Конструкции котлов. Одноконтурные и двухконтурные отопительные приборы

Котельная установка (котельная) - это сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило - воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло- и пароснабжении или при местном теплоснабжении зданий.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Ее основные элементы - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства. В общем случае котельная установка представляет собой совокупность котла (котлов) и оборудования, включающего следующие устройства: подачи и сжигания топлива; очистки, химической подготовки и деаэрации воды; теплообменные аппараты различного назначения; насосы исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные - для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, расходуемой у потребителя и утечек в сетях, питательные для подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие); баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воздушный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовую трубу; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности сжигания топлива; тепловой щит или пульт управления.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.

Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают теплоту воде.

Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водяной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответственно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и питательной воды; приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

В зависимости от использования их теплоты котельные делятся на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.

Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные бывают на промышленных предприятиях и обеспечивают теплотой системы отопления и вентиляции, горячего водоснабжения зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные решают те же задачи, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.

Устройство встроенных в жилые и общественные здания котельных в настоящее время допускается только при соответствующем обосновании и согласовании с органами санитарного надзора.

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.

2. Классификация котельных установок

Котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду получаемого теплоносителя их делят на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды).

Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.

Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления производственных и жилых помещений.

В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные бывают местные (индивидуальные), групповые и районные.

Местные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115 °С или паровыми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котельные предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.

Групповые котельные установки обеспечивают теплотой группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Их оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специально сооруженных отдельных зданиях.

Районные отопительные котельные служат для теплоснабжения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

Отдельные элементы принципиальной схемы котельной установки принято условно показать в виде прямоугольников, кружков и т.п. и соединять их между собой линиями (сплошными, пунктирными), обозначающими трубопровод, паропроводы и т. п. В принципиальных схемах паровых и водогрейных котельных установок имеются существенные различия. Паровая котельная установка (рис. 4, а) из двух паровых котлов 1, оборудованных индивидуальными водяными 4 и воздушными 5 экономайзерами, включает групповой золоуловитель 11, к которому дымовые газы подходят по сборному борову 12. Для отсоса дымовых газов на участке между золоуловителем 11 и дымовой трубой 9 установлены дымососы 7 с электродвигателями 8. Для работы котельной без дымососов установлены шиберы (заслонки) 10.

Пар от котлов по отдельным паропроводам 19 поступает в общий паропровод 18 и по нему к потребителю 17. Отдав теплоту, пар конденсируется и по конденсатопроводу 16 возвращается в котельную в сборный конденсационный бак 14. Через трубопровод 15 в конденсационный бак подается добавочная вода из водопровода или химводоочистки (для компенсации объема, не вернувшегося от потребителей).

В случае, когда часть конденсата теряется у потребителя, из конденсационного бака смесь конденсата и добавочной воды подается насосами 13 по питательному трубопроводу 2 сначала в экономайзер 4, а затем в котел 1. Воздух, необходимый для горения, засасывается центробежными дутьевыми вентиляторами 6 частично из помещения котельной, частично снаружи и по воздуховодам 3 подается сначала к воздухоподогревателям 5, а затем к топкам котлов.

Водогрейная котельная установка (рис. 4, б) состоит из двух водогрейных котлов 1, одного группового водяного экономайзера 5, обслуживающего оба котла. Дымовые газы по выходе из экономайзера по общему сборному борову 3 поступают непосредственно в дымовую трубу 4. Вода, нагретая в котлах, поступает в общий трубопровод 8, откуда подается к потребителю 7. Отдав теплоту, охлажденная вода по обратному трубопроводу 2 направляется сначала в экономайзер 5, а затем опять в котлы. Вода по замкнутому контуру (котел, потребитель, экономайзер, котел) перемещается циркуляционными насосами 6.

Рис. 5. : 1 - циркуляционный насос; 2 - топка; 3 - пароперегреватель; 4 - верхний барабан; 5 - водоподогреватель; 6 - воздухоподогреватель; 7 - дымовая труба; 8 - центробежный вентилятор (дымосос); 9 - вентилятор для подачи воздух в воздухоподогреватель

На рис. 6 представлена схема котельного агрегата с паровым котлом, имеющим верхний барабан 12. В нижней части котла расположена топка 3. Для сжигания жидкого или газообразного топлива используют форсунки или горелки 4, через которые топливо вместе с воздухом подается в топку. Котел ограничен кирпичными стенами -обмуровкой 7.

При сжигании топлива выделяющаяся теплота нагревает воду до кипения в трубных экранах 2, установленных на внутренней поверхности топки 3, и обеспечивает ее превращение в водяной пар.

Рис 6.

Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, образуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя 11, проходят через экономайзер 5 и воздухоподогреватель 6, где они также охлаждаются вследствие передачи теплоты воде, поступающей в котел, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа 17 удаляются через дымовую трубу 19 в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой.

Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом 16 в водяной экономайзер 5, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла 12. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана 12. Затем пар поступает в пароперегреватель 11, где за счет теплоты дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается.

Из пароперегревателя 11 пар поступает в главный паропровод 13 и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную.

Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке.

Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором 18 в воздухоподогреватель 6, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.

Рис. 7.

Для правильного монтажа всех элементов котельной используют монтажную схему, пример которой показан на рис. 9.

Рис. 9.

Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей.

Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с водогрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации.

Водогрейная котельная имеет один теплоноситель - воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя - вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водогрейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая котельные по сложности устройства бывают различными в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями - трубопроводами, газопроводами и др.

Устройство котлов меньшей мощности показано ниже в пункте 4 данной темы. Чтобы лучше понять устройство и принципы действия котлов разной мощности, желательно сравнить устройство этих менее мощных котлов с устройством описанных выше котлов большей мощности, и найти в них основные элементы, выполняющие такие же функции, а также понять основные причины различий в конструкциях.

3. Классификация котельных агрегатов

Котлы как технические устройства для производства пара или горячей воды отличаются многообразием конструктивных форм, принципов действия, используемых видов топлива и производственных показателей. Но по способу организации движения воды и пароводяной смеси все котлы могут быть разделены на следующие две группы:

Котлы с естественной циркуляцией;

Котлы с принудительным движением теплоносителя (воды, пароводяной смеси).

В современных отопительных и отопительно-производственных котельных для производства пара используются в основном котлы с естественной циркуляцией, а для производства горячей воды - котлы с принудительным движением теплоносителя, работающие по прямоточному принципу.

Современные паровые котлы с естественной циркуляцией делают из вертикальных труб, расположенных между двумя коллекторами (верхним и нижним барабанами). Их устройство показано на чертеже на рис. 10, фотография верхнего и нижнего барабана с соединяющими их трубами - на рис. 11, а размещение в котельной - на рис. 12. Одна часть труб, называемых обогреваемыми «подъемными трубами», нагревается факелом и продуктами сгорания топлива, а другая, обычно не обогреваемая часть труб, находится вне котельного агрегата и носит название «опускные трубы». В обогреваемых подъемных трубах вода нагревается до кипения, частично испаряется и в виде пароводяной смеси поступает в барабан котла, где происходит ее разделение на пар и воду. По опускным не обогреваемым трубам вода из верхнего барабана поступает в нижний коллектор (барабан).

Движение теплоносителя в котлах с естественной циркуляцией осуществляется за счет движущего напора, создаваемого разностью весов столба воды в опускных и столба пароводяной смеси в подъемных трубах.

Рис. 10.

Рис. 11.

Рис. 12.

В паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией поверхности нагрева выполняются в виде змеевиков, образующих циркуляционные контуры. Движение воды и пароводяной смеси в таких контурах осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

В прямоточных паровых котлах кратность циркуляции составляет единицу, т.е. питательная вода, нагреваясь, последовательно превращается в пароводяную смесь, насыщенный и перегретый пар.

В водогрейных котлах вода при движении по контуру циркуляции нагревается за один оборот от начальной до конечной температуры.

По виду теплоносителя котлы разделяются па водогрейные и паровые. Основными показателями водогрейного котла являются тепловая мощность, то есть теплопроизводительность, и температура воды; основными показателями парового котла - паропроизводительность, давление и температура.

Водогрейные котлы, назначением которых является получение горячей воды заданных параметров, применяют для теплоснабжения систем отопления и вентиляции, бытовых и технологических потребителей. Водогрейные котлы, работающие обычно по прямоточному принципу с постоянным расходом воды, устанавливают не только на ТЭЦ, но и в районных отопительных, а также отопительно-производственных котельных в качестве основного источника теплоснабжения.

Рис. 13.

Рис. 14.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы (парогенераторы) могут быть разделены на две группы: водотрубные котлы и жаротрубные котлы. В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В жаротрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а вода омывает трубы снаружи.

По принципу движения воды и пароводяной смеси парогенераторы подразделяются на агрегаты с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Последние подразделяются на прямоточные и с многократно-принудительной циркуляцией.

Примеры размещения в котельных котлов разной мощности и назначения, а также другого оборудования, показаны на рис. 14- 16.

Рис. 15.

Рис. 16. Примеры размещения бытовых котлов и другого оборудования

Паровой котёл — устройство, которое используется в быту и промышленности. Оно предназначено для превращения воды в пар. Полученный пар в дальнейшем применяют для обогрева жилья или вращения турбомашин. Какие бывают паровые машины и где они наиболее востребованы?

Паровой котёл — агрегат для производства пара. При этом устройство может давать 2 вида пара: насыщенный и перегретый. Насыщенный пар имеет температуру 100ºC и давление 100 кПа. Перегретый пар отличается повышенной температурой (до 500ºC) и высоким давлением (больше 26 МПа).

Примечание: Насыщенный пар используют в отоплении частных домов, перегретый — в промышленности и энергетике. Он лучше переносит тепло, поэтому использование перегретого пара повышает КПД работы установки.

Где используются паровые котлы:

В отопительной системе — пар является энергоносителем.
В энергетике — используются промышленные паровые машины (парогенераторы) для получения электроэнергии.
В промышленности — перегретый пар может быть использован для преобразования в механическое движение и перемещения транспортных средств.

Паровые котлы: сфера применения

Бытовые паровые устройства используются в качестве источника тепла для отопления дома. Они подогревают ёмкость с водой и гонят образовавшийся пар в трубы отопления. Часто такую систему обустраивают вместе с угольной стационарной печью или котлом. Как правило, бытовые приборы для отопления паром создают только насыщенный, неперегретый пар.

Для промышленного применения пар перегревают. Его продолжают греть после испарения, чтобы ещё больше поднять температуру. Такие установки требуют качественного исполнения, чтобы предупредить взрыв паровой ёмкости.

Перегретый пар из котла может расходоваться на образование электричества или механическое движение. Как это происходит? После испарения пар попадает в паровую турбину. Здесь поток пара вращает вал. Это вращение в дальнейшем перерабатывается в электричество. Так получают электрическую энергию в турбинах электростанций — при вращении вала турбомашин образуется электрический ток.

Кроме образования электрического тока, вращение вала может передаваться непосредственно на двигатель и на колёса. В результате чего паровой транспорт приходит в движение. Известный пример паровой машины — паровоз. В нём при сжигании угля нагревалась вода, образовывался насыщенный пар, который вращал вал двигателя и колёса.

Принцип работы парового котла

Источником тепла для нагрева воды в паровом котле может быть любой вид энергии: солнечная, геотермальная, электрическая, тепло от сгорания твёрдого топлива или газа. Образующийся пар является теплоносителем, он переносит тепло сгорания топлива к месту его применения.

В различных конструкциях паровых котлов используется общая схема подогрева воды и её превращения в пар:

Вода очищается и подаётся в резервуар с помощью электронасоса. Как правило, резервуар расположен в верхней части котла.
Из резервуара по трубам вода стекает вниз в коллектор.
Из коллектора вода поднимается снова вверх через зону нагрева (горения топлива).
Внутри водной трубы образуется пар, который под действием разницы давлений между жидкостью и газом поднимается вверх.
Вверху пар проходит через сепаратор. Здесь он отделяется от воды, остатки которой возвращаются в резервуар. Дальше пар поступает в паропровод.
Если это не простой паровой котёл, а парогенератор, то его трубы вторично проходят через зону горения и нагрева.

Устройство парового котла

Паровой котёл представляет собой ёмкость, внутри которой нагретая вода испаряется и образует пар. Как правило — это труба различного размера.

Кроме трубы с водой, в котлах имеется топочная камера (в ней сгорает топливо). Конструкция топки определяется видом топлива, для которого сконструирован котёл. Если это твёрдый уголь, дрова, то внизу топочной камеры есть колосниковая решётка. На ней располагают уголь и дрова. Снизу через колосники в топочную камеру проходит воздух. Для эффективной тяги (движения воздуха и горения топлива) вверху топки устраивают .

Если энергоноситель — жидкий или газообразный (мазут, газ), то в топочную камеру вводят горелку. Для движения воздуха также делают вход и выход (колосниковую решётку и дымоход).

Горячий газ от сгорания топлива поднимается к ёмкости с водой. Он нагревает воду и выходит через дымоход. Нагретая до температуры кипения вода начинает испаряться. Пар поднимается вверх и поступает в трубы. Так происходит естественная циркуляция пара в системе.

Классификация паровых котлов

Паровые котлы классифицируют по нескольким признакам. По виду топлива, на котором они работают:

газовые;
угольные;
мазутные;
электрические.

По предназначению:

бытовые;
промышленные;
энергетические;
утилизационные.

По конструктивным особенностям:

газотрубные;
водотрубные.

Давайте рассмотрим, чем отличается конструкция газотрубных и водотрубных машин.

Газо- и водотрубные котлы: отличия

Емкость для образования пара часто представляет собой трубу или несколько труб. Воду в трубах обогревают горячие газы, образующиеся при сгорании топлива. Устройства, в которых газы поднимаются к трубам с водой, называют газотрубными котлами. Схема газотрубного агрегата приведена на рисунке.

Схема газотрубного котла: 1- подвод топлива и воды, 2 — топочная камера, 3 и 4 — дымогарные трубы с горячим газом, который выходит дальше через дымоход (позиции 13 и 14 — дымоход), 5 — решётка между трубами, 6 — вход воды, выход обозначен цифрой 11 — её выход, кроме того на выходе есть устройство для измерения количества воды (обозначено цифрой 12), 7 — выход пара, зона его образования обозначено цифрой 10, 8 — сепаратор пара, 9 — наружная поверхность ёмкости, в которой циркулирует вода.

Есть другие конструкции, в которых газ двигается по трубе внутри ёмкости с водой. В таких устройствах водные ёмкости называют барабанами, а сами устройства — водотрубными паровыми котлами. В зависимости от расположения барабанов с водой, водотрубные котлы классифицируют на горизонтальные, вертикальные, радиальные, а также комбинации различных направлений труб. Схема движения воды по водотрубному котлу приведена на рисунке.

Схема водотрубного котла: 1- подвод топлива, 2 — топка, 3 — трубы для движения воды; направление её движения обозначено цифрами 5,6 и 7, место входа воды — 13, место выхода воды — 11 и место слива — 12, 4 — зона, где вода начинает превращаться в пар, 19 — зона, где есть и пар, и вода, 18 — зона пара, 8 — перегородки, которые направляют движение воды, 9 — дымоход и 10 — дымовая труба, 14 — выход пара через сепаратор 15, 16 — наружная поверхность ёмкости для воды (барабан).

Газо- и водотрубные котлы: сравнение

Для сравнения газо- и водотрубных котлов приведём некоторые факты:

Размер труб для воды и пара: у газотрубных котлов трубы — больше, у водотрубных — меньше.
Мощность газотрубного котла ограничена давлением 1 МПа, и теплообразующей способностью — до 360 кВт. Это связано с большим размером труб. В них может образовываться значительное количество пара и высокое давление. Увеличение давления и количества образуемой теплоты требует значительного утолщения стенок. Цена такого котла с толстыми стенками будет неоправданно высока, экономически не выгодна.
Мощность водотрубного котла — выше, чем газотрубного. Здесь используются трубы небольшого диаметра. Поэтому давление и температура пара могут быть больше, чем в газотрубных агрегатах.

Примечание: Водотрубные котлы безопаснее, мощнее, производят высокую температуру и допускают значительные перегрузки. Это даёт им преимущество перед газотрубными агрегатами.

Дополнительные элементы агрегата

В конструкцию парового котла могут входить не только топочная камера и трубы (барабаны) для циркуляции воды и пара. Дополнительно используются устройства, которые увеличивают эффективность работы системы (поднимают температуру пара, его давление, количество):

Пароперегреватель — повышает температуру пара выше +100ºC. Это в свою очередь повышает экономичность и КПД работы машины. Температура перегретого пара может достигать 500 ºC (так работают паровые котлы в атомных станциях). Пар дополнительно нагревается в трубах, в которые он поступает после испарения. При этом он может иметь собственную топочную камеру или быть встроен в общий паровой котёл. Конструктивно различают конвекционные и радиационные пароперегреватели. Радиационные конструкции нагревают пар в 2-3 раза сильнее, чем конвекционные.
Сепаратор пара — удаляет из пара влагу и делает его сухим. Этим увеличивается эффективность работы устройства, его КПД.
Паровой аккумулятор — устройство, которое отбирает из системы пар, когда его много, и добавляет его в систему, когда его недостаточно, мало.
Устройство для подготовки воды — снижает количество растворённого в воде кислорода (что предупреждает коррозию), убирает растворённые в воде минералы (химическими реагентами). Эти меры предупреждают засорение труб накипью, которая ухудшает теплоотдачу и формирует условия для прогорания труб.

Кроме того, есть клапаны для слива конденсата, воздухоподогреватели, и обязательно — система контроля и управления. В неё входят включатель и выключатель горения, автоматические регуляторы расхода воды, топлива.

Парогенератор: мощная паровая машина

Парогенератор — это паровой котёл, который снабжён несколькими дополнительными устройствами. В его конструкцию входят один или несколько промежуточных пароперегревателей, которые увеличивают мощность его работы в десятки раз. Где используются мощные паровые машины?

Главное применение парогенераторы нашли в атомных электростанциях. Здесь с помощью пара энергия распада атома преобразуется в электричество. Опишем два способа подогрева воды и образования пара в реакторе:

Вода омывает корпус реактора снаружи, при этом она нагревается сама и охлаждает реактор. Таким образом, образование пара происходит в отдельном контуре (вода нагревается о стенки реактора и передаёт тепло в испарительный контур). В такой конструкции используется парогенератор — он выполняет роль теплообменника.
Трубы для нагрева воды проходят внутри реактора. При подаче труб в реактор он становится топочной камерой, а пар передаётся непосредственно в электрогенератор. Такая конструкция получила название кипящего реактора. Здесь парогенератор не нужен.

Промышленные паровые агрегаты — мощные машины, которые обеспечивают людей электричеством. Бытовые агрегаты — также работают на службе человека. Паровые котлы позволяют обогревать дом и выполнять различную работу, а также дают львиную долю электрической энергии для металлургических заводов. Паровые котлы — основа промышленности.

Цилиндрическая часть котла является продолжением топки и состоит из нескольких (обычно из трех) склепанных или сваренных между собой стальных барабанов. В ней размещают дымогарные и жаровые трубы. Материалом для барабанов служит котельная сталь. Толщина листов до 20 мм. Соединяются барабаны между собой несколькими способами:

а) ступенчатым, причем диаметр среднего барабана меньше диаметров двух крайних;

б) телескопическим, когда барабаны последовательно вставлены один в другой;

в) сварным — барабаны имеют один диаметр и приставляются встык один к другому (рис. 14).

В передней части цилиндрической части установлена передняя трубная решетка, которая предназначена для укрепления в ней передних концов дымогарных и жаровых труб. На современных паровозах передняя трубная решетка представляет собой диск, который вырезан из котельного железа. Передняя решетка крепится в барабане заклепочным или сварным швом (рис. 15).

На втором барабане установлен паровой колпак. Горячие газы из огневой коробки по трубам протекают в дымовую камеру, отдавая при этом часть своего тепла воде, которая омывает трубы снаружи, и пару, протекающему по элементам пароперегревателя.

Пар, который образовался в котле, поднимается в верхнее не заполненное водой паровое пространство и паровой колпак. Высота парового пространства составляет 1/5 —1/7 диаметра котла. Чем больше паровое пространство, тем равномернее происходит процесс отбора пара из котла и спокойнее парообразование, следовательно, суше отбираемый пар.

Теплопередача в цилиндрической части котла менее интенсивна, чем в огневой коробке. Это связано с тем, что разность температур газов в топке и воды в котле выше, чем в трубчатой части. В топке тепло передается лучеиспусканием, а в трубчатой части за счет конвекции, т. е. соприкосновения горячих газов со стенками труб.

Дымогарные (рис. 16) и жаровые трубы служат для отвода продуктов сгорания из топки паровоза и одновременно образуют поверхность нагрева котла. Жаровые трубы служат также для размещения в них элементов пароперегревателя. Дымогарные и жаровые трубы изготовляют цельнотянутыми, бесшовными из малоуглеродистой стали. Для укрепления труб в решетках котла сверлят цилиндрические отверстия. При этом в передних решетках диаметры отверстий делают на 3—4 мм больше наружного диаметра труб, чем облегчается постановка и удаление труб во время ремонта. В задних же трубных решетках отверстия для труб делают меньше их наружного диаметра: у дымогарных—на 9—11 мм, а у жаровых — на 9—20 мм.

Перед постановкой труб в котел передние концы их раздают, а задние обжимают до размеров отверстий в трубных решетках. Обжатие задних концов труб улучшает циркуляцию воды у поверхности задней трубной решетки и позволяет лучше очищать ее от накипи при промывках котла. Раздача и обжатие отверстий для дымогарных и жаровых труб в передней и задней трубных решетках производятся с таким расчетом, чтобы трубы в котле расходились веером в сторону передней решетки вверх и в стороны от вертикальной оси. Это необходимо для того, чтобы обеспечить более свободное размещение труб в котле и улучшить выход газов из огневой коробки. Кроме того, из-за большего диаметра труб в передней части для их расположения требуется больше места.

Перед постановкой в котел дымогарные и жаровые трубы со стороны задней решетки обжимают двухступенчатым способом, а со стороны передней решетки раздают. Подробно о приемах обжатия, раздачи и применяемых инструментах будет сказано в разделе о ремонте паровозного котла.

Для лучшего укрепления концов дымогарных и жаровых труб в отверстия задней решетки ставят медные прокладные кольца и развальцовывают их, потом в отверстия вводят концы труб, которые также развальцовывают (рис. 17).

Затем концы труб, выходящие из решетки, отгибают на 45° и отбортовывают. Далее борты труб приваривают к решетке (рис. 18), когда котел наполнен подогретой до t = 40-60° С водой.

В передней решетке трубы устанавливают без медных прокладных колец, не отбортовывают и не обваривают; выступающие передние концы дымогарных и жаровых труб развальцовывают и отгибают на конце.

Дымогарные трубы на большинстве современных паровозов располагают в шахматном порядке по вершинам ромба вертикальными рядами, кроме того, их размещают между рядами жаровых труб и по краям решетки.

Паровой колпак (рис. 19) представляет собой резервуар, который является наивысшей точкой парового пространства, служит сборником наиболее сухого пара и установлен на втором барабане цилиндрической части котла. Из парового колпака пар отбирается в паровую машину. На паровозах Эм, паровой колпак изготовлялся клепаным, на паровозах, Э р изготовлен штампованным на прессе из цельного листа котельной стали толщиной от 15 до 20 мм. Сверху паровой колпак закрывают крышкой, которая ставится на медном прокладном кольце и укрепляется с помощью шпилек и гаек.

В целях уменьшения потерь от внешнего охлаждения паровозный котел, за исключением дымовой коробки, покрыт слоем теплоизоляции. Для изоляции паровозного котла применяют асбест, диатомит и известь, которые обладают низкой теплотворной способностью. Теплоизоляционный материал делают в виде плит толщиной от 40 до 60 мм. Крепят плиты к котлу с помощью проволочного каркаса, а зазоры между решетками заделывают вулкани-товой обмазкой.

Перед покрытием изоляционным материалом поверхность котла окрашивают. На наружную поверхность топки сначала наносят асбестовую подмазку, а затем кладут вулканитовые асбоцементные плиты. В местах, где нельзя уложить плиты, накладывают слой изоляционной обмазки при давлении пара в котле 0,2— 0,3 МПа.

Поверх изоляционного слоя паровозный котел покрывается обшивкой из листового железа толщиной до 1,5 мм. Обшивка котла защищает изоляционный слой от повреждения. Крепят обшивку стойками, приваренными к стенкам котла, а затем поясами из полосового железа и винтами.

Дымовая коробка (рис. 20) предназначена для размещения в ней конуса, паровпускных и паровыпускных труб, искрогасительтелных приборов, коллектора, пароперегревателя и сифона, а также является камерой, где образуется разрежение, необходимое для создания притока воздуха к колосниковой решетке и для интенсивного сгорания топлива.

Размеры дымовой коробки должны быть достаточными для размещения указанных элементов и, кроме того, оставался бы необходимый свободный объем для прохода газов и создания равномерной тяги.

Дымовая коробка —это сварная или клепаная конструкция и состоит из двух листов: верхнего толщиной 13 мм и нижнего толщиной 17 мм, образующих цилиндрический барабан. Нижняя часть дымовой коробки изготовлена из более толстых листов для придания опорной части котла прочности и жесткости. Для предупреждения коробления и прогорания нижнего листа дымовой коробки от скопления внизу ее изгари к нему приклепывается или приваривается предохранительный лист толщиной до 20 мм.

Спереди дымовая коробка закрыта фронтонным листом или передней стенкой, в которой имеется дверца диаметром до 1500 мм для производства текущего ремонта и осмотра размещенного в нем оборудования.

Для очистки дымовой коробки от изгари внизу устроена мусороочистительная труба 16 диаметром 180 мм с задвижкой, заключенной между фланцами трубы.

Дымовая коробка паровозов Л, Е а,м, Э р оборудована самоочищающимся искрогасительным устройством, где отводящие из дымогарных и жаровых труб газы, ударяясь о вертикальный отражательный щит, создают вихревое движение и, проходя через искрогасительную сетку, направляются в дымовую трубу. Крупные частицы изгари отбиваются от сетки и подвергаются дальнейшему размельчению в общем потоке газов, в результате чего поток газов как бы выметает мелкие частицы изгари.

Дымовая труба 5 установлена наверху дымовой коробки и служит для отвода продуктов сгорания и отработавшего пара в атмосферу.

Нижняя часть трубы, которая расположена в дымовой коробке, соединяется с расширяющимся книзу раструбом 3 для направления струн отработавшего пара и продуктов сгорания топлива. В барабане дымовой коробки предусмотрены специальные вырезы для установки дымовой трубы, конуса, паровпускных и паровыпускных труб.

Объем дымовой коробки влияет на пульсацию газов при выхлопах пара из конуса: чем больше объем, тем меньше пульсация, тем более равномерное горение топлива.

Дымовая коробка соединяется призониыми болтами с седлообразным фланцем цилиндрового блока и служит жестким креплением котла с рамой паровоза.

В дымовой коробке создается искусственная тяга газов за счет выпуска отработавшего пара в паровой машине через конус и дымовую трубу, поэтому герметичность камеры имеет исключительно важное значение.

Разгерметизация дымовой коробки определяется следующим образом: открывают сифон на полную мощность и с помощью факела обходят места возможного подсоса воздуха через неплотности. Такие места отмечают мелом и при ремонте паровоза устраняют с помощью заварки и замены неисправных болтов и деталей. Для герметизации большой дверцы между ней и обвязочным угольником дымовой коробки прокладывают асбестовый картон. Чтобы не было подсоса наружного воздуха в дымовую коробку, неплотности между парорабочими трубами и кромками отверстий в дымовой камере уплотняют стальными заделками с асбестовыми прокладками.

Плотность соединений паровпускных труб и элементов пароперегревателя с коллектором проверяют на горячем паровозе пуском пара, так как пропуск его ухудшает разрежение в дымовой коробке. Хорошая герметичность дымовой коробки способствует интенсивному горению топлива, экономному расходованию его и высокой паропроизводительности котла паровоза.

Устройство водогрейных котлов КВ регламентируется ГОСТ 30735-2001 "Котлы отопительные водогрейные теплопроизводительностью от 0,1 до 4,0 МВт" и распространяется на котлы с рабочим давлением воды до 0,6 МПа (6 кгс/см2) и максимальной температурой воды на выходе из котла до 115 °С, предназначенные для теплоснабжения зданий и сооружений.

Тепловой расчет котлов осуществляется в соответствии с нормативным методом "Тепловой расчет котельных агрегатов." Кузнецов Н.В., Митор В.В. и др. 1973 г.

Гидравлический расчет котлов осуществляется в соответствии с нормативным методом "Гидравлический расчет котельных агрегатов." Балдина О.М. и др. 1978 г.

Аэродинамический расчет котлов осуществляется в соответствии с нормативным методом "Аэродинамический расчет котельных агрегатов." Мочан С.И.

Устройство водогрейных котлов КВ

Водогрейные котлы мощностью до 4,0 МВТ выполняются стальными гладкотрубными горизонтальной компоновки. Котел представляет собой цельный блок состоящий из двух частей топочной и конвективной. Топочная часть - состоит из стальных панелей: боковых, потолочной, фронтовой и задней. В топочной части котла на топке происходит процесс горения топлива, излучаемое тепло, с помощью конвективного и радиационного теплообмена передается панелям и нагревает теплоноситель (воду). Для повышения теплопередающей способности топочных панелей они выполняются газоплотными (между труб вваривается стальная полоса). В топочной части котла температура горячих газов в зависимости от вида топлива достигает 1000 - 1200 С. На выходе из топки температура уменьшается до 800 С.

После топочной части котла горячие газы поступают в конвективный блок состоящий из конвективных секций. Конвективные секции - это панели из стояков и вваренных в них труб. В конвективном блоке температура горячих газов снижается до 180 -200 С. Для усиления теплопередачи в конвективном блоке котла трубы располагаются в шахматном порядке, и устанавливается перегородка. Газы совершают опускное и подъемное движение и выходят сверху котельного блока.

Устройство изоляции водогрейных котлов должно обеспечивать отсутствие присосов наружного воздуха в котельный блок и температуру обшивки котла не более 50С. Для этого выполняют изоляцию трубной системы минеральными плитами ПТЭ и устанавливают декоративную обшивку из стальных листов, устанавливаемую на каркас.

Очистка конвективных панелей котла от сажи и золовых отложений осуществляется через люки в изоляционной обшивке котла. При правильной эксплуатации котельной установки, грамотной настройке тяги и дутья, следовании рекомендациям завода изготовителя, золовые и сажистые отложения на панелях котла не образуются.

Устройство гидравлической системы водогрейного котла

Гидравлическая схема водогрейного котла должна обеспечивать нагрев теплоносителя (воды) на 25 С. Расчетный диапазон температуры воды в котле 115-90 С, либо 95-70 С.

Кроме того, гидравлическая схема должна обеспечивать скорости движения воды минимилизирующие накипеобразование и исключающие образование застойных зон. Для этого в коллекторах котла устанавливаются перегородки, направляющие движение воды в котле, и обеспечивающие необходимую скорость. В различных моделях водогрейных котлов КВ вход и выход воды возможен в коллекторе топочной камеры, верхние или нижние коллектора конвективных панелей, при этом расположение входа-выхода не влияет на температурный напор и легко меняется в зависимости от техзадания заказчика, в соответствии с схемой его котельной.

Для удаления образующегося в процессе эксплуатации в трубной части котла шлама в нижних коллекторах предусмотрены дренажи. Для удаления воздуха в верхних коллекторах устанавливаются воздушники.

Для обеспечения безопасных условий эксплуатации и расчетных режимов работы водогрейные котлы оснащаются предохранительной и запорно-регулирующей арматурой, контрольно-измерительными приборами и приборами безопасности. Запорная арматура служит для отвода воды из котла в тепловую сеть, подвода обратной воды в водогрейный котел, слива воды из котла, для периодической продувки и удаления шлама. Контрольно-измерительные приборы, термометры и манометры обеспечивают измерение давления и температуры на входе и выходе воды из водогрейных котлов.

Устройство твердотопливных водогрейных котлов КВ

В зависимости от мощности котла твердотопливные котлы могут быть с ручными и механическими топками:

топкой ОУР
колосниковой топкой
топкой с поворотными колосникам РПК
топкой ЗП РПК с забрасывателем ЗП и поворотными колосниками
топкой ТШПМ
топкой ТЛПХ
топкой ТЛЗМ

Устройство газовых и жидкотопливных водогрейных котлов

Газовые и жидкотопливные водогрейные котлы КВа могут работать с различными видами горелочных устройств импортного и отечественного производства, для этого на фронтальной плите изготавливаются отверстия и крепления под подобранную горелку.

Здравствуйте! В зависимости от конструктивных особенностей парообразующих поверхностей нагрева различают газотрубные и водотрубные котельные агрегаты.

Газотрубный котлоагрегат представляет собой цилиндрический барабан, внутри которого параллельно оси размещаются 1-2 трубы диаметром d = 0,6-1 м (жаротрубные котлы) или большое количество труб малого диаметра d = 50-60 мм (котлы с дымогарными трубками). Дымовые газы из топки поступают внутрь труб, которые снаружи омываются кипящей водой. Образующийся водяной пар из верхней части барабана направляется в пароперегреватель или непосредственно потребителю. Эти котлоагрегаты имеют ряд существенных недостатков (большой удельный расход металла, ограниченная производительность, низкие параметры пара), поэтому применяются относительно редко.

Водотрубные котлы представляют собой водотрубные теплообменники с естественной или принудительной циркуляцией. Процесс парообразования в них происходит внутри труб, которые снаружи обогреваются дымовыми газами. Котлы с естественной циркуляцией выполняются главным образом в виде вертикально — водотрубных конструкций.

Особенностью этих установок является наличие одного или нескольких барабанов, к которым присоединяют вертикальные изогнутые трубы, образующие испарительные поверхности нагрева. Эти котлы имеют небольшой расход металла на единицу паропроизводительности и высокие параметры пара. На рис. 1. показан двухбарабанный вертикально — водотрубный котел ДКВР-2,5-13 с камерной топкой для сжигания природного газа.

Паропроизводительность котла 2,5 т/ч, давление пара 1,3 МПа, температура перегретого пара 350 °С.

Котлы этого типа имеют производительность от 2,5 до 35 т/ч, их устанавливают в котельных промышленных предприятий. Котел имеет верхний барабан 1 и нижний барабан 3, которые соединены вертикальными кипятильными трубами 2. В топочной камере 5 расположены два боковых экрана, которые образованы кипятильными трубами 6, соединяющими верхний барабан с нижними боковыми коллекторами 4.

Котельный агрегат высокого давления ПК-19 (паропроизводительность 120 т/ч, давление пара 10 МПа, температура пара 510 °С) предназначен для работы на антрацитовом штыбе и каменных углях (рис. 2.).

Особенность этого типа котлов состоит в том, что они имеют лишь один барабан с выносными циклонами для разделения воды и пара. Стены топки полностью покрыты экранными трубами.

Вода из барабана 1 и из выносных циклонов 2 опускается по трубам, расположенным снаружи обмуровки, в нижние коллекторы экранов. В конвективной шахте котельного агрегата, кроме двух ступеней водяного экономайзера 6, помещаются также две ступени воздухоподогревателя 7. Подаваемый вентилятором воздух проходит между трубами воздухоподогревателя последовательно через первую и вторую ступени, а газы - сверху вниз внутри труб. Подогретый воздух подается к горелкам, расположенным на боковых стенках топочной камеры. Сюда же вместе с первичным воздухом подается пыль из системы пылеприготовления.

Пароперегреватель котельного агрегата помещается в горизонтальном газоходе, соединяющем топку с конвективной шахтой. Пар из барабана котельного агрегата по трубам, идущим под потолочным перекрытием, направляется в пароохладитель 4 пароперегревателя 5, в котором за счет частичной конденсации пара питательной водой осуществляется регулирование температуры перегретого пара. Из пароохладителя пар поступает в змеевиковые трубы перегревателя и затем в выходной коллектор 3.

На рис. 3. представлена схема прямоточного двухкорпусного парогенератора сверхкритического давления марки ТПП-110 для блоков 300 тыс. кВт производительностью 950 т/ч с давлением пара 25 МПа, температурой перегретого пара 585 °С и промежуточным перегревом пара до 570 °С.

Котельный агрегат имеет П-образную компоновку и состоит из двух рядом стоящих корпусов, идентичных по размерам и конфигурации. Они отличаются один от другого только тем, что в одном корпусе размещена большая часть первичного пароперегревателя, а в другом- меньшая его часть и весь вторичный пароперегреватель.

Общая высота котлоагрегата составляет 50 м. Топка этого агрегата состоит из камеры горения 1 с жидким шлакоудалением и с футерованными экранами и из камеры догорания 2 с открытыми вертикальными экранами 3. Выйдя из топки, дымовые газы проходят через пароперегреватель, состоящий из радиационной части 4 и конвективной части 6, и далее через конвективные поверхности нагрева котла (переходную зону 7, водяной экономайзер 8 и воздухоподогреватель 9).

Пар, подлежащий вторичному перегреву, из турбины поступает в радиационную часть 4 вторичного пароперегревателя, расположенного во втором корпусе котлоагрегата, затем направляется в обогреваемый первичным паром теплообменник 5, предназначенный для регулирования температуры пара, далее в конвективную часть пароперегревателя 6 и в турбину. Дополнительное регулирование температуры перегретого пара осуществляется впрыскивающими пароохладителями, а также изменением распределения количества сжигаемого топлива по топкам обоих корпусов.

Крупным парогенератором является котельный агрегат типа ТПП-200 (таганрогский, прямоточный, пылеугольный, модель 200) паропроизводительностью 700 кг/с (2500 т/ч), спроектированный для сжигания пыли АШ или природного газа. Парогенератор предназначен для обеспечения паром турбоагрегата мощностью 800 МВт.

Основные данные технической характеристики котельного агрегата ТПП-200 (рис. 4.) следующие: давление пара 25 МПа, температура первичного перегрева пара 565 °С, вторичного - 570 °С, температура питательной воды 271 °С, расход топлива 75,5 кг/с.

Котлоагрегат выполнен из двух симметричных корпусов. Топочная камера каждого корпуса имеет призматическую форму и разделена по высоте пережимом, образованным трубами фронтового и заднего экранов, на две части: предтопок 1 и камеру охлаждения 3.

В нижней части - предтопке сжигается топливо, в верхней охлаждаются дымовые газы. На фронтовой и задней стенах предтопка в два ряда установлены 24 пылегазовые горелки 2. Объемное тепловое напряжение предтопка 460 кВт/м3, а всей топки - 160 кВт/м3. Все стены пред-топка и камеры охлаждения экранированы. В верхней части камеры охлаждения расположен ширмовой пароперегреватель высокого давления 5.

В каждом корпусе имеются четыре пароводяных потока. По ходу воды включены водяной экономайзер 4, разделительная стенка, подвесная система конвективной шахты и топочные экраны. Последние в свою очередь состоят из последовательно включенных поверхностей: подовых панелей, панелей нижней радиационной части, двухсветных топочных экранов и панелей верхней радиационной части.

Особенность данного парогенератора состоит в газовом регулировании температуры промежуточного перегрева пара с помощью байпасного газохода и последовательно-параллельном включении воздухоподогревателей. Конвективная шахта каждого корпуса в плане разделена на три параллельных газохода. В центральном газоходе (байпасном) расположены два пакета водяного экономайзера, а в боковых газоходах - последовательно по ходу газов конвективный пакет пароперегревателя высокого давления 6 и два пакета пароперегревателя низкого давления (промежуточного перегрева) 7.

В котлоагрегате предусмотрено жидкое шлакоудаление. Предварительная очистка газов от летучей золы производится в батарейных прямоточных циклонах, а окончательная - в электрофильтрах. Каркас котлоагрегата металлический. Обмуровка стен топочной камеры и конвективной шахты облегченная, многослойная.

Конструкция котельного агрегата разработана в блочном исполнении. Это означает, что на монтажную площадку поставляются заводские блоки, количество которых только для поверхностей нагрева составляет 856 штук при максимальной массе одного блока 24,7 т. Исп. литература: 1) Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий. –М.: Энергия, 1978. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.