1. Типы котлов

Котельные агрегаты для производства пара или горячей воды различаются многообразием конструктивных форм, принципов действия, используемых видов топлива и, как следствие, имеют разную производительность. В зависимости от назначения котельные агрегаты (котлы) подразделяют на отопительные, отопительно-производственные, производственные и энергетические.

Отопительные водогрейные котлы устанавливают в отопительных котельных, они вырабатывают горячую воду с температурой 90 ...200єС, которая используется для обеспечения тепловой энергией систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Промышленные котельные агрегаты, устанавливаемые в производственных и отопительно-производственных котельных (соответственно это производственные и отопительно-производственные котлы), вырабатывают насыщенный или перегретый пар с температурой до 450°С и давлением до 4 МПа, который используется в технологических процессах разных отраслей промышленности, а также для обеспечения тепловой энергией систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Энергетические котлы имеют большую мощность (до 1 000 МВт) их устанавливают на электростанциях, где вырабатывают перегретый пар с температурой до 575°С и давлением до 25 МПа, используемый для производства электрической и тепловой энергии.

Работа паровых котлов характеризуется номинальной паро-производительностью и параметрами вырабатываемого пара (давление и температура перегрева). Номинальная паропроизводителъностъ - наибольшая производительность, которую котел должен обеспечивать в условиях длительной эксплуатации при номинальных значениях параметров пара и питательной воды. По паропроизводительности различают промышленные паровые котлы малой (до 25 т/ч), средней (35... 75 т/ч) и большой (более 100 т/ч) мощности.

Работа водогрейных котлов характеризуется номинальной тепло производительностью, давлением и температурой входящей и выходящей из него воды. Номинальная теплопроизводительность - наибольшая теплопроизводительность водогрейного котла, которую он обеспечивает в условиях длительной эксплуатации при номинальных значениях параметров входящей и выходящей из него воды. По производимой тепловой энергии различают водогрейные котлы малой (до 10 Гкал/ч), средней (20...30 Гкал/ч) и большой (50 Гкал/ч и более) теплопроизводителъности.

По способу организации движения теплоносителя - воды, пароводяной смеси и пара -- различают две группы котельных агрегатов: с естественной (рис. 1.1, а) и принудительной (рис. 1.1, б, в) циркуляцией теплоносителя. По конструкции последние, в свою очередь, разделяются на котлы с многократной принудительной циркуляцией (см. рис. 1.1, б) и прямоточные (см. рис. 1.1, в).

В современных отопительных и отопительно-производственных котельных для производства пара используются в основном паровые котлы с естественной циркуляцией теплоносителя, а для производства горячей воды водогрейные котлы с принудительным движением теплоносителя (воды), работающие по прямоточному принципу.

Паровые котлы с естественной циркуляцией теплоносителя выполняются из вертикальных труб, расположенных между двумя коллекторами (барабанами). Одна часть труб, называемых подъемными, обогревается факелом и продуктами горения (ПГ) топлива (q - падающий тепловой поток), другая часть труб, называемых опускными, обычно не обогревается и находится вне котельного агрегата. В обогреваемых трубах вода нагревается до температуры кипения, частично испаряется, и образующаяся пароводяная смесь поступает в барабан котла для разделения на пар и воду. Далее вода по опускным не обогреваемым трубам из верхнего барабана поступает в нижние коллекторы (в некоторых котлах в нижний барабан).

В паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией поверхности нагрева выполняются в виде змеевиков, образующих циркуляционные контуры.

Рис. 1.1 Схемы движения воды, пароводяной смеси и пара в котлах с циркуляцией теплоносителя:

а - естественной; 6 - принудительной многократной; в - принудительной пря-моточной; 1 - барабан; 2 - пароперегреватель; 3 - водяной экономайзер; 4 -питательный насос; 5 - обогреваемые (подъемные) трубы; 6 - опускные трубы; 7 - циркуляционный насос; 8 - испарительная поверхность нагрева; 9 - тепловой поток, действующий в направлении, показанном стрелкой

Движение теплоносителя в паровых котлах с естественной циркуляцией осуществляется за счет напора, создаваемого разностью весов столбов воды в опускных и пароводяной смеси в подъемных трубах. Кратность циркуляции (отношение расхода котловой воды, проходящей через циркуляционный контур, к расходу производимого в нем пара) в паровых котлах с естественной циркуляцией воды может быть в пределах 10... 100.

Движение воды и пароводяной смеси в таких контурах осуществляется с помощью циркуляционного насоса. Кратность циркуляции в паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией воды может изменяться в пределах 5... 10.

В прямоточных паровых котлах кратность циркуляции составляет единицу, т.е. питательная вода по мере нагревания последовательно превращается в пароводяную смесь, насыщенный и перегретый пар. В водогрейных котлах вода при движении по контуру циркуляции нагревается за один заход от начальной до конечной температуры.

В соответствии с ГОСТ 3619-82 паровые котлы разделяются на котлы низкого (0,88; 1,36; 2,36 МПа), среднего (3,9 МПа), высокого (9,8 и 13,6 МПа) и сверхкритического (25 МПа) давления.

По компоновке котельные агрегаты разделяются на П-, Т- образные, башенные, горизонтальные.

По уровню давления (разрежения) ПГ в газовом тракте различают котельные агрегаты с естественной тягой, с уравновешенной тягой, с наддувом и высоконапорные.

В котлах с естественной тягой во всем дымовом тракте имеет место разрежение, и движение ПГ осуществляется под действием напора, создаваемого за счет разности плотностей атмосферного воздуха и ПГ в дымовой трубе.

В котлах с наддувом в топке поддерживается давление 0,5... 1 кПа (50... 100 мм вод. ст.) и сопротивление дымового тракта преодолевается с помощью дутьевых вентиляторов. В высоконапорных котлах избыточное давление в газовом тракте превышает 0,1 МПа (1 атм).

По конструкции котельные агрегаты разделяются на секционные, жаротрубные, жарогазотрубные, водотрубные, горизонтально-водотрубные, вертикально-водотрубные; по виду материалов поверхностей нагрева -- на чугунные и стальные.

По транспортабельности различают стационарные котлы, устанавливаемые на неподвижном фундаменте, и передвижные (транспортабельные).

Для маркировки паровых котлов используют следующие их стандартные обозначения: Е - котлы с естественной циркуляцией; П - прямоточные котлы; Пр - котлы паровые стационарные с принудительной циркуляцией без перегрева пара. При описании типоразмеров паровых котлов указывается следующее: первое число - паропроизводительности котла, т/ч; второе число - давление пара, МПа (или кгс/см²); последующие буквенные символы -обозначение используемого топлива.

Например, котел Е-2,5-13ГМ - это паровой газомазутный котел с естественной циркуляцией паропроизводительностью 2,5 т/ч и давлением пара 1,3 МПа (13 кгс/см²).

Заводы-производители часто используют свои системы маркировки. Например, котел ДКВР-10-13 - двухбарабанный, водотрубный паровой котел, реконструированный с паропроизводительностью 10 т/ч и давлением пара 1,3 МПа (13 кгс/см²).

В маркировке водогрейных котлов используются их основные характеристики: вид топлива, теплопроизводительность¹, Гкал/ч; температура воды, °С, на входе и выходе из котла.

Например, в маркировке водогрейного котла КВ-ГМ-30-150 указано, что это котел водогрейный, газомазутный с теплопроизводительностью 30 Гкал/ч (т.е. 35 МВт) и температурой воды на выходе из котла 150 °С.

Паровые котлы можно так же разделить по видам потребляемого ими топлива, различаются: паровые котлы на твердом топливе, на газе, жидком топливе и электроэнергии. Обычно паровые котлы, которые применяются для создания насыщенного пара, работают на твердом топливе, например угле. Паровые котлы в промышленности обычно используют жидкое топливо, например дизельное или мазут. Паровые котлы работающие на электроэнергии, используются редко, так как у них более низкий КПД по сравнению с другими видами топлива и высокая стоимость электроэнергии.

Паровые котлы, работающие на разном топливе, имеют как преимущества, так и недостатки - это необходимо брать в расчет при проектировании котельных. Очень важно выяснить какое топливо наиболее доступно в том регионе, где планируется возводить котельную. Особенно справедливо это для паровых котлов, использующих в своей работе твердое и жидкое топливо. Соответственно если в регионе есть угольная промышленность, то твердотопливные паровые котлы тут подходят как некуда лучше, даже если они менее экономичны, чем паровые котлы на жидком топливе.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:

1). процесс горения топлива,

2). процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой,

3). процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и нагрева полученного пара.

Во время работы в котлоагрегатах образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя.

В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.

Одной из основных задач, возникающей при эксплуатации котельного агрегата, является обеспечение равенства между производимой и потребляемой энергией. В свою очередь процессы парообразования и пердачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в потоках рабочего тела и теплоносителя.

Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом. проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Расчет процесса горения обычно сводится к определению количества воздуха в м³,необходимого для сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава теплового баланса и определению температуры горения.

Значение теплоотдачи заключается в теплопередаче тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива, воде, из которой необходимо получить пар, или пару, если необходимо повысить его температуру выше температуры насыщения. Процесс теплообмена в котле идет через водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю.

Интенсивность коэффициента теплопередачи тем выше, чем выше разности температур теплоносителей, скорость их перемещения относительно поверхности нагрева и чем выше чистота поверхности.

Образование пара в котлоагрегатах протекает с определенной последовательностью. Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при больших температуре и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях.

Пар, образуемый в котлоагрегате, подразделяется на насыщенный и перегретый. Насыщенный пар в свою очередь делится на сухой и влажный. Так как на теплоэлектростанциях требуется перегретый пар, то для его перегрева устанавливается пароперегреватель. В данном случае ширмовой и коньюктивный, в которых для перегрева пара используется тепло, полученное в результате сгорания топлива и отходящих газов[1].