4.4. Классификация и устройство котлоагрегатов

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

1. создания газотрубных котлов, когда в цилиндрический котел вставляли от одной до трех жаровых труб большого диаметра, а затем десятки дымогарных труб малого диаметра;

2. создание водотрубных котлов путем увеличения числа цилиндров от трех до десяти - батарейные котлы, а затем до десятков и сотен цилиндров, труб небольшого диаметра - экранных поверхностей современных вертикально-водотрубных котлов.

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

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

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

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

• принципу движения рабочего тела: 1) с естественной циркуляцией, у которых движение воды происходит за счет разности плотностей холодной и горячей воды; 2) с принудительной циркуляцией, у которых движение воды создается насосом.

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

Рис. 4.3. Схемы компоновки газотрубных котлов:

1 - корпус; 2 - газоход; 3 - паровое пространство; 4 - жаровые трубы;

5 - поворотная камера; 6 - топка; 7 – горелка

Рис. 4.4. Схема компоновки парового котла экранного типа:

1 - камерная топка; 2 – экраны; 3 - опускные трубы; 4 – фестон;

5 – обмуровка; 6 – барабан; 7 - коллектор перегретого пара;

8 – пароперегреватель; 9 – экономайзер; 10 - воздухоподогреватель

• топка 1 с топливо сжигающими устройствами, предназначенная для сжигания топлива, частичного охлаждения продуктов горения, выделения золы и удаления шлака;

• поверхности нагрева из стальных или чугунных труб (конструкций), которые предназначены для передачи теплоты от продуктов горения к рабочей среде (теплоносителям) и расположенных на стенах топки в виде экранов 2, и внутри газоходов в виде пароперегревателя 8, экономайзера 9 и воздухоподогревателя 10;

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

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

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

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

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

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

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

• арматура, трубопроводы и контрольно-измерительные приборы, которые служат для управления и контроля за работой котлоагрегата.

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

Основными показателями, характеризующими качество продукции, вырабатываемой котлоагрегатами, являются: 1) для перегретого пара - давление р_п и его температуру t_п; 2) для насыщенного пара - давление р_н, температуру t_н и степень сухости (х) или влажность пара; 3) для воды под давлением - температуру на входе t_хв и выходе t_гв. Повышение параметров пара или горячей воды позволяет, как правило, повысить экономичность котельной установки и всей системы теплоснабжения.

Производительность котлоагрегатов оценивается количеством пара или теплоты, вырабатываемого установкой в единицу времени. Паропроизводительность Д измеряется в кг/с или т/час, теплопроизводительность Q в Гкал/час или МВт. В настоящее время серийно выпускаются паровые котлы производительностью от 0,01 т/час до 900 т/час, водогрейные котлы от 0,01 Гкал/час до 200 Гкал/час.

Тепловое напряжение поверхностей нагрева показывает мощность теплового потока (Q Ккал/час), воспринимаемую 1 м² поверхность нагрева (Н, м²):

q_H = Q/H. (4.6)

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

q_v = Q/V. (4.7)

Для современных парогенераторов теплонапряжение топочного объема может достигать от 500 до 510⁶ ккал/(м³час).

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

, (4.8)

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

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

Коэффициент полезного действия современных котлов зависит от вида и способа сжигания топлива, совершенства конструкции топливо сжигающих устройств и котлоагрегатов, наличия автоматики и других факторов. Современные котлоагрегаты имеют КПД 90-96%.

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

Таблица 4.1

Характеристика паровых котлов типа ДЕ

Показатели	Типоразмер котлов
	4-14	6,5-14	10-14	16-14	25-14
Паропроизводительность, т/час	4,1	6,7	10,4	16,6	26,9
Удельная тепловая нагрузка:
- топки, 103 Ккал/(м3час)	326	376	375	458	548
- экранов, 103 Ккал/(м2час)	57,2	64,4	76,3	90,8	103,9
Коэффициент полезного действия (брутто), %:
- газ	90,0	90,0	92,0	91,8	92,8
- мазут	88,7	89,0	90,0	90,0	90,3

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

Таблица 4.2

Характеристика котлов типа КВ-ГМ

Показатели	Типоразмер котлов
	4-150	6,5-150	10-150	50-150	100-150	180-150
Теплопроизводительность, Гкал/час	4	6,5	10	50	100	180
Расход воды, т/час	49,5	80,4	123,5	618	1235	2210
Температуры воды, С	150/70
Расход топлива, м3/час
- газ, м3/час	515	830	1250	6250	12520	22900
- мазут, кт/час	500	800	1200	5750	11500	20800
Коэффициент полезного действия (брутто),%
- газ	93,9	94,0	92,5	92,5	92,5	91,5
- мазут	90,4	90,2	88,4	91,1	91,1	91,0