Принцип работы и основные узлы котлов

  Паровым котлом называют устройство для превращения воды в пар, используемое как в быту, так и в промышленности. Пар применяется для обогрева помещений, аппаратов и трубопроводов, а также для вращения турбомашин. При этом котлы такого типа могут давать пар двух видов: насыщенный и перегретый. В первом случае температура его составляет порядка 100 градусов, а давление – около 100 кПа. Температура перегретого пара поднимается до 500 градусов, а давление - до 26 МПа. Насыщенный пар используют в бытовых целях, в основном для обогрева частных домов. Перегретый пар нашел применение в промышленности и энергетике. Он хорошо переносит тепло, поэтому его использование в значительной степени повышает КПД установки.

Общая схема нагрева воды с ее последующим преобразованием в пар выглядит таким образом: Очищение воды на фильтрах и ее подача в резервуар для нагрева с помощью насоса. Резервуар, как правило, располагается в верхней части установки. Из резервуара, по трубам вода попадает в коллектор, расположенный, соответственно, ниже. Вода вновь поднимается вверх, только теперь не через трубы, а через зону нагрева. В зоне нагрева образуется пар. Под действие разности давлений между жидким и газообразным веществом, он поднимется вверх. Вверху нагретый пар пропускается через сепаратор, где он окончательно отделяется от воды. Остатки жидкости возвращаются в резервуар, а пар следует в паропровод. Если это не обычный котел, а парогенератор, то его трубопроводы дополнительно нагреваются.

Паровые котлы представляют собой емкость, в которой вода нагревается и образует пар (рис.3). Обычно они выполняются в виде труб, различных размеров. Кроме трубы с водой, котел всегда имеет камеру для сгорания топлива (топку). Ее конструкция может варьироваться в зависимости от типа применяемого топлива. Если это дрова, или твердый уголь, то в нижней части топки устанавливается колосниковая решетка, на которую укладывают топливо. С нижней части колосников, в топочную камеру поступает воздух. А вверху топки обустраивают дымоход, который необходим для эффективной тяги – циркуляции воздуха и горения топлива.  

Принцип работы паровых котлов на твердом топливе несколько отличается от устройств, в которых в качестве теплоносителя использован жидкий или газообразный материал.

 

                                   Рис. 3. Паровой котёл

 

Во втором случае, топочная камера предполагает горелку, которая работает подобно горелкам бытовой газовой печи. Для циркуляции воздуха также используют колосниковую решетку и дымоход, ведь в независимости от вида топлива, воздух является важнейшим условием горения. Горючий газ, полученный от сгорания топлива, поднимается к емкости с водой. Он отдает воде свое тепло и выходит через дымоход в атмосферу. Когда вода нагревается до температуры кипения, она начинает испаряться. Стоит отметить, что вода испаряется и ранее, но не в таких количествах и не с такой температурой пара.

 

                          Рис.4.  Схемы циркуляция воды в паровом котле

а - естественная; б - принудительная многократная; в - принудительная прямоточная; 1 - испарительные подъемные трубы; 2 - верхний барабан котла; 3 - пароперегреватель; 4 - опускные трубы; 5 - водяной экономайзер; 6 - питательный насос; 7 - испарительные трубы; 8 - коллекторы; 9 - побудительный циркуляционный насос

Испарившийся пар самостоятельно поступает в трубы. Таким образом, циркуляция пара и смена агрегатных состояний воды происходит естественным образом. Принцип работы парового котла с естественной циркуляцией предполагает минимальное вмешательство человека. Все, что нужно сделать оператору, это обеспечить стабильный нагрев воды и проконтролировать процесс с помощью специальных устройств.  

Паровые котлы, принцип работы которых мы сегодня рассматриваем, могут классифицироваться по нескольким параметрам.

По виду топлива:  угольные, газовые, мазутные, электрические.

По назначению: бытовые, энергетические, промышленные, утилизационные.

По конструкции: газотрубные, водотрубные.

Газотрубные и водотрубные котлы

Принцип работы этих котлов основан на подогреве емкости с водой. Емкость, в которой вода переходит в парообразное состояние, как правило, представляет собой трубу или несколько труб. Приборы, в которых горючее обогревает трубы, поднимаясь вверх, называются газотрубными котлами. Но есть и другой вариант - когда горючий газ перемещается по трубе, расположенной внутри емкости с водой. В таком случае водные емкости называются барабанами, а сам котел – водотрубным. В обиходе его также называют огнетрубным котлом. В зависимости от расположения водных барабанов, котлы такого типа подразделяют на: горизонтальные, вертикальны и радиальные. Также встречаются модели, в которых реализованы разные направления труб. Устройство и принцип работы огнетрубного парового котла несколько отличается от газотрубного. Во-первых, это касается размера труб с водой и паром. У водотрубных котлов трубы менее габаритны, чем у газотрубных. Во-вторых, имеют место различия по мощности. Газотрубный котел дает давление не более 1 МПа и имеет теплообразующую способность до 360 кВт. Причиной тому являются крупные трубы. Чтобы в трубах образовывалось достаточно пара и давления, их стенки должны быть толстыми. Как результат – цена таких котлов завышена. Водотрубный котел мощнее. Благодаря тонким стенкам труб, пар нагревается лучше. И в-третьих, водотрубные котлы безопаснее. Они производят высокую температуру и не боятся значительных перегрузок.

Основные технические характеристики паровых и водогрейных котлов.

Расчетные параметры, характеризующие работу котла, указываются в паспорте котла, составленном изготовителем по установленной форме и хранящемся у владельца в течение всего срока эксплуатации.

На каждом котле должна быть прикреплена заводская табличка с маркировкой паспортных данных, нанесенных способом, обеспечивающим четкость и долговечность изображения.

На табличке парового котла должны быть нанесены следующие данные:

· наименование, товарный знак организации-изготовителя;

· обозначение котла;

· номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;

· год изготовления;

· номинальная паропроизводительность D_п в т/ч;

· рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см²);

· номинальная температура пара на выходе в °С.

На табличке водогрейного котла должны быть нанесены следующие данные:

· наименование, товарный знак организации-изготовителя;

· обозначение котла;

· номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;

· год изготовления;

· номинальная теплопроизводительность Q в МВт (Гкал/ч);

· рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см²);

· номинальная температура воды на выходе в °С.

В обозначении парового котла приводятся: тип, паропроизводительность (т/ч), абсолютное (избыточное) давление пара p_п, (МПа или кгс/см²), вид топлива (Г - газ, М - мазут); котлы под наддувом обозначаются буквой Н.

Например: ДКВР-10/13; Е-25-2,4 ГМ; ДЕ-6,5/14-225 ГМ; Е-1/9-Г.

В обозначении водогрейного котла приводятся:

· тип - КВ (котел водогрейный);

· вид топлива (Г - газ, М (Ж) - мазут, соляра);

· тип топки (Н - под наддувом);

· номинальная тепловая мощность (МВт или Гкал/ч);

· номинальная температура воды на выходе из котла, °С;

· давление газа (Гн - низкое; Гс - среднее);

· автоматизированный котел обозначается буквой «а»;

· С - стальной.

Например: КВ-ГМ-10-50; КСВа-2,5-Гс; КВа-3-95; КВа-0,75Ж-115.

На каждом котле, введенном в эксплуатацию и после проведенных технических освидетельствований, должна быть на видном месте прикреплена табличка форматом не менее 300x200 мм с указанием следующих данных:

· регистрационный номер;

· разрешенное давление;

· число, месяц и год следующего внутреннего осмотра и гидравлического испытания.

Основные технические характеристики паровых котлов:

· номинальная пароироизводительность, D_п, т/ч - максимальное рабочее количество пара, вырабатываемого котлом, в течение 1 ч;

· параметры получаемого пара:рабочее (расчетное, или разрешенное) давление пара, p_п МПа (кгс/см²); пробное давление, p_проб, МПа (кгс/см²); вид пара (насыщенный, перегретый); температура насыщенного пара, /_нас, °С (при рабочем давлении пара/»_пили температуре перегретого пара, t_пп, “С);

· температура питательной воды, °С;

· паровой и водяной объем котла, м³;

· объем воды, м³;

· время испарения этого объема, мин.

Основные технические характеристики водогрейных котлов:

· номинальная теплопроизводительность (тепловая мощность), Q, Гкал/час (МВт) - максимальное рабочее количество теплоты, воспринимаемое водой, за 1 ч работы; 1 Гкал/ч = 1,163 МВт;

· параметры воды: рабочее давление воды, МПа (кгс/см²); минимально допустимое давление воды p_в при номинальной температуре t_в; пробное давление, p_проб, МПа (кгс/см²); минимально допустимая температура воды на входе в котел, °С; номинальная температура воды на выходе из котла, °С; номинальный расход воды через котел, G_b, м³/ч, а также минимально и максимально допустимый; гидравлическое сопротивление, не более, МПа.

Общие параметры, характеризующие паровые и водогрейные котлы:

· вид топлива и его характеристики;

· тип горелочного устройства;

· поверхность нагрева котла: радиационная, конвективная, общая, S, м²;

· расчетный КПД, брутто, % при сжигании газа и мазута;

· сопротивление газового и воздушного трактов, Па (мм вод. ст.);

· температура продуктов сгорания на выходе из топки, за котлом, температура уходящих газов - при сжигании газа и мазута;

· содержание в уходящих газах O₂, СО, NO_X;

· конструктивные показатели: внутренний диаметр барабанов, толщина стенки барабанов, длина цилиндрической части верхнего и нижнего барабанов; диаметры опускных труб, экранных и конвективных труб; шаг труб экранов, их число; габариты котла.

Коэффициентом полезного действия котельного агрегата называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте котельного агрегата. Однако не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учётом этого различают КПД котельного агрегата по выработанной теплоте (КПД – брутто) и по отпущенной теплоте (КПД – нетто).

По разности выработанной и отпущенной теплот определяется расход на собственные нужды. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.

Итак, КПД – брутто котельного агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД – нетто – коммерческую экономичность.

КПД – брутто котельного агрегата можно определить или по уравнению прямого баланса или по уравнению обратного баланса.

 

Устройство котла ДКВР

Котел ДКВР расшифровывается как двухбарабанный, вертикально-водотрубный реконструированный агрегат. Его назначение – образование пара температурой 194 или 250 градусов. Агрегат используется в промышленности, обеспечивая технологические потребности предприятий. ДКВР часто применяется в отопительных и вентиляционных системах, а также для горячего водоснабжения.

 

  7.2. Устройство котлов типа ПКВР и ДЕ

Паровой котел ДКВР отличается длительным сроком эксплуатации. Он может работать до 25 лет. Иногда агрегат используется больше 50 лет. ДКВР не подвержен влиянию природных условий и перепадам температур. Поэтому он одинаково хорошо работает во всех климатических зонах.

Агрегаты могут применять разные виды топлива:

· работают на жидком топливе и газообразном;

· используют в качестве горючего уголь;

· работают на растительных отходах (древесных, лузге) и фрезерном торфе.

Используемое горючее требует соответственного топочного устройства. Котел ДКВР, работающий с использованием газа и мазута, оснащен каменными камерами сгорания с газомазутными распылителями. Благодаря этому его производительность может повышается на 40%.

Для применения в качестве топлива древесных отходов, котлы ДКВР должны быть оснащены специальными скоростными топками системы Померанцева (ЦКТИ). Для фрезерного торфа агрегаты должны быть изготовлены по схеме Шершнева с предтопком. Котлы с шахтными топками способны работать с куксовым торфом.

             Рис. 5. Внешний вид парового котла ДКВР

Для работы на углях агрегат оснащается полумеханическими камерами горения класса ПМЗ-РПК.

    Схема агрегата

Конструктивные схемы котлов ДКВР, как правило, неизменные. На них не влияет то, какое топливо применяется или какое топочное устройство задействовано.

Объем парового агрегата называют в зависимости от того, какой наполнитель в нем присутствует. Так, если сегмент содержит жидкость, то это водное пространство. Если же сектор наполнен паром, то его именуют паровым. Поверхность, которая разделяет паровое и водное пространства – это зеркало испарения. В паровом пространстве есть специальное оборудование для разделения пара и влаги.

Устройство агрегата

Каждый котел ДКВР состоит из:

· верхнего длинного барабана;

· нижнего короткого барабана;

· топочной камеры;

· конвективного пучка;

· питательных трубопроводов;

· перегородки;

· обдувочного устройства;

· кирпичной стенки;

· коллектора;

· камеры догорания;

· лестницы и площадки для техобслуживания ДКВР.

 

                      

                             Рис. 6. Схема устройства котла ДКВР

 

 

Это описание базовых элементов схемы агрегата. Барабаны размещаются вдоль оси котла ДКВР и соединяются между собой развальцованными гнутыми циркуляционными трубами. Последние всегда располагаются вертикально. Таким образом, создается развитый конвективный пучок.

На днищах барабанов имеются овальные лазы. Они необходимы для их проверки и чистки или установки дополнительных устройств.

Экранированная топочная камера – еще одна комплектующая парового котла ДКВР. Она разделена на два сектора кирпичной перегородкой. Первый сегмент – это сама топка, а второй – камера догорания. Последняя повышает КПД парового ДКВР за счет уменьшения химического недожога.

Такое устройство присуще моделям котла ДКВР 2,5; 4 и 6,5. В паровом котле ДКВР -10 сегменты разделены трубами. При этом кирпичная перегородка тоже присутствует – между рядами труб. Это сепарирует котельный пучок от камеры догорания.

Часть циркулярных труб может не монтироваться, если в котле ДКВР установлен пароперегреватель. Его помещают в 1-ом газоходе. Он находится сразу за 3-им рядом циркуляционных труб. Все пароперегреватели стандартизированы. Они отличаются лишь количеством параллельных змеевиков. Число последних напрямую зависит от степени производительности прибора.

Паровой котёл ДЕ-10-14 ГМ

Паровой котёл ДЕ-10-14 ГМ газомазутный вертикально-водотрубный с естественной циркуляцией типа Е (ДЕ) производительностью - 10 тон насыщенного пара (194 °С) в час, используемого на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отоп­ления, вентиляции и горячего водоснабжения. Топочная камера котла ДЕ в виде латинской «D» образован-

на экранными трубами, размещается с права от конвективного пучка, оборудован­ного вертикальными трубами, развальцо­ванными в верхнем и нижнем барабанах. Основными составными частями котла ДЕ-10-14ГМ являются верхний и нижний барабаны, трубная система котла ДЕ состоит из конвективного пучка, заднего фронтового и бокового экрана, образующие топочную камеру котла ДЕ-10-14 ГМ.

У котла ДЕ-10-14 ГМ диаметр верхнего и нижнего барабана - 1000 мм, расстояние между барабанами соответственно - 2750 мм (максимально возможное по усло­виям транспортировки блока по железной дороге). Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах каждого из них имеются лазы с затворами (крышка лаза). Изготовляются барабаны для котла ДЕ-10-14 ГМ рабочим давлением 1,4 МПа (абс) из стали 16ГС или 09Г2С и имеют толщину стенки соответственно 13 мм.

У парового котла ДЕ 10-14 ГМ производительностью - 10 т/ч, схема испарения одноступенчатая.

Пароперегреватель котлов производи­тельностью 6,5 и 10 т/ч выполнен змеевиковым из рядных труб. На котлах производитель­ностью 16 и 25 т/ч пароперегреватель - вертикальный, дренируемый из двух рядов труб.
Поставляются котёл ДЕ-10-14 ГМ как блоком так и россыпью, в комплектацию поставки входит; верхний и нижний барабаны с внутрибарабанными устройствами, трубную систему экранов и конвективного пучка (в случае необходимости - пароперегрева­тель - по запросу), опорную раму, изоляцию и обшивку.

В качестве хвостовых поверхностей на­грева котлов применяются стальные БВЭС или чугунные ЭБ экономайзеры.

Паровой котёл ДЕ-10-14 ГМ оборудованы системами очистки поверхностей нагрева с применением ГУВ (генератор ударных волн).
Неподвижными опорами котлов являют­ся передние опоры нижнего барабана. Средняя и задние опоры нижнего барабана подвижные и имеют овальные отверстия для болтов, которыми крепятся к опорной раме на период транспортировки.

Котел ДЕ-10-14 ГМ снабжен двумя пружинными предохранительными клапа­нами 17с28нж, один из которых является контроль­ным. На котлах без пароперегревателя оба клапана устанавливаются на верхнем бара­бане котла и любой из них может быть вы­бран как контрольный. На котлах с паропе­регревателем контрольным клапаном яв­ляется клапан выходного коллектора пере­гревателя.
Номинальная паропроизводительность и параметры пара (соответствующие ГОСТ 3619-82) обеспечиваются при температуре питательной воды 100°С при сжигании топлив: природного газа с удельной теплотой сгорания 29300-36000 кДж/кг (7000-8600 ккал/м3) и мазута марок М40 и М100 по ГОСТ 10588-75.

Техническая характеристика

1. Паровой котел предназначен для выработки насыщенного пара
2. Паропроизводительность, т/ч 10
3. Давление пара, МПа 1,1
4. Температура пара, с 184
5. Поверхность нагрева, м2 0,41
6. Температура питательной воды, с 100
7. Температура холодного воздуха с 24
8. Температура горячего воздуха, с 145
9. Температура уходящих газов, с 135
10. Непрерывная продувка, % 2,5
11. Топливо многосернистый мазут М 100
12. Расход топлива, кг/с 0.181
13. КПД брутта, % 92,21