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 нагрузки 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, осуществляющие теп­лоснабжение 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 гпешоносителю - на паровые, водо­- грейные и пароводогрейные;

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

Котельные мощностью свыше 300 Гкал/ч 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 потребите­ лей, входящих в район застройки города. Эти котельные обычно оборудуются мощными паровыми и водогрейными котлами (свыше 10 Гкал/ч);

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/ч);

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

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 топливосжигающие устройства ко­тельных агрегатов.

4.2 Технологический комплекс котельной установки

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

1. Цикл подачи топлива включает в себя технологические операции по транспорту, разгрузке, складированию, подготовке и подаче топлива в топливосжигающие устройства и топку котло-агрегатов. Топливо поступает в топку котлов только после соот­ветствующей подготовки. Так, природный газ подается через га-зорегулирующий 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 ем-

кость, из которой насосами он подается в емкости мазутохранили-ща. Из расходной емкости мазут через топливоподогреватели и фильтры насосами подается к форсункам, а затем в распыленном состоянии в топку котла. Подогреватели должны обеспечивать по­догрев мазута до 1ОО-135°С, а насосы должны развивать напор, обеспечивающий давление мазута у форсунок 2,5-3,5 МПа.

Рис. 4.1. Схема технологического процесса котельной установки:

Ц1 - цикл топливо-шлак; Ц2 - цикл воздух-газ; ЦЗ - цикл вода-пар или вода-вода;

Ц4 - цикл подготовки питательной и подпиточиой 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;

70-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

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, предотвращающим 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.

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 удаление 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 топливовоздушной смеси в топливосжигаю- щие устройства и топку котла. При горении топлива воздух перехо­ дит 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 слу­ жит для восполнения потерь рабочего тела. По действующим пра­ вилам Госгортехнадзора питательная и подпиточная вода должны иметь определенное качество как по составу взвешенных частиц, железа и меди, так и содержанию растворимых газов О₂ и CО₂, a также солей жесткости Са CО₃ и Mg CО₃ наличие которых снижает надежность и эффективность работы котлов и всей системы тепло­ снабжения потребителей. Поэтому в зависимости от качества ис-

ходной воды в котельных устанавливается специальная система во-доподготовки, которая включает в себя:

• механическую очистку воды от взвешенных частиц при ее фильтровании через однослойные или двухслойные механические фильтры с загрузкой антрацита и кварцевого песка, а при сильном загрязнении известкование с коагуляцией с последующим осветле-­ нием и фильтрованием;

• химическую очистку воды от солей жесткости - умягчение и снижение щелочности исходной воды путем Na-катионирования, Nа-Н, катионирования и других методов, при которых вода прохо­- дит через специальные фильтры с набивкой из активированного уг­ ля (каменного угля, обработанного дымящейся серной кислотой), насыщенного раствором NaCl или специальных ионообменных смол. В этих фильтрах происходит замена, вытеснение катионов Са⁺ и Mg⁺ на Na⁺, который в соединение анионами НСO ^- и СO ^- да­- ет соли, не образующие накипи на внутренней поверхности котель­ ных труб;

• деаэрацию - процесс удаления из воды растворенных газов О₂ и СО₂.

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 (р_г)

где k_pr - коэффициент растворимости газа, мг/(лПа);

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_r = 0. 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 котлоагрега- тах в процессе теплообмена и передачи теплоты от горячих продук­ тов горения, 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: 1) нагрев пита­тельной воды от t_пв до температуры насыщения t_н, при которой вода кипит при данном давлении; 2) парообразование (испарения воды) -изменение агрегатного состояния; 3) перегрев 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 (т_с) и кипящей воды (т_в) х = т_с / т_в, следовательно, влажность пара ω = 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

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

• в паровых котлах

В ходе этого процесса из-за разной плотности нагретой (ρ_Г) и холодной (ρ_Х) воды возникает естественная циркуляция. Движущее давление естественной циркуляции

P = Hg(ρ_Г – ρ_Х) (4.5)

где H - высота циркуляции, м;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Если в котлах невозможно осуществить надежную естествен­ную циркуляцию, то 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 котло-агрегата.

Другой отличительной чертой этого процесса является внут-рикотловая 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 теплоприемни-кам, отдает свой энергетический потенциал и в виде конденсата па­ра или охлажденной сетевой воды возвращается в котельную, где весь производственный процесс повторяется.