устройствах. Полная величина сопротивления (полная потеря давления) ВГТ парового котла определяется как сумма всех сопротивлений, определенных на отдельных его участках.

Результатом аэродинамического расчета является аэродинамическая характеристика котла – зависимость аэродинамического сопротивления ВГТ котла от расхода топлива:, построенная для различных режимов работы котлоагрегата. Обычно аэродинамический расчет выполняют для трех режимов работы котла: стояночного, ходового и форсированного. Результат аэродинамического расчета оформляется в виде графика, который позволяет определить требуемые характеристики воздухоподающих устройств для обеспечения заданных режимов работы котла.

 

Вслед за тепловым и аэродинамическим расчетами обычно производят гидравлический расчет котла. Необходимость гидравлического расчета вытекает из условий соблюдения температурного режима труб при работе котла. В топках современных высоконапряженных котлов температура газов при сгорании топлива достигает 1800 ÷ 2000 ^оС. В таких условиях повышение температуры металла котельных труб выше допустимой величины приведет к повреждению и перегоранию труб и выходу из строя котлоагрегата. Стабильная и длительная работа котла может быть обеспечена только при условии надежного охлаждения поверхностей нагрева. Надежность охлаждения обеспечивается непрерывным движением рабочей среды в трубных системах котла. Если в экономайзерах и пароперегревателях движение рабочей среды всегда является принудительным: в экономайзере – за счет напора питательного насоса, а в пароперегревателе – за счет разности давлений пара в паровом коллекторе и за ГСК, то в трубных системах испарительной части котла с естественной циркуляцией движение рабочей среды осуществляется только за счет разности удельных весов воды и образующейся пароводяной смеси. Такое движение рабочей среды называется естественной циркуляцией.

Таким образом, надежность работы котла в целом неразрывно связана с обеспечением надежности естественной циркуляции в циркуляционном контуре.

Расчет ЕЦ выполняется для оценки конструктивного выполнения контуров циркуляции котла, проверки надежности испарительных поверхностей нагрева, и разработки мероприятий по повышению надежности.

Исходными данными для расчета циркуляции являются:

- рабочее давление пара в котле, МПа;

- температура питательной воды, ^оС (температура воды на выходе из экономайзера, ^оС);

- данные теплового расчета котла;

- теоретический чертеж котла.

 

Для начала расчета ЕЦ по данным теплового расчета определяется тепловосприятие трубных пучков испарительной части и тепловосприятие каждого ряда труб. Общее тепловосприятие ряда труб выражается как сумма тепла, воспринятого рядом при лучистом и конвективном видах теплообмена.

 

Расчет ЕЦ основан на совместном решении системы уравнений, выражающих условия установившейся естественной циркуляции:

        [ кг/сек ]

                       [ Па ]

где:

  – скорости движения среды в опускных и подъемных трубах;

– площади сечения опускного и подъемного участков контура;

    – полезный напор естественной циркуляции;

    – гидравлическое сопротивление опускного участка контура.

 

Решение производится графо-аналитическим способом, предложенным ЦКТИ. Этот способ предусматривает расчет и построение гидравлических характеристик каждого подъемного ряда, суммарной гидравлической характеристики подъемной части контура и гидравлической характеристики опускной части контура (рис. 41). Гидравлическая характеристика подъемного ряда труб представляет собой зависимость полезного напора ЕЦ от расхода среды через ряд:

 

Рис. 41. Графическое определение условий установившейся циркуляции в контуре        (к гидравлическому расчету котла)

Гидравлическая характеристика подъемной части контура представляет собой зависимость полезного напора естественной циркуляции от расхода воды через все подъемные ряды контура:

 

,      где  

 

Гидравлическая характеристика опускной части контура представляет собой зависимость гидравлического сопротивления опускного участка от расхода среды через него:

 

.

 

Графическим решением системы уравнений является точка пересечения гидравлических характеристик опускной и подъемной частей контура. Этой точке соответствуют: фактический расход среды через контур циркуляции; значение фактического полезного напора для подъемной части контура и значение гидравлического сопротивления опускного участка (рис. 41).

 

По значению полезного напора ЕЦ находятся (графически) фактические расходы среды через каждый ряд подъемных труб контура. По значениям фактических расходов среды через подъемные трубы определяются:

 

- паропроизводительность контура циркуляции;

- кратность циркуляции каждого ряда труб;

- средняя кратность циркуляции контура.

 

После проведения расчета производится оценка надежности естественной циркуляции на предмет отсутствия явлений застоя и опрокидывания циркуляции, расслоения пароводяной смеси, и достижения значения предельной кратности циркуляции.

Прочностной расчет производится как при проектировании нового котлоагрегата, так и при установлении Регистром допустимого рабочего давления пара в котлах, находящихся в эксплуатации. Целью прочностных расчетов является обеспечение условий надежной эксплуатации и безопасной работы котла на всех режимах его работы.

Детали работающего котла испытывают значительные механические напряжения от воздействия давления пара. В современных судовых паровых котлах давление пара достигает значений 3,5 ÷ 10,0 МПа. Детали котла подвержены также воздействию высоких температур. Даже у котлов низкого давления температура стенок труб испарительной части доходит до 200 ÷ 220 ^оС, а у пароперегревателей – до 450 ÷ 500 ^оС и выше. Следовательно материалы, используемые при постройке котла, должны сохранять достаточную механическую прочность в условиях воздействия на них высоких температур.

В водотрубных котлах условия общей надежности определяются прежде всего достаточной прочностью тех элементов, которые находятся под внутренним давлением воды и пара. К их числу относятся паровые и водяные коллекторы, цилиндрические камеры, коллекторы пароперегревателей и экономайзеров, трубы большого диаметра и поверхностей нагрева.

При оценке надежности котла по прочностным показателям необходимо выполнять также расчеты конструктивных элементов котла, не испытывающих нагрузок от давления пара. Этими элементами являются опоры, каркас и обшивка котла, лазы, элементы крепежных соединений, арматуры и т.д.

Детальные расчеты элементов котлов обычно выполняют с преимущественным использованием эмпирических методов конструкторских бюро и заводов-строителей котлоагрегатов. Расчетные формулы периодически корректируются на основании данных, накопленных опытом проектирования котлов, их постройки и эксплуатации. При этом используются также результаты последних исследований в области конструктивных расчетов и определения механических свойств материалов, применяемых для постройки котла.

 

 

Судовые паровые ТУРБИНЫ