Вклад российских ученых в развитие энергетики

Основы теплоэнергетики как науки были заложены М.В. Ломоносовым в середине XVIII века. Созданная им кинетическая теория теплоты и четко сформулированные законы сохранения массы и энергии явились научными предпосылками для решения проблемы превращения теплоты в механическую работу.

В шестидесятых годах XVIII столетия (1763 г.) русский теплотехник И.И. Ползунов исходя из глубокого изучения имевшихся немногочисленных паро-атмосферных насосных машин воплотил в построенной им паровой машине идею универсального теплового двигателя. Им впервые была построена двухцилиндровая паровая машина, впервые применен автомат питания и построен для получения пара котел собственной конструкции.

В конце XVIII века выдающийся ученый - академик В.В. Петров, известный открытиями в области электричества, провел обширные эксперименты с процессами горения, способствовавшие краху лженаучной теории флогистона.

Ученый И.П. Алымов (1864 г.) исследовал природу естественной тяги в паровых котлах и предложил применение искусственной тяги.

В конце XIX века (1831 – 1895) И.А. Вышеградский развил теорию регулирования работы парового котла, предложил формулу расчета скорости изменения давления при растопке котла и создал основы общей теории регулирования паровых котлов.

В начале XX века (1907 г.) ученый Н.П. Петров на основе теории теплопроводности и теплопередачи проанализировал условия теплопередачи в котлах, дал рекомендации по конструированию котлов и впервые изложил основы теории циркуляции в паровых котлах.

В 1905 г. Гриневецкий, продолжив работу Н.П. Петрова, разработал графический метод расчета циркуляции в паровом котле.

К.В. Кирш, совместно с Гриневецким создал в Московском высшем техническом училище первоклассную лабораторию паровых котлов по изучению методов сжигания местных топлив и антрацитов, а также явился первым организатором Всесоюзного теплотехнического института в Москве (ВТИ).

В начале XX века М.В. Кирпичев своими работами внес значительный вклад в область теории теплового моделирования и теплового расчета котла. А.С. Предводителев провел глубокое изучение процессов горения углерода и создал теорию горения углерода.

В первой половине XX века многие российские ученые работали над созданием новых, прогрессивных конструкций котельных агрегатов. Л.К. Рамзин обогатил науку и технику в области различных технических разработок. В результате им создан первый в мире промышленный прямоточный котел.

Г.Ф. Кнорре разработал теорию циклонного сжигания и, изучив топочные процессы и устройства, создал циклонную топку. В области конструирования топок работает целая плеяда русских конструкторов. Среди них инженер В.Г. Шухов, ставший почетным членом Академии наук, создавший прогрессивную для того времени конструкцию котлоагрегата. Макарьевым предложена конструкция топки для сжигания фрезерного торфа без его измельчения. А.А. Шершнев создал первую в мире топку для сжигания фрезерного торфа во взвешенном состоянии. Перечень известных ученых, конструкторов, изобретателей можно продолжить. Перечисленные исследования и изобретения дают представление об объеме вклада наших ученых в развитие теплоэнергетики.

В настоящее время теоретические исследования и практическое их внедрение осуществляются нашими центральными научно - исследовательскими институтами, такими как Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ, г. Москва) и его филиалы Уральский (г. Челябинск), Сибирский (г. Красноярск), Центральный котлотурбинный институт (ЦКТИ г. Санкт - Петербург), энергетический институт им. Кржижановского (г. Москва) и др.

Разработкой новых конструкций паровых котлов занимаются конструкторские отделы при котлостроительных заводах, поддерживающие тесную связь с научно - исследовательскими институтами. В настоящее время паровые котлы изготавливают в России на следующих заводах: Таганрогский котлостроительный завод (ТКЗ), Подольский машиностроительный завод, Барнаульский котлостроительный завод (БКЗ), Бийский котлостроительный завод (котлы малой мощности).

Общие положения работы теплогенерирующих установок

При сжигании органического топлива горючие химические элементы (углерод, водород, сера), входящие в состав топлива, соединяются с кислородом воздуха, выделяют теплоту и образуют продукты сгорания (двуокись углерода, водяные пары, сернистый газ, окислы азота). От продуктов полного сгорания органического топлива тепловая энергия передается рабочему телу, которым обычно служит вода, сжатая до давления, выше атмосферного. Для превращения химической энергии топлива в тепловую энергию существует комплекс устройств, называемых котельной, или теплогенерирующей установкой.

Котельной установкой называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используется для технологических нужд промышленных предприятий и получения электроэнергии, в сельском хозяйстве, а также для нагрева воды, направляемой на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Горячую воду используют для отопления производственных, общественных и жилых зданий, а также для коммунально-бытовых нужд населения.

В котельную установку необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить сгорание топлива и отдачу теплоты от продуктов сгорания топлива рабочему телу и удалить продукты сгорания топлива; подать рабочее тело – воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки.

Для осуществления перечисленных процессов котельная установка должна включать в себя теплогенератор – паровой или водогрейный котельный агрегат (котел), хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер, воздухоподогреватель, пароперегреватель), горелочные устройства, а также различные дополнительные устройства. Производительность теплогенератора определяется количеством теплоты или пара, получаемого в процессе сжигания в агрегате органического топлива.

На рис. 1.1 и 1.2 изображен план и продольный разрез котельной, работающей на природном газе или жидком топливе.

Рис. 1.1. План котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Рис. 1.2. Продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Радиационные поверхности нагрева размещены в топочной камере и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива, одновременно защищая стены топки от прямого воздействия излучающей среды. Конвективные поверхности нагрева установлены за топкой, в газоходах котла. К конвективным или хвостовым поверхностям нагрева также относят пароперегреватели, водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата или установки и в конечном итоге для снижения расхода топлива.

Котельная или теплогенерирующая установка также включает в себя: горелочные устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию; дутьевой вентилятор для нагнетания воздуха, необходимого для горения топлива; дымосос для удаления продуктов сгорания; дымовую трубу для отвода дымовых газов; оборудование для химической очистки воды от вредных примесей и деаэрации; питательные насосы для увеличения давления воды и подачи ее в котельный агрегат. При сжигании твердого топлива в котельных, кроме того, имеются системы шлако- и золоудаления для удаления очаговых остатков топлива, а также золоуловители – отделяющие золу из дымовых газов. Все эти устройства размещаются в специальном здании, называемом котельной, включающей в себя котельные установки, а также помещения для различных вспомогательных служб и мастерских.

Рис. 1.3. Технологическая схема производственно-отопительной котельной:

1-воздухозаборный короб; 2-паросборный коллектор; 3-редукционная установка; 4-паропровод к бойлеру; 5-деаэратор; 6-пароводяной бойлер; 7-потребитель; 8-сетевой насос; 9-система химической подготовки воды; 10-подпиточный насос; 11-охладитель деаэрированной воды; 12-дымовая труба; 13-питательный насос; 14-подогреватель сырой воды; 15-дымосос; 16-расширитель непрерывной продувки; 17-водяной экономайзер; 18-насос; 19-трубопровод непрерывной продувки; 20-конвективные поверхности нагрева; 21-пароперегреватель; 22, 26-нижний и верхний барабаны; 23-дутьевой вентилятор; 24-горелка; 25-топка котельного агрегата; 27-ГРП котельной; 28-мазутохранилище; 29-фильтр; 30-насос.

Производственно-отопительная котельная, предназначена для выработки отопительным котлом пара с необходимыми параметрами качества, который используется технологическими потребителями, а также для выработки горячей воды для обеспечения систем отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения.

Система отопления в котельной обеспечивает заданный тепловой режим в помещениях в холодное время года, компенсируя теплопотери через наружные ограждения зданий.

Система вентиляции в котельной создает требуемую чистоту воздуха в рабочей зоне производственных зданий, необходимый воздушный и тепловой режимы в общественных зданиях путем организации воздухообмена в помещениях.

Система кондиционирования воздуха в котельной применяется для создания в помещении микроклимата, удовлетворяющего повышенным санитарно-гигиеническим или технологическим требованиям, путем обеспечения строго заданных температуры, влажности, подвижности и чистоты воздуха в рабочей зоне.

Система горячего водоснабжения в котельной предназначена для подогрева и транспортирования воды к местам водоразбора на хозяйственно-бытовые или производственные нужды.

Теплотехнологическое оборудование в котельной является потребителем тепловой энергии в виде подогретой воды или водяного пара и включает в себя как специальные теплопроводы, так и разные теплообменные аппараты.

Природный газ в отопительном котле по газопроводу поступает на территорию предприятия в газорегуляторный пункт (ГРП) 27 (Рис. 1.3) или газорегуляторную установку (ГРУ), где давление городского газа снижают до рабочего и поддерживают его на заданном уровне. Из ГРП газ подается к горелкам 24 котельного агрегата.

Устройства для снижения давления газа перед котельной, магистрали для отвода газа и разводка трубопроводов в котельной должны быть выполнены в соответствии с указаниями «Правил безопасности в газовом хозяйстве» Госгортехнадзора.

Вода, предназначенная для подачи в паровые и водогрейные котлы или в тепловые сети, должна удовлетворять ряду технических, санитарных и экономических требований. В случае поступления воды в котельную из городского водопровода обработка сводится к ее умягчению и снижению щелочности в специальных фильтрах, а при использовании воды из открытых водоемов к этому добавляется еще и очистка от взвешенных веществ.

До поступления в устройства для химической очистки вода должна быть нагрета в теплообменниках. Загрязненный конденсат, возвращаемый от технологических потребителей, также подвергается очистке. Подготовленные тем или иным способом вода и конденсат направляются в устройства (деаэраторы) для удаления из них растворенных газов. После деаэраторов с помощью питательных насосов вода направляется в котельный агрегат или подпиточными насосами в тепловые сети.

В промышленных котельных с паровыми котлами, как правило, используются центробежные насосы с электрическим приводом и с приводом от паровой турбины. Для подпитки водой тепловых сетей, когда в качестве источника теплоснабжения установлены стальные водогрейные котлы, применяются центробежные насосы, обычно с электрическим приводом. В небольших котельных иногда для подачи питательной воды используют поршневые паровые насосы или инжекторы.

Отопительный котел имеет топку (25) с расположенными в ней испарительными поверхностями нагрева (кипятильными трубами), верхний (26) и нижний (22) барабаны, конвективные поверхности нагрева (20), пароперегреватель (21), водяной экономайзер (17).

Воздух в отопительном котле, необходимый для сжигания газа, забирается из верхней части котельной и по воздухозаборному коробу (1) поступает на вход дутьевого вентилятора (23), откуда под давлением подается в горелки (24). Продукты горения проходят последовательно через все теплоиспользующие элементы и с помощью дымососа (15) выбрасываются в дымовую трубу (12).

Пар в отопительном котле поступает в общий сборный коллектор (2), откуда направляется к технологическим потребителям. Часть пара после снижения давления в редукционной установке (3) подается в деаэратор (5), где происходит удаление из питательной воды растворенных в ней агрессивных газов для предотвращения коррозии поверхностей нагрева.

Для получения горячей воды, расходуемой на технологические нужды и теплоснабжение, в котельной установлен пароводяной бойлер (6). Пар в бойлер поступает из общего паросборного коллектора (2) по специальному паропроводу (4). Сетевая вода сетевым насосом 8, установленным на обратной линии, подается для нагрева в бойлер, из которого поступает в прямую линию системы теплоснабжения к потребителям (7) теплоты. Конденсат пара из бойлера поступает в деаэратор 5. Подпитка тепловой сети осуществляется подпиточным насосом (10), забирающим воду из деаэратора, общего для системы теплоснабжения и питания котла. Для уменьшения солесодержания котловой воды из барабана (26) по трубопроводу (19) производится непрерывная продувка.

Вода в отопительном котле направляется в расширитель непрерывной продувки (16), где в результате снижения давления вскипает. Образующийся при этом пар поступает в паровую линию к деаэратору, а горячая вода — в подогреватель сырой воды (14), которая насосом (18) подается в систему 9химической подготовки воды. Химически очищенная вода перед поступлением в деаэратор подогревается в охладителе 11 деаэрированной воды. Деаэрированная вода питательным насосом 13 направляется в водяной экономайзер (17) котла.

Теплогенераторы с давлением выше 0,07 МПа (0,7 кгс/см²) и температурой выше 115 °С подлежат регистрации в государственной организации, контролирующей правильность конструкции котлоагрегата, соответствие установленным правилам и нормам оборудования и здания котельной и соблюдение обслуживающим персоналом Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов Госгортехнадзора РФ. Размеры зданий котельных, материалы, из которых они выполняются, проходы между стенами и оборудованием, а также расстояния до ферм и перекрытий определяются Правилами и нормами Госгортехнадзора РФ.

Эффективность работы котельных во многом определяется правильностью выбора метода сжигания топлива, совершенством оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пуско-наладочных работ, квалификацией обслуживающего персонала и др. Безопасность, надежность и экономичность работы котельных установок и теплоэнергетического оборудования зависят от степени подготовки обслуживающего персонала, правильности выполнения производственных и должностных инструкций.