Котельные агрегаты

Котельные агрегаты по предназначению разделяют на парогенераторы и Теплогенераторы.

Подача топлива

Парогенератором называется агрегат, состоящий из топки, поверхно­стей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (жидкого тепло-

Рис. 15.6. принципиальные схемы паровых котлов

Носителя, парожидкостной смеси, пара), и воздухоподогревателя, предна­значенный для получения пара заданных параметров.

Теплогенератором называется агрегат, состоящий из топки, поверх­ностей нагрева и воздухоподогревателя, предназначенный для нагрева жидкого теплоносителя до заданной температуры.

На рис. 15.6 показаны схемы котлов в последовательности их историче­ского развития. На первом этапе использовались простые цилиндрические котлы (рис. 15.6, а). Такие котлы были просты по устройству, но имели низкую производительность из-за небольшой площади поверхности тепло­обмена между продуктами сгорания топлива и водой. Увеличение площади теплообмена между продуктами сгорания топлива и водой приводит к росту металлоемкости котла.

В дальнейшем получили применение газотрубные котлы (15.6, б). В таких котлах внутри барабана заполненного водой, устанавливался пучок труб 5. Дымовые газы из топки 2 проходили внутри труб 5. Так как топка 2 располагалась внутри барабана то это улучшало компоновочные возможности котла. Такие котлы получили применение в паровозостроении и в малой энергетике (локомобильные электростанции). При установке пучка труб внутри барабана размеры его ограничивают увеличение ко­личества труб. Отсюда следует ограничение поверхностей теплообмена и производительности котлоагрегата. Кроме того, наличие барабана боль­шого диаметра препятствует увеличению давления получаемого пара, от которого зависит экономичность агрегата. Чем больше диаметр барабана, тем больше его поверхность, на которую воздействует пар и жидкость. Чем больше поверхность барабана, тем большее разрывное усилие, приложенное к его поверхностям.

Поэтому развитие котлов пошло по другому направлению. В последу­ющем стали применять водотрубные котлы (рис. 15.6, в-д), в которых по трубам движется вода, а не продукты сгорания топлива, как в газотруб­ных котлах (рис. 15.6, а, б). Вначале использовались котлы с наклонным пучком труб, а в настоящее время применяются уже преимущественно Вертикально-водотрубные котлы (рис. 15.6, в, г). Пучки кипятильных труб 5 в верхней части подсоединяются к верхнему барабану 1, в который подается питательная вода. Не заполненное водой пространство барабана служит для сбора полученного водяного пара. В нижней части пучки труб подсоединяются к коллекторным трубам 8 или к нижнему барабану 4• Пар, образовавшийся внутри труб, должен быть выведен в паровое простран­ство котла (верхний барабан). Это достигается многократной циркуляцией воды по циркуляционному контуру котла. Циркуляция воды может быть Естественной (рис. 15.6, в) и многократной принудительной (рис. 15.6, г). В обоих случаях в трубах с интенсивным парообразованием движение должно быть восходящим. При поступлении пароводяной смеси в верхний барабан пар выделяется в паровое пространство, а вода по опускным трубам 6 опускается в нижний барабан или нижние коллекторные трубы. Естественная циркуляция происходит вследствие разностей плотностей воды в опускных трубах 6 и пароводяной смеси в кипятильных трубах 5. Скорость циркуляции воды при этом достигает величины 0.5… 1.5 м/с. Циркуляция воды в котле с многократной принудительной циркуляцией осуществляется с помощью циркуляционного насоса 7 (рис. 15.6, г).

Одними из последних были разработаны прямоточные котлы с при­нудительным движением воды, пароводяной смеси и перегретого пара (рис. 15.6, д). В таких котлах отпала необходимость установки верхнего барабана, что позволяет увеличить давление и температуру получаемо­го пара, и тем самым снизить металлоемкость. Однако использование прямоточных котлов ограничено из-за высоких требований к качеству питательной воды.

Таким образом, паровые котлы подразделяются на:

• газотрубные;

• водотрубные.

Водотрубные котлы по способу циркуляции пароводяной смеси условно разделяют на:

• котлы с естественной циркуляцией;

• котлы с многократной принудительной циркуляцией;

• прямоточные котлы.

По паропроизводительности котлы условно разделяют на:

• малые — до 7 кг/с;

• средние — 7…60 кг/с;

• большие — более 60 кг/с.

По давлению производимого пара котлы условно разделяют на:

• котлы низкого давления —до 1.4 МПа;

• котлы среднего давления — 2.3… 3.9 МПа;

• котлы высокого давления — 9.8… 13.7 МПа;

• котлы закритического давления — более 25 МПа.

Паровые вертикально-водотрубные котлы (парогенераторы) с есте­ственной циркуляцией получили наибольшее распространение и изготав­ливаются двух — и однобарабанными.

Примером двухбарабанного котла может служить котел марки ПКН-2 для работы на мазуте (рис. 15.7). Аналогичные котлы марки Е-1/9 выпус­каются для работы на твердом топливе. Котел предназначен для получения насыщенного пара до 1 тонны в час при давлении 0.9 МПа. Топочная камера котла полностью экранирована. Продукты сгорания из топочной камеры проходят конвективный коридорный пучок кипятильных труб, омываемых поперечно, и выходят в газоход к дымовой трубе. КПД котла равен примерно 70… 76%, температура уходящих газов 300… 350°С.

Для питания котла водой применяют инжектор, который представляет собой пароструйный насос. В инжекторе струя пара, поступающая с боль­шой скоростью, подсасывает воду и подает ее в котел.

В котельных установках для питания котлов водой могут применяться также поршневые и центробежные насосы.

На рабочее давление 1.4 МПа с номинальной паропроизводительностью 2.5, 4, 6.5,10, 25 и 35 тонн в час промышленность выпускает паровые котлы ДКВР (двухбарабанный водотрубный реконструированный). Котлы этого типа изготавливаются также на рабочее давление 2.4 и 3.9 МПа.

Предохранительные клапаны

Трубы потолочного экрана

Рис. 15.7. Вертикально-водотрубный двухбарабанный котел

Вход питательной воды\ А К инжектору \ У Г

Котлы ДКВР разработаны в результате реконструкции котлов ДКВ и, в отличие от последних, имеют меньшую длину верхнего барабана, экра­нированную топку и выполняются с облегченной обмуровкой. Вместо вер­тикального пароперегревателя применяется горизонтальный: при меньшей
поверхности нагрева котлы ДКВР имеют ту же паропроизводительность, что и котлы ДКВ, за счет улучшения теплопередачи.

Котлы ДКВ и ДКВР выпускаются с топками для сжигания бурых и каменных углей, фрезерного торфа, древесных отходов, мазута и газа и снабжают звуковыми сигнализаторами предельных уровней воды и по­плавковыми регуляторами питания котлов прямого действия. КПД такого котлоагрегата составляет 75… 91.8%.

Водогрейные котлы (теплогенераторы) применяют для получения го­рячей воды с температурой выше 115°С. Котлостроительной промышлен­ностью выпускается серия унифицированных водогрейных котлов КВ-ГМ, КВ-ТС и КВ-ТК: (К — котел; В — водогрейный; Т —на твердом топливе; С —слоевой метод сжигания; К —камерный метод сжигания), охватыва­ющие следующий диапазон по теплопроизводительности: 4.6, 7.5, 11.6, 23 и 34.8 МВт.

Водогрейные котлы могут быть чугунными или стальными. Чугунные котлы, имеющие небольшую теплопроизводительность (до 1.7 МВт), тем­пературу воды до 115° С и давление не выше 0.4 МПа, используются для отопления отдельных малоэтажных зданий или их групп. Стальные котлы выпускаются мощностью до 120 МВт для нагрева воды до 150…200°С с давлением 0.75… 2.4 МПа. Они используются для централизованного теплоснабжения отдельных городских кварталов, крупных предприятий. Высокие параметры воды позволяют ее использовать и для технологиче­ских целей.

Чугунные котлы изготавливаются в виде полых секций, которые затем собираются в единое целое.

На рис. 15.8 показан водогрейный котел КЗ-ЦКТИ, который снабжен цепной решеткой обратного хода 1 с пневматическим забрасывателем 2. Внутри котла имеется перегородка, разделяющая топочную камеру на топку и камеру догорания. Дымовые газы в конвективный блок 6 попадают снизу, а отводятся из него сверху.

Промежуточная стенка в топке образована верхним и нижним коллек­торами 4 и соединительными трубами 7, пространство между которыми заполнено шамотной массой. Дымовые газы из топки поступают в кон­вективный блок 6, а из него в воздухоподогреватель 5. Боковая стенка 3 экранирована. Уносимая дымовыми газами зола собирается в бункере 5, из которого через воздуховод 9 удаляется.

КПД котла равен примерно 85%.

На рис. 15.9 представлена принципиальная схема естественной много­кратной циркуляции теплоносителя в парогенераторе. Насосом 1 теплоно­ситель подается в экономайзер 2, откуда он поступает в верхний барабан 3 циркуляционного контура парогенератора. Теплоноситель циркулирует по схеме: верхний барабан 3 — опускные трубы 4 ~ нижний барабан либо коллектор 5 —подъемные трубы 6 — верхний барабан 5, естественным путем вследствие разности плотностей жидкости рж. в необогреваемых трубах 4 и парожидкостной смеси рси в обогреваемых подъемных трубах. Насыщенный пар из верхнего барабана 3 поступает в пароперегреватель 7 и далее к потребителю. Движущей силой циркуляции будет в данном

Рис. 15.8. Водогрейный котел

Случае движущий напор (давление), определяемый по формуле:

Дрдв = #п(рж. — Рем) • 9 = #п(рж. — Рем) • 9.81 [Па],

Где Нп — высота паросодержащего участка, т. е. расстояние по высоте от точки закипания жидкости в подъемных трубах до места входа их в барабан.

Действительный полезный напор (давление), создающийся в подъемных трубах, определяется по формуле:

Дрпол = Дрдв — Дрпот = #п(Рж. — Рем) • 9 — ДРпот [Па],

Где Дрпот — гидравлические потери в подъемных трубах.

Естественная циркуляция в парогенераторе считается надежной, обес­печивающей нормальный температурный режим работы обогреваемых труб, если выполняется условие:

Дрпол = 5>рцк [Па],

Где Y1 ДРцк — сумма всех гидравлических сопротивлений циркуляционно­го контура парогенератора за вычетом гидравлических сопротивлений в подъемных трубах.

Скорость теплоносителя, с которой он поступает в обогреваемые трубы, называется скоростью циркуляции V0. Ее значение в трубах экрана для во­ды находится в пределах 0.6… 1.5 м/с, для остальных парогенерирующих труб — 0.4… 1.0 м/с.

Экономичность работы котлоагрегата мо­жет быть определена на основании уравнения энергетического (теплового) баланса:

<?S = <?l + <?2 + <?3 + <?4 + <?5 + <?6, (15.48) где — количество располагаемой тепло­вой энергии, кДж/кг [кДж/м3]; Qi — тепло­вая энергия, использованная в котлоагрегате; кДж/кг, кДж/м3; Q2, Q3, Q4, Q5, Q6— по­тери тепловой энергии с уходящими газами, от химической и механической неполноты сго­рания топлива, от наружного охлаждения и с физической теплотой шлака соответственно; кДж/кг, кДж/м3.

При сжигании 1 килограмма твердого или жидкого топлива количество располагаемой тепловой энергии равно:

Q$ = Ql + Qr + Q& (15.49)

Где Ql — низшая теплота сгорания топлива; QT — тепловая энергия, вно­симая в котлоагрегат с топливом (не в результате его горения); Qi^ — тепловая энергия, вносимая в котельный агрегат с паром, используемым для распыла мазута, наружной обдувки поверхностей нагрева или подачи под решетку при слоевом сгорании.

Так как величины QT и относительно малы, то последнее выражение можно записать в виде: Q£ « QJJ.

Полезно использованной тепловой энергией Qi называется энергия, переданная в котлоагрегате воде и ее пару:

Gi = D.(h ~hnB) ^ (15 50)

ВР

Где D — расход пара в пароперегревателе; hnn — энтальпия перегретого пара; hJlB — энтальпия питательной воды на входе в котел; Вр — расход топлива.

Величина Qi наибольшая в общем уравнении теплового баланса и составляет 75… 92% от всей суммы. Потеря тепловой энергии с уходящими газами Q2 — это физическая тепловая энергия газов, выбрасываемых в окружающую среду:

Д2 = (Яух-аухЯ^в) . (100-д4),

Где if ух — энтальпия уходящих газов; а^ — коэффициент избытка воздуха на выходе из котла; Щв — энтальпия холодного воздуха; (100 — q^) — поправка на механический недожог топлива.

Потери тепловой энергии с уходящими газами составляют 6… 15% и зависят от температуры уходящих газов и их объема, характеризуемого коэффициентом избытка воздуха. При проектировании агрегатов темпера­туру уходящих газов принимают равной 400… 450 К.

Ная схема котла с есте­ственной циркуляцией

Потери тепловой энергии от химической неполноты сгорания топлива не превышают 3%, а от механического недожога—1… 14%. При слоевом

Методе сжигания топлива эти потери больше, чем при факельном методе сжигания.

Потери тепловой энергии из-за наружного охлаждения не превышают 0.5… 3%.

При жидком шлакоудалении потери тепловой энергии могут составлять 4… 5%.

Величина, численно равная отношению полезно использованной в котле тепловой энергии к располагаемой тепловой энергии называется КПД Котла брутто:

Бр _ D(hnn ~ ftnB) _ Ql /1С С1 \

BpQl "or (15’51)

Для современных котельных агрегатов величина rf^ достаточно велика. В зависимости от мощности котлов и наличия развитых конвективных поверхностей нагрева она составляет 75… 92%.

Учитывая потери энергии на собственные нужды котельной (при­вод насосов, вентиляторы, вспомогательное оборудование), составляющие 3… 4%, получим КПД котла нетто:

ЧЕ = (15.52)