Паровой котел сверхкритического давления
Обновлено: 19.05.2024
КОТЕЛ ПАРОВОЙ
КОТЕЛ ПАРОВОЙ, сосуд давления, в котором нагревается вода, превращающаяся в пар. Тепловая энергия, подводимая к паровому котлу, может представлять собой тепло от сгорания топлива, электрическую, ядерную, солнечную или геотермальную энергию. Поскольку котел дает только насыщенный пар, его следует отличать от парогенератора, в состав которого в качестве неотъемлемых и необходимых агрегатов могут входить пароперегреватели, экономайзеры и воздухоподогреватели. Котлы применяются как источники пара для отопления зданий и питания технологического оборудования в промышленности, а также машин и турбин, приводящих в действие электрогенераторы. Самые малые паровые котлы бытового назначения дают ок. 20 кг пара в час при давлениях порядка атмосферного. В то же время котлы крупнейших электростанций производят до 4500 т пара в час при давлениях до 28 МПа. Такие давления называются сверхкритическими, поскольку они превышают критическое давление воды (22,1 МПа), при котором вода превращается в пар. Большой паровой котел такого типа может, потребляя несколько сот тонн пылевидного угля в час, производить столько пара при 550 ° C, сколько необходимо для выработки 1300 МВт электроэнергии. На рис. 1–3 представлены схемы (с указанием основных агрегатов) одного газотрубного и двух водотрубных котлов. Во всех этих котлах имеется топочная камера, в которой сжигается топливо. Горячие газообразные продукты горения уходят из зоны горения и на своем пути омывают поверхности парообразующих (кипятильных) труб, расположенных в газовом тракте. Проходя по шахте котла, эти газы охлаждаются от максимальной температуры в топочной камере до самой низкой в дымоходе. Тепло, отдаваемое газами, поглощается водой, которая нагревается и испаряется. Процесс испарения вызывает естественную циркуляцию (принудительная циркуляция создается механическими средствами – насосами).
ТИПЫ ПАРОВЫХ КОТЛОВ
Также по теме: ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙСуществуют два основных типа паровых котлов: газотрубные и водотрубные. Все котлы (жаротрубные, дымогарные и дымогарно-жаротрубные), в которых высокотемпературные газы проходят внутри жаровых и дымогарных труб, отдавая тепло воде, окружающей трубы, называются газотрубными. В водотрубных котлах по трубам протекает нагреваемая вода, а топочные газы омывают трубы снаружи. Газотрубные котлы опираются на боковые стенки топки, тогда как водотрубные обычно крепятся к каркасу котла или здания.
ГАЗОТРУБНЫЕ КОТЛЫ
В современной теплоэнергетике применение газотрубных котлов ограничивается тепловой мощностью ок. 360 кВт и рабочим давлением около 1 МПа. Дело в том, что при проектировании сосуда высокого давления, каким является котел, толщина стенки определяется заданными значениями диаметра, рабочего давления и температуры. При превышении же указанных предельных параметров требуемая толщина стенки оказывается неприемлемо большой. Кроме того, необходимо учитывать требования безопасности, так как взрыв крупного парового котла, сопровождающийся мгновенным выбросом больших объемов пара, может привести к катастрофе. При современном уровне техники и существующих требованиях к безопасности газотрубные котлы можно считать устаревшими, хотя пока еще находятся в эксплуатации многие тысячи таких котлов тепловой мощностью до 700 кВт, обслуживающих промышленные предприятия и жилые здания (рис. 1).
Также по теме: ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИВОДОТРУБНЫЕ КОТЛЫ
Водотрубный котел был разработан в связи с непрерывно растущими требованиями повышения паропроизводительности и давления пара. Дело в том, что, когда пар и вода повышенного давления находятся в трубе не очень большого диаметра, требования к толщине стенки оказываются умеренными и легко выполнимыми. Водотрубные паровые котлы по конструкции значительно сложнее газотрубных. Однако они быстро разогреваются, практически безопасны в отношении взрыва, легко регулируются в соответствии с изменениями нагрузки, просты в транспортировке, легко перестраиваемы в проектных решениях и допускают значительную перегрузку. Недостатком водотрубного котла является то, что в его конструкции много агрегатов и узлов, соединения которых не должны допускать протечек при высоких давлениях и температурах. Кроме того, к агрегатам такого котла, работающим под давлением, затруднен доступ при ремонте.
Водотрубный котел состоит из пучков труб, присоединенных своими концами к барабану (или барабанам) умеренного диаметра, причем вся система монтируется над топочной камерой и заключается в наружный кожух. Направляющие перегородки заставляют топочные газы несколько раз проходить через трубные пучки, благодаря чему обеспечивается более полная теплоотдача. Барабаны (разной конструкции) служат резервуарами воды и пара; их диаметр выбирается минимальным во избежание трудностей, характерных для газотрубных котлов (см. выше). Водотрубные котлы бывают следующих типов: горизонтальные с продольным или поперечным барабаном, вертикальные с одним или несколькими паровыми барабанами, радиационные, вертикальные с вертикальным или поперечным барабаном и комбинации перечисленных вариантов, в некоторых случаях с принудительной циркуляцией.
Топочные экраны.
В топках водотрубных котлов часто предусматривают радиационные экраны, которые позволяют повысить тепловыделение в топке при меньшей тепловой нагрузке на ее стенки, благодаря чему снижаются затраты времени на техническое обслуживание и повышается КПД, а кроме того, существенно снижаются требования к теплоизоляции стенок. Экраны выполняют в виде частых труб, по которым проходит котловая вода; образующийся в них пар отводится в паровой барабан. Такими экранами обычно защищают (полностью или частично) стены котельной установки. Трубы могут быть гладкими, с проставкой, плавниковыми, ошипованными, с огнеупорной обмазкой.
Горизонтальный водотрубный котел.
Для паровых котлов такого типа характерно наличие коллекторов, соединяющихся с навесным барабаном, который может быть расположен либо вдоль топочной камеры, как показано на рис. 2 (продольный барабан), либо поперек (поперечный барабан).
Вертикальный водотрубный котел.
В вертикальном паровом котле имеются два или несколько барабанов, установленных на разной высоте, причем зеркало воды находится в самом верхнем из них (рис. 3). Трубы присоединяются непосредственно к барабану. Вблизи места присоединения они изгибаются так, что образуют ряд пучков. Поток горячих газов перегородками направляется поперек труб. Такая конструкция позволяет легко изменять геометрию поверхности нагрева.
Радиационные котлы.
Радиационные паровые котлы или их топки оборудуются: а) широкими коллекторными трубами (узкими барабанами), проходящими горизонтально в верхней и нижней части стенки топки, либо б) системой вертикальных труб, присоединенных непосредственно к основным барабанам. В варианте «а» коллекторы соединены между собой тонкими частыми вертикальными трубами, образующими настенные экраны. Лучистая теплота из зоны горения заставляет воду в этих трубах испаряться, а горячий пар, поднимаясь между коллекторами, присоединенными к основным барабанам, вызывает циркуляцию. По той же схеме устроены потолочные и напольные экраны. Трубы не имеют изоляции, и лишь в высокотемпературной зоне предусматриваются огнеупорная обмазка или чугунные защитные панели. В некоторых случаях парообразование в экранах играет главную роль, а обычные воднотрубные конвективные теплообменные поверхности лишь защищают основной барабан от радиационного перегрева.
Прямоточные котлы.
Прямоточные паровые котлы могут работать как в докритическом, так и в сверхкритическом режиме. В трубы котла насосом подается питательная вода, и она за один проход набирает достаточно тепла, чтобы превратиться в пар высокого давления. Теплообмен осуществляется в основном в многочисленных параллельно включенных экранных панелях, окружающих топочную камеру. Прямоточные котлы применяются главным образом на крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе. Благодаря своему широкому диапазону рабочих условий они отличаются простотой пуска и перехода с режима на режим.
СЕКЦИОНИРОВАННЫЕ ЧУГУННЫЕ КОТЛЫ
Широко распространенный секционированный чугунный отопительный котел рассчитан на максимальное избыточное давление ок. 100 кПа. Он состоит из отдельных чугунных секций, собираемых вместе подобно радиаторам центрального отопления. В крупных паровых котлах такого типа пар из каждой секции поступает в продольный верхний коллектор, а конденсат возвращается по двум нижним продольным коллекторам, расположенным по разные стороны секций. Основное достоинство такого котла состоит в легкости его демонтажа на небольшие блоки. Кроме того, при необходимости его легко наращивать. Однако в случае слишком быстрого разогрева при холодном пуске такой котел может дать трещину; для ремонта же, скажем, средней секции необходима полная разборка. Секционированные котлы работают с довольно высоким КПД и быстро разогреваются, поскольку внутренние поверхности секций образуют непосредственно топочную камеру. Чугунные секции такого котла не гарантируют безопасной работы при высоких давлениях пара; поэтому его тепловая мощность не превышает примерно 200 кВт, а максимальная производительность составляет ок. 4300 кг пара в час. Для этого требуется тепловыделение топлива
12 ГДж/ч, что соответствует сжиганию ок. 300 кг антрацита в час.
СОВРЕМЕННЫЕ БЛОЧНО-ТРАНСПОРТИРУЕМЫЕ КОТЛЫ
Во время Второй мировой войны возник огромный спрос на мощные, компактные модульные парогенераторы, простые в эксплуатации и техническом обслуживании, для использования вооруженными силами на суше и на море. Дальнейшее развитие в этом направлении привело к созданию компактных блочно-транспортируемых автоматизированных агрегатов, полностью оборудованных всей контрольно-измерительной аппаратурой и готовых к пуску сразу же, как только после доставки на место к ним будут подключены вода, электроэнергия, топливоподводы и дымоходы. В настоящее время промышленность выпускает такие модули тепловой мощностью до нескольких тысяч киловатт с рабочим давлением до 9 МПа. Они поставляются полностью собранными на опорной раме или плите из конструкционной стали с равномерным распределением веса и допускают стационарную установку на обычном промышленном полу или на постаменте.
ТОПКА ПАРОВОГО КОТЛА
Топка котла – это один из важнейших агрегатов парогенераторной системы. В топке сжигается топливо, в результате чего выделяется тепло, которое передается через металлические стенки рабочей жидкости и превращает ее в пар.
Конструкция.
Современная топка представляет собой клетку из вертикальных труб, присоединенных концами к коллекторным барабанам малого диаметра, включенным в циркуляционную систему котла. С наружной стороны клетка снабжена легкой огнеупорной и теплоизолирующей обшивкой, вес которой несут сами трубы. Промежуток между обшивкой и трубами заполнен кирпичами специальной формовки, которые закрывают задние, т.е. наружные, поверхности труб, но оставляют открытыми их передние поверхности. В результате образуется довольно гладкая конструкция, на которой не задерживаются зола и шлак.
Топливо.
Обычное твердое топливо (каменный уголь или дрова) располагается в виде горящего слоя на колосниковой решетке. Воздух пронизывает этот слой через возникающие сами по себе каналы в измельченном топливе. Если уголь коксуется, размягчаясь и частично спекаясь, то приходится время от времени его перемешивать, что способствует образованию новых и устранению слишком широких старых каналов. Так называемое подвижное топливо (угольная пыль, мазут или топливный газ) вводится в топку горелкой, в которой струя топлива смешивается с сильно закрученным потоком воздуха. Например, угольная пыль сначала подхватывается потоком первичного воздуха, которого, вообще говоря, недостаточно для полного сгорания. Горелка придает этому вращающемуся потоку форму узкого конуса. Затем к нему подводится полный поток вторичного воздуха, и конус дополнительно закручивается (рис. 4).
Для эффективной работы топки необходима тяга. Под тягой понимается разность давлений, заставляющая воздух и топочные газы проходить через топку и связанные с ней устройства. Поскольку эта разность давлений мала, тягу обычно указывают в миллиметрах водяного столба (1 мм вод. ст. равен 9,8 Па).
Дымовая труба.
Самое простое устройство для создания тяги – дымовая труба без какого-либо механического оборудования. Тягу, создаваемую такой дымовой трубой, называют естественной. Эта тяга обусловлена разностью давлений столба нагретого газа, находящегося внутри высокой трубы, и такого же столба более холодного наружного воздуха. Чтобы возникла тяга, нужно вначале создать небольшую разность давлений в нижней части трубы. После этого развивается полная тяга, которая ограничивается только трением газов о стенки. Чем уже труба, тем сильнее эффект трения. Поскольку при температуре ниже 150 ° C тяга, развиваемая дымовой трубой, едва достаточна для преодоления сил трения в ней, современные электростанции работают исключительно с принудительной тягой, создаваемой ротационными вентиляторами и воздуходувками. Расположенная ниже топки воздуходувка гонит воздух под давлением, необходимым для преодоления сопротивления системы подготовки топлива, воздухоподогревателя и горящего слоя или горелок. Установленный над котлом вытяжной вентилятор, засасывая поток еще не остывших газов, создает разность давлений, необходимую для поддержания быстрого течения газов через котел и все другие теплообменные устройства.
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ
Пароперегреватель – это теплообменный аппарат, предназначенный для повышения температуры пара выше нормальной точки кипения. Высокотемпературный перегретый пар позволяет повысить экономичность паровых машин и турбин, так как потребление ими пара снижается примерно на 1% с увеличением перегрева на 5 ° C. Верхняя граница температуры определяется лишь нагревостойкостью механического оборудования и материалов. Крупные электростанции работают с температурами перегретого пара до 500 ° C.
Пароперегреватель изготавливается из стальных труб, образующих поверхность нагрева для проходящего по ним пара. Насыщенный пар из котла входит в один конец трубы и нагревается до нужной выходной температуры теплом топочных газов, подводимым к ее наружной поверхности. Площадь поверхности нагрева пароперегревателей примерно вдвое меньше площади поверхности нагрева котла при умеренных температурах пара и вдвое больше – при высоких. Хотя пароперегреватель может быть выполнен в виде подключенного к котлу отдельного агрегата с собственной топкой, как правило, пароперегреватели встраивают в систему парогенератора. Встроенные пароперегреватели бывают двух видов: радиационные и конвекционные. Поверхность радиационного пароперегревателя, расположенного так, что он воспринимает лучистую теплоту из зоны горения в топке парогенератора, передает пару в 2–3 раза больше тепла, чем такая же поверхность конвекционного. Конвекционные пароперегреватели размещаются в высокотемпературных зонах газовых проходов котлов.
ПАРОГЕНЕРАТОР
Парогенератором обычно называют котел, снабженный отдельными агрегатами или полным набором такого оборудования, как пароперегреватели, экономайзеры, воздухоподогреватели, промежуточные пароперегреватели, а также вспомогательным оборудованием, необходимым для нормальной работы установки. Современная парогенераторная установка может иметь следующие значения рабочих параметров: паропроизводительность более 4500 т/ч, давление 28 МПа, температура 550 ° C, КПД 85%.
ПАРОВОЙ КОТЕЛ ДЛЯ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Ядерный реактор деления предназначается для осуществления и поддержания управляемой реакции деления, в ходе которой энергия выделяется постепенно, по мере необходимости. Основными компонентами ядерного реактора являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы с топливным ядром), замедлитель, теплоноситель, система загрузки топлива, конструкционные элементы, система управления, теплозащитный экран и корпус. Потребляя ядерное топливо, ядерный реактор выделяет тепловую энергию, которая отводится теплоносителем. АЭС теплоносителем обычно служит вода. Такие реакторы с водяным охлаждением могут либо нагревать воду, повышая ее давление (реактор с водой под давлением), либо непосредственно в реакторе кипятить, преобразуя ее в пар (кипящий реактор). В обоих случаях вода-теплоноситель подается насосами в корпус реактора, где она циркулирует между стенкой корпуса и теплозащитным экраном, окружающим сборку ТВЭЛов. Нагретая вода выводится для совершения полезной работы. В случае кипящего реактора пар из него подается непосредственно на приводную турбину электрогенератора. Таким образом, корпус реактора играет роль парового котла. В случае же реактора с водой под давлением тепло от нагретого в реакторе теплоносителя передается вторичному (паровому) контуру, который питает паром турбину электрогенератора. Такая теплопередача осуществляется в противоточном теплообменнике – парогенераторе (рис. 5). Благодаря тому что в реакторе с водой под давлением реакторный теплоноситель не выходит за пределы замкнутого контура, исключается возможность утечки радиации из активной зоны. Эта мера дополняется другими средствами защиты, в частности, возведением толстых бетонных стен вокруг реактора. Для предотвращения коррозии, которая может приводить к разгерметизации, насосы, трубопроводы и соприкасающиеся с теплоносителем поверхности реактора выполняют из нержавеющей стали или из обычной конструкционной стали с инконелевым покрытием. Корпуса ядерных реакторов проектируются и изготавливаются в соответствии со значительно более жесткими нормами, чем обычные паровые котлы. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ
Водоподготовка.
Вопросы водоподготовки имеют важнейшее значение для эксплуатации современных котлов и парогенераторов. Дело в том, что минеральные соли, содержащиеся в воде, образуют накипь в водяных трубах. По мере ее накопления ухудшается теплопередача от топочных газов к воде в трубах, что может закончиться их прогаром. Таким образом, неправильная подготовка воды может привести не только к снижению КПД, но и к аварии. Характер и степень необходимой химической очистки воды зависят от качества источников воды для питания котла. Для снижения содержания минеральных солей в питательную воду, как правило, добавляют какое-либо химическое вещество, например натриевый цеолит. Из питательной воды необходимо также удалять растворенный в ней кислород, так как он вызывает ржавление труб котла. Важное значение имеет периодическая проверка и очистка труб. Все эти меры по защите котла на стороне воды существенно удорожают очищенную питательную воду по сравнению с обычной водопроводной. Нельзя забывать и о защите котла со стороны факела. Для снижения риска выгорания труб котла их в наиболее уязвимых местах покрывают современными плавленолитыми огнеупорами. Обязательно ведется непрерывный контроль за накоплениями золы на наружных стенках, и ее периодически удаляют. Такой контроль на крупных электростанциях ведется централизованно из диспетчерских с помощью замкнутых телевизионных систем.
Управление.
В систему управления парового котла входят устройства для включения и выключения горения топлива, задания и регулирования расходов топлива, воздуха и воды, для сбора и обработки данных обратной связи от турбин и устройств, управляющих производительностью котла. В прошлом многие из этих функций выполнялись вручную. Позднее для реализации некоторых из них были применены электронные схемы, сначала на электровакуумных, а затем на полупроводниковых приборах. Современная компьютерная техника произвела переворот в управлении паровыми котлами, как и многими другими системами. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ТРАНЗИСТОР.
НЕКОТОРЫЕ ПАРОТЕПЛОВЫЕ АППАРАТЫ
Паровой аккумулятор.
Паровой аккумулятор – это аппарат, который накапливает и сохраняет тепловую энергию пара, когда ее подвод превышает потребность в ней, и отдает ее позднее, когда в этом появляется необходимость. Он действует подобно маховику в механических системах. Аккумулятор устанавливается между двумя паровыми системами, в одной из которых рабочее давление больше, чем в другой, и накапливает тепло от системы с более высоким давлением, а в периоды пиковой нагрузки отдает его системе с меньшим давлением. Такая схема позволяет системе с более высоким давлением неизменно работать в оптимальном для парового котла режиме постоянного давления и постоянной нагрузки.
Сепаратор пара.
Сепаратор пара удаляет жидкую фазу из влажного пара, проходящего по трубе, так что в паропотребляющий аппарат попадает только сухой пар. Влага может содержаться в потоке пара уже при его поступлении в трубу, но даже если подается сухой пар, он частично конденсируется в самой трубе, отдавая ей часть своего тепла. Жидкая фаза в потоке пара нежелательна потому, что она снижает эффективность теплоотдачи в паропотребляющем аппарате. Кроме того, резкое торможение или ускорение конденсата, накопившегося в какой-либо полости линии пара, может приводить к гидравлическому удару, способному вызвать повреждение клапанов и другого оборудования. Две типовые конструкции сепаратора пара схематически представлены на рис. 6.
Конденсационные горшки.
Конденсационные горшки – это автоматические клапаны для слива конденсата (а иногда и для выпуска воздуха) по мере его образования в замкнутых паровых объемах. Такое устройство действует как регулятор: закрываясь, оно предотвращает расходование пара и, открываясь, дает конденсату возможность выйти под давлением пара в конденсатоотводную линию. Конденсационные горшки бывают разных типов: механические (поплавковые), терморелейные и лабиринтные (диафрагменные).
Паровой калориметр.
Паровой калориметр предназначен для определения массового паросодержания влажного пара. Массовое паросодержание такой смеси может изменяться от нуля (вода) до 100% (сухой пар). В этих пределах температура при данном давлении может быть одной и той же, так что одновременного измерения только температуры и давления недостаточно для определения паросодержания и других характеристик пара – удельного объема, энтропии и энтальпии. Паровой калориметр же позволяет определять паросодержание смеси, а тем самым и другие указанные характеристики. Это один из важнейших приборов для испытания и эксплуатации паровых машин и другого оборудования, работающего на неперегретом паре.
Также по теме: Литература:Зах Р.Г. Котельные установки. М., 1968
Цвынар Л. Пуск паровых котлов. М., 1981
Воинов А.П. и др. Паровые котлы на отходящих газах. Киев, 1983
Паровой котел сверхкритического давления
Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.
Светлане Плачковой посвящается
Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.
Книга 3. Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики
2.1. Общие сведения, классификация паровых и водогрейных котлов
Котел – это устройство, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного или горячей воды за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива. Основными элементами котла являются топка и теплообменные поверхности. Специальное устройство котла, в котором происходит сжигание топлива, называется топкой или топочной камерой. Некоторые типы котлов, например котлы-утилизаторы, не имеют топки. В этом случае получение пара или подогрев воды осуществляются за счет теплоты горячих газов, образующихся при каком-либо технологическом процессе. Газовый тракт котла, т.е. та часть котла, по которой движутся продукты сгорания, разделен на отдельные газоходы. Взаимное расположение газоходов, определяющее траекторию движения продуктов сгорания и расположение поверхностей нагрева, называется компоновкой. Наиболее распространенными в настоящее время являются П-образная, Т-образная и башенная компоновки. Можно выделить и конвективные газоходы, по которым движутся уже относительно холодные газы.
В котел подается вода, которая называется питательной. Питательная вода в котле нагревается, а затем превращается в насыщенный или перегретый пар требуемых параметров. Под параметрами пара подразумеваются его давление и температура. Основным потребителем водяного пара, вырабатываемого в котельных установках, являются паросиловые установки, а также он может использоваться для технологических нужд.
Преобразование питательной воды в пар происходит в поверхностях нагрева котла. К поверхностям нагрева котла относятся испарительные, пароперегревательные и экономайзерные поверхности. Испарительные поверхности нагрева обычно располагаются в топке котла или непосредственно за ней. В них вода нагревается до температуры насыщения и образуется так называемая пароводяная смесь. Пароперегреватели предназначены для получения перегретого пара.
Барабан котла
Они располагаются за топочной камерой. Экономайзерные поверхности нагрева предназначены для предварительного подогрева питательной воды за счет теплоты уходящих из котла продуктов сгорания. Теплообменные поверхности котла конструктивно могут разделяться на отдельные секции или «пакеты».
К основным элементам котла относятся также барабаны, воздухоподогреватели, горелочные устройства, устройства для регулирования температуры перегрева пара. Барабаны котлов предназначены для отделения насыщенного пара от воды, удаления из него избыточной влаги, а также как устройство, в котором аккумулируется количество воды, необходимое для надежной работы котла. Воздухоподогреватели котла – это поверхности нагрева, в которых происходит предварительный подогрев воздуха, поступающего в топку и необходимого для сжигания топлива. Горелочные устройства – это устройства для сжигания топлива в топке котла. Горелочные устройства современных котлов в первую очередь обеспечивают наиболее эффективное сгорание топлива с точки зрения химических процессов и снижение количества вредных веществ, образующихся в процессе горения и выбрасываемых в атмосферу. К устройствам регулирования температуры перегрева пара относятся теплообменники различных типов и впрыскивающие пароохладители.
Для обеспечения работы современные котлы оснащаются в спомогательным оборудованием , к которому относятся дутьевые вентиляторы, дымососы, золоулавливающее оборудование, оборудование по подготовке топлива и т.п. Совокупность котла и вспомогательного оборудования называется котельной установкой .
Одним из важных элементов котла является каркас, предназначенный для размещения и крепления всех его элементов. Он изготавливается из металлоконструкций и опирается на фундамент или элементы здания.
Для обеспечения безопасности работы персонала, а также для снижения потерь теплоты в окружающую среду на котле предусмотрена обмуровка и тепловая изоляция.
Котлы классифицируются по назначению, паропроизводительности, параметрам пара, типу топочного устройства, способу организации взаимного движения продуктов сгорания и рабочей среды, способу организации движения рабочей среды в поверхностях нагрева и виду сжигаемого органического топлива.
По назначению котлы подразделяются на паровые, вырабатывающие водяной пар требуемых параметров, водогрейные, котлыутилизаторы и энерготехнологические котлы. Они предназначаются для энергетических, производственных, отопительнопроизводственных и отопительных котельных установок.
По паропроизводительности котлы подразделяются на котлы малой производительности, котлы средней производительности, энергетические котлы и котлы большой паропроизводительности энергоблоков ТЭС.
Сборка блоков конвективного перегревателя
По параметрам пара паровые котлы подразделяются на котлы, работающие на низком (0,88 МПа), среднем (1,36, 2,36 и 3,9 МПа), высоком (9,8 и 13,8 МПа), критическом (16 МПа), сверхкритическом (24 МПа) давлении. Достижения современной науки и техники в области получения новых конструкционных материалов и сталей позволили создать новые типы паровых котлов, работающих на суперсверхкритическом давлении (до 30 и более МПа).
Паровые котлы малой паропроизводительности (до 20 т/ч) выпускаются на низкое и среднее давление пара. Они получили значительное распространение и широко используются для технологических и хозяйственных нужд, входят в состав стационарных и передвижных котельно-отопительных установок.
Котлы средней производительности (до 100 т/ч) – это, как правило, котлы среднего давления с умеренной температурой перегретого пара (425–450°С) – широко используются в качестве источника технологического пара на промышленных предприятиях.
Энергетические паровые котлы выпускаются на среднее и высокое давление пара и имеют паропроизводительность от 100 до 640 т/ч. Эти котлы устанавливаются на небольших теплоэлектроцентралях и промышленных предприятиях и предназначаются для выработки электроэнергии, получения водяного пара или горячей воды для технологических нужд и нужд отопления.
Котлы энергоблоков ТЭС (КЭС и ТЭЦ) имеют паропроизводительность до 3600 т/ч и выпускаются на среднее, высокое, сверхкритическое и суперсверхкритическое давление пара. Они предназначены для обеспечения выработки электроэнергии и теплофикации населенных пунктов.
По типу топочного устройства можно выделить котлы, оснащенные слоевой топкой, камерной топкой, циклонной топкой, вихревой топкой, топкой с кипящим слоем, специальными топками для сжигания специфических видов топлива. Котлы, оснащенные вихревыми топками и топками с кипящим слоем, в последнее время имеют множество модификаций и получают все более широкое распространение. Их преимущество перед котлами с камерными топками состоит в том, что они могут сжигать твердое топливо ухудшенного качества и широкую гамму промышленных и бытовых отходов. При этом для них не требуются системы пылеприготовления. Они имеют меньшую металлоемкость и более высокие экологические показатели.
По способу организации взаимного движения продуктов сгорания и рабочей среды котлы подразделяются на газотрубные и водотрубные. Водотрубные котлы в свою очередь выпускаются нескольких модификаций: барабанные с естественной циркуляцией, сепарационные (безбарабанные) с многократной принудительной циркуляцией и прямоточные котлы. В котлах с естественной циркуляцией циркуляция воды осуществляется за счет разностей ее плотности; для обеспечения принудительной циркуляции используются циркуляционные насосы, а движение среды в прямоточных котлах осуществляется за счет напора, развиваемого питательным насосом.
Развитие типов водотрубных котлов показано на рисунке 2.1.
Отличительной чертой водотрубных барабанных котлов является наличие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой.
Важным шагом в развитии конструкций паровых котлов явилось изобретение прямоточных котлов (рис. 2.1, д ). Прямоточное движение рабочей среды в паровых котлах предложено в конце XIX века русскими инженерами, в том числе Д.И. Артемьевым, который в 1893 году создал судовой прямоточный котел.
Прямоточные котлы не имеют барабана, в них вода, а затем пароводяная смесь и пар (называемые вместе рабочей средой) последовательно проходят все поверхности нагрева котла. В отличие от барабанного типа прямоточные котлы могут работать и при сверхкритическом давлении рабочей среды.
По типу тяги в газовоздушном тракте паровые котлы разделяются на котлы с уравновешенной тягой и наддувом. В котлах с уравновешенной тягой движение продуктов сгорания по газовоздушному тракту принудительное и осуществляется за счет совместной работы дымососа и дутьевого вентилятора. В котлах с наддувом сопротивление газового тракта в основном преодолевается работой компрессора.
Рис. 2.1. Развитие типов водотрубных котлов: а – цилиндрический; б – камерный горизонтально-водотрубный; в – двухбарабанный вертикальноводотрубный; г – однобарабанный факельный вертикально-водотрубный; д – прямоточный; 1 – топка; 2 – барабан-сепаратор; 3 – нижний барабан; 4 – выход пара; 5 – раздающая водяная камера; 5' – коллектор; 6 – трубы котельных пучков; 6' – трубы настенных экранов; 7 – экономайзер; 8 – пароперегреватель; 8' – настенный ленточный перегреватель; 9 – воздухоподогреватель; 10 – колосниковая решетка; 11 – горелка; 12 – вход воды в котел
По виду сжигаемого органического топлива паровые котлы разделяются на котлы, сжигающие твердое, жидкое, газообразное топливо, а также бытовые отходы, дрова, биомассу.
Для маркирования паровых котлов приняты такие обозначения: П – прямоточный; Е – котел с естественной циркуляцией; Пр – котел с принудительной циркуляцией и т д. Например, типоразмер Е-420-140ГМ означает: паровой котел с естественной циркуляцией для сжигания газа и мазута паропроизводительностью 420 т/ч с давлением 140 кгс/см 2 (14 МПа).
Паровые котлы: устройство и классификации
Несмотря на стремительное развитие технологий, в производственных процессах целого ряда отраслей водяной пар не может быть эффективно заменен никаким другим теплоносителем. Поэтому каждый раз при проектировании и закладке новых производств инженерам придется решать задачу подбора подходящего котельного оборудования. В этом обзоре мы хотели бы разобрать основные классификации паровых котлов и соотнести их с моделями, представленными в продуктовом портфеле ICI Caldaie, чтобы обеспечить информацией специалистов, занятых выбором.
Устройство парового котла: как менялась конструкция
Принцип работы парового котла остается неизменным с момента его изобретения: тот или иной источник тепла нагревает воду, заключенную в большом или малом металлическом сосуде до температуры кипения и испарения. Скапливаясь в верхней части сосуда продукты испарения достигают необходимых величин давления и температуры, после чего направляются через паропровод потребителям или в пароперегреватель для достижения более высоких рабочих параметров. Эффективность процесса выработки пара определяется наиболее полным использованием теплоты, выделяемой источником. Развитие инженерной мысли в этом направлении можно отследить по тому, как менялась конструкция парового котла.
цилиндрический котел с внешней топкой
Первые парогенераторы напоминали котлы для варки пищи. Дровяная или угольная топка располагалась снаружи, нагревая бак с водой снизу. При такой схеме значительная часть тепла расходовалась на обогрев окружающей среды, что и обуславливало крайне низкий КПД первых паровых котлов.
паровой котел с жаровыми трубами
Разумным решением стало размещение топки внутри водяного объема котла. Вкупе с теплоизоляцией внешней обшивки бака это значимо повысило КПД, позволив расходовать тепло преимущественно на нагрев воды.
В принципиально ином направлении развивалась конструкция паровых водотрубных котлов, чаще всего используемых в качестве силовых установок в электроэнергетике, на железнодорожном и водном транспорте. В случае водотрубного котла не источники тепла – топка и газоходы – размещались внутри водяного объема, а наоборот: водяной объем, распределенный по трубам малого диаметра, размещался в газоходах, по которым движутся продукты сгорания.
Такая конструкция с высокой эффективностью позволяет вырабатывать пар критического давления, избыточного для технологических процессов большинства отраслей. Принципиальные различия в конструкции водотрубных и жаротрубных котлов легли в основу большинства классификаций котельного оборудования.
Классификации паровых котлов
Классификация по назначению
Данная классификация соотносит те или иные типы паровых котлов не с конкретными отраслями, а скорее с укрупненными сферами применения. В соответствии с ней, паровые котлы делятся на энергетические, промышленные (технологические) и отопительные (энерготехнологические).
Энергетические котлы используются на электростанциях для передачи вращения турбинам, генерирующим электричество. Вырабатываемый данным оборудованием пар характеризуется высоким и сверхвысоким давлением.
Промышленные или технологические паровые котлы вырабатывают насыщенный пар для технологических нужд. Давление получаемого пара редко превышает 3 МПа (30 бар). В общей классификации котлов по давлению данный класс оборудования относится к котлам низкого и сверхнизкого давления. Если же рассматривать технологические паровые котлы как отдельный сегмент, то разделение оборудования на котлы низкого и высокого давления привязано к нормативам Ростехнадзора, устанавливающим поднадзорность сосудов, работающих под давлением. Подробнее об этом – в статье «Производственные котлы высокого и низкого давления».
Отопительные или энерготехнологические котлы находятся на стыке промышленных и энергетических. В России их широкое применение было обусловлено повсеместным строительством моногородов и жилых районов при промышленных предприятиях. Энерготехнологические паровые котлы вырабатывали пар одновременно для производственных нужд и для отопления коммунального сектора. В настоящее время в соответствии с программами повышения энергоэффективности и реконструкции производств крупнотоннажные паровые котлы заменяются котлами меньшей паропроизводительности, а для теплоснабжения жилых районов строятся более экономичные водогрейные котельные.
Компетенция ICI Caldaie – производство экономичных производственных паровых котлов жаротрубного типа с проходной и реверсивной топкой, отвечающих высоким стандартам эксплуатационной и экологической безопасности.
Классификация паровых котлов по давлению
Сквозная классификация по давлению, объединяющая все виды паровых котлов выглядит следующим образом. Область высокого давления (энергетики) включает котлы высокого, критического и сверхкритического давления. Диапазон: от 3,9 МПа до 22,5 МПа (39-225 бар). Область низкого давления (промышленность) включает котлы серхнизкого (до 0,1 МПа), низкого (0,1-1 МПа) и среднего (1-39 МПа) давления. Котлы сверхнизкого давления не подлежат регистрации в территориальных органах Ростехнадзора.
В модельном ряду ICI Caldaie область сверхнизкого давления представлена сериями:
Производственные паровые котлы высокого и низкого давления
Задачей более чем полувекового развития компании ICI Caldaie была и остается – разработка надежных технических решений в области промышленной выработки пара, отвечающих растущим требованиям потребителей. В настоящее время компания предлагает 6 серий парового котельного оборудования высокого и низкого давления, ориентированного на предприятия различных отраслей. Обзору предлагаемых решений посвящена данная статья.
Применение пара в производстве
Обогрев / Стерилизация. В пищевой промышленности, производстве напитков, индустрии стройматериалов, в медицине и химии пар используется для термической обработки сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.
Увлажнение и насыщение влагой. В этой роли пар незаменим в сельском хозяйстве при изготовлении комбикормов, на целлюлозно-бумажных и текстильных производствах. Те же свойства, но при более низком давлении востребованы в системах подготовки воздуха для хранилищ музеев, библиотек, исследовательских лабораторий.
Очистка поверхностей. Пар высокого давления применяется для удаления загрязнений с внутренних поверхностей трубопроводов и чистки промышленного оборудования. Механическим свойствам пара находится промышленное применение в процессах очистки производственных паров, атомизации углеводородов в нефтепереработке.
Эффективность каждого из этих процессов определяется тем, насколько точно параметры давления и температуры вырабатываемого пара соответствуют технологическим требованиям.
Классификация паровых котлов по давлению
Нормативная классификация паровых котлов по давлению охватывает как генераторы промышленного, так и энергетического назначения:
Следуя этой классификации, все оборудование, вырабатывающие пар для производственных нужд, попадает в категорию котлов низкого и среднего давления. Поскольку производство энергетических и производственных паровых котлов – это различные компетенции, практически не пересекающиеся между собой, в сегменте производственных паровых котлов существует альтернативная классификация, привязанная к отраслевым нормативным требованиям.
В России основными документами, регламентирующими работу с котельными установками различного давления являются:
- Нормы проектирования, свод правил СП 89.13330.2016 СНиП II-35-76 «Котельные установки»
- Федеральные нормы и правила «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением»
В соответствии с надзорной классификацией паровые котлы можно разделить на две большие группы:
- котлы низкого давления – агрегаты с давлением не более 0,7 бар (0,07 МПа). Это оборудование не подлежит регистрации в подразделениях Ростехнадзора
- котлы высокого давления – агрегаты с давлением от 0,7 до 39 бар
При этом большинство моделей промышленных паровых котлов, представленных на рынке, рассчитаны на максимальное давление 25-32 бар. Наиболее распространенным типом конструкции в категориях котлов как низкого, так и высокого давления является жаротрубная или газотрубная, подразумевающая расположение топки и дымогарных труб в водяном объеме. Котлы с водотрубной конструкцией представлены в значительно меньшем количестве.
Котлы ICI Caldaie низкого и высокого давления
Выпускаемые компанией ICI Caldaie паровые и водогрейные котлы также относятся к типу жаротрубных. Начало их производства совпало с периодом активного перехода промышленности и коммунального сектора с твердого топлива на жидкое и газообразное. В последующие десятилетия конструкция котлов постоянно совершенствовалась, оборудование завоевывало все новых и новых клиентов. Сегодня сеть компании ICI Caldaie насчитывает около 20 представительств и тысячи клиентов по всему миру. С компанией сотрудничают ведущие компании: Carlsberg, Asus Computers, Fiat, Michelin, Marriott и многие другие.
Инженерный центр и производство находятся в неразрывной связи с промышленными предприятиями различных отраслей и масштаба. Это позволяет компании предлагать широкую линейку паровых котлов высокого и низкого давления с паропроизводительнсотью от 50 кг до 32 т пара в час.
Паровой котел сверхкритического давления
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕЭС РОССИИ»
ТИПОВОЕ РУКОВОДСТВО
по эксплуатации паровых котлов высокого и
сверхкритического давления ТЭС
Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС»–«Фирма ОРГРЭС»,
Департамент технического аудита и генеральной инспекции КЦ ОАО РАО «ЕЭС России»
ИСПОЛНИТЕЛИ
Калиничев В.М., Лепаев П.А., Батунов Г.К., (Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС»–«Фирма ОРГРЭС)
Никифоров Н.А. (УралОРГРЭС)
Верховский Г.Е (Московский Энергетический Институт (Технический Университет)
Скоробогатых В.Н. (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»)
Львов М.Ю., Андреев А.А. (ОАО РАО «ЕЭС России»)
Членом Правления, Техническим директором ОАО РАО «ЕЭС России» Б.Ф. Вайнзихером 28.01.2008 г.
В настоящем Типовом руководстве (далее Руководство) приведены требования и рекомендации технического и организационного характера, направленные на обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации паровых котлов высокого и сверхкритического давления тепловых электрических станций.
Руководство разработано впервые в развитие большей части нормативных документов по эксплуатации паровых котлов.
Руководство предназначено для применения организациями, выполняющими работы по эксплуатации, техническому обслуживанию, наладке и ремонту оборудования тепловых электрических станций.
Читайте также: