Паровой котёл

Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию (электрический паровой котёл) или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках (котлы-утилизаторы).

История

Первым котлом для производства пара можно считать котёл геронова эолипила (I в. н. э.). Дени Папен в конце XVII в. изобрёл и впервые применил предохранительный клапан. Практически значимое применение паровых котлов начинается с конденсационного насоса Томаса Севери, изобретённого в XVIII в., и атмосферной машины Ньюкомена.

Ранние котлы с малой поверхностью обогрева

Котёл машины Ньюкомена представлял собой сосуд формы, близкой к шарообразной, диаметром около трёх метров (10 футов), с выпуклым изнутри днищем, образовывавшим свод топки. Таким образом, днище котла обогревалось пламенем и излучением, а боковые стенки — горячими продуктами горения, проходившими по каналам кирпичной обмуровки. Уже в этом котле, таким образом, можно найти радиационные и конвекционные поверхности теплообмена. Машина Ньюкомена использовала насыщенный пар под атмосферным давлением, ни большой паропроизводительности, ни прочности от котла не требовалось, и он изготовлялся из меди. Котёл оснащался выпускным краном и предохранительным клапаном.

Уатт, подняв давление пара в своих машинах до 1,5 атм. и более, перешёл к коробчатым котлам, стянутым внутри для противодействия распору. Для удешевления котлы стали производить из железа. Обогревались они по-прежнему снаружи.

Котлы с жаровыми трубами

Для увеличения поверхности обогрева и, соответственно, паропроизводительности, котлы стали пронизывать одной («корнваллийские котлы», Тревитик, 1815) или двумя и тремя («ланкаширские котлы», Фейрберн, 1845) широкими жаровыми трубами, увеличивая поверхность теплообмена. Рост давления до 6 атм. и более привёл к переходу на цилиндрические котлы, склёпанные из листового железа. Малоуглеродистая пластичная сталь (сталь 1) позволяла успешно справляться с локальными перегревами. Отвод продуктов горения из жаровых труб под котлом позволял получить дополнительную кипятильную поверхность и поднять паропроизводительность, отвод над котлом — несколько подсушить и перегреть насыщенный пар. Котлы ланкаширского типа, с горизонтальными и вертикальными жаровыми трубами, активно применялись более 100 лет, и изредка до сих пор применяются в маломощных силовых и паропроизводящих установках. Разновидностью корнваллийского котла вертикального типа можно считать самовар.

Котлы с дымогарными трубами

Котлы с многочисленными узкими дымогарными трубами разработаны для первых успешных паровозов, первым был спроектированный Бутом котёл с 20-ю трубами для паровоза Стефенсона «Ракета». Для паровоза «Планета» Стефенсон применил усовершенствованный котёл, в котором вода окружала и топку, таким образом, использовалась не только конвекционная, но и радиационная поверхность обогрева, паропроизводительность котла возросла. Без принципиальных изменений котлы со многими дымогарными трубами использовались на паровозах до заката паровой эпохи на железных дорогах.

Устройством в ланкаширском котле тонких дымогарных труб после широких жаровых Стивенс создал тип котла, широко использовавшийся в морских паросиловых установках.

Водотрубные котлы

Дальнейший рост давления в крупных паросиловых установках ограничивался прочностью корпуса котла. Чтобы обойти эту проблему, а также развить поверхность обогрева ещё сильнее, были изобретены водотрубные котлы барабанного типа. В них парообразование происходит в трубах, омываемых потоком горячих газов (конвекционная поверхность) или обогреваемых излучением пламени в топке (радиационная поверхность). Большой цилиндрический корпус уступает место одному или нескольким небольшим барабанам, в которых вода отделяется от пара. Циркуляция в котле происходит либо естественно, за счёт разности удельных весов воды в опускных трубах и водо-паровой смеси в подъёмных, либо искусственно, при помощи насосов. При давлениях до 30 атм. применяются сварные барабаны толщиной стенки 30 мм, для более высоких давлений — цельнотянутые барабаны. При этом в стальной цилиндрической заготовке на прессе прошивают центральное отверстие, а затем, также на прессах, расковывают барабан толщиной стенки 100 мм и более. Концы барабана суживают до размеров люков обслуживания. Трубы используются бесшовные.

В котлах появляются пароперегреватели (чтобы избежать конденсации пара в турбине при его расширении и охлаждении), а в конце дымового хода устанавливают экономайзеры для подогрева питательной воды.

Типов барабанных водотрубных котлов множество (завода Бабкок и Вилькокс с одним барабаном, многобарабанные модификации котлов Стерлинга, котлы Ла Монта с принудительной циркуляцией и др.)

Прямоточные котлы

Являются дальнейшим развитием водотрубных котлов с принудительной циркуляцией, когда от многократной циркуляции отказались вовсе: питательная вода входит в котёл под рабочим давлением, создаваемым насосом, и по мере прохождения по трубам нагревается и полностью испаряется. Система обладает высокими удельными характеристиками, но требует насоса высокого давления и совершенной системы водоподготовки, поскольку не имеет барабанов, в которых обычно оседают грязь и накипь.

Теория котла

Основными технико-экономическими показателями работы котла являются:

• его КПД (отношение теплоты, унесённой с паром, к теплоте, развитой при сжигании топлива),
• удельная паропроизводительность в кг/час с 1 м² поверхности теплообмена,
• удельные капитальные затраты на паропроизводительность 1 т/час.

Наиболее наглядно работа котла может быть проанализирована по его рабочей характеристике, которая показывает теплообмен в котле на разных участках его рабочей поверхности. Характеристика показывает, что чем ближе к топке находится квадратный метр поверхности теплоообмена, тем больший тепловой поток проходит сквозь неё (поскольку разница температур между газами и водой в котле больше). На участках в конце дымохода, с небольшой разностью температур газов и воды, для получения того же количества теплоты необходимы большие поверхности теплообмена, таким образом, не всегда котёл с наибольшим КПД является экономически наиболее целесообразным: порой желание добрать последние несколько процентов теплоты газов обходится слишком дорого. Поэтому в конце дымоходов устраивают экономайзеры для подогрева питательной воды и воздухоподогреватели, но не дорогостоящие испарительные поверхности.

Классификация

По назначению:

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы — теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы
• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественной и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

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 газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

По типу топочных устройств паровой котел подразделяется на:

• Слоевые топки
  • с плотным слоем
  • с кипящим слоем
• Камерные топки
  • факельные прямоточные
  • циклонные.

По виду сжигаемого топлива подразделяются на:

• Паровые котлы, работающие на газообразном топливе.
• Паровые котлы, работающие на твердом топливе.
• Паровые котлы, работающие на жидком топливе (мазуте или солярке).
• Паровые котлы, работающие на электрической энергии.

Котлы с камерной конструкцией топки работают на пылевидном топливе, в то время как со слоевой конструкцией сжигают твердое топливо.

Обозначения

Согласно ГОСТ 3619-89, стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Тип-D-P-T-FOН Тип

• Пр — с принудительной циркуляцией (вода из барабана подаётся в испарительные поверхности специальными насосами);
• Прп — с принудительной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• Е — с естественной циркуляцией (под действием разности плотностей воды и пара);
• Eп — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• П — прямоточные;
• Пп — прямоточные с промежуточным перегревом пара;
• К — с комбинированной циркуляцией (в одних поверхностях естественная, в других принудительная);
• Кп — с комбинированной циркуляцией и промежуточным перегревом пара.

D Паропроизводительность котла, т/ч. P Давление на выходе из котла, МПа (ранее часто указывалось в кгс/см²) T Температура на выходе из котла, °C (для котлов, генерирующих насыщенный пар, не указывается). Если температура после промперегрева отличается от температуры первичного пара, она указывается через дробь. F Вид топлива (если топка не слоевая):

• К — каменный уголь и полуантрацит (тощий уголь);
• А — антрацит, антрацитовый штыб (шлам);
• Б — бурый уголь, лигниты;
• С — сланцы;
• М — мазут;
• Г — природный газ;
• О — отходы, мусор;
• Д — другие виды топлива.

O Тип топки (для газомазутных не указывают, кроме «В»):

• Т — камерная топка с твердым шлакоудалением;
• Ж — камерная топка с жидким шлакоудалением;
• Р — слоевая топка (решетка);
• В — вихревая топка;
• Ц — циклонная топка;
• Ф — топка с кипящим (флюидизированным) слоем (стационарным и циркулирующим);
• И — иные виды топок, в том числе двухзонные.

Н "Н", если котёл под наддувом.

Параметры котла по возможности подбираются по стандартному ряду. После обозначения по ГОСТ может писаться в скобках заводская марка, например, Е-75-3,9-440БТ (БКЗ-75-39ФБ).

Барабанные котлы

Вода, подаваемая в котёл питательным насосом (например, паровым инжектором), пройдя экономайзер, попадает в барабан (находится вверху котла), из которого под действием силы тяжести (в котлах с естественной циркуляцией) попадает в опускные необогреваемые трубы, а затем в подъёмные обогреваемые, где происходит парообразование (подъёмные и опускные трубы образуют циркуляционный контур). Из-за того, что плотность пароводяной смеси в экранных трубах меньше плотности воды в опускных трубах, пароводяная смесь поднимается по экранным трубам в барабан. В нем происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Вода заново идёт в опускные трубы, а насыщенный пар уходит в пароперегреватель. В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции воды по циркуляционному контуру — от 5 до 50 раз. Котлы с принудительной циркуляцией оснащены насосом, который создаёт напор в циркуляционном контуре. Кратность циркуляции составляет 3—10 раз. Котлы с принудительной циркуляцией на территории постсоветского пространства распространения не получили. Барабанные котлы работают при давлении меньше критического.

Прямоточные котлы

Прямоточные котлы не имеют барабана. Через испарительные трубы вода проходит однократно, постепенно превращаясь в пар. Зона, где заканчивается парообразование, называется переходной. После испарительных труб пароводяная смесь (пар) попадает в пароперегреватель. Очень часто прямоточные котлы имеют промежуточный пароперегреватель. Прямоточный котел является разомкнутой гидравлической системой. Такие котлы работают не только на докритическом, но и на сверхкритическом давлении.

Автоматизация процессов

Котлоагрегат представляет технически сложное устройство. Как многомерный объект он содержит в себе множество систем регулирования. Множество технологических параметров необходимо поддерживать для надежной и экономичной работы котла. Такими основными параметрами являются:

• Система тепловой нагрузки котлоагрегата:
  • процесс горения в топке;
  • подачу воздуха в топку котла;
  • разрежение в топке;
• Система регулирования температуры перегретого пара;
• Система регулирования питания котлоагрегата.

Система регулирования питания котлоагрегата

Регулирование питания паровых котлов осуществляется следующими образом. Принято, что максимально допустимые отклонения уровня воды барабане ±100 мм от среднего значения. Снижение уровня может привести к нарушениям питания и охлаждения водоподъемных труб. Повышения уровня может привести к снижению эффективности внутрибарабанных устройств. Перепитка барабана и заброс частиц воды в турбину может явиться причиной тяжелых механических повреждений ее ротора и лопаток.

Схемы регулирования. Исходя из требований к регулированию уровня воды в барабане, автоматический регулятор должен обеспечить постоянство среднего уровня независимо от нагрузки котла и других возмущающих воздействий. В переходных режимах изменение уровня может происходить довольно быстро, поэтому регулятор питания для обеспечения малых отклонений уровня должен поддержать постоянство соотношения расходов питательной воды и пара. Эту задачу выполняет трёхимпульсный регулятор.

Регулятор перемещает клапан при появлении сигнала дисбаланса между расходами питательной воды Дпв и пара Дпп. Кроме того, он воздействует на положение питательного клапана при отклонениях уровня от заданного значения. Такая САР питания, совмещающая принципы регулирования по отклонению и возмущению, получила наибольшее распространение на мощных барабанных котлах.

Регулирование водного режима котлоагрегата

Химический состав воды, циркулирующей в барабанных котлах, оказывает существенное влияние на длительность их безостановочной и безремонтной кампаний. К основным показателям качества котловой воды относятся общее солесодержание и избыток концентрации фосфатов. Поддержание общего солесодержания котловой воды в пределах нормы осуществляется с помощью непрерывной и периодической продувок из барабана в специальные расширители. Потери котловой воды с продувкой пополняются питательной водой в количестве, определяемом уровнем воды в барабане. Регулирование непрерывной продувки осуществляется путем воздействия регулятора на регулирующий клапан на линии продувки. Помимо корректирующего сигнала по солесодержанию, на вход ПИ- регулятор 2 поступает сигнал по расходу продувочной воды Дпр и сигнал по расходу пара Дпп. Сигнал по расходу пара поступает на расходомер 3, электромеханический интегратор которого используется в качестве импульсатора, воздействующего через пусковое устройство 4 на включение и отключение плунжерного фосфатного насоса 6.