Судовые вспомогательные котельные установки

Обновлено: 17.05.2024

Принцип действия, состав и системы котельных установок морских судов

Применение водяного пара для различных целей и устройств, облегчающих труд человека, осуществлялось очень давно, раньше, чем была изобретена паровая машина. К таким устройствам можно отнести, например, шар Герона Александрийского (около 120 г. до н. э.) и паровую пушку Леонардо да Винчи (XVв.). Агрегаты, генерирующие пар для использования с целью получения механической работы, созданы несколько столетий спустя.

Впервые паровой котел как генератор, производитель пара, был отделен от исполнительного механизма в 1600 г. в установке Джамбатиста дела Порта для подъема воды. Однако отсутствие в то время универсального парового двигателя тормозило развитие паровых котлов.

Направление по созданию корабельных паровых котлов последовательно возглавляли Э.Э. Папмель, М.И. Шулинский, Г.А. Гасанов. Ими был спроектирован паровой котел для сторожевого корабля “Ураган” проекта. В процессе его создания был развернут комплекс научно-исследовательских и экспериментальных работ по теории горения и внутрикотловых процессов.

В январе 1930 г. после стендовых испытаний нескольких вариантов комиссией был принят к серийному производству паровой котел для этого корабля. В этом же году на Северной судостроительной верфи во главе с В.А. Бжезинским было организовано ЦКБС-1, в состав которого входили и турбинисты, возглавляемые Б.С. Фрумкиным. Коллективом турбинистов был создан первый отечественный турбозубчатый агрегат, состоящий из высокооборотных турбин высокого и низкого давления и зубчатого редуктора (максимальная частота вращения гребного вала составляла 630 об/мин).

В конце 30-х годов по мере накопления опыта проектирования, завершения теоретических экспериментальных работ и совершенствования технологии изготовления корабельного оборудования отечественная судостроительная промышленность самостоятельно приступила к постройке энергетических установок легких крейсеров типа «Чапаев» и тяжелого крейсера «Кронштадт».

Опыт Второй мировой войны показал, что котлотурбинные энергетические установки большинства классов кораблей имеют недостаточную топливную экономичность, маневренность, долговечность котельных трубок, а также большие массогабаритные показатели. Для решения этих проблем необходимо было восстановить специализированные предприятия и конструкторские бюро. Так, в 1946 г. было создано специальное КБ котлостроения, которое возглавил Г.А. Гасанов. В 1946-1952 гг. на Северной судостроительной верфи было организовано СКБТ, которое возглавил опытный инженер Г.А. Оглобин.

В своей работе конструкторы использовали результаты исследований ученых Н.Н. Семенова, Я.Б. Зельдовича, Д.А. Франк-Каменецкого, Г.Ф. Кнорре, Л.А. Вулиса, Г.А. Абагянца, Н.М. Кузнецова. Велись научные работы, которые решали одну из важнейших проблем по организации смесеобразовательных процессов подогрева и испарения капель топлива, совершенствованию аэродинамической основы организации процессов в топке. К выполнению ряда работ были подключены специалисты Военно-морской академии и военно-морских училищ. Работы были направлены главным образом на создание высокоэкономичных автоматизированных паровых котлов с КПД 85—86% и подачей воздуха в топку.

Проведение новых исследований совпало с началом проектирования котлотурбинных энергетических установок для ряда кораблей: СКР «Горностай», ЭМ «Неустрашимый, ЭМ «Веский».

Для СКР «Горностай» был создан не имеющий аналогов турбозубчатый агрегат ТВ-9, состоящий из однокорпусной высокооборотной турбины реактивного типа, двухступенчатого редуктора с раздвоением мощности и конденсатора с самопроточной циркуляцией. Для повышения экономичности установки, начиная с ЭМ «Неустрашимый», в главных котлах КВ-76 были увеличены начальные параметры пара до давления 64 кгс/см 2 и температуры перегрева – до 470°С.

С целью увеличения теплонапряжения топочного объема в котлах были применены подача воздуха в топку с давлением 900-1100 мм.в.ст. и двухфронтовое отопление. Для этих кораблей также разработан вы­сокооборотный двухкорпусный агрегат ТВ-8, большой мощности, с гибкими связями подвижных концов турбин с фундаментом. Для этих установок был создан и принципиально новый автоматизированный насосный турбоагрегат, включающий три насоса – питательный, конденсатный и бустерный – с единым высокооборотным турборедукторным приводом. Впервые были использованы подшипники на водяной смазке.

В результате комплекса этих работ была разработана новая методология компоновки энергетического оборудования, позволяющая разместить в одном энергетическом отсеке паровые котлы и турбозубчатый агрегат с обслуживающим их оборудованием, что упростило конденсатно-питательную систему, повысило экономичность и улучшило массогабаритные характеристики установки. Без существенных изменений эта установка применялась на большой серии ЭМ «Веский» и БПК «Гремящий».

При постройке кораблей в период 60-70-х годов потребовалось создание более экономичной и компактной котлотурбинной установки большой мощности. Выполненные в СКБК, ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, 1-м ЦНИИ МО исследования показали возможность улучшения характеристик котельной установки на основе компрессорного наддува воздуха в топку котла с использованием тепла уходящих газов в турбонаддувочном агрегате.

Одновременно коллективом Кировского завода под руководством главного конструктора В.Э. Берга был разработан турбозубчатый агрегат ТВ-12 мощностью 45 000 л.с., который стал основной базовой моделью для надводных кораблей.

Используя накопленный опыт проектирования и достижения науки 50-60-х годов, конструкторам удалось повысить мощность агрегата на 25% при одновременном снижении на 35% его массы и увеличении КПД на 3-4%.

В это же время в СКБК под руководством Г.А. Гасанова был спроектирован и построен высоконапорный паровой котел КВН 95/64 с высокими параметрами пара, в котором впервые было применено разра­ботанное сотрудником 1- го ЦНИИ МО Ю.А. Убранцевым газоохлаждающее устройство эжекционного типа, позволившее снизить температуру уходящих газов до 100°С, что обеспечило значительное уменьшение теплового поля корабля.

Все эти нововведения были заложены в котлотурбинную энергетическую установку ракетного крейсера «Грозный». Став базовой, в дальнейшем она прошла ряд этапов усовершенствования конструкций главных и вспомогательных механизмов, автоматизированного управления, водного режима, улучшения характеристик и др. Мощность ГТЗА-674 была увеличена до 50 000 л.с.

Таким образом, в результате большого объема выполненных НИР и ОКР в послевоенный период была создана унифицированная автоматизированная котлотурбинная энергетическая установка с высоконапорными котлами, которая является самой мощной среди установок на органическом топливе и широко применяется на современных крупных надводных кораблях.

Актуальность темы ВКР заключается в том, что в настоящее время особую актуальность приобретают вопросы рационального использования топливно-энергетических ресурсов. Экономия топлива в судовых энергетических установках может быть достигнута снижением его расхода во вспомогательных котлах и применением систем утилизации тепла отработавших газов судовых двигателей внутреннего сгорания. Особое место должно уделяться изучению влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на экономичность котлов.

  • изучить принцип действия, состав и системы котельных установок морских судов;
  • рассмотреть назначение использования котлов и их классификацию;
  • рассмотреть параметры теплоносителей и основные показатели рабочего процесса котлов;
  • рассмотреть применяемые материалы, их прочностные характеристики и допускаемые напряжения;
  • изучить методики расчета прочности основных элементов котлов;
  • произвести расчет на прочность барабана котла;
  • произвести расчет на прочность днища барабана котла.

Объект ВКР – судовой паровой котел.

Принцип действия, состав и системы котельных установок морских судов

Принцип действия парового котла определяется сущностью его рабочего процесса, который состоит в том, чтобы за счет подвода определенных количеств тепла и воды генерировать заданные количество и качество пара.

Есть два источника получения тепла в котле:

Надежность и эффективность рабочего процесса судового котла обеспечиваются как собственно агрегатом, так и другими частями установки, в состав которой могут входить вспомогательные устройства: насосы (питательные, топливные и циркуляционные), вентиляторы, дымососы, а также элементы системы автоматического регулирования, арматура и контрольно-измерительная аппаратура.

Паровые котлы и вспомогательные элементы установки сообщаются следующими основными системами: питательной, топливной, перегретого и насыщенного пара, а также воздушного тракта.

Все обслуживающие агрегаты, вспомогательные элементы и системы составляют судовую котельную установку [7, с. 11].

Использование котлов и их классификация

Энергетические установки морских судов независимо от их назначения, а также типа применяемого главного двигателя должны обеспечивать потребители паром требуемого количества и качества. С этой целью на судах используют котлы, назначением которых является генерирование пара с давлением выше атмосферного.

Сравнительную оценку конструктивных схем и теплотехнических характеристик паровых котлов производят согласно определенной их классификации. Возможно несколько различных подходов к вопросу о классификации агрегатов. Применительно к судовым энергетическим установкам классифицируют котлы по следующим основным признакам (с учетом ОСТ5.4295—79).

  1. По назначению котлы используют в составе как главных, так и вспомогательных установок.

Главные котлы обеспечивают паром главный двигатель, приводящий в действие гребной винт, и некоторые вспомогательные потребители. Главные котлы устанавливают на современных паротурбинных судах. Их ранее использовали на пароходах сравнительно давней постройки, на которых главным двигателем была паровая поршневая машина.

  1. По принципу движения воды и пароводяной смеси все котлы можно разделить на агрегаты с естественной циркуляцией и с принудительным током воды. Процесс естественной циркуляции, т. е. движение воды и пароводяной смеси по замкнутому контуру, происходит за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси и правильной компоновки парообразующих элементов.

Принудительный ток воды и пароводяной смеси в котлах создается специальным насосом. Причем различают два типа агрегатов: прямоточный, в котором принудительный ток обеспечивается питательным насосом, подающим в котел питательную воду, и с искусственной циркуляцией (или многократно принудительной), создаваемой отдельным циркуляционным насосом.

В настоящее время на морских судах как главные, так и вспомогательные котлы обычно выполняют водотрубными с естественной циркуляцией. Котлы с искусственной циркуляцией широко применяют как утилизационные агрегаты на теплоходах. Прямоточные котлы в судовой практике не применяют, но их широко используют в стационарных установках.

Рассмотренная классификация судовых котлов по указанным основным признакам нуждается в дополнениях, которые определяются конструктивными и другими конкретными особенностями агрегатов и отдельных их групп.

Следует отметить необходимость дополнительной классификации, прежде всего большой группы водотрубных котлов с естественной циркуляцией, которые, кроме обычной схемы, могут быть выполнены и в виде двухконтурной компоновки. Обычные (одноконтурные) котлы широко распространены, а двухконтурные применяют как вспомогательные агрегаты на танкерах с дизельными установками. Обычные водотрубные котлы различают также по принципу отвода дымовых газов с двух- и односторонним ходом газов.

Котлы с двухсторонним ходом (двухпроточные) относятся к агрегатам сравнительно давней постройки, которые выполнялись в виде симметричной и асимметричной компоновки (т. е. с одинаковыми или разными элементами для каждого хода газов); их называли также треугольными, или шатровыми. Современные котлы имеют односторонний ход газов, т. е. являются однопроточными.

В последние годы для паротурбинных установок создан новый тип главного котла с потолочным расположением горелок, т. е. не на фронте, а в верхней части котла [2, с. 56].

Параметры теплоносителей и основные показатели рабочего процесса котлов

Рабочий процесс котла весьма сложен: его можно рассматривать состоящим из нескольких отдельных процессов, которые происходят в воздушно-газовом и пароводяном трактах.

В воздушно-газовом тракте происходит непрерывный подвод воздуха и топлива, горение топлива и отвод продуктов сгорания (дымовых газов), которые являются основным теплоносителем. Горение топлива и движение продуктов сгорания по газоходам обусловливают основной процесс, связанный с тепловыделением и передачей теплоты поверхностям нагрева котла. При движении воздуха и газов возникают сопротивления, на преодоление которых требуется определенный расход энергии.

В пароводяном тракте происходят процессы подвода питательной воды, подогрева ее до кипения, парообразования, перегрева пара и отвода его к потребителям.

Для оценки теплотехнических особенностей процессов, происходящих в воздушно-газовом и пароводяном трактах, используют ряд показателей, зависимости между которыми называют характеристиками рабочего процесса [8, с. 30].

Для утилизационной установки к показателям рабочего процесса относят также температуры отработавших газов двигателя соответственно перед котлом t1 и за ним t2.

Перечисленные величины изменяются во время работы котла в зависимости от его нагрузки. Закономерности изменения этих величин различны и определяются режимом работы главной или вспомогательной пароэнергетической установки судна.

Паропроизводительность является главным показателем, характеризующим нагрузку. В условиях эксплуатации судна котел должен обеспечивать паропроизводительность, необходимую для заданного режима работы энергетической установки. В зависимости от мощности турбинной установки полная паропроизводительность одного главного котла при нормальной нагрузке, соответствующей полному ходу судна, может составлять 10000-80000 кг/ч, а иногда 100000 кг/ч и больше.

Расход топлива является показателем, также характеризующим нагрузку котла. Расход топлива определяется общей экономичностью энергетической установки, его качеством, условиями эксплуатации и определяется в килограммах на час (кг/ч) или килограммах на секунду (кг/с).

Параметры пара характеризуются его рабочим давлением и температурой. Обеспечение оптимальных параметров пара во время эксплуатации позволяет поддерживать требуемую экономичность установки при заданной ее мощности. Выбор оптимальных параметров пара для судовых установок представляет весьма обширную и самостоятельную проблему. Можно отметить, что развитие судовых главных пароэнергетических установок характеризуется повышением давления и температуры перегретого пара, так как это является основным средством снижения расхода топлива.

Абсолютные значения параметров пара определяются типом главного двигателя и тепловой схемой установки. Для паровых транспортных судов современной постройки применяют турбинные установки, использующие пар повышенных и высоких параметров.

Экономическая целесообразность повышения параметров пара тем, больше, чем выше мощность энергетической установки [6, с. 104].

Отечественная и зарубежная практика эксплуатации судов с турбинными установками сравнительно небольшой мощности показывает, что для таких установок используют пар давлением 3-3,5 МПа и температурой 400-420° С. Указанные параметры пара обеспечивают достаточную экономичность установки, позволяют снизить стоимость постройки, так как для элементов котла и турбин может быть использована обычная углеродистая сталь. Серия отечественных судов типа «Сергей Боткин» оборудована турбозубчатыми установками мощностью около 3300 кВт, работающими на таких параметрах пара. Развитие современных энергетических установок как стационарных, так и судовых за последние годы характеризуется значительным повышением начальных параметров пара.

В стационарной практике для мощных турбинных установок тепловых электростанций применяют сверхкритические и сверхвысокие параметры пара (давление до 30 МПа и температура 650° С для энергоблоков мощностью 300-800 МВт и более).

Условия работы внутрибарабанного пароохладителя таковы, что охлажденный пар всегда будет иметь некоторый перегрев. Объясняется это тем, что давление охлаждаемого пара ниже рабочего в барабане назначения сопротивлений в сообщительных трубах, пароперегревателе и арматуре. Поэтому температура стенки труб пароохладителя, равная температуре кипения ts при давлении в барабане рк, будет выше температуры насыщения при давлении охлаждаемого пара.

Перегрев охлажденного пара в 15-50° С обусловливается главным образом требуемым температурным напором, обеспечивающим приемлемые размеры пароохладителя.

Для вспомогательных котельных установок используют низкие параметры: давление примерно 0,5-152 МПа, иногда до 3,0-3,5 МПа, пар насыщенный или с небольшим перегревом. На современных морских теплоходах с мощными двигателями применяют энергетические установки с утилизационными турбогенераторами, работающими на слабоперегретом паре с температурой 240-280° С.

Абсолютное значение температуры питательной воды за последней ступенью водоподогревателя определяется в основном начальными параметрами пара. Как правило, чем выше эти параметры, тем больше будет и температура питательной воды, поступающей в главный котел. При высоких параметрах (9-10 МПа и 510-520° С) иногда бывает целесообразно применить четыре или пять ступеней подогрева, обеспечивающих температуру питательной воды 225° С и более. При использовании сверхвысоких параметров пара температура питательной воды при многоступенчатом ее подогреве достигает 280° С.

Для судовой установки температура питательной воды имеет большое значение, так как в эксплуатационных условиях изменение ее влияет на паропроизводительность (или на расход топлива) и на температуру перегретого пара [1, с. 84].

Температура воздуха, поступающего в топку, зависит в основном от компоновки агрегата. Подача в топку подогретого воздуха улучшает процесс горения топлива и повышает экономичность котлов, в связи с чем их, как правило, оборудуют воздухоподогревателями.

Температура холодного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель, зависит от места забора воздуха вентилятором. Обычно воздух засасывается из верхней части машинного отделения, где температура составляет 30-40° С.

Температура горячего воздуха, поступающего в топку, определяется главным образом типом воздухоподогревателя, нагрузкой котла и требуемым значением его к. п. д. В условиях морского транспортного судна температура горячего воздуха при сжигании мазута в топках главных котлов может достигать 200-250° С, иногда и выше.

В экономайзерах судовых котлов вода не доводится до состояния кипения, поэтому ее запас в экономайзере не включен в величину GB (количество воды в парообразующих элементах, кг). Водосодержание, определяющееся в основном геометрическими размерами водяного тракта, характеризует аккумулирующую способность, т. е. инерционность котла, а, следовательно, его работоспособность при изменениях нагрузки.

Для водотрубных котлов, установленных на морских судах, обычно ч, а иногда и выше ч.

Чем меньше водосодержание, тем более заметны колебания уровня воды и давления пара при изменениях режима. Поэтому при низких значениях со надежная работа котла может быть обеспечена лишь с помощью специальной, иногда довольно сложной системы автоматического регулирования уровня воды в барабане. При водосодержании ч может быть использована простая система автоматического регулирования уровня, что обычно имеет место у вспомогательных и утилизационных котельных установок [10, с. 59].

Выше рассмотрены некоторые основные показатели рабочего процесса котлов. Что касается других показателей, перечисленных в начале этого параграфа, представляется целесообразным произвести сравнительную их оценку после рассмотрения основных теоретических определений рабочего процесса котлов.

Отмеченные показатели позволяют использовать их для оценки основных требований, предъявляемых к судовым котлам.

На современных морских судах устанавливают в качестве главных водотрубные котлы с естественной циркуляцией. Назначение и требования к ним определяются конкретным типом судна. При этом главные котлы должны обеспечивать главные турбины и вспомогательные потребители па­ром требуемых параметров при всех режимах работы. Вспомогательные котлы на паротурбинных судах обычно не устанавливают, так как эффективность работы одного главного агрегата при значительном уменьшении нагрузки (стояночный режим) не ниже, чем у малого вспомогательного, который является дополнительным элементом, усложняющим энергетическую установку. Вспомогательные паропотребители должны расходовать не насыщенный пар из пароводяного барабана, а охлажденный или из отборов главной турбины, так как это увеличивает надежность работы пароперегревателя и повышает экономичность судовой установки.

В турбинных установках с промежуточным перегревом пара главный котел должен также обеспечивать примерно одинаковую температуру перегретого пара после первичного и вторичного (промежуточного) пароперегревателей [15].

В соответствии с изложенным к главному котлу предъявляют ряд основных требований.

Паровой котел морского судна должен обладать высокой надежностью, иметь простую и удобную в обслуживании конструкцию и наивысшую экономичность при возможно меньших габарите и массе. Стоимость постройки, эксплуатационные расходы и трудозатраты на ремонт должны быть также невысокими.

Требования, предъявляемые к котлу, обычно обеспечиваются лишь в том случае, если он выбран в соответствии с назначением судна и типом энергетической установки. Причем требования в отношении экономичности и снижения габарита и массы могут быть всегда удовлетворительно разрешены.

Назначение вспомогательной котельной установки и ее схема

Паровым котлом называется агрегат, предназначенный для производства пара за счет превращения химической энергии топлива (обычные паровые котлы) или электроэнергии (электрокотлы) в тепловую.

Во вспомогательных котлах пар образуется в результате передачи тепла, возникающего при сгорании топлива, рабочему веществу, которым служит вода.

Котел с обслуживающими его устройствами называют котельной установкой , или котельным агрегатом.

Вспомогательные котельные установки имеются на всех, теплоходах и на некоторых пароходах. Их назначение сводится к обеспечению паром паровых механизмов, отопительной системы, подогрева топлива, приготовления пищи, душевых, прачечной и паротушения. На танкерах пар от вспомогательных котлов используется также для подогрева груза при подходе к порту, подогрева моечной воды танков и для обеспечения паром грузовых насосов. Принципиальная схема вспомогательного котлоагрегата приведена на рис. 86.

Топливо из расходной топливной цистерны подается насосом в топку, предварительно очищаясь от механических примесей в фильтре. Наряду с топливом в топку подается воздух с помощью вентилятора. Горячие газы, образовавшиеся при сгорании топлива, двигаясь по газовому тракту котла, нагревают находящуюся в нем воду и с температурой 250—300° С уходят в атмосферу через дымовую трубу. Образовавшийся в котле пар распределяется по потребителям (например, на отопление), где отдает часть тепла и по выходу конденсируется. Конденсат возвращается в теплый ящик и питательным насосом снова подается в котел. Таким образом, рассматриваемый котельный агрегат обеспечивает преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию водяного пара. При этом, как отмечалось выше, происходят процессы горения топлива, передача тепла от продуктов горения к воде и парообразование.

Назначение, состав, принцип действия и классификация судовых котельных установок.

Судовая энергетическая установка независимо от назначения судна и типа применяемого главного двигателя должна непрерывно обеспечивать энергией все судовые потребители, как на ходу судна, так и на стоянке в порту. С этой целью СЭУ вырабатывает энергию различных видов (механическую, электрическую, тепловую), которая хранится на судне в виде скрытой химической энергии органического топлива

Тепловая энергия вырабатывается в основном в котельных установках, являющихся составными элементами СЭУ.

Назначение. Комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающий преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды требуемых параметров, называется котельной установкой (пароэнергетической установкой).

Состав. Котельная установка состоит из котла, обслуживающих его механизмов и систем:

- питательной системы, которая служит для подготовки и подачи питательной воды в котел;

- топливной системы, которая служит для подготовки и подачи топлива к форсункам котла;

- воздушно-газовой системы, которая служит для подготовки и подачи воздуха в топку котла и отвода из него дымовых газов.

- системы продувки, которая предназначена для периодического удаления из котла накапливающихся в котловой воде солей и шлама;

- системы ввода в котел химических реагентов с целью предотвращения накипи и образования коррозии;

- системы автоматического регулирования, сигнализаций и защиты, в которую входят системы регулирования питания котла, давление и температуры пара, элементы сигнализации и защиты.

В паровом котле протекает процесс преобразования энергии органического топлива в тепловую (потенциальную) энергию, производимого пара, который сопровождается горением топлива, теплообменом между продуктами горения и рабочими средствами, парообразования, циркуляцией воды и пароводяной смеси, сепарацией пара, движением сред (пара, воды, воздуха).

На судах применяют главные, вспомогательные котельные установки. В главной котельной установке энергия используется для приведения в действие движителей судна. Вспомогательные котельные установки, обеспечивают энергией вспомогательные технические средства, нормальное функционирование главной энергетической установки и другие судовые потребители.

Паровые котлы теплоходов и газотурбоходов предназначены для производства пара необходимых параметров, расходуемого:

- на эксплуатационные нужды (подогрев топлива, масла, обогрев кингстонов, опреснение забортной воды и др.);

- на общесудовые нужды (отопление, камбуз, прачечные, душевые, систему паротушения и др.);

- на технологические нужды (на промысловых судах);

- для подогрева жидкого груза на танкерах;

- на работу турбогенераторов и вспомогательных механизмов.

В котлах для производства пара используется химическая энергия топлива (вспомогательные котлы), но может использоваться и теплота отработавших газов двигателей (утилизационные котлы).

Рассмотрим процесс производства пара на примере парового водотрубного котла (рис. 1). Каждый котлоагрегат имеет два самостоятельных тракта - воздушно-газовый и пароводяной.

В воздушно-газовом тракте происходит непрерывный подвод воздуха и топлива, горение топлива и отводных продуктов сгорания. В топке 10 стенки 11 которой выложены огнеупорным кирпичом, сжигается топливо. Образующиеся при этом топочные газы проходят между трубами 7, передавая значительную часть своей теплоты циркулирующей воде, и уходят через газоход 1 в дымовую трубу. Газовый тракт котла отделен от атмосферы обшивкой, наружные поверхности которой, а также коллекторов 6 и 12 покрыты теплоизолирующими материями.

Через поверхность нагрева котла теплота от газов передается нагреваемой среде (воде, пару, воздуху).

В пароводяном тракте осуществляются: подвод питательной воды и ее подогрев до кипения, парообразование, перегрев пара и его отвод к потребителям. Пароводяной 6 и водяной 12 коллекторы соединены пучками парообразующих (подъемных) труб 7 и не обогреваемых (опускных) труб 8. Котел имеет один контур циркуляции (направление циркуляции воды и пароводяной смеси показано стрелками).




3-паровое пространство котла

4-трубопровод подачи питательной воды

5-водяное пространство котла

7-парообразующие (подъемные) трубы

Пароводяной коллектор заполнен примерно наполовину. Образующийся в трубах пар собирается в верхней части пароводяного коллектора, называемой паровым пространством котла 3, откуда он отводится через паропровод 2. Нижняя часть внутреннего пространства пароводяного коллектора, заполненная водой, называется водяным пространством котла 5.

Поверхность воды, разделяющая паровое и водяное пространство котла называется зеркалом испарения. Для пополнения воды, израсходованной на получение пара, в пароводяной коллектор 6 по трубопроводу 4 подается питательная вода.

Топочное устройство 9 для сжигания топлива состоит из форсунок, к которым топливо подается насосом и воздухонаправляющих устройств, через которые непрерывно подаваемый вентилятором воздух поступает в топку.

В паровом котле производство пара непрерывно сопровождается следующими процессами:

- топочным — горение топлива в топке;

- аэродинамическим — подача в топку воздуха и удаление из газоходов газообразных продуктов горения топлива;

- теплопередачи - передача теплоты от газов к нагреваемой среде через поверхность нагрева;

- циркуляции - движение пара и воды вдоль поверхности нагрева котла.

Тип и компоновка вспомогательной котельной установки теплохода или газотурбохода зависят в основном от паропроизводительности и условий размещения на судне.

Котельная установка, применяемая на отечественный судах (рис.2), состоит из вспомогательного котла 11 и утилизационного котла 6 с обслуживающими их системами и оборудованием. Топливо в топку вспомогательного котла подают из цистерны 18 через фильтр 17 и подогреватель 15 шестеренным насосом 16, а воздух-вентилятором 1. Питательная вода из теплого ящика 14 в пароводяной коллектор вспомогательного котла и паровой сепаратор 9 утилизационного котла подается одним из насосов 10. Из сепаратора циркуляционными насосами 8 вода подается к поверхностям нагрева утилизационного котла, омываемого выпускными газами двигателя. Пароводяная смесь от утилизационного котла подается к паровому сепаратору 9, откуда пар направляется к потребителям насыщенного пара по трубопроводу 2 и в пароперегреватель утилизационного котла, после которого по трубопроводу 7 поступает к утилизационному турбогенератору. Пар от вспомогательного котла направляется к потребителям также по трубопроводу 2. Излишки пара из сепаратора 9 посредством регулятора давления 5 сбрасывают в конденсатор, откуда конденсатным насосом подают в теплый ящик, подпитку которого водой осуществляют посредством насоса 12 через трубопроводы 13.

Трубопровод 4 предназначен для подачи пара к станции паротушения, а электромагнитные клапаны 3 - для отключения потребителей насыщенного пара при резком уменьшении нагрузки или внезапной остановке двигателя.

Судовая котельная установка как объект автоматизации. Основные регулируемые величины котельной установки.

Судовая котельная установка состоит из:
- одного или нескольких котлов,
- вспомогательных механизмов, обслуживающих котлы (питательных и топливных насосов, вентиляторов),
- теплообменныхых аппаратов (подогреватели топлива и воды),
- трубопроводов, соединяющих элементы котельной установки.

В котельных установках автоматизируются:

  • работа котла на стационарных и переходных режимах;
  • пуск котла для вспомогательных котельных установок;
  • защита в аварийных ситуациях;
  • контроль за работой установки.

Если на судне установлена централизованная информационно-измерительная система (ИИС), то контроль параметров котельной установки осуществляется параллельно ИИС и системой автоматики котельной установки.

Рабочий процесс котла заключается в преобразовании тепловой энергии, выделяющейся в топке при сжигании топлива, в потенциальную энергию пара, характеризуемую температурой и давлением пара.

Этот процесс происходит при непрерывном подводе к котлу трёх материальных сред (воды, топлива и воздуха) и отводе от котла двух сред (пара и дымовых газов).

Рабочий процесс котла характеризуется значениями следующих величин:

  • давление пара в котле;
  • уровень воды в коллекторе;
  • коэффициент избытка воздуха;
  • температура перегретого пара (при наличии пароперегревателя).

Задачей автоматизации котельной установки является поддержание заданных значений перечисленных величин на установившихся и переходных режимах работы котла.

Таким образом, эти величины являются регулируемыми величинами котельной установки.

У судовых паровых котлов с естественной циркуляцией и пароперегревателем, температуры перегретого пара, как правило, не регулируется.

К вспомогательным регулируемым величинам котельной установки относятся:

· вязкость или температура топлива, подаваемого в котёл;

· давление топлива в топливной магистрали или перепад давления
на топливном регулирующем золотнике.

Следовательно, котельная установка имеет несколько регулируемых величин и является многомерным объектом регулирования.

САР котельной установки является многомерной системой, содержащей несколько локальных регуляторов.

Функциональная схема автоматизации котельной установки приведена на рис. 2.1.


Рис. 2.1 Функциональная схема автоматизации котельной установки.

На схеме обозначено:

ПН - питательный насос, подающий питательную воду в котёл;

ТН – топливный насос;

КВ – котельный вентилятор;

Форсунка, распыляющая топливо;

ВНУ – воздухонаправляющее устройство, создающее турбулентный
закрученный поток воздуха в топку котла;

ПТ – подогреватель топлива;

ПК – питательный клапан;

ТРЗ – топливный регулирующий золотник;

ВРЗ – воздушная регулирующая заслонка;

КС – регулирующий клапан слива топлива;

КП –клапан отбора пара;

Dп – расход пара из котла;

Gпв – расход питательной воды;

Gв – расход воздуха в котёл;

Gгп – расход греющего пара на подогреватель топлива;

Gсл – расход топлива слива из магистрали;

Gт – расход топлива в котёл;

РУК – регулятор уровня воды в котле;

РДП – регулятор давления пара;

РРВ – регулятор расхода воздуха;

РВ(Т)Т – регулятор вязкости (температуры) топлива;

РДТ – регулятор давления топлива;

Рв – давление воздуха в воздухопроводе котла перед ВНУ;

Рт – давление топлива перед ТРЗ;

tт – температура топлива за подогревателем;


- вязкость топлива за подогревателем.

Автоматическое регулирование сжигания топлива судового котла. Регулирование расхода воздуха в зависимости от расхода топлива. Схема с параллельным воздействием на контуры регулирования расхода воздуха и топлива с регулируемым давлением топлива и воздуха.

Показатели соответствия подводимой и отводимой энергии котельной установки является отклонение давления пара в котле. Для установления подводимой и отводимой энергии регулятор давления пара должен воздействовать на расход топлива и воздуха в котёл. В современных котлах коэффициент избытка воздуха составляет:


Коэффициент избытка воздуха определяется следующей формулой:





Gв и Gт – массовые расходы топлива и воздуха;

Lо – масса воздуха, теоретически необходимая для сжигания единицы массы топлива;

Принцип работы судовых котлов: классификация и эксплуатация

На судах различного назначения неотъемлемым и важным ресурсом является водяной пар, который служит для разных целей. Если на судне предусмотрена паросиловая установка, то пар необходим для вращения паровых турбин валопровода судна и, как следствие, передачи энергии движителю.

Если на судах установлены дизельные или газотурбинные двигатели, то пар требуется для выработки электроэнергии в турбогенераторах, а также для целей отопления и бытовых хозяйственных нужд. За производство водяного пара отвечает паровой котёл, который производит перегретый и влажный водяной пар под давлением.


Работающий котел Российского производства

Принцип работы заключается в подведении тепла, полученного путём сгорания органического топлива, к воде и образовании пара.

Судовые котлы классифицируются по следующим характеристикам:

  1. Обтекание теплообменника горячими газами (водотрубные, огнетрубные, комбинированные);
  2. Назначение (главные, вспомогательные);
  3. Способ циркуляции воды (естественная, принудительная);
  4. Тяга и дутьё (естественная или принудительная тяга и дутьё);
  5. Вид топлива (жидкое, твёрдое, газообразное);
  6. Параметры пара (низкого давления – до 150 кН/кв.м., среднего давления – от 160 до 280 кН/кв.м., высокого давления – от 610 до 1000 кН/кв.м.)

Со структурой судового парового котла можно ознакомиться на рисунке 1, где указаны схемы судовых котлов разных типов.
Основные части парового котла это топка (I) и несколько рекуперативных теплообменников, находящихся за ней: пароперегреватель (II), испаритель (III), водоподогреватель (IV) и воздухоподогреватель (V). Конструкция котла судового подразумевает разделение горячих дымовых газов и холодных пара, воздуха и воды герметичной перегородкой для того, чтобы среды обменивались теплотой, не смешиваясь.
Функция пароперегревателя заключена в его названии, испаритель образует пар из воды,водо- и воздухоподогреватели соответственно названию. Основная нагреваемая поверхность это испаритель, а остальные теплообменники представляют собой дополнительную.




Узлы и системы котельной установки:

  • паровой котёл;
  • питательная система, включающая подогреватели воды, насоса, трубопрово¬дов, из¬мерительных приборов и арматуры;
  • паровую систему для раздачи пара потребителям;
  • топливную систему;
  • газовоздушную систему (газоход, дымовая труба, вентилятор, воздушные коробы и др.)

Помимо прочего котельная установка снабжена системами автоматического регулирования подачи воды, топлива и воздуха в котёл, системами водоподготовки, защиты парового котла.
Если на корабле установлен утилизационный котёл, то благодаря использованию теплоты исходящих газов – утилизации – обеспечиваются технологические процессы, не связанные с движением судна.

Подготовка котельной к работе

Удостовериться в наличии необходимого количества воды и проверить топку на отсутствие мазута. Также нужна вентиляция топки, чтобы избежать воспламенения накопившихся газов. При подаче топлива в топку розжиг его осуществляется электрическим запалом или от горящего источника.

Пар распределять следует медленно для равномерного прогревания частей котла. Перед подъёмом пара нужно убедиться, что воздушный клапан открыт. Во время подогрева воды и подъёма пара проверяется герметичность люков, лазов и крышек. Включают подпиточные насосы, запускают автоматические котельные установки с включением топливного насоса, вентилятора и подачей тока к зажигающим электродам.
По достижению давления пара 1 кг/кв.см. закрывают воздушные краны и продувают водоуказательные приборы. После достижения паром давления 3 кг/кв.см. обследуют фланцы и лазы, обжимая их гайки. При давлении 5 кг/кв.см. включается подпитка водой и продувка.

При давлении в половину рабочего убеждаются в состоянии предохранительных клапанов. После чего ожидается подъём пара, время от розжига топлива до его первого появления занимает от трети до половины общего времени подъёма. Когда давление достигает рабочих параметров снова осматриваются клапаны, манометры и приборы.

Эксплутационные особенности

Важным условием бесперебойной работы котельных агрегатов является обеспечение достаточного уровня воды иначе недостаток воды чреват пережогом теплообменников и поломкой и снижением срока службы.

Необходимо постоянно контролировать уровень воды в тёплом ящике, работу подпиточных насосов, работу автоматического управления подпиткой. Если температура воды вырастает более, чем на 50° С, то это грозит выходом из строя насоса подачи из-за заполнения его паром. Заполнение котла выше нормы приводит к нестабильной работе паровых механизмов.

В случае использования газового оборудования избежать перегрев воды способно автоматическое газовое регулирование.

Процесс горения топлива

Качество горения в топочной камере осуществляется путём регулярного наблюдения в оборудованный глазок или при помощи газоанализатора.Чтобы обеспечить правильный теплотехнический процесс горения, следует добиться верного соотношения подаваемых в топку топлива и воздуха определённого давления.

Поставщики топлива обязаны предоставить сертификаты, составленные по результатам лабораторного анализа. Форсунки нужно очищать от отложений и нагара 3 раза в сутки при непрерывной работе. Если горение прекращается, то мгновенно закрывается клапан подачи топлива, чтобы оно не скапливалось в топке, что небезопасно.

Прекращение работы котла

При остановке котельной установки нужно выключить систему автоматического управления, прекратить подачу топлива, воздуха и воды. При ручном управлении сначала отключаются форсунки топливный насос, дутьё и подпитка водой. Затем стравливается пар и продувание. Из остывшего котла удаляется вода. Перекрывается запорная арматура и из трубопроводов удаляются вода, воздух и пар.

Очистка котла

В случае несоблюдения требований по водоподготовке на теплообменниках могут образовываться большие объёмы накипи спустя первые 1000 часов работы, что влияет на теплопотери, перегреву и необходимости механической и химической чисток. Процедуры проводятся при условии стоянки судна обеспеченной якорными и швартовными устройствами.
Механическая чистка выполняется кирками, скребками и электроинструментом. Также могут использоваться металлические щётки.
Химическая чистка подразумевает щелочение котла или промывка кислотными средствами. Щелочение это процесс заполнения водотрубного котла выше нормы водным раствором средства против накипи и при давлении в 2 Бар проведение верхней и нижней продувки. Продолжительность процедуры до 10 часов.
Практическая очистка дымогарных и водогрейных труб от сажи выполняется банником.

Производители


Доставка судового котла

Когда дело доходит до модернизации котельных установок на судах, то перед покупателем открывается широкий выбор мировых производителей котлов (Германия, Италия, Корея). На российском рынке популярностью пользуется отечественный котёл марки КОАВ (КВС)-200 - водогрейная автоматизированная тепловая установка предназначенная для обслуживания судовых закрытых систем отопления. Его теплопроизводительность 200 Гкал/час, рабочее давление 0,18 Мпа.

Нормы и правила

Обслуживание судовых паровых котлов регулируется Правилами технической эксплуатации судовых паровых котлов Министерства морского флота. Согласно Правилам использование корабельных котлов должно производиться с учётом максимальной теплопроизводительности, без нанесения ущерба их техническому состоянию, обеспечивая безопасную работу и наименьший расход топлива.

Правильная организация труда и следование Правилам технической эксплуатации судовых котлов играет главную роль в выполнении вышеупомянутых требований. Нарушение Правил чревато авариями и нестабильной работой.

Читайте также: