6.3. Котельні установки.

Комплекс споруд та обладнання, який призначений для виробництва пари і отримання гарячої води підвищеного тиску за рахунок теплоти, шо виділяється при згоранні палива або теплоти, підведеної від сторонніх джерел, називають котельними агрегатами. У відповідності до цього котли бувають парові і водогрійні.

Котельна установка складається із котельного агрегата та допоміжних засобів. В котельний агрегат входять:

- топкове обладнання (камера з горшками);

- паровий котел;

- пароперегрівач, де утворена водяна пара доводиться до необхідних параметрів;

- економайзер - пристрій для попереднього підігріву води;

- повітряпідігрівач, який призначений для попереднього підігріву повітря, що поступає в топку.

До допоміжних засобів відносять:

- тягодуттєві, шлако- і золовідводні канали;

- каркас, обмуровка.

До основних характеристик котла відносять такі:

1. Потужність (продуктивність) — кількість водяної пари, що виробляється за одиницю часу.

2. Параметри отриманої пари (тиск, температура).

3. Коефіцієнт корисної дії.

В залежності від призначення котельні установки поділяють на:

- енергетичні;

- виробничі; '

- опалювальні.

За продуктивністю вони бувають:

- низької потужності - до 20 Т/год;

- середньої - до 75 Т/год;

- високої - понад 75 Т/год.

Найбільш висока продуктивність сучасних парових котлів досягає 3950 Т/год., тиск виробленої цими котлами пари становить 25 МПа при 570°С. В залежності від тиску виробленої пари їх поділяють на:

- низького тиску — до 1,37 МПа;

- середнього — до 3,92 МПа; •

- високого - до 9,8 МПа і витле;

- понад високого — до 25 МПа.

За системою циркуляції парові котли ділять на три групи:

- з багаторазовою природною циркуляцією;

- прямоточні котли з вимушеним рухом води, пароводяної суміші і перегрітої пари під дією живильного насосу;

- з багаторазовою вимушеною циркуляцією.

В залежності від напрямку руху теплоносіїв вони можуть бути прямотечійні і протитечійні.

За конструкцією парові котли поділяють на газотрубні і водотрубні. В газотрубних котлах основні поверхні нагріву знаходяться в трубах великого діаметру, по яких рухаються продукти згорання палива. Вони зовні омиваються водою. Із-за того, що такі котли мають низьку продуктивність, низькі параметри водяної пари, їх промисловість останнім часом не ві пускає. Раніше їх масово використовували на паровозах. У водотрубних котл.іх вода циркулює по трубах, яка омивається продуктами згорання палива (газами), що мають високу температуру.

Газотрубні котли бувають таких різновидностей:

- жаротрубні (XIX cm.) нині їх не будують;

- димогарні — трубки мають діаметр в межах 50-150мм;

- комбіновані — на паровозах (складна конструкція, можливість підвищення тиску обмежена).

Газотрубні були витіснені водотрубними, які мають значно менші розміри із меншими витратами води, мають високу продуктивність і високі параметри водяної пари. Найпоширенішими були горизонтально-водотрубні. Перші копай були батарейного типу (Шухова), конструкції яких модернізував Берлін — труби розмістив у шахматному порядку для вертикально-водотрубних. У них відсутні з'єднувальні камери. Потім був здійснений перехід до однобарабанної системи.

Маркірування котлів має такі особливості:

- перша буква вказує на вид циркуляції теплоносія: Е — природна; П — вимушена;

-перше число вказує на продуктивність в Т/год;

- друге число свідчить про тиск пари в кГ/см^г;

- остання буква вказує на вид палива: М — мазут: Г — газ. Крім цього заводи можуть давати своє маркірування котлів.

Для прикладу, котел Е~420~140 ГМ має природню циркуляцію з продуктивністю 420 Т/год, тиском водяної пари 140кГс/см². Він може працювати з топкою, де як паливо використовують природній газ або мазут.

На рис.6.5. показана схема розвитку парових котлів. Родоначальником сучасних котлів був простий циліндричний котел, який являє собою циліндр (барабан) замурований у цегляну кладку, а під барабаном розміщена ручна топка (рис.6.5. а).

У котельних установках доцільно використовувати камерні або циклонні топки. Шарові топки мають до 70% золи у бункері, а 30% вилітає в атмосферу, а для камерних 90% золи залишається у топці, а лише 10 % виходить в оточуюче середовище. Котли бувають із природною і вимушеною циркуляцією.

У котлах із природною циркуляцією вимушений рух здійснюється тільки у водяному економайзері, а у прямоточних котлах процес пароутворення від подачі води в котел до видачі перегрітої пари здійснюється вимушено і однократно. Просування води і паро-водяної суміші і пари здійснюється живильним насосом. На рис.6.6 наочно продемонстровано контур природної циркуляції. Прямоточні котли, так само як і барабанні, мають радіаційну та конвективну зону. Схема прямоточного котла системи Л.К.Рамзіна подано на рис.6.7.

Живильна вода подається до економайзера 1, де підігрівається теплотою відпрацьованих газів до температури 110°С, І надходить до радіаційної частини котлоагрегату. З паровмістом 70...75 % пароводяна суміш надходить до конвективної частини — перехідної 3. Тут відбувається остаточне випарування води, після чого пара подається до радіаційної частини 5 пароперегрівника, а потім до конвективної 6 і зрештою — до споживача. У конвективній шахті розмішують два ступені повітряного підігрівача 2.

В таких котлах порівняно з барабанними можна отримувати водяну пару більш високих параметрів з більш високою продуктивністю і нижчою вибухонебезпечністю.

Рис.6.5. Схема розвитку парових котлів: а-простий циліндричний; 6-водотрубний

котел з нахиленим трубним пучком; в-двухбарабанний вертикально-водотрубний

котел. 1-барабан; 2-топка; 3-труби кип'ятильного пучка; 4-опускні труби; 5-

колектори; 6-водяний економайзер; 7-перегородки в газоходах котла.

Рис.6.6. Найпростіший контур природної циркуляції: 1-барабан; 2-опускна

непшігріваема труба; 3-нижній колектор; 4-підіймальна випаровуюча труба; 5-

внутрішня поверхня топкоюї камери.

Рис.6.7. Прямоточний котел: 1 -економайзер; 2-повітряпідігрівач; 3-перехідна зона;

4-5-пароперегрівачі: конвективний. радіаційний. Параперегрівачі бувають таких різновидностей:

- радіаційні;

- конвективні;

- змішані.

Вони складаються із великої кількості змійовиків, приварених паралельно до колектора. В залежності від напрямку руху пари їх поділяють на протитечійні, прямотечійні і комбіновані.

Рис.6.8. Схеми взаємного руху гріючого І нагріваючого середовища в конвективних елементах парового котла.

Економайзери працюють за таким же принципом, що і пароперегрівачі, але вони здійснюють природній підігрів води. Кип'ячі економайзери з сталі, а не кип 'ячі - з чавуну.

Повітряпідігрівачі бувають: рекуперетивні і трубчаті; регенеративні і пластиМІасті,

Розрізняють П-, Т-, N-, V- подібності і баштові компоновки котлів (рис.6.9).

Розглянемо тепловий баланс парового котла. Тепловий баланс демонструє, як розподіляється введена в топку теплота і, зокрема, яка частина її витрачається на утворення пари і яку частину становлять втрати під час робочого циклу.

Для барабанного котла сумарна кількість теплоти, що внесена в котельний агрегат, є приходною частиною теплового балансу.

(6.10)

де- нижча теплота згорання одиниці робочої маси палива. Вона не

враховує теплоти, яка виділяється при конденсації парів, що є в продуктах згорання.

Рис.6.9. Схеми компоновок котлів: а) П-подібна; б) Т-подібна; в) N-иодібна; г) V-подібна; д,е,ж-баштові компановки.

Температура відпрацьованих газів, що виходять із топки котла, нижча 100°С.

— фізична теплота палива, що вноситься в топку.

(6.11)

де - питома теплоємність палива - температури палива.

Як правило, здійснюють попередній підігрів палива. Це найчастіше стосується мазута, а останнім часом попередньо підігрівають природній газ.

— теплота холодного повітря, що іде в повітряпідігрівач.

(6.12)

де — коефіцієнт надлишку повітря,

—теоретичний об'єм повітря, яке подається на підігрів,

- питома теплоємність повітря,

- температура холодного повітря,

— теплота, що вноситься в котельний агрегат з парою, яка використовується для розпилювання мазуту, обдувки, тяги (тверде паливо).

— г

де g — питома витрата дуттєвоі пари.

h — ентальпія пари, 2750 кДж/кг — приблизна величина ентальпії водяної пари у вихідних газах при 130°С.

Тепловий баланс полягає в тому, що внесена в котельний агрегат теплота повністю витрачається, що чисельно становить

(6.13)

деQ₁ - корисно використана теплота,

Q₂. — теплота, яка виходить з відхідними (димовими) газами із топки котла,

Q₃ - теплота, яка втрачається за рахунок неповноти хімічного згоряння палива,

Q₄. — теплота, яка зумовлена механічною неповнотою згоряння палива,

Q₅. — конвективний газовідвід теплоти в навколишнє середовище;

Q₆, - втрати теплоти внаслідок порушень теплового режиму (зміна навантаження, зупинки, продувна котла).

- е непродуктивними втратами.

Коефіцієнт корисної дії котельного агрегати становить:

(6.14)

На рис. 6.10 наближено кількісно продемонстрований тепловий баланс котельної установки

Рис.6.10. Схема теплового балансу котельного агрегату.