Вопрос 18. Котлы

Устройство, устройство, оснащенное топкой, в которой производится сжигание топлива, обогреваемое продуктами сгорания топлива и имеющее предназначение в получении пара с давлением выше атмосферного и используемого вне самого устройства, называют паровым котлом (котельным агрегатом). Теплота от топочных газов в топке передается радиационным поверхностям нагрева, а за топкой – конвективным поверхностям нагрева, к которым относят кипятильные трубы и пароперегреватель. К конвективным, или хвостовым, поверхностям нагрева также относят такие немаловажные элементы, как водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПДкотельной установки и снижения расхода топлива.

Элементы парового котельного агрегата представляют собой цилиндры (трубы и сосуды) разного диаметра, соединенные между собой с помощью сварки или вальцовки. Основными деталями парового котла являются барабан, коллекторы и трубы. Для возможности осмотра и очистки барабанов и коллекторов выполняют отверстия, называемые лазами, или люками. Внутренний объем парового котла, заполненный водой, называют водным пространством, занятый паром – паровым пространством; поверхность, отделяющую паровое пространство от водного, – зеркалом испарения. В паровом пространстве устанавливают устройства для сепарации пара и влаги.

Основное условие, которое «работает» на обеспечении надежной, безопасной и экономичной работы парового котельного агрегата, – поддержание за счет интенсивного охлаждения теплоносителем на заданном расчетном уровне температуры металлических поверхностей нагрева, которые подвергаются постоянному воздействию высоких температур, которыми обладают топочные газы. Охлаждение металла достигается путем непрерывной и постоянной циркуляции теплоносителя внутри обогреваемых труб. Теплота от дымовых топочных газов передается трубам, а теплоноситель должен непрерывно отводить эту теплоту от стенок. Если отвод теплоты происходит недостаточно интенсивно, то металл труб может сильно перегреться и потерять свою механическую прочность. Это может привести к появлению на трубах отдулин, свищей и даже к разрыву труб, что в свою очередь с большой вероятностью может вызвать аварию, привести к аварийной остановке котла.

Питательная вода из деаэратора, после того, как будет пройдет процесс водоподготовки, при помощи питательного насоса подается вначале в водяной экономайзер, где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем по питательной линии идет в верхний барабан парового котла, где смешивается с котловой водой. Одна часть котловой воды из верхнего барабана по кипятильным трубам, расположенным в области более низких температур топочных газов, опускается в нижний барабан, откуда по подъемным трубам, местом для расположения которых служит область более высоких температур топочных газов, нагретая вода и пароводяная смесь поднимаются в верхний барабан. Другая часть котловой воды из верхнего барабана, проходя по опускным трубам, находящимся вне топки (обычно снаружи или в обмуровке), направляется к нижним коллекторам экранных труб, где происходит распределение по коллекторам, после чего эта часть котловой воды нагревается в экранных трубах, а образующиеся пузырьки пара и пароводяная смесь поднимаются в верхний барабан котла. Путь, по которому совершается движение теплоносителя, называется циркуляционным контуром.

Пар, полученный в испарительных поверхностях нагрева, в верхнем барабане котла проходит через паросепарационные устройства, где из него отделяются капельки влаги. После осушки полученный сухой насыщенный пар по паропроводу идет к потребителю или в пароперегреватель, где при этом же давлении пар нагревается до более высокой (чем при состоянии сухого насыщенного пара) температуры.

При работе парового котельного оборудования уровень воды в верхнем барабане колеблется между низшим и высшим положениями. Низший допускаемый уровень (НДУ) воды в барабанах паровых котлов устанавливается (определяется) для исключения перегрева металла стенок верхнего барабана, кипятильного пучка, а также обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы контуров циркуляции. В большинстве случаев низший допускаемый уровень располагается выше на 100 мм над огневой линией, под которой, как правило, подразумевается наивысшая горизонтальная линия, в которой горячие топочные газы соприкасаются с неизолированной стенкой верхнего барабана котла. О положении же высшего допускаемого уровня можно сказать следующее.

Положение высшего допускаемого уровня (ВДУ) воды в барабанах паровых котлов определяется из условий предупреждения попадания воды в паропровод или пароперегреватель, что может привести к гидравлическому удару паропровода, вибрации, нарушению нормальных условий работы и возможной аварии. Объем воды, содержащейся в барабане между высшим и низшим уровнями, определяет «запас питания», т.е. время, позволяющее котлу работать без поступления в него воды. Для повышения КПД котельного оборудования возможна также и установка воздухоподогревателя.

Говоря о естественной циркуляции, следует отметить, что в паровом котле создается благодаря действиям гравитационных сил, которые обуславливает разность плотностей воды и пароводяной смеси. Плотность воды в опускных трубах выше плотности пароводяной смеси в подъемных трубах, хотя давление и температура насыщения в любой точке контура одинаковы. Поэтому вода идет вниз, а пароводяная смесь поднимается вверх. Кроме того, пузырьки пара всегда стремятся занять верхнее положение, что улучшает естественную циркуляцию.

В котле может быть несколько контуров циркуляции. Отношение циркулирующей воды в контуре к количеству образовавшегося пара называется кратностью циркуляции и в паровых котлах может составлять от 10 до 100. Для обеспечения надежной естественной циркуляции в контурах котлов ДКВР, ДЕ, серии Е, обычно используют трубы с наружным диаметром 51 мм с толщиной стенки 2,5…3,5 мм. Больший диаметр труб позволяет получить лучшую естественную циркуляцию за счет меньшего гидравлического сопротивления внутри труб, но с экономической точки зрения такой подход не оправдан. Интенсивность циркуляции зависит от нагрузки, которая падает «на плечи» котельной установки: если паровая нагрузка номинальная, то движение теплоносителя в контурах и работа котлапроисходят более устойчиво.

Среди возможных причин нарушения нормальной циркуляции можно выделить: неравномерный прогрев поверхностей испарения, что обычно имеет место при шлаковании отдельных участков труб; неравномерное распределение воды по трубам экранов и коллекторов, что имеет место при загрязнении шламом; несимметричное заполнение факелом горения топочного объема и др.

Весьма опасным является выпуск (или упуск) воды из барабана котла вследствие халатного отношения персонала. Если это произойдет, то в опускные трубы может попасть пар из барабана, что приведет к образованию кавитации, циркуляция при этом прекратится, в результате произойдет перегрев труб и верхнего барабана и в конечном итоге легко дойти до аварии.