3. Поверхні нагріву котла

3.1 Випарні поверхні

Генеруючі пару поверхні нагріву (випарні поверхні) відрізняються в котлах різних систем, розташовуються в основному в топці і сприймають теплоту випромінювання. Це - екранні труби, а також встановлюваний на виході з топки невеликих котлів конвективний пучок труб (рис. 1).

Рисунок 3 - Схеми руху води, пароводяної суміші і пари в котельному агрегаті: а - природна циркуляція; б - багаторазово-примусова циркуляція; в - прямоточний рух: 1 - підведення живильної води; 2 - барабан; 3 - опускні труби, що не обігріваються , 4 - нижній колектор; 5 - підйомні труби, що обігріваються; 6 - відведення насиченої пари; 7 - циркуляційний насос; 8 - випарна поверхня; 9 - живильний насос; 10 - економайзерна частина поверхні нагріву; 11 - пароперегрівач; 12 - відведення перегрітої пари.

Екрани котлів з природною циркуляцією, які працюють під розрідженням в топці, виконуються з гладких труб з внутрішнім діаметром 40....80 мм. Екрани є рядом паралельно включених вертикальних підйомних труб, сполучених між собою колекторами. Проміжок між трубами зазвичай складає 4…6 мм. Розміри топки і величину поверхні екранів розраховують так, щоб на виході з топки температура продуктів згорання не перевищувала температуру розм'якшення золи, інакше зола прилипатиме до деталей котла, розташованих за топкою, і заб'є шлях для проходу газу.

3.2 Пароперегрівачі

Пароперегрівач призначений для підвищення температури пари, що поступає з випарної системи котла. Його труби (діаметром 22…54 мм) можуть розташовуватися як на стінах так і на стелі топки. Вони поділяються на радіаційні пароперегрівачі або конвективні пароперегрівачі. В останньому випадку труби пароперегрівача розташовуються в горизонтальному газоході або на початку конвективної шахти.

Температура перегрітої пари повинна підтримуватися постійною завжди, незалежно від режиму роботи і навантаження котлоагрегату. Це важливо, оскільки при її пониженні підвищується вологість пари в останніх ступенях турбіни, а при підвищенні температури понад розрахункову з'являється небезпека надмірних термічних деформацій і зниження міцності окремих елементів турбіни. Підтримують температуру пари на постійному рівні за допомогою регулюючих пристроїв - пароохолоджувачів. Найширше поширені пароохолоджувачі, в яких регулювання видбувається шляхом уприскування конденсату в потік пари. Вода при випарі віднімає частину теплоти у пари і знижує його температуру.

3.3 Низькотемпературні поверхні нагріву. Економайзери

Низькотемпературними вважаються поверхні, розташовані в конвективному газоході і працюючі при відносно невисоких температурах продуктів згорання. До них відносяться водяні економайзери і підігрівачі повітря. Основна мета їх установки - максимальне використання теплоти газів, які відходять з котла.

Водяні економайзери, призначені для підігрівання поживної води, зазвичай виконують із сталевих труб діаметром 28...38 мм, зігнутих у вертикальні змійовики і скомпонованих в пакети. Труби в пакетах розташовуються в шаховому порядку досить щільно: відстань між осями сусідніх труб упоперек потоку димових газів складають 2…2,5 діаметру труби, а між рядами - уздовж потоку - 1…1,5 діаметру труби. Кріплення труб змійовиків і їх дистанціонування здійснюються опорними стійками, закріпленими у більшості випадків на порожнистих (для повітряного охолодження), ізольованих з боку гарячих газів балках каркаса (мал. 4).

Рисунок 4 - Секція (пакет) водяного економайзера і його кріплення :

1 - колектор; 2 - труби змійовиків економайзера; 3 - стійки; 4 - опорна балка, яка охолоджується повітрям

У економайзері котлів високого тиску до 20 % води може перетворюватися в пару.

Загальне число паралельно працюючих труб вибирається виходячи зі швидкості води не нижче 0,5…1 м/с. Ці швидкості обумовлені необхідністю змивання із стінок труб бульбашок повітря, сприяючих корозії, і запобігання розшаруванню пароводяної суміші, яке може привести до перегрівання слабо охолоджуваної парою верхньої стінки труби і її розриву. Рух води в економайзері обов'язково висхідний, в цьому випадку наявне в трубах після монтажу чи ремонту повітря легко витісняється водою.

Число труб в пакеті в горизонтальній площині вибирається виходячи зі швидкості продуктів згорання 6…9 м/с. Швидкість ця визначається прагненням, з одного боку, отримати високі коефіцієнти тепловіддачі, а з іншої - не допустити надмірного зносу золою. Коефіцієнти теплопередачі за цих умов складають зазвичай декілька десятків Вт/(м²·К). Для зручності ремонту і очищення труб від зовнішніх забруднень економайзер розділяють на пакети заввишки 1...1,5 м з проміжками між ними до 800 мм.

Зовнішні забруднення з поверхні змійовиків віддаляються, наприклад, шляхом періодичного включення в роботу системи очистки, в якій потік металевого дробу падає зверху вниз через конвективні поверхні нагріву, збиваючи налиплі на труби відкладення. Налипання золи може бути наслідком випадання роси з димових газів на відносно холодній поверхні труб, особливо при спалюванні сірчистих палив (пари Н₂SO₃ конденсуються при більш високій температурі, ніж Н₂О). У теплоенергетичних установках поживна вода перед вступом в котел обов'язково піддається регенеративному підігріванню, тому ні налипання золи, ні зовнішньої корозії (ржавлення) внаслідок випадання роси в економайзерах таких котлів не буває.

Верхні ряди nруб економайзера при роботі котла на твердому паливі навіть при відносно невисоких швидкостях газів схильні до помітного зносу золою. Для його запобігання на ці труби кріпляться різного роду захисні накладки, зазвичай згори уздовж труби приварюють сталевий кут.

3.4 Підігрівачі повітря.

Оскільки поживна вода перед економайзером енергетичних котлів має високу температуру після регенеративного нагріву (при р = 10 МПа, наприклад, t_п.у = 230 °С), глибоко охолодити гази, що йдуть з котла, з її допомогою не можна. Для подальшого охолодження газів після економайзера ставлять підігрівач повітря, після якого повітря йде в топку на горіння. При спалюванні вологого вугілля нагріте повітря використовується для його сушки в пристрої для розмелу вугілля і транспортування отриманого пилу в пальник.

За принципом дії підігрівачі повітря розділяються на рекуперативні і регенеративні. Рекуперативні - це, як правило, сталеві трубчасті підігрівачі повітря (діаметр трубок 30...40 мм). Схема такого підігрівача приведена на рис. 5. Трубки в нім розташовані зазвичай вертикально, усередині них рухаються продукти згорання, а повітря омиває їх поперечним потоком в декілька ходів, організовуваних за рахунок перепускних воздуховодов (коробів) і проміжних перегородок.

Газ в трубках рухається із швидкістю 9...13 м/с, повітря між трубками - удвічі повільніше. Це дозволяє мати приблизно рівні коефіцієнти тепловіддачі з обох боків стінки труби.

Температуру стінок труб підігрівачів повітря, щоб уникнути конденсаци на них водяної пари з димових газів, бажано підтримувати вище за точку роси. Цього можна досягти попереднім підігріванням повітря в паровому калорифері або рециркуляцією частини гарячого повітря.

Рисунок 5 - Рекуперативний трубчастий триходовий підігрівач повітря: 1 - трубки; 2 - трубні дошки; 3 - перегородка; 4 - перепускні короби

Регенеративний підігрівачі повітря котла (рис. 6) є барабаном, що повільно обертається (3...5 обертів/хвил.), з насадкою, яка виготовлена з гофрованих тонких сталевих листів. Секторними плитами корпус розділений на дві частини - повітряну та газову. При обертанні ротора насадка поперемінно перетинає то газовий, то повітряний потік. Незважаючи на те що насадка працює в нестаціонарному режимі, підігрівання повітря, що йде суцільним потоком, здійснюється безперервно без коливань температури. Рух газів і повітря - протитечійний.

Рисунок 6 - Облаштування регенеративного підігрівача повітря, що обертається: 1 - ротор; 2 - нерухомий корпус; 3 - насадка; 4 - короби підведення та відведення повітря і газу; 5 - секторні плити, що розділяють газовий і повітря потоки; 6 - механізм приводу (електродвигун, редуктор, шестерня); 7 - суцільні перегородки ротора, що перешкоджають переміщенню повітря і продуктів згорання

Регенеративний підігрівач повітря відрізняється компактністю (до 250 м² поверхні нагріву в 1 м³ насадки); він широко поширений на потужних енергетичних котлоагрегатах. Недоліком його є великі (до 10 %) перетікання повітря в тракт газів, що веде до перевантажень вентиляторів і димососів і збільшення втрат теплоти з димовими газами.

Усі описані поверхні нагріву є типовими теплообмінниками, і розрахунок їх ведеться по відомих формулах. Поверхня нагріву розраховується по рівнянню теплопередачі

(1)

де k - коефіцієнт теплопередачі;

∆t_cp – середня логарифмічна різниця температур продуктів згорання і робочого середовища;

В_рQ - кількість сприйнятої теплоти.

Особливість розрахунку котлів полягає в тому, що його прийнято здійснювати для 1кг твердого і рідкого палива та 1 м³ газоподібного палива. В цьому випадку Q - теплота, віддана продуктами згорання на 1 кг (м³) палива і дорівнює різниці ентальпій продуктів згорання до (Н’) і після (Н") даної конвективної поверхні, т. е.

(2)

Розрахункова витрата палива, тобто його кількість, яка дійсно згоріла в топці позначається В_р. Кількість теплоти, яка передається в цій поверхні робочому тілу (воді, парі, повітрю):

. (3)

У цій формулі D - витрата робочого тіла; h_вх і h_вих - ентальпія робочого тіла на вході в поверхню нагріву і виході з неї, розраховані, як завжди, на 1 кг робочого тіла.

4. КОНСТРУКЦІЇ ВІТЧИЗНЯНИХ КОТЛІВ

4.1 Барабанні котли з природною циркуляцією

На рис. 7 зображені газомазутний котел марки ТГМ-84Б продуктивністю 420 т/ч при тиску пари 13,7 МПа (140 кгс/см²) і температурі 560 °С. Цей котел має порівняно невеликі розміри (висота до осі барабана всього 28,7 м). Топка котла розділена на дві симетричні камери вер­тикальним, двостороннім екраном.

Рисунок 7 - Газомазутний паровий котел ТГМ-84Б; а - подовжній розріз; б - поперечний розріз: 1 - топка; 2 - пальники; 3 - радіаційний настінний пароперегрівач; 4 - барабан; 5 – обладнання для сепарації пари від вологи; 6 - ширми пароперегрівача; 7 - конвективна частина пароперегрівача; 8 - водяний економайзер; 9 - дробеструйная установка; 10 - бічний екран випарної поверхні нагріву; 11 - двосторонній екран

Перший ступінь пароперегрівача цього котла виконаний з трубних панелей, розташованих по усій висоті фронтової стіни обох напівтопок, і є фронтовим екраном. Стеля також закрита суцільним рядом труб, що утворюють стельовий екран. Це - друга частина пароперегрівача (радіаційний стельовий пароперегрівач). Третім ступенем пароперегрівача є розріджені пакети вертикальних змійовиків, так звані ширми, розташовані частково в топці і сприймаючі випромінюванням від гарячих паливневих газів значну частину теплоти. Останній ступінь - горизонтальні пакети труб в конвективному газоході (кон­вективний пароперегрівач). В результаті радіацією передається до 60 % усієї теплоти, що сприймається пароперегрівачем.

Бічні екрани в нижній частині мають слабо нахилені скати до середини топки, що утворюють під. Щоб уникнути перегрівання зверненої до топки поверхні майже горизонтальних подових труб при можливому розшаруванні в них пароводяній суміші ці труби мають захисне обмурування з боку топки. Нині цей котел забезпечується або чотирма, або шістьма пальниками великої продуктивності. Мале число пальників спрощує обслуговування і ремонт котла.

Цікаве кріплення змійовиків конвективного пароперегрівача. Пакети змійовиків спираються на сталеві камери (труби), що служать опорними балками. Самі камери охолоджуються поживною водою, яка прокачуються через них.

Для видалення з поверхні труб конвективної шахти відкладень, використовується система очистки дробом. Чавунний дріб піднімається пневматичним транспортом, а потім викидається в конвективну шахту і, падаючи, збиває з труб відкладення, які відносяться потім димовими газами.

Регенеративний підігрівач повітря, що обертається, встановлюється на індивідуальній опорній конструкції на деякій відстані від котла.

Витрата палива котельним агрегатом - приблизно 29000 кг/ч мазуту або 30000 м³/ч природного газу. Температура поживної води 230 °С; ККД котла 92,5 %; температура гарячого повітря - близько 300 °С; температура димовихтгазів, при роботі на мазуті 130 °С, при роботі на природному газі 120 °С.

Основним типом парових котлів малої продуктивності, широко поширених в різних галузях промисловості, на транспорті, в комунальному і сільському господарстві (пара використовується для технологічних і опалювалних потреб), а також на електростанціях малої потужності, є вертикально-водотрубні котли ДКВР виробництва Бійського котельного заводу. Котли цього типу випускаються продуктивністю від 2,5 до 20 т/ч насиченої або перегрітої пари при тиску 1,4; 2,35 і 3,9 МПа і температурі до 440 °С. Котли ДКВР є уніфікованими транспор­табельними і поставляються замовникам таким чином: малі - в зібраному виді, а підвищеній продуктивності - трьома великими блоками.

Котли ДКВР (рис. 8) - двохбарабанні котли з природною циркуляцією і екранованою паливневою камерою. Барабани розташовані уздовж осі котла, між ними розміщений коридорний пучок кип'ятильних труб. Рух паливневих газів - горизонтальний з поперечним обмиванням труб і поворотами. Повороти паливневих газів забезпечуються установкою перегородок, перша з яких виконана з шамотної цеглини, друга - з чавуну. Бічні екранні труби верхніми кінцями закріплені у верхньому барабані, нижні кінці екранних труб приварені до нижніх колекторів. Передні опускні труби, розташовані в обмуруванні, є також додатковою опорою верхнього барабана. Пароперегрівач, якщо він є, розміщується замість частини труб кип'ятильного пучка (зазвичай першого газоходу). Вхід пари в пароперегрівач - безпосередньо з барабана, вихід - в колектор, розташований над перекриттям топки.

Рисунок 8 - Котел ДКВР-6,5-13-250 з шаровою топкою для спалювання твердого палива (продуктивність 6,5 т/ч пари з надмірним тиском 1,3 МПа і температурою 250 °С): 1 - колосникові грати; 2 - канал подання повітря; 3 - топка; 4 - камера допалювання; 5 - пристрій для подання палива; 6 - верхній барабан; 7 - труби підведення поживної води; 8 - труба відведення перегрітої пари з пароперегрівача; 9 - кип'ятильні труби; 10 - нижній барабан; 11 - труба для продування; 12 - труби пароперегрівача; 13 - труби бічного екрану; 14 - задня стінка топки е вікном для виходу димових газів; 15 - перегородки; 16 - обмурування; 17 - опускні труби

Температура газів, що йдуть з котла, може досягати 400 °С. Тому за котлом часто встановлюють водяний економайзер або трубчастий воздухоподогреватель. Це дозволяє підняти ККД котла до 90,5 %.

4.2 Водогрійні котли

Водогрійні котли призначені для нагріву води з метою опалювання і використання її для побутових потреб. Зазвичай воду теплової мережі підігрівають від 70...104 до 150…170 °С. Останнім часом є тенденція до підвищення її температури до 180…220 °С. Такий високий рівень нагріву води дозволяє передати споживачеві досить велику кількість теплоти відносно малою витратою води. Котли зазвичай працюють за прямоточною схемою з постійною витратою води, а кількість переданої теплоти регулюється (залежно від погодних умов) температурою її нагріву.

Щоб уникнути конденсації водяної пари з газів, що йдуть, і пов'язаною з цим зовнішній корозії поверхонь нагріву температура води на вході в котел має бути вища за точку роси для продуктів згорання. В цьому випадку температура стінок труб в місці введення води також буде не нижча точки роси. Тому температура води на вході не має бути нижча 60 °С при роботі на природному газі, 70 °С при роботі на малосірчистому мазуті і 110 °С при використанні високосірчистого мазуту. Оскільки в тепломережі вода може охолоджуватися до температури нижче 60 °С, перед входом в агрегат до неї підмішується деяка кількість вже нагрітої в котлі (прямій) води.

На рис. 9 зображений загальний вигляд газомазутного водогрійного котла типу ПТВМ-30М-4 теплопродуктивністю при роботі на мазуті 41 МВт (35 Гкал/ч), що добре зарекомендував себе в експлуатації. Котел має П-образне компонування і обладнаний шістьма газомазутними пальниками (по три на кожній бічній стіні) з мазутними форсунками механічного розпилення. Паливнева камера котла повністю екранована трубами діаметром 60 мм.

Рисунок 9 - Газомазутний водогрійний котел ПТВМ-30М-4:

а - продольпый розріз; б - поперечний розріз; 1 - пальники котла; 2 - майданчики і сходи для обслуговування котла

Конвективна поверхня нагріву виконана з горизонтальних труб діаметром 28 мм. Конвективна шахта також екранована. Полегшене обмурування котла кріпиться безпосередньо на труби, що спираються, у свою чергу, на каркасну раму. Котли цього типу, призначені для роботи на мазуті, обладнали дробовою очищувальною установкою.

Циркуляційна схема котла приведена на рис. 10. Вода підводиться до фронтового екрану паливневої камери, виводиться - з бічного екрану топки.

Рисунок 10 - Схема циркуляції котла ПТВМ-30М-4:

1 - фронтовий екран топки; 2 - бічні екрани топки; 3 - бічні екрани конвективної шахти; 4 - конвективні поверхні; 5 - задній екран конвективної частини; 6 - задній екран топки

4.3 Котли-утилізатори

Для використання теплоти газів різних технологічних установок, що відходять, у тому числі і печей, застосовуються котли-утилізатори. При високих температурах газів (більше 900 °С) ці котли забезпечуються радіаційними (екранними) поверхнями нагріву і мають таке ж компонування, як і звичайний паровий котел, тільки замість топки - радіаційна камера, в яку знизу входять гази. Підігрівач повітря відсутній, якщо немає необхідності в гарячому повітрі для потреб виробництва. Гази спочатку охолоджуються в радіаційній камері, як в топці "звичайного" котла. Великий вільний об'єм цієї камери дозволяє мати підвищену товщину випромінюючого шару і, як наслідок, підвищену міру чорноти газів. Тому тут переважає передача теплоти випромінюванням.

Первинне охолодження газів у вільному від змійовиків об'ємі потрібне для твердіння рас­плавлених часток шлаку або технологічного продукту, що відносяться з печі, до того, як вони прилипнуть до холодних змійовиків і затвердіють на них.

Якщо газ, що відходить з технологічних установок, не містить горючих компонентів, то такий котел пристроїв пальників не має. Ці котли працюють з природною або примусовою циркуляцією і мають практично усі деталі описаних вище котельних агрегатів.

При конструюванні котлів, що використовують теплові відходи, слід враховувати агресивні компоненти, що містяться в гріючих газах, наприклад сірчисті гази, що поступають з печей випалення сірковмісної сировини. За наявності в технологічних газах пальних складових, що підводяться до котла, організовується їх попереднє допалювання в радіаційній камері, яка в цьому випадку фактично перетворюється на топку.

При температурах газів нижче 900 °З в котлах-утилізаторах зазвичай використовуються тільки конвективні поверхні нагріву. Ці агрегати радіаційної камери не мають, а цілком виконуються зі змійовиків.

Так, нині випускається серія, уніфікованих котлів типу КУ (КУ-125; КУ-100-1; КУ-80-3; КУ-60-2), що встановлюються за печами заводів чорної металургії. Перша цифра в маркіровці означає максимальну годинну витрату газів через котел (тис. м3 за нормальних умов). Температура газів на вході 650.850 °С. Параметри пари, що виробляється : тиск 1,8.4,5 МПа і температура 365.385 СС. Паропроизводительность котла КУ-125, наприклад, складає 27.41 т/ч. Усі котли цієї серії, як і більшість інших змієвикових утилізаторів, працюють з багатократною примусовою циркуляцією води через випарні поверхні (мал. 11). Вода, підігріта у водяному економайзері 5, подається у барабан 3, звідки забирається циркуляційним насосом 2 і прокачується через випарні змійовики 4. Потім пароводяна суміш повертається у барабан, де пара відділяється від води. Вода знову спрямовується в циркуляційний насос, а відсепаровану пару - в пароперегрівач 1, який встановлений в зоні підвищеної температури газів.

Рисунок 11 - Спрощена схема котла-утилизатора серії КУ, що встановлюється за печами заводів чорної металургії