3. Принципиальная конструкция барабанного котла
Рисунок 2 – Принципиальная схема барабанного котла
На рисунке 2 представлена схема устройства парового котла с естественной циркуляцией, на примере которого рассматриваются принятые в котлостроении термины, определения, принципиальное назначение узлов агрегата.
Основными рабочими элементами парового котла являются поверхности нагрева, которые представляют собой металлические трубчатые поверхности, с одной стороны омываемые горячими дымовыми газами, а с другой — водой, пароводяной смесью, паром, воздухом. Размер поверхности обычно принимается по стороне труб, • омываемой газами (теплоносителем), и измеряется в квадратных метрах (м2).
Экономайзер 11, 12 — трубчатая поверхность нагрева, служащая для подогрева горячими дымовыми газами питательной воды, подаваемой в котел питательным насосом. Питательная вода подается из машинного зала 6 котельную обычно с температурой ниже кипения на несколько десятков градусов. Догрев ее до кипения в барабанных агрегатах и до /Н ас=— 30 °С в прямоточных осуществляется в теплообменных аппаратах — экономайзерах.
Экономайзеры появились в начале XIX в., С. В. Литвинов (1785— 1843) впервые установил экономайзер на уходящих дымовых газах паросиловой установки, руководствуясь «экономией» топлива, что и определило его наименование на все последующие годы.
Особенно возросла роль экономайзеров при переходе к высоким давлениям из-за роста 1эк. В настоящее время в ряде конструкций в экономайзерах не только подогревается питательная вода до точки кипения, но и выдается пар в количестве до 15%. Поэтому различают экономайзеры кипящие и некипящие.
Барабан. Вода по трубопроводу 13 подается из экономайзера в барабан 1, из которого котловая вода, перемешанная с питательной* направляется по опускным трубам 9 на питание испарительных поверхностей нагрева, в данном случае топочных настенных трубчатых экранов 7. В экранных трубах происходит частичное испарение воды* пароводяная смесь в барабане разделяется на воду-и пар. Соответственно в барабане имеются водяное 2 и паровое 3 пространства. Условная поверхность, отделяющая паровое пространство от водяного, носит название зеркала испарения. Уровень воды в барабане контролируется системой водоуказательных приборов. Различают два крайних по высоте уровня воды — низший и высший. Низший уровень определяется опасением оставить опускные трубы и их экраны без воды, особенно с учетом возможности воронкообразования. Высший уровень устанавливается таким, чтобы исключался заброс влаги с паром и влажность последнего не превосходила допустимых пределов. Объем воды между предельными уровнями называют запасом питания. Для современных высокофорсированных котлов по сравнению со старыми конструкциями запас питания снизился с нескольких десятков минут до нескольких десятков секунд, что настоятельно потребовало замены ручного управления питания водой автоматическим.
Вода в барабане, замыкая цикл, вновь поступает в опускные трубы 9 и нижние коллекторы 10. Насыщенный пар проходит внутрибарабанные сепарационные устройства, оставляя здесь часть влаги с примесями, и направляется по паропроводу 14 на перегрев в пароперегреватель.
Барабан является самым сложным, металлоемким и дорогим узлом парового котла. В барабане осуществляются сбор и раздача рабочей среды, обеспечение запаса воды в котле, разделение пароводяной смеси на пар, и воду. Для этой цели используются не только паровой объем барабана, но и размещенные в нем паросепарационные устройства. Кроме того, наличие барабана дает возможность поддерживать концентрацию примесей в котловой воде, а, следовательно, и качество пара на определенном заданном уровне.
Испарительная поверхность котла — это трубчатая поверхность нагрева, в которой осуществляется испарение воды за счет теплоты дымовых газов. Дымовые газы передают теплоту поверхностям нагрева двумя способами: за счет лучеиспускания газов, тогда поверхности нагрева называют радиационными, или за счет конвекции, т. е. непосредственного контакта с газами, и в этом случае поверхности называют конвективными.
Все современные энергетические котлы оборудуются экранами, под которыми понимают поверхность нагрева, расположенную на стенах топочной камеры 4, конвективных газоходов 24 и ограждающую стены от воздействия высоких температур.
Пароперегреватель — трубчатая поверхность нагрева, служащая для подогрева пара выше температуры насыщения за счет теплоты, переданной конвекцией или комбинированно: радиацией в топке и конвекцией в газоходах. Пар в перегревателе проходит последовательно: потолочный перегреватель 29, ширмы 30 — плоские трубчатые полурадиационные поверхности, далее первый контур конвективного перегревателя 15 и второй — 17. Между ними расположен пароохладитель 16, впрыскивающий питательную воду. Пройдя перегреватель, пар направляется к потребителю с необходимой температурой перегрева.
На котле, изображенном на рис. 2, имеется вторичный промежуточный пароперегреватель 31, служащий для повышения температуры пара, отработавшего в ряде ступеней турбины. Перед пароперегревателем установлен фестон 8, являющийся испарительной поверхностью, образованной из -разреженного в верху топки заднего экрана. Назначение фестона заключается в организации свободного выхода из топки 4 топочных газов в поворотный горизонтальный газоход 23.
Топка (топочная камера) котла предназначена для сжигания органического топлива, частичного охлаждения продуктов сгорания’ за счет передачи теплоты топочным экранам и выделения из продуктов сгорания золы. Топочная камера 4 имеет на фронтовой стене ряд круглых пылеугольных горелок 5, к которым из системы пылеприготовления подведено топливо с первичным воздухом 6 и вторичным горячим воздухом 20.
Воздухоподогреватель. Первичный и вторичный воздух нагреваются в воздухоподогревателе 18, 19, по воздуховоду 21 часть воздуха, называемого первичным, направляется на сушку и транспорт пыли.
Воздухоподогреватели как элемент паровых котлов появились в начале XX в. для подогрева воздуха, подаваемого на горение топлива, так как горячий окислитель топлива значительно интенсифицирует процесс горения. Кроме того, повышая температуру горения в топке, окислитель повышает температурный напор между теплоносителем и рабочим телом по всем поверхностям нагрева котла, и тем сауым интенсифицируется теплообмен, снижаются недожог топлива и удельная затрата металла на поверхности нагрева.
Дутьевой вентилятор 28 забирает теплый воздух из-под крыши котельной 27 и подает его на подогрев в воздухоподогреватель. В нижней части топки имеется система твердого шлакоудаления, состоящая из холодной воронки 32, шлаковой шахты 25 и канала гидрошлакоудаления 26.
Дымосос. Дымовые газы из воздухоподогревателя направляются в золоуловитель, от него к дымососу, наконец, через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу при температуре уходящих газов 120— 160 °С.
Котел, изображенный на рис. 2, имеет со стороны дымовых газов систему под разрежением или, как ее называют, систему с уравновешенной тягой, создаваемую совместным действием дымососной и дутьевой установок. Здесь дутьевой вентилятор 28 создает давление в воздушном подогревателе (1000—3000 Па), воздуховодах 20, горелках 5. Дымосос устанавливается, из соображения эрозии, после золоуловителей и создает разрежение, начиная с топки (примерно 20 Па в верху топочной камеры) и кончая самим дымососом (~ до 4000 Па).'Однако появилась и другая, более простая система под наддувом 2000—6000 Па, создаваемым работой только дутьевой установки на трассе от всаса 27 и до дымовой трубы включительно.
Дутьевой вентилятор, дымосос, питательный насос, устройства пылеприготовления, золоулавливания, шлакозолоудаления и золоочистки являются вспомогательным оборудованием, обеспечивающим работу котла.
Котел с внешней стороны имеет наружное ограждение—обмуровку 22 и включает в себя обшивку из стального листа 3—4 мм со стороны помещения котельной, вспомогательный каркас, огнеупорную обмуровку, тепловую изоляцию толщиной 50—200 мм. Основное назначение обмуровки и обшивки заключается в уменьшении тепловых потерь в окружающую среду и обеспечении газовой плотности.
Каждый паровой котел снабжается гарнитурой и арматурой. К гарнитуре относятся все приспособления и устройства—лючки, лазы, шиберы, обдувочные устройства и т. п., к арматуре — все приборы и устройства, связанные с измерением параметров и регулированием рабочего тела (манометры, водоуказатели, задвижки, вентили, предохранительные и обратные клапаны и др.), обеспечивающие возможность и безопасность обслуживания агрегата.
Конструкции котла опираются на несущий стальной каркас, основными элементами которого являются стальные балки и колонны. Элементы мощных котлов подвешиваются к балкам, опирающимся на строительную конструкцию главного здания.
Котельный цех может размещаться внутри здания, т. е. иметь закрытую компоновку оборудования, что характерно для сурового климата большей части территории СССР, открытую и полуоткрытую, когда оборудование полностью или частично размещается под открытым небом (республики Средней Азии и Закавказья) [2].