Процесс получения пара в котлах с естественной циркуляцией.

Устройство котлоагрегатов с естественной циркуляцией. Циркуляция воды в котле.

В паровых котлах для превращения питательной воды в пар применяются различные схемы циркуляции теплоносителя: естественная, многократная принудительная и прямоточная. Наибольшее распространение получили котлы с естественной циркуляцией.

Технология получения пара предполагает последовательность нескольких физических процессов.

Все начинается с подогрева питательной воды, которая поступает в котел при определенном давлении, создаваемом питательным насосом. Этот процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева, называемой экономайзером (рис.1).Экономайзер расположен в конвективном газоходе (конвективная шахта), который представляет собой опускной газоход котла.

Рис. 1. Схема барабанного котла с естественной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе, выполненного по традиционной П-образной схеме:
1 – горелки; 2 – топочная камера; 3 – топочный экран; 4 – барабан; 5 – опускные трубы; 6 – фестон; 7 – пароперегреватель; 8 – конвективный газоход; 9 – экономайзер;10 – трубчатый воздухоподогреватель; 11 – нижние коллектора топочных экранов

Угольная пыль вдувается в топочную камеру вместе с необходимым для горения воздухом через горелки.

Мелкие частицы угля в топочной камере сгорают, в результате чего образуется факел, в ядре которого температура достигает 1500-2000 °С.

Стены топочной камеры покрыты трубами 3, которые образуют радиационные поверхно­сти нагрева (экраны).Радиационная, значит эта поверхность получает тепло излучением. В данном случае у нас факел излучает тепло.

Внутри этих труб циркулирует вода и пароводяная смесь, которая движется вверх. Эти трубы называются подъемными обогреваемыми.Вверху эти трубы расходятся образуя фестон.

Пароводяная смесь образуется в результате сгорания топлива и образования факела, который нагревает эти трубы.

Фестон — полурадиационная поверхность нагрева, располагаемая в выходном окне топки и образованная, как правило, трубами заднего экрана, разведенными на значительные расстояния путем образования многорядных пучков.

По подъемным трубам пароводяная смесь поступает в верхний барабан, а из барабана по опускным необогреваемым трубам, которые находятся снаружи топки опускается в нижний коллектор, размещенный у нижней точки топочной камеры.

Из этих коллекторов вода поступает в вертикальные трубки топочных экранов. Именно здесь, благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива, начинается собственно процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны испаряется не вся вода: в барабан возвращается пароводяная смесь. В объеме барабана происходит сепарация воды и пара. Пар поступает к потребителю или во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь попадает в опускные трубы циркуляционного контура.

Движение воды происходит по замкнутому контуру: из экономайзера вода, подогретая дымовыми газами поступает в барабан котла для подпитки испарившейся в барабане воды, из барабана по опускным трубам вода поступает в коллектор, с коллектора по подъемным обогреваемым трубам вода подается вверх в барабан и опять вниз по опускным трубам.

Подъемно-опускное движение по контуру естественной циркуляции (т.е. по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам) происходит вследствие разности плотностей котловой воды и пароводяной смеси.
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.

В результате сгорания топлива в топке образуются продукты сгорания, которые на выходе из топочной камеры. Омывая фестон 6 и змеевики пароперегревателя 7, дымовые газы передают им теплоту частично конвекцией, частично радиацией и далее поступают в горизонтальный газоход, в котором располагаются змеевики конвективного подогревателя. Внутри пароперегревателя движется пар, который нагревается продуктами сгорания до более высокой температуры (510-560⁰ С).Продукты сгорания, охлажденные (500- 600⁰ С) за счет того, что часть тепла отдали на нагрев пара в пароперегревателе, направляются в вертикальный опускной газоход, в котором расположен экономайзер 9. По трубам внутри экономайзера проходит питательная вода, которая нагревается продуктами сгорания и поступает в барабан котла для пополнения испарившейся в экранах воды.

Далее продукты сгорания поступают в воздухо­подогреватель, где, проходя внутри трубок, подогревают воздух, подаваемый затем через горелки в топку. Продукты сгорания охлаждаются в воздухоподогревателе до температу­ры 110-180 °С и поступают в золоуловитель, в котором отделяется летучая зола, а затем дымососом выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Холодный воздух забира­ется дутьевым вентилятором вверху котельной и подается через воздухоподогреватель и воздухопроводы в топку.

К барабану присоединены многочисленные трубы экранов, по которым в него по­ступает пароводяная смесь. Пар в барабане отделяется от воды и поступает в пароперегре­ватель, а оставшаяся вода смешивается с подаваемой питательной водой и по опускным необогреваемым трубам, расположенным снаружи топочной камеры, поступает к нижним коллекторам экранов. Из коллекторов вода распределяется по трубам экрана и, поднима­ясь по ним, частично испаряется за счет излучения факела; образовавшаяся пароводяная смесь поступает в барабан.

Подъем пароводяной смеси по трубам экранов и опускание воды по опускным тру­бам, т. е. естественная циркуляция, происходят за счет разности плотностей воды в опуск­ных трубах и пароводяной смеси в трубах экрана. Поэтому барабанные котлоагрегаты на­зываются котлами с естественной циркуляцией.

Процесс получения пара в котлах с естественной циркуляцией.

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(рис.2, а).

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 (7) (см. рис.2, б), то циркуляция назы­вается принудительной, а паровой котел — барабанным с прину­дительной циркуляцией.

Для повышения надежности циркуляции на барабанных котлах повышенного давления (17–18 МПа) применяют принудительное движение пароводяной смеси в топочных экранах (рис. 2, б). Как видно из приведенных схем, котел с принудительной циркуляцией отличается от котла с естественной циркуляцией (рис.2, а) наличием насоса для котловой воды.

В прямоточных котлах(2, в), которые не имеют барабана, а контур разомкнут, превращение воды в пар происходит за один проход нагревателя, и кратность циркуляции равняется единице.

Конструкция прямоточного котла – водотрубная, подаваемая питательная вода нагревается за один проход по трубам. Если это паровой котел, то вода превращается в пар без выделенного парового пространства. Прямоточные паровые котлы не имеют аккумулирующих (накопителей) объемов для пара и воды.

В барабанных котлах с принудительной циркуляцией движение воды и пароводяной смеси (рис.2,б) осуществляется с помощью циркуляционного насоса (ЦН), движущий напор которого рассчитан на преодоление сопротивления всей системы.

Рисунок 2 – Схемы движения воды и водяного пара.

а – естественная циркуляция; б – многократная принудительная циркуляция; в – прямоточное движение; Б – барабан; ИСП – испарительные поверхности; ПЕ – пароперегреватель, ЭК – водяной экономайзер; D_п – расход пара; D_п.в – расход питательной воды; ПН – питательный насос; ЦН – циркуляционный насос; НК – нижний коллектор; Q – подвод теплоты; ОП – опускные трубы; ПОД – подъемные трубы
В прямоточных экранных котлах (рис.2, в) нет циркуляционного контура, нет многократной циркуляции, отсутствует барабан. Вода прокачивается по контуру котла питательным насосом (ПН) через экономайзер (ЭК), испарительные поверхности (ИСП) и пароперегреватель (ПЕ), включенные последовательно. Прямоточные котлы используют воду более высокого качества (дистиллат). Вся вода, поступающая в испарительный тракт (ИСП), на выходе из него полностью превращается в пар.

Испарительная поверхность котла –это трубчатая поверхность нагрева, в которой осуществляется испарение воды за счёт теплоты дымовых газов.
Котельные агрегаты паропроизводительностью от 50 до 220 т/ч на давление 3,92 ч 13,7 МН/м²выполняют только в виде барабанных, работающих с естественной циркуляцией воды.
Агрегаты паропроизводительностью от 250 до 640 т/ч на давление 13,7 МН/м² выполняют и виде барабанных, и экранных прямоточных.

Контрольные вопросы:

1. Где начинается подогрев питательной воды?

2. Где находится и что собой представляет конвективный газоход?

3. Какие трубы называются обогреваемыми и какие опускными?

4. Принцип работы котлов с естественной циркуляцией.

5. Какую систему называют контуром циркуляции?

6. Принцип работы котлов с принудительной циркуляцией.

7. Принцип работы прямоточных котлов?

8. Что называется испарительной поверхностью?

9. Назначение экономайзера, пароперегревателя, топки и воздухоподогревателя.