Частина третя котельні установки
1. Загальні відомості
Котлами називають пристрої, призначені для отримання пари або гарячої води підвищеного тиску за рахунок теплоти, що виділяється при спалюванні палива або підводиться від сторонніх джерел.
Котли діляться відповідно на парові та водогрійні.
Котли, які використовують (тобто утилізують) теплоту газів, що відходять з печей, або інших продуктів різних технологічних процесів, називають котлами-утилізаторами.
З метою забезпечення стабільної і безпечної роботи котла його оснащують допоміжним устаткуванням, яке служить для підготовки і подання палива, повітря, очищення, підготовки і подання води, відведення продуктів згорання і їх очищення від золи і токсичних газів, видалення залишків золи і шлаку.
Комплекс пристроїв - котел і допоміжне устаткування - називають котельною установкою.
Котельні установки, що забезпечують парою турбіни теплових електричних станцій, називають енергетичними. Для постачання парою виробничих споживачів і опалювання будівель у ряді випадків створюють спеціальні виробничі і опалювальні котельні установки.
В якості джерел теплоти для котельних установок використовуються природні і штучні палива, гази промислових печей, які з них відходять, сонячна енергія, енергія ділення ядер важких елементів (урану, плутонію) тощо.
2. Паровий котел і його основні елементи
2.1 Розвиток конструкцій котлів
Історично розвиток парових котлів йшов у напрямі підвищення паропродуктивності, параметрів пари (тиску і температури), надійності і безпеки в експлуатації, збільшення економічності (ККД) і зниження маси металоконструкцій, що припадає на 1 т пари.
Початковим типом сучасних котлів був простий циліндричний котел (рис. 1, а), виконаний у вигляді горизонтального барабана з топкою під ним. Стінки барабана були одночасно і поверхнею нагріву. Надалі збільшення поверхні нагріву йшло по двох напрямах. У одному випадку безпосередньо у водному просторі барабана розміщувалися великі і малі труби; при цьому великі одночасно були топкою (котли з жаровими трубами), а по малих трубам пропускалися продукти згорання (котли з димогарними трубами). У іншому випадку до барабана приєднувалися додаткові зовнішні трубні поверхні нагріву - кип'ятильні пучки, що заповнені водою і обігріваються димовими газами (водотрубні котли).
Рисунок 1 - Схема розвитку парових котлів : а - простий циліндричний котел; б - водотрубний котел з похилим трубним пучком; в - двохбарабанний вертикально водотрубний котел. Стрілками показаний рух продуктів згорання в газоходах; 1 - барабан; 2 - топка; 3 - труби кип'ятильного (випарного) пучка; 4 - опускні труби; 5 - колектори, що об'єднують труби поверхонь нагріву; 6 - водяний економайзер для попереднього підігрівання води перед поданням її у барабан; 7 - перегородки в газоходах котла; ПВ - поживна вода; П - пара.
Зменшення діаметру труб цих поверхонь і збільшення їх кількості вели до росту питомої поверхні нагріву (м2/м3 об'єму газоходу). У котлах цього типу рух середовища через кип'ятильний пучок труб забезпечувався за рахунок природної циркуляції: пароводяна суміш в трубах кип'ятильного пучка, яка легше за воду, піднімалася вгору, і витісняється водою, що поступає з барабана по опускних трубах. Щоб запобігти утворенню пароводяної суміші в опускних трубах і зменшити їх опір, збільшували їх діаметр в порівнянні з підйомними - кип'ятильними (рис. 1, б) і зменшували обігрів, розташовуючи їх в зоні нижчих температур продуктів згорання (рис. 1, в).
Надалі опускні труби винесли за стінку (обмурівку) котла (рис. 2). Використання вертикальних трубок як кип'ятильного пучка (див. рис. 1, в) підвищило надійність циркуляції пароводяної суміші в них. Котли цього типу дістали назву вертикально-водотрубних.
Рисунок 2 - Сучасний вертикально-водотрубний барабанний паровий котел з природною циркуляцією: ПВ - подача поживної води; НП - лінія насиченої пари; ПП - відведення перегрітої пари; Т - подання палива до пальника; В - підведення повітря до нагрівача повітря; ГВ - гаряче повітря; ПС-УГ - тракт продуктів згорання палива і газів, які відводяться (з котла); Ш - шлак; 1 - екранні грубі; 2 - барабан; 3 - пароперегрівач; 4 - водяний економайзер; 5 - нагрівач повітря; 6 - нижні колектори; 7 - пальник; 8 - топка котла; 9 контур (стіна) топки і газоходів; 10 - опускна труба; 11 - випромінюючий теплоту факел.
Згодом вертикальні (підйомні) труби випарної поверхні нагріву стали розташовувати і на стінах топки. Так з'явилися екранні поверхні нагріву. Назва пов'язана з тим, що вони, виконуючи свою основну функцію в якості випарної поверхні, ще і екранують стіни топки від випромінювання паливного об'єму топки. Замість нижніх барабанів в якості колекторів (рис. 2 і 1, б), використовуються циліндричні камери (труби) відносно невеликого діаметру. Барабан поступово перестав грати роль поверхні нагріву і його виносять із зони обігріву.
Доцільність перегрівання пари для енергетичних установок зажадала розміщення спеціальних поверхонь нагріву - пароперегрівачів. Так, до середини XX століття оформилася принципова схема конструкції барабанного вертикально-водотрубного котла з багатократною природною циркуляцією, який має екрановану топку (рис. 2).
Одна з схем котла з природною циркуляцією приведена на рис. 2. Барабанний паровий котел складається з паливної камери (топки) і газоходів, барабана, поверхонь нагріву, які знаходяться під тиском робочого середовища (води, пароводяної суміші, пари), нагрівача повітря, сполучних трубопроводів і повітропроводів.
Паливо подається до пальників 7 (рис. 2). Також до пальників підводиться повітря, заздалегідь нагріте у нагрівачі повітря 5 газами, які відходять з котла. Суміш палива та повітря, подається пальниками в паливну камеру (топку) 8 парового котла, згорає там, утворюючи високотемпературний (приблизно 1500 °С) факел, випромінюючий теплоту на труби 1, які розташовані на внутрішній поверхні стін топки. Ці випарні поверхні нагріву називаються екрани. Віддавши частину теплоти екранам, паливні гази з температурою близько 1000 °С проходять через верхню частину заднього екрану, труби якого тут розведені в два-три ряди (фестон), і омивають пароперегрівач 3. Потім продукти згорання проходять через водяний економайзер, нагрівач повітря і покидають котел з температурою близько 110...150 °С.
Вода, яка подається в паровий котел, називається живильною. Вона підігрівається у водяному підігрівачі - економайзері 4, забираючи теплоту від продуктів згорання, економлячи теплоту спалюваного палива. Випар води відбувається в екранних трубах 1. Випарні поверхні підключено до барабана 2 і разом з опускними трубами 10 вони утворюють циркуляційний контур. У барабані відбувається розділення пари і води, крім того, великий запас води в ньому підвищує надійність роботи котла. Суха насичена пара з барабана поступає в пароперегрівач 3, після чого перегріта пара спрямовується до споживача, наприклад на парову турбіну.
Усі поверхні нагріву котла, у тому числі і нагрівач повітря, трубчасті. Лише деякі потужні парові котли мають нагрівачі повітря іншої конструкції.
Нижню трапецієвидну частину топки котельного агрегату називають холодною воронкою - в ній охолоджується зольний залишок, що частково спікся, який у вигляді шлаку провалюється в спеціальний приймальний пристрій. Газомазутні котли не мають холодної воронки, тому що паливо не містить золи.
Газохід, в якому розташований водяний економайзер і підогрівач повітря, називають конвективним (конвективна шахта), в нім теплота передається воді і повітрю в основному конвекцією. Поверхні нагріву, що вбудовані в цей газохід і називаються також хвостовими, дозволяють понизити температуру продуктів згорання від 500…700 °С після пароперегрівача майже до 100 °С, і повніше використати теплоту спалюваного палива. Це підвищує ККД котла.
Уся трубна система і барабан котла підтримуються каркасом, що складається з колон і поперечних балок. Топка і газоходи захищені від зовнішніх тепловтрат обмуруванням - шаром вогнетривких і ізоляційних матеріалів. Із зовнішнього боку обмурування стінки котла мають обшивку сталевим листом з метою запобігання присосам в топку надмірного повітря і вибивання назовні запилених гарячих продуктів згорання, які містять токсичні компоненти. Для підвищення надійності роботи котла у ряді випадків рух води і пароводяної суміші в циркуляційному контурі (барабан - опускні труби - нижній колектор - підйомні труби - барабан) здійснюється примусово, циркуляційним насосом. Це - котли з багатократною примусовою циркуляцією (рис. 3, б).
Одними з останніх є конструкції прямоточних котлів з примусовим, за допомогою живильного насоса, рухом води, пароводяної суміші і перегрітої пари (рис. 3, в). Для цих агрегатів необхідність у барабані відпадає, і він не встановлюється.
За прямоточною схемою (рис. 3, в) працюють також практично усі водогрійні котли, що не мають ні випарних, ні перегріваючих поверхонь.
Основні схеми руху потоку вода - пароводяна суміш - пара в сучасних котельних агрегатах показані на рис. 3.
У газоходах і топці котла за рахунок тяги спеціально встановлюваного дымососа підтримується розрідження. Воно не дозволяє продуктам згорання вибиватися в атмосферу котельного цеху через можливу нещільність обмурування, через лючки та лази.
Парові котли оснащуються системами дистанційного керування і автоматизації, що забезпечують надійну, безпечну і економічну їх роботу.
На підприємствах країни встановлені парові котли різних конструкцій. Розміри парових котлів також різні. Деякі в зібраному виді можна перевозити автомобільним транспортом; в той же час найбільші котли теплових електричних станцій мають висоту до 100 м.
Найбільш великими нині є енергетичні котли. Їх паропродуктивність досягає 4000 т/год., а потужність турбіни, які живляться від них, може доходити до 1200 МВт, тиск пари - до 25 МПа, температура перегрітої пари - до 560 °С.