Химический состав и основные характеристики топлива

В состав натурального органиче­ского топлива входят следующие ос­новные элементы: углерод С, водо­род Н, кислород О, азот N, сера S, зола А, влага W. Элементарный со­став принято давать в процентах к массе топлива I кг.

Горючими элементами являются углерод, водород и часть серы, на­зываемой горючей (летучей) серой. Часть серы, называемой негорючей, уже окислена и при горении пере­ходит в золу. Влага и зола назы­ваются балластом, так как они яв­ляются негорючей массой топлива и ухудшают его качество.

Различают три основные массы топлива: рабочую, сухую и горючую. Рабочая масса характеризует состав топлива в том виде, в котором оно сжигается в топке. Рабочая масса не является постоянной, так как со­держание влаги и золы может ме­няться в зависимости от условий добычи, хранения и перевозки топ­лива. Для рабочей массы топлива (%);

С^р + Н^р + О^р + N^p + S^p + А^р + W^p = = 100. (2.1)

Сухая масса характеризует без­водный состав топлива. Она рас­сматривается по той причине, что часто в характеристиках топлива теплоту сгорания приводят в пере­счете на сухое топливо. ’Для сухой массы топлива (%):

С^с + Н^с + О^с + N^c + S' + А^с =
= 100.

(2.2)

Горючая масса характеризует без­водный и беззольный состав топлива. Для горючей массы (%):

C^r + H^r + O^r + N^r + S^p = 100(2.3)

Относительную оценку различных сортов топлива чаше проводят по го­рючей массе как более стабильной и характеризующей качество и цен­ность топлива (табл. 2.1).

При пересчете горючей массы в ра­бочую должны быть известны масса золы А^р и влаги W^₽ на рабочую массу топлива.

Для пересчета элементарного со­става топлива одной массы на дру­гую используют переводные множи­тели. Например, пересчет с горючей массы на рабочую углерода и водо­рода производится по выражениям:

100 -(А^р + W^p).

100

HP _ н' 100-(A^p + W^p)

^л - ^п 100                                                   (2.4)

Важнейшей характеристикой топ­лива, определяющей его тепловую ценность, является теплота сгорания.

Теплота сгорания топлива — это количество теплоты в килоджоулях, которое выделяется при полном сго­рании топлива массой 1 кг. Разли­чают высшую и низшую теплоту сгорания.

Таблица 2.1

Высшей теплотой сгорания на­зывается количество теплоты, выде­лившееся при полном сгорании топ­лива массой 1 кг при условии, что продукты сгорания охлаждены до температуры конденсации содержа­щихся в них водяных паров.

Низшей теплотой сгорания Q„ на­зывается количество теплоты, выде­лившееся при полном сгорании топ­лива массой 1 кг, но за вычетом теплоты, затраченной на испарение влаги топлива и влаги, образующей­ся при сгорании водорода топлива.

Расчеты, как правило, производят, учитывая низшую теплоту сгорания, так как дымовые газы, покидающие котел, имеют температуру, при кото­рой содержащиеся в них водяные пары практически не конденсируют­ся. Значение теплоты сгорания топ­лива определяют в лабораториях. Низшая теплота сгорания раз­личных топлив составляет (кДж/кг) примерно:

Дизельные....                                        42 400

Моторные....                                         41 000

Мазуты........................................ 39 400—40 700

На судне могут использоваться топлива, имеющие разную теплоту сгорания. Для учета израсходован­ного топлива разных марок введено понятие условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29 330 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета натурального топ­лива В_нат в условное ß_y пользуются калорийным эквивалентом Э_кал = = Qh/29 330, на который умножают расход ß„_aT натурального топлива данного вида, т. е.:

ßy = В_натЭ_кал. (2.5)

Если на судне израсходовано два вида топлива массой Bi и By с тепло­той сгорания соответственно и Q^p„", то расход условного топлива: В_у = В, (QP'/29 330) + ß₂ (Qf/29 330).

Вязкость — это показатель теку­чести нефтепродуктов. Текучесть топ­лива зависит от его температуры, поэтому вязкость является величи­ной переменной.

В соответствии со стандартом СТ СЭВ 1052—78 для оценки динами­ческой и кинематической вязкости ис­пользуются единицы СИ. Единицей динамической вязкости является Па- с. Это вязкость жидкости, в ко­торой при изменении скорости дви­жения 1 м/с на расстоянии 1 м, касательное напряжение равно 1 Па. Единицей кинематической вязкости является метр квадратный в секун­ду (м²/с) или кратная ей величи­на миллиметр квадратный в се­кунду (мм²/с). Кинематической вяз­костью называется отношение дина­мической вязкости к плотности сре­ды. Существуют также и другие еди­ницы вязкости. Например, в США вязкость определяют в секундах Сей- болта универсальных (Su), в Вели­кобритании — в секундах Редвуда № 1 (R1).

Зависимость между единицами вязкости при различных температу­рах дана в номограмме (рис. 2.1).

Вязкость определяет не только ка­чество распиливания топлива при сжигании его в топках котлов, но и условия его транспортировки и хранения из-за низких температур застывания некоторых марок.

Плотность — это косвенная харак­теристика химических свойств и фракционного состава топлива. Под плотностью pF понимается отноше­ние массы топлива при температуре 20 °C к массе воды при температуре 4 °C, занимающей тот же объем.

Плотность топлива необходимо знать для подсчетов запаса топлива в емкостях, которое принимается на судно по объему, а учитывается по массе. Плотность уменьшается с уве­личением температуры, что следует учитывать при бункеровке и учете расхода топлива. Значение плотно­сти при определенной температуре обычно указывается в сертификате или паспорте на принимаемое топ­ливо. Плотность (г/см³) топлив: Маловязкие       0,83—0,89

Высоковязкие....                              0,92—1,00

Температура застывания — это температура, при которой нефтепро­дукты теряют свою естественную те­кучесть. Температура застывания оп­ределяет условия хранения и пере­качки топлива на судне. Мазуты с высокой температурой застывания использовать на судне весьма затруд­нительно: необходимы развитые си­стемы разогрева топлива в бунке­рах и обогрева трубопроводов, что приводит к усложнению, удорожа­нию установки и увеличению рас­хода теплоты. В судовых условиях нормальное использование топлива возможно, если температура его за­стывания не превышает 10 °C. Засты­вание мазутов при различных темпе­ратурах обусловливается разным со­держанием в них парафинов, по­этому мазуты из высокогГарафино- вых нефтей для судовых котельных установок, как правило, не постав­ляют.

1

s

1,5 -

/,2

Темпгратура

20 15 10 в 6 4 3 2

1200 ООО 600 W0 300 200 150 100 a, W § 60

Рис. 2.1. Номограмма для определения вязкости топлив, применяемых для гла­вных и вспомогательных котлов: /—дизельное топливо ДЛ, ДС: 2— соляровое масло; 3— топливо для локомотивных газотурбинных двигателей; 4 — моторное топливо ДТ: 5 — мазут флотский Ф5; 6 — мазут флотский Ф12: 7 — моторное топливо ДМ; 8— мазут топочный 40; А— эконо­мически оправданный предел вязкости топлив при их перекачивании; 5 — обычный диапазон вязкости топлив при использовании механических распылителей

Температура вспышки — мини­мальная температура нагрева неф­тепродукта, при которой его пары в смеси с окружающим воздухом вспыхивают от соприкосновения с пламенем и затем быстро гаснут. Жидкая масса топлива при этом не загорается. Температура вспышки представляет собой показатель нали­чия в топливе легких фракций.

От температуры вспышки зависит пожарная -безопасность топлива при приемке, хранении и расходовании его на судне. Исходя из этого Ре­гистр СССР допускает использова­ние на судах топлив, температура вспышки которых в закрытом тигле не ниже 61 °C.

Испаряемость тяжелых топлив хуже, чем легких, температура вспышки у них выше, поэтому в свя­зи с необходимостью их обязатель­ного подогрева должны быть при­няты меры пожарной безопасности. Например, температура вспышки то­почных мазутов составляет 80— 90 °C. Значит, температура подо­грева топлива должна быть ниже температуры вспышки не менее чем на 10 °C. В закрытых топливных си­стемах, находящихся под давлением, допустим подогрев топлива до темпе­ратур, превышающих температуру вспышки.

Содержание серы — один из отри­цательных показателей качества топ­лива. При горении топлива содер­жащаяся в нем сера окисляется до сернистого SO-2 и серного SOj ан­гидрида, которые входят в контакт с влагой продуктов сгорания, об­разуют соответственно сернистую и серную кислоты. Попадание этих кис­лот на поверхности нагрева и иные конструктивные элементы котлов вы зывает их интенсивную коррозию.

Наибольшим содержанием серы отличаются мазуты, поскольку в процессе нефтепереработки содер­жащаяся в нефти сера концентри­руется в основном в остаточных про­жектах.

Мазуты различаются по содержа­нию серы (%):

Малосернистые..

Сернистые....

Высокосернистые..

Содержание серы судовых котлов не шатъ 3,5%.

Помимо серы, на качество топли­ва отрицательно влияют присутст­вующие в нем влага, механические примеси, ванадий и натрий. Влага и механические примеси ухудшают процесс горения. Механические при­меси приводят к повышенному изна­шиванию элементов топочных уст­ройств, что влечет за собой увели­чение расхода топлива. Ванадий и натрий даже в очень незначитель­ных количествах вызывают интенсив­ную коррозию поверхностей нагрева котла. Для Снижения ряда отри­цательных показателей топлив, осо­бенно высоковязких и сернистых, применяют различные присадки в со­ответствии с рекомендациями и ин­струкциями.

Паропроизводительность D_K — ко­личество пара, производимое котлом и измеряемое в килограммах в час (кг/ч) или тоннах в час (т/ч). Паро­производительность главных котлов на судах с паротурбинными установ­ками достигает 80 т/ч, а иногда и более. На судах с другими типами энергетических установок паропро­изводительность котлов определяет­ся назначением судна и может ко­лебаться в пределах от 0,5 до 50 т/ч и более. Наиболее высокую паро­производительность имеют вспомо­гательные котлы на крупнотоннаж­ных дизельных танкерах, поскольку для таких судов необходимо выра­батывать пар для привода турбин грузовых насосов, подогрева груза, подогрева воды для мойки танков и др.

Часовой расход топлива В — ко­личество топлива, сжигаемого в топ­ке котла, измеряемое в килограммах в час (кг/ч). Он определяет общую экономичность энергетической уста­новки, характеризует нагрузку кот­ла; обусловливается качеством сжи­гаемого топлива и условиями экс­плуатации.

Параметры пара — это рабочие давления р в мегапаскалях (МПа) насыщенного пара в котле или сепа­раторе утилизационной установки и перегретого пара за пароперегрева­телем и рабочая температура пере­гретого пара t в градусах Цель­сия (°C).

Поддержание оптимальных пара­метров во время эксплуатации обес­печивает экономичность установки при заданной мощности. Значения параметров обусловлены назначени­ем энергетической установки. Повы­шение параметров наряду с приме­нением оптимальной тепловой схе­мы и совершенных турбин и котлов является одним из основных направ­лений снижения расхода топлива. В главных паротубинных установках давление пара, вырабатываемое кот­лами, достигает 8—10 МПа при тем­пературе 500—540 °C. У вспомо­гательных котлов параметры пара, как правило, значительно ниже и составляют 0,5—1,5 МПа. Этими котлами генерируется обычно на­сыщенный пар и реже — слабо- перегретый с температурой пример­но 250 °C. Лишь специальные вспо­могательные котлы на танкерах ра­ботают с более высокими парамет­рами пара.

Относительное водосодержание^[III] — со = т_в/О* соответственно в кило­граммах (кг) и килограммах в час (кг/ч).

Значение водосодержания опреде­ляет время, которое потребуется на испарение всей воды, содержащейся в котле, если его нагрузка будет соответствовать паропроизводитель- ности, равной £)_к. У главных водо­трубных котлов со = 0,254-0,5 ч, у вспомогательных и утилизационных водотрубных котлов (о^0,5 ч, у газо­трубных со >1 ч.

Удельный паросъем d [кг/ (м² • ч) ] определяет количество пара, сни­маемого в среднем с 1 м² поверх­ности нагрева в единицу времени:

d = DJH,

где Н — парообразующая поверхность нагре­ва котла,

Удельный паросъем при номиналь­ной нагрузке обычно составляет 100—150 кг/(м²- ч), у более напря­женных котлов—-до 250 кг/(м²- ч) и выше.

Тепловое напряжение топочного объема q_v (кВт/м³) —отношение теплоты, выделившейся в топке за 1 ч, к ее объему. Поддержание уста­новленного напряжения топочного объема обеспечивает требуемое зна­чение температуры газов на выходе из топки и высокое качество про­цесса сгорания топлива. Надежная работа обеспечивается, если у глав­ных котлов q_u = 6004-800 кВт/м³, а у вспомогательных q_v — 9004- 1000 кВт/м³, учитывая меньший объем их топок.

Коэффициент полезного действия (КПД) т)_к — отношение количества теплоты, использованной для произ­водства пара, к количеству тепло­ты, выделившейся при полном сгора­нии израсходованного топлива. КПД ц_к характеризует экономичность ра­боты и у современных главных кот­лов достигает 96%. Вспомогатель­ные котлы обычно имеют КПД 75— 85%.

На экономичность котельной уста­новки влияют также температура питательной воды, которая в зави­симости от параметров пара и при­мененной тепловой схемы может до­стигать 200 °C и более, и темпера­тура воздуха, поступающего в топку, которая может достигать в зави­симости от нагрузки котла и при­мененных воздухонагревателей 200—250 °C.

На экономические показатели вли­яют также температура поступаю­щего в топку воздуха и температу­ра питательной воды.

Приведенные характеристики не являются полными и не охватывают всех признаков, присущих тем или иным типам и конструкциям кот­лов. Например, в характеристиках не указано подразделение котлов по давлению пара (котлы высокого, среднего и низкого давлений), по­скольку этот вид классификации весьма условен и постоянно меняет­ся с развитием техники. Не рас­сматривается также классификация котлов по виду сжигаемого топли­ва, так как все современные судо-

			Таблица 2.2
				33
	2 Зак. 592

вые котлы работают на жидком топ­ливе, не рассматриваются харак­теристики по ряду физико-химиче­ских показателей.

При работе котла в его воздуш­но-газовых и пароводяных трактах протекают следующие основные про­цессы:

топочный — подача топлива и его горение в топке; газоаэродинами- ческий — подача воздуха в топку и отвод через газоходы продуктов сго­рания топлива и избытка воздуха; гидродинамический — подача пита­тельной воды в котел и циркуляция в нем воды и пароводяной смеси; теплопередача — передача теплоты от горящего факела форсунки и го­рячих газов через элементы поверх­ностей нагрева к нагреваемой среде. В табл. 2.2 приведены основные ха­рактеристики топлив, используемых в паровых котлах.

§ 2.3. Процесс горения

Горением называется протекаю­щий при сравнительно высоких тем­пературах химический процесс сое­динения горючих элементов топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением.

В судовых котельных установках окислителем является кислород воз­духа. Если в» результате горения элементарных горючих веществ топ­лива — углерода С, водорода Н и серы S образуются продукты пол­ного сгорания СОг, Н₂О и SOq, то сгорание называется полным. Ос­новными продуктами неполного сго­рания являются окись углерода СО, водород Н2 и метан СН4.

Для обеспечения полного сгорания топлива и определения количества образующихся газов важно знать ко­личество кислорода, необходимого
для такого процесса. При выпол­нении расчетов первоначально на­ходят теоретическое количество кис­лорода, необходимое для полного сгорания топлива массой 1 кг, по­лагая, что входящие в его состав горючие элементы будут полностью окислены и не образуют химических соединений с другими элементами.

Существуют различные способы подсчета необходимого количества окислителя.

Рассмотрим упрощенный расчет теоретически необходимого количе­ства кислорода для полного сгора­ния топлива массой 1 кг с исполь­зованием молекулярных масс горю­чих элементов и окислителя.

Из реакции горения углерода С + + Ог = СОг следует, что для пол­ного сгорания углерода массой 12 кг требуется 32 кг кислорода. Зна­чит, для сгорания углерода массой 1 кг потребуется 32:12, или 2,67 кг кислорода.

Из реакций горения водорода 2Н₂ + Ог = 2НгО следует, что для полного сгорания водорода массой 4 кг требуется 32 кг кислорода. Зна­чит, для сгорания водорода массой 1 кг потребуется 16:2, или 8 кг кислорода.

Горение серы характеризуется ре­акцией S + O2 = SO2 с образовани­ем сернистого газа. Из реакции сле­дует, что на 1 кг необходим 1 кг кислорода.

Если вычесть содержащийся в натуральном топливе кислород, то общее количество кислорода (кг), необходимое для полного сгорания топлива массой 1 кг,

О_{2 теор} = 2.67С” -Ь 8Н^р + S^p-O^p.

(2.6)

Поскольку в воздухе содержится примерно 23% кислорода и 77% азо­та, массовое количество воздуха (кг), необходимого для сжигания топлива массой 1 кг,

^теор = О_{2 теор}/0,23 = (1/0,23) (2,67С^р + +8Н^Р + S^p—О^р).    (2.7)

Плотность воздуха q при нормаль­ных физических условиях (темпе- 34

ратура 0 °C, давление 0,101 МПа, влажность 0%) составляет 1,293 кг/м³, поэтому теоретический объем (м³/кг) воздуха, необходимого для

сгорания топлива массой веденный к нормальным ^-теор               

^{теор —} о “ 0,2.3- 1,293

8H^p + S^p—О^р).              (2.8)

В процессе горения выгорают го­рючие составляющие топлива нерав­номерно, а часть кислорода возду­ха не успевает вступить в реакции, поэтому действительное * количество Гдейст воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, больше теоретического.

Отношение действительно подве­денного количества воздуха к тео­ретически необходимому для сжи­гания топлива называется коэффи­циентом избытка воздуха

С1 Едейст/Е_теОр.         (2.9)

Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, степени совершенства топочного уст­ройства, метода сжигания топлива, нагрузки котла и других факторов. На экономичность работы котла отрицательно влияет как недостаток, так и излишек подаваемого воздуха, поэтому его количество должно быть оптимальным. В главных котлах ко­эффициент избытка воздуха а обыч­но равен 1,1 —1,2, а в новых совре­менных агрегатах 1,03—1,05. Для вспомогательных котлов коэффици­ент избытка воздуха 1,2—1,3.

Контрольные вопросы

1. Топливо каких марок может исполь­зоваться во вспомогательных котлах и ка­кие к нему предъявляются требования?

2. Какие элементы входят в состав орга­нического топлива и какие из них являются горючими?

■ 3. Что такое условное топливо, как и для чего производят пересчет натурального топ­лива в условное?

4. Какими показателями характеризуется качество топлива и какое значение они имеют при эксплуатации котельной установки?

5. Что такое коэффициент избытка воз­духа?

Глава 3. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

 

§3.1. Топливная система котла

Топливная система предназначена для подготовки топлива и его бес­перебойной подачи к форсункам кот­ла. В систему входят топливные емкости, насосы, фильтры, подогре­ватели, трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными при­борами.

Топливные системы современных судов могут иметь арматуру, управ­ляемую дистанционно.

Топливо, предназначенное для сжигания в котлах, хранится в топ­ливных танках (бункерах), разме­щенных в междудонном пространст­ве или в цистернах. Некоторые топ­ливные танки имеют немного увели­ченную высоту; они называются дип­танками. Топливо, находящееся в ем­костях основного запаса, должно иметь вязкость, при которой возмож­на его перекачка в расходные цис­терны, поэтому их оборудуют змее­виками обогрева, а приемные трубо­проводы — паровыми спутниками. Паровой спутник представляет собой паропровод, проложенный совместно с топливным трубопроводом.

На судне обычно устанавливают расходные цистерны, вместимость которых соответствует 12—24-часо­вому расходу топлива на котлы. В этом случае они являются одновре­менно и отстойными. Все емкости должны быть оборудованы устройст­вами для замера в них уровня топ­лива: мерительными трубами, по­плавковыми или иными устройст­вами в зависимости от назначения и расположения их на судне, а также иметь воздушные трубы, выведенные на открытые палубы. Воздушные трубы предназначены для сообщения танка или цистерны с атмосферой. По ним удаляются выделяющиеся из топлива газы. Верхние концы труб, выходящие на открытую палубу, име­ют предохранительные колпаки с ог­незащитной проволочной сеткой.

Для определения количества топ­лива, находящегося в емкостях, их оборудуют мерительными трубами, которые выходят на открытые палу­бы и закрываются пробками на резь­бе. Выходящие в машинное поме­щение мерительные трубы оборудуют самозакрывавдщимися приспособле­ниями. Емкости, расположенные в пределах машинного помещения, мо­гут иметь также сигнализацию о их заполнении или опорожнении.

• Топливные насосы используют раз­личных типов, но наибольшее рас­пространение получили винтовые или шестеренные электроприводные насосы. Приемные и напорные фильт­ры системы применяют обычно сет­чатые спаренные, благодаря чему можно поочередно очищать их без вывода системы из действия. За­сорившийся фильтр отключают и пос­ле очистки фильтрующего элемен­та вновь вводят в действие или ос­тавляют в резерве. Загрязненность фильтра определяют по перепаду давлений на манометрах, установ­ленных до и после него. Предель­ный перепад давлений указывается в инструкциях. На напорных сет­чатых фильтрах перепад давлений обычно не должен превышать 0,1 МПа. Уменьшение перепада свиде­тельствует о прорыве фильтрующей сетки.

Подогреватель топлива обычно представляет собой теплообменный аппарат с петлевыми трубами, по ко­торым движется топливо (рис. 3.1). Корпус 9 подогревателя в верхней части фланцем соединен с трубной доской 1 и крышкой 3. В трубной доске закреплены трубы 10, имеющие форму петель. Перегородка 5 в крыш­ке и патрубки — входной 2 и выход­ной 4 — образуют ряд полостей, благодаря чему обеспечивается по­следовательный проход топлива по всем петлям. Греющий пар посту­пает через патрубок 11 и благодаря наличию диафрагм 8 делает в кор- 35

пусе подогревателя несколько ходов. Отвод конденсата осуществляется через клапан 7. Подогреватель петле­вого типа является достаточно на­дежным теплообменным аппаратом, так как закрепление труб только в одной трубной доске дает им воз­можность свободно расширяться при нагревании. Подогреватель для контроля уровня оборудован водо­указательным стеклом 6.

В топливной системе котельной ус­тановки, работающей на мазуте (рис. 3.2), предусматриваются расходные мазутные цистерны 1 и цистерна 2 дизельного топлива. Дизельное топ­ливо, не требующее первоначаль­ного подогрева, используется при растопке котла. Топливо из танка 9 через клапанную коробку 10 за­бирается одним из топливоперека­чивающих насосов 11 и подается в расходную цистерну /. Один из

Рис. 3.1. Подогреватель топлива

 

топливно-форсуночных насосов 7 за­бирает через фильтр 8 топливо из расходной цистерны и нагнетает его через подогреватель 5 и фильтр 4 к форсунке котла. В схеме предусмот­рен сброс топлива через предохра­нительный клапан 6 из нагнетатель­ной магистрали насоса 7 в его при­емную магистраль при перекрытии нагнетательной ветви трубопровода, а также сброс через регулирующий клапан 3 излишков топлива в случае уменьшения нагрузки котла.

Требования к топливным системам котлов регламентирован^! Прави­лами Регистра СССР, основными из которых являются следующие:

система должна оборудоваться не менее чем двумя комплектами топ­ливных насосов и фильтров на при­емной и нагнетательной магистра­лях, а также двумя комплектами подогревателей топлива. Каждый комплект должен быть рассчитан на полную паропроизводительность обслуживаемых котлов;

насосы, обслуживающие топлив­ную систему, не должны исполь­зоваться для других целей. Эти на­сосы, помимо местного поста управ­ления, должны иметь средства для остановки их из легкодоступных мест вне помещения, в котором они расположены;

на трубопроводе, подающем топ­ливо к форсункам каждого котла, должен быть установлен быстро­запорный клапан;

подогревать топливо в танках и цистернах можно только при помощи паровых или водяных змеевиков, при этом давление пара допускается не выше 0,7 МПа. Максимальная тем­пература подогрева в цистернах должна быть не менее чем на 10 °C ниже температуры вспышки паров топлива;

расходные и отстойные цистерны должны иметь клапаны самозапор- ного типа для спуска отстоя. Сточ­ные трубы оборудуются смотровыми стеклами или воронками с поддоном;

топливные трубопроводы должны располагаться в стороне от трубо-

проводов других систем, в хорошо видимых и доступных местах, не проходить над двигателями, паро­проводами, котлами, выпускными коллекторами и дымоходами.

§ 3.2 Факельный процесс сжигания топлива

На процесс горения топлива в топ­ке котла влияют реагирующие ве­щества самого топлива и элементы оборудования его топочной камеры. Сжигание жидкого топлива в топке протекает в виде факельного про­цесса, для осуществления которого служит топочное устройство, в со­став которого входят два основных узла: форсунка и воздухонаправля­ющее устройство (ВНУ). В ряде слу­чаев большое влияние на факель­ный процесс сжигания топлива ока­зывает компоновка самой топки (топочной камеры). Экономичность работы котла в значительной степени определяется правильностью орга­низации факельного процесса в топ­ке. Для его нормального протека­ния необходимо обеспечить непре­рывную подачу подготовленного топ­лива; поддержание оптимальных давления и температуры топлива в зависимости от режима работы кот­ла; правильную установку форсунки; хорошее техническое состояние фор­сунки; хорошее распиливание топ­лива форсункой; подачу необходи­мого количества воздуха; поддержа­ние оптимального соотношения меж­ду количеством сжигаемого в топ­ке топлива и количеством подава­емого воздуха (соотношение «топ­ливо— воздух»); поддержание ус­тойчивости фронта пламени путем поддержания высокой температуры; постоянный отвод из котла про­дуктов сгорания топлива.

Сжигание жидкого топлива в топ­ке котла можно рассматривать как ряд последовательно протекающих процессов: распиливание, подогрев, испарение, термическое разложение, окисление, воспламенение, горение. Первоначальное зажигание топлива производится от постороннего ис­точника. Непосредственно горение начинается, когда температура лег­ковоспламеняющихся фракций топ­лива достигнет температуры воспла­менения. Факельный процесс проте­кает в такой последовательности:

распыленное топливо из форсунки 1 (рис. 3.3) поступает в воздуш­ную среду топки, где происходят интенсивный нагрев, испарение и ча­стичная газификация топлива под влиянием горящего факела, частично фурмы 4 и рециркуляции горящих частиц с последующим термическим разложением топлива на простей­шие горючие газы, вступающие в реакции с кислородом воздуха. На­греванию способствует также диф­фузор 2, который защищает на­чальную зону (корень факела) от потока воздуха. Фронт горения ус­танавливается в том месте факела, где горючая смесь продуктов гази­фикации топлива с воздухом имеет достаточно высокую для воспламе­нения температуру. Факельный про­цесс интенсифицируется благодаря хорошему распиливанию топлива (поверхность его соприкосновения с воздухом и газами при этом воз­растает во много раз), а также пере­мешивающимся газовоздушным по­токам, возникающим из-за закру­ченного потока воздуха, поступаю­щего через лопаточный аппарат 3 ВНУ. На рис. 3.3 также обозначе­ны границы зоны обратных токов 5, зоны основного горения 6 и кир­пичная кладка 7.

Факельный процесс характери­зуется ограниченным временем на­хождения частиц топлива в топке, а значит, и минимальным количеством топлива в топочном объеме. Время пребывания частиц топлива в топке обычно не превышает 1 с, отсюда можно заключить, что факельный процесс чувствителен ко всяким ви­дам нарушения режима горения.

§ 3.3 Тяга и тягодутьевые устройства

Одним из условий устойчивого го­рения топлива в топке котла являют­ся непрерывная подача в нее воздуха и удаление продуктов сгорания.

Для преодоления возникающих сопротивлений в воздушно-газовом тракте должна быть обеспечена дви­жущая сила. Она может быть созда­на естественной тягой, искусствен­ным дутьем с помощью вентилятора или искусственной тягой, создавае­мой дымососом.

Рис. 3.3. Аэродинамическая структура факела

Естественная тяга, часто называе­мая самотягой,зависит от плотностей окружающего воздуха, дымовых га­зов и высоты газохода. Полной вы­сотой газохода Н„ (рис. 3.4) считает­ся расстояние от центра нижней фор­сунки до среза дымовой трубы. Оно составляет обычно 20—25 м.

Подсчитывается самотяга (Па) по формуле.

//_с = 0,981 //_дт(е„ + Q_r), (3.1)

где Н_лг — высота газохода, м;

0в ^и Q_r — плотности соответственно окружаю­щего воздуха и дымовых газов (кг/м³) при соответствующих тем­пературах.

У современных котлов самотяга не компенсирует всех сопротивлений воздушно-газового тракта и поэтому в дополнение к ней предусматривает­ся установка вентиляторов, а иногда и дымососов.

Основным элементом тягодутье­вого устройства является вентиля­тор, получивший преимущественное распространение. На большинстве судов приводом к вентиляторам слу­жат электродвигатели переменного тока, которые могут быть односко­ростными или с несколькими ступе­нями скорости. На промежуточных нагрузках котла, оборудованного односкоростным вентилятором, рас­ход воздуха обычно регулируется с помощью заслонок, устанавливае­мых на стороне всасывания. При многоскоростном вентиляторе за­слонки могут регулировать расход воздуха в диапазонах между ступе­нями скорости. Дроссельные заслон­ки связаны, как правило, с гидравли­ческим или электрическим исполни­тельным механизмом системы авто­матического регулирования процесса горения.

Мощность двигателя вентилятора принимают исходя из условий требуе­мого напора и подачи воздуха при максимальной нагрузке котла.

Односкоростной центробежный ко­тельный вентилятор типа 90К-25 с подачей воздуха 2,5 м³/с при давле­нии 2 кПа показан на рис. 3.5. В кор­пусе 1 на валу 4, приводимом во вращение электродвигателем 5, за­креплено рабочее колесо 3. Воздух засасывается через приемный патру­бок 2 и нагнетается в направлении, указанном стрелкой.

Вытяжная тяга осуществляется с помощью дымососа, создающего раз­режение в дымоходе. Дымососы ис­пользуются редко. Они могут приме­няться на пассажирских судах для лучшего отвода газов от дымовой трубы с целью исключения задым­ления палуб, могут включаться при сажеобдувке, при применении на котле нескольких ротационных фор­сунок. В последнем случае, если одна из таких форсунок извлекается, то образуется большая амбразура, че­рез которую возможен выброс пла­мени от работающей форсунки. Необходимо создавать в топке раз­режение, что достигается установкой временного щита.

Рис. 3.5. Котельный вентилятор

Дымососы могут быть выполнены в виде вытяжного вентилятора или пароструйного эжектора. Паро­струйный эжекторный дымосос (рис. 3.6) состоит из диффузора /, рас-

 

положенного в дымовой трубе, и сопла 2, установленного по его оси. Подводимый через патрубок 3 пар, выходя с большой скоростью, увле­кает за собой дымовые газы, созда­вая разрежение в газоходе и топке котла. Применяют пароструйные ды­мососы обычно кратковременно, так как это связано с большим невоз­вратным расходом пара. Вытяжные вентиляторы используют редко, учи­тывая, что они постоянно работают в тяжелых условиях в потоке горячих газов.

В утилизационных котлах сопро­тивление газохода преодолевается под воздействием избыточного дав­ления отработавших газов дизеля или газотурбинной установки.

Для измерения силы тяги исполь­зуются манометры, называемые тя­гомерами. Широко используется U- образный тягомер (рис. 3.7), у кото­рого один конец стеклянной трубки 1 соединен с рабочей средой, дру­гой — с атмосферой. Трубка закреп­лена на планке 2 со шкалой и запол­нена подкрашенной для лучшей ви­димости водой.

Используют иногда нерегистри­рующие или регистрирующие мем­бранные тягомеры, работающие на принципе перемещения мембраны и связанной с ней стрелки под дейст- 40

вием измеряемой силы. Регистрирую­щие тягомеры производят одновре­менно запись показаний на ленту.

§ 3.4 Топочные устройства

Судовые котлы оборудуют топоч­ными устройствами, обеспечиваю­щими факельный процесс сжигания жидкого топлива. Форсунки, являю­щиеся частью топочного устройства, предназначены для подачи распылен­ного топлива в топку, а с помощью ВНУ перемешиваются частицы топ­лива с воздухом. Форсунки с ВНУ (иногда называемые горелками) мо­гут иметь фронтовое и потолочное расположение. Преимущественное распространение получило фронто­вое расположение, при котором фор­сунки и ВНУ размещают на передней стенке топки котла, называемой пе­редним фронтом.