Классификация котельных установок.
Котельные установки – устройства для получения пара промышленных параметров и горячей воды.
По назначению:
- производственные;
- производственно-отопительные;
- отопительные;
- котлы-утилизаторы.
По виду рабочего тела:
- паровые;
- водяные (водогрейные);
По параметрам рабочего тела (по давлению):
- котлы низкого давления (для жилых районов): 0,9; 1,4; 2,4 МПа;
- среднего давления: 3,9 МПа;
- высокого давления (на ТЭЦ): 10…14 МПа;
- сверхвысокого давления (на электростанциях конденсаторного типа): 25…31 МПа.
По характеру движения рабочего тела:
- с естественной циркуляцией;
- с многократно принудительной циркуляцией;
- прямоточные котлы.
Основные понятия и определения по котельным установкам.
Котельная установка состоит из:
котельного агрегата;
системы топливоподачи;
системы воздухоснабжения;
системы шлакоудаления;
системы отвода продуктов сгорания;
системы водоподготовки;
системы автоматики.
В зависимости от типа и мощности котельных установок некоторые элементы могут отсутствовать.
Паровой котёл – устройство, имеющее топку и обогреваемое продуктами сгорания сжигаемого в ней топлива, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного и используемого вне самого устройства.
Водогрейный котёл – устройство, предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемое в качестве теплоносителя вне самого устройство.
Котёл включает в себя:
топку;
испарительные поверхности;
экономайзер;
пароперегреватель;
воздухоподогреватель.
Топка – устройство, предназначенное для превращения химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.
Испарительные поверхности – устройства, находящиеся в топке и предназначенные для превращения циркулирующей в них воды в пар.
Экономайзер – устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для подогрева или частичного испарения воды, поступающей в паровой котёл.
Пароперегреватель – устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле.
Воздухоподогреватель – устройство для подогрева воздуха, подаваемого в топку котла.
Кроме перечисленных элементов к конструкции котла относятся:
каркас;
обмуровка;
арматура;
гарнитура.
Каркас котла – металлическая конструкция, с помощью которой отдельные элементы котла объединяются в заданной компоновке.
Обмуровка – предназначена для отделения топки и газоходов котла от окружающей среды.
Арматура – устройство, служащее для управления работой котла (задвижки, вентили, клапаны).
Гарнитура – устройства для обслуживания газоходов и топки (лазы, лючки, гляделки).
Схема простейших котлов.
Т
вода
топливо
Зола шлак
О мере увеличения производительности и рабочего давления простейшие формы парового котла (барабан и шар) были заменены более сложными. Сначала появились жаровые трубы, а затем – и дымогарные, увеличились поверхности нагрева. Это привело к появлению жаротрубных и дымогарных котлов.
Жаротрубные – такие, в которых внутри барабана котла помещена одна или две жаровые трубы, где происходит сжигание топлива. Горячие газы идут по жаровым трубам, а вода, находящаяся внутри барабана, омывает эти трубы снаружи.
Дымогарные – состоят также из барабана, но внутри него размещены не даровые трубы, а несколько дымогарных труб d=50…60 мм, которые также омываются снаружи водой.
В
нутри
дымогарных труб перемещаются продукты
сгорания, а процесс горения происходит
в топке, установленной вне барабана.
Мощность таких котлов ограничена,
поэтому в настоящее время они применяются
в основном для цели отопления в небольших
котельных и работают в водогрейном
режиме.
Другим направлением в развитии паровых котлов являлось деление обогреваемых барабанов, заполненных водой и пароводяной смесью на более мелкие.
Схема многобарабанного или батарейного котла
Особенностью таких котлов было наличие нескольких барабанов, которые соединялись между собой несколькими параллельными перепускными трубами, находящимися внутри газохода. Такое решение позволяло значительно увеличить поверхность теплообмена при сохранении габаритов котла. Для увеличения поверхности габаритов поверхности нагрева и, в конечном итоге, паропроизводительности были созданы водотрубные котлы. В них вода движется внутри труб, а горячие газы омывают эти трубы снаружи. Причём, если трубы водотрубного котла расположены под углом к горизонту не более 250, то такие котлы называются горизонтальными. Если угол больше 250, то – вертикальные. В этих котлах благодаря уменьшению диаметра барабана и использования труб малого диаметра удалось существенно повысить давление и температуру получаемого пара.
Схема современного котельного агрегата
Работа любого котельного агрегата характеризуется уровнем его экономичности или КПД. Для обеспечения экономичной работы необходимо по возможности более полно использовать теплоту дымовых газов, т.е. максимально снизить их температуру. В современном котельном агрегате это достигается развитием так называемых хвостовых поверхностей нагрева.
барабан котла;
фестон (разреженный пучок труб);
пароперегреватель;
водяной экономайзер;
воздухоподогреватель;
экранные поверхности;
горелка
Топливо вместе с воздухом подается через горелки в топочную камеру, где сжигается факельным способом. На стенках топочной камеры расположены экраны, состоящих из большого количества вертикальных труб, а на выходе из топки – фестон, который является продолжением заднего экрана топки. Экранные трубы и фестон образуют испарительные поверхности нагрева, которые получают часть теплоты продуктов сгорания. Теплота продуктов сгорания передается испарительным поверхностям за счет излучения. Поэтому эти поверхности называются радиационными.
Передача теплоты излучением на порядок эффективнее передачи тепла конвекцией. Поэтому стены топочной камеры стремятся закрыть как можно более плотно. Радиационные поверхности нагрева так же защищают или экранируют внутреннею поверхность обмуровки от высоких температур и химического воздействия шлаков. Температура газов на выходе из топочной камеры снижается до 1000-1100 градусов Цельсия. Выбор этой температуры обусловлен температурой застывания частичек шлака, летящих в потоке топочных газов. Это исключает налипание вязкого тестообразного шлака на трубы поверхности нагрева, расположенные в горизонтальном газоходе. Этот газоход заполнен пучками труб малого диаметра 30-50 мм, образующих конвективные поверхности нагрева. Проходя между трубками, газы остывают до температуры 500-600 градусов и поворачивают выпускной газоход. В этом газоходе газы последовательно отдают свою теплоту экономайзеру и воздухоподогревателю. Температура газов после экономайзера составляет 300-400 градусов С, а после воздухоподогревателя она снижается до 120-160 градусов С и с этой температурой через золоуловитель, дымосос и дымовую трубу выбрасывается в атмосферу. Откачивая газы из котлоагрегата, дымосос поддерживает в топочной камере и газоходах разряжение. В топке оно составляет от 5 до 30 мм водного столба, а в газоходе за котлом до 200 мм водного столба. Таким путем предотвращается попадание продуктов сгорания из топки и газоходов в помещение котельной, но создается возможность присоса холодного воздуха в топочную камеру и газоходы. Для предотвращения присосов обмуровку тщательно уплотняют. Воздух, необходимый для горения топлива, затягивается дутьевым вентилятором через воздухозаборную шахту и подается через воздухоподогреватель в топку. Питательная вода, прошедшая предварительную химическую очистку и, как правило, подогретая в регенеративных подогревателях, поступает в водяной экономайзер, где подогревается до температуры насыщения, и далее подается в барабан котла. В барабане питательная вода смешивается с котловой водой. Из барабана котловая вода поступает в опускные трубы, далее в нижний коллектор и через экранные испарительные тубы снова возвращается в барабан.. Этот замкнутый контур: барабан, опускные трубы, нижний коллектор, испарительные трубы, фестон и снова барабан называется циркуляционным контуром котла.
Принцип работы циркуляционного контура
Движение воды в опускных и пароводяной смеси в испарительных обогреваемых трубах происходит за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси.
В циркуляционном контуре вода находится в состоянии насыщения. Высота контура для котлов различной производительности сильно отличается. Для котлов низкой производительности она составляет от 3 до 5 м, для котлов средней производительности до 12 м и котлов высокой производительности 30-40 м. в результате такой значительной высоты вода в нижней части контура имеет некоторый недогрев за счет статического давления столба воды.
ПРИМЕР. Котел с давлением 13 атм, высота контура 10 м . Значит давление в нижней части будет 14 атм. Давлению 13 атм соответствует температура насыщения 194 градуса С, а давлению 14 атм – 197 градусов С. Таким образом, в нижнем коллекторе температура котловой воды будет на 3 градуса ниже температуры насыщения. Поэтому в нижней части подъемных труб происходит нагрев воды до температуры насыщения. Испарения здесь не происходит и поэтому эту часть называют экономайзерной частью. По высоте обогревательных труб становится меньше, а паросодержание растет.
Движущая сила естественной циркуляции определяется:
Sдв = H*( ρ1 – ρпв)*g
H-высота контура;
ρ1- плотность воды в опускных трубах;
ρпв- средняя плотность пароводяной смеси
Напор естественной циркуляции может достигать до 0,5-0,8 атм. Котлы, работающие за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси, называются котлами с естественной циркуляцией. Если движущей силы циркуляции не достаточно для обеспечения заданной кратности в котле, то тогда в циркуляционный контур устанавливают дополнительный циркуляционный насос. Такие котлы называются котлами с многократно принудительной циркуляцией. В тех случаях, когда в котлах очень высокое давление и разность плотностей воды и пароводяной смеси становится незначительной, а высокая температура не позволяет использовать циркуляционный насос для получения пара, используют прямоточные котлы, в которых отсутствует контур циркуляции.
Системы газовоздушного тракта
Нормальная работа котла возможна при условии непрерывной подачи в топку воздуха, необходимого для горения топлива и удаления в атмосферу продуктов сгорания после их охлаждения и очистки от твердых частиц. Существуют разные схемы организации подачи воздуха и перемещения сгорания в газоходах катка.
В системе с естественной тягой сопротивления движению потока воздух и предметов сгорания, преодолеваются за счет разности давлений воздуха, поступающего в топку, и предметы сгорания, удаляемых через дымовую трубу в атмосферу. В этом случае весь газовоздушный тракт находится под разряжением. Эта система и применяется в котлах малой мощности при малых сопротивлениях движению потоков воздуха и продуктов сгорания.
3
1 2 7
труба
котел дымосос
золоуловитель
В этой системе сопротивление воздушного и газового трактов преодолеваются за счет разряжения, создаваемого дымососом и трубой. Такая схема применяется в котлах малой мощности, работающих на газе и мазуте и не имеющих воздухонагревателя.
труба
вентилятор
Узел подготовки
топлива
котел
Золоуло-
витель
дымосос
В этой системе подача воздуха в топку осуществляется вентилятором, а продукты сгорания удаляются дымососом. В этом случае воздушный тракт находится под давлением, а газовый – под разряжением. Такая система применяется в котлах средней и большой мощности.
В этой схеме, сопротивление воздушного и газового трактов преодолеваются вентилятором. При этом газоходы котла находятся под давлением. Такая система используется для котлов, работающих на газе и мазуте.
При всех системах газовоздушного тракта охлажденные продукты сгорания должны проходить очистку от частиц уноса и желательно от токсичных газов и удаляются наружу высокими дымовыми трубами, что способствует их рассеиванию в атмосфере.
Тепловой расчет котельного агрегата Общие положения. Схема расчета
Тепловой расчет проводится с целью определения экономических или конструктивных параметров котельного агрегата. Различают конструктивный и поверочный расчет КА.
Конструктивный тепловой расчет – расчет который проводится для определения размеров топочного объема, радиационных и конвективных поверхностей нагрева, обеспечивающих номинальную производительность котла при заданных рабочих параметрах. Целью конструктивного расчета является разработка проекта нового котла.
Поверочный тепловой расчет – расчет, при котором по заданной конструкции и геометрическим характеристикам поверхностей нагрева котла для конкретного вида топлива определяется реальная паропроизводительность и экономичность. Для этого определяют тепловые потери котла, его КПД, расход топлива, скорости теплоносителя, воздуха и продуктов сгорания, температуру теплоносителя и продуктов сгорания, α-коэффициент избытка воздуха по газоходам и коэффициент теплопередачи в поверхностях нагрева. Поверочный расчет проводят также при переводе котла на сжигание другого вида топлива при изменении его производительности, при изменении параметров получаемого пара и после проведения реконструкций поверхностей нагрева. При поверочном расчете заранее неизвестны температуры продуктов сгорания и теплоносителя после каждой поверхности нагрева и на выходе из котла. Поэтому поверочный расчет производится методом последовательных приближений по температуре уходящих газов. Заданная и полученная температуры уходящих газов должны различаться не более чем на 10º. Расчетная схема котла состоит из следующих элементов:
топочный объем с радиационными поверхностями нагрева;
фестонные поверхности;
пароперегреватель;
конвективные испарительные поверхности;
экономайзер;
воздухоподогреватель.
В зависимости от марки котла некоторые элементы могут отсутствовать.
Тепловой расчет проводят путем составления материальных и тепловых балансов котла в целом и отдельных его элементов.
исходные
данные
расчетная схема к/а
материальный
баланс
тепловой баланс
расчет топки
расчет
конвективных поверхностей
расчет ПП
расчет ЭК и ВП
>10º
<10º