Главная email sitemap

Паровые котлы

Несмотря на ряд технологических ограничений пар в качестве энергоносителя широко используется в разнообразных промышленных и бытовых применениях. Соответственно этому развиваются и совершенствуются конструкции паровых котлов, как работающих в составе тепловых электростанций или теплосиловых цехов производственных предприятий (см. рис. 1), так и сравнительно небольшой производительности, которые устанавливаются в котельных.

Схематическое изображение парового котла промышленного типа

Рисунок 1 – Схематическое изображение парового котла промышленного типа

Блок-схема размещения парового котла в котельной

 

Рисунок 2 – Блок-схема размещения парового котла в котельной

Всё многообразие паровых котлов может быть сведено в двум основным разновидностям – водотрубным и противопожарным. В пожаротушительном котле (см. рис. 3) имеется большое число трубок, через которые проходят разогретые газы. Вода окружает эти трубки, способствуя охлаждению проходящих газов, чем снижается опасность вторичного возгорания на объектах.

Схематическое изображение газотрубного парового котла

Рисунок 3 – Схематическое изображение газотрубного парового котла

Принцип циркуляции теплоносителя в водотрубных паровых котлах (см. рис. 4) совершенно противоположный: в таком котле нагревается вода, которая прокачивается по трубам, а разогретые газы окружают эти трубки, способствуя повышению температуры воды и постепенному её превращению в пар. При этом циркуляционный режим может быть одно-, двух- и даже трёхходовым (в последнем варианте гарантируется максимально высокий КПД котла).

Схематическое изображение парового котла с водогрейными трубами

Рисунок 4 – Схематическое изображение парового котла с водогрейными трубами

Устройство и разновидности пожаротушительных котлов

Несмотря на то, что рассматриваемые далее котлы, строго говоря, не относятся к энергогенерирующему оборудованию, они конструктивно имеют много общего с водогрейными паровыми котлами, а потому также рассматриваются в данной статье.

Последовательность действия пожаротушительного котла (см. рис. 5) заключается в том, что образующиеся при задымлении или возгорании газообразные продукты сгорания поступают в многочисленные трубы, которые полностью погружаются в воду. Конструктивно этот приёмный блок оформлен в виде герметичного сосуда, теплообмен которого с окружающей средой практически отсутствует.  В процессе прохождения горячих газов через газоотводные трубы происходит нагрев воды внутри сосуда. В результате образуется пар, который, в силу специфики назначения такого котла, остаётся внутри агрегата. Такой пар можно использовать для выработки энергии, однако эффективность данного процесса не будет значительной, поскольку возможность подъёма давления пара в котлах данного типа отсутствует.

Доказано, что теплогенерирующие возможности пожаротушительных котлов ограничиваются давлением пара не более 1700…1800 кПа, при производительности не более 9…10 тонн пара в час. Паровые котлы таких типов устраиваются на металлургических производствах, где производится достаточное количество горячих газов. Помимо своей основной обязанности, котлы этого типа ещё и существенно снижают риск возгорания на объектах, которые используют открытое пламя (почему, собственно и называются пожаротушительными).

Последовательность действия пожаротушительного котла

Рисунок 5 – Последовательность работы дымотрубного  пожаротушительного котла: 1 – Фасадная заслонка; 2 – Топочное устройство; 3 – Дымогарные трубопроводы; 4 – Трубные доски; 5 – Лицевая часть котла; 6 – Смотровой люк; 7 – Блок топливосжигающих устройств

Типы пожаротушительных котлов

Они могут быть с внешним и внутренним расположением, и трёх разных типов:

 

  • Длиннотрубчатыми с обратным противотоком (см. рис. 6);
  • С короткой огневой трубой (см. рис.7);
  • Компактными.

Длиннотрубчатыми с обратным противотоком

Рисунок 6 – Конструктивная схема автоматизированного длиннотрубчатого котла вертикальной компоновки: 1 – Трубопроводы экранов; 2 – Топочное пространство; 3 – Воздухопровод для нагретого воздуха; 4 – Питатель; 5 – Регистр для воздуха; 6 – Топливосжигающее устройство; 7,12 – Верхний и нижний коллекторы; 8 – Решётчатый парораспределитель; 9 – Обшивка корпуса; 10 - Вентфильтр; 11 – Трубы конвектора; 13 – Вентиль спуска; 14 – Решётка уровнемера; 15 -  Водоуказатель; 16 – Измеритель давления; 17 – Магистральный вентиль; 18 – Предохранительный клапан; 19 – Обзорный лючок; 20 – Насосная установка; 21 – Вентилятор подачи внешнего воздуха

Компоновочное решение котла с огневыми трубами малой длины

 

Рисунок  7 – Компоновочное решение котла с огневыми трубами малой длины: 1 – Топливосжигающее устройство; 2 – Основной трубный блок; 3 – Взрывной клапан; 4 – Узел питания; 5 – Газовый короб; 6 – Экономайзер; 7 – Портальная рама; 8 – Площадка для обслуживания; 9 – Опора; 10 – Привод; 11 – Питающий трубопровод

Паровые котлы первого типа могут иметь вертикальное или горизонтальное расположение газоотводящих труб. В котельных или на тепловых электростанциях малой мощности используются преимущественно котлы с трубами, расположенными горизонтально. Они состоят из следующих узлов:

  1. Горизонтального блока.
  2. Нескольких трубопроводов, обычно располагаемых под некоторым углом (это улучшает условия тока дымовых газов).
  3. Нижнего перепускного клапана.
  4. Верхнего перепускного клапана.
  5. Дымовой камеры.
  6. Рёбер, разделяющих отдельные трубки трубопроводов.
  7. Конденсатоотводчика.
  8. Газоприёмника.
  9. Корпуса.

Котлы такого типа обычно используют в качестве топлива то, которое применяется в основном металлургическом агрегате (например, на металлургических производствах - это кокс, в котельных - уголь). Топливо горит ниже этого горизонтального блока, и образующиеся горючие газы при помощи конвекции перемещаются противотоком в противоположную часть корпуса котла.  Там  они входят в трубопроводы, и направляются с противоположным направлением в дымовую камеру. В процессе такого перемещения газов по трубам, они отдают накопленное ими тепло через стенки окружающей воде. В ней появляются вначале отдельные пузырьки пара, а далее начинается интенсивное парообразование, в результате чего давление во внутренней ёмкости парового котла увеличивается. Для контроля за этим процессом паровые котлы оборудуются приборами и устройствами автоматики, основными из которых являются нижний и верхний предохранительные клапаны. Нижний клапан служит за регулированием процесса горения твёрдого топлива, а верхний – для ограничения давления образующегося пара.

Остаток пара (как правило – со сниженной против обычного температурой) сбрасывается в конденсатоотводчик, и периодически удаляется из котла.

Пожаротушительные котлы остальных типов конструктивно имеют много общего с вышерассмотренным, но отличаются длиной трубопроводов и их расположением. Однако при вертикальном варианте блока ухудшаются условия для парообразования, и снижается КПД парового котла, поэтому компактные установки проектируют лишь при недостатке места в котельной.

Пожаротушительные котлы универсальны, просты в производстве и эксплуатации, а также легко встраиваются в существующую систему теплоснабжения предприятия или даже небольшого городского района. Они могут эффективно использоваться для локализации возможных пожаров. Однако рассмотренные агрегаты имеют и существенные ограничения, которые заключаются в следующем:

  • Объём воды, который находится внутри корпуса такого котла, довольно велик, поэтому потребуется продолжительное время для нагрева большой массы воды. С повышением давления пара это время ещё более возрастает.
  • Внутри корпуса вода и пар находятся в одном объёме, поэтому из соображений безопасности повышать давление сверх целесообразного уровня недопустимо.
  • Получаемый пар отличается повышенной влажностью, что негативно сказывается на его свойствах как энергоносителя.

Водотрубные/водогрейные котлы

Как уже было отмечено, котлы с водяными трубами (см. рис. 8,9) предполагают обратный принцип относительного расположения рабочих сред, когда  вода циркулирует по трубопроводам, а горячие газы омывают их. Поэтому их внутреннее устройство весьма подобно агрегатам первого типа.

Компоновочное решение котла с вертикально расположенными трубопроводами

Рисунок 8 – Компоновочное решение котла с вертикально расположенными трубопроводами: 1 – Искрогаситель; 2 – Сажеобдувочное устройство; 3 – Экономайзер; 4 – Коллектор для образования пара; 5 – Входная камера приёма газа

Компоновочное решение котла с гозонтально размещёнными трубопроводами

 

Рисунок  9 – Компоновочное решение котла с гозонтально размещёнными трубопроводами: 1 – Внешняя обшивка; 2 –Днище корпуса; 3,5 – Крепления; 4 – Скобы; 6 – Камера формирования пламени; 7 – Огнеупорные соединительные элементы; 8 – Рабочая камера; 9 – Труба удаления дымовых газов; 10 – Воздухонаправитель; 11 – Топливосжигающее устройство; 12 – Коробка; 13 – Устройство для перегрева пара; 14 – Подогреватель воздуха; 15 – Дымоход; 16 – Переднее днище; 17 – Выходной фланец; 18 – Паросборник; 19 – Фланец получения насыщенного пара; 20 – Смотровой тоннель

Конструктивные разновидности паровых котлов, оснащённых водогрейными трубами, более разнообразны. Различают:

  • Водогрейные котлы с горизонтально расположенными трубопроводами.
  • Водогрейные котлы с вертикально расположенными трубопроводами.
  • Котлы с полной изоляцией.
  • Циклонные бойлеры.

По схеме циркуляции воды водотрубные паровые котлы могут быть прямоточными, противоточными и с крестообразным током. В первом случае направления перемещения дымовых газов и воды в трубопроводах совпадают, во втором – противоположны, но происходят в одной          плоскости, в третьем – не только противоположны, но и происходят в разных плоскостях.

Конструктивно проще, но одновременно и наименее эффективной считается первая схема, соответственно наиболее эффективной но сложной по своему исполнению – третья. Поэтому паровые котлы с крестообразными потоками теплоносителей используют при высокой культуре производства и обслуживания, а котлы прямоточного типа – лишь в небольших котельных. Практически наиболее распространены водотрубные паровые котлы с противотоком.

Исполнения трубопроводов нагреваемой воды могут быть реализованы по двум схемам – барабанной (см. рис. 10), и с изогнутыми трубами (см. рис. 11). В первом случае трубопроводы расположены концентрично в одном, барабанного типа, корпусе, который свободно вращается вокруг центральной оси (это вращение обеспечивается энергией циркуляции дымоотводных газов). При некотором увеличении габаритных размеров такое решение положительно выделяется удобствами обслуживания и ремонта, когда при профилактической очистке трубопроводов от образовавшейся накипи достаточно заменить одну или несколько водогрейных труб. Во втором случае придётся разбирать также соединительную арматуру, а сам процесс очистки оказывается более трудоёмким. Кроме того, трубопроводы с изогнутыми трубами теряют значительное количество энергии на гидропотери, возрастающие при росте давления энергоносителя.

Котёл с трубопроводами барабанного исполнения

Рисунок 10 – Котёл с трубопроводами барабанного исполнения: 1 – Топочное пространство; 2,13 – Верхний и нижний барабаны соответственно; 3 – Измеритель давдения; 4 – Предохранительное устройство; 5 – Питатель; 6 – Сепаратор; 7 – Защитнаяая пробка; 8 – Промежуточная камера; 9 – Доска; 10 – Узел кипятильных труб; 11,14 – Продувочные трубопроводы; 12 – Устройство для обдува котла; 15 – Защитная внешняя стенка; 16 – Горизонтальный коллектор

Котёл с трубопроводами изогнутого типа

 

Рисунок 11 – Котёл с трубопроводами изогнутого типа: 1 – Топочное пространство; 2 – Газоход; 3 – Вертикальная шахта; 4 – Боковой защитный экран; 5 – Верхний защитный экран; 6 – Трубопроводы спуска; 7 – Барабан; 8 – Узел пароперегревателя; 9 – Конвектор; 12 – Вентилятор; 13 – Объединённый конвекторный узел; 14 – Ёмкость для сбора шлака; 15 – Зона пониженных температур; 16 – Топливосжигающие устройства

В настоящее время принято использовать котлы барабанного типа для создания максимально возможных значений давления пара, а паровые котлы с изогнутыми трубами – для систем среднего и низкого давления.

Преимущества водотрубных котлов:

  • Повышение общей поверхности нагрева может быть обеспечено простым увеличением количества водогрейных труб, для чего паровые котлы такого типа всегда заказываются с увеличенным внутренним объёмом.
  • Из-за особенностей конвекционного потока и разницы в теплофизических характеристиках дымовых газов и воды движение энергоносителя здесь происходит гораздо быстрее, чем в пожаротушительных котлах.
  • Благодаря разнообразию схем направления водного потока можно обеспечивать более высокую скорость теплопередачи, что особенно существенно для котлов большой тепловой мощности.
  • Возможно обеспечивать значительно более высокие давления пара (до 13…15 МПа), причём рост давления происходит плавно и равномерно.

Паровые котлы водотрубного типа имеют и свои ограничения. Они касаются конструкции, менее компактной, в сравнении с пожаротушительными котлами. Это, в свою очередь, повышает сложность транспортировки и установки. Водогрейные котлы требуют более частого и тщательного мониторинга своего функционирования, поскольку проницаемость газов сквозь уплотнения всегда выше, чем воды.

 

Оценка эффективности применения паровых котлов

Эффективность парового котла определяется процентом от общего объёма тепловой энергии, выделяемой паром в общем объеме теплоты, вырабатываемой топливом.

Эффективность является комплексным показателем работы паровых котлов, который включает тепловую эффективность, эффективность от сгорания топлива и эффективности принципа выработки пара.

Эффективность парового котла зависит, прежде всего, от его размера и для наилучших типоразмеров достигает 85…88 %. Более высокого КПД добиться невозможно, поскольку всегда имеет место  неполное сгорание топлива, потери на теплоизлучение внешними стенками парового котла, пониженной теплотворной способностью топлива  и т.д. Наибольшими удельными энергозатратами отличаются циклонные бойлеры. Одновременно они обеспечивают самую оперативную выработку пара, и поэтому применяются в небольших, преимущественно бытовых  котельных.

Выбор типоразмера и конструкции паровых котлов зависит от условий их функционирования. Пожаротушительные котлы имеют наименьшую стоимость и менее сложны в управлении, при этом в наибольшей степени загрязняют атмосферу выбросами дымовых газов, которые приходится утилизировать при помощи фильтров. Такие котлы целесообразно устанавливать на каменном основании. КПД указанного оборудования не превышает 70 %.

При необходимости использовать паровой котёл для привода различных производственных установок, в частности тяговых двигателей, использовать следует только водотрубные котлы, выходные характеристики которых относительно просто регулируются. Кроме того, такие котлы допускают возможность увеличения своей мощности, что часто используется при перспективном проектировании бытовых котельных. Важным технологическим преимуществом водотрубных котлов считается меньшая влажность вырабатываемого ими пара. Сухой пар, применяемый, в частности, для привода паровоздушных молотов существенно снижает затраты на обслуживание и эксплуатацию паропроводов, облегчает обнаружение утечек, улучшает условия работы обслуживающего персонала. Поэтому паровые котлы данного типа используют на заводах.

При необходимости максимально снизить выбросы в окружающую среду применяют паровые котлы-бойлеры, нагрев теплоносителя в которых производится электричеством.

Электрические
Водогрейные котлы ЭВОП имеют цифровой температурный дисплей, датчик «сухого пуска», возможность подключить реле потока, таймер, насос.
 
Электрические водогрейные котлы на adin.ru
 
Топливные водонагреватели
Промышленные паровые (отопительные) котлы представляют собой проточные водонагреватели для систем отопления и горячего водоснабжения.
 
Топливные водонагреватели на adin.ru