Глава 4. Котельные установки

4.1. Назначение и классификация

Основным источником теплоты в виде пара и горячей воды разных параметров, необходимых для производства электрической энергии, осуществления технологических процессов, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, являются котельные установки. Современная котельная установка - это комплекс инженерных сооружений, агрегатов, устройств и коммуникаций, связанных в единое целое общей технологической схемой производства теплоты. Технологическая схема котельной установки видоизменяется в зависимости от вида используемого топлива и способа его сжигания, вида и параметров генерируемых теплоносителей, производительности, подключенной нагрузке и других факторов.

По назначению котельные установки принято разделять на следующие типы: 1) энергетические, предназначаемые для снабжения теплотой в виде перегретого пара давлением 8-20 МПа при температуре 500-560С паротурбинных установок электростанций; 2) производственные - для генерирования теплоты в виде насыщенного или перегретого пара давлением 0,6-3,5 МПа при температуре 150-240С для технологических потребителей (нагрев, сушка и др.); 3) производственно-отопительные, осуществляющих теплоснабжения технологических и коммунально-бытовых потребителей; 4) отопительные, вырабатывающие теплоту только для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений.

Котельные можно классифицировать:

• по вырабатываемому теплоносителю на паровые, водогрейные и паро-водогрейные;

• по мощности - малой теплопроизводительности (до 20 Гкал/час), средней (20-100 Гкал/час) и большой (100 Гкал/час).

Котельные мощностью свыше 300 Гкал/час называют тепловыми станциями. В крупных городах котельные условно подразделяют на следующие виды:

а) районные - снабжающие теплотой в виде пара и горячей воды промышленные узлы и жилищно-коммунальных потребителей, входящих в район застройки города. Эти котельные обычно оборудуются мощными паровыми и водогрейными котлами (свыше 10 Гкал/час);

б) квартальные - для теплоснабжения одного или нескольких кварталов жилых домов и коммунально-бытовых потребителей. В этих котельных устанавливаются паровые котлы с бойлерами - пароводяными подогревателями или водогрейные котлы средней мощности (до 10 Гкал/час);

в) групповые - для теплоснабжения одного или группы жилых зданий. Такие котельные оборудуются водогрейными котлами малой мощности (до 1 Гкал/час).

В зависимости от вида используемого топлива котельные установки подразделяются на газовые, мазутные и твердотопливные. В соответствии с этим каждая котельная будет иметь свое топливное хозяйство, предназначенное для приема, разгрузки, хранения, подготовки и подачи топлива в топливо сжигающие устройства котельных агрегатов.

4.2 Технологический комплекс котельной установки

Производство теплоты в котельных установках включает несколько взаимосвязанных технологических процессов (рис. 4.1), которые условно можно объединить в пять циклов (подсистем):

1. Цикл подачи топлива, включает технологические операции по транспорту, разгрузке, складированию, подготовке и подаче топлива в топливосжигающие устройства и топку котлоагрегатов. Топливо поступает в топку котлов только после соответствующей подготовки. Так, природный газ подается через газо-регулирующий пункт (ГРП), в котором производится его очистка в фильтрах, снижение давления до требуемого, измерение давления, температуры и расхода газа. Затем газ по газопроводам направляется к газовым горелкам и в топку котла.

Жидкое топливо, например мазут, проходит более сложный цикл подготовки: из железнодорожных или автомобильных цистерн мазут, после разогрева острым паром, сливают в приемную емкость, из которой насосами он подается в емкости мазутохранилища. Из расходной емкости мазут через топливо подогреватели и фильтры насосами подается к форсункам, а затем в распыленном состоянии в топку котла. Подогреватели должны обеспечивать подогрев мазута до 100-135С, а насосы должны развивать напор, обеспечивающий давление мазута у форсунок 2,5–3,5 МПа.

Твердое топливо поступает в виде железнодорожных или автомобильных маршрутов, которые разгружаются на специальных эстакадах. Оттуда топливо поступает на склад, где складируется в виде штабелей с обязательным уплотнением, предотвращающем его самовозгорание.

При факельном сжигании топливо со склада по транспортеру подается в дозирующий бункер, из которого через питатель поступает в систему пылеприготовления. Размол топлива и получение угольной пыли осуществляется в молотковых или шаробарабанных мельницах. Выбор схемы пылеприготовления и типа мельниц зависит от свойств топлива. После приготовления, пыль из мельниц выносится потоком нагретого воздуха в сепаратор пыли, а затем в горелки и топку котла.

Рис. 4.1. Схема технологического процесса котельной установки:

Ц1 - цикл топливо-шлак; Ц2 - цикл воздух-газ; Ц3 - цикл вода-пар

или вода-вода; Ц4 - цикл подготовки питательной и подпиточной воды;

Ц5 - цикл теплоснабжения: 1 - вид энергии; 2 – циклы; 3 - носители энергии;

4 - средства передачи; 5 - химическая энергия; 6,7,8 - термическая энергия;

9 - склад топлива; 10 – золоотвал; 11 – топка; 12 – котлоагрегат; 13 - потери тепла в окружающую среду; 14 - теплоподготовительные установки; 15 – деаэратор; 16 – химводоочистка; 17 - источник водоснабжения; 18 - потребители тепла; 19 – топливо; 20 – воздух (газ); 21 - пар (вода); 22 - добавочная вода;

23 - пар (горячая вода); 24 - транспортные механизмы; 25 - газо-,

воздухопроводы; 26 - трубопроводы, насосы; 27-тепловые сети

При слоевом сжигании твердого топлива уголь из бункера поступает через специальные питатели и забрасыватели в топку котла на колосниковую решетку. При немеханизированном сжигании твердого топлива все операции выполнятся вручную. Твердые отходы сжигания топлива в виде золы и шлака сбрасываются в отвалы или используются для строительных целей.

2. Цикл подачи воздуха на горение и удаления газообразных продуктов сгорания после их очистки. Необходимый для горения топлива воздух берется из верхней части помещения котельной и вентиляторами по воздуховодам подается в воздухоподогреватели, а затем в цикл подачи топлива для подогрева и транспорта твердого топлива, образования топливо-воздушной смеси, в топливосжигающие устройства и топку котла. При горении топлива воздух переходит в продукты горения, которые передают теплоту поверхностям нагрева, а затем удаляются с помощью дымососов или естественной тяги, создаваемой дымовой трубой. При сжигании твердого топлива дымовые газы очищаются от летучей золы в золоуловителях.

3. Цикл подготовки питательной и подпиточной воды служит для восполнения потерь рабочего тела. По действующим правилам Госгортехнадзора питательная и подпиточная вода должны иметь определенное качество, как по составу взвешенных частиц, железа и меди, так и содержанию растворимых газов O₂ и СО₂, а также солей жесткости CaСО₃ и MgСО₃, наличие которых снижает надежность и эффективность работы котлов и всей системы теплоснабжения потребителей. Поэтому в зависимости от качества исходной воды в котельных устанавливается специальная система водоподготовки, которая включает:

• механическую очистку воды от взвешенных частиц при ее фильтровании через однослойные или двухслойные механические фильтры с загрузкой антрацитом и кварцевым песком, а при сильном загрязнении известкование с коагуляцией с последующим осветлением и фильтрованием;

• химическую очистку воды от солей жесткости - умягчение и снижение щелочности исходной воды путем Na - катионирования, Na-H, катионирования и других методов, при которых вода проходит через специальные фильтры с набивкой из активированного угля (каменного угля, обработанного дымящейся серной кислотой), насыщенного раствором NaCl или специальных ионообменных смол. В этих фильтрах происходит замена, вытеснение катионов Ca⁺ и Mg⁺ на Na, который в соединение анионами HCO^- и CO^- дает соли, не образующие накипи на внутренней поверхности котельных труб;

• деаэрацию - процесс удаления из воды растворенных газов O₂ и CO₂.

Дегазация может быть произведена химическим или термическим способом. Наибольшее распространение получила термическая деаэрация воды, основанная на законе Генри - растворимость в воде газов прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа (p_г):

G_г = К_ргр_г = К_рг(р_о – р_п), (4.1)

где k_рг - коэффициент растворимости газа, мг/(л Па);

р_о, р_п - давление над поверхностью воды, соответственно, полное и водяных паров, ати.

При нагревании воды давление пара будет расти и при температуре кипения р_о = р_п, следовательно, количество растворенных газов G_г = O. Термическая деаэрация осуществляется в специальных устройствах - деаэраторах, которые подразделяются на вакуумные (р_о1 ати), атмосферного типа (р_о=1 ати) и высокого давления (р_о 1 ати). В деаэраторе вода нагревается до температуры кипения, образующийся при этом выпар - смесь газов и паров воды, должен непрерывно удаляться в охладитель выпара, где пар конденсируется, а газы уходят в атмосферу.

4. Цикл генерации теплоносителя происходит в котлоагрегатах в процессе теплообмена и передачи теплоты от горячих продуктов горания, полученных при сжигании топлива, к поверхностям нагрева и рабочему телу. При этом в паровых котлах рабочее тело (вода) меняет свое агрегатное состояние, а в водогрейных только теплосодержание.

В котлоагрегате за счет тепла газов происходит нагрев питательной воды от t_пв до температуры насыщения t_н, при которой вода кипит при данном давлении, парообразование (испарения воды) - изменения агрегатного состояния и перегрева пара до температуры t_пп за счет подвода дополнительного количества теплоты. Если вся вода превращается в пар, тогда он считается сухим. Смесь кипящей воды и сухого пара образует насыщенный пар, сухость которого определяется отношением массовых долей сухого пара (m_с) и кипящей воды (m_в) х = m_с/m_в, следовательно, влажность пара  = 1 – х.

Если обозначить энтальпию воды, нагретой до температуры кипения (i), тогда теплосодержание пара должно быть больше на величину скрытой теплоты парообразования (r), необходимой для разового перехода воды в пар: i=i+r. Энтальпия насыщенности влажного пара:

i = ix - i(1-x) = i+rx. (4.2)

Параметры теплоносителей при заданных значениях давления и температуры можно определить по Is - диаграммам или таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара. Таким образом, в котлоагрегатах каждому килограмму воды должно быть сообщено определенное количество теплоты:

• в водогрейных котлах

Q = G (i - t_пв), (4.3)

• в паровых котлах

Q = D (i - t_пв). (4.4)

В ходе этого процесса из-за разностей плотностей нагретой (р₂) и холодной (р_х) воды возникает естественная циркуляция. Движущее давление естественной циркуляции:

р = Нg(р₂ - р_х), (4.5)

где H - высота циркуляции, м;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Если в котлах невозможно осуществить надежную естественную циркуляцию, тогда создают систему принудительной циркуляции с помощью насосов. Циркуляция воды в поверхностях нагрева котла обеспечивает отвод теплоты. Поэтому при ее нарушении может произойти перегрев и выход из строя поверхностей нагрева котлоагрегата.

Другой отличительной чертой этого процесса является внутрикотловая очистка рабочего тела. Так, для уменьшения концентрации веществ, загрязняющих котловую воду, производят периодическую или непрерывную продувку. При этом шлам, образующийся в котле, вместе с котловой водой сбрасывается в канализацию. Оставшиеся примеси могут попасть в пар с капельками воды, поэтому в паровых котлах производят его сепарацию, т. е. отделение воды от пара.

Пар из котлоагрегата поступает на общий коллектор, с которого он подается в систему теплоснабжения и на собственные нужды котельной, например, для разогрева мазута, нагрева воздуха, подогрева и деаэрации питательной воды, привода паровых насосов и других нужд.

5. Цикл теплоснабжения предусматривает транспорт теплоносителей и передачу теплоты потребителям. При этом теплоноситель заданных параметров по трубопроводам подается к теплоприемникам, отдает свой энергетический потенциал и в виде конденсата пара или охлажденной сетевой воды возвращается в котельную, где весь производственный процесс повторяется.