4.3. Характеристика тепловых схем котельных установок

Эффективность всей системы теплоснабжения зависит от вы­бранной тепловой схемы котельной установки, отражающей техно­логический процесс преобразования рабочих веществ в производст­ве теплоты. На тепловых схемах с помощью условных графических изображений показывается основное и вспомогательное оборудова-

ние котельной, объединяемое линиями трубопроводов для подачи воды, топлива, воздуха и теплоносителей. Тепловые схемы могут быть принципиальными, развернутыми и монтажными. На принци­пиальной тепловой схеме указывается только главное оборудование и основные трубопроводы, без арматуры и второстепенных уст­ройств, без уточнения количества и расположения оборудования.

При проектировании тепловых схем оборудование, обеспечи­вающее технологические процессы в котельной установке, разби­вают на группы: 1) подготовки топлива; 2) подготовки (подачи воз­духа и удаления продуктов горения); 3) подготовки питательной воды; 4) генерации теплоносителя; 5) теплоснабжения потребите­лей. Основными техническими элементами тепловой схемы ко­тельной являются:

• паровые и водогрейные котлоагрегаты — теплообменные ап­- параты, в которых теплота, получаемая при сжигании топлива, ис-­ пользуется для нагрева воды и получения пара;

• фильтры и баки (механические, Na-катионовые, питатель-­ ные, конденсатные, аккумулирующие и др.), а также деаэраторы, обеспечивающие нормальное питание котлов и потребителей водой заданных параметров и качества;

• вентиляторы, насосы и дымососы с паровым и электриче­- ским приводом для подачи воздуха, топлива и поды, а также удале­ ния продуктов горения;

• различные теплообменные аппараты, включая воздухоподог­- реватели и калориферы, экономайзеры, поверхностные и контакт­- ные подогреватели, предназначенные для утилизации теплоты вто­ ричных энергоресурсов - пара, горячей воды, конденсата и уходя­ щих газов;

• золоуловители и дымовые трубы, предназначенные для улавливания летучей золы, очистки дымовых газов и рассеивания их в окружающей среде.

При проектировании тепловой схемы котельной необходимо учитывать реальные условия эксплуатации: 1) качество исходной воды; 2) вид используемого топлива, 3) подключенную тепловую нагрузку; 4) вид и параметры теплоносителей; 5) возможный состав основного и вспомогательного оборудования; 6) режим отпуска те­плоты и другие факторы.

При тепловой нагрузке системы теплоснабжения до 100 Гкал/ч и отпуске потребителям насыщенного или слабо перегретого пара с давлением 1,4-2,4 МПа при температуре 180-250°С в котельных устанавливают паровые котлы производительностью 2,5-25 т/ч ти­па КЕ или ДЕ, при более мощной системе и необходимости отпуска пара с давлением до 4 МПа и температурой до 450°С - устанавли­вают котлы паропроизводительностью 25-75 т/час типа КЕ, ДЕ, ГМ и ТП. По назначению эти котельные могут быть производственны­ми или производственно-отопительными, отпускающими потреби­телям пар одного или нескольких давлений и горячую воду, приго­товленную с использованием выработанного пара.

Тепловые схемы отопительных котельных проектируются для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей, теплоносителем для которых служит горячая вода с температурой 150-70°С для систем отопления и 65-75°С - для систем горячего водоснабжения. Районные отопительные котельные проектируются с паровыми котлоагрегатами низкого (КЕ, ДЕ) и среднего давления (ГМ, ТП) производительностью 25—75 т/ч и водогрейными котлами типов ПТВМ и КВ-ГМ теплопроизводительностью 30-100 Гкал/ч.

Квартальные отопительные котельные проектируются с паро­выми котлоагрегатами низкого давления типов ДКВр, ДЕ, КЕ, про­изводительностью от 4-25 т/ч и водогрейными котлами типа КВ-ГМ теплопроизводительностью от 4 до 20 Гкал/ч. На рис. 4.2 изображе­на принципиальная схема производственно-отопительной котельной и показаны пути движения воды, топлива, воздуха, рабочего тела и продуктов сгорания топлива. Вода из внешнего источника или водо­провода насосом сырой воды 10 через подогреватель 9 подается на химводоочистку 8 и через подогреватель 7 подается в деаэраторы 3, 16. В рассматриваемой схеме деаэратор обеспечивает подогрев воды до температуры насыщения и отделение растворенных газов, кото­рые удаляются в атмосферу через охладители выпара 4.

Вода из деаэратора 3 подается питательным насосом 5 в эко­номайзер, а затем в поверхности нагрева котлоагрегата. В паровых котлах 1 пароводяная смесь поступает в коллектор (барабан), где происходит отделение пара от воды. Вода снова поступает.в паро­образующие поверхности нагрева, пар - в пароперегреватель, а за­тем в паровой коллектор, из которого по паропроводам направляет­ся потребителям и на собственные нужды котельной.

Рис. 4.2. Принципиальная схема промышленно-отопительной котельной

с отпуском тепла при открытой схеме теплоснабжения:

1 - паровой котел; 2 - редукционно-охладительное устройство; 3, 16- деаэраторы; 4 — охладители выпара; 5, 13 - питательные насосы; 6 - сепаратор пара; 7, 9,17,18 - подогреватели питательной воды; 8, 19 - химводоочистка; 10 - насос сырой воды; 11- бак-аккумулятор; 12 - сетевой насос; 14 - водогрейный котел; 15 - рециркуляционный насос

В водогрейных котлах 14 вода поступает в поверхности нагре­ва из деаэратора 16 для подпитки сети, т. е. компенсации потерь воды, вызванных утечками и непосредственным водоразбором из тепловых сетей; из тепловой сети с помощью сетевых насосов 12, и по рециркуляционной линии с помощью рециркуляционных насо­сов 15, а после нагрева в водогрейных колах 14 до расчетной тем­пературы горячая вода поступает в баки-аккумуляторы 11 и к по­требителям.

Топливо после специальной подготовки в системе топливо-приготовления поступает в топливосжигающие устройства и топку котлоагрегатов.

Воздух, необходимый для горения (подсушки и транспорти­ровки твердого топлива), вентилятором направляется в воздухопо­догреватель, а затем к топочному устройству котла, откуда вместе с топливом поступает в топку.

Образовавшиеся при сгорании топлива дымовые газы отдают часть теплоты радиационным и конвективным поверхностям нагре­ва, пароперегревателю, экономайзеру и воздухоподогревателю. По-

еле этого они поступают на очистку в золоуловитель, а затем дымо­сосом подаются в дымовую трубу и удаляются в атмосферу. Зола и шлак, образовавшиеся в процессе горения твердых топлив, посту­пают из топки котла и золоуловителей на золошлакоотвалы.

При выборе между паровой и водогрейной котельной учиты­ваются следующие особенности котлоагрегатов и тепловых схем:

• удельные капитальные вложения в водогрейные котлоагре- гаты и их вспомогательное оборудование ниже затрат в паровую котельную той же производительности;

• надежность паровых котлов выше, чем водогрейный, из-за меньших коррозийных повреждений низкотемпературных поверх­- ностей нагрева;

• тепловые схемы котельных с водогрейными котлоагрегата- ми проще, чем паровых котельных, в которых пар является проме­ жуточным теплоносителем.

Выбор производится в зависимости от соотношения нагрузок в паре и горячей воде, единичной мощности котлоагрегатов и со­става вспомогательного оборудования по капитальным и эксплуа­тационным затратам на производство теплоты.

4.4. Классификация и устройство котлоагрегатов

Котлоагрегатом называют теплообменный аппарат, в котором конструктивно объединены в единое целое комплекс устройств для получения теплоты в виде горячей воды или пара за счет химиче­ской энергии сжигаемого топлива. Впервые котел как генератор пара был применен в 1600 г. в установке для подъема воды. Нача­лом промышленного использования котлов считается 1774 г., когда шотландский механик Д. Уатт создал универсальную установку, состоящую из котла, паровой машины и конденсатора. Процесс со­вершенствования конструкции котлоагрегатов проходил в двух на­правлениях:

1. создание газотрубных котлов, когда в цилиндрический ко- тел вставляли от одной до трех жаровых труб большого диаметра, а затем десятки дымогарных труб малого диаметра;

2. создание водотрубных котлов путем увеличения числа ци-­ линдров от трех до десяти - батарейные котлы, а затем до десятков и

сотен цилиндров, труб небольшого диаметра - экранных поверхно­стей современных вертикально-водотрубных котлов.

В настоящее время в системах теплоснабжения используются котлы разнообразных типов и конструкций, которые можно клас­сифицировать по следующим основным признакам:

• назначению: 1) энергетические, обеспечивающие паром турбогенераторы электростанций; 2) силовые, вырабатывающие пар для паровых турбин, работающих как привод машин и механизмов; 3) производственные, генерирующие пар для технологических целей и 4) отопительные, обеспечивающие теплотой системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;

• вырабатываемому теплоносителю: 1) паровые низкого дав­- ления (р_п < 1,8 МПа), среднего (р_п = 1,8...3,5 МПа), высокого (р_п = = 3,5...6,5 МПа) и сверхвысокого (р_п > 6,5 МПа) давления, в которых генерируется насыщенный или перегретый пар; 2) водогрейные, в ко­ торых производится горячая вода под давлением выше атмосферного;

• по конструктивному исполнению: 1) газотрубные (рис. 4.3), или огнетрубные, в которых продукты горения топлива движутся внутри труб или камер, а вода омывает их снаружи; 2) водотрубные (рис. 4.4), в которых наружные поверхности труб омываются газа­ ми, внутри труб циркулирует вода или пароводяная смесь; 3) ком­ бинированные, или газоводотрубные, в которых вода и дымовые газы омывают часть труб изнутри, а часть снаружи;

• принципу движения рабочего тела: 1) с естественной цир-­ куляцией, когда движение воды происходит за счет разной плотно­ сти холодной и горячей воды; 2) с принудительной циркуляцией, создаваемой насосом.

Современные котлы представляют собой достаточно сложный агрегат, в состав которого входят следующие конструктивные эле­менты (см. рис. 4.4):

• топка 1 с тогошвосжигающими устройствами, предназна­ ченная для сжигания топлива, частичного охлаждения продуктов горения, выделения золы и удаления шлака;

• поверхности нагрева из стальных или чугунных труб (кон­- струкций), которые предназначены для передачи теплоты от про­ дуктов горения к рабочей среде (теплоносителям) и расположенных на стенах топки в виде экранов 2, и внутри газоходов в виде паро­ перегревателя 8, экономайзера 9 и воздухоподогревателя 10;

Рис. 4.3. Схемы компоновки газотрубных котлов:

1 - корпус; 2 - газоход; 3 - паровое пространство; 4 - жаровые грубы; 5 — поворотная камера; 6 - тонка; 7 - горелка

Рис. 4.4. Схема компоновки парового котла экранного типа:

1 - камерная гонка; 2 - экраны; 3 - опускные трубы; 4 - фестон; 5 - обмуровка;

6 - барабан; 7 - коллектор перегретого пара; 8 - пароперегревагель;

9 - экономайзер; 10 - воздухоподогреватель

• газоход - это канал для направления продуктов горения то-­ плива и размещения поверхностей нагрева;

• пароперегреватель 8 - это трубчатый теплообменник для повышения температуры пара выше температуры насыщения при соответствующем давлении;

• экономайзер 9 - теплообменник, предназначенный для подог-­ рева или частичного парообразования питательной воды, поступаю-­ щей в котел, за счет теплоты продуктов горения (уходящих газов);

• воздухоподогреватель 10 - это теплообменник для подогре-­ ва воздуха уходящими газами перед подачей в топку котла;

• барабан 6 - элемент котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, для отделения пара от жидкости, очистки пара и обеспечения запаса воды в котле;

• каркас - несущая металлическая конструкция, восприни-­ мающая нагрузку от массы всех элементов котла, рабочей среды и возможных перегрузок, а также обеспечивающая требуемое взаим-­ ное расположение элементов котла в процессе эксплуатации;

• обмуровка 5, выполненная из огнеупорных и теплоизоляци-­ онных материалов, обеспечивает газоплотность топки и газоходов котла, а также снижает потери теплоты в окружающую среду;

• арматура, трубопроводы и контрольно-измерительные при-­ боры, которые служат для управления и контроля за работой котло- агрегата.

Совершенствование котлоагрегатов сопровождалось повыше­нием надежности и безопасности эксплуатации, улучшением ма­невренных качеств, повышением параметров, вырабатываемых те­плоносителей, снижением металлоемкости и повышением эффек­тивности сжигания топлива. К числу основных характеристик кот­лоагрегатов относят: 1) параметры генерируемого теплоносителя; 2) паро- или теплопроизводительность; 3) удельный теплосъем; 4) тепловое напряжение поверхностей нагрева; 5) теплонапряжение топочного объема; 6) расход топлива; 7) коэффициент полезного действия и др.

Основными показателями, характеризующими качество про­дукции, вырабатываемой котлоагрегатами, являются: I) для пере­гретого пара - давление р_п и его температура t_a; 2) для насыщенно­го пара - давление р_н, температура t_H и степень сухости (х) или влажность пара; 3) для воды под давлением - температура на входе t_XB и выходе г_гв. Повышение параметров пара или горячей воды по­зволяет, как правило, повысить экономичность котельной установ­ки и всей системы теплоснабжения.

Производительность котлоагрегатов оценивается количеством пара или теплоты, вырабатываемых установкой в единицу времени. Паропроизводительность Д измеряется в килограммах в секунду или тоннах в час, теплопроизводительность Q - в гигакалориях или мегаваттах. В настоящее время серийно выпускаются паровые котлы производительностью от 0,01 т/ч до 900 т/ч, водогрейные котлы - от 0,01 Гкал/ч до 200 Гкал/ч.

Тепловое напряжение поверхностей нагрева показывает мощ­ ность теплового потока {Q ккал/ч), воспринимаемую 1 м² поверх­ ности нагрева (Н, м ):

Теплонапряжением топочного объема называется мощность теплового потока {Q, ккал/ч). выделяющаяся в 1 м³ топочного объ­ема (V, м³):

Для современных парогенераторов теплонапряжение топочно­го объема может достигать от 500 до 5 • 10⁶ ккал/(м³-ч).

Расход топлива - это количество топлива, сжигаемого в топке котла. Он определяет нагрузку и экономичность работы котла. Обобщенным критерием для оценки эффективности использования топлива служит коэффициент полезного действия котлоагрегата

где Q₁ - полезная (выработанная) теплота, содержащаяся в паре или горячей воде, ккал/ч;

Q_p - располагаемая теплота, которая состоит из химической энергии сжигаемого топлива и физической теплоты воздуха и то­плива при их подогреве за счет внешнего источника теплоты, ккал/ч.

Коэффициент полезного действия современных котлов зави­сит от вида и способа сжигания топлива, совершенства конструк-

ции топливосжигающих устройств и котлоагрегатов, наличия авто­матики и других факторов. Современные котлоагрегаты имеют КПД 90-96%.

В системах теплоснабжения городов доминирующими паро­генераторами являются вертикально-водотрубные котлы с горизон­тальной и вертикальной ориентацией поверхностей нагрева. В на­стоящее время в котельных установках находятся в эксплуатации десятки тысяч котлов типа ДКВР (двухбарабанные котлы водо­трубные), разработанные ЦКТИ им. И. Ползунова. Эти котлы вы­пускались Бийским котельным заводом (БиКЗ) с 1958 по 1986 г. Вся серия котлов ДКВР имеет два продольно расположенных бара­бана и развитый котельный пучок с коридорным расположением кипятильных труб. Типоразмерный ряд включал в себя котлы про­изводительностью 2,5; 4; 6,5; 10 и 20 т/ч. Топочная камера котлов 2,5-6 т/час имеет только боковые экраны, а ДКВР-10 и ДКВР-20 -фронтовой и задний экраны, изготовленные из труб диаметром 51x25 мм. Анализ данных, характеризующих эксплуатационные свойства этих котлов, показал, что они имеют высокую металлоем­кость, значительные затраты на монтаж, тяжелую обмуровку и бо­лее низкий КПД (на 5-7%) по сравнению с расчетным. В связи с этим ЦКТИ совместно с БиКЗ разработали две самостоятельные унифицированные серии котлов: Е (ДЕ) - газомазутные и КЕ -твердотопливные под наддувом. В настоящее время налажен се­рийный выпуск этих котлов производительностью 4; 6,5; 10; 16 и 25 т/ч, с абсолютным давлением 14 и 24 кгс/см и температурой пе­регрева пара до 225°С. Котлы имеют конструктивную единую схе­му: 1) равные по длине верхний и нижний барабан; 2) полностью экранированную топочную камеру, расположенную сбоку от кон­вективного пучка; 3) боковые газоплотные экраны из труб диамет­ром 51 мм; 4) легкую обмуровку. Котлы типа ДЕ повышенной за­водской готовности, поэтому поставка может осуществляться бло­ком в сборе, но без обшивки и обмуровки. Наработка котлов ДЕ на отказ не менее 3000 ч, средний срок службы не менее 20 лет. Диа­пазон регулирования нагрузки от 20 до 120% от номинальной па-ропроизводительности, выход на номинальный режим один час. В табл. 4.1 представлена теплотехническая характеристика котлов типа ДЕ, которые в ближайшие годы станут наиболее распростра­ненными в городских системах теплоснабжения.

Таблица 4.1

Таблица 4.2

Характеристика паровых котлов типа ДЕ

	Типоразмер котлов
	4-14	6,5-14	10-14	16-14	25-14
Паропроизводительность, т/ч	4,1	6,7	10,4	16,6	26,9
Удельная тепловая иаарузка:
топки, 10' ккал/(м3-ч)	326	376	375	458	548
экранов, 103 ккал/(м3ч)	57,2	64,4	76,3	90,8	103,9
Коэффициент полезного дейст-
вия (брутто), %:
газ	90,0	90,0	92,0	91,8	92,8
мазут	88.7	89,0	90,0	90,0	90,3

В настоящее время в эксплуатации находятся тысячи ранее выпускавшихся водогрейных котлов типа ПТВМ и ТВГ. Котлы ти­па 1ГГВМ (пиковые теплофикационные водогрейные) были разра­ботаны как мазутные для покрытия пиковых тепловых нагрузок ТЭЦ, однако они широко использовались и как газомазутные в крупных районных котельных. Выпускались следующие типораз­меры котлов ПТВМ-30, 50, 100 и 180 Гкал/ч. Опыт их эксплуатации выявил ряд существенных недостатков, в частности, резкое падение КПД (до 60-70%) из-за загрязнения поверхностей нагрева, подвер­женность сильной коррозии конвективных поверхностей при рабо­те на мазуте (выход из строя через 3-4 года) и др. В связи с этим ЦКТИ совместно с Дрогобужским котельным заводом разработана и выпускается новая серия унифицированных водогрейных котлов ти­па КВ-ГМ (котел водогрейный) для работы на газе (Г) и мазуте (М), а также КВ-ТС - со слоевым сжиганием твердого топлива. Эти кот­лы запроектированы прямоточными для работы с постоянным рас­ходом воды. Они обладают высокими маневренными качествами. Так, например, продолжительность пуска из холодного состояния до выхода на номинальные параметры 0,6-0,7 ч, диапазон регулирова­ния 20-100% номинальной нагрузки. Наработка котлов на отказ 3000-5000 ч, срок службы 20 лет. В настоящее время налажен се­рийный выпуск котлов КВ-ГМ-4; 6,5, 10, 20, 30, 50, 100 и 180 Гкал/ч, предназначенные для работы в основном режиме при температуре воды 150-70°С. В табл. 4.2 представлена теплотехническая харак­теристика котлов типа КВ-ГМ, которые в ближайшие годы полно­стью заменят котлы других типов.

Характеристика котлов			типа КВ-1 М
Показатели	Типоразмер котлов
	4-150	6,5-150	10-150	50-150	100-150	180-150
Теплопроизводительность, Гкал/ч	4	6,5	10	50	100	180
Расход воды, т/ч	49,5	80,4	123,5	618	1235	2210
Температуры воды, °С			150/70
Расход топлива: газ, м7ч мазут, кт/ч	515 500	830 800	1250 1200	6250 5750	12520 11500	22900 20800
Коэффициент полезного действия (брутто), %: газ мазут	93,9 90,4	94,0 90,2	92,5 88,4	92,5 91,1	92,5 91,1	91,5 91,0