Паровые котлы. Паровой котел (ПК) - теплообменный аппарат для получения пара с давлением, превышающим атмосферное, образующий вместе с вспомогательным оборудованием

Паровой котел (ПК) - теплообменный аппарат для получения пара с давлением, превышающим атмосферное, образующий вместе с вспомогательным оборудованием котельный агрегат.

Характеристиками ПК являются:

- поверхность нагрева, т. е. поверхность, с одной стороны омываемая дымовыми газами, а с другой стороны – питательной водой;

- паропроизводительность,рабочее давление пара;

- КПД, т. е. отношение количества тепла, содержащегося в паре, к теплотворной способности топлива, израсходованного для получения этого пара.

Характерными для ПК являются также вес, габариты, расход металла и имеющееся оборудование для механизации и автоматизации обслуживания.

Первые ПК имели шарообразную или близкую к ней форму. Такую форму имел и ПК, построенный в 1765 И. И. Ползуновым,создавшим первую универсальную паровую машину и тем самым положившим начало энергетическому использованию водяного пара. Сперва ПК изготовлялись из меди, затем из чугуна. В конце 18 века уровень развития чёрной металлургии дал возможность изготовить стальные цилиндрические ПК из листового материала путём склёпывания. Постепенные изменения в конструкциях ПК привели к многочисленным разновидностям. Цилиндрический котёл, имевший диаметр до 0,9 ми длину 12 м,монтировался с помощью кирпичной обмуровки, в которой выкладывались все газовые каналы. Поверхность нагрева такого ПК образовывалась лишь в нижней части котла.

Стремление к повышению параметров ПК привели к увеличению габаритов и увеличению числа потоков воды и пара. Увеличение числа потоков пошло по двум направлениям.

С одной стороны — создание стальных цилиндрических топок внутри основного цилиндрического объема котла, что привело к пронизыванию всего котла пучками жаровых (большого диаметра) и дымогарных (малого диаметра) труб и таким образом к созданию газотрубных котлов (рис. 3.8). Улучшение теплопередачи от дымовых газов к воде привело к тому, что температура газов на выходе из котла понизилась и КПД котла повысился. Это направление развития ПК характеризовалось созданием конструкций компактных транспортных котлов (паровозного, судового, локомобильного и т. п.).

Рис. 3.8. Локомобильный газотрубный паровой котёл

С другой стороны — последовательное увеличение числа цилиндров котла, превратившихся в водяные трубы, что привело к созданию конструкций водотрубных котлов.

Увеличение поверхности нагрева водотрубных котлов сопровождалось увеличением габаритов и, в первую очередь, высоты ПК. КПД ПК достиг 93—95%. Были созданы водотрубные ПК большой паропроизводительности для питания паром турбин мощных электростанций. Водотрубные котлы стали строиться баранного типа, в которых сочетались пучки прямых или изогнутых труб (змеевики) с цилиндрическими стальными барабанами (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Однобарабанный водотрубный паровой котёл: 1 – цилиндрический стальной барабан котла, 2 - радиационный пароперегреватель, 3 – топочная камера, 4, 6 – трубы топочных экранов, 5 – горелки, 7 – конвективные пароперегреватели и водяной экономайзер,8 – конвективная камера,9 - ширмовые пароперегреватели.

Дальнейшее совершенствование водотрубных ПК сделало возможным осуществление ПК, состоящего сплошь из стальных труб малого диаметра, в которые с одного конца поступает вода под давлением,
а с другого выходит пар заданных параметров, так называемого прямоточного котла. Таким образом, это ПК, в котором полное испарение воды происходит за время однократного (прямоточного) прохождения воды через испарительную поверхность нагрева. В прямоточный ПК вода с помощью питательного насоса подаётся в экономайзер.

Экономайзер - это теплообменник, в котором питательная вода перед подачей в котёл подогревается уходящими из котла газами, что повышает КПД ПК. Экономайзеры изготовляют из стальных, преимущественно гладких труб.

Из экономайзера вода поступает в змеевики или подъёмные трубы, расположенные в топке и составляющие испарительную поверхность. В выходной части змеевиков испаряются остатки влаги и начинается перегрев пара. В этой, так называемой переходной зоне, содержание пара в воде достигает 90-95% (по объёму). Змеевики переходной зоны во избежание пережога частично выводят из топки в газоходы, где теплонапряжение меньше. После переходной зоны пар окончательно перегревается в радиационном и конвективном пароперегревателях.

Пароперегреватель - элемент котлоагрегата для перегрева пара, то есть для повышения его температуры сверх температуры насыщения. Состоит из укрепленных параллельно стальных труб с внутренним диаметром 20-60 мм, присоединённых непосредственно к барабану котла или к входному, выходному, а иногда к промежуточному коллектору (рис. 3.10). По направлению движения пара относительно дымовых газов различают пароперегреватели с параллельным током, противотоком и смешанным током. В зависимости от места расположения пароперегревателя в котле и, следовательно, от вида теплообмена, осуществляющегося в нём, различают радиационные, ширмовые (полурадиационные) и конвективные пароперегреватели.

Рис. 3.10. Внешний вид пароперегревателя

Радиационные пароперегреватели размещают на потолке топочной камеры или же на стенках её, часто между трубами экранов. Они, как и испарительные экраны, воспринимают тепло, излучаемое факелом сжигаемого топлива. Ширмовые пароперегреватели, выполненные в виде отдельных плоских ширм из параллельно включенных труб, укрепляются на выходе из топки перед конвективной частью котла. Теплообмен в них осуществляется как излучением, так и конвекцией. Конвективные пароперегреватели располагают в газоходе котлоагрегата обычно за ширмами или за топкой; они представляют собой многорядные пакеты из змеевиков. Пароперегреватели, состоящие только из конвективных ступеней, обычно устанавливают в котлоагрегатах среднего и низкого давления при температуре перегретого пара не выше 440-510ºС. В котлоагрегатах высокого давления со значительным перегревом пара применяют комбинированные пароперегреватели, включающие конвективную, ширмовую, а иногда и радиационную части. При давлении пара в 14 МПа (140 кгс/см²) и выше обычно, кроме основных (первичных) пароперегревателей, устанавливают вторичные (промежуточные), в которых перегревается пар, частично отработавший в турбине.

В прямоточном ПК отсутствуют барабан и опускные трубы, что значительно снижает удельный расход металла, т. е. удешевляет конструкцию котла. Существенный недостаток таких котлов заключается в том, что соли, попадающие в котёл с питательной водой, либо отлагаются на стенках змеевиков в переходной зоне, либо вместе с паром поступают в паровые турбины, где оседают на лопатках рабочего колеса, что снижает КПД турбины. Поэтому к качеству питательной воды для таких ПК предъявляются повышенные требования Другим недостатком прямоточных ПК является увеличенный расход энергии на привод питательного насоса.

Прямоточные ПК устанавливают главным образом на конденсацион-ных электростанциях, где питание котлов осуществляется обессоленной водой. Применение их на теплоэлектроцентралях связано с повышенными затратами на химическую очистку добавочной (подпиточной) воды. Наиболее эффективны прямоточные ПК для сверхкритических давлений (выше 22 МПа), где другие типы котлов неприменимы.

Основными характеристиками паровых котлов является их производительность и параметры пара после первичного и промежуточного перегревателей. Расход пара на турбину устанавливается обычно для зимнего режима работы электростанции. Производительность парового котла должна выбираться с учетом увеличения расхода пара на турбину вследствие повышения давления в конденсаторе в летнее время года, утечек пара и конденсата, включения сетевых установок для отпуска теплоты и других расходов. В соответствие с этим производительность парового котла выбирается по максимальному пропуску свежего пара через турбину с учетом расхода пара на собственные нужды электростанции и обеспечения некоторого запаса для использования вращающегося резерва и других целей.

Накрупных электростанциях монтируют мощные водотрубные однобарабанные и прямоточные котлы высокого давления (до 25 МПа) с паропроизводительностью до нескольких т/час и температурой до 650ºС.

Теплофикационный котёл - это котлоагрегат теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), обеспечивающий одновременное снабжение паром теплофикационных турбин и производство пара или горячей воды для технологических, отопительных и др. нужд. В отличие от котлов КЭС в теплофикационных котлах обычно используют в качестве питателя воды возвращаемый загрязнённый конденсат. Для таких условий работы наиболее пригодны барабанные котлоагрегаты со ступенчатым испарением. На большинстве ТЭЦ теплофикационные котлы имеют поперечные связи по пару и по воде. В РФ на ТЭЦ наиболее распространены барабанные котлы паропроизводительностью 420 т/ч (давление пара 14 Мпа, температура 560ºС). С 1970 на мощных ТЭЦ с преобладающими отопительными нагрузками при возврате почти всего конденсата в чистом виде применяют моноблоки с прямоточными котлами паропроизводительностью 545 т/ч (25 МПа, 545ºС).

К теплофикационным ПК можно отнести и пиковые водогрейные котлы, которые используют для дополнительного подогрева воды при повышении тепловой нагрузки сверх наибольшей, обеспечиваемой отборами турбин. При этом вода нагревается сначала паром в бойлерах до 110-120ºС, а затем в котлах до 150-170ºС. В РФ эти котлы устанавливают обычно рядом с главным корпусом ТЭЦ. Применение сравнительно дешёвых пиковых водогрейных теплофикационных котлов для снятия кратковременных пиков тепловых нагрузок позволяет резко увеличить число часов использования основного теплофикационного оборудования и повысить экономичность его эксплуатации.