§ 9. Парогенераторы

На современном морском судне имеется большое количество потреби­телей тепловой энергии, необходимой для обогрева жилых и служебных по­мещений в зимнее время, подогрева груза в танкерах, подогрева топлива для главных двигателей и воды для бытовых нужд, работы камбуза и др. Источни­ками тепловой энергии являются парогенераторы (котлы).

Паровые котлы различного типа и назначения являются обязатель­ным компонентом СЭУ. На морских судах с главными паротурбинными энер­гетическими установками паровые котлы предназначены для получения пара, необходимого для работы главных паровых турбин и других вспомога­тельных потребителей. Эти котлы называются главными. В них получается пар заданного давления и температуры и в заданном количестве (p , МПа; t ,°С; D , т/ч). Совокупность котельного агрегата и вспомогательных устройств и механизмов, необходимых для производства пара, называется котель­ной установкой.

Современные судовые котлы по относительному движению теплообменивающихся сред – дымовых газов и воды – могут быть разделены на водотрубные и газотрубные (или огнетрубные). В водотрубных котлах внутри труб движутся вода и пароводяная смесь, а нагретые дымовые газы омыва­ют эти трубы снаружи. В газотрубных котлах, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а вода окружает трубы с наружной стороны. По принципу движения воды и пароводяной смеси все котлы можно разделить на агре­гаты с естественной и принудительной циркуляцией. Принудительный ток воды и пароводяной смеси в котлах создается специальным циркуляцион­ным насосом. Естественная циркуляция происходит за счет разности плот­ностей воды и пароводяной смеси и правильной компоновки парообразую­щих элементов. Современные главные судовые котлы выполняют водотруб­ными с естественной циркуляцией.

К основным эксплуатационным показателям главных паровых котлов относят: полную паропроизводительность; расход топлива; испарительность топлива; рабочее давление пара в барабане; давление и температуру пе­регретого пара; КПД; температуру питательной воды; температуру воздуха, поступающего в топку; тепловое напряжение топочного объема; относитель­ное водосодержание.

В зависимости от мощности ПТУ полная производительность одного главного котла при нормальной нагрузке, соответствующей полному ходу судна, может составлять 10...80 тыс. кг/ч и более. Расход топлива является основным показателем, характеризующим нагрузку котла и, вместе с паропроизводительностью, его эффективность. Испарительность топлива пред­ставляет собой отношение паропроизводительности котла к расходу топли­ва: u = D /B, т.е. количество пара, производимого при сжигании 1 кг топлива. Для главных котлов испарительность топлива составляет 13... 14 кг/кг

Относительное водосодержание характеризуется отношением коли­чества воды в парообразующих элементах к полной паропроизводительности котла. Для судовых водотрубных котлов относительное водосодержа­ние обычно составляет 0,25...0,40, а иногда и выше. Показателем экономич­ности котельного агрегата является его КПД, т. е. отношение количества теплоты, использованной на парообразование, к количеству теплоты, вы­деляющейся при сгорании топлива. В современных главных котлах КПД до­стигает 96 %.

Современные паровые котлы выполняют в агрегатированном исполнении и состоят из: топки, парообразующих элементов, пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя.

Пароперегреватель предназначен для повышения температуры производимого в котле пара, что повышает КПД термодинамического цикла паросиловой установки.

Водяной экономайзер и воздухоподогреватель устанавливают для лучшего использования тепла сгоревшего топлива. В водяном экономайзере за счет использования тепла уходящих из котла дымовых газов происходит подогрев питательной воды перед поступлением ее в котел.

В воздухоподогревателе за этот же счет подогревается воздух, подаваемый в топку для сжигания топлива, что существенно улучшает процесс (повышается температура) горения топлива.

Агрегаты котла связаны между собой в единое целое и в совокупности с примыкающим к ним паро- и водопроводами, соединительными газоходами и воздуховодами, арматурой и гарнитурой (лазы, гляделки) образуют котельный агрегат. Котельный агрегат обслуживается рядом вспомогательных механизмов и устройств. К вспомогательным механизмам и устройствам относятся дутьевые вентиляторы, дымососы, питательные и водоподготовительные установки, мазутное хозяйство при сжигании жидкого топлива.

Дутьевые вентиляторы предназначены для того, чтобы при подаче воздуха в топку преодолевать сопротивление воздухоподогревателя и воздуховодов. Дымососы необходимы для усиления тяги в котельном агрегате, так как при наличии в нем водяного экономайзера, воздухоподогревателя и пароперегревателя общее газовое сопротивление котельного агрегата становится настолько большим, что естественная тяга, создаваемая фальш-трубой становится недостаточной для удаления газов.

Питательная установка предназначается для подачи в котел воды подлежащей испарению. Основной частью этой установки является питательный насос способный развивать давление необходимое для преодоления давления пара в котле и сопротивления всей системы питательной линии. Питательные насосы должны создавать давление не превышающее (P =1,2P ) 20 % давления пара в котле. Вода поступающая в котел должна проходить через водоподготовительную установку, предварительно осветляется и умягчается, в результате содержание примесей и накипеобразующих солей в воде снижается до технически допустимого максимума. В воде кроме солей в растворенном виде содержится воздух. Содержащийся в воздухе кислород вступает в реакцию с металлом и вызывает коррозию. Поэтому питательная вода перед подачей ее в котел освобождается от растворенного в ней воздуха, в так называемых деаэраторах. В деаэраторе в результате кипения воды при атмосферном давлении удаляется кислород с воздухом.

Образующийся в паровом котле пар в процессе выделения из кипящей воды, в пароводяном барабане, уносит капельки влаги, в которых содержится некоторое количество растворенных щелочей. Попадая в пароперегреватель, эти капли влаги испаряются, а содержащиеся в них щелочи либо оседают на внутренних стенках труб пароперегревателя, либо уносятся в проточную часть паровой турбины, если котельный агрегат входит в состав ПСУ, что снижает эффективность работы последней. Поэтому пар при выходе из пароводяного барабана проходит сепарационные устройства, где освобождается от водяных капель.

В котельной установке происходят различные тепловые, гидродинамические и аэродинамические процессы, ход которых необходимо регулировать и контролировать. В связи с этим каждую котельную установку оборудуют запорными, регулирующими и предохранительными устройствами, а также контрольно-измерительными приборами и системами автоматизации процессов.

На судах с главными дизельными или дизель-электрическими энергетическими установками, для получения пара и горячей воды для собствен­ных нужд, устанавливают вспомогательные и утилизационные котлы.

Обычно вспомогательный котел включается при стоянке судна, а для получения пара в таком котле сжигается мазут.

В ходовом режиме судна, для получения пара, в утилизационном кот­ле, используется энергия отработанных газов, уходящих из главных двигате­лей (иногда и из вспомогательных).

Рис. 1.4. Схема вспомогательного и утилизационного котлов с паровыми и водяными трубопроводами

На рис. 1.4. показана схема водотрубного вспомогательного котла 13 с естественной циркуляцией и утилизационным котлом 6 с принудительной циркуляцией и с собственным сепаратором пара 9. Утилизационный котел предназначен для снабжения перегретым паром турбогенератора и насы­щенным паром всех остальных судовых потребителей на ходу. Перегретый и насыщенный пар поступают по трубам 7 и 2, соответственно по трубе 4 отбирается насыщенный пар на паротушение. Питание обоих котлов (вспо­могательного и утилизационного) осуществляется питательными насосами 10 (один из них резервный) из теплого ящика 11.

Широкое распространение на судах получили утилизационные котлы с принудительной циркуляцией водотрубного типа. Принудительною цирку­ляцию обеспечивают насосы 8 (один из них резервный). Излишки пара из котла, а также отработавший пар от всех потребителей сбрасываются в кон­денсатор турбогенератора или в специальный конденсатор – с помощью клапана 5. Утилизационный котел снабжен арматурой и перепускными тру­бами, которые позволяют отключать отдельные его секции поверхностей нагрева. В случае аварийной остановки ГД предусмотрены электромагнитные клапаны 3 для быстрого отключения потребителей насыщенного пара. Из конденсаторов конденсат подается конденсатным насосом по трубе 12 в теплый ящик 11, в который поступает и добавочная (подпиточная) вода, подаваемая из цистерны котельной воды насосом 1. В теплом ящике обычно устанавливают фильтры для очистки питательной воды, от загрязняющих ее примесей (ила, шлама и масла).

Утилизационные котлы – представляют собой группу котлов, предназначенных для использования тепла дымовых газов, отходящих от судовых ДВС и ГТУ. В зависимости от количества сжигаемого топлива в таких установках температура дымовых газов за ними колеблется в пределах 260 ÷ 450 °С. Производительность котлов-утилизаторов колеблется в широких пределах и может быть равная производительности котлов работающих при сжигании топлива. В судовой энергетике котлы-утилизаторы работают с принудительной циркуляцией воды через поверхности нагрева. Они, как и обычные котлы, состоят из испарительных поверхностей нагрева, водяных экономайзеров и пароперегревателей. Ввиду относительно невысокой температуры газов, поступающих в котел, пароперегреватель в котла-утилизаторах размещают перед кипятильным пучком труб. Поверхность нагрева в таких котлах выполняют преимущественно змеевикового типа. Однако выполняют и с вертикальными трубами внутри которых движутся дымовые газы. В змеевиковых поверхностях нагрева газы омывают наружную поверхность труб, а внутри их движется нагреваемая среда (вода, пароводяная смесь, пар).

Помимо своего основного назначения утилизационные котлы выполняют дополнительную функцию искроуловителя и глушителя газодинамического шума дизеля.

В современной практике на транспортных судах с дизельными установками применяют две схемы утилизации тепла отходящих газов:

- система с обычной утилизацией тепла, в которой насыщенный пар (Р = 0,4 ÷ 0,7 МПа) расходуется на общесудовые и бытовые потребители.

- система с глубокой утилизацией тепла, в которой насыщенный пар перегревают и направляют в турбогенератор.

Первая схема простая, ее применяют на всех морских и речных теплоходах, где котел имеет цилиндрическую форму.

Для отделения пара и воды в котельном агрегате предусмотрен сепаратор. Утилизационные котлы работают только на ходовом режиме, а при глубокой утилизации тепла могут заменить один дизель-генератор на турбогенератор.