Устройство котельной установки

Котельная установка представляет собой тепловой генератор, в кото-ром химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабо-чего тела, в качестве которого используются вода и водяной пар. Рабочее тело, называемое в данном случае теплоносителем, транспортируется к те-плоприемникам потребителей и после использования теплового потенциа-ла вновь возвращается в котельную установку для повторения цикла.

По виду вырабатываемого теплоносителя котельные установки быва-ют паровыми и водогрейными. По назначению они подразделяются на три основных типа:

– энергетические — установки, производящие тепловую энергию для последующего преобразования ее в электрическую энергию и входящие поэтому в комплекс энергетических сооружений электрических станций.

В них вырабатывается перегретый водяной пар средних, высоких и сверх-критических параметров;

– производственные — установки, производящие тепловую энергию для технологических нужд различных производств. Они, как правило, яв-ляются паровыми, вырабатывающими сухой насыщенный или перегретый пар низких и средних параметров;

– отопительные — установки, производящие тепловую энергию для целей теплоснабжения городов. Как правило, они являются водогрейными

и предназначены для получения перегретой воды с температурой

115-150 ^оС.

Часто встречаются сочетания производственных и отопительных ко-тельных установок, вырабатывающих одновременно пар для производст-венно-технологических нужд и горячую воду для отопительно-бытовых целей.

Рабочие процессы паровой котельной установки схематически можно представить как два организованных потока — газов и жидкости, движу-щихся по одной и той же теплообменной системе и обменивающихся меж-ду собой энергией через разделяющие их металлические стенки, называе-мые поверхностями нагрева (рис. 5.1).

Организация потоков в котельных установках отличается большим разнообразием и зависит от многих факторов: назначения котельной и ее производительности, вида используемого топлива и способа сжигания, ро-да теплоносителя и методов его циркуляции, а также определяется задача-ми обеспечения максимального эффекта преобразования энергии топлива в тепловую энергию воды.

В соответствии с приведенной схемой собственно котлоагрегат вклю-чает в себя:

топочное устройство, в котором сжигается топливо и образуются топочные газы — высоконагретые продукты сгорания;

котел (металлическую емкость), внутри которого циркулирует теп-лоноситель и через поверхность которого передается теплота от га-зов к теплоносителю;

систему газоходов, служащих для удаления топочных газов в атмо-сферу;

устройства для подачи топлива и воздуха в топку, удаления остат-ков топливосжигания и продуктов сгорания, циркуляции теплоно-сителя;

системы трубопроводов воды, пара, воздуха, конструктивно выпол-ненных как единое целое с котлоагрегатом.

Котельная установка (рис. 5.2) —совокупность одного или несколь-ких котлоагрегатов, установленных в одном помещении и оборудованных общими вспомогательными устройствами топливоподготовки, шлакозоло-удаления, водоподготовки и питания котлов, очистки и удаления газов.

Подача дробленого топлива

2

Рис. 5.2. Технологическая схема котельной установки для производства водяного пара: 1 — топливный бункер; 2 — мельница для помола топлива; 3 — горелка; 4 — котлоагрегат; 5 — топочная камера; 6 — устройство золошлакоудаления; 7 — эк-ранные трубы; 8 — пароперегреватель; 9 — барабан котла; 10 — нижние коллектора экранов; 11 — экономайзер; 12 — воздухоподогреватель; 13 — воздухозаборный ко-роб; 14 — вентилятор; 15 — золоуловитель; 16 — устройство гидрозолоудаления; 17 — дымосос; 18 — дымовая труба; 19 — деаэратор; ВПУ — водоподготовительная установка; ПН — питательный насос

Одной из основных задач безопасной эксплуатации котельных уста-новок является организация рационального водного режима, при котором не образуется накипь на стенках испарительных поверхностей нагрева, от-сутствует их коррозия и обеспечивается высокое качество вырабатываемо-го пара. Пар, вырабатываемый в котельной установке, возвращается от по-требителя в конденсированном состоянии; при этом количество возвра-щаемого конденсата обычно бывает меньше, чем количество выработанно-го пара.

Потери конденсата и воды при продувке восполняются за счет добав-ки воды из какого-либо источника. Эта вода должна быть соответствую-щим образом подготовлена до поступления в котельный агрегат. Вода, прошедшая предварительную подготовку, называется добавочной, смесь возвращаемого конденсата и добавочной воды — питательной, а вода, ко-торая циркулирует в контуре котла, котловой.

Паровой котел —это устройство,имеющее систему поверхностей на-грева для получения пара из непрерывно поступающей в него питательной воды путем использования теплоты, выделяющейся при сгорании органи-ческого топлива. В современных паровых котлах организуется факельное сжигание топлива в камерной топке, представляющей собой призматиче-скую вертикальную шахту. Факельный способ сжигания характеризуется непрерывным движением топлива вместе с воздухом и продуктами сгора-ния в топочной камере.

Топливо и необходимый для его сжигания воздух вводятся в топку котла через специальные устройства — горелки.

Топка в верхней части соединяется горизонтальным газоходом с од-ной или двумя призматическими вертикальными шахтами, называемыми по основному виду происходящего в них теплообмена конвективными шахтами.

В топке, горизонтальном газоходе и конвективной шахте находятся поверхности нагрева, выполняемые в виде системы труб, в которых дви-жется рабочая среда.

В зависимости от преимущественного способа передачи теплоты по-верхностям нагрева их можно подразделить на следующие виды: радиаци-онные — теплота передается в основном излучением; радиационно-конвективные — теплота передается излучением и конвекцией примерно в равных количествах; конвективные — теплота передается в основном кон-векцией.

В топочной камере по всему периметру и по всей высоте располага-ются трубные плоские системы — топочные экраны, являющиеся радиа-ционными поверхностями нагрева.

Поверхность нагрева, в которой вода подогревается до температуры насыщения, называется экономайзером; образование пара происходит в парообразующей (испарительной) поверхности нагрева, а его перегрев — в пароперегревателе. Система трубных элементов котла, в которых движутся

питательная вода, пароводяная смесь и перегретый пар, образуют его па-роводяной тракт.

Водяные экономайзеры предназначены для охлаждения продуктов сгорания и подогрева питательной воды до поступления ее в испаритель-ную часть котельного агрегата. Предварительный подогрев воды за счет теплоты дымовых газов существенно увеличивает КПД котельного агрега-та. В зависимости от применяемого материала экономайзеры делятся на чугунные и стальные, по типу поверхности — на ребристые и гладкотруб-ные, по степени подогрева воды — на некипящие и кипящие.

Пароперегреватель представляет собой змеевиковую поверхность те-плообмена, предназначенную для перегрева пара, полученного в испари-тельной части котельного агрегата. Пар движется внутри трубок, омывае-мых снаружи дымовыми газами.

Для непрерывного отвода теплоты и обеспечения необходимого тем-пературного режима металла поверхностей нагрева организуется непре-рывное движение рабочей среды. При этом вода в экономайзере и пар в пароперегревателе могут проходить однократно или многократно.

В первом случае котел называется прямоточным, а во втором — кот-лом с многократной циркуляцией.

Пароводяная система прямоточного котла представляет собой гидрав-лическую систему, во всех элементах которой рабочая среда движется под напором, создаваемым питательным насосом. В прямоточных котлах нет четкой фиксации экономайзерной, парообразующей и пароперегреватель-ной зон.

В котлах с многократной циркуляцией (рис. 5.2) существует замкну-тый контур, образованный системой обогреваемых и необогреваемых труб, объединенных вверху барабаном, а внизу — коллектором. Коллектор — это заглушенная с торцов труба, в которую по длине ввариваются экран-ные трубы. Барабан представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд, имеющий водяной и паровой объемы, которые разделяются поверх-ностью, называемой зеркалом испарения. В барабане образовавшийся пар отделяется и поступает в пароперегреватель.

Влажный насыщенный пар, получаемый в барабане котлоагрегатов низкого и среднего давлений, может уносить с собой капли котловой воды, содержащей растворенные в ней соли. В котлоагрегатах высокого и сверх-высокого давлений загрязнение пара обуславливается еще и дополнитель-ным уносом солей кремниевой кислоты и соединений натрия, которые рас-64

творяются в паре. Примеси, уносимые с паром, откладываются в паропере-гревателе, что крайне нежелательно, так как может привести к пережогу труб пароперегревателя. Поэтому пар перед выходом из барабана котла подвергается сепарации, в процессе которой капли котловой воды отделя-ются и остаются в барабане. Сепарация пара осуществляется в специаль-ных сепарирующих устройствах, в которых создаются условия для естест-венного или механического разделения воды и пара.

Естественная сепарация происходит вследствие большой разности плотностей воды и пара. Механический инерционный принцип сепарации основан на различии инерционных свойств водяных капель и пара при рез-ком увеличении скорости и одновременном изменении направления или закручивания потока влажного пара.

В котлах с естественной циркуляцией питательная вода, подаваемая насосом, подогревается в экономайзере и поступает в барабан. Из барабана по опускным необогреваемым трубам вода поступает в нижние коллектора экранов, откуда распределяется в обогреваемые экранные трубы, в кото-рых закипает. Циркуляция происходит за счет разности плотностей паро-водяной смеси в экранных трубах и воды в водоопускных трубах.

В котлах с многократной принудительной циркуляцией для улучше-ния циркуляции дополнительно устанавливается циркуляционный насос, что позволяет осуществлять движение пароводяной смеси по наклонным и горизонтальным трубам.

Температура в топке в зоне горения факела достигает 1400-1600 °С. Стены топочной камеры выполняются из огнеупорного материала, их на-ружная часть покрывается теплоизоляцией. Частично охладившиеся в топ-ке продукты сгорания с температурой 900-1200 °С поступают в горизон-тальный газоход котла, где омывают пароперегреватель, а затем направ-ляются в конвективную шахту, в которой размещаются промежуточный пароперегреватель, водяной экономайзер и последняя по ходу газов по-верхность нагрева — воздухоподогреватель, в котором воздух подогрева-ется перед подачей в топку котла. Горячий воздух, направляемый в топку котла, улучшает условия сгорания топлива, уменьшает потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива, повышает тем-пературу его горения, интенсифицирует теплообмен, что в итоге повышает КПД установки. В среднем понижение температуры уходящих газов на каждые 20-25 °С повышает КПД примерно на 1 %.

Продукты сгорания за воздухоподогревателем называют уходящими газами; они имеют температуру 110-160 °С. Поскольку дальнейшая утили-зация теплоты нерентабельна, уходящие газы с помощью дымососа через золоуловитель удаляются в дымовую трубу.

Большое значение для надежной работы котла имеет качество пита-тельной воды. Несмотря на обессоливание и деаэрацию воды (удаление из воды коррозионно-активных газов О₂ и СО₂) на водоподготовительной ус-тановке, в котел непрерывно с питательной водой поступает некоторое ко-личество растворенных солей и взвешенных частиц. Очень небольшая часть солей уносится вырабатываемым паром. В котлах с многократной циркуляцией основное количество солей и твердых частиц задерживается в котле, из-за чего их содержание в котловой воде постепенно увеличива-ется. При кипении воды в котле соли выпадают из раствора, а на внутрен-ней поверхности экранных труб образуется накипь, плохо проводящая те-плоту. В результате экраны недостаточно охлаждаются движущейся в них средой и могут разрушиться под действием внутреннего давления. Поэто-му часть воды с повышенной концентрацией солей необходимо удалять из котла. На восполнение удаленного количества воды подается питательная вода с меньшей концентрацией примесей. Такой процесс замены воды в замкнутом контуре называется непрерывной продувкой. Непрерывная про-дувка осуществляется из барабана котла.

В прямоточных котлах из-за отсутствия барабана непрерывная про-дувка затруднена, поэтому к качеству питательной воды этих котлов предъявляются повышенные требования.